-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Die hier beschriebene Erfindung betrifft eine Turbinenschaufelblattkonstruktion.
-
Herkömmliche Turbinenschaufelblattkonstruktionen nutzen eine bogenförmige Krümmungslinie, deren Krümmungsradius sich ausgehend von der Vorderkante zur Hinterkante fortlaufend ändert, jedoch immer ein und dasselbe Vorzeichen aufweist, so dass sie rein konkav ist. Darüber hinaus ist die Dickeverteilung längs der Krümmungslinie im Falle herkömmlicher Gasturbinenschaufelblätter ebenfalls mit einem Krümmungsradius gekrümmt, der sich ausgehend von der Vorderkante zur Hinterkante fortlaufend ändert, jedoch immer ein und dasselbe Vorzeichen aufweist, so dass sie ebenfalls rein konkav ist. Solche Konfigurationen führen zu Energieentzug und zu einer verhältnismäßig effizienten Strömung durch die Turbine, wenn die Gasströmung in der Ebene zweidimensional ist, die durch die Krümmungslinie in einem zylindrischen Polarkoordinatenrahmen definiert ist.
-
Es wurde häufig beobachtet, dass die Strömung im Wesentlichen dreidimensional und nicht planar ist und dass die reine Konkavität von Turbinenschaufelblättern in diesen Fällen möglicherweise weniger effizient ist als in dem zweidimensionalen Fall. Der Wunsch nach einer Steigerung des Wirkungsgrads eines Turbinenschaufelblatts, bei dem die Strömung dreidimensional ist, hat daher bewirkt, dass herkömmliche Schaufelblätter mit Blick auf dünne Hinterkanten, speziell angepasste Krümmungslinien für eine hintere Belastung und eine Neigung und Durchbiegung der Spannweite gestaltet wurden, um radiale Druckgradienten aufzuprägen, um die Verteilung der den Kanal durchquerenden Strömung zu modulieren.
-
Häufig begrenzen jedoch mechanische Beschränkungen die Dünnheit der Hinterkante, und die Rotation der Laufschaufelblätter erfordert die Verwendung radialer Schaufelelemente, um hohe Biegelasten während der Rotation zu vermeiden, was aggressive Durchbiegung und Neigung ausschließt. Angesichts dieser Ergebnisse wurden ein Ausbilden des Umrisses der Endwand mit Höckern und Rillen in dem Blattkanal und Verlängerungen stromaufwärts und stromabwärts beschrieben, um die Entwicklung des sekundären Stroms in der Nachbarschaft der Endwand des Schaufelfußpunkts zu modulieren. Nachteilig ist, dass die Konturierung der Endwand Probleme bei der Herstellung und der Verwendung hervorrufen kann, z.B. hinsichtlich des Gießens der Rillen oder des Bedarfs eines gewellten Unterplattformreibungsdämpfers für Laufschaufelblätter.
-
EP 1 564 374 A1 offenbart ein Schaufelblatt zum Entziehen von Energie in einer Dampfturbine, das eine Druckfläche mit Druckflächeneigenschaften und eine Saugfläche mit Saugflächeneigenschaften aufweist. Die Flächeneigenschaften der Druck- und Saugflächen sind an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Schaufelblatts ausgebildet, um zusammenwirkend eine Krümmungslinie des Schaufelblatts so zu definieren, dass sie jeweils einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen, wobei die Anzahl von Vorzeichenwechsein entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt abnimmt.
-
DE 10 2005 025 213 A1 offenbart ein Schaufelblatt für eine Axialströmungsturbine mit einer als Skelettlinie bezeichneten Krümmungslinie, die S-förmig gekrümmt ist, so dass sie in ihrem Verlauf zwischen der Vorder- und der Hinterkante einen Krümmungswechsel aufweist.
-
DE 19 23 535 A offenbart ein Schaufelblatt für eine Gasturbine, wobei die Flächeneigenschaften der Druck- und Saugflächen an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Schaufelblatts ausgebildet sind, um zusammenwirkend eine Dickeverteilungslinie des Schaufelblatts so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen, wobei die Anzahl von Vorzeichenwechseln entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt abnimmt.
-
US 6 358 012 B1 offenbart ein Schaufelblatt mit konkav durchwegs gekrümmten Druckseite und einer im Wesentlichen konvexen Saugseite, die in einem lokalen Flächenbereich einen Krümmungsradius mit drei Vorzeichenwechseln aufweist. In einer Ausführungsform ist der lokale Flächenbereich auf einen mittleren Abschnitt des Schaufelblattes in Spannweitenrichtung lokal beschränkt, während die Anzahl der Vorzeichenwechsel des Krümmungsradius an der Wurzel und der Spitze des Schaufelblattes jeweils Null beträgt.
-
DE 36 40 780 A1 offenbart ein Schaufelblatt mit einer Krümmungslinie und einer Dickeverteilungslinie, deren Krümmungsradius Vorzeichenwechsel aufweist, wobei die Krümmungslinie mindestens zwei Vorzeichenwechsel aufweist.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Schaufelblatt für eine Gasturbine zu schaffen, das die vorstehend erwähnten Unzulänglichkeiten überwindet oder zumindest reduziert.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Diese Aufgabe wird durch das Schaufelblatt mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist Gegenstand des abhängigen Anspruchs.
