-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft eine Turbinenleitapparatanordnung. Insbesondere betrifft der hierin offenbarte Gegenstand eine Turbinenleitapparatanordnung, die mehrere Leitapparatsegmente mit bogenförmigen konkaven Vorderkanten enthält.
-
Turbinen (z. B. Dampfturbinen oder Gasturbinen) enthalten Leitschaufelsegmente (oder „Schaufelblatt-”Segmente), die eine Strömung eines Arbeitsfluids auf Turbinenlaufschaufeln richten, die mit einem umlaufenden Rotor verbunden sind. Eine vollständige Anordnung von Leitapparatsegmenten wird manchmal als eine Blenden- bzw. Leitapparatstufe (z. B. eine Blenden- bzw. Leitapparatstufe einer Dampfturbine) bezeichnet, wobei mehrere Stufen eine Blenden- bzw. Leitapparatanordnung bilden. Die Blenden- bzw. Leitapparatanordnung ist konfiguriert, um die Turbinenschaufeln zu umgeben, und der durch die Leitapparatsegmente definierte Strömungspfad in der Anordnung kann den Wirkungsgrad der Turbine beeinflussen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Es sind Turbinenleitapparatsegmente mit bogenförmigen konkaven Vorderkanten offenbart. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein stationäres Turbinenleitschaufelblatt: eine bogenförmige konkave Vorderkante; und eine im Wesentlichen flache Hinterkante.
-
Ein erster Aspekt der Erfindung sieht ein Turbinenleitschaufelblatt vor, das enthält: eine bogenförmige konkave Vorderkante; und eine im Wesentlichen flache Hinterkante.
-
Ein zweiter Aspekt der Erfindung enthält eine Turbinenleitschaufelblattanordnung, die aufweist: ein Schaufelblatt mit einer bogenförmigen konkaven Vorderkante; eine erste Seitenwand, die mit einer ersten Seite der Vorderkante integral ausgebildet ist; und eine zweite Seitenwand, die mit einer zweiten Seite der Vorderkante integral ausgebildet ist.
-
Ein dritter Aspekt der Erfindung enthält eine Vorrichtung, die aufweist: eine Turbinenanordnung, die aufweist: ein Gehäuse; einen Turbinenrotor, der von dem Gehäuse wenigstens teilweise umgeben ist; und eine Blenden- bzw. Leitapparatanordnung, die den Turbinenrotor wenigstens teilweise umgibt und von dem Gehäuse wenigstens teilweise umgeben ist, wobei die Leitapparatanordnung einen Kranz aus stationären Leitschaufeln enthält, wobei jeder der stationären Leitschaufeln ein Schaufelblatt mit einer bogenförmigen konkaven Vorderkante enthält.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verstanden, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung darstellen und in denen zeigen:
-
1–3 dreidimensionale Perspektivansichten eines Turbinenleitschaufelblattes gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
-
4 eine dreidimensionale Perspektivansicht eines Abschnitts einer stationären Turbinenleitschaufelanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
-
5 eine allgemeine schematisierte Endansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Es wird bemerkt, dass die Zeichnungen von der Erfindung gegebenenfalls nicht maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen nur typische Aspekte der Erfindung darstellen und sollten folglich nicht in einem den Umfang der Erfindung beschränkenden Sinne betrachtet werden. In den Zeichnungen kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente unter den Zeichnungen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Wie vorstehend erwähnt, sehen Aspekte der Erfindung Turbinenleitapparatsegmente mit bogenförmigen konkaven Vorderkanten vor. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein Turbinenleitschaufelblatt: eine bogenförmige konkave Vorderkante. In einer Ausführungsform kann die bogenförmige konkave Vorderkante einen Bogenradius von ungefähr drei Viertel der radialen Höhe bis ungefähr vier Drittel der radialen Höhe aufweisen. Z. B. kann, wenn die radiale Höhe (h) ungefähr 4 Zoll beträgt, der Bogenradius ungefähr 3 Zoll betragen. In einem anderen Beispiel kann, wenn die radiale Höhe (h) ungefähr 12 Zoll beträgt, der Bogenradius ungefähr 15 Zoll betragen. Es ist zu verstehen, dass andere Beziehungen zwischen der radialen Höhe und dem Bogenradius ebenfalls möglich sind. In einer Ausführungsform kann die Hinterkante im Wesentlichen flach sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Hinterkante im Wesentlichen bogenförmig konvex sein.
