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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Turbinenrotorschaufel, eine Turbine und ein Schaufelspalt-Messverfahren.
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HINTERGRUND
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Die Größe eines Spalts (im Folgenden als „Schaufelspalt“ bezeichnet) zwischen einer ortsfesten Wandoberfläche eines Turbinengehäuses und einer Kopffläche einer Turbinenrotorschaufel in einer Turbine ändert sich durch thermische Verformung und Fliehkraftverformung der Turbinenrotorschaufel. Patentdokument 1 offenbart ein Beispiel für die Kopfform der Turbinenrotorschaufel in Abhängigkeit von der Verformung der Turbinenrotorschaufel.
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Literaturstellenverzeichnis
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Patentliteratur
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Patentdokument 1:
JP2016-84730A -
ZUSAMMENFASSUNG
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Zu lösende Probleme
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Während des Betriebs einer Gasturbine ist es erwünscht, einen geeigneten Schaufelspalt zu wählen, um eine Leckströmung an der Turbinenrotorschaufelspitze zu unterdrücken, um die Leistung der Gasturbine zu verbessern.
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Mindestens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde im Hinblick auf das obige typische Problem gemacht, und ein Ziel von ihr ist es, eine Turbinenrotorschaufel mit einem geeigneten Schaufelspalt, eine Turbine, und ein Schaufelspalt-Messverfahren bereitzustellen.
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Lösung für die Probleme
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- (1) Eine Turbinenrotorschaufel gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: einen Fußabschnitt, der an einer Rotorwelle befestigt ist; und einen Strömungsprofilabschnitt, der eine Druckfläche, eine Unterdruckfläche und eine Kopffläche umfasst, welche die Druckfläche und die Unterdruckfläche verbindet, mit einem Kühlkanal, der innerhalb des Strömungsprofilabschnitts gebildet ist. Die Kopffläche umfasst einen vorderen Randbereich, der sich an der vorderen Randseite befindet und parallel zur Rotorwelle gebildet ist, und einen hinteren Randbereich, der sich an den vorderen Randbereich anschließt. Der hintere Randbereich hat eine Schrägfläche, die zu einem hinteren Rand hin radial nach innen geneigt ist.
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Während des Betriebs der Gasturbine (Hochtemperaturzustand, bei dem die Temperatur der Turbinenrotorschaufel ansteigt) verformt sich die Turbinenrotorschaufel aufgrund der Zentrifugalkraft, der vom Gasstrom aufgenommenen Kraft und der thermischen Ausdehnung. Insbesondere nimmt die Temperatur eines durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittels im Nahbereich des hinteren Randes der Turbinenrotorschaufel tendenziell zu, so dass die thermische Ausdehnung im Nahbereich des hinteren Randes tendenziell groß ist. Dementsprechend nimmt, wenn der Schaufelspalt zwischen der Kopffläche der Turbinenrotorschaufel und der ortsfesten Wandoberfläche des Turbinengehäuses bei Stillstand der Gasturbine (Zustand, in dem die Temperatur der Turbinenrotorschaufel nicht ansteigt und nahe der Raumtemperatur liegt) vom vorderen Rand zum hinteren Rand konstant eingestellt ist, das Risiko des Kontakts zwischen der Kopffläche der Turbinenrotorschaufel und der ortsfesten Wandoberfläche des Turbinengehäuses am hinteren Rand, der beim Betrieb der Gasturbine zur thermischen Ausdehnung neigt, zu. Wird jedoch der Schaufelspalt vom vorderen Rand zum hinteren Rand gleichmäßig vergrößert, um einen Kontakt zwischen der Kopffläche der Turbinenrotorschaufel und der ortsfesten Wandoberfläche des Turbinengehäuses auf der hinteren Randseite zu verhindern, wird der Schaufelspalt auf der vorderen Randseite beim Betrieb der Gasturbine übermäßig groß, so dass die Leistung der Gasturbine abnimmt.
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Bei der obigen Gestaltung (1) hat der auf der hinteren Randseite angeordnete hintere Randbereich, der zur thermischen Ausdehnung neigt, eine zum hinteren Rand hin radial nach innen geneigte Schrägfläche. Dementsprechend wird, wenn sich der hintere Randbereich im Betrieb der Gasturbine gegenüber dem vorderen Randbereich stark verformt, der Schaufelspalt über die Kopffläche hinweg gleichmäßig ausgebildet.
- (2) Eine Turbinenrotorschaufel gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: einen Fußabschnitt, der an einer Rotorwelle befestigt ist; und einen Strömungsprofilabschnitt, der eine Druckfläche, eine Unterdruckfläche und eine Kopffläche umfasst, welche die Druckfläche und die Unterdruckfläche verbindet, mit einem Kühlkanal, der innerhalb des Strömungsprofilabschnitts gebildet ist. Die Kopffläche umfasst einen vorderen Randbereich, der sich an einer vorderen Randseite befindet, und einen hinteren Randbereich, der sich an den vorderen Randbereich anschließt. Der hintere Randbereich hat eine Schrägfläche, die in Bezug auf den vorderen Randbereich zu einem hinteren Rand hin radial nach innen geneigt ist. An der Kopffläche, wenn P1 eine Position eines Schnittpunkts zwischen der Unterdruckfläche und einer Grenzlinie zwischen dem vorderen Randbereich und hinteren Randbereich ist, und P2 eine Position an der Unterdruckfläche ist, an der eine Verengung zwischen der Unterdruckfläche und einem hinteren Rand einer benachbarten Turbinenrotorschaufel gebildet ist, fällt die Position P1 mit der Position P2 zusammen oder befindet sich zwischen der Position P2 und dem hinteren Rand des Strömungsprofilabschnitts.
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Bei der obigen Gestaltung (2) ist im Falle der Turbinenrotorschaufel, die sich im hinteren Randbereich gegenüber dem vorderen Randbereich aufgrund der thermischen Ausdehnung der Schaufelspitze stark verformt, das Risiko des Kontakts mit der ortsfesten Wandoberfläche des Turbinengehäuses reduziert, so dass ein entsprechender Schaufelspalt aufrechterhalten werden kann.
- (3) In einigen Ausführungsformen fällt in der obigen Gestaltung (1) an der Kopffläche, wenn P1 eine Position eines Schnittpunkts zwischen der Unterdruckfläche und einer Grenzlinie zwischen dem vorderen Randbereich und hinteren Randbereich ist, und P2 eine Position an der Unterdruckfläche ist, an der eine Verengung zwischen der Unterdruckfläche und einem hinteren Rand einer benachbarten Turbinenrotorschaufel gebildet ist, die Position P1 mit der Position P2 zusammen oder die Position P1 befindet sich zwischen der Position P2 und dem hinteren Rand.
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Wie in der obigen Gestaltung (3) kann, wenn die Position P1 mit der Position P2 zusammenfällt oder sich zwischen der Position P2 und dem hinteren Rand befindet, ein entsprechender Schaufelspalt aufrechterhalten werden.
- (4) In einigen Ausführungsformen hat in der obigen Gestaltung (2) oder (3) die Kopffläche mindestens eine Auslassöffnung, die auf eine Position P3 zentriert ist. An der Kopffläche werden eine erste virtuelle Linie, die sich an der vorderen Randseite befindet und durch die Position P2 verläuft, und eine zweite virtuelle Linie ausgewählt, die sich an der hinteren Randseite befindet und durch die Position P3 verläuft. Die erste virtuelle Linie befindet sich in einem Bereich, der durch eine erste umfangsseitige virtuelle Linie, die durch die Position P2 verläuft und sich in einer Umfangsrichtung erstreckt, eine erste wölbungssenkrechte virtuelle Linie, die durch die Position P2 verläuft und sich in einer Richtung senkrecht zu einer Wölbungslinie erstreckt, und eine erste rotoraxiale virtuelle Linie definiert ist, die durch die Position P2 verläuft und sich in einer rotoraxialen Richtung erstreckt. Die zweite virtuelle Linie befindet sich in einem Bereich, der durch eine zweite umfangsseitige virtuelle Linie, die durch die Position P3 verläuft und sich in der Umfangsrichtung erstreckt, eine zweite wölbungssenkrechte virtuelle Linie, die durch die Position P3 verläuft und sich in der Richtung senkrecht zur Wölbungslinie erstreckt, und eine zweite rotoraxiale virtuelle Linie definiert ist, die durch die Position P3 verläuft und sich in der rotoraxialen Richtung erstreckt. Die Grenzlinie ist eine gerade Linie, die durch die Position P1 verläuft und an der Kopffläche zwischen der ersten virtuellen Linie und der zweiten virtuellen Linie gebildet ist.
- (5) In einigen Ausführungsformen befindet sich in der obigen Gestaltung (4), wenn P4 eine Position eines Schnittpunkts zwischen der Unterdruckfläche und der zweiten umfangsseitigen virtuellen Linie ist, die Position P1 zwischen der Position P4 und dem vorderen Rand des Strömungsprofilabschnitts.
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Insbesondere im Nahbereich der Auslassöffnung des Kühlkanals, der dem hinteren Rand am nächsten liegt, ist die thermische Ausdehnung tendenziell erheblich, so dass das Risiko eines Kontakts zwischen der Kopffläche und der ortsfesten Wandoberfläche steigt. Daher kann, wie in der obigen Gestaltung (5), wenn sich die Position P1 zwischen der Position P4 und dem vorderen Rand befindet, die Leckströmung von Verbrennungsgas von der Kopffläche der Turbinenrotorschaufel her unterbunden werden, während das Kontaktrisiko zwischen der Kopffläche und der ortsfesten Wandoberfläche im Nahbereich der Auslassöffnung wirksam reduziert wird.
- (6) In einigen Ausführungsformen befindet sich in der obigen Gestaltung (4), wenn P5 eine Position eines Schnittpunkts zwischen der Unterdruckfläche und der zweiten wölbungssenkrechten virtuellen Linie ist, die Position P1 zwischen der Position P5 und dem vorderen Rand des Strömungsprofilabschnitts.
