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Erfindungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft verbesserte Tragflächenformen zur Verwendung als
Startorleitschaufeln oder Rotorlaufschaufeln in Turbinen von Axialturbomaschinen
wie etwa Gasturbinenmotore.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Turbomaschinen
werden dazu verwendet, einem Arbeitsfluid Energie hinzuzufügen und/oder
Energie von ihm zu extrahieren. Sie können dementsprechend Kompressoren
und/oder Turbinen umfassen. Beispielsweise umfassen Gasturbinenmotoren
in der Regel drei Hauptabschnitte; einen Kompressorabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt
und einen Turbinenabschnitt. Luft aus der Atmosphäre wird
vom Kompressor angesaugt und komprimiert. Sie wird dann in den Verbrennungsabschnitt
weitergeleitet, wo Brennstoff zugesetzt wird und die Mischung gezündet wird,
so daß ein
Arbeitsfluid, dem Energie zugeführt
wurde, in Form eines unter Druck stehenden heißen Gases erzeugt wird. Das
Arbeitsfluid strömt
von dem Verbrennungsabschnitt zum Turbinenabschnitt, wo von Turbinenlaufschaufeln
Energie extrahiert wird und dazu verwendet wird, den Kompressor über eine
Turbinenwelle anzutreiben und zusätzliche Arbeit zu verrichten.
Das Arbeitsgas wird schließlich,
jetzt mit stark reduzierter Temperatur und stark reduziertem Druck, über ein
Abgaskanalsystem in die Atmosphäre
ausgetragen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist das zum Umwandeln von Turbinenarbeitsfluidenergie
in Wellendrehenergie verwendete Mittel ein System aus Tragflächen, die
Axialströmungsrotorlaufschaufeln
und Statorleitschaufeln umfassen. Die Rotorlaufschaufeln und die
Statorleitschaufeln sind so angeordnet, daß sie das Arbeitsfluid als
eine Reihe von axial aufeinanderfolgenden ringförmigen Reihen abfangen. Jede
Rotorlaufschaufel ist an einer Turbinenrotorscheibe oder -trommel über einen
Schaufelfußabschnitt
angebracht, wobei die Scheibe oder die Trommel an einer Rotorwelle
befestigt ist, deren Längsmittellinie
die Rotationsachse der Turbine definiert. Die Statorleitschaufeln
sind beispielsweise an einem umschreibenden Turbinengehäuse oder
an einer inneren statischen Trommel befestigt, und Reihen von Leitschaufeln
und Laufschaufeln wechseln miteinander ab, so daß jede Reihe von Laufschaufeln
mit einer vorausgegangenen Reihe von Statorleitschaufeln gepaart
ist. Jedes derartige Paar von Reihen wird kollektiv als eine Stufe
bezeichnet, und eine Turbine umfaßt mindestens eine Stufe.
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Während die
Funktion der Rotorlaufschaufelreihen darin besteht, Energie aus
dem Arbeitsfluid zu extrahieren und es zu einer Turbinenrotorscheibe
oder -trommel und somit zu der Welle zu übertragen, besteht die Funktion
der Statorleitschaufeln darin, die Strömung des Arbeitsfluids zu glätten und
es dann unter einem optimalen Endwinkel zu den Rotorlaufschaufeln
zu lenken, so daß dort
eine effiziente Energieübertragung
zum Drehen des Rotors erreicht werden kann. Die Effizienz, mit der
sowohl Laufschaufeln als auch Leitschaufeln ihre Funktion ausführen, ist
beim Bestimmen der Stufeneffizienz von großer Wichtigkeit.
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Auf
dem Gebiet der Gasturbinenmotoren weisen Tragflächen von Turbinenleitschaufeln
und -laufschaufeln jeweilige generische Typen von Querschnittsprofil
auf und können
vom visuellen Aussehen einander stark ähnlich sein, ungeachtet von
Maßstabsunterschieden,
die üblicherweise
von der Motorgröße abhängen. Bei
Untersuchung stellt es sich jedoch heraus, daß bei Tragflächenprofilen
meßbare
Unterschiede vorliegen, nicht nur zwischen Motoren unterschiedlicher
Bauart und unterschiedlichen Typs, sondern auch zwischen Turbinenstufen
des gleichen Motors. Weiterhin können
solche Unterschiede signifikante Effekte auf die Turbineneffizienz
haben. Analog gibt es bei anderen Aspekten des Turbinenstufendesigns
Unterschiede, die alleine oder in Kombination ebenfalls einen Effekt
aufweisen. Geringe Unterschiede bei Designmerkmalen, die dem Laien
auf dem Gebiet möglicherweise
minimal oder unwichtig erscheinen mögen, können auf die Turbinenstufenleistung
jedoch einen signifikanten Effekt haben.
