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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Axialturbinen und insbesondere aerodynamische
Designaspekte von solchen Turbinen für verbesserte Effizienz. Die
Erfindung betrifft insbesondere die Flügelprofil-, Düsen- und Abgaskanalgestalt
und -konfiguration.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Axialgasturbinenmotoren
umfassen beispielsweise normalerweise einen Kompressor, eine Verbrennungssektion
und eine Turbinensektion. Zu diesen kommen Ansaug- und Abgassysteme
hinzu. Luft aus der Atmosphäre
wird durch das Ansaugsystem in den Kompressor gezogen und dann unter
hohem Druck in den Verbrennungsabschnitt weitergeleitet, wo es mit
Treibstoff gemischt und die Mischung gezündet wird, um ein Arbeitsfluid
in Form eines unter Druck stehenden heißen Gases zu erzeugen. Dies
geht weiter zum Turbinenabschnitt, wo seine Energie von den Turbinenschaufeln
in Nutzarbeit umgewandelt wird. Die Temperatur und der Druck des
Arbeitsgases ist nun erheblich herabgesetzt, und es wird von dem
Abgassystem in die Atmosphäre
ausgetragen.
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Die
Turbinensektion besteht aus Rotorschaufeln und Leitschaufeln. Zur
Unterscheidung zwischen den beiden werden, sofern der Kontext nicht
etwas anderes vorgibt, die Rotorschaufeln [rotor blades] als "Blätter" [blades] und die
Leitschaufeln als "Schaufeln" [vanes] bezeichnet.
Die Blätter
und Schaufeln bilden eine Reihe von axial aufeinanderfolgenden Ringreihen.
Jedes Blatt ist über
einen als Fuß bekannten
Abschnitt an einer Turbinenrotorscheibe oder -trommel angebracht.
Die Scheibe oder Trommel ist an einer Rotorwelle befestigt, deren
Mittellinie die Rotationsachse der Turbine definiert. Die Schaufeln
sind in der Regel an einem Innentrom mel- und/oder einem Außentrommelgehäuse fixiert,
und zwar derart, daß sie
mit den Rotorschaufeln abwechseln und gepaarte Reihen aus Schaufeln/Blättern bilden.
Jedes solche Paar von Reihen bildet, was als eine Turbinenstufe
bekannt ist, bei der auf die Schaufel in axialer Strömungsreihenfolge
das Blatt folgt. Eine Turbine kann eine oder mehrere Stufen umfassen,
und es ist üblich,
daß die
Turbine Hochdruck- und Niederdrucksektionen umfaßt, wobei jede Sektion eine
oder mehrere Stufen enthält.
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Die
Blätterreihen
extrahieren Energie aus dem Arbeitsfluid und transferieren es zu
dem Turbinenrotor, wohingegen die Schaufeln den Durchgang des Arbeitsfluids
glätten
und es unter einem optimalen Auslaßwinkel lenken, damit es unter
dem ausgelegten Winkel auf die rotierenden Blätter trifft. Auf diese Weise
wird ein Energietransfer so effizient wie möglich durchgeführt.
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Schaufeln
und Blätter
von Axialturbinen weisen ein Querschnittsprofil vom generischen
Flügelprofiltyp auf
und sind visuell einander sehr ähnlich,
ungeachtet von Maßstabsdifferenzen,
die üblicherweise
von der Motorengröße abhängen. Bei
Untersuchung stellt man jedoch fest, daß meßbare Unterschiede von Flügelprofilen vorliegen,
nicht nur zwischen Motoren unterschiedlicher Bauart und unterschiedlichen
Typs, sondern auch zwischen Turbinenstufen des gleichen Motors.
Zudem können
solche Unterschiede einen signifikanten Effekt auf die Turbineneffizienz
aufweisen. Analog gibt es Differenzen bei anderen Aspekten des Turbinenstufendesigns, die
alleine oder in Kombination ebenfalls einen Effekt haben. Kleine
Unterschiede bei solchen Designmerkmalen, die dem Laien möglicherweise
minimal oder unwichtig erscheinen, können tatsächlich einen signifikanten Effekt
auf die Leistung der Turbinenstufe haben. Turbinen arbeiten gegenwärtig mit
sehr hohen Effizienzwerten, von denen die besten im Gebiet von 90%
liegen. Bei diesem Effizienzniveau ist es sehr schwierig, Ver besserungen
vorzunehmen, so daß selbst
Verbesserungen von nur 1 oder 2% als signifikant angesehen werden.
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Die
vorliegende Erfindung verbessert teilweise die vorausgegangenen
Lehren hinsichtlich der Prinzipien der "kontrollierten Strömung" des Flügelprofildesigns durch den
Erfinder der vorliegenden Erfindung und andere. Siehe insbesondere
Patent
GB 2 295 860
B und
GB 2
359 341 B . Diese beiden Patente nach dem Stand der Technik
sollten gelesen werden, um die vorliegende Erfindung ausführlich zu
würdigen.
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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Bei
einer verbesserten Turbine gemäß der vorliegenden
Erfindung können
nun Effizienzen von bis zu 93% möglich
sein. Die Erfindung erleichtert auch ein Design, das kompakter ist,
wodurch seine Fußabdruckgröße reduziert
wird und möglicherweise
große
Einsparungen hinsichtlich Platz und deshalb Kosten erfolgen.