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Insbesondere im Nahbereich der Auslassöffnung des Kühlkanals, der dem hinteren Rand am nächsten liegt, ist die thermische Ausdehnung tendenziell erheblich. Daher kann, wie in der obigen Gestaltung (6), wenn sich die Position P1 zwischen der Position P5 und dem vorderen Rand befindet, ein entsprechender Schaufelspalt im Nahbereich der Auslassöffnung aufrechterhalten werden, während das Kontaktrisiko zwischen der Kopffläche und der ortsfesten Wandoberfläche effektiv reduziert wird.
- (7) In einigen Ausführungsformen befindet sich in der obigen Gestaltung (4), wenn P6 eine Position eines Schnittpunkts zwischen der Unterdruckfläche und der rotoraxialen virtuellen Linie ist, die Position P1 zwischen der Position P6 und dem vorderen Rand des Strömungsprofilabschnitts.
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Insbesondere im Nahbereich der Auslassöffnung des Kühlkanals, der dem hinteren Rand am nächsten liegt, ist die thermische Ausdehnung tendenziell erheblich. Daher kann, wie in der obigen Gestaltung (7), wenn sich die Position P1 zwischen der Position P6 und dem vorderen Rand befindet, ein entsprechender Schaufelspalt im Nahbereich des Auslasses aufrechterhalten werden, wobei das Kontaktrisiko zwischen der Kopffläche und der ortsfesten Wandoberfläche effektiv reduziert wird.
- (8) In einigen Ausführungsformen erstreckt sich in jeder der obigen Gestaltungen (2) bis (7) die Grenzlinie entlang einer zur Rotorwelle senkrechten Richtung.
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Wenn die Kopffläche der Turbinenrotorschaufel so gestaltet ist, dass die Grenzlinie zwischen dem vorderen Randbereich und dem hinteren Randbereich sich entlang der Umfangsrichtung erstreckt, die senkrecht zur Rotorwelle steht, kann die Grenzlinie leicht gebildet werden.
- (9) In einigen Ausführungsformen erstreckt sich in jeder der obigen Gestaltungen (2) bis (7) die Grenzlinie entlang einer Axialrichtung der Rotorwelle.
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Wenn die Kopffläche der Turbinenrotorschaufel so gestaltet ist, dass sich die Grenzlinie zwischen dem vorderen Randbereich und dem hinteren Randbereich entlang der Axialrichtung der Rotorwelle erstreckt, kann die Grenzlinie leicht gebildet werden.
- (10) In einigen Ausführungsformen erstreckt sich in jeder der obigen Gestaltungen (2) bis (7) die Grenzlinie entlang einer zu einer Wölbungslinie senkrechten Richtung.
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Wenn die Kopffläche der Turbinenrotorschaufel so ausgelegt ist, dass sich die Grenzlinie zwischen dem vorderen Randbereich und dem hinteren Randbereich entlang der zur Wölbungslinie senkrechten Richtung erstreckt, kann die Grenzlinie leicht gebildet werden.
- (11) In einigen Ausführungsformen ist in jeder der obigen Gestaltungen (1) bis (10) ein Vorsprung, der von der Kopffläche radial nach außen vorsteht, entlang einer Schaufeloberfläche an einem unterdruckseitigen Endabschnitt der Kopffläche in einer Umfangsrichtung gebildet, und eine Höhe eines oberen Abschnitts des Vorsprungs von der Kopffläche in einer Radialrichtung ist vom vorderen Rand zum hinteren Rand konstant.
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Wenn die Kopffläche der Turbinenrotorschaufel am unterdruckseitigen Endabschnitt der Kopffläche einen Vorsprung aufweist, wird die Leckströmung an der Kopffläche weiter reduziert und das aerodynamische Verhalten der Turbine verbessert.
- (12) In einigen Ausführungsformen umfasst in jeder der obigen Gestaltungen (1) bis (11) der Strömungsprofilabschnitt eine Kopfplatte, welche die Kopffläche bildet. Die Dicke der Kopfplatte nimmt zum hinteren Rand hin in einem Bereich zu, der zumindest einem Teil des vorderen Randbereichs entspricht, und die Dicke der Kopfplatte nimmt zum hinteren Rand hin in einem Bereich ab, der zumindest einem Teil des hinteren Randbereichs entspricht.
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Bei der obigen Gestaltung (12) wird die Temperatur im vorderen Randbereich und im hinteren Randbereich gleichmäßig gemacht, so dass der Anstieg der Metalltemperatur der Kopfplatte unterbunden wird.
- (13) In einigen Ausführungsformen umfasst in jeder der obigen Gestaltungen (1) bis (12) der Strömungsprofilabschnitt eine Kopfplatte, welche die Kopffläche bildet. Die Kopfplatte ist so gebildet, dass sie im vorderen Randbereich und hinteren Randbereich dieselbe Dicke hat.
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Bei der obigen Gestaltung (13) kann, da die Dicke der Kopfplatte vom vorderen Randbereich zum hinteren Randbereich gleichmäßig ist, das Auftreten von thermischen Spannungen in der Kopfplatte unterbunden werden.
- (14) In einigen Ausführungsformen umfasst in jeder der obigen Gestaltungen (1) bis (13) der Strömungsprofilabschnitt eine Kopfplatte, welche die Kopffläche bildet. Der Kühlkanal umfasst einen gewundenen Kanal, der von der vorderen Randseite zur hinteren Randseite angeordnet ist. Ein radial äußerer Endabschnitt des gewundenen Kanals umfasst mindestens einen Umkehrabschnitt zum Umkehren einer Strömung. Eine zur Kopffläche entgegengesetzte Wandoberfläche der Kopfplatte umfasst mindestens eine Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche, die den mindestens einen Umkehrabschnitt bildet. Die mindestens eine Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche ist zum hinteren Rand hin radial nach innen geneigt.
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Bei der obigen Gestaltung (14) ist, auch wenn die zum hinteren Rand hin radial nach innen geneigte Schrägfläche gebildet ist, die Dicke der Kopfplatte gleichmäßig, da die Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche zum hinteren Rand hin radial nach innen geneigt ist, so dass das Auftreten von thermischen Spannungen unterbunden werden kann.
- (15) In einigen Ausführungsformen umfasst in jeder der obigen Gestaltungen (1) bis (14) der Strömungsprofilabschnitt eine Kopfplatte, welche die Kopffläche bildet. Der Kühlkanal umfasst einen gewundenen Kanal, der von der vorderen Randseite zur hinteren Randseite angeordnet ist. Ein radial äußerer Endabschnitt des gewundenen Kanals umfasst einen ersten Umkehrabschnitt und einen zweiten Umkehrabschnitt zum Umkehren einer Strömung. Eine zur Kopffläche entgegengesetzte Wandoberfläche der Kopfplatte umfasst eine erste Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche, die den ersten Umkehrabschnitt bildet, und eine zweite Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche, die den zweiten Umkehrabschnitt bildet und sich an die hintere Randseite der ersten Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche anschließt, mit einer Trennwand, die zwischen die erste und zweite Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche gesetzt ist. Die erste Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche und die zweite Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche sind jeweils parallel zur Rotorwelle gebildet. Eine Höhe der ersten Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche ab der Rotorwelle ist höher als eine Höhe der zweiten Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche ab der Rotorwelle.
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Bei der obigen Gestaltung (15) ist, auch wenn die zum hinteren Rand hin radial nach innen geneigte Schrägfläche gebildet ist, die Dicke der Kopfplatte gleichmäßig, da die Höhe der ersten Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche ab der Rotorwelle größer ist als die Höhe der zweiten Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche ab der Rotorwelle, so dass das Auftreten von thermischen Spannungen unterbunden werden kann.
- (16) Eine Turbine gemäß mindestens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Rotorwelle; die in jedem der obigen Punkte (1) bis (15) beschriebene Turbinenrotorschaufel; und eine ringförmige ortsfeste Wandoberfläche, die der Kopffläche der Turbinenrotorschaufel zugewandt ist.
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Bei der obigen Gestaltung (16) kann, da die in einem der obigen Punkte (1) bis (15) beschriebene Turbinenrotorschaufel enthalten ist, der Schaufelspalt gleichförmig gemacht werden, und der Verlust durch die Leckströmung im Spalt zwischen der Kopffläche und der ortsfesten Wandoberfläche kann wirksam reduziert werden.
- (17) Ein Schaufelspalt-Messverfahren gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient zum Messen eines Schaufelspalts zwischen einer Kopffläche einer Turbinenrotorschaufel und einer ortsfesten Wandoberfläche einer Turbine. Die Kopffläche umfasst einen vorderen Randbereich, der sich an einer vorderen Randseite befindet und parallel zur ortsfesten Wandoberfläche gebildet ist, und einen hinteren Randbereich, der so geneigt ist, dass ein Abstand von der ortsfesten Wandoberfläche zu einem hinteren Rand hin zunimmt. Das Schaufelspalt-Messverfahren umfasst einen den vorderen Randbereich betreffenden Messschritt, bei dem ein Schaufelspalt zwischen dem vorderen Randbereich und der ortsfesten Wandoberfläche gemessen wird.
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Bei dem obigen Verfahren (17) hat der auf der hinteren Randseite angeordnete, hintere Randbereich, der zur thermischen Ausdehnung neigt, eine derart geneigte Schrägfläche, dass der Abstand von der ortsfesten Wandoberfläche zum hinteren Rand hin zunimmt. Dementsprechend wird, wenn sich beim Betrieb der Gasturbine überwiegend der hintere Randbereich verformt, der Schaufelspalt über die Kopffläche hinweg gleichmäßig ausgebildet.
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Da der vordere Randbereich parallel zur Rotorwelle ausgebildet ist, ist der Schaufelspalt zudem über den vorderen Randbereich hinweg gleichmäßig. Dementsprechend kann bei dem den vorderen Randbereich betreffenden Messschritt zur Messung des Schaufelspalts im vorderen Randbereich der Schaufelspalt unabhängig von der Position im vorderen Randbereich genau gemessen werden, und der Schaufelspalt lässt sich leicht beherrschen.
- (18) In einigen Ausführungsformen umfasst in dem obigen Verfahren (17) der den vorderen Randbereich betreffende Messschritt, den Schaufelspalt zwischen dem vorderen Randbereich und der ortsfesten Wandoberfläche von einer Unterdruckseite der Turbinenrotorschaufel aus zu messen.