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Somit
weisen geometrische Leitschaufel- und laufschaufelformen, ihre Positionsbeziehungen
zueinander und auch der Strom von Arbeitsfluid einen Effekt auf
die Turbineneffizienz auf und somit auf die Turbomaschineneffizienz
insgesamt. Bei bekannten Gasturbinenmotoren nach dem Stand der Technik
liegt die Turbinenstufeneffizienz gegenwärtig im Bereich von 90%, und
es wird bei einer derart hohen Effizienz eine Verbesserung nur um
Bruchteile von 1% als sehr schwierig betrachtet. Dennoch besteht
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Turbinenstufeneffizienz
um ein signifikantes Ausmaß zu
erhöhen.
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Teilweise
beinhaltet und verbessert die vorliegende Erfindung frühere Lehren
bezüglich
sogenannter Prinzipien der „Controlled
Flow" von dem Erfinder
der vorliegenden Erfindung und anderen. Insbesondere siehe Patentdokumente
EP 0 704 602 A „Turbine
Blade" und
GB 2 295 860 B „Turbine
Blade", insbesondere
auf Dampfturbinen gerichtet. Zu anderen Patenten, die ähnliche
Prinzipien zeigen, zählen
US 5,326,221 Amyot et al.
(für Dampfturbinen)
und
US 4,741,667 Price
et al. (für
Gasturbinen).
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Definitionen
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Für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung ist zu verstehen, daß sich der Ausdruck „Leitschaufel" auf die Statorlaufschaufeln
bezieht, die in Turbomaschinen den Rotorlaufschaufeln vorausgehen,
einschließlich der sogenannten „Düsenleitschaufeln" in Gasturbinenmotoren,
die dahingehend fungieren, daß sie
die heißen Gase
von der Brennkammer in die erste Stufe von Turbinenrotorschaufeln
lenken. Wenn außerdem
das Wort „Laufschaufel" oder die qualifizierenden
Wörter „Stator" oder „Rotor" verwendet wird,
soll darunter „Rotorlaufschaufel" verstanden werden.
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Die
radial innerste Extremität
der Tragflächenabschnitte
von Axialströmungslaufschaufeln
und -leitschaufeln wird als ihr „Plattformgebiet" bezeichnet (obwohl
der radial innerste Abschnitt einer Gasturbinenrotorlaufschaufel üblicherweise
als ein „Fuß" bezeichnet wird),
und die radial äußersten
Extremitäten
ihrer Tragflächenabschnitte
werden als ihr „Spitzengebiet" bezeichnet (trotz
der Tatsache, daß Laufschaufeln
und Leitschaufeln radial äußere Schutzmäntel aufweisen
können).
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Die „Druck"-Oberfläche einer
Tragflächenabschnittsgestalt
ist ihre konkave Seite und die „Unterdruck"-Oberfläche ist
ihre konvexe Seite.
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Eine „prismenförmige" Tragfläche ist
derart ausgelegt, daß die
theoretischen Tragflächenabschnitte der
Laufschaufel oder der Leitschaufel, die jeweils als orthogonal zu
einer radialen Linie von der Turbinenachse aus angesehen werden,
von dem Tragflächenplattformgebiet
zum Tragflächenspitzengebiet
die gleiche Gestalt aufweisen, nicht verzogen sind, das heißt den gleichen
Anstellwinkel vom Plattformgebiet zum Spitzengebiet aufweisen, und
aufeinander „gestapelt" sind, so daß ihre Vorderkanten
und ihre Hinterkanten zusammen gerade Linien in der radialen Richtung
bilden.
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Der
Endwinkel α einer
Tragfläche
ist der Winkel relativ zur Umfangsrichtung des Rotors, unter dem
das Arbeitsfluid eine Leitschaufel- oder Laufschaufelreihe verläßt, und
ist abgeleitet aus der Beziehung α = sin–1(T/P),wobei
T die Verengungsabmessung und P die Teilungsabmessung ist.
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Die
Verengungsabmessung T ist definiert als die kürzeste Linie, die von einer
Tragflächenvorderkante normal
zur Unterdruckoberfläche
der benachbarten Tragfläche
in der gleichen Reihe verläuft,
wohingegen das Teilungsmaß P
der Umstandsabstand von einer Tragflächenhinterkante zur benachbarten
Tragflächenhinterkante
in der gleichen Reihe bei einem spezifizierten radialen Abstand
von dem Plattformgebiet der Tragfläche ist.
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Der
Anstellwinkel β ist
der Winkel, um den ein beliebiger jeweiliger Tragflächenabschnitt
an einer Station entlang der Höhe
oder Spanne der Tragfläche
in seiner eigenen Ebene von einem vorbestimmten Nulldatum verschoben
ist. Das Datum kann beispielsweise dort angenommen werden, wo der
Tragflächenabschnitt den
gleichen „Staffelungswinkel", das heißt die gleiche
Orientierung relativ zur Turbinenachse, wie eine bekannte prismenförmige Tragfläche in einer
bekannten Turbine aufweist, die solche Tragflächen verwendet.
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Die „Profilsehne" ist die kürzeste Linie
tangential zu Vorder- und Hinterkantenradien eines Tragflächenabschnitts.
