DE102013109151A1 - Blade assembly for a turbomachine - Google Patents
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Abstract
Es sind Laufschaufelanordnungen geschaffen. Die Laufschaufelanordnung enthält einen Schaft und ein Schaufelblatt, das radial außen von dem Schaft positioniert ist. Die Laufschaufelanordnung enthält ferner einen Hauptkühlkreislauf, der in dem Schaufelblatt und dem Schaft ausgebildet ist, wobei der Hauptkühlkreislauf sieben Durchgänge aufweist, wobei jeder der sieben Durchgänge mit einem benachbarten der sieben Durchgänge strömungsmäßig verbunden ist. Eine maximale Rotationszahl in jedem der sieben Durchgänge ist kleiner als oder gleich ungefähr 0,4.Blade assemblies are created. The blade assembly includes a shank and an airfoil positioned radially outward of the shank. The blade assembly further includes a main cooling circuit formed in the airfoil and the shank, the main cooling circuit having seven passages, each of the seven passages being in fluid communication with an adjacent one of the seven passages. A maximum number of rotations in each of the seven passes is less than or equal to about 0.4.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Turbomaschinen und insbesondere Laufschaufelanordnungen in Turbomaschinen.The present disclosure relates generally to turbomachines, and more particularly to blade assemblies in turbomachinery.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNGBACKGROUND TO THE INVENTION
Gasturbinensysteme stellen ein Beispiel für Turbomaschinen dar, die auf den Gebieten beispielsweise der Energieerzeugung weit verbreitet sind. Ein herkömmliches Gasturbinensystem enthält einen Verdichterabschnitt, einen Brennkammerabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Während eines Betriebs des Gasturbinensystems sind verschiedene Komponenten in dem System Hochtemperaturströmungen ausgesetzt, die bewirken können, dass die Komponenten ausfallen. Da Strömungen höherer Temperatur im Allgemeinen zur gesteigerter Leistungsfähigkeit, Effizienz und Leistungsabgabe des Gasturbinensystems führen, sollten die Komponenten, die den Hochtemperaturströmungen ausgesetzt sind, gekühlt werden, um dem Gasturbinensystem zu ermöglichen, bei erhöhten Temperaturen zu arbeiten.Gas turbine systems are an example of turbomachinery widely used in the fields of, for example, power generation. A conventional gas turbine system includes a compressor section, a combustor section and a turbine section. During operation of the gas turbine system, various components in the system are exposed to high temperature flows that may cause the components to fail. Because higher temperature flows generally result in increased performance, efficiency, and output of the gas turbine system, the components exposed to the high temperature flows should be cooled to allow the gas turbine system to operate at elevated temperatures.
Für jede Stufe des Turbinenabschnitts oder Heißgaspfadabschnitts eines Gasturbinensystems sollten viele Systemanforderungen erfüllt sein, um Konstruktionsziele, einschließlich einer insgesamt verbesserten Effizienz und Schaufelblattbelastung, zu verwirklichen. Insbesondere sollten die Laufschaufeln der verschiedenen Stufen des Turbinenabschnitts die Betriebsanforderungen für diese spezielle Stufe erfüllen und auch Anforderungen hinsichtlich des Schaufelkühlbereichs und der Wanddicke erfüllen. Anforderungen an die innere Kühlung sollten optimiert werden, was ein einzigartiges Profil des inneren Kerns erfordert, um die Stufenleistungsanforderungen zu erfüllen, die der Turbine ermöglichen, auf eine sichere, effiziente und problemlose Weise zu arbeiten.For each stage of the turbine section or hot gas path section of a gas turbine system, many system requirements should be met to achieve design goals, including overall improved efficiency and airfoil loading. In particular, the blades of the various stages of the turbine section should meet the operating requirements for that particular stage and also meet blade cooling range and wall thickness requirements. Internal cooling requirements should be optimized, requiring a unique inner core profile to meet the stage performance requirements that allow the turbine to operate in a safe, efficient and hassle-free manner.
