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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Rotationslaufschaufel
für eine
Dampfturbine und insbesondere eine Rotationslaufschaufel mit einer Geometrie,
die für
erhöhte
Betriebsdrehzahlen zum Einsatz in einer hinteren Stufe eines Niederdruckabschnittes
einer Dampfturbine geeignet ist.
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Der
Dampfströmungspfad
einer Dampfturbine wird im Wesentlichen von einem feststehenden Gehäuse und
einem Rotor gebildet. In dieser Konfiguration sind eine Anzahl feststehender
Leitschaufeln an dem Gehäuse
in einer Umfangsanordnung angebracht und erstrecken sich nach innen
in den Dampfströmungspfad.
Ebenso sind eine Anzahl von rotierenden Laufschaufeln an dem Rotor
in einer Umfangsanordnung angebracht und erstrecken sich nach außen in den
Dampfströmungspfad.
Die feststehenden Leitschaufeln und die rotierenden Laufschaufeln
sind in abwechselnden Reihen angeordnet, sodass eine Reihe von Leitschaufeln
und die unmittelbar stromabwärts
davon befindliche Reihe von Laufschaufeln eine Stufe bilden. Die
Leitschaufeln dienen dazu, den Dampfstrom so zu lenken, dass er in
die stromabwärts
befindliche Reihe der Laufschaufeln in korrektem Winkel eintritt.
Schaufelblätter
der Laufschaufeln entziehen dem Dampf Energie und erzeugen dadurch
die erforderliche Kraft, um den Rotor und die damit verbundene Last
anzutreiben.
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Während der
Dampf durch die Dampfturbine strömt,
fällt dessen
Druck über
jeder nachfolgenden Stufe ab, bis der gewünschte Auslassdruck erreicht ist.
Somit variieren die Dampf eigenschaften, wie z. B. Temperatur, Druck,
Geschwindigkeit und Feuchtigkeitsgehalt von Reihe zu Reihe, während sich
der Dampf über
den Strömungspfad
entspannt. Demzufolge verwendet jede Laufschaufelreihe Laufschaufeln
mit einer Schaufelblattform, die für die dieser Reihe zugeordneten
Dampfzustände
optimiert ist.
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Zusätzlich zu
Dampfzuständen
sind die Laufschaufeln auch dafür
ausgelegt, Zentrifugalbelastungen zu berücksichtigen, denen sie während des
Betriebs unterliegen. Insbesondere werden hohe Zentrifugalbelastungen
auf die Laufschaufeln aufgrund der hohen Drehzahl des Rotors aufgebracht,
welche wiederum eine Spannung auf die Laufschaufeln ausüben. Die
Reduzierung von Spannungskonzentrationen auf den Laufschaufeln ist
besonders in den hinteren Laufschaufelreihen eines Niederdruckabschnittes
in einer Dampfturbine eine Herausforderung für die Auslegung, wo die Laufschaufeln
größer sind
und aufgrund ihrer größeren Abmessungen
mehr wiegen und einer Spannungskorrosion aufgrund der Feuchtigkeit
in dem Dampfstrom unterliegen.
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Diese
Herausforderung in Verbindung mit der Auslegung von Rotationslaufschaufeln
für den Niederdruckabschnitt
der Turbine wird durch den Umstand verstärkt, dass die Schaufelblattform
der Schaufelblätter
im Wesentlichen die auf die Schaufelblätter ausgeübten Kräfte, die mechanische Festigkeit
der Laufschaufeln, die Resonanzfrequenz der Laufschaufeln und das
thermodynamische Betriebsverhalten der Laufschaufeln bestimmt. Diese Überlegungen
stellen Einschränkungen
bezüglich
der Wahl der Schaufelblattform der Laufschaufeln dar. Daher ist
die optimale Schaufelblattform der Laufschaufeln für eine vorgegebene
Reihe ein Kompromiss zwischen der Form zugeordneten mechanischen
und aerodynamischen Eigenschaften.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Dampfturbinen-Rotationslaufschaufel
bereitgestellt. Die Rotationslaufschaufel weist einen Schaufelblattbereich
auf. Ein Fußabschnitt
ist an einem Ende des Schaufelblattbereichs angebracht. Ein Schwalbenschwanzabschnitt
steht aus dem Fußabschnitt
hervor, wobei der Schwalbenschwanzabschnitt einen Tangentialeintritts-Schwalbenschwanz aufweist.