-
Gemäß der Erfindung ist ein Schaufelblatt zum Entziehen von Energie in einer Gasturbine geschaffen, das eine Druckfläche mit Druckflächeneigenschaften und eine Saugfläche mit Saugflächeneigenschaften aufweist, wobei die Flächeneigenschaften von Druck- und Saugflächen an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Schaufelblatts ausgebildet sind, um zusammenwirkend eine Krümmungslinie des Schaufelblatts und eine Dickeverteilungslinie des Schaufelblatts so zu definieren, dass sie jeweils einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen, wobei die Anzahl von Vorzeichenwechseln entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt bis Null abnimmt.
-
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher.
-
Figurenliste
-
Der als die Erfindung angesehene behandelte Gegenstand wird in den der Beschreibung beigefügten Patentansprüchen speziell aufgezeigt und gesondert beansprucht. Die vorausgehend erwähnten und sonstige Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlich:
- 1 zeigt eine radiale Ansicht einer Schaufel;
- 2 zeigt einen Graphen einer Dickenänderungslinie des Schaufelblatts von 1;
- 3 zeigt eine schematische dreidimensionale radiale Ansicht eines Schaufelblatts;
- 4 zeigt das Schaufelblatt von 3 in einer perimetrischen Ansicht;
- 5-8 zeigen radiale Ansichten des Schaufelblatts von 5 an steigenden radialen Positionen; und
- 9 zeigt eine schematische dreidimensionale radiale Ansicht eines Schaufelblatts.
-
Die detaillierte Beschreibung erläutert mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft ohne Beschränkung Ausführungsbeispiele der Erfindung, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß 1 und 2 ist ein Schaufelblatt 10 gezeigt, das dazu dient, in einer Gasturbine Energie zu gewinnen, und das eine Saugfläche 11 und eine Druckfläche 12 aufweist. Die Saugfläche 11 und die Druckfläche 12 weisen an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Schaufelblatts 10 jeweils radial entsprechende Flächeneigenschaften auf, die zusammenwirkend eine Krümmungslinie CR und eine Dickeverteilungslinie TR in Bezug auf eine axiale Sehne des Schaufelblatts 10 so definieren, dass sie jeweils einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen. Die Anzahl von Vorzeichenwechseln nimmt entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts 10 ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt gemessen ab. Dabei nimmt die Anzahl von Vorzeichenwechseln bis Null ab.
-
Die konvexe und konkave Krümmung der Krümmungslinie CR und der Dickeverteilung TR werden für ein Schaufelblatt 10, das lediglich an dem Fußpunkt eine Endwand aufweist, im Wesentlichen innerhalb von etwa 10 % der Spannweite des Schaufelblatts 10 nahe dessen Fußpunkt angeordnet sein. Dasselbe gilt in entgegengesetzter Weise für Blätter, die an ihrer Spitze Endwände aufweisen. Für Blätter, die Endwände sowohl an ihrem Fußpunkt als auch an ihrer Spitze aufweisen, können die konvexe und konkave Krümmung innerhalb von 10 % der Spannweite jeder Endwand angelegt werden. In manchen Fällen können sich die konvexe und konkave Krümmung der Krümmungslinie CR und der Dickeverteilung TR (siehe beispielsweise 9) über die oben beschriebenen Bereiche hinaus erstrecken.
-
Gemäß 3 kann das Schaufelblatt 10, das eine Krümmungslinie CR und eine Dickeverteilung TR aufweist, die sowohl konvex als auch konkav sind, an steigenden radialen Positionen sich verändernde Flächeneigenschaften aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel weist das Schaufelblatt 10 entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts 10 wenigstens erste, zweite, dritte und vierte Topographien 20, 30, 40 bzw. 50 auf. Wie in 4-8 gezeigt, entsprechen diese Topographien Schnittlinien 5-5 (Topographie 20, in 5 gezeigt), 6-6 (Topographie 30, in 6 gezeigt), 7-7 (Topographie 40, in 7 gezeigt) bzw. 8-8 (Topographie 50, in 8 gezeigt), die jeweils durch die perimetrische Ansicht der Spannweite und des Sehnenblatts 10 von 4 geschnitten sind.
-
In einem Ausführungsbeispiel bilden die Flächeneigenschaften der Saugfläche 11 und der Druckfläche 12, wie es in 5 gezeigt ist, bei dem lokalen Spannweitenabschnitt des Schaufelblatts 10, der der Topographie 20 entspricht, in der Nähe der Vorderkante und Hinterkante des Schaufelblatts 10 einen verhältnismäßig irregulären Nasenabschnitt 21 bzw. einen verhältnismäßig irregulären Endabschnitt 22. D.h., der Nasenabschnitt 21 ist bei dem lokalen Spannweitenabschnitt des Schaufelblatts 10, der der Topographie 20 entspricht, an seiner Eintrittsöffnung mit gegenüberliegenden zurückgesetzten Bereichen 23 und 24 ausgebildet, während der Endabschnitt 22 durch einen einzelnen zurückgesetzten Bereich 25 charakterisiert ist.
