DE102009044408A1 - System und Verfahren zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten - Google Patents
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Abstract
Es wird ein System mit einem Schaufelblattabschnitt (100) einer deckbandlosen Turbinenschaufel bereitgestellt, welche eine Druckseitenoberfläche (102) und eine Saugseitenoberfläche (104) enthält, die sich jeweils von einer Fußoberfläche (106) zu einer Spitzenoberfläche (108) erstrecken und an einer Vorderkante (110) und an einer Hinterkante (112) verbunden sind, wobei die Druckseitenoberfläche (102) eine im Wesentlichen konkave Form hat, während die Saugseitenoberfläche (104) eine im Wesentlichen konvexe Form hat; wobei der Schaufelblattabschnitt (100) einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche (106) zu der Spitzenoberfläche (108) und eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche (104) hat, sobald sich die Saugseitenoberfläche (104) der Spitzenoberfläche (108) annähert und sich die Spitzenoberfläche (108) der Vorderkante (110) annähert, der Schaufelblattabschnitt (100) eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche (104) hat, sobald sich die Vorderkante (110) der Spitzenoberfläche (108) annähert, und die Druckseitenoberfläche (102) und die Saugseitenoberfläche (104) jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche (102) an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche (108) haben.
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Der hierin offengelegte Erfindungsgegenstand betrifft im Wesentlichen thermomechanische Turbinen und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten.
- Betriebsverhalten und Wirkungsgrad thermomechanischer Turbinen, wie z. B. Gas- oder Dampfturbinen, werden erwünschter maßen durch die Verringerung von Verlusten bei der Umwandlung von thermischer in mechanischer Energie verbessert, die erfolgt, wenn Hochdruckgase (und/oder Fluide) auf Turbinenlaufschaufeln oder ”Schaufeln” aufgebracht werden, um eine mechanische Rotation und Energieabgabe zu bewirken. Derartige Verluste treten oft aufgrund einer Leckage an den Schaufeln durch Zwischenräume zwischen den Schaufelspitzen und umgebenden stationären Komponenten (wie z. B. Deckbändern, Gehäuse usw.) auf, was in einer unerwünschten Druckvermischung und Wirbelströmungserzeugung resultiert. Eine Verringerung dieser ”Spitzen”- und ”Spitzenwirbel”-Verluste ist insbesondere für deckbandlose Schaufelspitzenkonfigurationen anspruchsvoll, welche oft in einer oder mehreren Stufen von Turbinen eingesetzt werden.
- KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet ein System zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten einen Schaufelblattabschnitt einer deckbandlosen Turbinenschaufel. Der Schaufelblattabschnitt enthält eine Druckseitenoberfläche und eine Saugseitenoberfläche, die sich jeweils von einer Fußoberfläche zu einer Spitzenoberfläche erstrecken und an einer Vorderkante und an einer Hinterkante verbunden sind. Die Druckseitenoberfläche hat eine im Wesentlichen konkave Form, während die Saugseitenoberfläche eine im Wesentlichen konvexe Form hat. Der Schaufelblattabschnitt hat einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche zu der Spitzenoberfläche und eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche, sobald sich die Saugseitenoberfläche der Spitzenoberfläche annähert und sich die Spitzenoberfläche der Vorderkante annähert. Der Schaufelblattabschnitt hat auch eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche, sobald sich die Vorderkante der Spitzenoberfläche annähert. Ferner haben die Druckseitenoberfläche und die Saugseitenoberfläche jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten die Bereitstellung eines Schaufelblattabschnittes einer deckbandlosen Turbinenschaufel. Der Schaufelblattabschnitt enthält eine Druckseitenoberfläche und eine Saugseitenoberfläche, die sich jeweils von einer Fußoberfläche zu einer Spitzenoberfläche erstrecken und an einer Vorderkante und an einer Hinterkante verbunden sind. Die Druckseitenoberfläche hat eine im Wesentlichen konkave Form, während die Saugseitenoberfläche eine im Wesentlichen konvexe Form hat. Der Schaufelblattabschnitt hat einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche zu der Spitzenoberfläche und eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche, sobald sich die Saugseitenoberfläche der Spitzenoberfläche annähert und sich die Spitzenoberfläche der Vorderkante annähert. Der Schaufelblattabschnitt hat auch eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche, sobald sich die Vorderkante der Spitzenoberfläche annähert. Ferner haben die Druckseitenoberfläche und die Saugseitenoberfläche jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche.
- Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Der zugrunde liegende Gegenstand, welcher als die Erfindung betrachtet wird, wird insbesondere in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung dargestellt und eindeutig beansprucht. Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen:
-
1 eine Darstellung ist, die eine exemplarische perspektivische Ansicht eines Schaufelblattabschnittes einer Turbinenschaufel gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. -
2 eine Darstellung ist, die eine alternative exemplarische perspektivische Ansicht eines Schaufelblattabschnittes einer Turbinenschaufel gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. -
3 eine Liniendarstellung ist, die ein exemplarisches Neigungsprofil des Schaufelblattabschnittes von1 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. -
4 eine schematische Darstellung ist, die exemplarische Details des Schaufelblattabschnittes von1 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. - Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
- DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- In der nachstehenden detaillierten Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details nachstehend in Reihenfolge geschildert, um ein gründliches Verständnis verschiedener Ausführungsformen zu ermöglichen. Die Ausführungsformen können jedoch ohne diese spezifischen Details ausgeführt sein. In anderen Fällen sind bekannte Verfahren, Prozeduren und Komponenten nicht im Detail dargestellt.
- Ferner können zahlreiche Operationen als mehrere in einer Weise, die für das Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hilfreich ist, durchgeführte diskrete Schritte beschrieben sein. Jedoch sollte die Beschreibungsreihenfolge nicht als Implikation betrachtet werden, dass diese Operationen in der Reihenfolge ausgeführt werden müssen, in der sie dargestellt sind, oder dass sie sogar von dieser Reihenfolge abhängig sind. Ferner bezieht sich die wiederholte Verwendung des Ausdrucks ”in einer Ausführungsform” nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform, obwohl dieses der Fall sein kann. Schließlich sollen die Begriffe ”aufweisen”, ”enthalten”, ”haben” und dergleichen, so wie sie in der vor liegenden Anmeldung verwendet werden, als gleichbedeutend betrachtet werden, soweit es nicht anderweitig angegeben ist.
- Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung stellen ein System und ein Verfahren zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten, z. B. in einer thermomechanischen Turbine bereit. Gemäß derartigen exemplarischen Ausführungsformen werden Spitzen- und Spitzenwirbelverluste beispielsweise in deckbandlosen Schaufelkonfigurationen verringert. Ein Reiheneinlassstrom in der Nähe der Schaufelspitze wird nach innen durch Körperkräfte aufgrund einer saugseitigen Abwärtsstaffelungsanordnung in Kombination mit einem verringerten Strömungskoeffizienten über der Spitze aufgrund eines lokal abnehmenden Grades oder umgekehrten Richtung der Krümmung in dem spitzennahen Bereich umgeleitet.
-
1 ist eine Darstellung, die eine exemplarische perspektivische Ansicht eines Schaufelblattabschnittes100 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Der Schaufelblattabschnitt100 ist beispielsweise Teil einer deckbandlosen Turbinenschaufel. Der Schaufelblattabschnitt100 enthält eine Druckseitenoberfläche102 und eine Saugseitenoberfläche104 , welche sich von einer Fußoberfläche106 zu einer Spitzenoberfläche108 erstrecken und an einer Vorderkante110 und an einer Hinterkante112 verbunden sind. Die Druckseitenoberfläche102 hat eine im Wesentlichen konkave Form, während die Saugseitenoberfläche104 eine im Wesentlichen konvexe Form hat. Der Schaufelblattabschnitt100 hat einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche106 zu der Spitzenoberfläche108 (wie es z. B. weiter in4 dargestellt ist) und eine zunehmend belastete (z. B. vorne belastete) Saugseitenoberfläche104 , sobald sich die Saugseitenoberfläche104 der Spitzenoberfläche108 annähert und sich die Spitzenoberfläche108 der Vorderkan te110 annähert. Der Schaufelblattabschnitt100 hat eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche104 , sobald sich die Vorderkante110 der Spitzenoberfläche108 (wie es z. B. weiter in3 dargestellt ist) annähert. Ferner haben die Druckseitenoberfläche102 und die Saugseitenoberfläche104 jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche102 an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche108 (wie es z. B. weiter in3 dargestellt ist). - Der Schaufelblattabschnitt