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Zur
Unterstützung
des Verständnisses
wird es nützlich
sein, in diesem Stadium einige Definitionen von Termen oder Ausdrücken aufzunehmen,
die in der folgenden Beschreibung verwendet werden.
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Bei
Axialturbinen ist der "Fuß" eines Blatts der
radial innere Teil, der an der Rotorstruktur angebracht ist, wohingegen
der radial äußere entgegengesetzte
Abschnitt die "Spitze" ist. Zum Zweck des
Beschreibens der vorliegenden Erfindung werden die radial inneren
Enden der Flügelprofile
sowohl der Schaufeln als auch der Blätter als die Fußsektionen
und die radial äußeren Enden
ihrer Flügelprofile
als die Spitzensektionen bezeichnet.
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Flügelquerschnittsprofile
werden unter Bezugnahme auf ein x,y-Koordinatensystem definiert,
wie in 7 der beilie genden Zeichnungen dargestellt, wobei "x" die axiale Koordinate bei Messung entlang
der Rotationsachse der Turbine ist und "y" die
tangentiale Koordinate bei Messung entlang der jeweiligen Bewegungsrichtung
der Rotorschaufel ist. Um das Volumen der hier integrierten Tabellen
zu reduzieren, werden Flügelquerschnittsprofile
numerisch in x,y-Koordinaten an nur drei radialen Stationen entlang
der radialen Koordinate "z" definiert, wobei
diese Profile an dem Flügelprofilfußende, der
mittleren Höhe
und dem Spitzenende sind. Profile zwischen diesen Stationen können jedoch
von dem Fachmann durch einen Prozeß der Interpolation und des
Glättens
ohne weiteres erhalten werden.
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Der
Ausdruck AN2 stellt das Produkt der Fläche A des
von den LP-Turbinenblätterflügelprofilen überstrichenen
Kreises am Auslaß der
Stufe multipliziert mit dem Quadrat der Drehzahl N der Blätter dar.
Die Ringfläche
selbst ist definiert als die Flächendifferenz
der Kreise, abgegrenzt durch die Innen- und Außenradien der Blätterflügelprofile.
Beispielhafte Zahlenwerte für
typische Turbinen nach dem Stand der Technik und eine gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellte Turbine werden in der entsprechenden Sektion
der folgenden Beschreibung angegeben.
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Die
Teilungsdimension einer Reihe von Blättern oder Schaufeln ist der
Umfangsabstand von einer Flügelprofilhinterkante
zu der benachbarten Flügelprofilhinterkante
in der gleichen Reihe bei einem spezifizierten radialen Abstand
von dem Fußende
des Flügelprofils.
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Die
axiale Breite (W) eines Flügelprofils
ist der axiale Abstand zwischen ihrer Vorder- und Hinterkante bei
Messung entlang der Rotationsachse der Turbine. Das Teilungs-Breiten-Verhältnis (P/W)
am Fußumkreis ist
ein wichtiger Parameter, der die Effizienz der Blätter- oder
Schaufelreihen, die Anzahl der Blätter oder Schaufeln (und deshalb
die Kosten) und die Umfangsbreite des Rotorscheibenpfostens beeinflußt (d.h., er
beeinflußt
die Rotorscheibenbeanspruchung). In diesem Zusammenhang sei angemerkt,
daß Gasturbinen üblicherweise
mit sehr hohen Drehzahlen arbeiten (beispielsweise 17.400 min–1).
Dies kann sehr hohe Zentrifugalkräfte erzeugen, die an den Rotorspitzen
110.000 G erreichen. Sowohl Blätter
als auch Schaufeln sind auch sehr hohen Temperaturen ausgesetzt.
Turbinen müssen
so ausgelegt sein, daß sie
die von diesen Einsatzbedingungen auferlegten Beanspruchungen aushalten.
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Das
Spitze-Nabe-Durchmesserverhältnis
ist ein Indikator der vergleichsweisen radialen Länge der Blätter im
Vergleich zu dem Gesamtdurchmesser der Turbine. Seine Signifikanz
liegt darin, daß es
den für
den Durchtritt des Arbeitsfluids zur Verfügung stehenden Ringbereich
darstellt.
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DE 925 867 beschreibt eine
Axialgasturbine, die einen Rotor und damit verbundene Turbinenblätter umfaßt, bei
der das Verhältnis
der radialen Länge
der Turbinenblätter
der letzten Reihe zu dem Durchmesser des Rotors über 0,2 liegt. Hinsichtlich
des Spitze-Nabe-Verhältnisses
wie oben definiert weisen diese Gasturbinenblätter ein Verhältnis von über 1,4
auf, wenn das doppelte der Länge
eines Blattes plus der Durchmesser des Rotors als der Durchmesser
der Spitze betrachtet wird und der Durchmesser des Rotors als der
Durchmesser der Nabe angesehen wird.
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Turbomaschineneffizienzen
vergleichen die tatsächlichen Änderungen
in dem Fluid zwischen Einlaß und
Austritt mit der theoretischen besten "umkehrbaren" Änderung.