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Mit dem oben beschriebenen Verfahren (18) kann durch Einführen eines Messwerkzeugs wie z. B. einer Konuslehre in den Spalt zwischen der Kopffläche und der ortsfesten Wandoberfläche von der Unterdruckseite der Turbinenrotorschaufel aus der Schaufelspalt genau gemessen werden.
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Vorteilhafte Effekte
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es einfach, den Schaufelspalt angemessen einzustellen, und der Verlust aufgrund der Leckströmung im Schaufelspalt kann reduziert werden, so dass der thermische Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert wird.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Gestaltungsschaubild einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform.
- 2 ist ein schematisches Gestaltungsschaubild einer Turbinenrotorschaufel gemäß einer Ausführungsform.
- 3 ist ein Gestaltungsschaubild benachbarter Turbinenrotorschaufeln gemäß einer Ausführungsform bei Betrachtung einer Rotorschaufelanordnung von der radial äußeren Seite her, wobei die am weitesten stromaufwärts gelegene Grenzlinie und die am weitesten stromabwärts gelegene Grenzlinie gezeigt sind.
- 4 ist ein Gestaltungsschaubild, das die optimale Grenzlinie, die am weitesten stromaufwärts gelegene Grenzlinie und die am weitesten stromabwärts gelegene Grenzlinie gemäß einer Ausführungsform zeigt.
- 5 ist ein schematisches Gestaltungsschaubild einer Turbinenrotorschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform.
- 6 ist ein Gestaltungsschaubild, das die optimale Grenzlinie und die am weitesten stromaufwärts gelegene Grenzlinie gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.
- 7 ist ein schematisches Gestaltungsschaubild einer Turbinenrotorschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform.
- 8 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 7.
- 9 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Gestaltung des Strömungsprofilabschnitts gemäß einer Ausführungsform zeigt.
- 10 ist eine Querschnittsansicht, die eine andere Gestaltung des Strömungsprofilabschnitts gemäß einer Ausführungsform zeigt.
- 11 ist eine Querschnittsansicht, die eine weitere Gestaltung des Strömungsprofilabschnitts gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist jedoch beabsichtigt, dass, sofern nicht besonders gekennzeichnet, Abmessungen, Materialien, Formen, relative Positionen und dergleichen von Komponenten, die in den Ausführungsformen beschrieben werden, nur als illustrativ zu verstehen sind und nicht dazu dienen, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu begrenzen.
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So ist z. B. der Ausdruck einer relativen oder absoluten Anordnung wie „in einer Richtung“, „entlang einer Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „zentriert“, „konzentrisch“ und „koaxial“ nicht so zu verstehen, dass damit nur die Anordnung im strengen Wortsinn gemeint ist, sondern schließt auch einen Zustand ein, in dem die Anordnung um eine Toleranz oder um einen Winkel oder einen Abstand, bei der bzw. dem sich die gleiche Funktion erzielen lässt, relativ verschoben ist.
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Zum Beispiel ist ein Ausdruck eines gleichen Zustands wie „gleich“, „identisch“ und „gleichmäßig“ nicht so zu verstehen, dass er nur den Zustand angibt, in dem das Merkmal absolut dasselbe ist, sondern auch einen Zustand einschließt, in dem es eine Toleranz oder einen Abstand gibt, mit der bzw. dem immer noch die gleiche Funktion erreicht werden kann.
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Ferner ist z. B. ein Ausdruck wie „rechteckige Form“ oder „zylindrische Form“ nicht so auszulegen, dass er nur die geometrisch strenge Form bezeichnet, sondern schließt auch eine Form mit Unebenheiten oder abgeschrägten Ecken innerhalb des Bereichs ein, in dem die gleiche Wirkung erzielt werden kann.
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Andererseits sind Ausdrücke wie „umfassen“, „einschließen“, „haben“, „enthalten“ und „bilden“ nicht so zu verstehen, dass sie andere Komponenten ausschließen.
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1 ist ein schematisches Gestaltungsschaubild einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst die Gasturbine 1 einen Verdichter 2 zur Erzeugung von Druckluft, eine Brennkammer 4 zur Erzeugung von Verbrennungsgas aus der Druckluft und einem Brennstoff, und eine Turbine 6, die so ausgelegt ist, dass sie durch das Verbrennungsgas in Rotation versetzt wird. Im Falle der Gasturbine 1 zur Stromerzeugung ist ein Generator (nicht gezeigt) mit der Turbine 6 verbunden.
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Der Verdichter 2 umfasst eine Vielzahl von Leitschaufeln 16, die an einem Verdichtergehäuse 10 befestigt sind, und eine Vielzahl von Rotorschaufeln 18, die so an einer Rotorwelle 8 eingesetzt sind, dass sie abwechselnd mit den Leitschaufeln 16 angeordnet sind.
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Dem Verdichter 2 wird Luft zugeführt, die von einem Lufteinlass 12 her angesaugt wird. Die Luft strömt durch die Vielzahl der Leitschaufeln 16 und die Vielzahl der Rotorschaufeln 18 und wird dabei zu Druckluft mit hoher Temperatur und hohem Druck verdichtet.
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Die Brennkammer 4 wird mit Brennstoff und der im Verdichter 2 erzeugten Druckluft versorgt. Die Brennkammer 4 verbrennt den Brennstoff, um Verbrennungsgas zu erzeugen, das als Arbeitsmedium der Turbine 6 dient. Wie in 1 gezeigt, weist die Gasturbine 1 eine Vielzahl von Brennkammern 4 auf, die entlang der Umfangsrichtung um den Rotor herum innerhalb eines Gehäuses 20 angeordnet sind.
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Die Turbine 6 weist einen Verbrennungsgasdurchlass 28 auf, der von einem Turbinengehäuse 22 gebildet wird, und umfasst eine Vielzahl von Turbinenleitschaufeln 24 und eine Vielzahl von Turbinenrotorschaufeln 26, die in dem Verbrennungsgasdurchlass 28 angeordnet sind. Die Turbinenleitschaufeln 24 sind am Turbinengehäuse 22 befestigt, und ein Satz der entlang der Umfangsrichtung der Rotorwelle 8 angeordneten Turbinenleitschaufeln 24 bildet eine Leitschaufelanordnung. Weiterhin sind die Turbinenrotorschaufeln 26 an der Rotorwelle 8 eingesetzt, und ein Satz der Turbinenrotorschaufeln 26, die entlang der Umfangsrichtung der Rotorwelle 8 angeordnet sind, bildet eine Rotorschaufelanordnung. Die Leitschaufelanordnungen und die Rotorschaufelanordnungen sind abwechselnd in der Axialrichtung der Rotorwelle 8 angeordnet.
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In der Turbine 6 wird die Rotorwelle 8 in Rotation versetzt, wenn das aus der Brennkammer 4 in den Verbrennungsgasdurchlass 28 eingeleitete Verbrennungsgas die Vielzahl der Turbinenleitschaufeln 24 und die Vielzahl der Turbinenrotorschaufeln 26 durchströmt. Dabei wird der mit der Rotorwelle 8 verbundene Generator zur Stromerzeugung angetrieben. Das Verbrennungsgas, das die Turbine 6 angetrieben hat, wird über eine Abgaskammer 30 ins Freie abgeleitet.
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Im Folgenden wird die Axialrichtung der Gasturbine 1 (Axialrichtung der Rotorwelle 8) lediglich als „Axialrichtung“ oder „axial“ bezeichnet, und die Radialrichtung der Gasturbine 1 (Radialrichtung der Rotorwelle 8) wird lediglich als „Radialrichtung“ oder „radial“ bezeichnet, und die Umfangsrichtung der Gasturbine 1 (Umfangsrichtung der Rotorwelle 8) wird lediglich als „Umfangsrichtung“ oder „umfangsseitig“ bezeichnet. Ferner wird in Bezug auf die Strömungsrichtung des Verbrennungsgases im Verbrennungsgasdurchlass 28 die stromaufwärtige Seite in Axialrichtung lediglich als „stromaufwärts“ und die stromabwärtige Seite in Axialrichtung lediglich als „stromabwärts“ bezeichnet.
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2 ist ein schematisches Gestaltungsschaubild der Turbinenrotorschaufel 26 gemäß einer Ausführungsform. 3 ist eine Darstellung von Turbinenrotorschaufeln 26, die in der Umfangsrichtung zueinander benachbart sind, wenn die Rotorschaufelanordnung von der radial äußeren Seite her betrachtet wird.
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Wie in 2 gezeigt, umfasst die Turbinenrotorschaufel 26 einen an der Rotorwelle 8 befestigten Fußabschnitt 32 und einen Strömungsprofilabschnitt 36, in dem ein Kühlkanal 34 ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst der Strömungsprofilabschnitt 36, wie in 3 gezeigt, eine Druckfläche 38, eine Unterdruckfläche 40 und eine Kopffläche 42, die die Druckfläche 38 und die Unterdruckfläche 40 verbindet. Die Kopffläche 42 ist so angeordnet, dass sie einer ringförmigen ortsfesten Wandoberfläche 54 (siehe 2) des Turbinengehäuses 22 (siehe 1) zugewandt ist.
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In einigen Ausführungsformen, beispielsweise wie in 2 und 3 gezeigt, umfasst die Kopffläche 42 einen vorderen Randbereich 44, der sich auf der Seite des vorderen Randes 48 befindet und parallel zur Rotorwelle 8 (zur Achse der Rotorwelle 8) gebildet ist, und einen hinteren Randbereich 46, der sich in Axialrichtung an den vorderen Randbereich 44 anschließt. Zwischen dem vorderen Randbereich 44 und dem hinteren Randbereich 46 ist eine Grenzlinie gebildet. Der hintere Randbereich 46 weist eine Schrägfläche 52 auf, die in Bezug auf den vorderen Randbereich 44 ab der Grenzlinie radial nach innen geneigt ist, wenn sie sich dem hinteren Rand 50 nähert.
