CH699984A1

CH699984A1 - Verfahren zur Optimierung der Kontaktflächen von aneinander anstossenden Deckbandsegmenten benachbarter Schaufeln einer Gasturbine.

Info

Publication number: CH699984A1
Application number: CH01854/08A
Authority: CH
Inventors: Igor Dr Tsypkaykin; Andre Dr Saxer
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2010-05-31
Also published as: EP2350440A1; WO2010060867A1; US20110293428A1; EP2350440B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Kontaktflächen von aneinander anstossenden Deckbandsegmenten (14) benachbarter Schaufeln (10, 10´) einer Laufschaufelreihe einer Gasturbine. Diese Optimierung wird durch eine Reihe von Schritten erreicht, nämlich: Zu Beginn wird ein 3D-Modell der einzelnen Schaufel (10, 10´) bereitgestellt. Danach wird eine Berechnung der Geometrie der einzelnen Schaufel (10, 10´) vorgenommen, auf der Grundlage des bereitgestellten 3D-Modells unter Berücksichtigung mindestens der im Betrieb auftretenden Zentrifugal-, und/oder Temperatur- und/oder Druckbelastungen der Schaufel. Sodann erfolgt eine Optimierung der Kontaktflächen der aneinander anstossenden Deckbandsegmente (14) benachbarter Schaufeln (10, 10´) im belasteten Zustand der Schaufel (10, 10´), dies betreffend jene Kontaktflächen, welche funktional als Verriegelungsflächen (F2, F2´) dienen, und betreffend jene Kontaktflächen, welche beidseitig der Verriegelungsflächen angeordnet sind und funktional als Keilflächen (F1, F1´; F3, F3´) dienen. Schliesslich wird die dafür notwendige Geometrie der Verriegelungsflächen (F2, F2´) und der Keilflächen (F1, F1´; F3, F3´) im unbelasteten Zustand der Schaufel (10, 10´) bestimmt.

Description


  Technisches Gebiet

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Kontaktflächen zwischen den Verriegelungsflächen der aneinander anstossenden Deckbandsegmente benachbarter Schaufein einer Laufschaufelreihe einer Gasturbine.

Stand der Technik

  

[0002]    Die Laufschaufeln von Gasturbinen sind im Betrieb starken Zentrifugalkräften, hohen Temperaturen und hohen Drücken ausgesetzt. Diese Belastung führt bei den Schaufeln zu einer Verformung, die sich aus einer Ausdehnung, Verkippung und Verwindung zusammensetzen kann. Die Veränderung der Schaufelgeometrie kann besonders bei langen Schaufeln erheblich sein. Sie hat vor allem Auswirkungen bei Laufschaufeln, die an der Schaufelspitze jeweils mit einem Deckbandsegment ausgestattet sind. Die Deckbandsegmente benachbarter Schaufeln einer Schaufelreihe greifen ineinander bzw. stossen aneinander an und bilden ein ringförmiges Deckband, dass den Heissgaskanal der Gasturbine aussen umschliesst und nach aussen hin abdichtet.

  

[0003]    Die Deckbandsegmente sollen einerseits möglichst dicht aneinander anschliessen, damit kein Heissgas aus dem Heissgaskanal in den ausserhalb des Deckbandes gebildeten, meist gekühlten Hohlraum eindringen kann. Andererseits muss verhindert werden, dass die Deckbandsegmente aufgrund betriebsbedingter Verformungen der Schaufel an eng begrenzten Kontaktflächen grosse Druckspannungen aufbauen, die zu einer plastischen Verformung und/oder zum Fliessen des Schaufelmaterials und/oder zu einem Verschweissen der Schaufeln selbst führen können. Hierdurch wird die Lebensdauer der Schaufeln erheblich verringert bzw. der Ausbau der Schaufeln zu Wartungszwecken behindert.

  

[0004]    In der Druckschrift EP-A1-1 591 625 ist auf das Problem der betriebsbedingten Schaufelverformung bereits hingewiesen worden. Um die Verformung im Bereich der Deckbandsegmente zu verringern, wurde dort vorgeschlagen, die Deckbandsegmente durch an den Seiten vorgesehene Schienen zu verstärken und zu versteifen.

  

[0005]    Derartige Verstärkungen begrenzen zwar wirksam die Verformung im Deckbandsegment selbst, sind jedoch gegenüber anderen Verformungen der Schaufel wie z.B. einer Verwindung um die Längsachse weitgehend wirkungslos.

Darstellung der Erfindung

  

[0006]    Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Gasturbinen-Laufschaufel anzugeben, durch welches die Kontaktflächen zwischen den Verriegelungsflächen der aneinander anstossenden Deckbandsegmente benachbarter Schaufeln einer Laufschaufelreihe dahingehend optimiert werden können, dass eng begrenzte Kontaktflächen mit hohen Druckspannungen sicher vermieden werden, ohne die notwendige Dichtigkeit zwischen den benachbarten Deckbandsegmenten aufzugeben.