Die „Profilsehnenlänge" ist der Abstand
zwischen zwei Linien senkrecht zur Profilsehne und durch die Punkte
hindurch, wo die Profilsehne die Vorder- bzw. Hinterkante berührt.
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Die „axiale
Breite" einer Tragfläche ist
der axiale Abstand zwischen ihrer Vorder- und Hinterkante, das heißt der Abstand
zwischen ihrer Vorder- und Hinterkante bei Messung entlang der Rotationsachse
der Turbine.
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Kurze Darstellung der
Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Turbinenstatorleitschaufel
bestimmt zur Verwendung in einem Ring aus ähnlichen Leitschaufeln, die
in einer Axialturbine mit einem Ringweg für ein Turbinenarbeitsfluid
angeordnet sind, wobei die Leitschaufel eine Tragfläche umfaßt, die
den Ringweg überspannt
und ein radial inneres Plattformgebiet, ein radiales äußeres Spitzengebiet,
eine axial vordere Vorderkante und eine axial hintere Hinterkante
aufweist, wobei die Tragfläche
eine Druckoberfläche
und eine Unterdruckoberfläche
aufweist, die zwischen dem Plattformgebiet und dem Spitzengebiet
in einer Ebene konvex bzw. konkav sind, die sich sowohl radial von
dem Ringweg und quer zur Achsenrichtung erstreckt, wobei die Hinterkante
der Tragfläche
vom Plattformgebiet zum Spitzengebiet gerade und radial vom Ringweg
orientiert ist und die konvexe und konkave Krümmung der Tragflächen- und
-unterdruckoberfläche
erreicht wird durch eine Drehverschiebung der Tragflächenabschnitte
um die gerade Hinterkante, wobei die axiale Breite der Tragfläche über im wesentlichen
die ganze radiale Höhe
der Tragfläche
im wesentlichen konstant ist und die Profilsehne bei auf mittlerer
Höhe befindlichen
Tragflächenabschnitten
kürzer
ist als die Profilsehnen in Tragflächenabschnitten bei Plattform-
oder Spitzengebieten.
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Im
Kontext eines Gasturbinenmotors kann die Erfindung in ihrem ersten
Aspekt auf die Tragflächen von
Düsenleitschaufeln
in der ersten oder Hochdruckstufe der Turbine angewendet werden,
aber auch auf die Statorleitschaufeln von nachfolgenden Stufen.
Weil die Profilsehne bei auf mittlerer Höhe befindlichen Tragflächenabschnitten
kürzer
ist als die Profilsehnen in Tragflächenabschnitten sowohl bei
den Plattformgebieten als auch den Spitzengebieten weist die Tragfläche bei
Sicht auf ihrer Vorderkante ein sogenanntes „Compound-Lean"-Erscheinungsbild auf, bei dem die Tragfläche in der
gleichen Umfangsrichtung an beiden radialen Extremitäten verzogen
ist.
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Wenn
gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung die Tragfläche die einer Düsenleitschaufel
am Eintritt zu einer Gasturbine ist, ist die Tragfläche bevorzugt
in Beziehung zur axialen Länge
der Turbine derart positioniert, daß die Hinterkante der Tragfläche sich
in einem divergierenden Teil des Gasströmungsdurchgangs befindet, wodurch
die Hinterkante der Tragfläche
erheblich länger
ist als ihre Vorderkante.
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Im
Fall einer Düsenleitschaufeltragfläche weisen
der Plattform- und Spitzenendwinkel der Tragfläche bevorzugt den gleichen
Wert von beispielsweise höchstens
etwa 10 Grad, bevorzugt im Bereich 8–10 Grad, auf. Der Endwinkel
der Tragfläche
auf mittlerer Höhe
der Tragfläche
kann im Bereich 13–16
Grad, bevorzugt etwa 14 Grad, liegen.
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Die
Tragfläche
weist zweckmäßigerweise
einen etwa konstanten Tragflächenquerschnitt
von ihrem Plattformgebiet zu ihrem Spitzengebiet auf.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt eine Turbinenstufe eine
Reihe von Statorleitschaufeln wie oben beschrieben und eine Reihe
von Rotorlaufschaufeln in Strömungssequenz
mit den Leitschaufeln, wobei die Schaufeln Tragflächen mit
einem radial inneren Plattformgebiet umfassen, ein radial äußeres Spitzengebiet,
eine axial vordere Vorderkante und eine axial hintere Hinterkante,
wobei jede Laufschaufeltragfläche
eine Druckoberfläche
und eine Unterdruckoberfläche
aufweist, die zwischen dem Plattformgebiet und dem Spitzengebiet
in einer Ebene jeweils konvex und konkav sind, die sich sowohl radial
zum Ringweg als auch quer zur Axialrichtung erstreckt, wobei die
konvexe und konkave Krümmung
der Tragflächendruck- und – unterdruckoberfläche erreicht
wird durch eine Drehverschiebung der Tragflächenabschnitte um eine radiale
Linie durch die Tragfläche,
wobei jede Tragfläche
Endwinkel aufweist, die in der Nähe
ihres Plattform- und Spitzengebiets kleiner sind als auf mittlerer
Höhe.
