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Dokumentenidentifikation DE69328786T2 26.10.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0670956
Titel DÄMPFUNGSEINRICHTUNG FÜR GASTURBINENSCHAUFELN
Anmelder United Technologies Corp., Hartford, Conn., US
Erfinder CHLUS, A., Wieslaw, Wethersfield, US;
GONSOR, Michael, Hebron, US;
HOUSTON, P., David, Glastonbury, US;
KUDRA, D., Paul, Glastonbury, US
Vertreter Patentanwälte Dr. Solf & Zapf, 81543 München
DE-Aktenzeichen 69328786
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 09.11.1993
EP-Aktenzeichen 949013536
WO-Anmeldetag 09.11.1993
PCT-Aktenzeichen US9310803
WO-Veröffentlichungsnummer 9412773
WO-Veröffentlichungsdatum 09.06.1994
EP-Offenlegungsdatum 13.09.1995
EP date of grant 31.05.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse F01D 5/26

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Gasturbinenmotoren, und insbesondere das Dämpfen von Turbinenschaufeln und das Verringern von Ventilationsverlusten.

Hintergrund der Erfindung

In einem Gasturbinenmotor sind Flügelblattschaufeln an einer Turbinenscheibe befestigt und werden durch heißes Hochdruckgas angetrieben. Bei den Schaufeln handelt es sich um Flügelblätter mit einem Hals, welcher jedes Flügelblatt mit einem Fuß verbindet, der die Schaufel an der Scheibe festlegt. Bei diesem Fuß handelt es sich häufig um einen vom Schwalbenschwanztyp, der in der Scheibe axial oder schräg zu der Achse gleitet. An der Basis jedes Flügelblatts und über dem Hals befindet sich eine Schaufelblattform. Bei Hochtemperaturturbinen ist diese häufig in Segmente unterteilt, wobei jede Schaufel unabhängig von der benachbarten Schaufel ist. Die Schaufeln sind deshalb für Vibrationen bzw. Schwingungen anfällig, was zu einem hohen Pegel an wiederholter Spannung führen kann. Ein Dämpfen der Vibrationen von jeder Schaufel ist erforderlich, um diese hohen Pegel wiederholter Spannung zu vermeiden.

Die Schaufeln werden mit hohen Kräften und unter hohen Temperaturen betrieben, wodurch die Grenzen des Materials erreicht werden. Diese Schaufeln werden deshalb mit Luft niedrigerer Temperatur gekühlt und die spezielle Belastung der Schaufel ist von Belang.

Die Turbinen werden mit einer hohen Drehzahl, wie etwa 15.000 UpM betrieben, was zu einer hohen Zentrifugalkraft in der Größenordnung von 70.000 G führt. Dies erzeugt eine hohe Last auf dem Fuß und außerdem eine hohe Belastung in der Scheibe. Das Gewicht der an der Scheibe befestigten Komponenten ist deshalb von Belang, und zwar nicht nur hinsichtlich des gesamten Motorengewichts, sondern auch hinsichtlich der durch die Drehkräfte hervorgerufenen Scheibenbelastung. Die hohe Scheibenbelastung führt zu einer größeren Schräge und zu einem noch größeren Motorgewicht.

In den sich drehenden Komponenten auftretende Ventilationsverluste führen zu einem verringerten Leistungsvermögen und zu einem Erhitzen der Kühlluft. Es ist erwünscht, diese Verluste zu verringern. Die Druckschrift US- A-3 112 915 gemäß dem Stand der Technik offenbart eine Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des vorliegenden Anspruchs 1.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Gasturbine umfaßt eine eine Mehrzahl von Schaufeln tragende Scheibe. Eine stromaufwärtige Rotordichtung und eine stromabwärtige Rotordichtung blockieren einen Teil der Kühlströmung, die anderweitig unter den Schaufeln hindurchströmen würde. Die Schaufel umfaßt ein Flügelblatt und eine darunter angeordnete Schaufelblattform. Der Hals über der Plattform besitzt im wesentlichen die Form einer Fortsetzung des Flügelblatts und überträgt die Kraft hinunter zu dem Fuß.

