CH698099A2

CH698099A2 - Innenkernprofil eines Turbinenschaufel-Deckblatts.

Info

Publication number: CH698099A2
Application number: CH01826/08A
Authority: CH
Inventors: Robert Alan Brittingham; Linda Jean Farral; James Zhang; Charles Malinowski
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2009-05-29
Also published as: US7976280B2; US20090136347A1; CN101446209B; CN101446209A; JP2009133312A; DE102008037559A1

Abstract

Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt 64), das ein hohles Deckblatt (36) aufweist, wobei dieses hohle Deckblatt einen Hohlkern aufweist, dessen Nennprofil im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten von X, Y und Z entspricht, die in Tabelle I in Zoll aufgeführt sind, wobei die Form des Kerns durch die Wolke der aufgelisteten Punkte definiert wird, die um jede Fläche des Deckblatts herum verteilt sind, und der ganze hohle Abschnitt des Deckblatts konstruiert werden kann, indem glatte Blechflächen durch die aufgelisteten Punkte hindurch definiert werden.

Description

Stand der Technik

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinenschaufeln mit einem Schaufelblatt und einem Deckblatt, das vom Schaufelblatt getragen wird. Insbesondere betrifft die Erfindung das Innenkernprofil eines Deckblatts, der von einem Schaufelblatt einer Turbinenschaufel getragen wird. Auch wenn die Erfindung vor allem für eine Gasturbine vorgesehen ist, kann die Verwendung eines skalierten Designs auf eine Dampfturbine oder ein Flugzeugtriebwerk anwendbar sein.

[0002] Schaufeln für Turbinen umfassen typischerweise ein Schaufelblatt, eine Plattform, einen Schaft und einen Schwalbenschwanz. Der Schwalbenschwanz ist in einem komplementären Schlitz in einem Turbinenrad befestigt. Oftmals weist das Schaufelblatt ein integral geformtes Deckblatt auf. Die Schaufeln einschliesslich des Schaufelblatts und des Deckblatts sind natürlich während des Betriebs um die Triebwerkslängsachse herum drehbar, und das Schaufelblatt und das Deckblatt liegen im Heissgasweg. Weil das Deckblatt auf der Spitze des Schaufelblatts befestigt ist, treten in der Deckblatt-Übergangsregion zwischen dem Deckblatt und der Schaufelblattspitze wesentliche Belastungen auf. Deckblätter, ob hohl oder voll, sind typischerweise ausgelegt, um die Masseverteilung des Deckblatts um die Oberseite des Schaufelblatts herum aus zugleichen.

Ein Vorteil des hohlen Deckblatts ist, dass es zwar ein Deckblatt mit reduziertem Gewicht bereitstellt, aber eine erhebliche strukturelle Steifigkeit beibehält. Dies führt zu allgemein geringeren Belastungen in der Übergangsregion vom Schaufelblatt zum Deckblatt und zu einer Verbesserung des Kriechverhaltens. Zudem überdecken gewisse frühere Deckblätter nicht den Strömungskanal, was aufgrund von Strömungslecks über das Deckblatt hinweg negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Stufe zur Folge hat.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0003] Einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäss wird ein Herstellungsartikel bereitgestellt, umfassend ein Schaufelblatt mit einem hohlen Deckblatt, wobei dieses hohle Deckblatt einen Hohlkern aufweist, dessen Nennprofil im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten von X, Y und Z entspricht, die in Tabelle I in Zoll aufgeführt sind, wobei die Form des Kerns durch die Wolke der aufgelisteten Punkte definiert wird, die um jede Fläche des Deckblatts herum verteilt sind, und der ganze hohle Abschnitt des Deckblatts konstruiert werden kann, indem glatte Blechflächen durch die aufgelisteten Punkte hindurch definiert werden.