Ein Spitzenabschnitt ist an dem Schaufelblattbereich an einem dem
Fußabschnitt
gegenüberliegenden
Ende angebracht. Eine Abdeckung ist in einem Stück als ein Teil des Spitzenabschnittes
ausgebildet. Die Laufschaufel weist eine Austrittsringfläche von
etwa 1,68 m2 (18,1 Fuß2)
oder größer auf.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Niederdruckturbinenabschnitt
einer Dampfturbine bereitgestellt. In diesem Aspekt der vorliegenden
Erfindung sind mehrere Dampfturbinenlaufschaufeln einer hinteren
Stufe um ein Turbinenrotorrad herum angeordnet. Jede von den mehreren
Dampfturbinenlaufschaufeln der hinteren Stufe weist einen Schaufelblattbereich
mit einer Länge
von etwa 30,48 cm (12 Zoll) oder größer auf. Ein Fußabschnitt
ist an einem Ende des Schaufelblattbereichs angebracht. Ein Schwalbenschwanzabschnitt
steht aus dem Fußabschnitt
hervor, wobei der Schwalbenschwanzabschnitt einen Tangentialeintritts-Schwalbenschwanz aufweist.
Ein Spitzenabschnitt ist an dem Schaufelblattbereich an einem dem
Fußabschnitt
gegenüberliegenden
Ende angebracht. Eine Abdeckung ist in einem Stück als ein Teil des Spitzenabschnittes
ausgebildet. Die mehreren Dampfturbinen-Laufschaufeln der hinteren
Stufe weisen eine Austrittsringfläche von etwa 1,68 m2 (18,1 Fuß2)
oder größer auf.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische teilweise aufgeschnittene Darstellung einer
Dampfturbine;
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2 ist
eine perspektivische Darstellung einer Dampfturbinen-Rotationslaufschaufel
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine vergrößerte perspektivische Darstellung
eines in der Laufschaufel von 2 dargestellten
Tangentialeintritts-Schwalbenschwanzes gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine detaillierte Ansicht eines Abdeckungs- und Spitzenabschnittes
der in 2 Dampfturbinen-Rotationslaufschaufel gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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5 ist
eine perspektivische Darstellung, die eine Zwischenbeziehung von
benachbarten Abdeckungen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Wenigstens
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf
ihre Anwendung in Verbindung mit und dem Betrieb einer Dampfturbine
beschrieben. Ferner wird wenigstens eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf eine Nenngröße und einschließlich eines
Satzes von Nennabmessungen beschrieben. Es dürfte jedoch für den auf
diesem Gebiet ausgebildeten und von den Lehren hierin angeleiteten
Fachmann ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung in gleicher
Weise auf jede ge eignete Turbine und/oder Maschine anwendbar ist.
Ferner dürfte
für den
auf diesem Gebiet ausgebildeten und von den Lehren hierin angeleiteten
Fachmann ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche
Maßstäbe der Nenngröße und/oder
Nennabmessungen anwendbar ist.
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In
den Zeichnungen stellt 1 eine perspektivische teilweise
aufgeschnittene Veranschaulichung einer Dampfturbine 10 dar.
Die Dampfturbine 10 enthält einen Rotor 12,
der eine Welle 14 und mehrere axial in Abstand angeordnete
Rotorräder 18 enthält. Mehrere
Rotationslaufschaufeln 20 sind mechanisch mit jedem Rotorrad 18 gekoppelt.