Außerdem
können
am Austritt aus der letzten Stufe entweder Gesamt- oder statische
Bedingungen verwendet werden. Dies liefert entweder die "total-zu-total" oder "total-zu-statisch"-Effizienz. Die Differenz
ist die kinetische Austrittsenergie des Gases.
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Zusammen
mit neuen Flügelprofildesigns
enthält
eine Turbine gemäß der Erfindung
eine verbesserte Turbinendüsengestalt.
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Es
sei eine Gasturbine mit einer einzelnen Hochdruckstufe (HP) gefolgt
von einer Niederdrucksektion (LP) betrachtet, wobei die Niederdrucksektion
mehrere individuelle Stufen enthält.
Bekannte Arten der letzten LP-Stufe, die in ein Abgassystem austragen,
erzeugen im allgemeinen ein ungleichförmiges Austrittsenergie- und
Staudruckprofil, das für
die Gesamtleistung der letzten Stufe und der Austritte abträglich ist.
Es wäre
somit vorteilhaft, wenn die letzte LP-Stufe ein Staudruckprofil
in den Austritt erzeugen könnte,
das dem Ideal näher liegt,
wobei dieses Profil über
die Spanne so gut wie konstant ist und in Richtung der Spitze geringfügig zunimmt.
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Der
Austritt einer Gasturbine ist die Endstufe der Strömungswegexpansion
und ist für
das effiziente Austragen des verbrauchten Arbeitsfluids aus der
Turbine in die Atmosphäre
verantwortlich. Mit gegenwärtigen Turbinenabgasdesigns
wird eine Druckrückgewinnung
von 60% mit einem Austritt mit einem Verhältnis (L/H) von Länge (L)
zu letzter LP-Blatthöhe
(H) erzielt, die sich einer Zahl zwischen 9 und 10 annähert. In
diesem Kontext stellt "Länge" die axiale Länge des
Austritts von der Niederdruckendstufe zu der nachgeschalteten Endwand
der Turbine dar, wohingegen "Höhe" die radiale Höhe des letzten
Blattflügelprofils
in der Niederdruckstufe der Turbine darstellt. Wie bereits erwähnt ist
der Fußabdruck
einer Turbine ein Maß für die Kosten ihrer
Installation. Beispielsweise betragen gegenwärtige Kosten für eine Turbineninstallation
auf einer Plattform (etwa) 80.000£ pro Quadratmeter. Somit ist
es wünschenswert,
wenn ein kompaktes Design erzielt werden kann.
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Das
Design und die Konstruktionsmerkmale der verschiedenen Aspekte der
Erfindung und ihre Vorteile gegenüber bisherigen Turbinendesigns
wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Sektionen der Spezifikation
erläutert.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Die
Erfindung umfaßt
eine Axialgasturbine, die in axialer Aufeinanderfolge folgendes
umfaßt:
eine Turbine und eine Turbinenabgassektion, wobei die Turbine eine
Turbinendüse
umfaßt,
eine Niederdruckturbinenstufe enthaltend mit einer Ringreihe aus
Leitschaufeln gefolgt in axialer Aufeinanderfolge von einer Ringreihe von
Rotorschaufeln, wobei die Niederdruckturbinenstufe durch die folgenden
Parameter gekennzeichnet ist:
das Verhältnis (P/W) von Schaufelflügelprofilteilung
zu Schaufelflügelprofilaxialbreite
am Fußende
des Schaufelflügelprofils
liegt im Bereich von 1,0 bis 1,2;
das Verhältnis (P/W) von Blattflügelprofilteilung
zu Blattflügelprofilaxialbreite
am Fußende
des Blattflügelprofils liegt
im Bereich von 0,6;
das Verhältnis von Blattdurchmesser
an dem Spitzenende des Blattflügelprofils
zu Blattdurchmesser am Fußende
des Blattflügelprofils
(d.h. das Verhältnis
Blattspitze-Naben-Durchmesser)
liegt im Gebiet von 1,6-1,8 und
das Verhältnis (L/H) der axialen Länge der
Abgassektion zur Blattflügelprofilhöhe ist nicht
größer als
ein Wert im Gebiet von 4:1.
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Die
erwähnten
Parameter können
einem vorbestimmten Variationsausmaß von bis zu ±10%, vorzugsweise ±5%, unterworfen
sein.
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Bevorzugt
beträgt
das obige Verhältnis
(P/W) von Schaufelflügelprofilteilung
zu Schaufelflügelprofilaxialbreite
am Fußende
des Schaufelflügelprofils
etwa 1,21 und das obige Verhältnis
von Blattdurchmesser am Spitzenende des Blattflügelprofils zu Blattdurchmesser
am Fußende
des Blattflügelprofils
beträgt
etwa 1,72. Das Verhältnis
(L/H) der axialen Länge
der Abgassektion zur Blattflügelprofilhöhe beträgt etwa
3:1.
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Die
Schaufel- und Blattflügelquerschnittsprofile
der Turbinenstufe am Fuß,
in der mittleren Höhe
und an der Spitze können
wie gemäß Tabellen
1A bis 1C und Tabellen 2A bis 2C definiert sein, dem vorbestimmten Variationsniveau
unterworfen. Die in diesen Tabellen gelisteten Werte können durch
die Anwendung geeigneter Skalierfaktoren (an sich bekannt) skaliert
werden, um Turbinen zu erhalten, die mehr oder weniger Leistung liefern
können.
