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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Turbomaschinen und insbesondere eine Laufschaufel in einer Turbomaschine.
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Eine Turbomaschine, wie beispielsweise eine Gasturbine, kann einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine enthalten. In dem Verdichter wird Luft verdichtet. Die verdichtete Luft wird in die Brennkammer eingespeist. Die Brennkammer vereinigt einen Brennstoff mit der verdichteten Luft und zündet dann das Gas/Brennstoff-Gemisch. Die eine hohe Temperatur und hohe Energie aufweisenden Abgasfluide werden dann der Turbine zugeführt, in der die Energie der Fluide in mechanische Energie umgesetzt wird. Die Turbine enthält mehrere Leitschaufelstufen und Laufschaufelstufen. Die Leitschaufeln sind stationäre Komponenten, und die Laufschaufeln laufen an einem Rotor um.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bestimmte Ausführungsformen, die dem Umfang des ursprünglich beanspruchten Gegenstandes entsprechen, sind nachstehend kurz zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sind nicht dazu gedacht, den Schutzumfang des Anspruchsgegenstandes zu beschränken, sondern sollen vielmehr nur eine Kurzbeschreibung möglicher Formen des Anspruchsgegenstandes liefern. In der Tat kann der Anspruchsgegenstand vielfältige Formen einnehmen, die den nachstehend erläuterten Aspekten / Ausführungsformen ähnlich sein oder sich von diesen unterscheiden können.
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In einem Aspekt weist eine Laufschaufel ein Schaufelblatt auf, und die Laufschaufel ist zur Verwendung mit einer Turbomaschine eingerichtet. Das Schaufelblatt weist eine Engstellenverteilung auf, die in einem schmalsten Bereich in einem Durchgang zwischen benachbarten Laufschaufeln gemessen wird, in dem benachbarte Laufschaufeln sich quer über den Durchgang zwischen gegenüberliegenden Wänden erstrecken, um mit einer Fluidströmung aerodynamisch wechselzuwirken. Das Schaufelblatt definiert die Engstellenverteilung, und die Engstellenverteilung reduziert aerodynamische Verluste und verbessert aerodynamische Lasten an dem Schaufelblatt. Das Schaufelblatt weist ein lineares Hinterkantenprofil auf.
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In der zuvor erwähnten Laufschaufel kann die Hinterkante einen Profilversatz sowohl in einer Axialrichtung als auch in einer Umfangsrichtung aufweisen.
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Vorzugsweise kann die Hinterkante um etwa 1,8 Grad stromaufwärts in der Axialrichtung versetzt sein.
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In bevorzugten Ausführungsformen kann die Hinterkante zusätzlich um etwa 1,4 Grad in der Umfangsrichtung versetzt sein.
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In den zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsformen kann sich die Engstellenverteilung, wie sie durch eine Hinterkante der Laufschaufel definiert ist, im Wesentlichen kurvenförmig von einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 87% bei etwa 0% Spanne zu einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 106% bei etwa 90% Spanne, einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 103% bei etwa 95% Spanne und einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 81% bei etwa 100% Spanne erstrecken, wobei sich die Spanne bei 0% an einem radial inneren Abschnitt des Schaufelblattes befinden kann, während sich eine Spanne bei 100% an einem radial äußeren Abschnitt des Schaufelblattes befinden kann und der Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert bei etwa 55% Spanne 100% betragen kann.
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Zusätzlich kann die Engstellenverteilung durch in Tabelle 1 angegebene Werte innerhalb einer Toleranz von +/–10% definiert sein.
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Ferner kann das Schaufelblatt eine Dickenverteilung (Tmax/Tmax_Mittenspanne) aufweisen, wie sie durch in Tabelle 2 angegebene Werte definiert ist.
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Noch weiter kann das Schaufelblatt eine dimensionslose Dicke, dividiert durch eine axiale Sehnenverteilung, gemäß in Tabelle 3 angegebenen Werten aufweisen.
