DE102014113329A1 - Skalierungsverfahren für kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblätter - Google Patents

Skalierungsverfahren für kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblätter Download PDF

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DE102014113329A1
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Joseph A. Cotroneo
Amir Mujezinovic
Michael Ernest Boisclair
Douglas Carl Hofer
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Abstract

Ein Verfahren zum Entwickeln eines Turbomaschinenschaufelblattes kann den Schritt einer Bereitstellung einer Bezugsschaufelblattbauform mit einem vorgegebenen Außenradius und einem vorgegebenen Innenradius in Bezug auf dessen Drehachse beinhalten. Die Bezugsschaufelblattbauform kann radial auf ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt skaliert werden, das einen anderen Außenradius als der vorgegebene Außenradius der Bezugsschaufelblattbauform und/oder einen anderen Innenradius als der vorgegebene Innenradius der Bezugsschaufelblattbauform hat. Eine Abstimmung einer Frequenz des kundenspezifisch definierten Turbomaschinenschaufelblattes durch Verändern eines Parameters von wenigstens einem von einem Teilspannendeckband und einem Spitzendeckband kann dann durchgeführt werden. Eine axiale Skalierung kann ebenfalls durchgeführt werden. Das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt kann in der Turbomaschine ohne Durchführen eines Radkastentests eingesetzt werden und kann im Wesentlichen ähnliche Betriebseigenschaften wie die Bezugsschaufelblattbauform zeigen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Technisches Gebiet
  • Gegenstand der Erfindung sind allgemein Schaufelblätter von Turbomaschinen. Insbesondere ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Skalieren eines Turbomaschinenschaufelblattes in einer solchen Weise, dass die Notwendigkeit für weitere aerodynamische Tests und mechanische Tests, wie z.B. Radkastentests verringert werden.
  • 2. Verwandte Technik
  • Herkömmliche Turbomaschinen werden häufig zur Energieumwandlung von genutzt. Beispielsweise wird in einem Dampfturbinensystem Dampf zwangsweise durch Sätze von Dampfturbinenschaufeln geleitet, welche mit dem Rotor des Dampfturbinensystems verbunden sind. Die Kraft des Dampfes auf die Schaufeln bewirkt eine Drehung dieser Laufschaufeln (und des damit verbundenen Rotorkörpers). In einigen Fällen ist der Rotor mit der Antriebswelle einer dynamoelektrischen Maschine, wie z.B. eines elektrischen Generators verbunden. Andere Turbomaschinen wie z.B. Strahltriebwerke, Verdichter usw. arbeiten mit ähnlichen Konzepten.
  • Der Rotor einer Turbomaschine enthält typischerweise mehrere Stufen rotierender Laufschaufeln und mehrere entsprechende stationäre Leitschaufeln, die axial benachbart zu jedem Satz der mehreren rotierenden Laufschaufeln positioniert sind. Insbesondere kann jede Stufe eine Umfangsanordnung von um den Rotor herum positionierten Laufschaufeln und eine Reihe entsprechender axial benachbart zu den Laufschaufeln positionierter Leitschaufeln enthalten. Der Betriebswirkungsgrad der Turbomaschine hängt wenigstens teilweise von der Bauform der entsprechenden Laufschaufelstufen und/oder der entsprechenden Leitschaufeln ab. Für eine Turbine werden die rotierenden Laufschaufeln üblicherweise als Schaufeln und die stationären Leitschaufeln als Leitdüsen bezeichnet. Beispielsweise kann in einem Niederdruck-(LP)-Dampfturbinensystem ein Betriebswirkungsgrad von der Bauform der Schaufeln und entsprechenden Leitdüsen und insbesondere einer Schaufel der letzten Stufe (LSB) abhängen. Somit kann jede Stufe von den mehreren Schaufeln und entsprechenden Leitdüsen unter Berücksichtigung einer Anzahl aerodynamischer und/oder mechanischer Faktoren (z.B. Dampfdruck und Temperatur, Durchflussrate, Laufschaufelhöhe, Laufschaufelgewicht, usw.) entwickelt sein, um Zuverlässigkeit und optimalen Wirkungsgrad sicherzustellen.