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In dem Fall, dass der Strömungsprofilabschnitt 36 der Gasturbine 1 eine Rotorschaufel 26 ist, die eine flache Kopffläche 42 parallel zur Rotorwelle 8 aufweist, verformt sich die Turbinenrotorschaufel 26 im Normalbetrieb (z. B. im Hochtemperaturzustand, bei dem die Temperatur der Turbinenrotorschaufel bei Nennlastbetrieb ansteigt) aufgrund der Fliehkraft, der vom Gasstrom aufgenommenen Kraft und der thermischen Ausdehnung. Insbesondere steigt die Temperatur eines durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittels im Nahbereich des hinteren Randes 50 der Turbinenrotorschaufel 26 durch Erwärmung aufgrund des Wärmeeintrags aus dem Verbrennungsgas tendenziell an, so dass die Wärmedehnung in Radialrichtung im Nahbereich des hinteren Randes 50 tendenziell erheblich ist. Wird dementsprechend der Abstand (im Folgenden als „Schaufelspalt“ bezeichnet) zwischen der Kopffläche 42 der Turbinenrotorschaufel 26 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 des Turbinengehäuses 22 im Stillstand der Gasturbine 1 (Zustand, in dem die Temperatur der Turbinenrotorschaufel 26 nicht ansteigt und nahe der Raumtemperatur liegt) vom vorderen Rand 48 bis zum hinteren Rand 50 auf einen konstanten Wert eingestellt, besteht ein größeres Risiko eines Kontakts zwischen der Kopffläche 42 der Turbinenrotorschaufel 26 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 des Turbinengehäuses 22 am hinteren Rand 50, der dazu neigt, sich bei Betrieb der Gasturbine 1 thermisch auszudehnen. Ist der Strömungsprofilabschnitt 36 jedoch so ausgebildet, dass der Schaufelspalt bei Betriebsstillstand vom vorderen Rand 48 zum hinteren Rand 50 gleichmäßig größer gemacht wird, um einen Kontakt zwischen der Kopffläche 42 der Turbinenrotorschaufel 26 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 des Turbinengehäuses 22 aufseiten des hinteren Randes 50 zu verhindern, so wird der Schaufelspalt auf der vorderen Randseite im Normalbetrieb der Gasturbine übermäßig vergrößert, so dass die Leistung der Gasturbine abnimmt. Das heißt, die Temperatur eines im Strömungsprofilabschnitt 36 strömenden Kühlmittels ist auf der Seite des vorderen Randes 48 niedriger als auf der Seite des hinteren Randes 50, und die Wärmeausdehnung in Radialrichtung wird auf der vorderen Randseite 48 relativ klein gehalten, so dass der Spalt aufseiten des vorderen Randes 48 im Normalbetrieb der Gasturbine 1 tendenziell zunimmt.
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Wenn also die Spitzenhöhe (die Höhe von der Mitte der Rotorwelle 8 bis zur Kopffläche 42) vom vorderen Rand 48 bis zum hinteren Rand 50 gleich ist, wird der Schaufelspalt auf der Seite des vorderen Randes 48 im Normalbetrieb relativ groß im Vergleich zur Seite des hinteren Randes 50, und die Leckströmung des Verbrennungsgases von der Spitze (Kopffläche 42) nimmt auf der Seite des vorderen Randes 48 zu, was eine Verschlechterung des aerodynamischen Verhaltens der Turbinenrotorschaufel 26 bewirkt.
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Um dies zu lösen, weist bei der in 2 gezeigten Turbinenrotorschaufel 26 der auf der zur thermischen Ausdehnung neigenden Seite des hinteren Randes 50 angeordnete hintere Randbereich 46 eine zum hinteren Rand 50 hin radial nach innen geneigte Schrägfläche 52 auf. Mit anderen Worten, der hintere Randbereich 46 weist eine Schrägfläche 52 auf, die so geneigt ist, dass der Schaufelspalt mit Annäherung an den hinteren Rand 50 zunimmt, wenn der Betrieb der Gasturbine gestoppt wird. Wie durch die gestrichelte Linie in 2 gezeigt, ist die Schrägfläche 52 also so ausgebildet, dass der Schaufelspalt der Kopffläche 42 vom vorderen Rand 48 bis zum hinteren Rand 50 hin gleichmäßig ausfällt, da sich der hintere Randbereich 46 während des normalen Betriebs der Gasturbine 1 aufgrund der Wärmeausdehnung hauptsächlich radial nach außen verformt.
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Da der vordere Randbereich 44 außerdem parallel zur Rotorwelle 8 ausgebildet ist, ist im vorderen Randbereich 44 die Höhe von der Mitte der Rotorwelle 8 bis zur Kopffläche 42 (Kopfplatte 60) gleichmäßig, und der Schaufelspalt der Turbinenrotorschaufel 26 ist über den vorderen Randbereich 44 hinweg gleichmäßig. Dementsprechend kann, wenn der Schaufelspalt mit einem Messwerkzeug 14, wie z. B. einer Konuslehre, gemessen wird, der Schaufelspalt unabhängig von der Position des vorderen Randbereichs 44 entsprechend beherrscht werden, und der Schaufelspalt kann leicht beherrscht werden. Das heißt, dass im vorderen Randbereich 44, da die thermische Ausdehnung des Strömungsprofilabschnitts 36 in Radialrichtung gering ist, der Betrag der Änderung des Schaufelspalts während des normalen Betriebs gering ist, und der Spalt zwischen der Kopfplatte 60 (Kopffläche 42) und der ortsfesten Wandoberfläche 54 leicht auf einen angemessenen Betrag eingestellt werden kann. Dementsprechend kann der Verlust durch die Leckströmung im Spalt zwischen der Kopffläche 42 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 im vorderen Randbereich 44 wirksam reduziert werden.
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Wie oben beschrieben, variiert die Position der optimalen Grenzlinie, die den vorderen Randbereich und den hinteren Randbereich trennt, in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und der Schaufelstruktur der Turbinenrotorschaufel 26, und es ist notwendig, die optimale Grenzlinie zu wählen, die den Bedingungen entspricht.
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Das Grundkonzept zur Auswahl der Grenzlinie wird nun beschrieben. Die Beherrschung des Schaufelspaltes erfolgt unter der Prämisse der Messung des Spalts zwischen der ortsfesten Wandoberfläche 54 des Turbinengehäuses 22 und der Kopffläche der Turbinenrotorschaufel 26. Insbesondere im Fall der Turbinenrotorschaufel 26, bei dem sich die thermische Ausdehnungsänderung des Strömungsprofilabschnitts 36 bis zu einem Bereich nahe dem vorderen Rand 48 erstreckt, muss die Grenzlinie nahe dem vorderen Rand 48 platziert werden, während im Fall der Turbinenrotorschaufel 26, bei dem die thermische Ausdehnung gering ist, die Grenzlinie nahe dem hinteren Rand 50 platziert werden kann.
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In dem Fall, bei dem die Grenzlinie nahe am vorderen Rand 48 platziert wird, gibt es jedoch eine Grenze für die Auswahl der Position zur Platzierung der Grenzlinie. Genauer gesagt ist es, wie oben beschrieben, zum Messen der Größe des Spalts für die Beherrschung des Schaufelspalts notwendig, ein Messwerkzeug senkrecht zur Schaufeloberfläche 37 anzusetzen, und wenn das nicht möglich ist, kann die Größe des Spalts nicht genau gemessen werden. Wie später beschrieben werden wird, ist, wenn der Spalt im Nahbereich des vorderen Randes 48 gemessen wird, die Verengungsposition an der Unterdruckfläche 40 der Schaufeloberfläche 37 der Turbinenrotorschaufel 26 die am weitesten stromaufwärts gelegene messbare Grenze in Axialrichtung. Wird die Messung axial stromaufwärts von dieser Position durchgeführt, wird die benachbarte Rotorschaufel 26 zu einem Hindernis, und die Messung kann nicht genau durchgeführt werden. Wie in 3 gezeigt, entspricht die senkrechte Linie V, die vom hinteren Rand 50 (hinteren Randendabschnitt 50a) der benachbarten Turbinenschaufel 26 zur Unterdruckfläche 40 verläuft, einer Verengung 58 zwischen der Unterdruckfläche 40 und der benachbarten Turbinenschaufel 26. Der Schnittpunkt zwischen der senkrechten Linie V und der Unterdruckfläche 40 ist die Position P2 der Verengung an der Unterdruckfläche 40. Die temporäre Grenzlinie, die durch die Position P2 verläuft und den vorderen Randbereich 44 und den hinteren Randbereich 46 trennt, wird als virtuelle Linie bezeichnet. Die virtuelle Linie, die nächstliegend zum vorderen Rand 48 gebildet wird, wird als die am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie (erste virtuelle Linie) LL1 gewählt.
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Es gibt unzählige, am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linien LL1, die durch die Position P2 verlaufen, aber im Hinblick auf die Leichtigkeit der Bildung der Grenzlinie an der Kopffläche 42 ist sie auf einen bestimmten Bereich beschränkt. Die in 3 gezeigte virtuelle Linie L1 ist die am weitesten stromaufwärts gelegene, umfangsseitige virtuelle Linie, die durch die Position P2 senkrecht zur Rotorwelle 8 verläuft und sich in der Umfangsrichtung erstreckt. Die virtuelle Linie L2 ist die am weitesten stromaufwärts gelegene, wölbungssenkrechte virtuelle Linie, die durch die Position P2 verläuft und senkrecht zur Wölbungslinie CL steht. Die virtuelle Linie L3 ist die am weitesten stromaufwärts gelegene, rotoraxiale virtuelle Linie, die durch die Position P2 verläuft und sich entlang der Rotorwelle 8 erstreckt. Jede virtuelle Linie geht von der Position P2 aus, erstreckt sich geradlinig durch die Position P2 und schneidet die Schaufeloberfläche 37 an beiden Enden.
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Von den drei virtuellen Linien ist die virtuelle Linie L3 die am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie LL1, die dem vorderen Rand 48 am nächsten ist. Die am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie LL1 befindet sich in einem Bereich, der durch die virtuelle Linie L1, die virtuelle Linie L2 und die virtuelle Linie L3 definiert ist, und kann in einem Bereich von der virtuellen Linie L1 (der am weitesten stromaufwärts gelegenen, umfangsseitigen virtuellen Linie) bis zur virtuellen Linie L3 (der am weitesten stromaufwärts gelegenen, rotoraxialen virtuelle Linie) im Gegenuhrzeigersinn ausgewählt werden.