Insbesondere besteht eine momentane Tendenz bei der Konstruktion von Laufschaufeln darin, die maximale Dicke (zwischen der Druckseite und der Saugseite) des Laufschaufelblattes zu vergrößern, um den aerodynamischen Wirkungsgrad zu verbessern. Ferner sind Reduktionen der Schaufelblattwand- und -rippendicken (zwischen den verschiedenen darin definierten Kühldurchgängen) gefördert worden, um das Gesamtgewicht der Laufschaufel zu minimieren. Die Kombination dieser beiden Tendenzen hat jedoch zu großen Kühldurchgängen mit großen Seitenverhältnissen geführt, die vergrößerte Kühldurchflüsse durch diese erfordern, um den erforderlichen Wärmekonvektionskoeffizienten für eine passende Kühlung von diesen zu erzielen. Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass die Mach-Zahl der Kühlströmung durch die Kühldurchgänge infolge dieser Tendenzen verringert wird, was zu gesteigerten Coriolis-Effekten in diesen Kühldurchgänge führt. Für jeden Kühldurchgang hat dies eine ungleichmäßige Kühlung mit einer Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten auf entweder der Druckseite oder der Saugseite des Durchgangs und einer Verringerung des Wärmeübergangskoeffizienten auf der anderen Seite zur Folge. Als Ergebnis kann eine Kühlung dieser Laufschaufeln ineffizient und ungleichmäßig sein und kann zu einer Schaufelbeschädigung führen.In particular, a current tendency in the design of blades is to increase the maximum thickness (between the pressure side and the suction side) of the blade airfoil to improve aerodynamic efficiency. Further, reductions in airfoil wall and rib thicknesses (between the various cooling passages defined therein) have been promoted to minimize the overall weight of the blade. However, the combination of these two tendencies has led to large, high aspect ratio cooling passages requiring increased cooling flow therethrough to achieve the required thermal convection coefficient for proper cooling thereof. The present inventors have found that the Mach number of the cooling flow through the cooling passages is reduced due to these tendencies, resulting in increased Coriolis effects in these cooling passages. For each cooling passage this results in uneven cooling with an increase in the heat transfer coefficient on either the pressure side or the suction side of the passage and a reduction in the heat transfer coefficient on the other side. As a result, cooling of these blades may be inefficient and uneven and may result in blade damage.
Demgemäß sind verbesserte Laufschaufeln in der Technik erwünscht. Insbesondere wären Laufschaufeln mit verbesserten Kühlkreisläufen, die eine effizientere und gut verteilte Kühlung ergeben, von Vorteil.Accordingly, improved blades are desired in the art. In particular, blades with improved cooling circuits that provide more efficient and well-distributed cooling would be advantageous.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind zum Teil in der folgenden Beschreibung erläutert oder können aus der Beschreibung offensichtlich sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.Aspects and advantages of the invention will be set forth in part in the description which follows, or may be obvious from the description, or may be learned by practice of the invention.
In einem Aspekt ist eine Laufschaufelanordnung offenbart. Die Laufschaufelanordnung enthält einen Schaft und ein Schaufelblatt, das radial außen von dem Schaft positioniert ist. Die Laufschaufelanordnung enthält ferner einen Hauptkühlkreislauf, der in dem Schaufelblatt und dem Schaft definiert ist, wobei der Hauptkühlkreislauf sieben Durchgänge aufweist, wobei jeder der sieben Durchgänge mit einem benachbarten der sieben Durchgänge strömungsmäßig verbunden ist. Eine maximale Rotationszahl in jedem der sieben Durchgänge ist kleiner als oder gleich ungefähr 0,4.In one aspect, a blade assembly is disclosed. The bucket assembly includes a shank and an airfoil positioned radially outward of the shank. The bucket assembly further includes a main cooling circuit defined in the airfoil and shaft, the main cooling circuit having seven passages, each of the seven passages being fluidly connected to an adjacent one of the seven passages. A maximum rotation number in each of the seven passes is less than or equal to about 0.4.