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Noch weiter kann das Schaufelblatt eine dimensionslose axiale Sehne, dividiert durch eine axiale Sehne an einer Mittenspannenverteilung, gemäß in Tabelle 4 angegebenen Werten aufweisen.
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In einem weiteren Aspekt weist ein Herstellungsgegenstand ein Schaufelblatt auf. Das Schaufelblatt weist eine Engstellenverteilung auf, die in einem schmalsten Bereich in einem Durchgang zwischen benachbarten Laufschaufeln gemessen wird. Das Schaufelblatt definiert die Engstellenverteilung, und die Engstellenverteilung reduziert aerodynamische Verluste und verbessert aerodynamische Lasten an dem Schaufelblatt. Das Schaufelblatt weist ein lineares Hinterkantenprofil auf, und das Hinterkantenprofil ist um etwa 1,8 Grad in einer stromaufwärtigen axialen Richtung und um etwa 1,4 Grad in einer Umfangsrichtung versetzt.
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In dem zuvor erwähnten Herstellungsgegenstand kann die Engstellenverteilung durch in Tabelle 1 angegebene Werte innerhalb einer Toleranz von +/–10% definiert sein, und/oder das Schaufelblatt kann eine Dickenverteilung (Tmax/Tmax_Mittenspanne) aufweisen, wie sie durch in Tabelle 2 angegebene Werte definiert ist.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Schaufelblatt eine dimensionslose Dicke, dividiert durch eine axiale Sehnenverteilung, gemäß in Tabelle 3 angegebenen Werten und/oder eine dimensionslose axiale Sehne, dividiert durch eine axiale Sehne an einer Mittenspannenverteilung, gemäß in Tabelle 4 angegebenen Werten aufweisen.
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In einem noch weiteren Aspekt weist eine Turbomaschine mehrere Laufschaufeln auf, und jede Laufschaufel weist ein Schaufelblatt auf. Die Turbomaschine enthält gegenüberliegende Wände, die einen Durchgang definieren, in dem eine Fluidströmung aufnehmbar ist, um durch den Durchgang zu strömen. Eine Engstellenverteilung wird in einem schmalsten Bereich in dem Durchgang zwischen benachbarten Laufschaufeln gemessen, in dem benachbarte Laufschaufeln sich quer über den Durchgang zwischen den gegenüberliegenden Wänden erstrecken, um mit der Fluidströmung in aerodynamischer Weise wechselzuwirken. Das Schaufelblatt definiert die Engstellenverteilung, und die Engstellenverteilung reduziert aerodynamische Verluste und verbessert aerodynamische Lasten an dem Schaufelblatt. Das Schaufelblatt weist ein lineares Hinterkantenprofil auf.
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In der zuvor erwähnten Turbomaschine kann die Hinterkante einen Profilversatz sowohl in einer Axialrichtung als auch in einer Umfangsrichtung aufweisen.
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In bevorzugten Ausführungsformen kann die Hinterkante um etwa 1,8 Grad stromaufwärts in der Axialrichtung versetzt sein, und/oder die Hinterkante kann um etwa 1,4 Grad in der Umfangsrichtung versetzt sein.
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In den zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsformen kann sich die Engstellenverteilung, wie sie durch eine Hinterkante der Laufschaufel definiert ist, im Wesentlichen kurvenförmig von einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 87% bei etwa 0% Spanne zu einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 106% bei etwa 90% Spanne, einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 103% bei etwa 95% Spanne und einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 81% bei etwa 100% Spanne erstrecken; wobei sich die Spanne bei 0% an einem radial inneren Abschnitt des Schaufelblattes befinden kann und sich eine Spanne bei 100% an einem radial äußeren Abschnitt des Schaufelblattes befinden kann und der Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert bei etwa 55% Spanne 100% betragen kann.
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Zusätzlich kann die Engstellenverteilung durch in Tabelle 1 angegebene Werte innerhalb einer Toleranz von +/–10% definiert sein.