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Unter
einem aerodynamischen Gesichtspunkt weist jede Schaufeltragfläche idealerweise
eine radial orientierte Hinterkante auf, wobei die Drehverschiebung
der Tragflächenabschnitte
um die gerade Hinterkante stattfindet, wenngleich dieses Ideal durch
die dynamischen Designanforderungen der Laufschaufeln beeinträchtigt werden
kann.
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Zum
Reduzieren der dynamischen Belastung der Fußbefestigungen und der Plattform
kann sich die Laufschaufeltragfläche
von ihrem Plattformgebiet zu ihrem Spitzengebiet derart verjüngen, daß ihre Profilsehnenlänge sich über die
radiale Höhe
der Laufschaufeltragfläche
von einem Maximum bei ihrem Plattformgebiet zu einem Minimum bei
ihrem Spitzengebiet reduziert und ihre Vorderkante eine Rückwärtsneigung
in der axialen Richtung aufweist.
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Bei
noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Turbinenstufe
bereit, die eine Reihe von Düsenleitschaufeln
mit Tragflächen
wie oben beschrieben umfaßt
und eine Reihe von Rotorlaufschaufeln in Strömungssequenz mit den Leitschaufeln,
wobei die Laufschaufeltragflächenplattform- und Spitzenendwinkel
im Bereich 14–17
Grad, bevorzugt etwa 16 Grad, liegen. Der Laufschaufeltragflächenendwinkel
auf mittlerer Höhe
der Tragfläche
kann im Bereich 18–21
Grad, bevorzugt etwa 19 Grad, liegen.
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Es
wird angenommen, daß sich
die Erfindung unabhängig
davon anwenden läßt, ob die
Tragflächen ummantelt
sind oder nicht, das heißt,
ob die Tragflächen
zu einer Struktur verbunden sind, die eine Außenwand der Durchgänge zwischen
benachbarten Tragflächen
bilden, oder nicht so verbunden sind, sondern an ihren radialen äußeren oder
Spitzengebieten frei sind.
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Weitere
Aspekte ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den folgenden
Ansprüchen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
computererzeugte Perspektivansicht einer Tragflächengestalt nach dem Stand
der Technik unter Verwendung des „Controlled Flow"-Prinzips;
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2 eine
Skizze einer Gasturbinenleitschaufeltragfläche nach dem Stand der Technik
bei Betrachtung vom spitzen Ende der Tragfläche in Richtung auf das Plattformende;
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3 eine
axiale Seitenansicht der Leitschaufeltragfläche von 2, die ihre
Position in der Turbinenpassage zeigt;
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4 eine
Ansicht ähnlich 2,
aber von einer gemäß der vorliegenden
Erfindung geformten Leitschaufeltragfläche;
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5 eine
axiale Seitenansicht der Leitschaufeltragfläche von 4;
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6 eine
Ansicht ähnlich 5,
aber von einer anderen Ausführungsform
der Erfindung;
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7 ein
Diagramm, das entsprechende elementare Abschnitte von zwei benachbarten
Tragflächen zeigt,
um das Konzept des Endwinkels zu veranschaulichen, was bezüglich einem
Aspekt der Erfindung wichtig ist;
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8 eine
computererzeugte Perspektivansicht einer Tragfläche einer gemäß der vorliegenden
Erfindung geformten Gasturbinenmotordüsenleitschaufel und
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9 eine
computererzeugte Perspektivansicht einer Tragfläche einer gemäß der vorliegenden
Erfindung geformten Gasturbinenmotorrotorlaufschaufel.
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Ausführliche
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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1,
die dem Patent Nummer
GB
2 295 860 B entnommen ist, auf das der Leser wegen weiterer Einzelheiten
verwiesen wird, zeigt die Tragfläche
einer Dampfturbinenstatorlaufschaufel oder einer Dampfturbinenstatorleitschaufel,
die gemäß den Grundlagen
der in diesem Patent offenbarten Erfindung geformt ist. Das auf
der Oberfläche
gezeigte Gittermuster wurde von einem Computer erzeugt und dient
zur Betonung der gekrümmten
Ausbildung der Tragfläche.
Sie weist eine gerade Hinterkante
25 wie bisher bekannte
Tragflächen auf,
doch ist der Rest der Tragfläche
und insbesondere die Vorderkante
24 nicht gerade, sondern
so gekrümmt, daß die Druckoberfläche
26 der
Tragfläche
zwischen dem Plattformgebiet
35 und dem Spitzengebiet
37 in
einer Ebene konvex ist, die sich sowohl radial zur Turbine als auch
quer zur allgemeinen Dampfströmungsrichtung
zwischen den Tragflächen
erstreckt. Eine derartige Ebene
31 ist angegeben, wobei
die konvexe Krümmung
in dieser Ebene an der Druckoberfläche
26 verdeckt ist,
aber der an der Vorderkante
24 entspricht.