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Als Nächstes wird die Auswahl der am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linie LL2 beschrieben, die als weitere virtuelle Linie angenommen wird, die die optimale Grenzlinie definiert. Wie später im Detail beschrieben, entspricht die gerade Linie, die durch die Position P3 verläuft, die die Position einer Auslassöffnung 56 ist, die im Nahbereich des in 3 gezeigten hinteren Rands 50 angeordnet ist, der am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linie (zweiten virtuellen Linie) LL2. Der Strömungsprofilabschnitt 36 im Nahbereich der Auslassöffnung 56 hat eine Anordnung, die sich am einfachsten in Radialrichtung erweitern lässt.
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Die in 3 gezeigte virtuelle Linie L11 ist die am weitesten stromabwärts gelegene, umfangsseitige virtuelle Linie, die durch die Position P3 senkrecht zur Rotorwelle 8 verläuft und sich in der Umfangsrichtung erstreckt. Die virtuelle Linie L12 ist die am weitesten stromabwärts gelegene, wölbungssenkrechte virtuelle Linie, die durch die Position P3 verläuft und senkrecht zur Wölbungslinie CL ist. Die virtuelle Linie L13 ist die am weitesten stromabwärts gelegene, rotoraxiale virtuelle Linie, die durch die Position P3 verläuft und sich entlang der Rotorwelle 8 erstreckt. Die am weitesten stromabwärts gelegene virtuelle Linie LL2 befindet sich in einem Bereich, der durch die virtuelle Linie L11, die virtuelle Linie L12 und die virtuelle Linie L13 definiert ist, und kann in einem Bereich von der virtuellen Linie L11 (der am weitesten stromabwärts gelegenen, umfangsseitigen virtuellen Linie) bis zur virtuellen Linie L13 (der am weitesten stromabwärts gelegenen, rotoraxialen virtuellen Linie) im Gegenuhrzeigersinn ausgewählt werden.
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Der Betrag der thermischen Ausdehnung der Turbinenrotorschaufel 26 variiert in Abhängigkeit von der Schaufelstruktur, den Betriebsbedingungen und der Position des Strömungsprofilabschnitts 36. 4 zeigt ein Beispiel, in dem die optimale Grenzlinie LL zwischen den am weitesten stromaufwärts gelegenen virtuellen Linien L1, L2, L3 und den am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linien L11, L12, L13 gebildet wird. In dem in 4 gezeigten Beispiel ist als Beispiel für die optimale Grenzlinie LL die umfangsseitige virtuelle Linie gezeigt, die durch die Position P1 senkrecht zur Rotorwelle 8 verläuft und sich in Umfangsrichtung erstreckt.
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Im Folgenden werden auf der Grundlage des oben beschriebenen Grundkonzepts Details beschrieben.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 3 gezeigt, ist die Position des Schnittpunkts zwischen den virtuellen Linien L1, L2, L3 und der Unterdruckfläche 40 die Position P2, an der die Verengung 58 zwischen der Unterdruckfläche 40 und der benachbarten Turbinenrotorschaufel 26 gebildet wird. Der Ausdruck „Position, an der die Verengung 58 zwischen der Unterdruckfläche 40 und der benachbarten Turbinenrotorschaufel 26 gebildet wird“, bezeichnet die Position P2, die den Schnittpunkt zwischen der Unterdruckfläche 40 und der vom hinteren Rand 50 der benachbarten Turbinenrotorschaufel 26 zur Unterdruckfläche 40 verlaufenden senkrechten Linie V darstellt, und gibt die Position der Verengung 58 an der Unterdruckfläche 40 an.
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Um den Schaufelspalt genau zu messen, ist es wünschenswert, ein Messwerkzeug 14 wie z. B. eine Konuslehre in einen Spalt zwischen der Kopffläche 42 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 entlang der senkrechten Linie V, d. h. in der Richtung H senkrecht zur Unterdruckfläche 40, von einer Seite der Unterdruckfläche 40 der Turbinenrotorschaufel 26 aus einzuführen. Um die Größe des Spalts genau zu messen, ist es wünschenswert, das Messwerkzeug 14 senkrecht zur Schaufeloberfläche (Unterdruckfläche 40) der Messstelle anzusetzen. Das heißt, wenn das Messwerkzeug 14 von der Seite der benachbarten Turbinenrotorschaufel 26 her angelegt wird, um die Größe des Schaufelspalts zu messen, ist die Position, die dem vorderen Rand 48 an der Unterdruckfläche 40 vom vorderen Rand 48 bis zum hinteren Rand 50 am nächsten liegt, die Position P2 der Verengung 58 an der Unterdruckfläche 40. An einer Position, die näher am vorderen Rand 48 liegt als diese Position P2, wird die benachbarte Rotorschaufel 26 zu einem Hindernis, und das Messwerkzeug 14 kann nicht senkrecht zur Unterdruckfläche 40 angesetzt werden, so dass es schwierig ist, die Größe des Spalts genau zu messen.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 3 gezeigt, definiert die virtuelle Linie, die durch die Position P2 verläuft, die am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie, die dem vorderen Rand 48 am nächsten ist. Wie oben beschrieben, können als am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie die virtuellen Linien L1, L2, L3 gewählt werden. Die virtuelle Linie L1 ist eine virtuelle Linie, die senkrecht zur Rotorwelle 8 steht und sich linear entlang der Umfangsrichtung erstreckt, um den vorderen Randbereich 44 auf der Seite des vorderen Randes 48 von dem hinteren Randbereich 46 auf der Seite des hinteren Randes 50 zu trennen.
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Wenn die virtuelle Linie L1 in der Richtung senkrecht zur Rotorwelle 8 angesetzt ist, kann die virtuelle Linie L1 leicht positioniert werden. Wenn also die Kopffläche 42 so ausgelegt ist, dass sich die virtuelle Linie L1 zwischen dem vorderen Randbereich 44 und dem hinteren Randbereich 46 entlang der Umfangsrichtung senkrecht zur Rotorwelle erstreckt, kann die virtuelle Linie L1 zwischen dem vorderen Randbereich 44 und dem hinteren Randbereich 46 an einer genauen Position an der Kopffläche 42 gebildet werden, und die Größe des Schaufelspalts zwischen der Kopfplatte 60 (Kopffläche 42) und der ortsfesten Wandoberfläche 54 kann genau zustande gebracht werden.
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Die virtuelle Linie L2 ist eine wölbungssenkrechte virtuelle Linie, die durch die Position P2 verläuft und sich linear in der Richtung senkrecht zur Wölbungslinie CL erstreckt. Da die virtuelle Linie L2 eine gerade Linie senkrecht zur Wölbungslinie CL ist, ist die Positionierung einfach, und die Grenzlinie kann leicht verarbeitet werden.
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Die virtuelle Linie L3 ist eine rotoraxiale virtuelle Linie, die durch die Position P2 verläuft und sich linear entlang der Richtung der Rotorwelle 8 erstreckt. Da die virtuelle Linie L3 eine gerade Linie ist, die sich parallel zur Rotorwelle 8 in der Richtung der Rotorwelle 8 erstreckt, ist die Positionierung einfach, und die Grenzlinie kann leicht verarbeitet werden.
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Als Nächstes wird die Auswahl der am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linie LL2 beschrieben.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 2 und 3 gezeigt, bildet der Kühlkanal 34 einen gewundenen Kanal 62, der später beschrieben wird, und ein Kühlmittel, das durch den letzten Kühlkanal 34a gelangt ist, der dem hinteren Rand 50 am nächsten liegt, wird aus einer an der Kopffläche 42 ausgebildeten Auslassöffnung 56 ausgestoßen. Die Auslassöffnung 56 ist in der Kopfplatte 60 am radial äußeren Ende des letzten Kühlkanals 34a gebildet und ist direkt mit dem letzten Kühlkanal 34a verbunden. Ein Teil des Kühlmittels wird über eine Vielzahl von radial angeordneten Kühlbohrungen, die vom letzten Kühlkanal 34a abzweigen und an einer hinteren Randendfläche 50b eines Endabschnitts 50a des hinteren Rands 50 axial stromabwärts gewandt münden, in das Verbrennungsgas abgeleitet. Im Verlauf des Ausstoßens des Kühlmittels in das Verbrennungsgas durch die Vielzahl von Kühlbohrungen 63 wird der Endabschnitt 50a des hinteren Randes 50 gekühlt, um eine thermische Schädigung des hinteren Randendabschnitts 50a zu verhindern.
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Obwohl der Strömungsprofilabschnitt 36 im Nahbereich der Auslassöffnung 56, die dem hinteren Rand 50 am nächsten liegt, auf verschiedene Weise intensiv gekühlt wird, um die Erwärmung des Kühlmittels zu verhindern, ist die Wärmeausdehnung in Radialrichtung in diesem Abschnitt immer noch erheblich. Daher werden die virtuellen Linien L11, L12, L13, die durch die Position P3 verlaufen, welche die zentrale Position der Auslassöffnung 56b ist, als Teil der am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linie LL2 gebildet. Wie durch die gestrichelte Linie in 3 gezeigt, wird die Position P3 der Auslassöffnung 56b im Querschnitt des letzten Kühlkanals 34a gebildet, wenn der Schaufelquerschnitt von der radial äußeren Seite her betrachtet wird.
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Die virtuelle Linie L11 ist eine umfangsseitige virtuelle Linie, die durch die Position P3 senkrecht zur Rotorwelle 8 verläuft und sich in der Umfangsrichtung erstreckt. Der Schnittpunkt zwischen der Unterdruckfläche 40 und der virtuellen Linie L11 ist die Position P4. Da die virtuelle Linie L11 eine gerade Linie senkrecht zur Rotorwelle 8 ist, ist die Positionierung einfach, und die Grenzlinie kann leicht verarbeitet werden.