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Ferner kann das Schaufelblatt eine Dickenverteilung (Tmax/Tmax_Mittenspanne) aufweisen, wie sie durch in Tabelle 2 angegebene Werte definiert ist.
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Noch weiter kann das Schaufelblatt eine dimensionslose Dicke, dividiert durch eine axiale Sehnenverteilung, gemäß in Tabelle 3 angegebenen Werten aufweisen.
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Noch weiter kann das Schaufelblatt eine dimensionslose axiale Sehne, dividiert durch eine axiale Sehne an einer Mittenspannenverteilung, gemäß in Tabelle 4 angegebenen Werten aufweisen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durch die Zeichnungen hinweg kennzeichnen, worin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Turbomaschine gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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2 eine Perspektivansicht einer Laufschaufel gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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3 eine Draufsicht von oben auf zwei benachbarte Laufschaufeln gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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4 eine grafische Darstellung der Engstellenverteilung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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5 eine grafische Darstellung einer maximalen Dickenverteilung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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6 eine grafische Darstellung der maximalen Dicke, dividiert durch eine axiale Sehnenverteilung, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und
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7 eine grafische Darstellung der axialen Sehne, dividiert durch eine axiale Sehne an der Mittenspanne, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nachstehend beschrieben. In dem Bestreben, eine konzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können in der Beschreibung gegebenenfalls nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung beschrieben sein. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer jeden derartigen tatsächlichen Implementierung, wie in jedem Ingenieurs- oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die speziellen Ziele der Entwickler, wie beispielsweise die Einhaltung von systembezogenen und unternehmensbezogenen Randbedingungen, zu erreichen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Außerdem sollte erkannt werden, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwendig sein kann, jedoch für Fachleute auf dem Gebiet, die den Nutzen dieser Offenbarung haben, nichtsdestoweniger ein routinemäßiges Unterfangen zur Konstruktion, Fertigung und Herstellung darstellen würde.
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Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstands eingeführt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“ und „der“, „die“ bzw. „das“ bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sein können. Die Ausdrücke „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sollen im einschließlichen Sinne gemeint sein und bedeuten, dass außer den aufgeführten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können.
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1 zeigt ein Diagramm einer Ausführungsform einer Turbomaschine 10 (z.B. einer Gasturbine und/oder eines Verdichters). Die Turbomaschine 10, wie sie in 1 veranschaulicht ist, enthält einen Verdichter 12, eine Brennkammer 14, eine Turbine 16 und einen Diffusor 17. Luft, oder irgendein anderes Gas, wird in dem Verdichter 12 verdichtet, in die Brennkammer 14 eingespeist und mit einem Brennstoff vermischt und anschließend verbrannt. Die Abgasfluide werden der Turbine 16 zugeführt, in der Energie aus den Abgasfluiden in mechanische Energie umgesetzt wird. Die Turbine 16 enthält mehrere Stufen 18, einschließlich einer einzelnen Stufe 20. Jede Stufe 18 enthält einen Rotor (d.h. eine umlaufende Welle) mit einer ringförmigen Anordnung von axial ausgerichteten Laufschaufeln, die um eine Drehachse 26 herum rotiert, und einen Stator mit einer ringförmigen Anordnung von Leitschaufeln. Dementsprechend kann die Stufe 20 eine Leitschaufelstufe 22 und eine Laufschaufelstufe 24 enthalten. Der Klarheit wegen enthält 1 ein Koordinatensystem, das eine axiale Richtung 28, eine radiale Richtung 32 und eine Umfangsrichtung 34 enthält. Außerdem ist eine radiale Ebene 30 veranschaulicht. Die radiale Ebene 30 erstreckt sich in die axiale Richtung 28 (entlang der Drehachse 26) in einer Richtung und erstreckt sich dann nach außen in der radialen Richtung 32.