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Die
Konfiguration der Turbinendüse
kann wie hierin unter Bezugnahme auf Tabelle 3 und 3 definiert
sein; und die Abgassektionskonfiguration kann wie hierin durch Bezugnahme
auf Tabelle 4 und 6 definiert sein. Um Flügelprofilkonfigurationen
anzupassen, die von Tabellen 1A bis 2C skaliert worden sind, können Tabellen
3 und 4 verwendet werden, um die jeweiligen Gestalten der Turbinendüsen- und
Abgassektion zu definieren, wobei ihre tatsächlichen Abmessungen so eingestellt
werden, daß sie
gegebenenfalls den skalierten x-, y- und z-Werten der Schaufel- und Blattflügelprofile
entsprechen.
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Zum
Reduzieren von Gewicht können
die Blattflügelprofile
hohl sein. Bevorzugt verjüngen
sie sich so, daß sie
an ihren Spitzen eine geringere axiale Breite als an ihren Fußenden aufweisen.
Die Schaufelflügelprofile
sollten sich jedoch bevorzugt in der entgegengesetzten Richtung
verjüngen,
so daß sie
an ihren Spitzen eine größere axiale
Breite als an ihren Fußenden
aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
werden nun Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
graphische Darstellung des Teilungs-Fuß-Verhältnisses
für Rotorschaufelflügelprofilfußsektionen,
die einen Vorteil der Erfindung zeigt;
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2 eine
isometrische graphische 3D-Darstellung eines Rotorschaufelflügelprofils
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie unten in Tabellen 1A bis 1C spezifiziert;
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3 eine
schematische axiale Sektion durch den Strömungsweg einer HP- und LP-Turbine
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie unten in Tabelle 3 spezifiziert;
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4 eine
isometrische graphische 3D-Darstellung eines Leitschaufelflügelprofils
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie unten in Tabellen 2A bis 2C spezifiziert;
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5 eine
Darstellung von Vektorströmungswegen
in dem Abgassystem;
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6 eine
graphische Kurve s der Abgassektion von 5 und
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7 das
in Tabellen 1A bis 2C verwendete x-, y-Koordinatensystem zum Definieren von
Flügelquerschnittsprofilen.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung
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Der
Strömungsweg
einer beispielhaften Turbinendüse
gemäß der Erfindung
ist in 3 schematisch hinsichtlich einer Kurve axialer
(x) über
radialen (r) Koordinaten in Metern dargestellt. Der Strömungsweg
enthält
eine HP-Turbinenstufe, die eine Reihe von Düsenleitschaufel-(NGV – nozzle
guide vane)-Flügelprofilen V1
gefolgt von einer Reihe von Rotorschaufelflügelprofilen B1 umfaßt, und
eine LP-Turbinenstufe, die eine Reihe von Düsenleitschaufel-(NGV)-Flügelprofilen
V2 gefolgt von einer Reihe von Rotorschaufelflügelprofilen B2 umfaßt. Die
Leitschaufelflügelprofile
sind in durchgezogenen Linien gezeigt, und die Blattflügelprofile
sind gestrichelt gezeigt. Die Turbinengasströmung kommt von dem Brenner
an den HP-NGVs V1 an und wird von den LP-Rotorschaufeln B2 in die
Abgassektion der Gasturbine ausgetragen. Der Strömungsweg der Düse wird
von einem radial äußeren "Spitzenprofil" und einem radial
inneren "Nabenprofil" begrenzt. Gezeigt
sind auch innere und äußere quasi-orthogonale
Stationsidentifizierer 1 bis 15 an den Naben- und Spitzenprofilen,
die Stationen 1 bis 15 in Tabelle 3 entsprechen. Tabelle 3 spezifiziert
die Konfiguration der Turbinendüse
hinsichtlich x-, r-Koordinaten in Metern an der "Nabe" bzw. "Spitze".
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Die
folgende Beschreibung ist zweckmäßigerweise
in drei Teile unterteilt, die sich jeweils auf das LP-Turbinenblatt
B2, seine vorausgehende Düsenleitschaufel
V2 und das auf das Blatt B2 folgenden Abgassystem beziehen.
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Teil 1 – Turbinenblatt
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Um
die Effizienz zu erhöhen,
streben Turbinenkonstrukteure das Erreichen eines statischen Drucks am
Blattaustritt an, der so niedrig wir möglich ist. Erreicht wird dies,
wenn die Austrittsgeschwindigkeit des Arbeitsfluids ebenso verringert
wird. Die Austrittsenergie des Arbeitsfluids ist proportional zum
Quadrat der Fluidgeschwindigkeit. Durch die vorliegende Erfindung
kann die Austrittsenergie im Vergleich zu bekannten Turbinen bis
zu 50% weniger betragen. Die gesamte Total-zu-Total-Effizienz der Turbine liegt im
Bereich von 93%. Die gesamte Total-zu-Statisch-Effizienz der letzten
LP-Stufe und des letzten LP-Austritts liegt 5% höher als bei gegenwärtigen Auslegungen.
Dies ist für
die Kraftstoffverbrennung des Motors von großer Bedeutung.