[0004] Die Erfindung kann auch in einem Herstellungsartikel ausgeführt werden, umfassend ein Schaufelblatt mit einem hohlen Deckblatt, wobei dieses hohle Deckblatt einen Hohlkern aufweist, dessen Nennprofil im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten von X, Y und Z entspricht, die in Tabelle I in Zoll aufgeführt sind, in einem kartesischen Koordinatensystem, das seinen Ursprung an einem Punkt A hat, der 39, 600 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse an einem Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Vorderkantenfläche des Schaufelblatts liegt, dessen positive X-Achse durch den Punkt A und einen Punkt B definiert wird, der 39,600 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse an einem Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Hinterkantenfläche des Schaufelblatts liegt, dessen positive X-Z-Ebene durch die Punkte A,

B und einen Punkt C definiert wird, der 49,862 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse an einem Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Hinterkantenfläche des Schaufelblatts liegt, und dessen Y-Achse durch Anwendung der Rechte-Hand-Regel definiert wird, und wobei X, Y und Z Entfernungen in Zoll sind, wobei die Form des Kerns durch die Wolke der aufgelisteten Punkte definiert wird, die um jede Fläche des Deckblatts herum verteilt sind, und der ganze hohle Abschnitt des Deckblatts konstruiert werden kann, indem glatte Blechflächen durch die aufgelisteten Punkte hindurch definiert werden.

[0005] Die Erfindung kann ausserdem in einem Herstellungsartikel ausgeführt werden, umfassend ein Turbinenrad mit einer Vielzahl von Schaufeln, wobei jede dieser Schaufeln ein Schaufelblatt und ein hohles Deckblatt umfasst, wobei dieses hohle Deckblatt einen Hohlkern mit einem Nennprofil aufweist, das im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten von X, Y und Z entspricht, die in Tabelle I in Zoll aufgeführt sind, wobei die Form des Kerns durch die Wolke der aufgelisteten Punkte definiert wird, die um jede Fläche des Deckblatts herum verteilt sind, und der ganze hohle Abschnitt des Deckblatts konstruiert werden kann, indem glatte Blechflächen durch die aufgelisteten Punkte hindurch definiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0006] Diese und weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung gehen aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor, wobei:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung eines Turbinen-

<tb><sep>querschnitts mit einem Deckblatt einer Turbinenschaufel der zweiten Stufe ist, das ein vorbestimmtes Deckblatt-Kernprofil nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;

<tb>Fig. 2<sep>ein Turbinenblatt mit einem vollen Deckblatt veranschaulicht;

<tb>Fig. 3<sep>das Turbinenblatt von Fig. 2zeigt, wobei das Oberteil des Deckblatts entlang der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie entfernt wurde, um die Form des inneren Hohlraums erkennen zu lassen;

<tb>Fig. 4<sep>ein Grundriss des Deckblatts von Fig. 2ist; und

<tb>Fig. 5<sep>eine andere Innenansicht des Deckblatts ist, diesmal entlang der in Fig. 4 gezeigten Schnittlinie.

<tb>Fig. 6<sep>eine schematische perspektivische Ansicht des Turbinenschaufelblatts ist, die Punkte darstellt, die zur Bestimmung des Koordinatensystems verwendet werden, das zur Bestimmung der Koordinaten für die in Tabelle 1 aufgeführten Punkte benutzt wird; und

<tb>Fig. 7<sep>eine perspektivische Ansicht ist, die ebenfalls das Koordinatensystem zeigt, das zur Bestimmung der in Tabelle 1 aufgeführten Punkte benutzt wird.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

[0007] Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, insbesondere auf Fig. 1, wird ein allgemein mit 10 bezeichneter Heissgasweg einer Gasturbine 12 gezeigt, die eine Vielzahl von Turbinenstufen aufweist. Drei Stufen sind dargestellt. Zum Beispiel umfasst die erste Stufe eine Vielzahl von in der Umfangsrichtung beabstandeten Düsen 14 und Schaufeln 16. Die Düsen sind in der Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Achse des Rotors herum befestigt. Die Schaufeln 16 der ersten Stufe sind natürlich auf dem Turbinenrotorrad 17 montiert. Auch eine zweite Stufe der Turbine 12 wird gezeigt, die eine Vielzahl von in der Umfangsrichtung beabstandeten Düsen 18 und eine Vielzahl von in der Umfangsrichtung beabstandeten Schaufeln 20 umfasst, die auf dem Rotor montiert sind.

Die dritte Stufe wird ebenfalls gezeigt, mit einer Vielzahl von in der Umfangsrichtung beabstandeten Düsen 22 und Schaufeln 24, die auf dem Rotor 17 montiert sind. Es ist anzumerken, dass die Düsen und Schaufeln im Heissgasweg 10 der Turbine 12 liegen, wobei die Strömungsrichtung des Heissgases durch den Heissgasweg 10 durch den Pfeil 26 angezeigt wird.