Besonders vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen der Laufschaufelanordnung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen eine oder mehrere der folgenden:
Die Rotationszahl in jedem der sieben Durchgänge liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen ungefähr 0,01 und ungefähr 0,35.Particularly advantageous and preferred embodiments of the blade assembly according to the first aspect of the present invention include one or more of the following:
The number of rotations in each of the seven passes is preferably in a range between about 0.01 and about 0.35.
Ein erster Durchgang der sieben Durchgänge kann eine maximale Querschnittsfläche in dem Schaufelblatt aufweisen, die um eine Größe in einem Bereich zwischen ungefähr 10% und ungefähr 20% kleiner ist als eine maximale Querschnittsfläche eines anderen Durchgangs der sieben Durchgänge in dem Schaufelblatt.A first pass of the seven passages may have a maximum cross sectional area in the airfoil that is smaller by a size in a range between about 10% and about 20% than a maximum cross sectional area of another passage of the seven passages in the airfoil.
Die Laufschaufelanordnung kann ferner einen Auslassdurchgang aufweisen, der in dem Schaufelblatt definiert ist und mit einem siebten Durchgang der sieben Durchgänge in Strömungsverbindung steht.The bucket assembly may further include an outlet passage defined in the airfoil and a seventh Passage of the seven passages is in fluid communication.
Die Laufschaufelanordnung kann ferner einen vorderen Kühlkreislauf und einen hinteren Kühlkreislauf aufweisen, die jeweils in dem Schaufelblatt und dem Schaft definiert sind.The bucket assembly may further include a front cooling circuit and a rear cooling circuit defined in the airfoil and the shaft, respectively.
Der Hauptkühlkreislauf besteht vorzugsweise aus sieben Durchgängen.The main cooling circuit preferably consists of seven passes.
Die Laufschaufelanordnung kann ferner eine Plattform aufweisen, die radial zwischen dem Schaft und dem Schaufelblatt positioniert ist.The bucket assembly may further include a platform positioned radially between the shank and the airfoil.
Das Schaufelblatt kann Außenflächen aufweisen, die eine Druckseite und eine Saugseite definieren, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstrecken.The airfoil may have outer surfaces defining a pressure side and a suction side extending between a leading edge and a trailing edge.
Die Laufschaufelanordnung kann ferner einen Schwalbenschwanz aufweisen. Der Schwalbenschwanz kann eine Wurzel definieren, und der Hauptkühlkreislauf kann sich bis zu der Wurzel erstrecken.The blade assembly may further include a dovetail. The dovetail may define a root and the main cooling circuit may extend to the root.
In einem anderen Aspekt ist eine Turbomaschine offenbart. Die Turbomaschine weist einen Einlassabschnitt, einen Auslassabschnitt, einen Verdichterabschnitt und einen Turbinenabschnitt auf. Der Turbinenabschnitt weist mehrere Laufschaufelanordnungen auf. Jede der mehreren Laufschaufelanordnungen weist einen Schaft und ein Schaufelblatt auf, das radial außen von dem Schaft positioniert ist. Jede der mehreren Laufschaufelanordnungen enthält ferner einen Hauptkühlkreislauf, der in dem Schaufelblatt und dem Schaft definiert ist, wobei der Hauptkühlkreislauf sieben Durchgänge aufweist, wobei jeder der sieben Durchgänge mit einem benachbarten der sieben Durchgänge strömungsmäßig verbunden ist. Eine maximale Rotationszahl in jedem der sieben Durchgänge ist kleiner als oder gleich ungefähr 0,4.In another aspect, a turbomachine is disclosed. The turbomachine includes an inlet section, an outlet section, a compressor section and a turbine section. The turbine section includes a plurality of blade assemblies. Each of the plurality of blade assemblies includes a stem and an airfoil positioned radially outward of the stem. Each of the plurality of blade assemblies further includes a main cooling circuit defined in the airfoil and shaft, the main cooling circuit having seven passages, each of the seven passages being fluidly connected to an adjacent one of the seven passages. A maximum rotation number in each of the seven passes is less than or equal to about 0.4.
