DE102016124152A1

DE102016124152A1 - Turbomaschine und Turbinenlaufschaufel für diese

Info

Publication number: DE102016124152A1
Application number: DE102016124152.0A
Authority: DE
Inventors: Rohit Chouhan; Sumeet Soni; Ross James Gustafson; Nicholas Alvin Hogberg
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2017-06-22
Also published as: JP6877984B2; CN106894843B; US20170175529A1; US9957804B2; IT201600127449A1; JP2017110657A; CN106894843A

Abstract

Eine Turbomaschine enthält mehrere Laufschaufeln, 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 an einem engsten 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 aerodynamisch wechselzuwirken. Das Schaufelblatt definiert die Engstellenverteilung, und die Engstellenverteilung reduziert aerodynamische Verluste und verbessert aerodynamische Lasten an jedem Schaufelblatt.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Turbomaschinen und insbesondere eine Laufschaufel in einer Turbomaschine.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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.
In einem ersten Aspekt enthält eine Turbomaschine mehrere Laufschaufeln, 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 jedem Schaufelblatt.
In der zuvor erwähnten Turbomaschine kann sich die Engstellenverteilung, wie sie durch eine Hinterkante der Laufschaufel definiert ist, im Wesentlichen geradlinig von einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 82% bei etwa 5% Spanne zu einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 115% bei etwa 90% Spanne, einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 110% bei etwa 95% Spanne und einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 82,5% bei etwa 100% Spanne erstrecken. Ferner kann sich die Spanne bei 0% an einem radial inneren Abschnitt des Schaufelblattes befinden, während sich eine Spanne bei 100% an einem radial äußeren Abschnitt des Schaufelblattes befinden kann und der Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert bei etwa 50% bis 55% Spanne 100% betragen kann.
Insbesondere kann der Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert bei etwa 54% Spanne 100% betragen
In bevorzugten Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbomaschine kann die Engstellenverteilung durch Werte definiert sein, die in Tabelle 1 angegeben sind, wobei die Engstellenverteilungswerte innerhalb einer Toleranz von +/–10% der in Tabelle 1 angegebenen Werte liegen können.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann eine Hinterkante des Schaufelblattes bei etwa 50 % Spanne einen Vorsprung aufweisen.
Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann eine Hinterkante des Schaufelblattes einen Versatz von etwa 0 bei etwa 0 % Spanne, etwa 100% bei etwa 50 % Spanne und etwa 0 bei etwa 100 % Spanne aufweisen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Turbomaschine kann eine Hinterkante des Schaufelblattes einen Versatz aufweisen, wie er durch in Tabelle 2 angegebene Werte definiert ist.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Schaufelblatt eine Dickenverteilung (Tmax/Tmax_Mittenspanne) aufweisen, wie sie durch in Tabelle 3 angegebene Werte definiert ist.
Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann das Schaufelblatt eine dimensionslose Dickenverteilung gemäß in Tabelle 4 angegebenen Werten aufweisen.
Noch weiter zusätzlich oder als eine noch weitere Alternative kann das Schaufelblatt eine dimensionslose axiale Sehnenverteilung gemäß in Tabelle 5 angegebenen Werten aufweisen.
In einem zweiten Aspekt enthält eine Laufschaufel ein Schaufelblatt, und die Laufschaufel ist zur Verwendung mit einer Turbomaschine eingerichtet. Die Turbomaschine enthält eine Engstellenverteilung, 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.
In der zuvor erwähnten Laufschaufel kann sich die Engstellenverteilung, wie sie durch eine Hinterkante des Schaufelblattes definiert ist, im Wesentlichen geradlinig von einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 82% bei etwa 5% Spanne zu einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 115% bei etwa 90% Spanne, einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 110% bei etwa 95% Spanne und einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 82,5% bei etwa 100% Spanne erstrecken. Ferner kann sich die Spanne bei 0% an einem radial inneren Abschnitt des Schaufelblattes befinden, während sich eine Spanne bei 100% an einem radial äußeren Abschnitt des Schaufelblattes befinden kann und der Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert bei etwa 50% bis 55% Spanne 100% betragen kann.