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Die virtuelle Linie L12 ist eine wölbungssenkrechte virtuelle Linie, die durch die Position P3 verläuft und sich linear in der zur Wölbungslinie CL senkrechten Richtung erstreckt. Der Schnittpunkt zwischen der Unterdruckfläche 40 und der virtuellen Linie L12 ist die Position P5. Da die virtuelle Linie L12 eine gerade Linie senkrecht zur Wölbungslinie CL ist, ist die Positionierung einfach, und die Grenzlinie kann leicht verarbeitet werden.
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Die virtuelle Linie L13 ist eine rotoraxiale virtuelle Linie, die durch die Position P3 verläuft und sich linear entlang der Richtung der Rotorwelle 8 erstreckt. Der Schnittpunkt zwischen der Unterdruckfläche 40 und der virtuellen Linie L13 ist die Position P6. Da die virtuelle Linie L13 eine gerade Linie ist, die sich parallel zur Rotorwelle 8 in Richtung der Rotorwelle 8 erstreckt, ist die Positionierung einfach, und die Grenzlinie kann leicht verarbeitet werden.
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Wie oben beschrieben, wird als die am weitesten stromabwärts gelegene virtuelle Linie LL2 vorzugsweise eine Grenzlinie zwischen der am weitesten stromabwärts gelegenen, umfangsseitigen virtuellen Linie L11 und der am weitesten stromabwärts gelegenen, rotoraxialen virtuellen Linie L13 gewählt. Das heißt, es ist wünschenswert, dass die am weitesten stromabwärts gelegene virtuelle Linie LL2 in einem Bereich von der virtuellen Linie L11 (der am weitesten stromabwärts gelegenen, umfangsseitigen virtuellen Linie) zur virtuellen Linie L13 (der am weitesten stromabwärts gelegenen, rotoraxialen virtuellen Linie) im Gegenuhrzeigersinn ausgewählt wird.
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4 ist ein Gestaltungsschaubild, das ein Beispiel für die optimale Grenzlinie LL, die basierend auf der Schaufelstruktur und den Betriebsbedingungen ausgewählt wurde, die am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie LL1, die eine Grenze der Grenzlinie auf der axial stromaufwärtigen Seite ist, und die am weitesten stromabwärts gelegene virtuelle Linie LL2 zeigt, die eine Grenze auf der axial stromabwärtigen Seite an der Kopffläche 42 der Turbinenrotorschaufel 26 ist. Die optimale Grenzlinie LL wird zwischen der am weitesten stromaufwärts gelegenen virtuellen Linie LL1 und der am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linie LL2 gebildet. Bei der Auswahl der optimalen Grenzlinie LL wird der Schaufelspalt (die Größe des Spalts) unter Berücksichtigung der Schaufelstruktur, der Betriebsbedingungen usw. abgeschätzt, und es werden die Position P1 und die optimale Grenzlinie LL ausgewählt.
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In 4 ist es wünschenswert, dass die Position P1 auf der axial stromaufwärtigen Seite nahe dem vorderen Rand 48 zumindest mit der Position P2 zusammenfällt, oder dass sich P1 zwischen P2 und dem hinteren Rand 50 befindet. Ferner ist es wünschenswert, dass die Position P1 auf der axial stromabwärtigen Seite nahe dem hinteren Rand 50 mit der Position P4 zusammenfällt, die der Schnittpunkt mit der virtuellen Linie L11 (der am weitesten stromabwärts gelegenen, umfangsseitigen virtuellen Linie) ist, oder sich zwischen P4 und dem vorderen Rand 48 befindet. Alternativ ist es wünschenswert, dass die Position P1 mit der Position P5 zusammenfällt, die der Schnittpunkt mit der virtuellen Linie L12 (der am weitesten stromabwärts gelegenen, wölbungssenkrechten virtuellen Linie) ist, oder sich zwischen P5 und dem vorderen Rand 48 befindet. Alternativ ist es wünschenswert, dass die Position P1 mit der Position P6 zusammenfällt, die der Schnittpunkt mit der virtuellen Linie L13 (der am weitesten stromabwärts gelegenen, rotoraxialen virtuellen Linie) ist, oder sich zwischen P6 und dem vorderen Rand 48 befindet. Wenn eine solche Position P1 so eingestellt ist, dass eine vorbestimmte Grenzlinie, die zwischen der am weitesten stromaufwärts gelegenen virtuellen Linie LL1 und der am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linie LL2 gebildet ist, als optimale Grenzlinie LL gewählt wird, dann kann der Schaufelspalt zwischen dem vorderen Randbereich 44 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 einfach und genau gemessen werden. Wenn eine genaue optimale Grenzlinie LL gebildet werden kann, kann außerdem ein genauer Schaufelspalt (Größe des Spalts) gewählt werden, so dass die Leckströmung des Verbrennungsgases aus der Kopffläche 42 unterbunden werden kann. Weiterhin kann ein Messwerkzeug 14 wie z. B. eine Konuslehre problemlos in den Spalt zwischen dem vorderen Randbereich 44 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 eingeführt werden, ohne dass dabei der hintere Rand 50 der benachbarten Turbinenschaufel 26 stört.
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Wie oben beschrieben, ist insbesondere im Nahbereich der Auslassöffnung 56b des Kühlkanals 34, der dem hinteren Rand 50 am nächsten liegt, die thermische Ausdehnung tendenziell groß, so dass das Risiko eines Kontakts zwischen der Kopffläche 42 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 zunimmt. Daher kann, wie oben beschrieben, das Kontaktrisiko zwischen der Kopffläche 42 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 im Nahbereich der Auslassöffnung 56b wirksam reduziert werden, wenn sich die Position P1 zwischen der Position P4, die der Schnittpunkt mit der virtuellen Linie L11 ist, und dem vorderen Rand 48 befindet.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 3 gezeigt, befindet sich die Position P1 zwischen der Position P5 und dem vorderen Rand 48 des Strömungsprofilabschnitts 36, wenn P5 die Position des Schnittpunktes zwischen der Unterdruckfläche 40 und der geraden Linie L3 ist, die durch die Position P3 verläuft und parallel zur Umfangsrichtung an der Kopffläche 42 liegt.
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Im Nahbereich der Auslassöffnung 56b des Kühlkanals 34, der dem hinteren Rand 50 am nächsten liegt, wird die Temperatur des durch den gewundenen Kanal 62 strömenden Kühlmittels durch den Wärmeeintrag des Verbrennungsgases aufgeheizt und insbesondere die Wärmeausdehnung ist tendenziell groß, so dass das Risiko eines Kontakts zwischen der Kopffläche 42 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 steigt. Daher kann, wie oben beschrieben, wenn sich die Position P1 zwischen der Position P5, die der Schnittpunkt mit der virtuellen Linie L12 ist, und dem vorderen Rand 48 befindet, die Leckströmung des Verbrennungsgases aus der Kopffläche 42 (Schrägfläche 52) der Turbinenrotorschaufel 26 unterbunden werden, während das Kontaktrisiko zwischen der Kopffläche 42 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 effektiv reduziert wird.
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Insbesondere im Nahbereich der Auslassöffnung 56b des Kühlkanals 34, der dem hinteren Rand 50 am nächsten liegt, ist die Wärmeausdehnung radial nach außen tendenziell erheblich, so dass das Risiko eines Kontakts zwischen der Kopffläche 42 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 zunimmt. Daher kann, wie oben beschrieben, wenn sich die Position P1 zwischen der Position P6, die der Schnittpunkt mit der virtuellen Linie L13 ist, und dem vorderen Rand 48 befindet, das Kontaktrisiko zwischen der Kopffläche 42 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 im Nahbereich der Auslassöffnung 56b wirksam reduziert werden.
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Bei der Auswahl der optimalen Grenzlinie LL kann unter Berücksichtigung der Positionen der am weitesten stromaufwärts gelegenen virtuellen Linie LL1 und der am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linie LL2 die Position P1 der Grenzlinie auf der Basis der Verteilung der geschätzten Spaltgröße gewählt werden, die virtuelle Linie, die durch die Position P1 verläuft, kann basierend auf der Verteilung der Spaltgröße im vorderen Randbereich 44 und hinteren Randbereich 46 ausgewählt werden, und diese virtuelle Linie kann als optimale Grenzlinie LL verwendet werden.
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In einigen Ausführungsformen, wie in den 5 und 6 gezeigt, hat der hintere Rand 50 der Turbinenrotorschaufel 26 keine Auslassöffnung für das Kühlmittel. 5 ist ein schematisches Gestaltungsschaubild der Turbinenrotorschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform. 6 ist ein Gestaltungsschaubild, das die optimale Grenzlinie und die am weitesten stromaufwärts gelegene Grenzlinie gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt. Der innerhalb des Strömungsprofilabschnitts 36 der Turbinenrotorschaufel 26 gebildete Kühlkanal 34 bildet den gewundenen Kanal 62. Das radial äußere Ende des letzten Kühlkanals 34a, der dem hinteren Rand 50 am nächsten liegt, hat keine an der Kopffläche 42 ausgebildete Auslassöffnung und ist wie oben beschrieben direkt mit dem letzten Kühlkanal 34a verbunden. Der letzte Kühlkanal 34a ist mit einer Vielzahl von radial angeordneten Kühlbohrungen 63 verbunden, die an einem Ende mit dem letzten Kühlkanal 34a kommunizieren und am anderen Ende zum hinteren Randendabschnitt 50a des hinteren Randes 50 münden, der axial stromabwärts gerichtet ist. Das gesamte dem letzten Kühlkanal 34a zugeführte Kühlmittel strömt vom letzten Kühlkanal 34a zu den Kühlbohrungen 63, und im Verlauf der Abgabe des Kühlmittels an das Verbrennungsgas ausgehend vom hinteren Randendabschnitt 50a wird der hintere Randendabschnitt 50a des hinteren Randes 50 durch Konvektion gekühlt, um eine thermische Schädigung des hinteren Randendabschnitts 50a zu verhindern.
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Im Strömungsprofilabschnitt 36 im Nahbereich des radial äußeren Endes des letzten Kühlkanals 34a wird das Kühlmittel beim Durchströmen des gewundenen Kanals 62 erwärmt. Dementsprechend ist der Nahbereich des hinteren Randendabschnitts 50a auf der Seite der Kopffläche 42 nahe der Kühlbohrung 63, die mit dem letzten Kühlkanal 34a auf der radial äußeren Seite verbunden ist, im Strömungsprofilabschnitt 36 am stärksten überhitzt, obwohl er durch das Kühlmittel gekühlt wird, so dass die thermische Ausdehnung in Radialrichtung nach außen am größten ist.