[0008] Jede Schaufel 20 der zweiten Stufe ist mit einer Plattform 30, einem Schaft 32 und einem Schwalbenschwanz 34 (Fig. 3) zur Verbindung mit einem komplementär geformten Gegenschwalbenschwanz (nicht gezeigt) auf einem Rotorrad versehen, der Bestandteil des Rotors 17 ist. Jede der Schaufeln 20 der zweiten Stufe umfasst auch ein Schaufelblatt 34 (Fig. 2), das an jedem Querschnitt entlang des Schaufelblatts von der Plattform bis zur Schaufelblattspitze ein Schaufelblattprofil aufweist.

[0009] Jede der Schaufeln der zweiten Stufe ist mit einem Deckblatt versehen, das allgemein mit 36 bezeichnet wird. Die Deckblätter sind bevorzugt mit den Schaufelblättern 34 aus einem Stück geformt, und jedes Deckblatts 36 greift an in der Umfangsrichtung entgegengesetzten Enden in benachbarte Deckblätter benachbarter Schaufeln ein, um einen allgemein ringförmigen Ring oder Mantel zu formen, der den Heissgasweg an der axialen Stelle der Schaufeln der zweiten Stufe umschreibt. Das Deckblatt 36 jeder Schaufel 20 der zweiten Stufe umfasst erste und zweite, vordere und hintere Dichtschienen 42, 44 entlang seiner radialen Aussenseite, und diese Dichtschienen 42, 44 formen nahezu durchgehende Dichtringe um das Deckblatt herum zur Abdichtung mit dem Mantel 4 6 (Fig. 1), der am Turbinengehäuse befestigt ist.

In dieser Hinsicht ist in einer beispielhaften Ausführungsform die vordere Dichtschiene 42 nicht mit der entsprechenden Dichtschiene auf der benachbarten Schaufel in Kontakt, doch die hintere Dichtschiene 44 ist tatsächlich mit der entsprechenden Dichtschiene auf der benachbarten Schaufel in Kontakt.

[0010] Turbinenschaufelblätter werden aufgrund der thermischen und mechanischen Belastungen in einer rauen Umgebung betrieben. Zudem werden Schaufelblätter, die ein Deckblatt haben, mit zusätzlichen Herausforderungen konfrontiert. Deckblätter liegen am äussersten Ende eines Schaufelblatts, siehe Fig. 1, wodurch sie wegen der Umdrehungsgeschwindigkeit einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Deshalb ist es schwer, ein nicht gekerbtes Deckblatt an ein Schaufelblatt anzubringen. Dies geht mit der Anforderung einher, dass das Gewicht des Schaufelblatts einen bestimmten Maximalwert nicht übersteigen darf. Diese Zwänge verdeutlichen den Vorteil einer hohlen Turbinendeckblatts.

[0011] Um die Hülle oder das Volumen zu definieren, worin das erfindungsgemässe Kerndesign sich befindet, gibt es einen einmaligen Satz oder Orte von Punkten im Raum. Die Orte, welche die Hülle oder das Volumen definieren, worin das Kerndesign sich befindet, umfassen einen Satz aus 789 Punkten mit X-, Y- und Z-Koordinaten relativ zum Ursprungskoordinatensystem, das wie in Fig. 6 und 7 gezeigt bestimmt wird. Das heisst, das Koordinatensystem wird relativ zum Schaufelblatt festgelegt und wird durch die Punkte A, B und C vollständig definiert. Die Punkte A und B liegen beide 39,600 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse. Punkt A liegt am Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Vorderkantenfläche des Schaufelblatts. Punkt B liegt am Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Hinterkantenfläche des Schaufelblatts.

Punkt C liegt 49,862 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse und liegt am Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Hinterkantenfläche des Schaufelblatts. Der Ursprung des Koordinatensystems liegt bei Punkt A. Die Punkte A und B definieren die positive X-Achse. Die Punkte A, B und C definieren die positive X-Z-Ebene. Die Y-Achse wird dann durch Anwendung der Rechte-Hand-Regel definiert.