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Insbesondere
können
relativ zu einer prismenförmigen
Tragfläche
die individuellen Tragflächenabschnitte 33 so
betrachtet werden, daß sie
in ihren eigenen Ebenen um die Hinterkante 25 durch einen
Anstellwinkel gedreht sind, der im zentralen Teil der radialen Höhe positiv
und in den Plattform- und Spitzenabschnitten negativ ist. „Positiv" soll eine Drehung
zur Unterdruckoberfläche 26 und „negativ" eine Drehung zur
Unterdruckoberfläche 27 sein.
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In 1 variiert
der Anstellwinkel auf parabolische Weise von etwa minus 2,5° in den Plattform-
und Spitzengebieten bis plus 2,5° in
der Mitte der radialen Höhe,
als ein Datumsstaffelungswinkel von 48,5° bezeichnet.
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Es
wäre in
einem gewissen Ausmaß annehmbar,
die Tragflächenabschnitte
um irgendeine andere Achse als die Hinterkante 25 zu verziehen,
beispielsweise eine radiale Linie durch die Vorderkante 24 oder irgendeine
dazwischenliegende Achse. Die Wahl der Hinterkante als diejenige
Achse, um die die Tragflächenabschnitte
gedreht werden, weist jedoch mehrere Vorteile auf. Sie hält den kritischen
Zwischenraumabstand zwischen den feststehenden Leitschaufeln und
den nachgeordneten Rotorlaufschaufeln konstant. Dieser Abstand hat
einen wichtigen Einfluß auf
die nicht stationären
aerodynamischen Kräfte
auf die sich bewegende Laufschaufel und auch auf die Stufeneffizienz über Grenzschichtwachstum
an den radialen inneren und äußeren Turbinenpassagewänden (als
die „Endwände" bezeichnet). Zweitens
wird durch Einbau der Krümmung größtenteils
in die Vorderkante ein „Compound-Lean"-Effekt in den Vorderkantenbereich
der Tragfläche
integriert, wo Sekundärströmungen erzeugt
werden. Diese Sekundärströme umfassen
Wirbel parallel zur Hauptströmung,
wobei sich die Wirbel in der Nähe
der Endwände
zwischen benachbarten feststehenden Laufschaufeln befinden. Durch
die Verwendung der zusammengesetzten gekrümmten Tragfläche von 1 weist
die Druckoberfläche über die
innere (das heißt
untere) Hälfte
der Tragflächenhöhe radial
nach innen, und über
die äußere Hälfte der
Tragflächenhöhen weist
die Druckoberfläche
radial nach außen.
Den auf die Strömung
ausgeübten
Körperkräften wird
durch höhere
statische Drücke
an den Endwänden
entgegengewirkt. Dies führt
zu niedrigeren Geschwindigkeiten in der Nähe der Endwände und somit niedrigeren Reibungsverlusten.
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2 und 3 zeigen
eine Gasturbinenleitschaufel nach dem Stand der Technik, deren Tragfläche 1 gemäß ähnlichen
Prinzipien wie denen von 1 ausgelegt ist. Die gestrichelte
Linie 2 stellt die axiale Mittellinie der Turbine dar, 7 und 8 sind
radial innere und äußere Wände, die
den Turbinenarbeitsfluiddurchgang definieren, 4 ist die
Vorderkante im mittelhohen Leitschaufelbereich, 5 und 6 sind
das Plattform- bzw. Spitzengebiet, der Pfeil D gibt die Gesamtrichtung
der Strömung
des Arbeitsfluids an, und der Winkel, den die Linie L mit der Achse 2 bildet,
stellt den Datumsstaffelungswinkel der prismenförmigen Tragfläche dar.
Wie in 1 gezeigt, sind die Leitschaufeltragflächenabschnitte
um eine gerade, radial orientierte Hinterkante 3 gestapelt und
in Richtung der geschlossenen Position an der Vorderkantenplattform
und -spitze gedreht oder „verzogen", das heißt an der
Vorderkantenplattform und der -spitze weist der Anstellwinkel seinen
größten negativen Wert-β relativ
zur Datumslinie L auf und die Verengungsabmessung T (siehe 7)
ist auf einem Minimum. Aus Gründen
der Verdeutlichung zeigt 2 ein übertriebenes Verziehen von
Plattform und Spitze. Auf der mittleren Höhe der Tragfläche jedoch
hat der Anstellwinkel seinen größten positiven
Wert +β.
Somit ist die Vorderkante 4 beim auf mittlerer Höhe befindlichen
Gebiet der Leitschaufel um einen Betrag „X" axial vor der Vorderkante an Plattform-
und -spitzengebieten 5 und 6. Dies bedeutet, daß, obwohl
die Profilsehnen aller Tragflächenabschnitte
die gleiche Länge
aufweisen, die axiale Breite W der Tragfläche (das heißt der Abstand
zwischen ihrer Vorderkante 4 und Hinterkante 3 in
der axialen Richtung) über
die radiale Höhe
der Tragfläche
um X variiert.