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Wie in 6 gezeigt, wird in dieser Ausführungsform die optimale Grenzlinie LL zwischen der am weitesten stromaufwärts gelegenen virtuellen Linie LL1, die die obere Grenze darstellt, die sich auf der axial stromaufwärts gelegenen Seite befindet, und der am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linie LL2 gebildet, die die untere Grenze darstellt, die dem hinteren Randendabschnitt 50a (im Wesentlichen der hinteren Randendfläche 50b) entspricht. Vorzugsweise fällt die Position P1, an der die optimale Grenzlinie LL die Unterdruckfläche 40 schneidet, mit zumindest der Position P2 zusammen, oder P1 liegt zwischen P2 und dem hinteren Rand 50. Ferner fällt die Position P1, die die untere Grenze der optimalen Grenzlinie LL definiert, mit der Position des hinteren Randendabschnitts 50a zusammen, wie oben beschrieben. Im Übrigen ist, wie durch die gestrichelte Linie in 6 gezeigt, im Querschnitt des letzten Kühlkanals 34a auf der Seite des hinteren Randes 50 keine Auslassöffnung für das Kühlmittel an der Kopffläche 42 gebildet, wenn der Schaufelquerschnitt von der radial äußeren Seite her betrachtet wird.
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Wenn eine solche Position P1 so eingestellt ist, dass eine vorgegebene Grenzlinie, die zwischen der am weitesten stromaufwärts gelegenen virtuellen Linie LL1 und der am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linie LL2 gebildet ist, als optimale Grenzlinie LL gewählt wird, kann ein Messwerkzeug 14 wie z. B. eine Konuslehre problemlos in den Spalt zwischen dem vorderen Randbereich 44 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 eingeführt werden, ohne vom hinteren Rand 50 der benachbarten Turbinenschaufel 26 beeinträchtigt zu werden. Dadurch kann der Schaufelspalt zwischen dem vorderen Randbereich 44 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 einfach und genau gemessen werden. Ferner kann, wenn eine genaue optimale Grenzlinie LL gebildet werden kann, ein genauer Schaufelspalt (Größe des Spalts) gewählt werden, so dass die Leckströmung des Verbrennungsgases aus der Kopffläche 42 unterbunden werden kann.
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7 ist eine Draufsicht, die den Aufbau der Kopffläche 42 der Turbinenrotorschaufel 26 gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt. 8 ist eine Querschnittsansicht der Turbinenrotorschaufel 26 gemäß der Ausführungsform entlang der Linie A-A in 7, von der Axialrichtung her gesehen.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in den 7 und 8 gezeigt, umfasst die Turbinenrotorschaufel 26 einen Vorsprung 51 (auch als Spitzenausdünnung oder Abstreifer bezeichnet), der entlang der Schaufeloberfläche 37 vom vorderen Rand 48 zum hinteren Rand 50 an einem umfangsseitigen Endabschnitt der Kopffläche auf der Seite der Unterdruckfläche 40 so ausgebildet ist, dass er von der Kopffläche 42 radial nach außen vorsteht.
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Wie in 8 gezeigt, ist der Vorsprung 51 so ausgebildet, dass er auf einer Höhe H von der Kopffläche 42 entlang der Schaufeloberfläche 37 auf der Seite der Unterdruckfläche 40 der Turbinenrotorschaufel 26 radial nach außen ragt und sich vom vorderen Rand 48 zum hinteren Rand 50 erstreckt.
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Auch in dieser Ausführungsform, zum Beispiel wie in den 7 und 8 gezeigt, umfasst die Kopffläche 42 einen vorderen Randbereich 44, der auf der Seite des vorderen Randes 48 angeordnet und parallel zur Rotorwelle 8 ausgebildet ist, und einen hinteren Randbereich 46, der sich in Axialrichtung an den vorderen Randbereich 44 anschließt. Der hintere Randbereich 46 weist eine Schrägfläche 52 auf, die in Bezug auf den vorderen Randbereich 44 radial nach innen geneigt ist, wenn sie sich dem hinteren Rand 50 nähert.
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Wie in 8 gezeigt, ist der Vorsprung 51, der sich entlang der Schaufeloberfläche 37 auf der Seite der Unterdruckfläche 40 an der Kopffläche 42 erstreckt, vom vorderen Rand 48 zum hinteren Rand mit einer konstanten Höhe H von der Kopffläche 42 in Radialrichtung nach außen ausgebildet. Das heißt, der vordere Randbereich 44 und der hintere Randbereich 46, die an der Kopffläche 42 ausgebildet sind, sind auch an einem ebenen oberen Abschnitt 51a ausgebildet, der angrenzend in Umfangsrichtung vom Vorsprung 51 radial nach außen weist.
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In dieser Ausführungsform erfolgt die Messung des Spalts zwischen der ortsfesten Wandoberfläche 54 und dem Strömungsprofilabschnitt 36 der Turbinenrotorschaufel 26 durch Messung des Spalts zwischen der ortsfesten Wandoberfläche 54 und dem auf der Seite der Unterdruckfläche 40 gebildeten oberen Abschnitt 51a des Vorsprungs 51. Dementsprechend ist auf dem oberen Abschnitt 51a des Vorsprungs 51 die der Verengungsposition entsprechende Position P2 gebildet. Auch in dieser Ausführungsform definiert die virtuelle Linie, die durch die Position P2 am oberen Abschnitt 51a des Vorsprungs 51 verläuft, die am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie LL1, die dem vorderen Rand 48 am nächsten liegt, und die virtuellen Linien L1, L2, L3 werden als die am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie LL1 ausgewählt. Insbesondere entsprechen die virtuellen Linien L1, L2, L3 der am weitesten stromaufwärts gelegenen Umfangsrichtung L1 senkrecht zur Rotorwelle 8, der am weitesten stromaufwärts gelegenen, wölbungssenkrechten virtuellen Linie L2 senkrecht zur Wölbungslinie CL und der am weitesten stromaufwärts gelegenen, rotoraxialen virtuellen Linie L3, die parallel zur Rotorwelle 8 verläuft.
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Die am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie LL1 befindet sich jedoch in einem Bereich, der durch die virtuelle Linie L1, die virtuelle Linie L2 und die virtuelle Linie L3 definiert ist, und kann in einem Bereich von der virtuellen Linie L1 (der am weitesten stromaufwärts gelegenen, umfangsseitigen virtuellen Linie) bis zur virtuellen Linie L3 (der am weitesten stromaufwärts gelegenen, rotoraxialen virtuellen Linie) in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn ausgewählt werden.
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Die am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie LL1, die sich linear ausgehend von der Position P2, die entlang der Schaufeloberfläche 37 des oberen Abschnitts 51a des Vorsprungs 51 gebildet ist, bis zur Position der anderen Schaufeloberfläche 37 erstreckt, ist auch auf der Kopffläche 42 gebildet.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in den 7 und 8 gezeigt, bildet die durch die Position P3 verlaufende virtuelle Linie die am weitesten stromabwärts gelegene virtuelle Linie, wenn P3 die zentrale Position der Auslassöffnung 56b des letzten an der Kopffläche 42 gebildeten Kühlkanals 62a ist. Die umfangsseitige virtuelle Linie L11 senkrecht zur Rotorwelle 8 und linear in Umfangsrichtung verlaufend, die wölbungssenkrechte virtuelle Linie L12 senkrecht zur Wölbungslinie CL und die sich parallel zur Rotorwelle 8 erstreckende, rotoraxiale virtuelle Linie L13 sind als Teil der am weitesten stromabwärts gelegenen virtuellen Linie LL2 gebildet. Vorzugsweise wird die am weitesten stromabwärts gelegene virtuelle Linie LL2 in einem Bereich von der virtuellen Linie L11 (der am weitesten stromabwärts gelegenen, umfangsseitigen virtuellen Linie) bis zur virtuellen Linie L13 (der am weitesten stromabwärts gelegenen, rotoraxialen virtuellen Linie) im Gegenuhrzeigersinn gewählt. Die am weitesten stromabwärts gelegene virtuelle Linie LL2 ist an der Kopffläche 42 und auch auf dem oberen Abschnitt 51a des Vorsprungs 51 gebildet.
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7 zeigt ein Beispiel für die optimale Grenzlinie LL in der vorliegenden Ausführungsform. Die auf der Kopffläche 42 gebildete optimale Grenzlinie LL ist auch auf dem oberen Abschnitt 51a des Vorsprungs 51 an der gleichen Position entlang der Schaufeloberfläche 37 gebildet. Entsprechend wird die Höhe H des oberen Abschnitts 51a des Vorsprungs 51 von der Kopffläche 42 vom vorderen Rand 48 bis zum hinteren Rand 50 konstant gehalten. Bei Auswahl der optimalen Grenzlinie LL wird der Schaufelspalt (die Größe des Spalts) unter Berücksichtigung der Schaufelstruktur, der Betriebsbedingungen usw. abgeschätzt, und es werden die Position P1 und die Richtung gewählt, in der sich die optimale Grenzlinie LL erstreckt.
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Der an der Kopffläche 42 gebildete vordere Randbereich 44 und hintere Randbereich 46 mit der optimalen Grenzlinie LL als Grenze sind auch auf dem oberen Abschnitt 51a des Vorsprungs 51 gebildet. Die Position der Grenzlinie zwischen dem vorderen Randbereich 44 und dem hinteren Randbereich 46, die an der Kopffläche 42 gebildet sind, fällt mit der Position P1 der Grenzlinie zwischen dem vorderen Randbereich 44 und dem hinteren Randbereich 46 zusammen, die auf dem oberen Abschnitt 51a des Vorsprungs 51 in Richtung entlang der Schaufeloberfläche 37 gebildet sind. Entsprechend sind der vordere Randbereich 44 an der Kopffläche 42 und der vordere Randbereich 44 auf dem oberen Abschnitt 51a des Vorsprungs 51 parallel zur Rotorwelle 8 gebildet. Ferner weist der hintere Randbereich 46 am oberen Abschnitt 51a des Vorsprungs 51, wie es auch beim hinteren Randbereich 46 an der Kopffläche 42 der Fall ist, eine Schrägfläche 51b auf, die in einer Richtung von der Position der optimalen Grenzlinie LL bis zum hinteren Rand 50 zum hinteren Rand 50 hin radial nach innen geneigt ist. Auch in diesem Fall ist, wie oben beschrieben, die Höhe H des oberen Abschnitts 51a des Vorsprungs 51 ausgehend von der Kopffläche 42 vom vorderen Rand 48 bis zum hinteren Rand 50 konstant gehalten.
