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Turbinenmaschinen,
beispielsweise Gasturbinenmaschinen, haben ein oder mehrere Turbinenmodule,
von denen jedes eine Mehrzahl von Laufschaufeln und Leitschaufeln
zum Austauschen von Energie mit dem Arbeitsmediumsfluid aufweist.
Manche der Leitschaufeln können
fest sein und andere können variabel,
d. h. zwischen Positionen in der Gasturbinenmaschine drehbar, sein.
Eine typische Leitschaufel aus dem Stand der Technik ist in der 7 gezeigt und
weist generell einen Zapfenbereich (a) und einen Strömungsprofilbereich
(b) auf. Der Strömungsprofilbereich
weist eine Vorderkante (d) und eine Hinterkante (e) auf. Der Zapfenbereich
(a) hat einen vergrößerten Aufweitungsbereich
(f) in der Nähe
einer Übergangszone
(g) zwischen dem Zapfen und dem Strömungsprofil. Bei Betrieb ist
die variable Leitschaufel drehbar um eine Achse (c) angebracht,
um so die Position der Vorderkante des Strömungsprofils wie gewünscht zu
positionieren. Generell wird die variable Leitschaufel um einen
Winkel von etwa 40° gedreht.
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Andere
Beispiele von Leitschaufeln des Stands der Technik sind in
GB-A-2
278 647 ,
EP-A-965
727 und
GB-A-2
151 309 beschrieben.
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Weil
die Leitschaufeln einer Gasturbinenmaschine in einer feindlichen
Umgebung arbeiten, sind sie signifikanten Belastungen, sowohl Dauerbelastungen
als auch Schwingungsbelastungen, ausgesetzt. Die Konstruktion von
variablen Leitschaufeln des Stands der Technik ist derart, dass
die Übergangszone
(g) von dem Zapfenbereich (einem steifen Abschnitt der variablen
Leitschaufel) zu dem Strömungsprofilbereich
der Leitschaufel (einem flexiblen Abschnitt der variablen Leitschaufel)
hohen Belastungen ausgesetzt ist, die zu einem Versagen der Leitschaufel
an dem Übergangsbereich
und einer anschließenden
katastrophalen Beschädigung
der Gasturbinenmaschine führen
können.
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Natürlich wäre es höchst wünschenswert, eine
Leitschaufelkonfiguration bereitzustellen, welche die Belastung
in der Übergangszone
zwischen dem steifen Bereich (dem Zapfen) und dem flexiblen Bereich
(dem Strömungsprofil)
verringert, und eine im Wesentlichen glatte und kontinuierliche
Verringerung der Belastung an der Übergangszone von dem Zapfenbereich
zu dem Strömungsbereich
zu schaffen.
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Folglich
ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, zumindest in ihren
bevorzugten Ausführungsformen,
eine Leitschaufel bereitzustellen, welche verringerte Belastung
an der Übergangszone zwischen
dem steifen Abschnitt (Zapfen) der variablen Leitschaufel und dem
flexiblen Abschnitt (Strömungsprofil)
der Leitschaufel hat.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, zumindest in den
bevorzugten Ausführungsformen,
in der Übergangszone
einer variablen Leitschaufel eine glatte und allmähliche Verringerung
der Belastung von dem steifen (Zapfen-)Bereich zu dem flexiblen
(Strömungsprofil-)Bereich
der variablen Leitschaufel zu schaffen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, zumindest in den
bevorzugten Ausführungsformen,
eine variable Leitschaufel bereitzustellen, die für Gasturbinenmaschinen
nützlich
ist und gegossen werden kann.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Leitschaufel gemäß Anspruch
1 bereitgestellt. Somit ist eine Leitschaufel mit einem belastungsverringernden
Einschnitt an dem steifen Bereich (Zapfenbereich) der Leitschaufel
nahe der Übergangszone
zwischen dem steifen Bereich und dem flexiblen Bereich (Strömungsprofilbereich)
der Leitschaufel versehen. Der Einschnitt verringert Belastung in
dem Bereich der Übergangszone
zwischen dem steifen und dem flexiblen Bereich der Leitschaufel.
Die tatsächliche
Leitschaufelkonstruktion wird durch die Funktion der Leitschaufel
in der Maschine bestimmt. Folglich ist die Geometrie des belastungsverringernden
Einschnitts derart, dass die Belastungsverringerung in der Übergangszone
für irgendeine
spezielle Leitschaufelkonstruktion und -funktion in einer Gasturbinenmaschine
optimiert ist. Folglich sind die Breite, der Krümmungsradius, die Tiefe, die
Positionierung von der Übergangszone
und die Seitenwandwinkel des belastungsverringernden Einschnitts
parametermäßig eingestellt,
um Belastung an der Übergangszone
zwischen dem steifen Abschnitt und dem flexiblen Abschnitt der Leitschaufel
zu minimieren. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine Mehrzahl von belastungsverringernden Einschnitten
an dem steifen Abschnitt der Leitschaufel in der Nähe der Übergangszone
vorgesehen sein, die durch den Anschlussbereich des steifen Abschnitts
und des flexiblen Abschnitts definiert ist. Wenn die Leitschaufel
mit Zapfenbereichen an beiden Seiten des Strömungsprofils versehen ist,
können
belastungsverringernde Einschnitte an einem oder an beiden Zapfenbereichen
der Leitschaufel in einem Bereich in der Nähe der jeweiligen Übergangszone
zwischen den Zapfenbereichen und dem Strömungsprofil vorgesehen sein.