  • Der Prozess von Entwicklung, Herstellung, Test und Abstimmung der Schaufelstufen und Leitdüsen zur Verwendung in dem Betrieb der Turbinenmaschine kann teuer und zeitaufwendig sein. In Anbetracht dieses Umstandes entwickeln Hersteller oft eine vorgegebene Anzahl radialer Größen einer speziellen Schaufel und/oder Leitdüse der Turbomaschine zur Herstellung und zum Verkauf, und ein Kunde ist auf die Verwendung von einer dieser vorgewählten Größen beschränkt. Beispielsweise kann sich ein Hersteller für die Herstellung drei radialer Größen einer LSB für einen LP-Dampfturbinenabschnitt eines Dampfturbinensystems entscheiden, oder für zwei radiale Größen einer speziellen Laufschaufel/Leitschaufel-Stufe eines Verdichters. Sobald sie von einem Hersteller entwickelt ist, kann jede von der vorgegebenen Anzahl radialer Größen ihre Stufen von den mehreren Schaufeln und entsprechenden Leitdüsen getestet haben, um einen einwandfreien und sicheren Betrieb sicherzustellen und einen maximalen Betriebswirkungsgrad für die Turbomaschine bereitzustellen. Beispielsweise können Schaufeln/Leitdüsen getestet und abgestimmt werden, um Frequenz-basierende Störungen zu vermeiden.
  • Wo eine optimale Größe der Turbomaschine, die zur Anpassung an das spezielle System des Kunden erforderlich ist, nicht mit einer der vorgegebenen radialen Größe übereinstimmt, muss der Kunde eine vorgegebene Größe wählen, die entweder kleiner oder größer als optimal ist. Demzufolge gehen Betriebsleistung und/oder Wirkungsgrad verloren. Insbesondere ist, da die anderen Stufen der speziellen Turbomaschine um die gewählte Größe der Schaufel und/oder Leitdüse herum zur Anpassung an andere Anforderungen des Kunden entwickelt werden, die Optimierung von Leistung und Wirkungsgrad sehr schwierig. Eine spezifische Anpassung der vorgegebenen radialen Größen ist typischerweise aufgrund der Notwendigkeit, Tests der Schaufeln, wovon einige als "Radkastentests" bezeichnet werden, zu wiederholen, was teuer und sehr zeitaufwendig ist, keine Option.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Ein erster Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Entwicklung eines Turbomaschinenschaufelblattes, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Bezugsschaufelblattbauform mit einem vorgegebenen Außenradius und einem vorgegebenen Innenradius in Bezug auf ihre Drehachse; und radiales Skalieren der Bezugsschaufelblattbauform auf ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt, welches wenigstens eines hat von: einem anderen Außenradius als der vorgegebene Außenradius der Bezugsschaufelblattbauform und einem anderen Innenradius als der vorgegebene Innenradius der Bezugsschaufelblattbauform.
  • Das Verfahren kann vorsehen, dass die Bezugsschaufelblattbauform bekannte Betriebseigenschaften hat, und dass die kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschine im Wesentlichen ähnliche Betriebseigenschaften hat.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner den Schritt der Abstimmung einer Frequenz des kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblattes durch Verändern eines Parameters von wenigstens einem von einem Teilspannendeckband und einem Spitzendeckband beinhalten.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass der Parameter des Teilspannendeckbandes dessen radiale Position beinhaltet.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass der Parameter des Sitzendeckbandes dessen Gewicht beinhaltet.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner den Schritt einer axialen Skalierung der Bezugsschaufelblattbauform auf das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt beinhalten, während gleichzeitig ein Teilungsabstand/Axialbreiten-Verhältnis von der Bezugsschaufelblattbauform in dem kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblatt beibehalten wird.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner den Schritt einer axialen Skalierung der Bezugsschaufelblattbauform auf das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt beinhalten, während gleichzeitig ein Teilungsabstand/Axialbreiten-Verhältnis von der Bezugsschaufelblattbauform in dem kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblatt beibehalten wird.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass die Turbomaschine ein Niederdruck-(LP)-Dampfturbinenabschnitt ist.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass das kundenspezifisch angepasste Turbomaschinenschaufelblatt eine Schaufel der letzten Stufe des LP-Dampfturbinenabschnittes ist.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: einer Niederdruckdampfturbinenschaufel, einer Niederdruckdampfturbinenleitdüse, einer Verdichterlaufschaufel und einer Verdichterleitschaufel.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt wenigstens eine von einer Turbinenschaufel und einer Turbinenleitdüse enthält.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass die Bezugsschaufelblattbauform mehrere Außenradien für mehrere unterschiedlich dimensionierte Anwendungen annimmt.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner den Schritt der Verwendung des kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblattes in der Turbomaschine ohne Durchführen eines Radkastentests vorsehen.