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf die 4, 5 und 8 sind
die Ansichten in den 4 und 5 ähnlich den 2 und 3,
aber von einer Leitschaufeltragfläche 41 gemäß der vorliegenden
Erfindung, die auf einer Modifikation des Controlled-Flow-Prinzips
basiert. 8 ist eine Perspektivansicht
der Hinterkante der Tragfläche 41,
wobei auf der Tragfläche
ein computererzeugtes Gitter liegt, wie in 1. Koordinaten
für das
computererzeugte Gitter sind angezeigt als X, Y und Z, wobei X die
axiale Richtung und Z die radiale Richtung ist. Wie in 1 ist
die Hinterkante 43 radial orientiert und gerade, und die
Druckfläche 47 der
Tragfläche
ist zwischen Plattform 45 und Spitze 46 in einer
Ebene 48 konvex, die sich sowohl radial von der Turbine
und quer zur axialen Mittellinie 2 erstreckt, wobei dies
durch eine Drehverschiebung der Tragflächenabschnitte 49 um
die radiale Hinterkante erzielt wird. In den 4 und 5 ist
jedoch zu erkennen, daß sich
die Vorderkante 44 bei mittlerer Höhe nicht vor den Plattform-
und Spitzengebieten befindet, sondern im wesentlichen in einer Linie
mit ihnen, bezüglich der
durch die Achse 2 definierten axialen Richtung. Da die
Hinterkante 43 gerade ist, ist die axiale Breite W der
Leitschaufeltragfläche
folglich über
im wesentlichen die ganze radiale Tragflächenhöhe im wesentlichen konstant
und die Profilsehnen bei auf mittlerer Höhe befindlichen Tragflächenabschnitten
sind kürzer
als die Profilsehnen in Tragflächenabschnitten
an Plattform- oder Spitzengebieten. Es hat sich herausgestellt,
daß das
Reduzieren der Profilsehnenlänge
bei dem auf mittlerer Höhe befindlichem
Gebiet auf diese Weise den Effekt hat, daß aerodynamische Profilverluste
vorteilhaft verringert werden, ohne daß dies die Leitschaufelleistung
unnötig
beeinflußt.
Dem ist so, weil der „benetzte" Bereich und somit
der Reibungsverlust reduziert ist.
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6 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, die sich auf Leitschaufeltragflächen 61 der ersten
Stufe am Eintritt zu einer Turbine anwenden läßt. Wie in den 4, 5 und 8 ist die
Druckfläche
der Tragfläche
zwischen Plattform 65 und Spitze 66 konvex, die
Vorderkante 64 auf mittlerer Höhe liegt im wesentlichen axial
in einer Linie mit den Plattform- und Spitzengebieten, und die radial
orientierte Hinterkante 63 ist gerade. Es hat sich jedoch
als vorteilhaft herausgestellt, die Tragfläche 61 in Bezug zur
axialen Länge
der Turbine derart zu positionieren, daß sich ihre Hinterkante 63 in
einem divergierenden Teil des Gasströmungsdurchgangs befindet und
somit bewirkt, das die Hinterkante 63 wesentlich länger ist
als die Vorderkante 64. Obwohl dies für die zweite Stufe und nachfolgende
Stufen von Turbinen normal ist, ist dies für eine erste Stufe nicht normal.
Wie in 5 gezeigt, weisen üblicherweise Leitschaufeln
der ersten Stufe eine Vorderkante auf, die länger ist als die Hinterkante
oder im wesentlichen die gleiche Länge wie sie aufweist.
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Das
Stapeln der Leitschaufeltragflächenabschnitte
wie unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 und 8 beschrieben,
so daß sie
an dem Plattform- und Spitzengebieten kleinere Endwinkel aufweisen
als auf mittlerer Höhe,
können
eindeutig Strömungsauftreffprobleme
auf die nachfolgende Rotorlaufschaufelreihe erzeugen, weshalb es
erforderlich ist, ähnliche
Controlled-Flow-Prinzipien auf die Rotorschaufeltragflächen anzuwenden.
Somit ist 9 eine Perspektivansicht ähnlich 8,
aber von einer Hochdruckturbinenrotorlaufschaufeltragfläche 90,
die axial neben und unmittelbar hinter der Leitschaufeltragfläche von 8 angeordnet ist,
das heißt,
die Laufschaufeltragfläche 90 umfaßt zusammen
mit der Leitschaufeltragfläche 41 die
erste Stufe einer Gasturbine. Ähnlich
wie die Leitschaufeltragfläche 41 weist
die Laufschaufeltragfläche 90 eine
in der radialen Richtung orientierte gerade Hinterkante 91 auf.