  

[0007]    Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für das erfindungsgemässe Verfahren sind die folgenden Schritte:
<tb>a)<sep>Ein Bereitstellen eines 3D-Modells der einzelnen Schaufel (10, 10);


  <tb>b)<sep>Eine Berechnung der Geometrie der einzelnen Schaufel (10, 10) auf der Grundlage des bereitgestellten 3D-Modells unter Berücksichtigung der im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte, Temperaturbelastungen, Druckbelastungen, der Schaufel;


  <tb>c)<sep>Eine optimierte Ausführung der Kontaktflächen der aneinander anstossenden Deckbandsegmente (14) benachbarter Schaufeln (10, 10) im belasteten Zustand der auf Betriebstemperatur gehenden Schaufeln (10, 10) betreffend funktional dienende Verriegelungsflächen (F2, F2) und betreffend beidseitig der Verriegelungsflächen angeordnete funktional dienende Keilflächen (F1, F1; F3, F3) und


  <tb>d)<sep>Ein Bestimmen der dafür notwendigen Geometrie der Verriegelungsflächen (F2, F2) und der Keilflächen (F1, F1; F3, F3) im unbelasteten Zustand der Schaufel (10, 10).

  

[0008]    Die unter b) zugrunde gelegte Berechnung kann von Fall zu Fall auch von zusätzlichen Parametern gegenüber den hier fokussierten Parameter abhängig sein, beispielsweise vom jeweiligen eingesetzten Material der Schaufel, von der jeweiligen Herstellungsart der Schaufel, von den jeweiligen weiteren Veredelungsprozessen, welchen die Schaufel unterzogen wird. In solchen Fällen werden die entsprechenden Parameter zur Berechung der Geometrie miteinbezogen.

  

[0009]    Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass es nicht ausreicht, die Deckbandsegmente im unbelasteten Zustand mit zueinander parallelen Verriegelungsflächen auszustatten, um im belasteten Zustand einen grossflächigen Kontakt zwischen den benachbarten Deckbandsegmenten zu erhalten. Vielmehr muss die Verformung der Schaufel aufgrund der betriebsbedingten Belastungen so in die Ausgestaltung der (unbelasteten) Schaufel mit einbezogen werden, dass erst mit der Verformung eine näherungsweise Parallelisierung der Verriegelungsflächen erreicht wird, die gleichzeitig eine ausreichende Dichtigkeit und eine grossflächige Verteilung allfälliger Druckspannungen zwischen den Segmenten gewährleistet.

  

[0010]    Das Verformungsverhalten der jeweiligen Schaufel wird dazu auf der Grundlage eines 3D-Modells der Schaufel berechnet, so dass rechnerisch vorausbestimmt werden kann, welche Konfiguration (Geometrie) der Deckbandsegmente im unbelasteten Zustand der Schaufel zu der gewünschten Konfiguration (Geometrie) der Deckbandsegmente im belasteten Zustand der Schaufel führt. Ist diese (optimierte) Ausgangskonfiguration (mit möglicherweise nicht-parallelen Verriegelungsflächen) aus der Modellberechnung ermittelt, kann sie bei der Herstellung der Schaufel, z.B. bei der Ausbildung der Gussform, berücksichtigt werden.

   Die aktuelle Form der Verriegelungsflächen hängt dabei massgeblich vom Verformungsverhalten der jeweiligen Schaufel ab, das unter anderem durch die Wanddicken, die Schaufellänge, die Form des Schaufeiblattes und den Einsatzort der jeweiligen Schaufel im Verbund mit den benachbarten Schaufeln mitbestimmt wird.

  

[0011]    Vorzugsweise werden die Kontaktflächen zwischen den Verriegelungsflächen der aneinander anstossenden Deckbandsegmente benachbarter Schaufeln im belasteten Zustand der Schaufel dahingehend optimiert, dass eine Erhöhung des Kontaktdrucks durch das Erwärmen der Schaufel auf Betriebstemperatur vermieden wird.

  

[0012]    Es ist aber auch alternativ oder zusätzlich nach Bedarf vorgesehen, die Kontaktflächen zwischen den Verriegelungsflächen der aneinander anstossenden Deckbandsegmente benachbarter Schaufeln im belasteten Zustand der Schaufel dahingehend zu optimieren, dass ein Abfall der Eigenfrequenz der Schaufel durch das Erwärmen der Schaufel auf Betriebstemperatur vermieden wird.

Kurze Erläuterung der Figuren

  

[0013]    Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>in einer Seitenansicht eine (lange) Laufschaufel einer Gasturbine mit Deckbandsegment an der Schaufelspitze, wie sie zur Anwendung der Erfindung geeignet ist;


  <tb>Fig. 2<sep>in der Draufsicht von oben in Richtung der Schaufellängsachse zwei benachbarte Schaufeln der in Fig. 1dargestellten Art mit den ineinander greifenden Verriegelungsflächen ihrer Deckbandsegmente;


  <tb>Fig. 3<sep>in einem Ausschnitt den Schnitt durch die gegenüberliegenden Kanten benachbarter Deckbandsegmente mit den Verriegelungsflächen F2, F2 und


  <tb>Fig. 4<sep>verschiedene Schritte bei der Optimierung der Kontaktflächen der Deckbandsegmente gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

  

[0014]    In Fig. 1 ist in einer Seitenansicht eine (relativ lange) Laufschaufel dargestellt, wie sie zur Anwendung der Erfindung geeignet ist. Die Schaufel 10 erstreckt sich in ihrer Längsrichtung (radiale Richtung innerhalb der Gasturbine) entlang einer Längsachse 15 und umfasst einen Schaufelfuss 11 zur Befestigung der Schaufel am Rotor, eine Plattform 12, welche die innere Begrenzung des Heissgaskanals bildet, ein Schaufelblatt 13 und ein an der Schaufelspitze angeordnetes Deckbandsegment 14.