Insbesondere kann der Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert bei etwa 54% Spanne 100% betragen
In bevorzugten Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Laufschaufel kann die Engstellenverteilung durch Werte definiert sein, die in Tabelle 1 angegeben sind, wobei die Engstellenverteilungswerte innerhalb einer Toleranz von +/–10% der in Tabelle 1 angegebenen Werte liegen können.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann eine Hinterkante des Schaufelblattes bei etwa 50 % Spanne einen Vorsprung aufweisen.
Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann eine Hinterkante des Schaufelblattes einen Versatz von etwa 0 bei etwa 0 % Spanne, etwa 100% bei etwa 50 % Spanne und etwa 0 bei etwa 100 % Spanne aufweisen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Laufschaufel kann eine Hinterkante des Schaufelblattes einen Versatz aufweisen, wie er durch in Tabelle 2 angegebene Werte definiert ist.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Schaufelblatt eine Dickenverteilung (Tmax/Tmax_Mittenspanne) aufweisen, wie sie durch in Tabelle 3 angegebene Werte definiert ist.
Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann das Schaufelblatt eine dimensionslose Dickenverteilung gemäß in Tabelle 4 angegebenen Werten aufweisen.
Noch weiter zusätzlich oder als eine noch weitere Alternative kann das Schaufelblatt eine dimensionslose axiale Sehnenverteilung gemäß in Tabelle 5 angegebenen Werten aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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:
1 eine schematische Darstellung einer Turbomaschine gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
2 eine Perspektivansicht einer Laufschaufel gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
3 eine Draufsicht von oben auf zwei benachbarte Laufschaufeln gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
4 eine grafische Darstellung der Engstellenverteilung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
5 eine grafische Darstellung eines Hinterkantenversatzes gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
6 eine grafische Darstellung einer maximalen Dickenverteilung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
7 eine grafische Darstellung der maximalen Dicke, dividiert durch die axiale Sehnenverteilung, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und
8 eine grafische Darstellung der axialen Sehne, dividiert durch die axiale Sehne an der Mittenspanne, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
2 zeigt eine Perspektivansicht einer Laufschaufel 36. 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 der zweiten Wand 42. 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. 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 aufweisen, die eingerichtet ist, um reduzierte aerodynamische Verluste und verbesserte aerodynamische Lasten zu zeigen, kann einen verbesserten Maschinenwirkungsgrad und eine verbesserte Teilelanglebigkeit zur Folge haben. Der Befestigungsabschnitt 39 der Laufschaufel 36 ist mit durchgestrichelten Linien dargestellt und kann einen Schwalbenschwanzabschnitt, Engelflügeldichtungen oder andere Einrichtungen enthalten, wie sie in der speziellen Ausführungsform oder Anwendung gewünscht sein können.
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 D_o, 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 D_o 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.
4 zeigt eine grafische Darstellung der Engstellenverteilung D_o, die durch benachbarte Laufschaufeln 36 definiert und als eine Kurve 60 dargestellt ist. Die vertikale Achse 62 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 64 repräsentiert D_o (Engstelle), den kürzesten Abstand zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 36 bei einer gegebenen prozentualen Spanne, dividiert durch die D_{o_Mittenspanne} (Engstelle_Mittenspanne), die die D_o bei etwa 50% bis etwa 55% Spanne ist. Die Division von D_o durch die D_{o_Mittenspanne} macht die grafische Darstellung 58 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 D_o ist.