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Wie
oben erwähnt
sollte für
eine maximale Effizienz das LP-Rotorblatt
ein Staudruckprofil in das Abgassystem erzeugen, das über die
Spannweite im wesentlichen konstant ist, aber in Richtung der Spitze
geringfügig
zunimmt. Das Staudruckprofil hängt
natürlich
von der Gasauslaßgeschwindigkeitswinkelverteilung ab,
und mit der vorliegenden Erfindung erhält man eine gleichmäßigere Verteilung
als Designs nach dem Stand der Technik.
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Mit
der vorliegenden Erfindung erzielt man verbesserte Arbeitsparameter.
Beispielsweise kann das Verhältnis
(P/W) Teilung/Fußaxialbreite
auf einen Wert erhöht
werden, der 0,6 na he kommt, wohingegen bekannte Designs Werte im
Bereich 0,4 bis 0,45 (für
ummantelte Turbinenblätter)
aufweisen. Der Vergleich ist in dem Leistungsvergleichsdiagramm
in 1 gezeigt, wo ein ummanteltes Turbinenblatt gemäß der Erfindung ein
besseres P/W-Verhältnis
als ein nichtummanteltes Turbinenblatt nach dem Stand der Technik
aufweist. Analog kann das Verhältnis
Spitze-Naben-Durchmesser nun Werte im Gebiet von 1,6 bis 1,8 (bevorzugt
1,72) im Vergleich zu vorausgegangenen Designs erreichen, wo das
Verhältnis
nur etwa 1,4 erreichte.
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Ein
signifikanter Vorteil der größeren Blattlänge, gemessen
in der radialen Richtung, liegt darin, daß der Ringbereich entsprechend
vergrößert werden
kann. Dieser Vorteil weist einen Folgeeffekt auf den Parameter AN2 auf. Dieser lag zuvor im Bereich 45 bis
50 × 1012 mm2 min–2,
zumindest hinsichtlich Turbinen, die ohne übermäßige Abkühlung an dem Fuß zuverlässig arbeiteten,
wodurch die Motorleistung gesenkt wurde. Im Gegensatz dazu kann
man mit Turbinen gemäß der vorliegenden
Erfindung nun AN2-Werte im Bereich von 60-63 × 1012 mm2 min–2 erreichen.
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Die
Spitzen von ummantelten Turbinenrotorblättern sind miteinander verbunden,
um ein Leck über
die Spitzen hinweg und Blattschwingungen zu reduzieren. Die vorliegende
Erfindung ermöglicht,
daß die
Vorteile von hohen P/W- und Spitze-Nabe-Verhältnissen
selbst mit ummantelten Blättern
erzielt werden. Außerdem kann
die Anzahl der Blätter
beispielsweise auf 53 im Vergleich zu bekannten gleichwertigen Designs,
die 71 Blätter
oder mehr verwenden, reduziert werden. Jedes Blatt weist bevorzugt
einen Fuß mit
zwei oder drei Keulen auf. Ein zufälliger Vorteil liegt darin,
daß die
geringere Anzahl an Blättern
bedeutet, daß zwischen
benachbarten Blättern
in einer Reihe eine direkte Blicklinie vorliegt. Die Signifikanz
davon ist, daß Oberflächenmontageschleifen
in einer einzelnen Operation ausgeführt werden können, statt
daß man
sich dem Blatt von einer oder der anderen Seite nähern muß. Dies
hat den doppel ten Vorteil, die Herstellung zu vereinfachen und Herstellungskosten
zu reduzieren.
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Ein
weiteres Mittel zum Reduzieren des Blattgewichts und der Zentrifugalbeanspruchung
auf die Blattfüße besteht
darin, daß LP-Rotorblatt
hohl auszuführen.
Dies würde
ermöglichen,
eine weitere Erhöhung
von AN2 über
das Niveau von 63 × 1012 mm2 min–2 zu
erzielen. Die Dicke der Wände
des Flügelprofils
kann verjüngt sein,
mit reduzierter Dicke von dem Fuße der Spitze, um die Zentrifugalbeanspruchung
zu tragen.
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Eine
bestimmte Implementierung eines Turbinenblatts gemäß der Erfindung
ist in Tabellen 1A bis 1C im Hinblick auf drei Sätze von x-, y-Koordinaten definiert,
die Sektionen durch das Flügelprofil
in der (radialen) z-Richtung an aufeinanderfolgenden Stationen an
seinem Fußende,
auf mittlerer Höhe
bzw. an der Spitze spezifizieren. Eine isometrische graphische 3D-Ansicht
des ganzen Blatts ist in 2 gezeigt.
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Die
Rotorsektionen können
auf einer radialen Linie durch die Schwerpunkte jeder Sektion "gestapelt" sein, doch sind
die Sektionen vorteilhafterweise geringfügig verschoben, um
- (a) die Gasbiegebeanspruchung auszubalancieren und
- (b) die Zentrifugalbeanspruchungen in dem Blatt auf ein Minimum
zu reduzieren.
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Teil 2 – LP-Turbinendüsenleitschaufel
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Auf
die gleiche Weise wie für
die Blattflügelprofile
ist 4 eine graphische 3D-Darstellung einer isometrischen
Ansicht eines Beispiels eines LP-NGV-Flügelprofils gemäß der Erfindung.
Seine Profile an seinem Fuß,
auf halber Höhe
und auf der Spitze sind wie in Tabellen 2A bis 2C am Ende dieser
Spezifikation definiert.
