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Hintergrund der Erfindung
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Der hier beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft einen Strömungsausgleichsschlitz.
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Spitzenabstandsverluste in einer Turbinenlaufschaufel bilden typischerweise 20 bis 25 % der Gesamtverluste in der Laufschaufelreihe. Diese Verluste entstehen im Wesentlichen aufgrund von Entweichen energiereicher Strömung durch den Abstandsbereich ohne Verrichtung irgendeiner Nutzarbeit, Vermischen einer Leckageströmung an den Spitzen und Durchtrittsströmung stromabwärts von der Laufschaufel und von Strömung, die von der Druckoberfläche des Schaufelblattes auf die Saugoberfläche überleitet. Eine von dem Schaufelblatt erzeugte Auftriebskraft und ein auf der Laufschaufelreihe erzeugtes Drehmoment werden somit verringert.
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Der Fall von Strömungsüberleitung wurde durch den Einbau einer Abdeckung auf der Laufschaufel behandelt. Die Abdeckung lenkt die Strömung von dem Überleitungsbereich weg und verringert die Verluste in Verbindung mit Überleitungsströmung.
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Die Gestaltung und Abmessung der Abdeckung kann den Strömungsanteil beeinflussen, der umgeleitet wird und kann dadurch die Höhe der verringerten Verluste beeinflussen. Leider erfordern mechanische Einschränkungen oft eine zackenförmige Ausbildung der Abdeckung und die Zackung bringt einen zusätzlichen Verlust in der Form von Intrusionsverlusten mit sich. Intrusionsverluste ergeben sich aus der Einwärts/Auswärts-Strömung durch die Zackung und vergrößern die stromabwärts auftretenden Mischverluste weiter. D.h., in den herkömmlichen Laufschaufelabdeckungen tritt eine sich von einem hinteren Zackungsbereich der Laufschaufel ablösende Strömung wieder in die Hauptströmung ein und tritt mit einem sich darin ausbreitenden Hufeisenwirbel in Wechselwirkung und vergrößert somit eine Größe und Intensität eines Strömungsmischungsverlustbereichs.
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DE 40 15 206 C1 , die die Basis für den Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 bildet, beschreibt ein Deckband für ein Integralrad, das Deckbandabschnitte mit gegenüberliegenden Druck- und Saugseitenrandabschnitten aufweist, die einen Z-förmigen Trennspalt begrenzen, wobei der Saugseitenrandabschnitt eine diskontinuierliche Gestaltung aufweist, die durch eine winkelförmige Schulter gebildet ist, die in Bezug auf die Gestaltung eines komplementären Druckseitenrandabschnitts eines benachbarten Schaufelblattes diskontinuierlich ist.
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US 5 482 435 A beschreibt eine Schaufelblattabdeckung mit unregelmäßigen Formen der Druck- und Saugseitenrandabschnitte und offenbart eine konkave Aussparung an einem Druckseitenrandabschnitt der Abdeckung in unmittelbarer Nähe zu einer Ecke einer Druckseitenlagerfläche, an der die Abdeckung eines Schaufelblattes mit einer Abdeckung eines benachbarten Schaufelblattes in Berührung steht.
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US 5 261 785 A offenbart eine Diskontinuität an dem Saugseitenrandabschnitt einer Schaufelblattabdeckung in Form eines abgeschrägten oder abgeschnittenen vorderen oder hinteren Randabschnitts.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Abdeckung eines Schaufelblattes und einer drehbare Turbinenstufe mit derartigen Abdeckungen zu schaffen, die es ermöglichen, die durch eine Überleitungsströmung von Fluid von einer Druckseite eines Schaufelblattes zu einer Saugseite eines benachbarten Schaufelblattes bedingten Verluste zu reduzieren.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Abdeckung eines Schaufelblattes mit gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten einer drehbaren Turbinenstufe zum Verhindern einer Überleitungsströmung von Fluid von einer Druckseite eines vorderen Schaufelblattes zu einer Saugseite eines nachfolgenden Schaufelblattes bereitgestellt. Die Abdeckung enthält Druck- und Saugseitenrandabschnitte, wovon einer eine Gestaltung hat, die in Bezug auf die eines komplementären von Saug- und Druckseitenrandabschnitten einer hinteren Abdeckung eines entsprechenden nachfolgenden bzw. vorangehenden Schaufelblattes diskontinuierlich ist. Gemäß der Erfindung weist der