Insbesondere sind die Laufschaufeln 20 in Reihen angeordnet,
die sich in Umfangsrichtung um jedes Rotorrad 18 herum
erstrecken. Mehrere feststehende Leitschaufeln 22 erstrecken
sich in Umfangsrichtung um die Welle 14 und sind axial
zwischen benachbarten Reihen von Laufschaufeln 20 positioniert.
Die feststehenden Leitschaufeln 22 arbeiten mit den Laufschaufeln 20 zusammen,
um eine Turbinenstufe auszubilden und einen Abschnitt eines Dampfströmungspfades
durch die Turbine 10 zu definieren.
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Im
Betrieb tritt Dampf 24 in einen Einlass 26 der
Turbine 10 ein und wird durch die feststehenden Leitschaufeln 22 geleitet.
Die Leitschaufeln 22 leiten den Dampf 24 stromabwärts gegen
die Laufschaufeln 20. Der Dampf 24 passiert die
restlichen Stufen unter Ausübung
einer Kraft auf die Laufschaufeln 20, was eine Rotation
der Welle 14 bewirkt. Wenigstens ein Ende der Turbine 10 kann
sich axial von dem Rotor 12 weg erstrecken und kann mit
einer Last oder (nicht dargestellten) Maschine, wie z. B., jedoch
nicht darauf beschränkt,
einem Generator und/oder einer anderen Turbine verbunden sein. Demzufolge
kann eine große
Dampfturbineneinheit tatsächlich
mehrere Turbinen beinhalten, die koaxial mit derselben Welle 14 gekoppelt
sind. Eine derartige Einheit kann beispielsweise ei ne Hochdruckturbine
beinhalten, die mit einer Zwischendruckturbine gekoppelt ist, welche mit
einer Niederdruckturbine gekoppelt ist.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden und in 1 dargestellten Erfindung weist
die Turbine 10 fünf
mit L0, L1, L2, L3 und L4 bezeichnete Stufen auf. Die Stufe L4 ist
die erste Stufe und ist (in einer radialen Richtung) die kleinste
von den fünf
Stufen. Die Stufe L3 ist die zweite Stufe und ist die nächste Stufe
in einer axialen Richtung. Die Stufe L2 ist die dritte Stufe und
ist in der Mitte der fünf
Stufen dargestellt. Die Stufe L1 ist die vierte und vorletzte Stufe.
Die Stufe L0 ist die letzte Stufe und (in der radialen Richtung)
die größte. Es
dürfte
sich verstehen, dass fünf
Stufen nur als Beispiel dargestellt sind, und dass eine Niederdruckturbine
mehr oder weniger als fünf
Stufen haben kann.
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2 ist
eine perspektivische Darstellung einer Dampfturbinen-Rotationslaufschaufel 20 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Laufschaufel 20 enthält eine
Druckseite 30 und eine Saugseite 32, die miteinander über eine
Vorderkante 34 und einer Hinterkante 36 verbunden
sind. Eine Schaufelblattsehnenstrecke ist eine von der Vorderkante 36 zu
der Hinterkante 34 an einem beliebigen Punkt entlang der
radialen Länge 38 gemessene
Strecke. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die radiale
Länge 38 oder
Schaufelblattlänge angenähert 30,48
cm (12 Zoll). Obwohl die Schaufelblattlänge in der exemplarischen Ausführungsform angenähert 30,48
cm (12 Zoll) ist, wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen,
dass die Lehren hierin auf verschiedene Maßstäbe dieser Nenngröße anwendbar
sind. Beispielsweise könnte
ein Fachmann auf diesem Gebiet das Schaufelblatt 20 mit
einem Vergrößerungsfaktor,
wie z. B. 1,2, 2 und 2,4, ausführen,
um eine Laufschaufellänge
von 36,58 cm (14,40 Zoll), 60,96 cm (24,0 Zoll) und 73,15 cm (28,8
Zoll) zu erzeugen.
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Das
Blatt 20 ist mit einem Schwalbenschwanzabschnitt 40,
einem Schaufelblattbereich 42 und einem sich dazwischen
erstreckenden Fußabschnitt 44 ausgebildet.