Außerdem
kann ein oder es können
mehrere vergrößerte Bereiche
(Aufweitungen) an einem oder mehreren der Zapfen in der Nähe der Übergangszonen
vorgesehen sein zum Aufnehmen der Einschnitte.
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Die
Konstruktion der Leitschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung
bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Zum Einen verringert das Vorsehen
der belastungsverringernden Einschnitte, welche eine glatte und
kontinuierliche Verringerung der Belastung an den Übergangszonen
der Leitschaufel erlauben, erheblich das Erfordernis von verdickten
Strömungsprofilen,
die typischerweise verwendet werden, um die Belastungen an den Übergangszonen
zu verringern. Deshalb gibt es eine Gewichtseinsparung bei der Leitschaufelkonstruktion.
Als Zweites erlaubt es die Konstruktion, dass die Leitschaufel gegossen
und nicht geschmiedet wird, wie das momentan der Fall ist, was zu
substanziellen Kosteneinsparungen bei der Herstellung führt.
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Einige
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine Perspektive einer Leitschaufelkonstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine Teil-Draufsicht der Leitschaufelkonstruktion von 1.
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3 ist
eine Teil-Draufsicht einer zweiten Ausführungsform einer Leitschaufelkonstruktion
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer Leitschaufelkonstruktion, die
außerhalb
des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt.
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5 ist
eine Teil-Draufsicht der Leitschaufelkonstruktion von 4.
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6 ist
eine vergrößerte Ansicht
des belastungsverringernden Einschnitts gemäß der Erfindung.
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7 illustriert
eine im Stand der Technik bekannte Leitschaufelkonstruktion.
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Die
Leitschaufelkonstruktion von 1 ist eine
Verbesserung gegenüber
der Leitschaufelkonstruktion des Stands der Technik, die in der 7 gezeigt
ist. Die Leitschaufel 10 von 1 weist einen Zapfenbereich 12 und
einen Strömungsprofilbereich 14 auf.
Der Strömungsprofilbereich 14 hat
eine Vorderkante 16 und eine Hinterkante 18. Der
Zapfenbereich weist zusätzlich
einen vergrößerten Aufweitungsbereich 20 an
einer oder beiden Seiten des Strömungsprofils 14 in
der Nähe
der Übergangszonen 22 zwischen
dem Zapfenbereich und dem Strömungsprofilbereich
auf.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der Zapfenbereich 12 mit mindestens einem
belastungsverringernden Einschnitt 24 an dem Zapfenbereich
in der Nähe
mindestens einer der Übergangszonen 22 versehen.
Es hat sich herausgestellt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung
durch das Vorsehen eines belastungsverringernden Einschnitts in
der Nähe einer Übergangszone
eine im Wesentlichen glatte und kontinuierliche Belastungsreduktion über die Übergangszone
von dem Zapfenbereich der Leitschaufel zu dem Strömungsprofilbereich
der Leitschaufel realisiert wird. Die Geometrie des belastungsverringernden
Einschnitts ist derart, dass die Belastungsreduktion in einer im
Wesentlichen glatten und kontinuierlichen Weise in der Übergangszone
für eine
spezielle Leitschaufelkonstruktion und -funktion in einer Gasturbinenmaschine
optimiert ist. Folglich sind mit Bezugnahme auf die 6 die
Breite w, der Krümmungsradius
von der Seitenwand zu der Bodenwand r1 und
der von der Bodenwand r2, die Tiefe d, die
Positionierung I relativ zu den Übergangszonen und
die Seitenwandwinkel α des
belastungsverringernden Einschnitts parametermäßig eingestellt, um Belastung
an der Übergangszone
zwischen dem steifen Abschnitt (dem Zapfenbereich) und dem flexiblen
Abschnitt (dem Strömungsprofilbereich)
der Leitschaufel zu minimieren. Es ist wichtig, dass die Bodenwand
des belastungsverringernden Einschnitts einen Krümmungsradius r2 hat
und dass der Übergang
von den Seitenwänden
des Einschnitts zu der Bodenwand auch einen Krümmungsradius r1 zeigt.