Besonders vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen der Turbomaschine gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen eine oder mehrere der folgenden:
Die Rotationszahl in jedem der sieben Durchgänge liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,01 und 0,35.Particularly advantageous and preferred embodiments of the turbomachine according to the second aspect of the present invention include one or more of the following:
The number of rotations in each of the seven passes is preferably in a range between 0.01 and 0.35.
Ein erster Durchgang der sieben Durchgänge kann eine maximale Querschnittsfläche in dem Schaufelblatt aufweisen, die um eine Größe in einem Bereich zwischen ungefähr 10% und ungefähr 20% kleiner ist als eine maximale Querschnittsfläche eines anderen Durchgangs der sieben Durchgänge in dem Schaufelblatt.A first pass of the seven passages may have a maximum cross-sectional area in the airfoil that is smaller by a size in a range between about 10% and about 20% than a maximum cross-sectional area of another passage of the seven passages in the airfoil.
Die Turbomaschine kann ferner einen Auslassdurchgang aufweisen, der in dem Schaufelblatt definiert ist und mit einem siebten Durchgang der sieben Durchgänge in Strömungsverbindung steht.The turbomachine may further include an outlet passage defined in the airfoil and in fluid communication with a seventh passage of the seven passages.
Die Turbomaschine kann ferner einen vorderen Kühlkreislauf und einen hinteren Kühlkreislauf aufweisen, die jeweils in dem Schaufelblatt und dem Schaft definiert sind.The turbomachine may further include a front cooling circuit and a rear cooling circuit defined respectively in the airfoil and the shaft.
Der Hauptkühlkreislauf besteht vorzugsweise aus sieben Durchgängen.The main cooling circuit preferably consists of seven passes.
Die Turbomaschine kann ferner eine Plattform aufweisen, die radial zwischen dem Schaft und dem Schaufelblatt positioniert ist.The turbomachine may further include a platform positioned radially between the shaft and the airfoil.
Das Schaufelblatt kann Außenflächen aufweisen, die eine Druckseite und eine Saugseite definieren, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstrecken.The airfoil may have outer surfaces defining a pressure side and a suction side extending between a leading edge and a trailing edge.
Die Turbomaschine kann ferner einen Schwalbenschwanz aufweisen. Der Schwalbenschwanz kann eine Wurzel definieren, und der Hauptkühlkreislauf kann sich bis zu der Wurzel erstrecken.The turbomachine may further include a dovetail. The dovetail may define a root and the main cooling circuit may extend to the root.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Offenbarung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.These and other features, aspects and advantages of the present invention will become better understood with reference to the following description and appended claims. The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Eine umfassende und ermöglichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsart, die sich an einen Fachmann auf dem Gebiet richtet, ist in der Beschreibung gegeben, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigen:A broad and enabling disclosure of the present invention, including the best mode thereof, which is directed to one skilled in the art, is provided in the description which refers to the accompanying drawings, in which:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sein, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass von dem Rahmen oder Umfang der Erfindung abgewichen wird. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.Reference will now be made in detail to embodiments of the invention, one or more examples of which are illustrated in the drawings. Each example is provided to illustrate the invention, not for the purpose of limiting the invention. In fact, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes may be made to the present invention without departing from the scope or spirit of the invention. For example, features that are illustrated or described as part of one embodiment may be used in another embodiment to yield a still further embodiment. Thus, it is intended that the present invention cover such modifications and changes as fall within the scope of the appended claims and their equivalents.
Der Turbinenabschnitt
Jede der Laufschaufeln
Das Schaufelblatt
Eine Schaufelanordnung
Wie veranschaulicht, enthält der Hauptkühlkreislauf
Jeder Kühldurchgang des Hauptkühlkreislaufs
Die Laufschaufelanordnung
Die Laufschaufelanordnung
Außerdem können Auslassdurchgänge
Indem nun erneut auf den Hauptkühlkreislauf
Die vorliegenden Erfinder haben außerdem festgestellt, dass weitere zusätzliche Konstruktionseigenschaften des vorliegenden Hauptkühlkreislaufs
Die vorliegende Konstruktion des Hauptkühlkreislaufs
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, 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 Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.This written description uses examples to disclose the invention, including the best mode, and also to enable any person skilled in the art to practice the invention, including the creation and use of any devices or systems, and the performance of any incorporated methods belong. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the claims if they include structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements with insubstantial differences from the literal languages of the claims.