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 82% bei etwa 5% Spanne (Punkt 66) zu einem Engstelle/Engstelle_Mittenspannenwert von etwa 115% bei etwa 90% Spanne (Punkt 70) und einem Engstelle/Engstelle_Mittenspannen-Wert von etwa 110% 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 und verschiedene Werte für die Hinterkantengestalt des Schaufelblattes 37 an mehreren Stellen der Spanne auf. 4 zeigt eine grafische Darstellung der Engstellenverteilung. Es sollte verstanden werden, dass die Engstellenverteilungswerte um etwa +/–10% variieren können. Tabelle 1

% Spanne	Engstelle/Engstelle_Mittenspanne
100	0,825
95	1,116
91	1,155
82	1,119
73	1,077
64	1,039
54	1,000
44	0,963
34	0,928
23	0,888
12	0,848
6	0,827
0	0,808

5 zeigt eine grafische Darstellung eines Hinterkantenversatzes des Schaufelblattes 37 der Laufschaufel 36. Die Hinterkante 46 weist einen Vorsprung 500 bei einer Spanne von etwa 50% auf. 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 den Hinterkantenversatz zu einer geraden Linie, der sich von einer Linie 510 (vgl. 2) aus erstreckt, die von einem radial inneren Abschnitt der Hinterkante zu einem radial äußeren Abschnitt der Hinterkante verläuft. Der Vorsprung 500 ist bei etwa 50% Spanne am größten (d.h. 1 oder 100%) und geht dann allmählich zurück zu einem Versatzwert von 0 bei etwa 0% Spanne und etwa 100% Spanne. Außerdem kann eine Laufschaufel 36 mit einem Hinterkantenversatz, der um die 50% Spanne herum vergrößert ist, helfen, die Resonanzfrequenz der Laufschaufel abzustimmen, um Überschneidungen mit Antriebseinrichtungen zu vermeiden. 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 dem Vorsprung 500 oder dem vergrößerten Hinterkantenversatz, wie in 5 veranschaulicht, die Betriebslebensdauer der Laufschaufel 36 verlängern. Tabelle 2 listet den Hinterkantenversatz und die Vorsprungsgestalt für verschiedene Werte der Hinterkante des Schaufelblattes 37 an mehreren Stellen der Spanne auf. Tabelle 2

% Spanne Hinterkantenversatz

100 0

94,6 0,116

83,6 0,332

72,6 0,567

61,6 0,821

50,5 1,000

39,4 0,918

28,3 0,660

17,2 0,284

6,1 0,030

0 0
6 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 aufoder abskaliert wird. Bezugnehmend auf die Tabelle 3 weist ein Mittenspannenwert von etwa 53% einen Tmax/Tmax_Mittenspannen-Wert von 1 auf, weil bei dieser Spanne Tmax gleich Tmax_Mittenspanne ist. Tabelle 3

% Spanne Tmax/Tmax_Mittenspanne

100 0,91

95 0,79

91 0,80

82 0,83

72 0,89

63 0,95

53 1,00

43 1,04

32 1,08

22 1,11

11 1,16

6 1,18

0 1,22
7 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 6 und 7 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 6 und 7 veranschaulichten Tmax-Verteilung die Betriebslebensdauer der Laufschaufel 36 vergrößern. Tabelle 4 listet den Tmax/Axiale-Sehne-Wert für verschiedene Spannenwerte auf, wobei die dimensionslose Dicke als ein Verhältnis von Tmax zu der axialen Sehne bei einer gegebenen Spanne definiert ist. Tabelle 4

% Spanne Tmax/Sehne

100 0,375

95 0,323

91 0,326

82 0,333

72 0,348

63 0,361

53 0,374

43 0,382

32 0,390

22 0,397

11 0,408

6 0,415

0 0,427

8 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 5 weist ein Mittenspannenwert von etwa 53% 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 5 listet die Werte für die axiale Sehne des Schaufelblattes, dividiert durch den axialen Sehnenwert an der Mittenspanne, entlang verschiedener Werte der Spanne auf, wobei die dimensionslose axiale Sehne als ein Verhältnis der axialen Sehne bei einer gegebenen Spanne zu der axialen Sehne bei der Mittenspanne definiert ist. Tabelle 5

% Spanne	Axiale Sehne / Axiale Sehne_Mittenspanne
100	0,905
95	0,910
91	0,918
82	0,938
72	0,959
63	0,980
53	1,000
43	1,018
32	1,034
22	1,048
11	1,060
6	1,066
0	1,072