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2 zeigt eine Perspektivansicht einer Laufschaufel 36. Die Laufschaufel kann auch als ein Herstellungsgegenstand beschrieben sein. Die Laufschaufeln 36 in der Stufe 20 erstrecken sich in eine radiale Richtung 32 zwischen einer ersten Wand (oder Plattform) 40 und einer zweiten Wand 42. Die erste Wand 40 liegt der zweiten Wand 42 gegenüber, und beide Wände definieren einen Weg bzw. Durchgang, in dem eine Fluidströmung aufnehmbar ist. Die Laufschaufeln 36 sind in Umfangsrichtung 34 um eine Nabe herum angeordnet. Jede Laufschaufel 36 weist ein Schaufelblatt 37 auf, und das Schaufelblatt 37 ist eingerichtet, um mit den Abgasfluiden aus der Brennkammer 14 aerodynamisch wechselzuwirken, während die Abgasfluide im Wesentlichen stromabwärts durch die Turbine 16 hindurch in der axialen Richtung 28 strömen. Jede Laufschaufel 36 weist eine Vorderkante 44, eine Hinterkante 46, die in der axialen Richtung 28 stromabwärts von der Vorderkante 44 angeordnet ist, eine Druckseite 48 und eine Saugseite 50 auf. Die Druckseite 48 erstreckt sich in der axialen Richtung 28 zwischen der Vorderkante 44 und der Hinterkante 46 und in der radialen Richtung 42 zwischen der ersten Wand 40 und zu der zweiten Wand 42 hin. Die Saugseite 50 erstreckt sich in der axialen Richtung 28 zwischen der Vorderkante 44 und der Hinterkante 46 und in der radialen Richtung 32 zwischen der ersten Wand 40 und der zweiten Wand 42, der Druckseite 48 gegenüberliegend. Die Laufschaufeln 36 in der Stufe 20 sind derart eingerichtet, dass die Druckseite 48 einer Laufschaufel 36 der Saugseite 50 einer benachbarten Laufschaufel 36 zugewandt ist.
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Das Schaufelblatt 37 weist ein lineares Profil der Hinterkante 36 auf, wobei eine im Wesentlichen gerade Linie einen oberen (radial äußeren) Teil der Hinterkante mit einem unteren (radial inneren) Teil der Hinterkante verbindet. Das Hinterkantenprofil ist bezüglich einer axialen Ebene versetzt, und die Hinterkante ist in Bezug auf den unteren (oder radial tieferen) Teil der Hinterkante nach vorne (axial stromaufwärts) um etwa 1,8 Grad (siehe 202) geneigt. Zum Beispiel erstreckt sich die Hinterkante 46 nicht exakt radial nach außen in einer axialen Ebene, sondern ist eher unter einem Winkel axial stromaufwärts um etwa 1,8 Grad geneigt. Der Wert von 1,8 Grad stellt lediglich ein Beispiel dar, und es kann eine beliebige geeignete axiale Neigung nach vorne in der gewünschten Anwendung verwendet werden. Die Hinterkante ist auch in der Umfangsrichtung um etwa 1,4 Grad (siehe 204) geneigt. Die Umfangsrichtung befindet sich in einer axialen Ebene, die sich um 360 Grad rings um den Rotor erstreckt. Ein Versatz (Offsetwert) von Null würde eine radiale Linie, wie etwa die radiale Achse 32, sein. Demgegenüber ist die Hinterkante zu der radialen Achse 32 um etwa 1,4 Grad in einer Richtung versetzt, die in 2 durch einen Pfeil 34 angezeigt ist. Bei einer Betrachtung von der stromabwärtigen Seite (in der Nähe der Hinterkante 46) der Laufschaufel aus in Richtung der stromaufwärtigen Seite (in der Nähe der Vorderkante 44) der Laufschaufel ist der Umfangsversatz in die linke Richtung oder den Gegenuhrzeigersinn gerichtet. Der Hinterkantenversatz in der Axial- und der Umfangsrichtung verbessert den Laufschaufelwiderstand gegen mechanische Belastungen und reduziert Sekundärströmungsverluste sowie eine radiale Weiterverteilung der Strömung, um die Gesamtleistung zu verbessern. Während die Abgasfluide zu dem und durch den Durchgang zwischen den Laufschaufeln 36 strömen, wirken die Abgasfluide aerodynamisch mit den Laufschaufeln 36 derart zusammen, dass die Abgasfluide mit einem Drehimpuls oder einer Winkelgeschwindigkeit relativ zu der axialen Richtung 28 strömen. Eine Laufschaufelstufe 24, die mit Laufschaufeln 36 bestückt ist, die eine spezielle Engstellenverteilung und einen Hinterkantenversatz aufweisen, ist eingerichtet, um reduzierte aerodynamische Verluste und verbesserte aerodynamische Lasten zu zeigen und kann einen verbesserten Maschinenwirkungsgrad und eine verbesserte Teilelanglebigkeit zur Folge haben.