Ein spitzer Winkel von den Seitenwänden zu der Bodenwand der Einschnitts-Nut
wür de zu
Spannungs- bzw. Belastungskonzentrationen führen, was unerwünscht wäre. Die
Seitenwände
des Einschnitts können
im Wesentlichen parallel sein oder sie können divergieren, um einen
Winkel zu bilden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie sie in 3 gezeigt
ist, kann eine Mehrzahl von belastungsverringernden Einschnitten 24, 24' abhängig von
der die Leitschaufel definierenden Funktion erforderlich sein, um
eine im Wesentlichen glatte und kontinuierliche Reduktion der Belastung
an der Übergangszone
zu schaffen. Wie man in 3 erkennen kann, hat man herausgefunden,
dass, wenn eine Mehrzahl von belastungsverringernden Einschnitten
einander benachbart vorgesehen ist, die Einschnitte vorzugsweise
unterschiedliche Tiefen haben und in der Art einer Serie an den
Zapfenbereich angeordnet sind, wobei der erste Einschnitt 24' eine größere Tiefe
hat als der zweite Einschnitt 24, der zwischen dem zweiten
Einschnitt 24 und der Übergangszone 22,
wie in 3 gezeigt, positioniert ist. Die Anordnung der
Mehrzahl von belastungsverringernden Einschnitten wie in 3 gezeigt,
ist effektiv für
manche Leitschaufelkonstruktionsgeometrien. Wieder sind, abhängig von
der speziellen Leitschaufelkonstruktion und -funktion in einer Turbomaschine,
die Anzahl von belastungsverringernden Einschnitten und deren Geometrien,
hinsichtlich Radius, Tiefen, Positionierungen und Seitenwandwinkeln
derart, dass Belastung an den Übergangszonen 22 minimiert
ist. Obwohl das nicht gezeigt ist, sollte man erkennen, dass belastungsverringernde
Einschnitte an beiden Seiten des in den 1 bis 3 gezeigten
Strömungsprofils
in der Nähe
der jeweiligen Übergangszonen
vorgesehen sein können.
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4 und 5 zeigen
eine Leitschaufelkonstruktion, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung liegt. Wie man aus den 4 und 5 erkennen
kann, ist ein belastungsverringernder Einschnitt 44 an
dem Zapfenbereich 42 in der Nähe der Übergangszone 48 zwischen
dem Zapfenbereich 42 und dem Strömungsprofilbereich 46 der Leitschaufel 40 vorgesehen.
Die Leitschaufelkonstruktion der 4 und 5 weist
keinen vergrößerten Aufweitungsbereich,
wie in den 1 bis 3 gezeigt,
auf.
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Obwohl
die Positionierung der Einschnittsnut hinsichtlich ihres Abstands
von der Übergangszone, wie
vorangehend angemerkt, basierend auf der speziellen Leitschaufelkonstruktion
und -funktion der Leitschaufel in einer Turbinenmaschinen variieren kann,
ist es wichtig, dass der belastungsverringernde Einschnitt an dem
Zapfenbereich an einer Position mit Abstand von der Vorderkante
des Strömungsprofils
positioniert ist und bemessen ist, um sicherzustellen, dass der
belastungsverringernde Einschnitt nicht der Luft ausgesetzt ist,
die über
das Strömungsprofil strömt, wenn
die variable Leitschaufel um die Betriebswinkel von zwischen 30
und 50° gedreht
wird. Das Vorangehende ist wichtig, um so einen korrekten Betrieb
der Leitschaufeln sicherzustellen, indem man einen Vorzugsweg der
Luftströmung
von der Vorderkante durch den belastungsverringernden Einschnitt vermeidet.
Folglich ist der belastungsverringernde Einschnitt näher an der
Hinterkante des Strömungsprofils
als an der Vorderkante des Zapfenbereichs vorgesehen.
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Die
Konstruktion der Leitschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung
bietet eine Anzahl von Vorteilen. Zum Einen verringert das Vorsehen
eines belastungsverringernden Einschnitts, der eine glatte und kontinuierliche
Verringerung der Belastung über
die Übergangszone
der Leitschaufel zwischen dem Zapfenbereich und dem Strömungsprofilbereich
erlaubt, erheblich das Bedürfnis
nach dickeren Strömungsprofilen,
die typischerweise bei der Leitschaufelkonstruktion des Stands der
Technik verwendet wird, um die Belastungen an den Übergangszonen
zu verringern. Folglich ist die Lebensdauer der Leitschaufel deutlich
erhöht,
und die Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Versagens ist verringert.
Durch das Vermeiden eines dickeren Strömungsprofils kommt es zu einer
Einsparung beim Gesamtgewicht bei der Leitschaufelkonstruktion der
vorliegenden Erfindung, was wünschenswert
ist. Als Zweites erlaubt die Leitschaufelkonstruktion der vorliegenden
Erfindung, dass die Leitschaufel gegossen und nicht geschmiedet
ist, was momentan bei dem Stand der Technik erforderlich ist. Die
Gussstücke
sind bei Weitem weniger kostspielig als die Schmiedestücke, und
folglich werden substanzielle Kosteneinsparungen beim Herstellen
der Leitschaufel realisiert.
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Man
sollte verstehen, dass die Erfindung nicht auf die hier gezeigten
und beschriebenen Darstellungen begrenzt ist, die lediglich als
illustrativ für die
besten Arten zum Ausführen
der Erfindung angenommen sind und die empfänglich sind für Modifikationen
in Form, Größe und Anordnung
der Teile und Details des Betriebs. Die Erfindung soll stattdessen alle
derartigen Modifikationen mit einschließen, die in dem Umfang, wie
er durch die Ansprüche
definiert ist, sind.