[0012] Das kartesische Koordinatensystem mit den X-, Y- und Z-Werten, die unten in Tabelle I gegeben werden, definieren den ganzen hohlen Abschnitt des Deckblatts. Das heisst, die Form des Kerns wird durch die Wolke der aufgelisteten Punkte definiert, die um jede Fläche des Deckblatts herum verteilt sind, und der ganze hohle Abschnitt des Deckblatts kann konstruiert werden, indem glatte Blechflächen durch die aufgelisteten Punkte hindurch definiert werden. Die Koordinatenwerte für die X-, Y- und Z-Koordinaten sind in Tabelle I in Zoll angegeben, auch wenn andere Masseinheiten verwendet werden können, wenn die Werte entsprechend umgewandelt werden.

[0013] Die Werte von Tabelle I wurden erzeugt und auf 3 Dezimalstellen genau angegeben, um das Profil des Deckblattkerns zu bestimmen. Diese Punkte stellen die Nennkalt- oder -raumtemperaturform des Deckblattkerns dar. Wenn die Schaufel sich in Betrieb erhitzt, verursachen die mechanische Belastung und die Temperatur eine Änderung in den X-, Y- und Z-Werten. Demnach stellen die in Tabelle 1 gegebenen Werte für das Profil Umgebungsbedingungen ausser Betrieb und im nicht warmen Zustand dar.

[0014] Es gibt typische Fertigungstoleranzen und Beschichtungen, die im Istprofil des Deckblattkerns zu berücksichtigen sind. Deshalb ist anzumerken, dass die typischen +/-Fertigungstoleranzen, d.h., die +/- Werte einschliesslich aller Schichtdicken sich zusätzlich zu den in Tabelle I unten genannten X- und Y-Werten verstehen. Demnach definiert eine Entfernung von +/- 0,042 Zoll in einer Richtung normal zu jeder Oberflächenstelle entlang des Deckblattkernprofils eine Deckblattkern-Profilhülle für dieses spezifische Schaufeldeckblattdesign und diese Turbine, d.h., einen Schwankungsbereich zwischen den tatsächlich gemessenen Punkten auf der Deckblattkernoberfläche bei Nennkalt- oder -raumtemperatur und der Ideal-Position dieser Punkte, wie sie in der Tabelle unten bei derselben Temperatur gegeben wird.

Das Schaufeldeckblatt-Kerndesign ist für diesen Schwankungsbereich robust, ohne dass die mechanischen Funktionen beeinträchtigt werden.
<EMI ID=2.1>
<EMI ID=3.1>
<EMI ID=4.1>
<EMI ID=5.1>
<EMI ID=6.1>
<EMI ID=7.1>

[0015] Es ist auch anzumerken, dass der in der obigen Tabelle I offenbarte Deckblattkern zur Verwendung in anderen vergleichbaren Turbinendesigns geometrisch aufwärts oder abwärts skalierbar ist. Folglich können die Koordinatenwerte, die in Tabelle I aufgeführt sind, derart aufwärts oder abwärts skaliert werden, dass die Profilform des Deckblattkerns unverändert bleibt. Die skalierte Version der Koordinaten in Tabelle I kann durch X-, Y- und Z-Koordinatenwerte von Tabelle I dargestellt werden, die mit einer konstanten Zahl multipliziert oder durch diese dividiert werden.

[0016] Ein wichtiger Begriff in dieser Offenbarung ist das Profil. Das Profil ist der Bereich der Schwankung zwischen den auf der Deckblattkernoberfläche gemessenen Punkten und der in Tabelle I aufgelisteten Idealposition. Das tatsächliche Profil eines hergestellten Schaufelblatts wird von dem in Tabelle I abweichen, und das Design ist dieser Schwankung gegenüber robust, was bedeutet, dass die mechanische Funktion nicht beeinträchtigt wird. Wie oben erwähnt, wird hierin eine Profiltoleranz von + oder -0,042 Zoll verwendet.

[0017] Hohle Turbinenschaufel-Deckblätter sind vorteilhaft zur Herstellung von Hochleistungsturbinenschaufeln. Dieser spezifische Satz von Punkten definiert einen Deckblattkern zur Verwendung bei einer 7FA+e Schaufel der Stufe 2, und insbesondere, wenn er mit einem vorgeschriebenen Deckblatt-Aussenprofil gekoppelt ist, optimiert er die Wanddickeverteilung, die Übertragung der mechanischen Belastung und die Wärmeübertragungsverteilung.