100 kann verschiedene zusätzliche Eigenschaften wie z. B. gemäß den nachstehenden exemplarischen Ausführungsformen haben. Der Schaufelblattabschnitt100 kann beispielsweise eine in Sehnenrichtung belastete Stapelverteilung von Querschnitten (wie sie ferner in4 dargestellt ist) aufweisen. Ein (nicht dargestellter) Fußabschnitt kann mit dem Schaufelblattabschnitt100 an der Fußoberfläche106 verbunden sein, um beispielsweise eine deckbandlose Schaufel auszubilden. Ferner kann dieser Fußabschnitt mit einem Rotor (oder einer anderen Komponente) einer thermomechanischen Turbine, wie z. B. einer (nicht dargestellten) Gas- oder Dampfturbine, verbunden sein. -
2 ist eine Darstellung, die eine alternative exemplarische perspektivische Ansicht eines Schaufelblattabschnittes200 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung darstellt. Wie durch gleiche Bezugszeichen dargestellt, ähnelt der Schaufelblattabschnitt200 im Wesentlichen dem vorstehend beschriebenen Schaufelblattabschnitt100 . Der Schaufelblattabschnitt200 enthält ferner eine zunehmend belastete (z. B. rückseitenbelastete) Saugseitenoberfläche210 , sobald sich die Saugseitenoberfläche104 der Spitzenoberfläche108 annähert und sich die Spitzenoberfläche108 der Hinterkante112 annähert. Der Schaufelblattabschnitt200 enthält ferner eine Nei gung in der Richtung der Saugseitenoberfläche104 , sobald sich die Hinterkante112 der Spitzenoberfläche108 annähert. Das Schaufelblatt200 kann ferner eine oder mehrere von den vorstehend beschriebenen Variationen gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung enthalten. -
3 ist eine Liniendarstellung, welche ein exemplarisches Neigungsprofil300 des Schaufelblattabschnittes100 von1 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Das exemplarische Neigungsprofil300 enthält eine exemplarische Hinterkanten-Neigungsverteilung302 und eine Vorderkanten-Neigungsverteilung304 . Ein (nicht dargestelltes) exemplarisches Neigungsprofil für das Schaufelblatt200 würde sowohl eine Hinterkanten-Neigungsverteilung als auch eine Vorderkanten-Neigungsverteilung enthalten, die ähnlich zu der Vorderkantenverteilung304 wären. -
4 ist eine schematische Darstellung, welche exemplarische Details400 des Schaufelblattes100 von1 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Die dargestellten exemplarischen Details400 beinhalten die vorstehend beschriebene Vorderkante, Hinterkante und den zunehmenden Staffelungswinkel. Die in Sehnenrichtung belastete, gestaffelte Verteilung der Abschnitte ist ebenfalls dargestellt. (Nicht dargestellte) exemplarische Details für den Schaufelblattabschnitt200 von2 würden ähnliche Merkmale wie den in4 dargestellten Details400 enthalten. - Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung beinhalten auch ein Verfahren oder einen Prozess zum Verringern von (nicht dargestellten) Schaufelspitzenverlusten, welche die Bereitstellung eines Schaufelblattabschnittes
100 ,200 gemäß vorstehender Beschreibung für die1 und2 (einschließlich exemplarischer Varianten) beinhaltet. Ein derartiges exempla risches Verfahren oder ein solcher Prozess können die Ausführung eines Computerprogrammproduktes in einigen Ausführungsformen beinhalten. - Somit ist die technische Auswirkung von exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung ein System und ein Verfahren zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten z. B. in einer thermomechanischen Turbine. Gemäß derartigen exemplarischen Ausführungsformen werden Spitzen- und Spitzenwirbelverluste beispielsweise in deckbandlosen Schaufelkonfigurationen verringert. Ein Reiheneinlassstrom in der Nähe der Schaufelspitze wird nach innen durch Körperkräfte aufgrund einer saugseitigen Abwärtsstaffelungsanordnung in Kombination mit einem verringerten Strömungskoeffizienten über der Spitze aufgrund eines lokal abnehmenden Grades oder umgekehrten Richtung der Krümmung in dem spitzennahen Bereich umgeleitet.