Die Plattform von jeder Schaufel besitzt einen freitragenden stromaufwärtigen Abschnitt, der einer hohen zentrifugalen Belastung unterworfen ist, und unter der Plattform eine Ausrundung, welche in den Hals strakt. Die Plattform weist eine Seitenkante auf der konkaven Seite der Schaufel und eine Seitenkante auf der konvexen Seite der Schaufel auf, die parallel zueinander verlaufen. Ein integrales Teil aus Dämpfer und Ventilationsverluste-Abdeckung ist unter diesen Plattformen angeordnet.

Der längliche bzw. verlängerte Dämpfer weist einen Berührungsabschnitt und einen Ventilationsverluste- Abdeckungsabschnitt auf. Der Berührungsabschnitt berührt die Unterseite von zwei benachbarten Schaufelplattformen. Die Ventilationsverluste-Abdeckung ist ausgehend von stromaufwärtigen Ende des Berührungsabschnitts freitragend. Sie ist mit derselben Krümmung wie die darunterliegende Auskantung geformt und fluchtet mit der darunterliegenden Ausrundung. Die Ventilationsverluste-Abdeckung ist außerdem so angeordnet, daß sie nicht in Berührung mit der Schaufelplattform steht, wodurch vermieden wird, daß auf den freitragenden Abschnitt eine Last ausgeübt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Gasturbinenmotors;

Fig. 2 zeigt einen Seitenabschnitt des an Ort und Stelle positionierten Dämpfers,

Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht des an Ort und Stelle positionierten Dämpfers,

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Dämpfers,

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht des Dämpfers,

Fig. 6 zeigt die konvexe Seite der Schaufel,

Fig. 7 zeigt eine konkave Seite der Schaufel, und

Fig. 8 zeigt eine Ansicht des an Ort und Stelle plazierten Dämpfers von unten.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 ist eine Gasturbine 10 mit einem rückwärtigen Verdichter 12 gezeigt, der Luft unter hohem Druck zu einem Vergasungsbrenner 14 liefert. Die Verbrennungsgase durchsetzen Leitschaufeln 16 zum Antreiben von Schaufeln 18, die an einer Scheibe 20 befestigt sind. Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Schaufel 18 ein Flügelblatt 22 mit einer Schaufelplattform 24 darunter umfaßt. Ein Hals 26 ist unter der Plattform angeordnet. Dieser stellt im wesentlichen eine Verlängerung der Flügelplattform dar, um durch den Hals einen geeigneten Lastpfad bereitzustellen. Eine stromaufwärtige, sich unter der Plattform befindliche Ausrundung 28 mit einem großzügigen Radius ist angeordnet, um in die Fläche 30 des Halses zu straken. Dies erbringt einen geeigneten Lastpfad zur Übertragung einer hohen Zentrifugalbelastung des freitragenden stromaufwärtigen Abschnitts 32 der Plattform 24. Unter dem Hals befindet sich ein Fuß 34 in Schwalbenschwanzform, der an entsprechenden Schwalbenschwanzöffnungen in der Scheibe 20 festgelegt ist.

Eine Strömung von Kühlluft 36 wird ausgehend von dem Verdichteraustrag zugeführt, wobei Teil dieser Strömung die Öffnung 38 durchsetzt, um den Eintrag von heißem Gas aus der Gasströmung 40 zu verändern. Eine stromaufwärtige Rotordichtung 42 und eine stromabwärtige Rotordichtung 44 blockieren jegliche Strömung von Kühlluft durch den Schaufelverbindungsbereich in dem Fußabschnitt 34 der Schaufeln. Offensichtlich existiert eine Öffnung zwischen benachbarten Schaufeln zwischen Ausrundungen 28 in die unter der Schaufel befindliche Zone 46 unter den Schaufelplattformen benachbarter Schaufeln. Diese stromabwärtige Rotordichtung 44 dient dazu, das Strömen dieser Kühlluft zu dem stromabwärtigen Volumen 48 zu verhindern. Eine potientielle Leckage dieser Luft kann zwischen benachbarten Schaufelplattformen durch einen Freiraum 50 stattfinden (Fig. 3).