-
Bezugnehmend auf 1 ist eine dreidimensionale Perspektivansicht eines stationären Leitschaufelblattes 10 gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. In einer Ausführungsform kann das Leitschaufelblatt 10 eine bogenförmige bzw. gekrümmte konkave Vorderkante 12 und eine zu der bogenförmigen konkaven Vorderkante 12 entgegengesetzte Hinterkante 14 enthalten. In einer Ausführungsform kann die Hinterkante 14 eine im Wesentlichen flache Hinterkante sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Hinterkante 14 im Wesentlichen bogenförmig bzw. gekrümmt konvex sein (nicht veranschaulicht), wie dies in der Technik bekannt ist. Das stationäre Leitschaufelblatt 10 kann ferner einen Körperabschnitt 16 enthalten, der zwischen der Vorderkante 12 und der Hinterkante 14 angeordnet ist. Der Körperabschnitt 16 kann eine Saugseite 18 und eine zu der Saugseite 18 entgegengesetzte (und aus dieser Perspektive nicht sichtbare) Druckseite 20 enthalten. Wie in der Technik der Fluidmechanik/-aerodynamik bekannt, wird, wenn ein Fluid über dem Leitschaufelblatt 10 strömt, aufgrund der gekrümmten Beschaffenheit des Körperabschnitts 16 ein größerer Fluiddruck entlang der Druckseite 20 als über der Saugseite 18 aufgebaut. Das Leitschaufelblatt 10 kann ein Metall, wie beispielsweise Stahl, enthalten und/oder kann einen/eines oder mehrere aus Silizium, Nickel, Kohlenstoff, Mangan oder Stahl (z. B. AISI B50A365B-Stahl oder AISI B50A332B-Stahl) enthalten und kann durch Gießen oder andere herkömmliche Methoden geformt sein.
-
Wie in 1 veranschaulicht, ist das Leitschaufelblatt 10, und insbesondere die Vorderkante 12, konfiguriert, um ein Arbeitsfluid (z. B. ein Gas oder Dampf, wie durch die Pfeile 22 angezeigt) in Richtung auf die Hinterkante 14 über dem Körperabschnitt 16 zu leiten. Insbesondere kann während eines Betriebs einer Turbine (wie hier nachstehend weiter erläutert) das Arbeitsfluid 22 durch die Vorderkante 12 über die Druckseite 20 des Körperabschnitts 16 geleitet werden. Wie hierin weiter veranschaulicht, kann die Vorderkante 12 das Arbeitsfluid 22 in Richtung auf eine oder mehrere dynamische Turbinenschaufeln (nicht veranschaulicht) leiten, um einer Turbine bei der Erfüllung ihrer bestimmungsgemäßer Funktionen (z. B. der Verrichtung mechanischer Arbeit an einer umlaufenden Welle) zu helfen.
-
Bezugnehmend auf 2 ist eine weitere dreidimensionale Perspektivansicht eines stationären Leitschaufelblattes 10 gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Diese Ansicht veranschaulicht dreidimensionale Aspekte des Leitschaufelblattes 10 gemäß Ausführungsformen, wobei einige Bezeichnungen (z. B. der Körper 16) der Übersichtlichkeit wegen weggelassen sind. Ein Gitter, das dreidimensionale Beziehungen zwischen Abschnitten des Leitschaufelblattes 10 veranschaulicht, enthält Schnittpunkte (durch gestrichelte Kreise angezeigte Punkte), wie beispielsweise einen Mittelpunkt (Mle) der Vorderkante 12, einen Mittelpunkt (Mte) der Hinterkante 14, einen Umfangspunkt (Ple) der Vorderkante 12 und einen Randpunkt (Pte) der Hinterkante 14. Ferner ist in 2 eine Länge (Lsb) eines Bogens veranschaulicht, der sich über der Saugseite 18 des Körpers 16 erstreckt. Diese Länge (Lsb) kann den ungefähren Abstand von den Randpunkt (Ple) der Vorderkante zu dem Randpunkt (Pte) der Hinterkante entlang des Körperabschnitts 16 repräsentieren. Zusätzlich ist in 2 eine Länge (Lm) eines Bogens veranschaulicht, der sich von dem Vorderkantenmittelpunkt (Mle) über der Saugseite 18 des Körperabschnitts 16 zu dem Hinterkantenmittelpunkt (Mte) erstreckt. In einer Ausführungsform ist ein Abstand, der entlang des Körperabschnitts 16 von dem Vorderkantenmittelpunkt (Mle) zu dem Hinterkantenmittelpunkt (Mte) gemessen wird, geringer als ein Abstand, der entlang des Körperabschnitts 16 von dem Vorderkantenrandpunkt (Ple) zu dem Hinterkantenrandpunkt (Pte) gemessen wird. Die y-Komponente dieser Abstände ist in 2 als (y2) bzw. (y1 + y2) dargestellt. D. h., die Differenz der y-Komponente der Abstände Lm und Lsb ist gleich (y1). Dieses Ergebnis wird unabhängig davon, ob über der Saugseite 18 oder über der Saugseite 20 des Körperabschnitts 16 gemessen wird, erhalten. In jedem Fall ist Lm kleiner als Lsb.