- Obwohl die Erfindung detailliert in Verbindung mit nur einer eingeschränkten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, dürfte es sich ohne Weiteres verstehen, dass die Erfindung nicht auf derartige offengelegte Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, sodass sie eine beliebige Anzahl von Varianten, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen, die bisher nicht beschrieben wurden, enthält, die aber dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung entsprechen. Zusätzlich dürfte es sich, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demzufolge ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt zu betrachten, sondern ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
- Es wird ein System mit einem Schaufelblattabschnitt
100 einer deckbandlosen Turbinenschaufel bereitgestellt, welche eine Druckseitenoberfläche102 und eine Saugseitenoberfläche104 enthält, die sich jeweils von einer Fußoberfläche106 zu einer Spitzenoberfläche108 erstrecken und an einer Vorderkante110 und an einer Hinterkante112 verbunden sind, wobei die Druckseitenoberfläche102 eine im Wesentlichen konkave Form hat, während die Saugseitenoberfläche104 eine im Wesentlichen konvexe Form hat; wobei der Schaufelblattabschnitt100 einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche106 zu der Spitzenoberfläche108 und eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche104 hat, sobald sich die Saugseitenoberfläche104 der Spitzenoberfläche108 annähert und sich die Spitzenoberfläche108 der Vorderkante110 annähert, der Schaufelblattabschnitt100 eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche104 hat, sobald sich die Vorderkante110 der Spitzenoberfläche108 annähert, und die Druckseitenoberfläche102 und die Saugseitenoberfläche104 jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche102 an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche108 haben. -
- 100
- Schaufelblattabschnitt
- 102
- Druckseitenoberfläche
- 104
- Saugseitenoberfläche
- 106
- Fußoberfläche
- 108
- Spitzenoberfläche
- 110
- Vorderkante
- 112
- Hinterkante
- 200
- Schaufelblattabschnitt
- 210
- Saugseitenoberfläche
- 300
- Neigungsprofil
- 302
- Hinterkanten-Neigungsverteilung
- 110
- Vorderkanten-Neigungsverteilung
- 400
- Details
Claims (9)
- System zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten, das einen Schaufelblattabschnitt (
100 ,200 ) einer deckbandlosen Turbinenschaufel aufweist, wobei der Schaufelblattabschnitt (100 ,200 ) aufweist: eine Druckseitenoberfläche (102 ) und eine Saugseitenoberfläche (104 ,210 ), die sich jeweils von einer Fußoberfläche (106 ) zu einer Spitzenoberfläche (108 ) erstrecken und an einer Vorderkante (110 ) und an einer Hinterkante (112 ) verbunden sind, wobei die Druckseitenoberfläche (102 ) eine im Wesentlichen konkave Form hat, während die Saugseitenoberfläche (104 ,210 ) eine im Wesentlichen konvexe Form hat; den Schaufelblattabschnitt (100 ,200 ), der einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche (106 ) zu der Spitzenoberfläche (108 ) und eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche (104 ,210 ) hat, sobald sich die Saugseitenoberfläche (104 ,210 ) der Spitzenoberfläche (108 ) annähert und sich die Spitzenoberfläche (108 ) der Vorderkante (110 ) annähert, wobei der Schaufelblattabschnitt (100 ,200 ) eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche (104 ,200 ) hat, sobald sich die Vorderkante (110 ) der Spitzenoberfläche (108 ) annähert, und die Druckseitenoberfläche (102 ) und die Saugseitenoberfläche (104 ,200 ) jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche (102 ) an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche (108 ) haben. - System nach Anspruch 1, wobei der Schaufelblattabschnitt (
100 ,200 ) eine in Sehnenrichtung belastete Stapelverteilung von Querschnitten aufweist. - System nach Anspruch 1, das ferner einen Fußabschnitt aufweist, der mit dem Schaufelblattabschnitt (
100 ,200 ) an der Fußoberfläche (106 ) verbunden ist. - System nach Anspruch 3, wobei der Fußabschnitt mit einem Rotor einer Turbine verbunden ist.
- System nach Anspruch 1, wobei der Schaufelblattabschnitt (
100 ,200 ) ferner eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche (104 ,210 ) hat, sobald sich die Saugseitenoberfläche (104 ,210 ) der Spitzenoberfläche (108 ) annähert und sich die Spitzenoberfläche (108 ) der Hinterkante (112 ) annähert, und der Schaufelblattabschnitt (100 ,200 ) ferner eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche (104 ,210 ) hat, sobald sich die Hinterkante112 der Spitzenoberfläche (108 ) annähert. - System nach Anspruch 5, wobei die Druckseitenoberfläche (
102 ) und die Saugseitenoberfläche (104 ,210 ) eine Aufweitung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche (102 ) an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche108 haben. - System nach Anspruch 5, wobei der Schaufelblattabschnitt (
100 ,200 ) eine in Sehnenrichtung belastete Stapelverteilung von Querschnitten aufweist. - System nach Anspruch 5, das ferner einen Fußabschnitt aufweist, der mit dem Schaufelblattabschnitt (
100 ,200 ) an der Fußoberfläche (106 ) verbunden ist. - System nach Anspruch 8, wobei der Fußabschnitt mit einem Rotor der Turbine verbunden ist.
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