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3 zeigt eine Draufsicht von oben auf zwei benachbarte Laufschaufeln 36. Es ist zu beachten, dass die Saugseite 50 der unteren Laufschaufel 36 der Druckseite 48 der oberen Laufschaufel 36 zugewandt ist. Die axiale Sehne 56 ist die Dimension der Laufschaufel 36 in der axialen Richtung 28. Die Sehne 57 ist der Abstand zwischen der Vorderkante und der Hinterkante des Schaufelblattes. Der Durchgang 38 zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 36 einer Stufe 18 definiert eine Engstellenverteilung Do, die in dem schmalsten Bereich des Durchganges 38 zwischen benachbarten Laufschaufeln 36 gemessen wird. Ein Fluid strömt durch den Durchgang 38 hindurch in der axialen Richtung 28. Diese Engstellenverteilung Do über die Spanne von der ersten Wand 40 zu der zweiten Wand 42 ist in größeren Einzelheiten in Bezug auf 4 nachstehend erläutert. Die maximale Dicke jeder Laufschaufel 36 bei einer gegebenen prozentualen Spanne ist als Tmax veranschaulicht. Die Tmax-Verteilung über die Höhe der Laufschaufel 36 ist in größeren Einzelheiten nachstehend in Bezug auf 4 nachstehend erläutert.
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4 zeigt eine grafische Darstellung der Engstellenverteilung Do, die durch benachbarte Laufschaufeln 36 definiert und als eine Kurve 60 dargestellt ist. Die vertikale Achse repräsentiert die prozentuale Spanne zwischen der ersten Ringwand 40 und der zweiten Ringwand 42 oder dem gegenüberliegenden Ende des Schaufelblattes 37 in der radialen Richtung 32. Das heißt, 0% Spanne kennzeichnet im Wesentlichen die erste Ringwand 40, und 100% Spanne kennzeichnet das gegenüberliegende Ende des Schaufelblattes 37, und jeder beliebige Punkt zwischen 0% und 100% entspricht einem Prozentsatz des Abstands zwischen dem radial inneren und dem radialen äußeren Teil des Schaufelblattes 37 in der radialen Richtung 32 entlang der Höhe des Schaufelblattes. Die horizontale Achse repräsentiert Do (Engstelle), den kürzesten Abstand zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 36 bei einer gegebenen prozentualen Spanne, dividiert durch die Do_Mittenspanne (Engstelle_Mittenspanne), die die Do bei etwa 50% bis etwa 55% Spanne ist. Die Division von Do durch die Do_Mittenspanne macht die grafische Darstellung dimensionslos, so dass die Kurve 60 gleich bleibt, wenn die Laufschaufelstufe 24 für unterschiedliche Anwendungen auf- oder abskaliert wird. Man könnte eine ähnliche grafische Darstellung für eine einzige Größe der Turbine erstellen, in der die horizontale Achse eben Do ist.