Der Schaufelblattbereich 42 erstreckt sich radial aus dem
Fußabschnitt 44 bis
zu einem Spitzenabschnitt 46. Eine Abdeckung 48 ist
in einem Stück
als ein Teil des Spitzenabschnittes 46 mit einem sich an
einem Übergang
dazwischen befindenden Übergangsradius 50 ausgebildet.
Gemäß Darstellung
in 2 ist die Abdeckung 48 bei einem zusammengesetzten
Winkel in Bezug auf den Spitzenabschnitt 46 angeordnet.
Insbesondere besitzt die Abdeckung 48 einen ersten Bereich 52 und
einen zweiten Bereich 54, der sich über den Spitzenabschnitt 46 von
einer Vorderkante 34 bis zu einer Stelle erstreckt, die
sich in einem vorbestimmten Abstand von der Hinterkante 36 befindet.
Der erste Bereich 52 der Abdeckung 48 erstreckt
sich über
die Druckseite 30 und der zweite Bereich 54 der
Abdeckung 48 erstreckt sich über die Saugseite 32.
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In
einer exemplarischen Ausführungsform sind
der Schwalbenschwanzabschnitt 40, der Schaufelblattbereich 42,
der Fußabschnitt 44,
der Spitzenabschnitt 46 und die Abdeckung 48 alle
als eine einteilige Komponente aus einem rostfreien Stahlmaterial
mit 12% Chrom hergestellt. In dieser Ausführungsform ist die Laufschaufel 20 über den
Schwalbenschwanzabschnitt 40 mit einem (in 1 dargestellten)
Turbinenrotorrad 18 gekoppelt und erstreckt sich radial
aus dem Rotorrad 18.
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3 ist
eine vergrößerte perspektivische Darstellung
des in dem Schaufelblatt von 2 dargestellten
Schwalbenschwanzabschnittes 40 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform weist der Schwal benschwanzabschnitt 40 einen
Tangentialeintritts-Schwalbenschwanz auf, der mit einem in dem (in 1 dargestellten)
Turbinenrotorrad 18 definierten passenden Schlitz in Eingriff
steht. In einer Ausführungsform
hat der Tangentialeintritts-Schwalbenschwanz
eine Konstruktion mit drei Haken, mit sechs Kontaktflächen, die
für einen
Eingriff mit dem (in 1 dargestellten) Turbinenrotorrad 18 konfiguriert sind.
Der Tangentialeintritts-Schwalbenschwanz ist zu bevorzugen, um eine
Verteilung von gemittelten und lokalen Spannungen, einen Schutz
während Überdrehzahlzuständen und
angemessene niederzyklische Ermüdungsgrenzwerte
(LCF) zu erzielen, sowie den Schaufelblattfußabschnitt 44 aufzunehmen. 3 stellt
auch dar, dass der Schwalbenschwanzabschnitt 40 einen axialen
Leitflügelüberhang 41 enthält, der
den Schaufelblattbereich 42 auf der Oberseite der Schaufelblattform 58 aufnimmt. Der
Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass der axiale Tangentialeintritts-Schwalbenschwanz
mehr oder weniger als drei Haken haben kann.
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Zusätzlich zur
Bereitstellung weiterer Details des Schwalbenschwanzabschnittes 40 stellt 3 auch
eine vergrößerte Ansicht
eines Übergangsbereichs
dar, an welchem der Schwalbenschwanzabschnitt 40 aus dem
Fußabschnitt 44 vorsteht.
Insbesondere stellt 3 einen Übergangsradius 58 an der
Stelle dar, an welcher der Fußabschnitt 44 zu
einer Plattform 60 des Schwalbenschwanzabschnittes 40 übergeht.