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Da bei der Gestaltung der vorliegenden Ausführungsform der Vorsprung auf der Seite der Unterdruckfläche 40 an der Kopffläche 42 des Strömungsprofilabschnitts 36 gebildet ist, wird der Spalt zwischen der Kopffläche 42 und der ortsfesten Wandoberfläche 54 verringert. Dadurch wird die Leckströmung des Verbrennungsgases über die Kopffläche 42 verringert und das aerodynamische Verhalten der Turbine verbessert.
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Da die Form des oberen Abschnitts 51a des Vorsprungs 51 entlang der Schaufeloberfläche vom vorderen Rand 48 zum hinteren Rand 50 die gleiche ist wie die der Kopffläche 42, wird die Leckströmung des Verbrennungsgases reduziert und ein Anstoßen an der ortsfesten Wandoberfläche 54 vermieden, so dass die Gasturbine 1 stabil betrieben werden kann.
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9 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Gestaltung des Strömungsprofilabschnitts 36 gemäß einer Ausführungsform zeigt. 10 ist eine Querschnittsansicht, die eine andere Gestaltung des Strömungsprofilabschnitts 36 gemäß einer Ausführungsform zeigt. 11 ist eine Querschnittsansicht, die eine weitere Gestaltung des Strömungsprofilabschnitts 36 gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in den 9 bis 11, umfasst der Strömungsprofilabschnitt 36 eine Kopfplatte 60, die die Kopffläche 42 bildet.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 9 gezeigt, nimmt die Dicke t der Kopfplatte 60 zum hinteren Rand 50 hin in einem Bereich zu, der zumindest einem Teil des vorderen Randbereichs 44 entspricht. Zusätzlich nimmt die Dicke t der Kopfplatte 60 zum hinteren Rand 50 hin in einem Bereich ab, der zumindest einem Teil des hinteren Randbereichs 46 entspricht. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist die Kopfplatte 60 so ausgelegt, dass die Dicke t zum hinteren Rand 50 hin im gesamten Bereich des vorderen Randbereichs 44 zunimmt und die Dicke t zum hinteren Rand 50 hin im gesamten Bereich des hinteren Randbereichs 46 abnimmt.
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Bei dieser Gestaltung ist die Änderung der Dicke t der Kopfplatte 60 vom vorderen Rand 48 zum hinteren Rand 50 gering, und die Temperatur im vorderen Randbereich 44 und im hinteren Randbereich 46 fällt gleichmäßig aus, so dass der Anstieg der Metalltemperatur der Kopfplatte 60 unterbunden wird.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 10 gezeigt, ist die Kopfplatte 60 so geformt, dass sie sowohl im vorderen Randbereich 44 als auch im hinteren Randbereich 46 die gleiche Dicke t aufweist.
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Da bei dieser Gestaltung die Dicke der Kopfplatte vom vorderen Randbereich zum hinteren Randbereich des Strömungsprofilabschnitts 36 gleichmäßig ist, kann das Auftreten von thermischen Spannungen in der Kopfplatte unterbunden werden.
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In einigen Ausführungsformen, z. B. wie in 2 und 9 bis 11 gezeigt, umfasst der Kühlkanal 34 einen im Nahbereich des vorderen Randes 48 angeordneten, geraden Kanal 59. Der gerade Kanal 59 umfasst eine am Fußabschnitt 32 angeordnete Einlassöffnung 35a und eine an der Kopffläche 42 angeordnete Auslassöffnung 56a und erstreckt sich in einer Richtung entlang der Radialrichtung innerhalb des Strömungsprofilabschnitts 36.
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In einigen Ausführungsformen, beispielsweise wie in 2 und 9 bis 11 gezeigt, umfasst der Kühlkanal 34 den gewundenen Kanal 62, der von der Seite des vorderen Randes 48 bis zur Seite des hinteren Randes 50 angeordnet ist. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform umfasst der gewundene Kanal 62 eine am Fußabschnitt 32 aufseiten des vorderen Randes angeordnete Einlassöffnung 35b und die oben beschriebene, an der Kopffläche 42 aufseiten des hinteren Randes angeordnete Auslassöffnung 56b, und mäandert beim Umkehren in Radialrichtung zwischen der Einlassöffnung 35b und der Auslassöffnung 56b. Der radial äußere Endabschnitt 64 des gewundenen Kanals 62 umfasst mindestens einen Umkehrabschnitt 66 (66a, 66b) zum Umkehren der Strömung des Kühlmittels. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform umfasst der radial äußere Endabschnitt 64 des gewundenen Kanals 62 einen ersten Umkehrabschnitt 66a und einen zweiten Umkehrabschnitt 66b zum Umkehren der Strömung.
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Wie in den 9 bis 11 gezeigt, umfasst eine Wandoberfläche 68 der Kopfplatte 60 auf der radial inneren Seite entgegengesetzt zur Kopffläche 42 mindestens eine Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70 (70a, 70b), die einen Umkehrabschnitt 66 bildet. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Wandoberfläche 68 der Kopfplatte 60 auf der zur Kopffläche 42 entgegengesetzten, radial inneren Seite eine erste Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70a, die einen ersten Umkehrabschnitt 66a bildet, und eine zweite Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70b, die einen zweiten Umkehrabschnitt 66b bildet. Die zweite Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70b schließt sich an den hinteren Rand 50 der ersten Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70a an, wobei zwischen die erste und zweite Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche eine Trennwand 72 gesetzt ist.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 9 gezeigt, ist jede Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70 (70a, 70b) zum hinteren Rand 50 hin radial nach innen geneigt. In der gezeigten Ausführungsform gilt θ1> θ2, wobei θ1 ein Neigungswinkel der Schrägfläche 52 in Bezug auf die Axialrichtung und θ2 ein Neigungswinkel jeder Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70 (70a, 70b) in Bezug auf die Axialrichtung ist.
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Bei dieser Gestaltung kann auch bei Ausbildung der zum hinteren Rand 50 hin radial nach innen geneigten Schrägfläche 52 die Dicke der Kopfplatte 60 auf der zur thermischen Ausdehnung neigenden Seite des hinteren Randes 50 leicht gleichmäßig gestaltet werden, da die Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70 (70a, 70b) zum hinteren Rand 50 hin radial nach innen geneigt ist.
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In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 11 gezeigt, sind die erste Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70a und die zweite Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70b jeweils parallel zur Rotorwelle 8 ausgebildet, und die Höhe h1 der ersten Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70a ab der Rotorwelle 8 ist größer als die Höhe h2 der zweiten Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70b ab der Rotorwelle 8. Das heißt, die zur Kopffläche 42 entgegengesetzte Innenwandoberfläche 68 der Kopfplatte 60 ist so abgestuft, dass die Höhe ab der Rotorwelle 8 zur stromabwärtigen Seite hin abnimmt.
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Bei dieser Gestaltung kann auch bei Ausbildung der zum hinteren Rand 50 hin radial nach innen geneigten Schrägfläche 52 die zur thermischen Ausdehnung neigende Dicke der Kopfplatte 60 auf der Seite des hinteren Randes 50 auf einfache Weise gleichmäßig gestaltet werden, da die Höhe h1 der ersten Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70a ab der Rotorwelle 8 größer ist als die Höhe h2 der zweiten Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche 70b ab der Rotorwelle 8,so dass das Auftreten von thermischen Spannungen unterbunden werden kann.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsformen sowie Ausführungsformen, die sich aus Kombinationen dieser Ausführungsformen zusammensetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasturbine
- 2
- Verdichter
- 4
- Brennkammer
- 6
- Turbine
- 8
- Rotorwelle
- 10
- Verdichtergehäuse
- 12
- Einlass
- 14
- Messwerkzeug
- 16
- Leitschaufel
- 18
- Rotorschaufel
- 22
- Turbinengehäuse
- 24
- Turbinenleitschaufel
- 26
- Turbinenrotorschaufel
- 28
- Verbrennungsgasdurchlass
- 30
- Abgaskammer
- 32
- Fußabschnitt
- 34
- Kühlkanal
- 34a
- Kühlkanal
- 35 (35a, 35b)
- Einlassöffnung
- 36
- Strömungsprofilabschnitt
- 37
- Schaufeloberfläche
- 38
- Druckfläche
- 40
- Unterdruckfläche
- 42
- Kopffläche
- 44
- vorderer Randbereich
- 46
- hinterer Randbereich
- 48
- vorderer Rand
- 50
- hinterer Rand
- 50a
- hinterer Randendabschnitt
- 50b
- hintere Randendfläche
- 51
- Vorsprung
- 51a
- oberer Abschnitt
- 52, 51b
- Schrägfläche
- 54
- ortsfeste Wandoberfläche
- 56 (56a, 56b)
- Auslassöffnung
- 58
- Verengung
- 59
- gerader Kanal
- 60
- Kopfplatte
- 62
- gewundener Kanal
- 62a
- letzter Kühlkanal
- 63
- Kühlbohrung
- 64
- radial äußerer Endabschnitt
- 66
- Umkehrabschnitt
- 66a
- erster Umkehrabschnitt
- 66b
- zweiter Umkehrabschnitt
- 68
- Innenwandoberfläche
- 70
- Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche
- 70a
- erste Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche
- 70b
- zweite Umkehrabschnittbildungs-Wandoberfläche
- 72
- Trennwand
- LL
- Grenzlinie
- LL1
- am weitesten stromaufwärts gelegene virtuelle Linie (erste virtuelle Linie)
- LL2
- am weitesten stromabwärts gelegene virtuelle Linie (zweite virtuelle Linie)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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