-
Im Gegensatz zu herkömmlichen stationären Leitschaufelblättern enthält das Leitschaufelblatt 10, wie es gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht ist, eine bogenförmige konkave Vorderkante 12. Herkömmliche Leitschaufelblätter können im Wesentlichen flache oder ebene Vorderkanten enthalten, oder diese sind im Wesentlichen bogenförmig konvex. Z. B. würde im Gegensatz zu dem in 2 veranschaulichten Leitschaufelblatt 10 ein in dieser Koordinatenanordnung veranschaulichtes herkömmliches Leitschaufelblatt die Regionen (A) und (B), die als eine Lücke bzw. ein leerer Raum veranschaulicht sind, einnehmen. D. h., das Leitschaufelblatt 10 enthält eine im Wesentlichen bogenförmige Lücke (die durch die Regionen A und B definiert ist, die in herkömmlichen Leitschaufelblättern fehlt. Die bogenförmige konkave Vorderkante 12 des Leitschaufelblattes 10 kann einen reduzierten Strömungsverlust im Vergleich zu herkömmlichen Leitschaufelblättern ermöglichen und kann zur Steigerung des Turbinenwirkungsgrades eines Turbinensystems, das derartige Schaufelblätter verwendet, beitragen.
-
Bezugnehmend auf 3 weist das stationäre Leitschaufelblatt 10 in einer Ausführungsform eine bogenförmige konkave Vorderkante 12 mit einem Bogenradius auf, der ungefähr drei Viertel einer radialen Höhe (h) bis ungefähr vier Drittel der radialen Höhe (h) beträgt. Wenn z. B. die radiale Höhe (h) ungefähr 4 Zoll beträgt, kann der Bogenradius ungefähr 3 Zoll betragen. In einem anderen Beispiel kann der Bogenradius, wenn die radiale Höhe (h) ungefähr 12 Zoll beträgt, ungefähr 15 Zoll betragen. Es ist zu verstehen, dass andere Beziehungen zwischen der radialen Höhe und dem Bogenradius ebenfalls möglich sind. Wie auf dem Gebiet der Mathematik bekannt, kann der Radius eines Bogens unter Verwendung der Messwerte einer Bogenhöhe (h) und einer Bogenweite (w) gemeinsam mit der folgenden Formel näherungsweise bestimmt werden: ra = (h/2) + (w2/8h), worin „h” die an dem Mittelpunkt der Bogenbasis gemessene Höhe ist und worin „w” gleich der Länge (Weite) der die Basis des Bogens definierenden Sehne ist. In einer Ausführungsform kann die Höhe (h) im Bereich von ungefähr 0,5 cm bis ungefähr 10 cm liegen. In einer Ausführungsform kann die Weite (w) im Bereich von ungefähr 4 cm bis ungefähr 40 cm liegen. In jedem Fall ist die Vorderkante 12 des Leitschaufelblattes 10 bogenförmig konkav. D. h., im Gegensatz zu herkömmlichen stationären Leitschaufelblättern, die flache oder bogenförmige konvexe Vorderkanten aufweisen, enthalten die Leitschaufelblätter eine bogenförmige Lücke oder Leerstelle über einem Abschnitt ihrer Vorderkante (eine bogenförmige Lücke, wie sie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist).
-
Bezugnehmend auf 4 ist eine dreidimensionale perspektivische Teilansicht einer Turbinenleitapparatanordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Wie veranschaulicht, enthält die Turbinenleitapparatanordnung 100 stationäre Leitschaufelblätter 10, die bogenförmige konkave Vorderkanten 12 enthalten. Ferner sind Seitenwände, z. B. eine erste Seitenwand 114, die mit einer ersten Seite der Vorderkante 12 (an dem Randpunkt (Ple), 2) integral ist, und eine zweite Seitenwand 116, die mit einer zweiten Seite der Vorderkante 12 (an einer zu dem Randpunkt (Ple) entgegengesetzten Stelle) integral ausgebildet ist. Die Seitenwände 114, 116 können an den Seiten des Leitschaufelblattes bzw. der Leitschaufelblätter 10 angeschweißt, angelötet oder in sonstiger Weise angebracht sein, wie dies in der Technik bekannt ist. Die erste Seitenwand 114 kann eine innere Seitenwand (radial innen in Bezug auf eine Turbinenachse) sein und kann an einem Innenring 118 an einer Verbindung 190, über z. B. Schweißung, Hartlötung, Verklemmung oder eine sonstige Befestigung, betriebsmäßig befestigt sein. Die zweite Seitenwand 116 kann eine äußere Seitenwand (radial außen in Bezug auf eine Turbinenachse) sein und kann an einem Außenring 120, über z. B. Schweißen, Hartlöten, Verklemmen oder eine sonstige Befestigung, betriebsmäßig befestigt sein. Aufeinanderfolgend positionierte Seitenwände, wie beispielsweise die zweiten Seitenwände 116, können an den Verbindungsstellen 134 im Wesentlichen bündig gegeneinander angeordnet werden.