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4 zeigt
eine detailliertere Ansicht der Abdeckung 48 und des Spitzenabschnittes 46 der
in 2 dargestellten Dampfturbinenlaufschaufel 20 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie vorstehend erwähnt, ist die Abdeckung 48 bei
einem zusammengesetzten Winkel in Bezug auf den Spitzenabschnitt 46 so
angeordnet, dass die Abdeckung 48 einen ersten Bereich 52 und
einen zweiten Bereich hat, der sich über den Spitzenabschnitt 46 von
der Vorderkante 34 bis zu einer Stelle 56 erstreckt,
die sich in einem vorbestimmten Abstand von der Hinterkante 36 befindet.
Insbesondere erstreckt sich der erste Bereich 52 der Abdeckung 48 über die
Druckseite 30 und der zweite Bereich 54 der Abdeckung 48 erstreckt
sich über
die Saugseite 32. Da die Abdeckung 48 bei einem
zusammengesetzten Winkel in Bezug auf den Spitzenabschnitt 46 angeordnet
ist, erscheinen der erste Bereich 52 und zweite Bereich 54 als
eine ebene Fläche,
wenn sie aus unterschiedlichen Winkeln betrachtet wird.
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5 ist
eine perspektivische Darstellung, die die Beziehung zwischen benachbarten
Dampfturbinen-Rotationslaufschaufeln gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 5 dargestellt,
ist ein Überlappung 60 von
0,127 mm (0,005 Zoll) zwischen benachbarten Abdeckungen 48 vorhanden.
Im Wesentlichen sind die Abdeckungen 48 so ausgelegt, dass
sie einen Spalt oder eine Überlappung
zwischen benachbarten Abdeckungen während des anfänglichen
Zusammenbaus und/oder unter Nulldrehzahl-Bedingungen haben. Die Überlappung 60 stellt
eine ausreichende Kopplung an den Abdeckungen 48 bei Betriebsdrehzahl bereit,
um eine gewünschte
Frequenzantwort zu erhalten. Wie in 5 dargestellt,
erstreckt sich jede Abdeckung 48 über einen Bereich eines benachbarten
Spitzenabschnittes einer weiteren Laufschaufelbaugruppe. Insbesondere
erstreckt sich jede Abdeckung über
den Bereich eines benachbarten Spitzenabschnittes einer weiteren
Laufschaufelbaugruppe dort, wo deren Abdeckung sich nicht vollständig darüber bis
zu deren Hinterkante erstreckt.
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Sobald
sich das (in 1 dargestellte) Rotorrad 18 dreht,
beginnen die Laufschaufeln 20 sich zu entdrallen. Insbesondere
entdrallen sich, sobald die Umdrehungen pro Minute (UpM) der Laufschaufeln 20 den
Betriebswert erreicht, die Laufschaufeln aufgrund der Zentrifugalkraft
und die Abdeckun gen 48 richten sich zueinander aus, sodass
eine Nennüberlappung
mit benachbarten Abdeckungen vorliegt. Die Folge ist, dass die Schaufelblätter eine
einzige zusammenhängend
gekoppelte Struktur bilden. Die formschlüssige Abdeckung erzeugt eine
verbesserte Laufschaufelsteifigkeit, verbesserte Laufschaufeldämpfung und
verbesserte Abdichtung an den äußeren radialen
Positionen der Laufschaufel 20.
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In
einer exemplarischen Ausführungsform liegt
der Betriebswert für
die Laufschaufeln 20 bei 3600 UpM, wobei jedoch der Fachmann
auf diesem Gebiet erkennt, dass die Lehren hierin auf verschiedene
Maßstäbe dieser
Nenngröße anwendbar
sind. Beispielsweise könnte
ein Fachmann auf diesem Gebiet den Betriebswert mittels Maßstabsfaktoren,
wie z. B. 1,2, 2 und 2,4 im Maßstab
verändern,
um Laufschaufeln zu erzeugen, die bei 3000 UpM, 1800 UpM bzw. 1500
UpM arbeiten.