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Entwickeln eines Turbomaschinenschaufelblattes, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Bezugsschaufelblattbauform mit einem vorgegebenen Außenradius und einem vorgegebenen Innenradius in Bezug auf dessen Drehachse; radiales Skalieren der Bezugsschaufelblattbauform auf ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt, das wenigstens eines hat, von: einem anderen Außenradius als der vorgegebene Außenradius der Bezugsschaufelblattbauform und einem anderen Innenradius als der vorgegebene Innenradius der Bezugsschaufelblattbauform; axiales Skalieren der Bezugsschaufelblattbauform auf das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt, während gleichzeitig ein Teilungsabstand/Axialbreiten-Verhältnis von der Bezugsschaufelblattbauform in dem kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblatt beibehalten wird; Abstimmen einer Frequenz des kundenspezifisch definierten Turbomaschinenschaufelblattes durch Verändern eines Parameters von wenigstens einem von einem Teilspannendeckband und einem Spitzendeckband; Einsetzen des kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblattes in der Turbomaschine ohne Durchführen eines Radkastentests, wobei die Bezugsschaufelblattbauform bekannte Betriebseigenschaften hat und die kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschine im Wesentlichen ähnliche Betriebseigenschaften hat.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass der Parameter des Teilspannendeckbandes dessen radiale Position beinhaltet.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass der Parameter des Sitzendeckbandes dessen Gewicht beinhaltet.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass die Turbomaschine ein Niederdruck-(LP)-Dampfturbinenabschnitt ist.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass das kundenspezifisch angepasste Turbomaschinenschaufelblatt eine Schaufel der letzten Stufe des LP-Dampfturbinenabschnittes ist.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt wenigstens eine von einer Turbinenschaufel und einer Turbinenleitdüse enthält.
  • Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann vorsehen, dass die Bezugsschaufelblattbauform mehrere Außenradien für mehrere unterschiedlich dimensionierte Anwendungen annimmt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verständlich, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung darstellen, in welchen:
  • 1 eine perspektivische Vorderseitenansicht einer Bezugsschaufelblattbauform einer veranschaulichenden
  • Schaufel und/oder Leitdüse gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
  • 2 eine perspektivische Vorderseitenansicht einer kleineren kundenspezifisch angepassten Turbomaschinenschaufelblattbauform auf der Basis der Bezugsschaufelblattbauform- von 1 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
  • 3 eine perspektivische Vorderseitenansicht einer größeren kundenspezifisch angepassten Turbomaschinenschaufelblattbauform auf der Basis der Bezugsschaufelblattbauform von 1 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
  • 4 eine perspektivische Seitenansicht einer Bezugsschaufelblattbauform einer veranschaulichenden Schaufel und/oder Leitdüse gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
  • 5 eine perspektivische Seitenansicht einer kleineren kundenspezifisch angepassten Turbomaschinenschaufelblattbauform auf der Basis der Bezugsschaufelblattbauform von 4 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
  • 6 eine perspektivische Vorderseitenansicht einer größeren kundenspezifisch angepassten Turbomaschinenschaufelblattbauform auf der Basis der Bezugsschaufelblattbauform von 4 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
  • 7 eine perspektivische Ansicht einer Anzahl kundenspezifisch angepasster Turbomaschinenschaufelblätter gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
  • 8 eine Querschnittsansicht kundenspezifisch angepasster Turbomaschinenschaufelblattbauformen in unterschiedlichen Stufen einer Turbomaschine auf der Basis nur einer Bezugsschaufelblattbauform gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
  • Es sei angemerkt, dass die Zeichnungen der Erfindung nicht notwendigerweise maßstäblich sind. Die Zeichnungen sollen nur typische Aspekte der Erfindung darstellen und dürfen daher nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung betrachtet werden. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Wie hierin diskutiert, betreffen Aspekte der Erfindung im Wesentlichen ein Verfahren zur Entwicklung eines Turbomaschinenschaufelblattes. Aspekte der vorliegenden Erfindung sind auf alle Varianten von Turbomaschinen anwendbar wie z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, auf: einen Niederdruck-(LP)-Dampfturbinenabschnitt, einen Hochdruck-(HP)-Dampfturbinenabschnitt, einen Zwischendruck-(IP)-Dampfturbinenabschnitt, einen Verdichter, ein Strahltriebwerk, usw. Bezüglich eines LP-Dampfturbinenabschnittes können Lehren der vorliegenden Erfindung spezielle Anwendbarkeit auf wenigstens eine Schaufel oder Leitdüse einer letzten Stufe des LP-Dampfturbinenabschnittes finden. Da die Betriebsarten und Funktionen von jeder dieser Formen von Turbomaschinen allgemein bekannt sind, werden hier der Kürze halber keine Details bezüglich ihrer speziellen Funktionen und Komponenten dargestellt. So wie hierin verwendet, beinhaltet der Begriff "Schaufelblatt" Schaufeln oder Leitdüsen oder Laufschaufeln oder Leitschaufeln in einer Turbomaschine, d.h., ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt kann eine Niederdruckdampfturbinenschaufel, eine Niederdruckdampfturbinenleitdüse, eine Verdichterleitschaufel, eine Verdichterlaufschaufel usw. beinhalten.