Saugseitenrandabschnitt die diskontinuierliche Gestaltung auf, wobei der Saugseitenrandabschnitt eine axiale Länge hat, die kürzer ist als eine axiale Länge des Druckseitenrandabschnitts eines benachbarten Schaufelblattes, wobei die axialen Längen entlang derselben Linie gemessen werden, die eine axiale Mittellinie der Turbinenstufe schneidet, und wobei der Saugseitenrandabschnitt mit einer konkav gerundeten Schulter, die einen zusammenhängend abgerundeten Rand enthält, einer winkelförmigen Aussparung, die im Wesentlichen gerade Ränder enthält, oder einer konkav abgerundeten Aussparung, die einen zusammenhängend gerundeten Rand enthält, ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine drehbare Turbinenstufe eines Turbinentriebwerks bereitgestellt und enthält eine erste hintere Abdeckung eines ersten Schaufelblattes mit gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten und eine zweite hintere Abdeckung eines zweiten Schaufelblattes mit gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten, das dem ersten Schaufelblatt in einer Richtung der Turbinenstufendrehung vorausgeht. Die ersten und zweiten hinteren Abdeckungen enthalten jeweils komplementäre Druck- und Saugseitenrandabschnitte, wovon einer eine Gestaltung hat, die wenigstens teilweise in Bezug auf die des Anderen diskontinuierlich ist, um eine Überleitungsströmung von Fluid von der Druckseite des zweiten Schaufelblattes auf die Saugseite des ersten Schaufelblattes zu verhindern. Gemäß der Erfindung weisen die Saugseitenrandabschnitte der ersten und der zweiten hinteren Abdeckung die diskontinuierliche Gestaltung auf, wobei die Saugseitenrandabschnitte eine axiale Länge haben, die kürzer ist als eine axiale Länge des Druckseitenrandabschnitts eines benachbarten Schaufelblattes, wobei die axialen Längen entlang derselben Linie gemessen werden, die eine axiale Mittellinie der Turbinenstufe schneidet, und wobei die Saugseitenrandabschnitte mit einer konkav gerundeten Schulter, die einen zusammenhängend abgerundeten Rand enthält, einer winkelförmigen Aussparung, die im Wesentlichen gerade Ränder enthält, oder einer konkav abgerundeten Aussparung, die einen zusammenhängend gerundeten Rand enthält, ausgebildet sind.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher.
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Figurenliste
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Der Erfindungsgegenstand, welcher als die Erfindung betrachtet wird, wird insbesondere in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung dargestellt und eindeutig beansprucht. Die vorstehenden und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenstufe eines Turbinentriebwerks ist;
- 2 eine vergrößerte radiale Ansicht der Turbinenstufe von 1 ist;
- 3 - 7 vergrößerte radiale Ansichten der Turbinenstufe von 1 gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind, wovon 4-6 erfindungsgemäße Ausführungsformen, wie beansprucht, zeigen ;
- 8 eine vergrößerte radiale Ansicht der Turbinenstufe von 1 gemäß weiteren Ausführungsformen ist;
- 9 eine perspektivische Ansicht der Turbinenstufe von 1 mit nicht-axialsymmetrischen hinteren Abdeckungen ist, die als solche nicht unter den Gegenstand der Erfindung, wie beansprucht, fallen.
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Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen ohne Einschränkung im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Gemäß 1 und 2, die als solche nicht den Gegenstand der Erfindung, wie beansprucht, zeigen, wird eine drehbare Turbinenstufe 10 eines Turbinen- oder Gasturbinentriebwerks bereitgestellt. Die Turbinenstufe 10 kann eine erste hintere Abdeckung 20 eines ersten Schaufelblattes 30 und eine zweite hintere Abdeckung 40 eines zweiten Schaufelblattes 50 enthalten. Das erste Schaufelblatt 30 enthält eine Druckseite 31 und eine Saugseite 32, und das zweite Schaufelblatt 50 enthält eine Druckseite 51 und eine Saugseite 52. Das erste Schaufelblatt 30 folgt unmittelbar dem zweiten Schaufelblatt 50 in Bezug auf eine Drehrichtung DTSR der Turbinenstufe nach und wenigstens eine von den ersten und zweiten Abdeckungen 20 und 40 der ersten und zweiten Schaufelblätter 30 und 50 ist dafür ausgebildet, zu verhindern, dass Fluid FSC, wie z.B. eine Durchlaufströmung, von einer Druckseite 51 des zweiten Schaufelblattes 50 in Überleitungsströmung auf eine Saugseite 32 des ersten Schaufelblattes 30 übergeht.