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Die
Laufschaufel 20 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt in einer L2-Stufe eines
Niederdruckabschnittes einer Dampfturbine verwendet. Jedoch könnte die
Laufschaufel auch in anderen (wie z. B. Hoch- oder Niederdruck)-Stufen
oder -Abschnitten eingesetzt werden. Wie vorstehend erwähnt, ist
eine bevorzugte Laufschaufellänge
für die
Laufschaufel 20 etwa 30,48 cm (12 Zoll). Diese Laufschaufellänge kann eine
Ringflächenfläche für die L2-Stufe
von etwa 1,68 m2 (18,1 Fuß2) bereitstellen. Diese vergrößerte und verbesserte
Austrittsringfläche
kann den Verlust an kinetischer Energie verringern, die der Dampf
beim Verlassen der Laufschaufeln der L2-Stufe erfährt. Dieser
geringere Verlust erzeugt einen verbesserten Turbinenwirkungsgrad.
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Wie
vorstehend erwähnt,
wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass, wenn die Schaufelblattlänge im Maßstab auf
eine andere Schaufelblattlänge
verändert
wird, dann dieser Maßstab
zu einer Austrittsringfläche
führt,
die ebenfalls im Maßstab verändert ist.
Beispielsweise würden
sich, wenn Maßstabsfaktoren,
wie z. B. 1,2, 2 und 2,4, zum Erzeugen von Blattlängen von
36,58 cm (14,40 Zoll), 60,96 cm (24,0 Zoll) und 73,15 cm (28,8 Zoll)
verwendet würden,
dann sich eine Austrittsringfläche
von etwa 2,42 m2 (26,01 Fuß2), 6,71 m2 (72,26
Fuß2) bzw. 9,67 m2 (104,05
Fuß2) ergeben.
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Obwohl
die Erfindung insbesondere in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform
davon dargestellt und beschrieben wurde, dürfte es sich verstehen, dass
Varianten und Modifikationen für
den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Daher dürfte es
sich verstehen, dass die beigefügten
Ansprüche
nur alle derartigen Modifikationen und Änderungen abdecken sollen,
soweit sie in den tatsächlichen
Erfindungsgedanken der Offenlegung fallen.
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Es
wird eine Dampfturbinen-Rotationslaufschaufel 20 für einen
Niederdruckabschnitt einer Dampfturbine 10 offengelegt.
Die Dampfturbinen-Rotationslaufschaufel 20 enthält einen
Schaufelblattbereich 42. Ein Fußabschnitt 44 ist
an einem Ende des Schaufelblattbereichs 42 angebracht.
Ein Schwalbenschwanzabschnitt 40 steht aus dem Fußabschnitt 44 vor,
wobei der Schwalbenschwanzabschnitt 40 einen Tangentialeintritts-Schwalenschwanz
aufweist. Ein Spitzenabschnitt 46 ist an dem Schaufelblattbereich 42 an
einem dem Fußabschnitt 44 gegenüberliegenden
Ende angebracht. Eine Abdeckung 48 ist in einem Stück als Teil
des Spitzenabschnittes 46 ausgebildet. Die Laufschaufel 20 enthält eine
Austrittsringfläche
von etwa 1,68 m2 (18,1 Fuß2) oder größer.
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- 10
- Dampfturbine
- 12
- Rotor
- 14
- Welle
- 16
- Biederdruckturbine
- 18
- Rotorrad
- 20
- rotierende
Laufschaufel
- 22
- Leitschaufeln
- 24
- Dampf
- 26
- Einlass
- 30
- Druckseite
- 32
- Saugseite
- 34
- Vorderkante
- 36
- Hinterkante
- 38
- radiale
Länge
- 40
- Schwalbenschwanzabschnitt
- 41
- Leitflügelüberhang
- 42
- Schaufelblattbereich
- 44
- Fußabschnitt
- 46
- Spitzenabschnitt
- 48
- Abdeckung
- 50
- Übergangsradius
zwischen Abdeckung und Spitzenabschnitt
- 52
- erster
Bereich der Abdeckung
- 54
- zweiter
Bereich der Abdeckung
- 56
- Übergangsradius
zwischen Fußabschnitt
und Schwalbenschwanzabschnitt
- 58
- Plattform
- 60
- Überlappung