  • Wie 1 dargestellt, kann ein Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung die Bereitstellung einer Bezugsschaufelblattbauform 100 mit einer vorgegebenen geometrischen Form und einer einen vorgegebenen Außenradius ORM in Bezug auf ihre Rotationsachse und einen vorgegebenen Innenradius IRM beinhaltenden Größe beinhalten. Es dürfte sich verstehen, dass die Rotationsachse die eines Rotors wäre, die nicht dargestellt, aber als Rotationsachse A bezeichnet ist, an welchem ein Schaufelblatt in einer Turbomaschine befestigt ist. So wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "radial" auf die relative Position/Richtung von Objekten entlang eines Radius, welche im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Rotationsachse A eines Rotors ist, mit welchem das Schaufelblatt verbunden ist. (Man beachte, dass die Rotationsachse A in Strichlinien dargestellt ist, um anzuzeigen, dass der Rotor und die tatsächliche Rotationsachse aufgrund von Zeichnungseinschränkungen nicht dargestellt sind. Es dürfte sich verstehen, dass Schaufelblätter 100, 200, 300 mit dem Rotor mittels herkömmlicher Rotorräder verbunden sind). Der Außenradius ist, wie hierin verwendet, ein Abstand von der Rotationsachse A zu einem Außenpunkt eines Spitzenabschnittes, d.h. der Stelle, an welcher das Schaufelblatt sich zu einem Spitzendeckband 120 hin erstreckend endet, und ein Innenradius ist, wie hierin verwendet, ein Abstand von der Rotationsachse A zu einem Fußabschnitt, d.h., zu einer Stelle, an welcher das Schaufelblatt anfängt, sich von der Verbindung mit dem Rotor aus zu erstrecken.
  • Die Bezugsschaufelblattbauform 100 kann eine beliebige von einer Vielfalt von derzeit bekannten oder später in der Turbomaschinenindustrie entwickelten Formen annehmen, um ein ideales grundlegendes Schaufelblatt darzustellen. Das Bezugsschaufelblatt 100 ist so getestet und/oder modelliert, dass Betriebseigenschaften bekannt sind. Die Tests können alle derzeit bekannten oder später entwickelten Tests wie z.B. Aeromechanik, Durchflussvolumen, Dimensionstoleranz, Frequenzabstimmung, aerodynamisches Betriebsverhalten usw. beinhalten. Insbesondere können bestimmte als "Radkastentest" bezeichnete Tests zur Sicherstellung einer korrekten Frequenzabstimmung eingesetzt werden. Radkastentests können beispielsweise die Montage eines Schaufelblattes mit Dehnmessstreifen darauf auf einem Rotor und deren Rotation mit Betriebsdrehzahlen üblicherweise mit einem auf das rotierende Schaufelblatt auftreffenden Luftstrahl zum Ermitteln von Eigenfrequenzen beinhalten. Andere Formen von Radkastentests können ebenfalls eingesetzt werden. Die Tests können bei jeder und allen Entwicklungsstufen: Modellen, Prototypen und/oder Produktion, usw. eingesetzt werden. Die Betriebseigenschaften können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: Durchflussvolumen unter verschiedenen Lasten, Beanspruchung unter verschiedenen Lasten, Frequenz, erwartete Ausdehnung/Kontraktion unter verschiedenen Lasten usw. In jedem Falle stellt die Bezugsschaufelblattbauform 100 ein ideales Schaufelblatt dar, aus welchem andere Schaufelblätter ausgeschnitten oder modelliert werden können. Die Bezugsschaufelblattbauform 100 ist auch mit einem ausreichend großen Radiusverhältnis (Außenradius dividiert durch Innenradius) dimensioniert, um eine Vielzahl von Außenradien für mehrere unterschiedlich dimensionierte Anwendungen, d.h., der speziellen Turbomaschine, auf welche sie anwendbar ist, anzunehmen. D.h., sie ist so gestaltet, dass sie einen Ausschnitt und/oder Skalierung für einen großen Bereich unterschiedlich dimensionierter Anwendungen ermöglicht. Ferner kann die Bezugsschaufelblattbauform 100 dazu genutzt werden, Schaufelblätter für eine große Anzahl von Stufen in einer speziellen Turbomaschine zu verwenden.