Wieder unter Bezugnahme auf Ebene 95, die radial zur Turbine
und quer zur Rotationsachse der Turbine verläuft, ist die Druckoberfläche 92 zwischen
dem Plattformgebiet 93 und dem Spitzengebiet 94 konvex
und die Unterdruckoberfläche 96 ist
konkav. Wie zuvor werden die spannenweise konvexe und konkave Form
der Druck- bzw. Unterdruckoberfläche
durch eine Drehverschiebung der Tragflächenabschnitte 97 um
die Hinterkante 91 erreicht. Mit Hilfe der radial konvexen
und konkaven Formen der Druck- und Unterdruckoberflächen 92 und 96 wird
zudem die Laufschaufeltragfläche 90 insgesamt
sowohl in den Spitzen- als auch Plattformgebieten in die Position
einer „geschlossenen
Verengung" verzogen,
wobei ihre Endwinkel wieder in den Plattform- und Spitzengebieten
kleiner sind als auf mittlerer Höhe.
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Trotz
dieser Ähnlichkeiten
weist die Rotorlaufschaufeltragfläche 90 ein etwas anderes
Erscheinungsbild auf als die Düsenleitschaufeltragfläche 41,
und insbesondere weist die Vorderkante 98 der Laufschaufeltragfläche 90 ein
anderes Erscheinungsbild auf als die Vorderkante 44 der
Leitschaufeltragfläche 41.
Im Gegensatz zu der Leitschaufeltragfläche 41 verjüngt sich
die Laufschaufeltragfläche 90 von
der Plattform zur Spitze, das heißt, ihre axiale Breite und
somit ihre Profilsehnenlänge
reduziert sich über
die radiale Höhe
der Tragfläche
von einem Maximum beim Plattformgebiet 93 zu einem Minimum
am Spitzengebiet 94. Eine derartige Verjüngung der
Laufschaufeltragfläche
in der radialen Richtung soll die zentrifugal induzierten Beanspruchungen
reduzieren, die im Plattformgebiet und in den Fußbefestigungen der Laufschaufel
beim Betrieb der Gasturbine entstehen, weil die Masse des radial äußeren Abschnitts
der Laufschaufeltragfläche
reduziert ist. Da die Tragfläche
eine radial orientierte gerade Hinterkante 91 aufweist,
bedeutet eine Reduzierung ihrer axialen Breite mit der radialen
Entfernung vom Plattformgebiet, daß ihre Vorderkante 98 in
der axialen Richtung eine Rückwärtsneigung
aufweist, und dies ist in 9 gezeigt.
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Man
beachte, daß,
falls dies für
die Reduzierung von exzentrischen Biegebeanspruchungen nötig ist, die
während
der Rotation der Laufschaufel erzeugt werden, die radial konvexen
und konkaven Druck- bzw. Unterdruckoberflächen der Laufschaufeltragfläche alternativ
dadurch erreicht werden können,
daß die
Tragflächenabschnitte
um eine radiale Linie gedreht werden, die nicht durch die Hinterkante
verläuft – zum Beispiel eine
Linie durch den Schwerpunkt der theoretischen prismenförmigen Tragfläche. Dies
würde zu
einer gekrümmten
Hinterkante führen.
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Hinsichtlich
der Leitschaufeltragflächenanstellwinkel
und somit der Endwinkel zeigt 7 entsprechende
elementare Abschnitte von zwei benachbarten Leitschaufeltragflächen, um
den Endwinkel α zu
veranschaulichen, wobei T die Verengungsabmessung und P die Laufschaufelteilung
ist. In der Regel sind Leitschaufeltragflächen mit Anstellwinkeln (relativ
zur axialen Richtung) ausgelegt, die zu größeren Endwinkeln im Spitzengebiet
als im Plattformgebiet führen.
Es hat sich jedoch bei der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft herausgestellt,
Leitschaufeltragflächenplattform- und -spitzenendwinkel
mit im wesentlichen dem gleichen Wert zu haben. Es überrascht
außerdem,
daß diese
Endwinkel, die nicht über
etwa 10 Grad und bevorzugt im Bereich 8–10 Grad liegen, kleiner sind,
als dies bei bekannten Gasturbinen vorgeschlagen wird. Analog liegt der
Endwinkel in einem auf mittlerer Höhe liegenden Gebiet für eine Leitschaufeltragfläche gemäß der Erfindung
im Bereich 13–16
Grad oder etwa 14 Grad, und das ist weniger, als für „Controlled
Flow"-Designs in
einem Gasturbinenmotor erwartet würde. Diese Schwankungen beim
Endwinkel α über die
radiale Höhe
der Tragfläche
ist aus der Perspektive von 8 nicht
ohne weiteres ersichtlich, ist aber unter Bezugnahme auf 4 leicht
zu erkennen.