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Wie aus
4 ersehen werden kann, verläuft die Engstellenverteilung, wie sie durch eine Hinterkante der Laufschaufel definiert ist, im Wesentlichen geradlinig von einem Engstelle/Engstelle_Mittenspannen-Wert von etwa 87% bei etwa 0% Spanne (Punkt
66) zu einem Engstelle/Engstelle_Mittenspannenwert von etwa 106% bei etwa 90% Spanne (Punkt
70) und einem Engstelle/Engstelle_Mittenspannen-Wert von etwa 103% bei etwa 95% Spanne. Die Spanne bei 0% befindet sich an einem radial inneren Teil des Schaufelblattes, und die Spanne bei 100% befindet sich an einem radial äußeren Teil des Schaufelblattes. Der Engstelle/Engstelle_Mittenspannenwert beträgt 115% bei etwa 50% bis 55% Spanne (Punkt
68). Die in
4 veranschaulichte Engstellenverteilung kann helfen, das Leistungsverhalten auf zweierlei Weise zu verbessern. Erstens hilft die Engstellenverteilung, gewünschte Austrittsströmungsprofile zu erzeugen. Zweitens kann die in
4 veranschaulichte Engstellenverteilung helfen, sekundäre Strömungen (z.B. Strömungen quer zu der Hauptströmungsrichtung) und/oder Spülströmungen in der Nähe der ersten Ringwand
40 (z.B. der Nabe) zu manipulieren. Tabelle 1 listet die Engstellenverteilung des Schaufelblattes
37 an mehreren Stellen der Spanne auf.
4 zeigt eine grafische Darstellung der Engstellenverteilung und die in Tabelle 1 aufgeführten Werte. Es sollte verstanden werden, dass die Engstellenverteilungswerte und die Werte in Tabelle 1 innerhalb einer Toleranz von +/–10% verwendet werden können. Tabelle 1
| % Spanne | Engstelle/Engstelle_Mittenspanne |
| 100 | 0,809 |
| 95 | 1,028 |
| 90 | 1,060 |
| 81 | 1,045 |
| 72 | 1,031 |
| 64 | 1,017 |
| 55 | 1,000 |
| 45 | 0,981 |
| 35 | 0,960 |
| 25 | 0,936 |
| 13 | 0,907 |
| 7 | 0,890 |
| 0 | 0,871 |
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5 zeigt eine grafische Darstellung der Dickenverteilung Tmax/Tmax_Mittenspanne, wie sie durch eine Dicke des Schaufelblattes
37 der Laufschaufel definiert ist. Die vertikale Achse repräsentiert die prozentuale Spanne zwischen der ersten Ringwand
40 und dem gegenüberliegenden Ende des Schaufelblattes
37 in der radialen Richtung
32. Die horizontale Achse repräsentiert die Tmax, dividiert durch den Tmax_Mittenspannen-Wert. Tmax ist die maximale Dicke des Schaufelblattes bei einer gegebenen Spanne, und Tmax_Mittenspanne ist die maximale Dicke des Schaufelblattes bei der Mittenspanne (z.B. bei etwa 50% bis 55% Spanne). Eine Division von Tmax durch Tmax_Mittenspanne macht die grafische Darstellung dimensionslos, so dass die Kurve gleich bleibt, wenn die Laufschaufelstufe
24 für verschiedene Anwendungen auf- oder abskaliert wird. Bezugnehmend auf die Tabelle 2 weist ein Mittenspannenwert von etwa 53% einen Tmax/Tmax_Mittenspannen-Wert von 1 auf, weil bei dieser Spanne Tmax gleich Tmax_Mittenspanne ist. Tabelle 2
| % Spanne | Tmax/Tmax_Mittenspanne |
| 100 | 0,78 |
| 95 | 0,63 |
| 90 | 0,68 |
| 81 | 0,79 |
| 72 | 0,87 |
| 64 | 0,94 |
| 55 | 1,00 |
| 45 | 1,05 |
| 35 | 1,10 |
| 25 | 1,14 |
| 13 | 1,19 |
| 7 | 1,21 |
| 0 | 1,24 |
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6 zeigt eine grafische Darstellung der Schaufelblattdicke (Tmax), dividiert durch die axiale Sehne des Schaufelblattes, an verschiedenen Werten der Spanne. Die vertikale Achse repräsentiert die prozentuale Spanne zwischen der ersten Ringwand