Eine Laufschaufelkonstruktion mit der in 8 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 8 veranschaulichten axialen Sehnenverteilung die Betriebslebensdauer der Laufschaufel 36 verlängern.
Technische Effekte der offenbarten Ausführungsformen umfassen eine Verbesserung an dem Leistungsverhalten der Turbine auf etliche verschiedene Weisen. Erstens können die Konstruktion der Laufschaufeln 36 und die Engstellenverteilung, wie in 4 veranschaulicht, 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. Zweitens kann eine Laufschaufel 36 mit einem Vorsprung 500 um die 50% Spanne herum helfen, die Resonanzfrequenz der Laufschaufel abzustimmen, um Überschneidungen mit Antriebseinrichtungen zu vermeiden. Wenn die Resonanzfrequenz der Laufschaufel nicht sorgfältig abgestimmt wird, 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.
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.
Eine Turbomaschine enthält mehrere Laufschaufeln, 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 an einem engsten 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 aerodynamisch wechselzuwirken. Das Schaufelblatt definiert die Engstellenverteilung, und die Engstellenverteilung reduziert aerodynamische Verluste und verbessert aerodynamische Lasten an jedem Schaufelblatt.
Bezugszeichenliste

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
62: vertikale Achse
64: horizontale Achse
66: Punkt
68: Punkt
70: Punkt
500: Vorsprung
510: Linie

Claims

Laufschaufel, die ein Schaufelblatt aufweist, wobei die Laufschaufel zur Verwendung mit einer Turbomaschine eingerichtet ist, wobei das Schaufelblatt aufweist eine Engstellenverteilung, 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; und wobei das Schaufelblatt die Engstellenverteilung definiert, wobei die Engstellenverteilung aerodynamische Verluste reduziert und aerodynamische Lasten an dem Schaufelblatt verbessert.
Laufschaufel nach Anspruch 1, wobei sich die Engstellenverteilung, wie sie durch eine Hinterkante des Schaufelblattes definiert ist, im Wesentlichen geradlinig von einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 82% bei etwa 5% Spanne zu einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen- Wert von etwa 115% bei etwa 90% Spanne, einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 110% bei etwa 95% Spanne und einem Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert von etwa 82,5% bei etwa 100% Spanne erstreckt; und wobei sich die Spanne bei 0% an einem radial inneren Abschnitt des Schaufelblattes befindet, während sich eine Spanne bei 100% an einem radial äußeren Abschnitt des Schaufelblattes befindet und der Engstelle/Engstelle-Mittenspannen-Wert bei etwa 50% bis 55% Spanne, vorzugsweise bei etwa 54% Spanne, 100% beträgt.
Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Engstellenverteilung durch in Tabelle 1 angegebene Werte definiert ist und wobei die Engstellenverteilungswerte innerhalb einer Toleranz von +/–10% der in Tabelle 1 angegebenen Werte liegen.
Laufschaufel nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Hinterkante des Schaufelblattes bei etwa 50 % Spanne einen Vorsprung aufweist.
Laufschaufel nach Anspruch 4, wobei eine Hinterkante des Schaufelblattes einen Versatz von etwa 0 bei etwa 0 % Spanne, etwa 100% bei etwa 50 % Spanne und etwa 0 bei 100 % Spanne aufweist.
Laufschaufel nach einem beliebigen der Ansprüche 3–5, wobei eine Hinterkante des Schaufelblattes einen Versatz aufweist, wie er durch in Tabelle 2 angegebene Werte definiert ist.
Laufschaufel nach einem beliebigen der Ansprüche 3–6, wobei das Schaufelblatt eine Dickenverteilung (Tmax/Tmax_Mittenspanne) aufweist, wie sie durch in Tabelle 3 angegebene Werte definiert ist.
Laufschaufel nach einem beliebigen der Ansprüche 3–7, wobei das Schaufelblatt eine dimensionslose Dickenverteilung entsprechend Werten, die in Tabelle 4 angegebenen sind, aufweist.
Laufschaufel nach einem beliebigen der Ansprüche 3–8, wobei das Schaufelblatt eine dimensionslose axiale Sehnenverteilung entsprechend Werten, die in Tabelle 5 angegeben sind, aufweist.
Turbomaschine, die gegenüberliegende Wände, die einen Durchgang definieren, in dem eine Fluidströmung aufnehmbar ist, um durch den Durchgang zu strömen, und mehrere Laufschaufeln gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche aufweist.