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Die erste hintere Abdeckung 20 enthält einen in Bezug auf die Drehrichtung DTSR der Turbinenstufen (siehe 2) angeordneten Druckseitenrandabschnitt 21 und einen Saugseitenrandabschnitt 22. Ebenso enthält die zweite hintere Abdeckung 40 einen Druckseitenrandabschnitt 41 und einen Saugseitenrandabschnitt 42. Einer von den Druckseitenrandabschnitten 21 und 41 und den Saugseitenrandabschnitten 22 und 42 hat eine Gestaltung, die wenigstens teilweise in Bezug auf eine Gestaltung ihres Komplements diskontinuierlich ist. Beispielsweise hat, wie es in 2 dargestellt ist, der Saugseitenrandabschnitt 22 der ersten hinteren Abdeckung 20 eine Gestaltung, die in Bezug auf eine Gestaltung des Druckseitenrandabschnitts 41 der zweiten hinteren Abdeckung 40 diskontinuierlich ist.
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Diese Diskontinuität bildet einen Strömungsausgleichsschlitz 45, der verhindert, dass Fluid FSC von einer Druckseite 51 des zweiten Schaufelblattes 50 in Überleitungsströmung auf eine Saugseite 32 des ersten Schaufelblattes 30 strömt. Die Diskontinuität führt Fluid FAC so, dass ein die ersten und zweiten hinteren Abdeckungen 20 und 40 verlassendes relativ energiereiches Fluid in einer Richtung DF strömt, welche wenigstens teilweise quer und radial nach außen zu der Richtung DTSR verläuft.
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Das von dem Strömungsausgleichsschlitz 45 geführte Fluid FAC kann zu einem die Turbinenstufe 10 in Umfangsrichtung umgebenden Turbinengehäuse der Turbine strömen. Der Strömungsausgleichsschlitz 45 kann auch das Fluid FAC zu dem Fluid FC ausrichten, um die Größe eines Verlustbereichs zu verringern und/oder einen höheren Rückdruck für das Fluid FC zu erzeugen, um Strömungen durch einen Abstandsbereich zu verringern.
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Eine Simulation von Turbinentriebwerken hat gezeigt, dass das Vorliegen des Strömungsausgleichsschlitzes 45 zu einem erhöhten Wirkungsgrad aufgrund von Verringerungen von Mischungsverlustbereichen der Gesamtströmung und Leckageströmungen an den Spitzen führt. Der Strömungsausgleichsschlitz 45 verringert auch das Gesamtgewicht einer Laufschaufelabdeckung und verlängert deren Lebensdauer. Die Nutzung des Strömungsausgleichsschlitzes 45 kann auf alle neuen Turbinen und als Teil eines Aufrüstpakets angewendet werden.
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Gemäß den 2 - 7 kann die den Strömungsausgleichsschlitz 45 ausbildende Diskontinuität entlang dem Saugseitenrandabschnitt 22 angeordnet sein, wobei die Ausführungsbeispiele der 2, 3 und 7 als solche nicht unter den beanspruchten Gegenstand der Erfindung fallen. Gemäß der Erfindung, und wie in 2 dargestellt, hat der Saugseitenrandabschnitt 22 eine axiale Länge LE, welche kürzer als eine axiale Länge LTE des Druckseitenrandabschnitts 41 ist, wobei LE und LTE entlang derselben Linie gemessen werden, die die axiale Mittellinie C der Turbinenstufe 10 schneidet. Die axiale Diskontinuität kann sich daraus ergeben, dass der Saugseitenabschnitt 22 mit einer winkelförmigen Schulter 60 (siehe 3, nicht beansprucht), welche im Wesentlichen gerade Ränder enthält, oder mit einer konkav gerundeten Schulter 70 (siehe 4), welche einen zusammenhängend abgerundeten Rand enthält, ausgebildet ist.
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In alternativen Ausführungsformen, in welchen die Diskontinuität in dem Saugseitenrandabschnitt 22 gemäß Darstellung in den Beispielen der 5 und 6 zu finden ist, kann der Saugseitenrandabschnitt 22 mit einer winkelförmigen Aussparung 80 (siehe 5) mit im Wesentlichen geraden Rändern oder mit einer konkav abgerundeten Aussparung 90 (siehe 6) mit einem zusammenhängend gerundeten Rand ausgebildet sein.
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Gemäß 7 können sowohl der Saugseitenrandabschnitt 22 als auch der Druckseitenrandabschnitt 41 die Stellen der Diskontinuitäten sein. D.h., dass in dem Beispiel von 7 sowohl der Saugseitenrandabschnitt 22 als auch der Druckseitenrandabschnitt 41 jeweils mit gegenüberliegenden Aussparungen 100 und 101 ausgebildet sind. Obwohl sie als winkelförmige Aussparungen dargestellt sind, dürfte es sich verstehen, dass diese Aussparungen auch konkav gerundete Aussparungen sein könnten.