  • In einer Ausführungsform kann die Bezugsschaufelblattbauform 100 ein Teilspannendeckband 110 zur Verbindung mit einem Teilspannendeckband eines in Umfangsrichtung benachbarten Schaufelblattes mit im Wesentlichen identischer Anordnung in einer bekannten Weise enthalten. Teilspannendeckbänder 110 sind im Fachgebiet zur Verleihung von Stabilität, dort wo sie erforderlich ist, bekannt, wie z.B. in einer Schaufel einer letzten Stufe eines Niederdruckdampfturbinenabschnittes. Das Teilspannendeckband 110 kann auch radial zum Abstimmen einer Frequenz eines Turbomaschinenschaufelblattes positioniert werden, wie es hierin detaillierter beschrieben wird. Zusätzlich kann in einer Ausführungsform die Bezugsschaufelblattbauform 100 ein Spitzendeckband 120 an ihrem äußeren radialen Ende enthalten. Spitzendeckbänder 120 sind allgemein im Fachgebiet zur Verleihung von Stabilität dort, wo sie erforderlich ist, bekannt, wie z.B. in einer Schaufel einer letzten Stufe eines Niederdruckdampfturbinenabschnittes. Wie im Fachgebiet bekannt, kann sich das Spitzendeckband 120 mit einem identischen Spitzendeckband eines in Umfangsrichtung benachbarten Schaufelblattes mit im Wesentlichen identischer Anordnung in einer bekannten Weise verbinden. Eine Masse und/oder Volumen des Spitzendeckbandes 120 kann modifiziert werden, um bei der Frequenzabstimmung eines Turbomaschinenschaufelblattes zu unterstützen, wie es hierin detaillierter beschrieben wird.
  • Gemäß 2 und 3 kann das Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung auch ein radiales Skalieren der Bezugsschaufelblattbauform 100 auf ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt 200 oder 300 mit wenigstens einem beinhalten von: einem Außenradius (ORS, bzw. ORL), der sich von dem vorgegebenen Außenradius ORM (1) der Bezugsschaufelblattbauform 100 unterscheidet und einem Innenradius (IRS bzw. IRL), der sich von einem vorgegebenen Innenradius IRM (1) der Bezugsschaufelblattbauform 100 unterscheidet. 2 stellt ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt 200 dar, das so skaliert wurde, dass es bei einem Außenradius radial kürzer als eine Bezugsschaufelblattbauform 100 (d.h. ORS < ORM) ist, und 3 stellt ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt 300 dar, das so skaliert wurde, dass es bei einem Außenradius radial länger als eine Bezugsschaufelblattbauform 100 (d.h. ORL > ORL) ist. Obwohl es schwierig darzustellen ist, wurde in 2 ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt 200 auch so skaliert, dass es an einem Innenradius (d.h. IRS < IRM) kürzer als die Bezugsschaufelblattbauform 100 ist. Ebenso wurde in 3 ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt 300 auch so skaliert, dass es an einem Innenradius (d.h. IRL > IRM) länger als die Bezugsschaufelblattbauform 100 ist. Es dürfte sich verstehen, dass der Außen- und Innenradius nicht in derselben Richtung skaliert werden müssen, d.h., einer kann kleiner als der entsprechende Radius des Bezugsschaufelblattes und der andere größer sein.