[0018] Auch wenn die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktischste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, versteht es sich, dass die Erfindung sich nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die im Geist und Umfang der beiliegenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Herstellungsartikel (20), umfassend ein Schaufelblatt (34) mit einem hohlen Deckblatt (36), wobei dieses hohle Deckblatt einen Hohlkern aufweist, dessen Nennprofil im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten von X, Y und Z entspricht, die in Tabelle I in Zoll aufgeführt sind, wobei die Form des Kerns durch die Wolke der aufgelisteten Punkte definiert wird, die um jede Fläche des Deckblatts herum verteilt sind, und der ganze hohle Abschnitt des Deckblatts konstruiert werden kann, indem glatte Blechflächen durch die aufgelisteten Punkte hindurch definiert werden.

2. Herstellungsartikel nach Anspruch 1, der eine Turbinenschaufel definiert, die Teil einer zweiten Stufe einer Turbine ist.

3. Herstellungsartikel nach Anspruch 1, wobei die Hohlkernform in einer Hülle im Bereich von +/- 0,042 Zoll in einer Richtung normal zu jeder Stelle der Hohlkernoberfläche liegt.

4. Herstellungsartikel nach Anspruch 1, wobei die X-, Y- und Z-Entfernungen als eine Funktion derselben Konstante oder Zahl skalierbar sind, um einen aufwärts skalierte oder abwärts skalierte Schaufelspitzenmantel zu ergeben.

5. Herstellungsartikel nach Anspruch 2, wobei das kartesische Koordinatensystem seinen Ursprung an einem Punkt A hat, der 39, 600 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse an einem Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Vorderkantenfläche des Schaufelblatts liegt, seine positive X-Achse durch den Punkt A und einen Punkt B definiert wird, der 39 600 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse an einem Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Hinterkantenfläche des Schaufelblatts liegt, seine positive X-Z-Ebene durch die Punkte A, B und einen Punkt C definiert wird, der 49 862 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse an einem Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Hinterkantenfläche des Schaufelblatts liegt, und seine Y-Achse durch Anwendung der Rechte-Hand-Regel definiert wird.

6. Herstellungsartikel nach Anspruch 5, wobei die Hohlkernform in einer Hülle im Bereich von +/- 0,042 Zoll in einer Richtung normal zu jeder Stelle der Hohlkernoberfläche liegt.

7. Herstellungsartikel (12), umfassend ein Turbinenrad (17) mit einer Vielzahl von Schaufeln (20), wobei jede dieser Schaufeln ein Schaufelblatt (34) mit einem hohlen Deckblatt (36) wie in Anspruch 1 definiert aufweist.

8. Herstellungsartikel nach Anspruch 7, der eine Gasturbine (12) definiert, und wobei das Turbinenrad eine zweite Stufe der Turbine umfasst.

9. Herstellungsartikel nach Anspruch 8, wobei die kartesischen Koordinatenwerte von X, Y und Z, die in Tabelle I aufgeführt sind, in einem kartesischen Koordinatensystem sind, das seinen Ursprung an einem Punkt A hat, der 39, 600 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse an einem Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Vorderkantenfläche des Schaufelblatts liegt, dessen positive X-Achse durch den Punkt A und einen Punkt B definiert wird, der 39, 600 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse an einem Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Hinterkantenfläche des Schaufelblatts liegt, dessen positive X-Z-Ebene durch die Punkte A, B und einen Punkt C definiert wird, der 49,

862 Zoll über der Kaltrotor-Längsachse an einem Schnittpunkt der mittleren Wölbungslinie des Schaufelblatts und der Hinterkantenfläche des Schaufelblatts liegt, und dessen Y-Achse durch Anwendung der Rechte-Hand-Regel definiert wird.

10. Herstellungsartikel nach Anspruch 7, wobei die X-, Y- und Z-Entfernungen als eine Funktion derselben Konstante oder Zahl skalierbar sind, um ein aufwärts skaliertes oder abwärts skaliertes Schaufeldeckblatt zu ergeben.