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Es dürfte sich ferner verstehen, dass die in den 4 - 7 dargestellten verschiedenen Ausführungsformen zusammen oder getrennt gegenseitig austauschbar sind, ohne von dem Schutzumfang der verschiedenen Aspekte der Erfindung abzuweichen.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Turbinenstufe 10 eines Turbinentriebwerks bereitgestellt und beinhaltet den Schritt, dass ein erstes Fluid FSC in einer Überleitungsströmung beispielsweise von einer Druckseite 51 eines vorderen Schaufelblattes 50 auf eine Saugseite 32 eines nachfolgenden Schaufelblattes 30 strömt. Das Verfahren beinhaltet ferner die Führung eines die hintere Abdeckung 20, 40 verlassenden zweiten Fluids FAC so, dass es in eine Richtung DF strömt. Die Richtung DF ist wenigstens zu Beginn im Wesentlichen quer zu einer Drehrichtung DTSR der Turbinenstufe. Wie vorstehend beschrieben, wird die Verhinderung, dass das erste Fluid FSC in Überleitungsströmung von der Druckseite 51 des vorderen Schaufelblattes 50 auf die Saugseite 32 des nachfolgenden Schaufelblattes 30 strömt, erreicht, indem ein Strömungsausgleichsschlitz unmittelbar an wenigstens einem von einem Saugseitenrandabschnitt 22, 42 und einem Druckseitenrandabschnitt 21, 41 der hinteren Abdeckung 20, 40 ausgebildet wird.
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Unter Bezugnahme auf 8 ist erkennbar, dass die Konfigurationen der vorstehend beschriebenen hinteren Abdeckung 20, 40 variierenden Konfigurationen der vorderen Abdeckung 110 zugeordnet sein können. Beispielsweise kann die vordere Abdeckung 110 gemäß Darstellung in den 1 - 7 konfiguriert oder gemäß Darstellung in 8 gezackt sein kann.
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Unter Bezugnahme auf 9 ist ferner erkennbar, dass der Strömungsausgleichsschlitz 45 zwischen hinteren Abdeckungen 120 und 140 mit nicht-axialsymmetrischen Deckbandformen ausgebildet sein kann. Die Abdeckungen als solche fallen nicht unter den beanspruchten Gegenstand der Erfindung.
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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.
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Es wird eine Abdeckung 20, 40 eines Schaufelblattes 30, 50 mit gegenüberliegenden Druck- 31, 51 und Saugseiten 32, 52 einer drehbaren Turbinenstufe 10 bereitgestellt, um zu verhindern, dass Fluid FSC in Überleitungsströmung von einer Druckseite 51 eines vorderen Schaufelblattes 50 auf eine Saugseite 32 eines nachfolgenden Schaufelblattes 30 strömt. Die Abdeckung 20, 40 enthält Druck- und Saugseitenrandabschnitte 21, 22, 41, 42, wovon einer eine Gestaltung hat, die in Bezug auf die eines komplementären von Saug- und Druckseitenendabschnitten 21, 22, 41, 42 einer hinteren Abdeckung 20, 40 eines entsprechenden von einem nachfolgenden bzw. vorderen Schaufelblatt 30, 50 diskontinuierlich ist.
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Bezugszeichenliste
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- FC, FSC, FAC
- Fluid, Durchtrittsströmung, energiereiches Fluid
- DTSR
- Drehrichtung der Turbinenstufe
- DF
- Richtung quer zu DTSR
- LE, LTE
- axiale Längen
- 10
- drehbare Turbinenstufe
- 20
- erste hintere Abdeckung
- 21
- Druckseitenrandabschnitt
- 22
- Saugseitenrandabschnitt
- 30
- erstes Schaufelblatt
- 31
- Druckseite
- 32
- Saugseite
- 40
- zweite hintere Abdeckung
- 41
- Druckseitenrandabschnitt
- 42
- Saugseitenrandabschnitt
- 45
- Strömungsausgleichsschlitz
- 50
- zweites Schaufelblatt
- 51
- Druckseite
- 52
- Saugseite
- 60
- winkelförmige Schulter
- 70
- konkav gerundete Schulter
- 80
- winkelförmige Aussparung
- 90
- konkav gerundete Aussparung
- 100, 101
- gegenüberliegende Aussparungen
- 110
- vordere Abdeckung
- 120, 140
- hintere Abdeckungen mit nicht-axialsymmetrischen Deckbandgestaltungen