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Wie
erwähnt
arbeiten Leitschaufeln und Laufschaufelreihen als ein Stufenpaar
zusammen. Deshalb müssen
unter anderem Leitschaufel- und Laufschaufeltragflächenwinkel
bezüglich
bester Effizienz aufeinander angepaßt sein. Es hat sich herausgestellt,
daß folgendes
geeignete Endwinkel für
Laufschaufeltragflächen in
einer Turbinenstufe gemäß der Erfindung
sind:
Laufschaufeltragflächenplattform
und -spitze;
α im
Bereich 14–17°, bevorzugt α ≈ 16°
Laufschaufeltragfläche auf
mittlerer Höhe;
α im Bereich
18–21°, bevorzugt α ≈ 19°
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Bei
dem Designprozeß für Controlled-Flow-Leitschaufel-
und -laufschaufelprofile werden erstens die Leitschaufeln und zweitens
die Laufschaufeln jeweils getrennt, dann schließlich zusammen als ein entsprechendes
Paar betrachtet, damit man die beste Gesamtleistung der Stufe erreicht.
Sie werden üblicherweise über einen
iterativen Prozeß mit
Eingaben von physikalisch oder mathematisch definierten Designrichtlinien und
intuitiver Erfahrung entworfen, die alle beeinträchtigt werden durch Anforderungen
nach angemessener Tragflächenfestigkeit,
Vibrationseigenschaft, Unterbringung von internen Kühlkanälen usw.
Bei der vorliegenden Erfindung stellt die reduzierte Profilsehnenlänge auf
mittlerer Höhe
eine weitere Komplikation dar, die das Detail von Profilformen beeinflußt. In der
Praxis wird jeder Gasturbinenmotorhersteller im allgemeinen seine eigenen
Designregeln besitzen und sich mit Profilformen innerhalb dieser
Regeln zufriedengeben. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist
es, daß eine
besonders effektive Menge von Tragflächenabschnittsprofilen (von
Plattform bis Spitze) dadurch erzielt wird, daß man sich an X-Y-Koordinaten
innerhalb bestimmter Abmessungsgrenzen bei der Schwankung von X
und Y hält,
wie unten in den Tabellen 1 bis 3 (für Leitschaufeltragflächenplattformgebiet,
mittlere Höhe
bzw. Spitzengebiet) und Tabellen 4 bis 6 (für Laufschaufeltragflächenplattform,
mittlere Höhe
bzw. Spitze) festgelegt. Die oben erwähnten Abmessungsgrenzen hinsichtlich
der Schwankung betragen plus oder minus 5% der Sehnenprofillänge, zum
Beispiel können
bei einer Sehne von 30 mmm die X- und Y-Abmessungen um plus oder
minus 1,5 mm variieren.
-
Zu
Skalierzwecken können
die X-Y-Koordinaten der Tabellen 1 bis 6 mit einer vorbestimmten
Zahl oder mit einem vorbestimmten Skalierfaktor multipliziert werden,
damit man von entweder größeren oder
kleineren Leitschaufeln und Laufschaufeln eine ähnliche aerodynamische Leistung
erreicht. Dem Fachmann ist bekannt, daß eine einfache lineare Skalierung
von Leitschaufeln und Laufschaufeln keiner ähnlichen linearen Skalierung
beispielsweise der Motorleistung entspricht (die im Vergleich zum
Quadrat skalieren würde).
Dennoch können
die in den Tabellen beschriebenen Tragflächenabschnittsprofilformen
und -winkel bei entsprechender Skalierung für jede Größe von Gasturbinenmotoren verwendet
werden. Es sei weiterhin angemerkt, daß die Erfindung nicht auf die
speziellen, in den Tabellen beschriebenen Tragflächenabschnittsprofilformen
und -winkel beschränkt
ist. Tabelle
1 – Leitschaufelplattform
Tabelle
1 – Leitschaufelplattform
(Fortsetzung)
Tabelle
2 – Leitschaufel
auf mittlerer Höhe
Tabelle
2 – Leitschaufel
auf mittlerer Höhe
(Fortsetzung)
Tabelle
3 – Leitschaufelspitze
Tabelle
3 – Leitschaufelspitze
(Fortsetzung)
Tabelle
4 – Laufschaufelplattform
Tabelle
4 – Laufschaufelplattform
(Fortsetzung)
Tabelle
5 – Laufschaufel
auf mittlerer Höhe
Tabelle
5 – Laufschaufel
auf mittlerer Höhe
(Fortsetzung)
Tabelle
6 – Laufschaufelspitze
Tabelle
6 – Laufschaufelspitze
(Fortsetzung)
Tabelle 2 – Leitschaufel auf mittlerer Höhe
Tabelle 2 – Leitschaufel auf mittlerer Höhe (Fortsetzung)
Tabelle 3 – Leitschaufelspitze
Tabelle 3 – Leitschaufelspitze (Fortsetzung)
Tabelle 4 – Laufschaufelplattform
Tabelle 4 – Laufschaufelplattform (Fortsetzung)
Tabelle 5 – Laufschaufel auf mittlerer Höhe
Tabelle 5 – Laufschaufel auf mittlerer Höhe (Fortsetzung)
Tabelle 6 – Laufschaufelspitze
Tabelle 6 – Laufschaufelspitze (Fortsetzung)