In bestimmten Fällen werden Dichtungen angebracht, um eine Luftströmung durch den Freiraum bzw. die Öffnung 50 zu verhindern. Dabei ist erwünscht, daß der stromaufwärtige Abschnitt dieser Öffnung begrenzt aber nicht vollständig abgedichtet ist. Es ist wünschenswert, daß ausreichend Kühlluft zum Kühlen der Plattform strömt, während eine übermäßige Strömung zu einem Verlust an Wirkungsgrad führen würde. Der Kühlluftdruck wird durch die Druckdifferenz durch die Öffnung 38 auf den Gasstromdruck gebracht. Zwischen der Zone 46 und dem. Gasstrom liegt eine geringfügige Druckdifferenz vor. Eine dichte Abdichtung an diesem stromaufwärtigen Ende ist nicht erwünscht, so daß Schaufelplattform-Kühlluft hindurchzutreten vermag.

Der sich unter der Schaufel befindliche Dämpfer 52 ist in Fig. 4 und 5 getrennt und in Fig. 2 und 3 installiert gezeigt. Der Dämpfer umfaßt einen Berührungsabschnitt 54 und einen Ventilationsverluste-Abdeckungsabschnitt 56. Der Berührungsabschnitt ist dazu ausgelegt, mit der Unterseite der Plattform einen Linienkontakt zu bilden. Aufgrund der Dämpfungsfunktion und der begrenzten Dichtungsanforderung sollte dieser Berührungsabschnitt im Vergleich zu einer üblichen Dichtung starr sein.

Der Ventilationsverluste-Abdeckungsabschnitt 56 ist frei tragend ausgehend von stromaufwärtigen Ende des Berührungsabschnitts 54. Er ist mit einer Ausrundung 58 geformt, die eine Krümmung 58 besitzt, die dieselbe ist, wie die Krümmung der sich unter der Schaufel befindlichen Ausrundung 28. Sie ist zwischen den benachbarten Schaufeln angeordnet, wobei die Abdeckungsabschnittoberfläche, die durch die Ausrundung 58 festgelegt ist, im wesentlichen mit der Oberfläche der sich unter der Plattform befindlichen Ausrundung 58 benachbarter Schaufeln befindet bzw. mit dieser fluchtet. In der installierten Position befindet sich der Ventilationsverluste-Abdeckungsabschnitt 56 nicht in Berührung mit der Plattform 24 und insbesondere ihrem frei tragenden Abschnitt 32. Die Beibehaltung dieses freien Raums 60 vermeidet unter allen Umständen eine Belastung des bereits hoch belasteten frei tragenden Abschnitts 32 durch den Vibrations- bzw. Schwingungsdämpfer.

Der Berührungsabschnitt von jedem Dämpfer umfaßt eine Dämpfungsoberfläche 62, die bogenförmig verläuft, und mit der Form der sich unter der Plattform befindlichen Oberfläche 64 der Schaufel übereinstimmt. Angeordnet ist diese derart, daß sie gegen zwei benachbarte Schaufelplattformen reibt. Wenn der Motor sich mit 15.000 UpM dreht und die Masse des Dämpfers 4,7 gms beträgt, wird gegen die Unterseite der benachbarten Dämpfer ein Kraft von 3150 Newton ausgeübt. Wenn der Dämpfer ein unzureichendes Gewicht besitzt, erzeugt er nicht ausreichend Reibung, um die Schaufeln zu dämpfen. Wenn er ein zu großes Gewicht hat, gelangt er zur Blockade auf dem einen oder anderen oder möglicherweise auf beiden Plattformen und ist dadurch unwirksam.

Da der Ventilationsverluste-Abdeckungsabschnitt 56 seinerseits frei von der Plattform ist, ist das Gewicht dieses Abschnitts in dem Gesamtgewicht des Dämpfers enthalten, der unter der Plattform arbeitet. Da ein gegebenes Gewicht erforderlich ist, um den Dämpfungsvorgang durchzuführen, ist das Gewicht der Ventilationsverluste- Abdeckung 56 umfaßt, und aus dem zusätzlichen Gewicht dieser Ventilationsverluste-Abdeckung ergeben sich keine Nachteile.