-
Wie aufeinander folgend in 6-8 gezeigt, weisen die Spannweitenabschnitte des Schaufelblatts 10, die den Topographien 30, 40 und 50 des Schaufelblatts 10 entsprechen, Merkmale auf, die mit dem Fortschreiten entlang der radialen Richtung des Schaufelblatts 10 zunehmend unbedeutend werden. Beispielsweise werden die entsprechenden Formen des Nasenabschnitts 21 und des Endabschnitt 22 zunehmend ebenmäßig. D.h. der Nasenabschnitt 21 kann bei einer radialen Position des Schaufelblatts 10 verhältnismäßig wulstförmig sein und entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts 10 seine Wulstform allmählich verlieren. In ähnlicher Weise kann der Endabschnitt 22 bei einer radialen Position des Schaufelblatts 10 in Richtung der Turbinenstufenrotation gekrümmt sein, wobei die Krümmung entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts 10 abnimmt und/oder möglicherweise die Richtung umkehrt. Schließlich kann die Anzahl von Vorzeichenwechseln, wie in 8 gezeigt, entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts 10 gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt, der der Topographie 20 entspricht, bis Null abnehmen. Dementsprechend ähnelt der Spannweitenabschnitt der Schaufel 10, der der Topographie 50 entspricht, weitgehend einem üblichen Schaufelblatt.
-
Während 4-8 gemeinsam veranschaulichen, wie die Anzahl von Vorzeichenwechseln der Krümmungslinie CR und der graphischen Darstellung der Dickeverteilung TR gegen Null abnimmt, versteht sich, dass unterschiedliche Ausprägungen verwendet werden können. Beispielsweise können einige topographische Merkmale bei einer speziellen Sehnenposition eines Schaufelblatts entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts zunehmend unbedeutender werden, ohne zu bewirken, dass die Krümmungslinie CR oder die Dickeverteilungslinie TR des Schaufelblatts an jener speziellen Sehnenposition das Vorzeichen wechselt.
-
Wie in 9 gezeigt, kann ein zweites Schaufelblatt 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Sehnenlänge CL aufweisen, die an zwei oder mehr radialen (oder Spannweite-) Positionen im Wesentlichen gleichförmig ist, bei denen die Flächeneigenschaften zusammenwirkend die Krümmungslinie CR und die Dickeverteilung TR so definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen. In diesem Fall erstrecken sich die konvexe und konkave Krümmung der Krümmungslinie CR und der Dickeverteilung TR des Schaufelblatts 100 über die oben beschriebenen Bereiche hinaus. Dementsprechend werden die zusätzlichen Topographien 200, 300, 400 und 500, die nicht unbedingt in der Nähe des Fußpunkts oder der Spitze angeordnet sind, mit dem Fortschreiten entlang der radialen Richtung zunehmend unbedeutend.
-
Gemäß weiteren Aspekten ist ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zum Ausbilden einer Druck- und einer Saugfläche einer Schaufel geschaffen, mit den Schritten: Analysieren eines dreidimensionalen Strömungspfads von Fluid, das über das Schaufelblatt strömt; und Entwerfen von sich in radialer Richtung entsprechenden Flächeneigenschaften der Druck- und Saugflächen an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Schaufelblatts, um gemäß der Analyse zusammenwirkend eine Krümmungslinie und eine Dickeverteilungslinie des Schaufelblatts so zu definieren, dass sie jeweils einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen.
-
Gemäß dem Verfahren kann der Schritt des Entwerfens außerdem beinhalten, die Flächeneigenschaften entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt so zu verändern, dass die Anzahl von Vorzeichenwechseln abnimmt. Dabei werden die Änderungen zur Folge haben, dass die Anzahl von Vorzeichenwechseln bis Null abnimmt.
-
Geschaffen ist ein Schaufelblatt 10, das eine Druckfläche 12 und eine Saugfläche 11 aufweist. Radial entsprechende Flächeneigenschaften der Druck- und Saugflächen 12, 11 bei einem lokalen Spannweitenabschnitt des Schaufelblatts 10 sind ausgebildet, um zusammenwirkend eine Krümmungslinie CR und eine Dickeverteilungslinie TR des Schaufelblatts 10 so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen. Die Anzahl von Vorzeichenwechseln nimmt entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts 10 gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt ab.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Schaufelblatt
- 11
- Saugfläche
- 12
- Druckfläche
- CR
- Krümmungslinie
- TR
- Dickeverteilungslinie
- 20
- Erste Topographie
- 21
- Nasenabschnitt
- 22
- Endabschnitt
- 23, 24, 25
- Zurückgesetzte Bereiche
- 30
- Zweite Topographie
- 40
- Dritte Topographie
- 50
- Vierte Topographie
- 100
- Zweites Schaufelblatt
- 200, 300, 400, 500
- Zusätzliche Topographien
- CL
- Sehnenlänge