40 und dem gegenüberliegenden Ende des Schaufelblattes
37 in der radialen Richtung
32. Die horizontale Achse repräsentiert die Tmax, dividiert durch den axialen Sehnenwert. Eine Division der Schaufelblattdicke durch die axiale Sehne macht die grafische Darstellung dimensionslos, so dass die Kurve gleich bleibt, wenn die Laufschaufelstufe
24 für verschiedene Anwendungen auf- oder abskaliert wird. Eine Laufschaufelkonstruktion mit der Tmax-Verteilung, wie sie in den
5 und
6 veranschaulicht ist, kann helfen, die Resonanzfrequenz der Laufschaufel abzustimmen, um Überschneidungen mit Antriebseinrichtungen zu vermeiden. Demgemäß kann eine Konstruktion der Laufschaufel
36 mit der in den
5 und
6 veranschaulichten Tmax-Verteilung die Betriebslebensdauer der Laufschaufel
36 vergrößern. Tabelle 3 listet den Tmax/Axiale-Sehne-Wert für verschiedene Spannenwerte auf. Tabelle 3
| % Spanne | Tmax/Sehne |
| 100 | 0,256 |
| 95 | 0,206 |
| 90 | 0,221 |
| 81 | 0,255 |
| 72 | 0,275 |
| 64 | 0,293 |
| 55 | 0,307 |
| 45 | 0,317 |
| 35 | 0,325 |
| 25 | 0,331 |
| 13 | 0,338 |
| 7 | 0,341 |
| 0 | 0,346 |
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7 zeigt eine grafische Darstellung der axialen Sehne des Schaufelblattes, dividiert durch den axialen Sehnenwert bei der Mittenspanne an verschiedenen Werten der Spanne. Die vertikale Achse repräsentiert die prozentuale Spanne zwischen der ersten Ringwand
40 und dem gegenüberliegenden Ende des Schaufelblattes
37 in der radialen Richtung
32. Die horizontale Achse repräsentiert die axiale Sehne, dividiert durch die axiale Sehne bei dem Mittenspannenwert. Bezugnehmend auf die Tabelle 4 weist ein Mittenspannenwert von etwa 55% einen Axiale-Sehne/Axiale-Sehne_Mittenspannen-Wert von 1 auf, weil bei dieser Spanne die axiale Sehne gleich der axialen Sehne an der Mittenspannenstelle ist. Eine Division der axialen Sehne durch die axiale Sehne an der Mittenspanne macht die grafische Darstellung dimensionslos, so dass die Kurve gleich bleibt, wenn die Laufschaufelstufe
24 für verschiedene Anwendungen auf- oder abskaliert wird. Die Tabelle 4 listet die Werte für die axiale Sehne des Schaufelblattes, dividiert durch den axialen Sehnenwert an der Mittenspanne, entlang verschiedener Werte der Spanne auf. Tabelle 4
| % Spanne | Axiale Sehne / Axiale Sehne_Mittenspanne |
| 100 | 0,933 |
| 95 | 0,935 |
| 90 | 0,939 |
| 81 | 0,951 |
| 72 | 0,967 |
| 64 | 0,983 |
| 55 | 1,000 |
| 45 | 1,018 |
| 35 | 1,037 |
| 25 | 1,056 |
| 13 | 1,077 |
| 7 | 1,087 |
| 0 | 1,098 |
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Eine Laufschaufelkonstruktion mit der in 7 veranschaulichten axialen Sehnenverteilung kann helfen, die Resonanzfrequenz der Laufschaufel abzustimmen, um Überschneidungen mit Antriebseinrichtungen zu vermeiden. Zum Beispiel kann eine Laufschaufel mit einer linearen Gestalt eine Resonanzfrequenz von 400 Hz aufweisen, während die Laufschaufel 36 mit einer erhöhten Dicke an manchen Spannen eine Resonanzfrequenz von 450 Hz aufweisen kann. Falls die Resonanzfrequenz der Laufschaufel nicht sorgfältig eingestellt ist, um Überschneidungen mit den Antriebseinrichtungen zu vermeiden, kann ein Betrieb eine unzulässige Belastung an der Laufschaufel 36 und mögliches Strukturversagen zur Folge haben. Demgemäß kann eine Konstruktion der Laufschaufel 36 mit der in 7 veranschaulichten axialen Sehnenverteilung die Betriebslebensdauer der Laufschaufel 36 verlängern.