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Zu
verallgemeinerten Merkmalen der Schaufelkonstruktion und -anordnung
zählen
die folgenden.
- (a) Verjüngen des Flügelprofils, um die strömungsmäßige Strömung über sein
Spitzenendprofil zu kontrollieren. Erreicht wird dies bevorzugt
durch Vergrößern der
axialen Breite des Flügelprofils
von dem Fuß in Richtung
der Spitze. Ein Beispiel dafür
ist schematisch in 3 gezeigt und ist rigoroser
durch die Koordinatenwerte in Tabelle 3 definiert. Aus 3 ist
leicht zu sehen, daß in
der axial-radialen (x,r) Meridianalebene die Vorder- und Hinterkante
der Schaufel V2 in der x-Richtung jeweils nach vorne und nach hinten lehnen,
wodurch die erforderliche Verjüngung
erzeugt wird.
- (b) In zylindrischen Polarkoordinaten (r, θ) gemessen liegt eine positive
Neigung der Vorderkante der Schaufel vor, so daß ein Vektor normal zu der
Druckoberfläche
der Schaufel eine radial gerichtete Komponente aufweist. Dies setzt
die Stufenfußreaktion
herauf und senkt dabei die Machsche Zahl am Schaufelflügelprofilauslaß am Fuß und erhöht sie an
der Spitze. Bei dem in 3 und 4 dargestellten
und in Tabellen 2A bis 2C definierten Beispiel beträgt der Hinterkantenneigungswinkel
+10 Grad.
- (c) Der Aufweitungswinkel Φ der äußeren Ringwand
an der Schaufelflügelprofilspitze
liegt innerhalb des Bereichs von 25 Grad bis 35 Grad und bevorzugt
bei etwa 30 Grad. Wie in 3 dargestellt wird der Aufweitungswinkel Φ in der
axial-radialen (x, r) Meridianalebene gemessen und ist der Gegenwinkel
zwischen der äußeren Wand
(Spitzenprofil) des Gasrings und der Axialrichtung x.
- (d) Das Verhältnis
(P/W) der Teilung (Abstand Schaufel zu Schaufel) zu der axialen
Breite des Flügelprofils am
Fußende
kann auf einen Wert im Bereich von 1,0 bis 1,2 heraufgesetzt werden,
wohingegen bekannte Designs Werte im Bereich 0,7 bis 0,75 aufweisen.
Somit kann die Anzahl an Schaufeln in der Reihe um einen Faktor
im Gebiet eines Drittels substantiell reduziert werden. Bei dem
in 3 und 4 dargestellten und in Tabellen
2A bis 2C definierten Beispiel war P/W = 1,21 und die Anzahl der Schaufeln
V2 pro Reihe wurde von den in einem vorausgegangenen Design verwendeten
52 auf 36 reduziert.
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Die
folgende Tabelle A vergleicht eine bekannte Konfiguration mit einer
Konfiguration gemäß der Erfindung
und zeigt das für
eine Niederdruckdüsenleitschaufel
(LP NGV) und den Niederdruckrotor erreichte verbesserte Verhältnis Teilung-Breite. TABELLE A Bekanntes Design:
| Flügelprofilreihe | Anzahl
der Flügelprofile | (P/W)
Fuß | (H/W)
Fuß |
| HP
NGV | 40 | 1,16 | 0,935 |
| HP-Rotorschaufel
(ummantelt) | 61 | 0,7 | 1,23 |
| LP
NGV | 52 | 0,73 | 2,16 |
| LP-Rotorschaufel
(nicht ummantelt) | 61 | 0,547 | 3,09 |
- Gesamtzahl an Flügelprofilen = 214
Erfindungsdesign: | Flügelprofilreihe | Anzahl
der Flügelprofile | (P/W)
Fuß | (H/W)
Fuß |
| HP
NGV | 36 | 1,6 | 1,70 |
| HP-Rotorschaufel
(ummantelt) | 61 | 0,95 | 2,01 |
| LP
NGV | 36 | 1,21 | 3,32 |
| LP-Rotorschaufel
(ummantelt) | 53 | 0,614 | 3,72 |
- Gesamtzahl an Flügelprofilen = 186 (–13%)
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die gleiche Anzahl an Schaufeln
für die
HP- und LP-NGVs verwendet wird. Somit können die Schaufeln über den
Umfang relativ zueinander derart indexiert werden, daß die Nachlaufströmungen von
HP-NGVs auf die optimale Position in den LP-NGV-Durchgängen (das heißt mittlere
Teilung) fallen, um dadurch die höchste LP-Stufen-Effizienz zu
erhalten. Wenn die Nachlaufströmungen
von der HP-NGV auf die Vorderkanten der LP-NGVs fallen, dann bewirken sie einen
früheren Übergang
der Flügelprofiloberflächengrenzschichten
und einen höheren
Verlust.
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Teil 3 – Abgassystem
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Ein
Abgasdesign gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine Druckrückgewinnung
von bis zu 65% ermöglichen,
im Vergleich zu 60% im Stand der Technik, und das Verhältnis L/H
Länge-Höhe kann im Vergleich zu Werten
nach dem Stand der Technik im Bereich von 9 bis 10 auf einen Wert
im Bereich von 3 reduziert werden. Dies kann den Fußabdruck
des Gesamtturbinendesigns erheblich reduzieren, wodurch Kapitalkosten
an dem Ort reduziert werden, wo die Turbine installiert wird.
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Die
beim Ableiten der in 3, 5 und 6 dargestellten
jeweiligen Gestalt verwendete Designphilosophie beinhaltete einen
Prozeß,
bei dem jede Austrittslänge
genommen und eine Reihe von Lippengestalten (d.h. Turbinenaustrittsgehäuseprofile)
mit konstanter Gasgeschwindigkeit berechnet wurde, um die Lippengestalt
zu finden, die das niedrigste Geschwindigkeitsverhältnis ergibt.
Das Geschwindigkeitsverhältnis
ist ein Maß für die Geschwindigkeit
des Arbeitsfluids auf der Lippe im Vergleich zu der Austrittsgeschwindigkeit an
der letzten Niederdruckstufe der Turbine. Nachdem die optimale Gestalt
so berechnet wurde, wurde dadurch die Gesamtgestalt des ganzen Austritts
bestimmt.
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Unter
Bezugnahme auf 5 zeigt eine graphische Darstellung
der Strömungsvektoren
in der Austrittssektion die Blatthöhe H, die Linie der LP-Rotorhinterkante
und die Diffusor-Austritts-Länge L. Strömungsvektoren
sind als gestrichelte Linien gezeigt, die von der Hinterkante der
letzten Niederdruckstufe ausgehen und in einer nachgeschalteten
Endwand enden. Die die Gestalt der Austrittssektion definierenden
Parameter sind in Tabelle 4 gezeigt, wobei wieder "x" der axiale Abstand entlang des Austritts
und "r" der radiale Abstand von
der Achse der Turbine ist. "xlip" und "rlip" sind die x-, r-Koordinaten des Austrittsmantelprofils,
(d.h. der Außenradius
des Gasrings); "xhub" und "rhub" sind die x-, r-Koordinaten des
Innenradius des Gasrings, und "xlip,corr" und "xhub,corr" sind die Axialversetzungskorrekturen,
die zu den Koordinaten xlip und xhub addiert werden sollen, um die
LP-Rotorschaufel-Austragsströmung anzupassen.
Die Koordinaten sind in Millimeter angegeben. Eine Kurve der Koordinaten
(x,r) der Austrittssektion ist in 6 gezeigt.
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Das
normale Design für
diese Art von Axial-/Radialturbinenaustritt erfordert den Zusatz
von internen Streben, um das zu stabilisieren, was ansonsten ein
langer Austrittsweg ist. Der kürzere
Weg der vorliegenden Erfindung ermöglicht, daß diese Streben wegfallen.
Dies hat den weiteren Vorteil, daß der Effekt auf die Strömung reduziert
wird, der sich daraus ergibt, wenn sich innerhalb des Austritts
fremde Einrichtungen in dem Strömungsweg
befinden. Das Austrittsnabengehäuse
kann dann von der Rückwand
des Turbinengehäuses aus
getragen werden.
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Andere Konstruktionsüberlegungen
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Bei
dem in dieser Spezifikation vorgelegten Daten als Mittel zum Definieren
von Flügelprofilquerschnittsprofilgestalten,
Weglängen
und dergleichen ist zu verstehen, daß der Bereich von Werten innerhalb von ±10% der
angegebenen Nenndatenwerte liegt, bevorzugt ±5%. Beispielsweise kann bei
einer Sehne der Länge
30 mm die x- und y-Abmessung um ±3 mm variieren, bevorzugt ±1,5 mm.
Analog würde
für einen
Hochdruckfußradius
am Auslaß von
217,6 mm die zulässige
Variation etwa ±20
mm betragen, bevorzugt etwa ±10 mm.
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Das
in den folgenden Tabellen und Figuren offenbarte Ausführungsbeispiel
der Erfindung gilt für
eine Turbine mit einer Leistung von etwa 5 MW. Zu Skalierungszwecken
können
die x-y-Koordinaten
von Tabellen 1A bis 2C mit einer vorbestimmten Zahl oder einem vorbestimmten
Skalierfaktor multipliziert werden, um eine ähnliche aerodynamische Leistung
entweder von größeren oder
kleineren Schaufeln und Blättern
zu erhalten. Dem Fachmann ist bekannt, daß eine einfache lineare Skalie rung
von Schaufeln und Blättern
keine ähnliche lineare
Skalierung von beispielsweise Motorleistung anzeigt (die im Vergleich
zum Quadrat skalieren würde). Mit
der entsprechenden Skalierung können
die in den Tabellen beschriebenen Flügelprofilsektionsprofilgestalten
und -winkel für
einen Gasturbinenmotor beliebiger Größe verwendet werden. Beispielsweise
kann es in Gasturbinen mit einer Ausgangsleistung von 5 bis 300
MW oder mehr verwendet werden. TABELLE
1A – TURBINENBLATTKONFIGURATION LP-Rotorblatt
Fuß, Z-Wert
durch Schwerpunkt = 182,395 mm Teilung
= 21,8570 mm
TABELLE
1B – TURBINENBLATTKONFIGURATION LP-Rotorblatt
mittlere Höhe,
Z-Wert durch Schwerpunkt = 260,271 mm Teilung
= 30,9780 mm
TABELLE
1C – TURBINENBLATTKONFIGURATION LP-Rotorblatt
Spitze, Z-Wert durch Schwerpunkt = 315,862 mm Teilung
= 35,5450 mm
TABELLE
2A – TURBINENSCHAUFELKONFIGURATION LP-NGV
Fuß, Z-Wert
durch Vorderkante = 202,26 mm Teilung
= 35,3010 mm
TABELLE
2B – TURBINENSCHAUFELKONFIGURATION LP-NGV
mittlere Höhe,
Z-Wert durch Vorderkante = 252,09 mm Teilung
= 44,1320 mm
TABELLE
2C – TURBINENSCHAUFELKONFIGURATION LP-NGV
Spitze, Z-Wert durch Vorderkante = 297,87 mm Teilung
= 52,2460 mm
TABELLE 3 – TURBINENDÜSENKONFIGURATION
| Station | x-hub
(m) | r-hub
(m) | x-tip
(m) | r-tip
(m) |
| 001 | –0.06940 | 0.22767 | –0.06940 | 0.28448 |
| 002 | –0.04640 | 0.22665 | –0.04640 | 0.26645 |
| 003 | –0.03070 | 0.22502 | –0.03070 | 0.26066 |
| 004 | –0.01500 | 0.22340 | –0.01500 | 0.25905 |
| 005 | 0.00930 | 0.22088 | 0.00930 | 0.26227 |
| 006 | 0.01213 | 0.22059 | 0.01493 | 0.26316 |
| 007 | 0.01661 | 0.22012 | 0.01949 | 0.26388 |
| 008 | 0.04097 | 0.2176 | 0.03668 | 0.26660 |
| 009 | 0.04786 | 0.21513 | 0.04219 | 0.26978 |
| 010 | 0.05450 | 0.21275 | 0.04851 | 0.27343 |
| 011 | 0.08374 | 0.20226 | 0.09340 | 0.29935 |
| 012 | 0.09088 | 0.19970 | 0.10060 | 0.3035 |
| 013 | 0.09801 | 0.19714 | 0.10780 | 0.30766 |
| 014 | 0.13361 | 0.18437 | 0.12346 | 0.31670 |
| 015 | 0.17361 | 0.18500 | 0.17361 | 0.32750 |
TABELLE NR. 4 – ABGASSEKTIONSKONFIGURATION
| Xlip
(mm) | Rlip
(mm) | Xhub
(mm) | Rhub
(mm) | xlip,corr
(mm) | xhub,corr
(mm) |
| 0 | 316.700 | 24.2129 | 186.604 | 123.460 | 147.672 |
| 54.0240 | 328.809 | 89.0317 | 195.604 | 177.484 | 212.491 |
| 80.6632 | 336.860 | 127.0400 | 201.455 | 204.123 | 250.500 |
| 98.6562 | 343.766 | 156.9010 | 207.137 | 222.116 | 280.361 |
| 112.0720 | 350.073 | 182.6000 | 213.257 | 235.532 | 306.060 |
| 122.5720 | 355.981 | 205.7060 | 220.066 | 246.032 | 329.166 |
| 131.0170 | 361.580 | 226.9870 | 227.702 | 254.477 | 350.447 |
| 137.9190 | 366.919 | 246.8530 | 236.249 | 261.379 | 370.313 |
| 143.6080 | 372.025 | 265.5320 | 245.763 | 267.068 | 388.992 |
| 148.3160 | 376.915 | 283.1460 | 256.281 | 271.776 | 406.606 |
| 152.2090 | 381.600 | 299.7520 | 267.822 | 275.669 | 423.212 |
| 155.4150 | 386.086 | 315.3670 | 280.395 | 278.875 | 438.827 |
| 158.0320 | 390.380 | 329.9750 | 293.994 | 281.492 | 453.435 |
| 160.1400 | 394.485 | 343.5430 | 308.605 | 283.600 | 467.003 |
| 161.8040 | 398.404 | 356.0240 | 324.200 | 285.264 | 479.484 |
| 163.0770 | 402.140 | 367.3620 | 340.743 | 286.537 | 490.822 |
| 164.0060 | 405.697 | 377.4940 | 358.188 | 287.466 | 500.954 |
| 164.6300 | 409.077 | 386.3560 | 376.478 | 288.090 | 509.816 |
| 164.9820 | 412.282 | 393.8790 | 395.545 | 288.442 | 517.339 |
| 165.0930 | 415.317 | 400.0000 | 415.316 | 288.553 | 523.460 |
TABELLE 2A – TURBINENSCHAUFELKONFIGURATION LP-NGV Fuß, Z-Wert durch Vorderkante = 202,26 mm Teilung = 35,3010 mm
TABELLE 2B – TURBINENSCHAUFELKONFIGURATION LP-NGV mittlere Höhe, Z-Wert durch Vorderkante = 252,09 mm Teilung = 44,1320 mm
TABELLE 2C – TURBINENSCHAUFELKONFIGURATION LP-NGV Spitze, Z-Wert durch Vorderkante = 297,87 mm Teilung = 52,2460 mm
TABELLE 3 – TURBINENDÜSENKONFIGURATION