  • Die radiale Skalierung kann unter Verwendung jeder derzeit bekannten oder später entwickelten Technik ausgeführt werden. Radiale Skalierung hat die Wirkung, entweder die Bezugsschaufelblattbauform 100 in einer Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zu ihrem entsprechenden Rotor zu verkürzen oder zu verlängern. Es dürfte sich verstehen, dass eine radiale Skalierung zu einem Schaufelblatt führt, das, obwohl es aerodynamisch ähnlich zu dem Bezugsschaufelblatt mit der kundenspezifisch dimensionierten Länge ist, nicht akzeptable Frequenzabstände zeigen kann.
  • Gemäß Ausführungsformen der Erfindung und im Gegensatz zu einer herkömmlichen Schaufelblattbauform kann das Verfahren auch die vorstehend erwähnte radiale Skalierung mit einer Abstimmung einer Frequenz des kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblattes 200, 300 beinhalten, indem ein Parameter von wenigstens einem Teilspannendeckband 210, 310 (2 bzw. 3) und einem Spitzendeckband 220, 320 (2 bzw. 3) verändert wird. Die Frequenzabstimmung dient zur Sicherstellung, dass der Betrieb des kundenspezifisch dimensionierten Schaufelblattes 200, 300 eine Eigenfrequenz vermeidet und somit Instabilität und mögliche Zerstörung während des Betriebs verhindert. In einer Ausführungsform kann der Parameter des Teilspannendeckbandes 210, 310 dessen radiale Position beinhalten. Beispielsweise kann das Teilspannendeckband 210 radial nach außen oder innen in Bezug auf die radiale Position des Teilspannendeckbandes 110 der Bezugsschaufelblattbauform 100 (oder seine durch die radiale Skalierung der Bezugsschaufelblattbauform 100 erzeugte Position) bewegt werden, um das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt 200 abzustimmen. Modifikationen anderer Parameter des Teilspannendeckbandes 210, 310, wie z.B. Gewicht, Rotationsposition in Bezug auf das Schaufelblatt 200, 300, Verbindungsmechanismus, usw. können ebenfalls möglich sein. In einer Ausführungsform beinhaltet der Parameter des Spitzendeckbandes 220, 320 (2 bzw. 3), der verändert werden kann, dessen Gewicht (z.B. Masse). Beispielsweise kann das Spitzendeckband 320 weniger Masse als das Spitzendeckband 120 der Bezugsschaufelblattbauform 100 haben. Modifikationen anderer Parameter des Spitzendeckbandes 220, 320, wie z.B. Form, Rotationsposition in Bezug auf das Schaufelblatt 200, 300 usw. können ebenfalls möglich sein. Es versteht sich, dass dort, wo eines von dem Teilspannendeckband und dem Spitzendeckband auf dem Schaufelblatt nicht vorgesehen ist, nur das andere, das vorgesehen ist, modifiziert werden kann.
  • Die hierin beschriebene Gestaltungsmethodik eines kundenspezifisch dimensionierten Schaufelblattes stellt eine kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschine 200, 300 mit im Wesentlichen ähnlichen Betriebseigenschaften wie die Bezugsschaufelblattbauform 100 bereit. Demzufolge wird die Notwendigkeit weiterer Tests, wie z.B. Radkastentests, reduziert und/oder eliminiert, was es Turbomaschinenherstellern ermöglicht, kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblätter 200, 300 ohne zusätzliche Entwicklungskosten und Zeiteinschränkungen bereitzustellen, die derzeit auf diesem Gebiet unvermeidlich sind. Somit kann das Verfahren auch den Einsatz von kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblättern 200, 300 in der Turbomaschine ohne Durchführung von Radkastentests beinhalten.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann das Verfahren ferner eine axiale Skalierung der Bezugsschaufelblattbauform 100 auf kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblätter 200, 300 beinhalten. Eine axiale Skalierung wird in diesem Zusammenhang durchgeführt, während ein Teilungsabstand/Axialbreiten-Verhältnis von der Bezugsschaufelblattbauform 100 im kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblatt 200, 300 beibehalten wird. So wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "axial" auf die relative Position/Richtung von Objekten entlang einer Rotationsachse A eines Rotors ist, mit welchem das Schaufelblatt verbunden ist. In 4–7 sind axiale Breiten WM, WS, WL, Wr bei einem speziellen Radius (z.B. einem Fußradius in der Nähe der Verbindung zum Rotor gemäß Darstellung) für Zwecke der Beschreibung der axialen Skalierung dargestellt. Es sei jedoch betont, dass eine axiale Skalierung bei allen Querschnitten des kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblattes 200, 300 z.B. Spitze, Teilungsabstandsradius (Mitte entlang der Länge), Fuß und allen Punkten dazwischen erfolgt. Gemäß 7 zeigt, wie hierin verwendet, "der Teilungsabstand" P einen Umfangsabstand zwischen Schaufelblättern 200, 300 an, und "axiale Breite" Wr zeigt eine Länge parallel zu einer Rotationsachse eines Rotors der Turbomaschine bei einem speziellen Querschnitt an. In einem Beispiel wäre für eine radiale Position einer Stufe von Schaufelblättern, die konstant ist (beispielsweise die radiale Position des Fußes verändert sich nicht), wenn die Breite der Schaufelblätter in der Stufe halbiert wird, die Anzahl der Schaufelblätter für die Stufe die doppelte, um ausreichend Schaufelblätter zum Ausfüllen des Umfangs um den Rotor bereitzustellen und um dieselbe Teilungsabstand/Axialbreiten-Verhältnis wie das der Bezugsschaufelblattbauform beizubehalten. Beispielsweise wäre, wenn eine Bezugsschaufelblattbauform 100 eine axiale Breite für das Fußschaufelblatt WM (4) von 10 cm hätte und ein Teilungsabstand Pr (7) davon 5 cm wäre, das Teilungsabstand/Axialbreiten-Verhältnis 0,5. Demzufolge wäre in einem kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblatt, z.B. dem Schaufelblatt 200 in 5, in welchem die Schaufelblattaxialbreite Ws des Fußes 5 cm ist, deren Teilungsabstand (Pr) (7) 2,5 cm, was zu der Notwendigkeit einer Verdopplung der Anzahl von Schaufelblättern 200 führen würde, um den Umfang bei dem gewählten Fußradius aufzufüllen. Ähnliche Berechnungen könnten für jeden von einer Anzahl von Querschnitten der kundenspezifisch dimensionierten Schaufelblätter 200, 300 durchgeführt werden. Eine axiale Skalierung kann angewendet werden, um Biegespannung und/oder Frequenzabstimmung zu kontrollieren, und kann unabhängig von der radialen Skalierung angewendet werden.
  • Gemäß Darstellung in 8 dürfte es sich verstehen, dass das hierin beschriebene Verfahren für unterschiedliche Stufen innerhalb derselben Turbinenmaschine und/oder Abschnitte der Turbomaschine unter Verwendung derselben Bezugsschaufelblattbauform für jede Stufe angewendet werden kann. Auf diese Weise kann dieselbe Bezugsschaufelblattbauform zur Erzeugung kundenspezifisch dimensionierter Turbomaschinenschaufelblätter mit im Wesentlichen ähnlichen Betriebseigenschaften für eine Vielfalt unterschiedlich dimensionierter Anwendungen ohne den zusätzlichen Aufwand und die Zeit der herkömmlicherweise erforderlichen Tests verwendet werden.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll nicht die Offenlegung einschränken. So wie hierin verwendet, sollen die Singularformen "einer, eine, eines" und "der, die, das" auch die Pluralformen mit einschließen, soweit der Kontext nicht deutlich anderes anzeigt. Es dürfte sich ferner verstehen, dass die Begriffe "weist auf" und/oder "aufweisend", wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorliegen festgestellter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorliegen oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
  • Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart offenzulegen und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
  • Ein Verfahren zum Entwickeln eines Turbomaschinenschaufelblattes kann den Schritt einer Bereitstellung einer Bezugsschaufelblattbauform mit einem vorgegebenen Außenradius und einem vorgegebenen Innenradius in Bezug auf dessen Drehachse beinhalten. Die Bezugsschaufelblattbauform kann radial auf ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt skaliert werden, das einen anderen Außenradius als der vorgegebene Außenradius der Bezugsschaufelblattbauform und/oder einen anderen Innenradius als der vorgegebene Innenradius der Bezugsschaufelblattbauform hat. Eine Abstimmung einer Frequenz des kundenspezifisch definierten Turbomaschinenschaufelblattes durch Verändern eines Parameters von wenigstens einem von einem Teilspannendeckband und einem Spitzendeckband kann dann durchgeführt werden. Eine axiale Skalierung kann ebenfalls durchgeführt werden. Das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt kann in der Turbomaschine ohne Durchführen eines Radkastentests eingesetzt werden und kann im Wesentlichen ähnliche Betriebseigenschaften wie die Bezugsschaufelblattbauform zeigen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Bezugsschaufelblattbauform
    110