Fig. 7 zeigt die konkave Seite 76 der Schaufel 18. Da die hohe Last von dem Flügelblatt 32 auf den Fuß 34 übertragen werden muß, bildet der Hals 26 der Schaufel im wesentlichen eine Fortsetzung der Flügelblattform des Flügelblatts. Sich über den Umfang erstreckende Schaufelzungen 78 sind auf dem Fuß zum Anordnen und Rückhalten des Vibrationsdämpfers 52 vorgesehen. Fig. 6 zeigt die konvexe Seite 80 der Schaufel 18. Der Hals 26 trägt Schaufelzungen 82 zum Rückhalten des Vibrationsdämpfers.

Die konkave Seite der in Fig. 7 gezeigten Schaufel umfaßt eine konkave Schaufelplattformkante 84, während in Fig. 6 die konkave Schaufelseite der Schaufel eine konvexe Plattenkante 86 aufweist.

In Fig. 5, die eine Draufsicht des Vibrationsdämpfers 52 zeigt, weist der Berührungsabschnitt 54 des Dämpfers eine Seitenkante 88 konkaver Form auf, die im wesentlichen mit dem konkaven Abschnitt des Halses 26 einer Schaufel zusammenpaßt. Die, andere Seite des Dämpfers umfaßt eine erste Stufe 90 und eine zweite Stufe 92 mit einem schräg verlaufenden Abschnitt 93 dazwischen. Sich radial erstreckende Zungen 94 und 96 sind auf diesen Stufen zu dem Zweck vorgesehen, den Dämpfer über den Umfang zu positionieren, und um eine Berührung zwischen dem Ventilationsverluste-Abdeckungsabschnitt und der Schaufel zu verhindern.

Fig. 8 zeigt die Anordnung eines sich unter der Schaufel befindlichen Dämpfers 52 relativ zu einer Öffnung 50. Wie am besten aus Fig. 4 hervorgeht, umfaßt der Berührungsabschnitt zwei sich radial erstreckende Anschläge bzw. Widerlager 98. Diese bilden Anschläge für die sich über den Umfang erstreckenden Zungen 78 oder 82 auf dem Schaufelhals. Dadurch wird der Dämpfer in seiner axialen Position rückgehalten.

Eine Versteifungsrippe 100 erstreckt sich zwischen den Seiten des Dämpfers in der Nähe des Mittelpunkts. Eine angemessene Steifigkeit des Dämpfers wird ohne übermäßig große Masse erzielt.


Anspruch[de]

1. Integrierter Dämpfer und Ventilationsverluste-Abdeckung (52) für einen Gasturbinenmotor (10), in dem der Motor (10) eine Achse, eine stromaufwärts weisende Richtung, eine stromabwärts weisende Richtung, eine Scheibe (20) und eine Mehrzahl von Schaufeln (18) aufweist;

jede Schaufel (18) ein Flügelblatt (22), eine Schaufelplattform (24), einen Hals (26), einen Fuß (34) und jede Schaufelplattform eine Unterseite aufweist;

der Fuß (34) jeder Schaufel (18) in der genannten Scheibe (20) befestigt ist;

der Hals (26) jeder Schaufel eine Querschnittfläche aufweist, die im wesentlichen eine Fortsetzung in der Form des Flügelblatts (22) darstellt;

die Plattform (24) jeder Schaufel (18) einen freitragenden, stromaufwärts gelegenen Abschnitt (32) mit einer gekrümmten, unter der Schaufel befindlichen Ausrundung (28), eine darunter gelegene Oberfläche, die in den Hals (26) strakt, und eine Plattformkante an der konkaven Schaufelseite (84) und eine Plattformkante an der konvexen Schaufelseite (86) aufweist, die parallel zueinander sind;

wobei der integrierte Dämpfer und Ventilationsverluste-Abdeckung (52) aus folgendem bestehen:

ein verlängerte Dämpfer mit einem Berührungsabschnitt (54) und einem Ventilationsverluste-Abdeckungsabschnitt (56) mit einer Oberfläche;

der genannte Berührungsabschnitt (54) zum Berühren der Unterseite der zwei benachbarten Schaufelplattformen (24) des Motors (10) während des Betriebs;

der genannte Ventilationsverluste-Abdeckungsabschnitt (56), der vom stromaufwärts gelegenen Ende des genannten Berührungsabschnitts (54) freitragend ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilationsverluste-Abdeckungsabschnitt mit der gleichen Krümmung wie die genannte unter der Schaufel befindliche Ausrundung (28) des Motors (10) geformt ist, zur Anordnung während des Betriebs zwischen benachbarten Schaufeln (18) des Motors (10), so daß die Oberfläche des Ventilationsverluste-Abdeckungsabschnitts mit der Oberfläche der genannten unter der Schaufel befindlichen Ausrundung (28) an benachbarten Schaufeln in Ausrichtung ist und daß der genannte Ventilationsverluste-Abdeckungsabschnitt (56) während des Betriebs frei von Berührung mit den genannten Plattformen (24) ist.

2. Integrierter Dämpfer und Ventilationsverluste-Abdeckung (52) wie in Anspruch 1, gekennzeichnet durch den genannten Berührungsabschnitt (54), der zwei sich radial erstreckende Widerlager (98) an mindestens einer Seite aufweist, die während des Betriebs durch sich in Umfangsrichtung erstreckende Zungen (78, 82) jedes Halses (26) jeder Schaufel (18) berührbar sind, um den genannten Dämpfer axial zurückzuhalten, wobei die genannte Mehrzahl von Schaufeln der genannten Gasturbine (10) am Umfang der genannten Scheibe (20) angeordnet sind und eine radiale Richtung von der Mitte der genannten Scheibe durch jede Schaufel aufweisen.

3. Integrierter Dämpfer und Ventilationsverluste-Abdeckung wie in Anspruch 2, gekennzeichnet durch

den genannten Berührungsabschnitt (54), der zwei sich radial erstreckende Widerlager (98) an jeder Seite aufweist, die während des Betriebs durch die genannten Zungen (78, 82) berührbar sind, um den genannten Dämpfer axial zurückzuhalten.

4. Integrierter Dämpfer und Ventilationsverluste-Abdeckung wie in Anspruch 1, gekennzeichnet durch

den genannten Berührungsabschnitt (54), der eine seitliche Kante von konkaver Form aufweist, die während des Betriebs im wesentlichen mit einer konvexen Seite des Halses einer Schaufel (18) übereinstimmt, wodurch der genannte Dämpfer eng daran paßt.

5. Integrierter Dämpfer und Ventilationsverluste-Abdeckung wie in Anspruch 1, gekennzeichnet durch

den genannten Berührungsabschnitt (54), der zwei sich im wesentlichen axial erstreckende Stufen mit einem schrägen Abschnitt dazwischen an einer Seite davon aufweist.

6. Integrierter Dämpfer und Ventilationsverluste-Abdeckung wie in Anspruch 5, gekennzeichnet durch

eine sich radial erstreckende Zunge (94, 96) an jeder Stufe.

7. Integrierter Dämpfer und Ventilationsverluste-Abdeckung wie in Anspruch 1, gekennzeichnet durch

den genannten verlängerten Dämpfer, der erste und zweite Seiten aufweist, die sich während des Betriebs in einer Richtung parallel zu den genannten seitlichen Kanten der genannten Schaufelplattform (24) erstrecken, und der einen Mittelpunkt in der Mitte der axialen Länge des genannten Dämpfers aufweist;

den genannten Dämpfer, der eine Versteifungsrippe (100) aufweist, die sich zwischen den genannten ersten und zweiten Seiten des genannten Dämpfers nahe dem Mittelpunkt davon erstreckt.

8. Gasturbinenmotor, gekennzeichnet durch einen integrierten Dämpfer und Ventilationsverluste-Abdeckung nach einem der vorstehenden Ansprüche.







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