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Technische Effekte der offenbarten Ausführungsformen umfassen eine Verbesserung an dem Leistungsverhalten der Turbine auf etliche verschiedene Weisen. Die Konstruktion der Laufschaufel 36 und die Engstellenverteilung, wie in 4 veranschaulicht, können helfen, Sekundärströmungen (d.h. Strömungen quer zu der Hauptströmungsrichtung) und/oder Spülströmungen in der Nähe der Nabe (z.B. der ersten Ringwand 40) zu manipulieren. Die axiale Sehnen- und Dickenverteilung können helfen, die Resonanzfrequenz der Laufschaufel 36 abzustimmen. Wenn die Resonanzfrequenz der Laufschaufel nicht sorgfältig abgestimmt ist, um Überschneidungen mit den Antriebseinrichtungen zu vermeiden, kann ein Betrieb eine Überbeanspruchung der Laufschaufel 36 und mögliches Strukturversagen zur Folge haben. Demgemäß kann eine Konstruktion der Laufschaufel 36 mit der erhöhten Dicke an speziellen Spannenstellen die Betriebslebensdauer der Laufschaufel 36 verlängern.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um den Gegenstand, einschließlich die beste Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, den Gegenstand auszuführen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang des Gegenstands 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 unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Eine Laufschaufel weist ein Schaufelblatt auf, und die Laufschaufel ist zur Verwendung mit einer Turbomaschine eingerichtet. Das Schaufelblatt weist eine Engstellenverteilung auf, die in einem schmalsten Bereich in einem Durchgang zwischen benachbarten Laufschaufeln gemessen wird, in dem benachbarte Laufschaufeln sich quer über den Durchgang zwischen gegenüberliegenden Wänden erstrecken, um mit einer Fluidströmung aerodynamisch wechselzuwirken. Das Schaufelblatt definiert die Engstellenverteilung, und die Engstellenverteilung reduziert aerodynamische Verluste und verbessert aerodynamische Lasten an dem Schaufelblatt. Das Schaufelblatt weist ein lineares Hinterkantenprofil auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbomaschine
- 12
- Verdichter
- 14
- Brennkammer
- 16
- Turbine
- 17
- Diffusor
- 18
- Stufen
- 20
- Stufe
- 22
- Leitschaufelstufe
- 24
- Laufschaufelstufe
- 26
- Drehachse
- 28
- axiale Richtung
- 30
- radiale Ebene
- 32
- radiale Richtung
- 34
- Umfangsrichtung
- 36
- Laufschaufel
- 37
- Schaufelblatt
- 38
- Durchgang
- 39
- Befestigungsabschnitt
- 40
- erste Wand oder Plattform
- 42
- zweite Wand
- 44
- Vorderkante
- 46
- Hinterkante
- 48
- Druckseite
- 50
- Saugseite
- 56
- axiale Sehne
- 57
- Sehne
- 58
- grafische Darstellung
- 60
- Kurve
- 66
- Punkt
- 68
- Punkt
- 70
- Punkt
- 202
- Versatz
- 204
- Versatz