-
Bezugnehmend auf 5 ist eine allgemeine schematisierte Endansicht einer Vorrichtung 200, die stationäre Leitschaufelblätter 10 enthält, veranschaulicht. Die Vorrichtung 200 kann einen Teil einer Turbinenanordnung, z. B. einer Dampfturbinenanordnung, bilden und kann ein Gehäuse 130 (ein oberes und ein unters Gehäuse, die gemeinsam bezeichnet sind), einen Turbinenrotor 150, der von dem Gehäuse 130 wenigstens teilweise umgeben ist, und eine Blenden- bzw. Leitapparatanordnung 160 enthalten, die Ringsegmente (z. B. einen Innenring 118 und einen Außenring 120) und einen Kranz aus stationären Leitschaufeln 10 enthält, wobei die Leitapparatanordnung 160 den Rotor 150 wenigstens teilweise umgibt. Die Vorrichtung 200 ist ferner veranschaulicht, wie sie eine horizontale Verbindungsfläche 124 enthält, an der obere Abschnitte des Gehäuses 130 und der Leitapparatanordnung 160 verbunden sind, um einen Abschnitt einer Turbinenanordnung zu bilden, wie dies in der Technik bekannt ist. Wie veranschaulicht, enthält die Vorrichtung 200 stationäre Leitschaufelblätter 10, die (nicht sichtbare) bogenförmige konkave Vorderkanten aufweisen, die einen erhöhten Wirkungsgrad der Vorrichtung 200 (z. B. einer Dampfturbine) im Vergleich zu Vorrichtungen mit herkömmlichen stationären Leitschaufelblättern ermöglichen. Z. B. ist festgestellt worden, dass in einer Ausführungsform der Stufenwirkungsgrad einer Dampfturbine unter Verwendung hierin offenbarter Leitschaufelblätter 10 sogar um 0,078% im Vergleich zu herkömmlichen stationären Leitschaufelblättern vergrößert werden kann. In einem Beispiel haben in einem Dampfturbinensystem mit 5 Stufen die Stufen 2, 3 und 4 des Dampfturbinensystems Steigerungen des Stufenwirkungsgrads von 0,071, 0,068 bzw. 0,078% erfahren, indem hierin offenbarte stationäre Leitschaufelblätter 10 verwendet wurden, im Vergleich zu den Stufenwirkungsgraden derselben Stufen, die herkömmliche Leitschaufelblätter verwendeten.
-
Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll nicht für die Offenbarung beschränkend sein. In dem hierin verwendeten Sinne sollen die Singularformen „ein”, „eine” und „der”, „die” bzw. „das” auch die Pluralformen umfassen, sofern aus dem Zusammenhang nicht deutlich das Gegenteil hervorgeht. Es wird ferner verstanden, dass die Ausdrücke „aufweist” und/oder „aufweisend”, wenn sie in dieser Offenbarung verwendet werden, die Gegenwart der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch die Gegenwart oder Aufnahme eines/einer oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Gruppen nicht ausschließen.
-
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
-
Es sind Turbinenleitapparatsegmente mit beschnittenen Vorderkanten 12 offenbart. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein Turbinenleitschaufelblatt 10 eine bogenförmige konkave Vorderkante 12 und eine im Wesentlichen flache Hinterkante 14.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Leitschaufelblatt
- 12
- bogenförmige konkave Vorderkante
- 14
- Hinterkante
- 16
- Körperabschnitt
- 18
- Saugseite
- 20
- Druckseite
- 22
- Arbeitsfluid
- 100
- Turbinenleitapparatanordnung
- 114
- erste Seitenwand
- 116
- zweite Seitenwand
- 118
- innerer Ring
- 190
- Verbindung
- 120
- äußerer Ring
- 134
- Verbindungsstellen
- 200
- Vorrichtung
- 130
- Gehäuse
- 150
- Turbinenrotor
- 160
- Leitapparatanordnung
- 124
- horizontale Verbindungsfläche