Es sind Laufschaufelanordnungen geschaffen. Die Laufschaufelanordnung enthält einen Schaft und ein Schaufelblatt, das radial außen von dem Schaft positioniert ist. Die Laufschaufelanordnung enthält ferner einen Hauptkühlkreislauf, der in dem Schaufelblatt und dem Schaft ausgebildet ist, wobei der Hauptkühlkreislauf sieben Durchgänge aufweist, wobei jeder der sieben Durchgänge mit einem benachbarten der sieben Durchgänge strömungsmäßig verbunden ist. Eine maximale Rotationszahl in jedem der sieben Durchgänge ist kleiner als oder gleich ungefähr 0,4.There are created blade assemblies. The bucket assembly includes a shank and an airfoil positioned radially outward of the shank. The bucket assembly further includes a main cooling circuit formed in the airfoil and shaft, the main cooling circuit having seven passages, each of the seven passages being fluidly connected to an adjacent one of the seven passages. A maximum rotation number in each of the seven passes is less than or equal to about 0.4.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- GasturbinensystemGas Turbine System
- 1212
- Verdichterabschnittcompressor section
- 1414
- Brennkammerabschnittcombustor section
- 1616
- Turbinenabschnittturbine section
- 1818
- Wellewave
- 1919
- Einlassabschnittinlet section
- 2020
- Auslassabschnittoutlet
- 2121
- Leitschaufeln der ersten StufeVanes of the first stage
- 2222
- Laufschaufeln der ersten StufeRotor blades of the first stage
- 2323
- Leitschaufeln der zweiten StufeGuide vanes of the second stage
- 2424
- Laufschaufeln der zweiten StufeBlades of the second stage
- 2525
- Leitschaufeln der dritten StufeThird stage vanes
- 2626
- Laufschaufeln der dritten StufeBlades of the third stage
- 2828
- HeißgasströmungHot gas flow
- 3030
- LaufschaufelanordnungBlade assembly
- 3232
- Schaftshaft
- 3434
- Schaufelblattairfoil
- 3636
- Plattformplatform
- 3838
- Schwalbenschwanzdovetail
- 4242
- Druckseitepressure side
- 4444
- Saugseitesuction
- 4646
- Vorderkanteleading edge
- 4848
- Hinterkantetrailing edge
- 5252
- Spitzetop
- 5454
- Wurzelroot
- 6060
- HauptkühlkreislaufMain cooling circuit
- 6161
- Erster KühldurchgangFirst cooling passage
- 6262
- Zweiter KühldurchgangSecond cooling passage
- 6363
- Dritter KühldurchgangThird cooling passage
- 6464
- Vierter KühldurchgangFourth cooling passage
- 6565
- Fünfter KühldurchgangFifth cooling passage
- 6666
- Sechster KühldurchgangSixth cooling passage
- 6767
- Siebter KühldurchgangSeventh cooling passage
- 6868
- Erster EinlassabschnittFirst inlet section
- 6969
- Zweiter EinlassabschnittSecond inlet section
- 7070
- Vorderer KühlkreislaufFront cooling circuit
- 7171
- Erster KühldurchgangFirst cooling passage
- 7272
- Zweiter KühldurchgangSecond cooling passage
- 8080
- Hinterer KühlkreislaufRear cooling circuit
- 8181
- Erster KühldurchgangFirst cooling passage
- 9090
- Auslassabschnittoutlet
- aa
- Querschnittslänge eines DurchgangsCross-section length of a passage
- bb
- Querschnittsbreite eines DurchgangsSection width of a passage
Claims (10)
Applications Claiming Priority (2)
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Date | Code | Title | Description |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |