DE102009044408B4

DE102009044408B4 - System zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten

Info

Publication number: DE102009044408B4
Application number: DE102009044408.4A
Authority: DE
Inventors: Scott Matthew Sparks
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2029-11-04
Also published as: CN101769169B; US8480372B2; US20100111674A1; JP5554542B2; DE102009044408A1; JP2010112379A; CN101769169A

Abstract

System zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten, das einen Schaufelblattabschnitt (100, 200) einer deckbandlosen Turbinenschaufel aufweist, wobei der Schaufelblattabschnitt (100, 200) aufweist:eine Druckseitenoberfläche (102) und eine Saugseitenoberfläche (104), die sich jeweils von einer Fußoberfläche (106) zu einer Spitzenoberfläche (108) erstrecken und an einer Vorderkante (110) und an einer Hinterkante (112) verbunden sind, wobei die Druckseitenoberfläche (102) eine im Wesentlichen konkave Form hat, während die Saugseitenoberfläche (104) eine im Wesentlichen konvexe Form hat;den Schaufelblattabschnitt (100, 200), der einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche (106) zu der Spitzenoberfläche (108) und eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche (104) hat, sobald sich die Saugseitenoberfläche (104) der Spitzenoberfläche (108) annähert und sich die Spitzenoberfläche (108) der Vorderkante (110) annähert, wobei der Schaufelblattabschnitt (100, 200) eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche (104) hat, sobald sich die Vorderkante (110) der Spitzenoberfläche (108) annähert, und die Druckseitenoberfläche (102) und die Saugseitenoberfläche (104) jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche (102) an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche (108) haben.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der hierin offengelegte Erfindungsgegenstand betrifft im Wesentlichen thermomechanische Turbinen und insbesondere ein System zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten.
Betriebsverhalten und Wirkungsgrad thermomechanischer Turbinen, wie z.B. Gas- oder Dampfturbinen, werden erwünschter-maßen durch die Verringerung von Verlusten bei der Umwandlung von thermischer in mechanische Energie verbessert, die erfolgt, wenn Hochdruckgase (und/oder Fluide) auf Turbinenlaufschaufeln oder „Schaufeln“ aufgebracht werden, um eine mechanische Rotation und Energieabgabe zu bewirken. Derartige Verluste treten oft aufgrund einer Leckage an den Schaufeln durch Zwischenräume zwischen den Schaufelspitzen und umgebenden stationären Komponenten (wie z.B. Deckbändern, Gehäuse usw.) auf, was in einer unerwünschten Druckvermischung und Wirbelströmungserzeugung resultiert. Eine Verringerung dieser „Spitzen“- und „Spitzenwirbel“- Verluste ist insbesondere für deckbandlose Schaufelspitzenkonfigurationen anspruchsvoll, welche oft in einer oder mehreren Stufen von Turbinen eingesetzt werden.
DE 695 07 509 T2 beschreibt eine deckbandlose Laufschaufel zur Verminderung von Spaltverlusten mit einem Schaufelblattabschnitt, der einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche zu der Spitzenoberfläche und eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche aufweist, wenn sich die Vorderkante der Spitzenoberfläche annähert. Die Saugseite hat eine gebogene Oberfläche mit einer gekrümmten Gestalt, die eine progressiv zunehmende Krümmung in Richtung der Spitze der Laufschaufel aufweist, so dass eine Radialkomponente einer Normalen zu der gebogenen Oberfläche der Saugseite in Richtung der Spitze progressiv größer wird und das größte Maß der Krümmung an der Schaufelspitze vorliegt.
US 2005/0106027 A1 beschreibt eine deckbandlose Turbinenlaufschaufel mit einem Schaufelblattabschnitt, dessen Profil entlang der Spannweitenrichtung derart variiert, dass die konvexe Krümmung der hinteren Saugfläche in Sehnenrichtung zu der Spitze der Schaufel hin abnimmt, der Staffelungswinkel zu der Spitze der Schaufel hin zunimmt, die Hinterkante eine gerade Linie bildet und das Schaufelblatt eine resultierende Neigung in Richtung der Saugseite aufweist. In einer Ausführungsform nimmt die Neigung des Schaufelblattes in der Nähe der Schaufelspitze und zu dieser hin zunehmend in tangentialer Richtung zu, wobei die Belastung der Saugfläche an dem Spitzenabschnitt reduziert und in Spannweitenrichtung nach unten, zu der Mitte der Schaufel hin verlagert wird.
DE 34 44 810 A1 beschreibt eine deckbandlose Schaufel für eine Gasturbine mit einem Schaufelblattabschnitt, der eine nicht-geradlinige Stapelachse und eine resultierende Neigung in Richtung der Saugseite aufweist.
JP S58-47 102 A beschreibt einen Kern für eine deckbandlose gekühlte Schaufel, wobei der Kern eine Verwindung in der Spannweitenrichtung von dem Fuß zu der Spitze der Schaufel aufweist, um eine entsprechende Verwindung oder Staffelung der Schaufel in der Spannweitenrichtung vorzugeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet ein System zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten einen Schaufelblattabschnitt einer deckbandlosen Turbinenschaufel. Der Schaufelblattabschnitt enthält eine Druckseitenoberfläche und eine Saugseitenoberfläche, die sich jeweils von einer Fußoberfläche zu einer Spitzenoberfläche erstrecken und an einer Vorderkante und an einer Hinterkante verbunden sind. Die Druckseitenoberfläche hat eine im Wesentlichen konkave Form, während die Saugseitenoberfläche eine im Wesentlichen konvexe Form hat. Der Schaufelblattabschnitt hat einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche zu der Spitzenoberfläche und eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche, sobald sich die Saugseitenoberfläche der Spitzenoberfläche annähert und sich die Spitzenoberfläche der Vorderkante annähert. Der Schaufelblattabschnitt hat auch eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche, sobald sich die Vorderkante der Spitzenoberfläche annähert. Ferner haben die Druckseitenoberfläche und die Saugseitenoberfläche jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste
Der zugrunde liegende Gegenstand, welcher als die Erfindung betrachtet wird, wird insbesondere in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung dargestellt und eindeutig beansprucht. Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen:

1 eine Darstellung ist, die eine exemplarische perspektivische Ansicht eines Schaufelblattabschnittes einer Turbinenschaufel gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.
2 eine Darstellung ist, die eine alternative exemplarische perspektivische Ansicht eines Schaufelblattabschnittes einer Turbinenschaufel gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.
3 eine Liniendarstellung ist, die ein exemplarisches Neigungsprofil des Schaufelblattabschnittes von 1 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.
4 eine schematische Darstellung ist, die exemplarische Details des Schaufelblattabschnittes von 1 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.

Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der nachstehenden detaillierten Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details nachstehend in Reihenfolge geschildert, um ein gründliches Verständnis verschiedener Ausführungsformen zu ermöglichen. Die Ausführungsformen können jedoch ohne diese spezifischen Details ausgeführt sein. In anderen Fällen sind bekannte Verfahren, Prozeduren und Komponenten nicht im Detail dargestellt.
Ferner können zahlreiche Operationen als mehrere in einer Weise, die für das Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hilfreich ist, durchgeführte diskrete Schritte beschrieben sein. Jedoch sollte die Beschreibungsreihenfolge nicht als Implikation betrachtet werden, dass diese Operationen in der Reihenfolge ausgeführt werden müssen, in der sie dargestellt sind, oder dass sie sogar von dieser Reihenfolge abhängig sind. Ferner bezieht sich die wiederholte Verwendung des Ausdrucks „in einer Ausführungsform“ nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform, obwohl dieses der Fall sein kann. Schließlich sollen die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“, „haben“ und dergleichen, so wie sie in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, als gleichbedeutend betrachtet werden, soweit es nicht anderweitig angegeben ist.
Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung stellen ein System zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten, z.B. in einer thermomechanischen Turbine bereit. Gemäß derartigen exemplarischen Ausführungsformen werden Spitzen- und Spitzenwirbelverluste beispielsweise in deckbandlosen Schaufelkonfigurationen verringert. Ein Reiheneinlassstrom in der Nähe der Schaufelspitze wird nach innen durch Körperkräfte aufgrund einer saugseitigen Abwärtsstaffelungsanordnung in Kombination mit einem verringerten Strömungskoeffizienten über der Spitze aufgrund eines lokal abnehmenden Grades oder umgekehrten Richtung der Krümmung in dem spitzennahen Bereich umgeleitet.
1 ist eine Darstellung, die eine exemplarische perspektivische Ansicht eines Schaufelblattabschnittes 100 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Der Schaufelblattabschnitt 100 ist beispielsweise Teil einer deckbandlosen Turbinenschaufel. Der Schaufelblattabschnitt 100 enthält eine Druckseitenoberfläche 102 und eine Saugseitenoberfläche 104, welche sich von einer Fußoberfläche 106 zu einer Spitzenoberfläche 108 erstrecken und an einer Vorderkante 110 und an einer Hinterkante 112 verbunden sind. Die Druckseitenoberfläche 102 hat eine im Wesentlichen konkave Form, während die Saugseitenoberfläche 104 eine im Wesentlichen konvexe Form hat. Der Schaufelblattabschnitt 100 hat einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche 106 zu der Spitzenoberfläche 108 (wie es z.B. weiter in 4 dargestellt ist) und eine zunehmend belastete (z.B. vorne belastete) Saugseitenoberfläche 104, sobald sich die Saugseitenoberfläche 104 der Spitzenoberfläche 108 annähert und sich die Spitzenoberfläche 108 der Vorderkante 110 annähert. Der Schaufelblattabschnitt 100 hat eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche 104, sobald sich die Vorderkante 110 der Spitzenoberfläche 108 (wie es z.B. weiter in 3 dargestellt ist) annähert. Ferner haben die Druckseitenoberfläche 102 und die Saugseitenoberfläche 104 jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche 102 an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche 108 (wie es z.B. weiter in 3 dargestellt ist).
Der Schaufelblattabschnitt 100 kann verschiedene zusätzliche Eigenschaften wie z.B. gemäß den nachstehenden exemplarischen Ausführungsformen haben. Der Schaufelblattabschnitt 100 kann beispielsweise eine in Sehnenrichtung belastete Stapelverteilung von Querschnitten (wie sie ferner in 4 dargestellt ist) aufweisen. Ein (nicht dargestellter) Fußabschnitt kann mit dem Schaufelblattabschnitt 100 an der Fußoberfläche 106 verbunden sein, um beispielsweise eine deckbandlose Schaufel auszubilden. Ferner kann dieser Fußabschnitt mit einem Rotor (oder einer anderen Komponente) einer thermomechanischen Turbine, wie z.B. einer (nicht dargestellten) Gas- oder Dampfturbine, verbunden sein.
2 ist eine Darstellung, die eine alternative exemplarische perspektivische Ansicht eines Schaufelblattabschnittes 200 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung darstellt. Wie durch gleiche Bezugszeichen dargestellt, ähnelt der Schaufelblattabschnitt 200 im Wesentlichen dem vorstehend beschriebenen Schaufelblattabschnitt 100. Der Schaufelblattabschnitt 200 enthält ferner eine zunehmend belastete (z.B. rückseitenbelastete) Saugseitenoberfläche, sobald sich die Saugseitenoberfläche 104 der Spitzenoberfläche 108 annähert und sich die Spitzenoberfläche 108 der Hinterkante 112 annähert. Der Schaufelblattabschnitt 200 enthält ferner eine Neigung in der Richtung der Saugseitenoberfläche 104, sobald sich die Hinterkante 112 der Spitzenoberfläche 108 annähert. Das Schaufelblatt 200 kann ferner eine oder mehrere von den vorstehend beschriebenen Variationen gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung enthalten.
3 ist eine Liniendarstellung, welche ein exemplarisches Neigungsprofil 300 des Schaufelblattabschnittes 100 von 1 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Das exemplarische Neigungsprofil 300 enthält eine exemplarische Hinterkanten-Neigungsverteilung 302 und eine Vorderkanten-Neigungsverteilung 304. Ein (nicht dargestelltes) exemplarisches Neigungsprofil für das Schaufelblatt 200 würde sowohl eine Hinterkanten-Neigungsverteilung als auch eine Vorderkanten-Neigungsverteilung enthalten, die ähnlich zu der Vorderkantenverteilung 304 wären.
4 ist eine schematische Darstellung, welche exemplarische Details 400 des Schaufelblattes 100 von 1 gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Die dargestellten exemplarischen Details 400 beinhalten die vorstehend beschriebene Vorderkante, Hinterkante und den zunehmenden Staffelungswinkel. Die in Sehnenrichtung belastete, gestaffelte Verteilung der Abschnitte ist ebenfalls dargestellt. (Nicht dargestellte) exemplarische Details für den Schaufelblattabschnitt 200 von 2 würden ähnliche Merkmale wie den in 4 dargestellten Details 400 enthalten.
Exemplarische Ausführungsformen, die als solche nicht zuder beanspruchten Erfindung gehören, beinhalten auch ein Verfahren oder einen Prozess zum Verringern von (nicht dargestellten) Schaufelspitzenverlusten, welche die Bereitstellung eines Schaufelblattabschnittes 100, 200 gemäß vorstehender Beschreibung für die 1 und 2 (einschließlich exemplarischer Varianten) beinhaltet. Ein derartiges exemplarisches Verfahren oder ein solcher Prozess können die Ausführung eines Computerprogrammproduktes in einigen Ausführungsformen beinhalten.
Somit ist die technische Auswirkung von exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung ein System zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten z.B. in einer thermomechanischen Turbine. Gemäß derartigen exemplarischen Ausführungsformen werden Spitzen- und Spitzenwirbelverluste beispielsweise in deckbandlosen Schaufelkonfigurationen verringert. Ein Reiheneinlassstrom in der Nähe der Schaufelspitze wird nach innen durch Körperkräfte aufgrund einer saugseitigen Abwärtsstaffelungsanordnung in Kombination mit einem verringerten Strömungskoeffizienten über der Spitze aufgrund eines lokal abnehmenden Grades oder umgekehrten Richtung der Krümmung in dem spitzennahen Bereich umgeleitet.
Obwohl die Erfindung detailliert in Verbindung mit nur einer eingeschränkten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, dürfte es sich ohne Weiteres verstehen, dass die Erfindung nicht auf derartige offengelegte Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, sodass sie eine beliebige Anzahl von Varianten, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen, die bisher nicht beschrieben wurden, enthält, die aber dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung entsprechen. Zusätzlich dürfte es sich, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demzufolge ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt zu betrachten, sondern ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Es wird ein System mit einem Schaufelblattabschnitt 100 einer deckbandlosen Turbinenschaufel bereitgestellt, welche eine Druckseitenoberfläche 102 und eine Saugseitenoberfläche 104 enthält, die sich jeweils von einer Fußoberfläche 106 zu einer Spitzenoberfläche 108 erstrecken und an einer Vorderkante 110 und an einer Hinterkante 112 verbunden sind, wobei die Druckseitenoberfläche 102 eine im Wesentlichen konkave Form hat, während die Saugseitenoberfläche 104 eine im Wesentlichen konvexe Form hat; wobei der Schaufelblattabschnitt 100 einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche 106 zu der Spitzenoberfläche 108 und eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche 104 hat, sobald sich die Saugseitenoberfläche 104 der Spitzenoberfläche 108 annähert und sich die Spitzenoberfläche 108 der Vorderkante 110 annähert, der Schaufelblattabschnitt 100 eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche 104 hat, sobald sich die Vorderkante 110 der Spitzenoberfläche 108 annähert, und die Druckseitenoberfläche 102 und die Saugseitenoberfläche 104 jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche 102 an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche 108 haben.
Bezugszeichenliste

100: Schaufelblattabschnitt
102: Druckseitenoberfläche
104: Saugseitenoberfläche
106: Fußoberfläche
108: Spitzenoberfläche
110: Vorderkante
112: Hinterkante
200: Schaufelblattabschnitt
300: Neigungsprofil
302: Hinterkanten-Neigungsverteilung
400: Details

Claims

System zum Verringern von Schaufelspitzenverlusten, das einen Schaufelblattabschnitt (100, 200) einer deckbandlosen Turbinenschaufel aufweist, wobei der Schaufelblattabschnitt (100, 200) aufweist: eine Druckseitenoberfläche (102) und eine Saugseitenoberfläche (104), die sich jeweils von einer Fußoberfläche (106) zu einer Spitzenoberfläche (108) erstrecken und an einer Vorderkante (110) und an einer Hinterkante (112) verbunden sind, wobei die Druckseitenoberfläche (102) eine im Wesentlichen konkave Form hat, während die Saugseitenoberfläche (104) eine im Wesentlichen konvexe Form hat; den Schaufelblattabschnitt (100, 200), der einen zunehmenden Staffelungswinkel in einer Spannenrichtung von der Fußoberfläche (106) zu der Spitzenoberfläche (108) und eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche (104) hat, sobald sich die Saugseitenoberfläche (104) der Spitzenoberfläche (108) annähert und sich die Spitzenoberfläche (108) der Vorderkante (110) annähert, wobei der Schaufelblattabschnitt (100, 200) eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche (104) hat, sobald sich die Vorderkante (110) der Spitzenoberfläche (108) annähert, und die Druckseitenoberfläche (102) und die Saugseitenoberfläche (104) jeweils eine lokal verringerte oder umgekehrte Krümmung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche (102) an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche (108) haben.
System nach Anspruch 1, wobei der Schaufelblattabschnitt (100, 200) eine in Sehnenrichtung belastete Stapelverteilung von Querschnitten aufweist.
System nach Anspruch 1, das ferner einen Fußabschnitt aufweist, der mit dem Schaufelblattabschnitt (100, 200) an der Fußoberfläche (106) verbunden ist.
System nach Anspruch 3, wobei der Fußabschnitt mit einem Rotor einer Turbine verbunden ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Schaufelblattabschnitt (100, 200) ferner eine zunehmend belastete Saugseitenoberfläche (104) hat, sobald sich die Saugseitenoberfläche (104) der Spitzenoberfläche (108) annähert und sich die Spitzenoberfläche (108) der Hinterkante (112) annähert, und der Schaufelblattabschnitt (100, 200) ferner eine resultierende Neigung in einer Richtung der Saugseitenoberfläche (104) hat, sobald sich die Hinterkante (112) der Spitzenoberfläche (108) annähert.
System nach Anspruch 5, wobei die Druckseitenoberfläche (102) und die Saugseitenoberfläche (104) eine Aufweitung in einer Richtung der Druckseitenoberfläche (102) an ihrer Überschneidung mit der Spitzenoberfläche (108) haben.
System nach Anspruch 5, wobei der Schaufelblattabschnitt (100, 200) eine in Sehnenrichtung belastete Stapelverteilung von Querschnitten aufweist.
System nach Anspruch 5, das ferner einen Fußabschnitt aufweist, der mit dem Schaufelblattabschnitt (100, 200) an der Fußoberfläche (106) verbunden ist.
System nach Anspruch 8, wobei der Fußabschnitt mit einem Rotor der Turbine verbunden ist.