    Teilspannendeckband
    120
    Spitzendeckband
    200, 300
    Schaufelblatt
    210, 310
    Teilspannendeckband
    220, 320
    Spitzendeckband

Claims (10)

  1. Verfahren zur Entwicklung eines Turbomaschinenschaufelblattes, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Bezugsschaufelblattbauform mit einem vorgegebenen Außenradius und einem vorgegebenen Innenradius in Bezug auf ihre Drehachse; und radiales Skalieren der Bezugsschaufelblattbauform auf ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt, welches wenigstens eines hat von: einem anderen Außenradius als der vorgegebene Außenradius der Bezugsschaufelblattbauform und einem anderen Innenradius als der vorgegebene Innenradius der Bezugsschaufelblattbauform.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bezugsschaufelblattbauform bekannte Betriebseigenschaften hat und die kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschine im Wesentlichen ähnliche Betriebseigenschaften hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt der Abstimmung einer Frequenz des kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblattes durch Verändern eines Parameters von wenigstens einem von einem Teilspannendeckband und einem Spitzendeckband.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Parameter des Teilspannendeckbandes dessen radiale Position beinhaltet; und/oder wobei der Parameter des Sitzendeckbandes dessen Gewicht beinhaltet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt einer axialen Skalierung der Bezugsschaufelblattbauform auf das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt, während gleichzeitig ein Teilungsabstand/Axialbreiten-Verhältnis von der Bezugsschaufelblattbauform in dem kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblatt beibehalten wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt einer axialen Skalierung der Bezugsschaufelblattbauform auf das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt, während gleichzeitig ein Teilungsabstand/Axialbreiten-Verhältnis von der Bezugsschaufelblattbauform in dem kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblatt beibehalten wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Turbomaschine ein Niederdruck-(LP)-Dampfturbinenabschnitt ist; und/oder wobei das kundenspezifisch angepasste Turbomaschinenschaufelblatt eine Schaufel der letzten Stufe des LP-Dampfturbinenabschnittes ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: einer Niederdruckdampfturbinenschaufel, einer Niederdruckdampfturbinenleitdüse, einer Verdichterlaufschaufel und einer Verdichterleitschaufel; und/oder das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt wenigstens eine von einer Turbinenschaufel und einer Turbinenleitdüse enthält.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bezugsschaufelblattbauform mehrere Außenradien für mehrere unterschiedlich dimensionierte Anwendungen annimmt.
  10. Verfahren zum Entwickeln eines Turbomaschinenschaufelblattes, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Bezugsschaufelblattbauform mit einem vorgegebenen Außenradius und einem vorgegebenen Innenradius in Bezug auf dessen Drehachse; radiales Skalieren der Bezugsschaufelblattbauform auf ein kundenspezifisch dimensioniertes Turbomaschinenschaufelblatt, das wenigstens eines hat, von: einem anderen Außenradius als der vorgegebene Außenradius der Bezugsschaufelblattbauform und einem anderen Innenradius als der vorgegebene Innenradius der Bezugsschaufelblattbauform; axiales Skalieren der Bezugsschaufelblattbauform auf das kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschinenschaufelblatt, während gleichzeitig ein Teilungsabstand/Axialbreiten-Verhältnis von der Bezugsschaufelblattbauform in dem kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblatt beibehalten wird; Abstimmen einer Frequenz des kundenspezifisch definierten Turbomaschinenschaufelblattes durch Verändern eines Parameters von wenigstens einem von einem Teilspannendeckband und einem Spitzendeckband; und Einsetzen des kundenspezifisch dimensionierten Turbomaschinenschaufelblattes in der Turbomaschine ohne Durchführen eines Radkastentests, wobei die Bezugsschaufelblattbauform bekannte Betriebseigenschaften hat und die kundenspezifisch dimensionierte Turbomaschine im Wesentlichen ähnliche Betriebseigenschaften hat.
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