  

[0015]    In der Draufsicht in radialer Richtung (in Richtung der Längsachse 15) hat das Deckbandsegment 14 beispielsweise die in Fig. 2 dargestellte Randkontur. In Umfangsrichtung (y-Richtung in Fig. 2) wird das Deckbandsegment 14 der Fig. 2 durch zickzackförmig angeordnete Keilflächen F1 und F3 bzw. F1 und F3\ sowie dazwischen angeordnete Verriegelungsflächen F2 und F2 begrenzt. Werden zwei benachbarte Schaufeln 10 und 10 in Richtung der Pfeile in Fig. 2(y-Richtung) resp. der Pfeile gemäss Fig. 3 aufeinander zu bewegt, greifen die beiden Deckbandsegmente 14 mit den Verriegelungsflächen F2 und F2 ineinander, wobei die beidseitig von den Verriegelungsflächen F2, F2 angeordneten, gegenläufigen Keilflächen F1, F1 bzw. F3, F3 eine stabilisierende Führungsfunktion übernehmen.

  

[0016]    Im Stand der Technik wurden die Verriegelungsflächen F2, F2 bei der Herstellung der Schaufeln 10, 10 bisher paarweise parallel zueinander ausgerichtet. Verwinden sich dann die Schaufeln 10, 10 im Betrieb beispielsweise um die Längsachse 15 in Richtung der in Fig. 2eingezeichneten Drehpfeile, sind die Verriegelungsflächen F2, F2 nicht länger paarweise parallel, sondern es entstehen stark lokalisierte Kontaktbereiche mit hoher Druckspannung, an denen die Deckbandsegmente 14 aneinanderstossen, dies im Betrieb dann teilweise auch zu plastischen Deformationen führen können, wobei auch nicht ausgeschlossen bleibt, dass dann auch zu lokalen Verschweissungen kommt.

  

[0017]    Erfindungsgemäss wird die Schaufel nun durch ein 3D-Modell beschrieben, das eine Berechnung der unter Belastung veränderten Geometrie ermöglicht (Schritte A und B in Fig. 4). Für die veränderte Geometrie können nun die Anschlussflächen so gewählt werden, dass die unerwünschten stark lokalisierten Kontaktbereiche zwischen den benachbarten Deckbandsegmenten vermieden werden, ohne die Dichtigkeit zwischen den Deckbandsegmenten zu sehr zu beeinträchtigen (Schritt C in Fig. 4). Sind die Deckbandsegmente 14 im Belastungszustand entsprechend konfiguriert, kann aufgrund des 3D-Modells auf die korrespondierende Konfiguration im unbelasteten Zustand zurückgeschlossen werden (Schritt D in Fig. 4). Diese korrespondierende Konfiguration wird dann zur Herstellung der Schaufel 10 bzw. 10 verwendet.

Bezugszeichenliste

  

[0018]    
<tb>10, 10<sep>Schaufel (Gasturbine)


  <tb>11<sep>Schaufelfuss


  <tb>12<sep>Plattform


  <tb>13<sep>Schaufelblatt


  <tb>14<sep>Deckbandsegment


  <tb>15<sep>Längsachse (Schaufel)


  <tb>F1, F1<sep>Keilfläche


  <tb>F2, F2<sep>Verriegelungsfläche


  <tb>F3, F3<sep>Keilfläche

Claims

1. Verfahren zur Optimierung der Kontaktflächen von aneinander anstossenden Deckbandsegmenten (14) benachbarter Schaufeln (10, 10) einer Laufschaufelreihe einer Gasturbine, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Bereitstellen eines 3D-Modells der einzelnen Schaufel (10, 10);

b) Berechnung der Geometrie der einzelnen Schaufel (10, 10) auf der Grundlage des bereitgestellten 3D-Modells, unter Berücksichtigung der im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte, Temperaturbelastungen, Druckbelastungen, der Schaufel;

c) Optimierung der Kontaktflächen von aneinander anstossenden Deckbandsegmenten (14) benachbarter Schaufeln (10, 10) im belasteten Zustand der Schaufel (10, 10), betreffend funktional dienende Verriegelungsflächen (F2, F2) und betreffend beidseitig der Verriegelungsflächen angeordnete funktional dienende Keilflächen (F1, F1; F3, F3) und

d) Bestimmen der dafür notwendigen Geometrie der Verriegelungsflächen (F2, F2) und der Keilflächen (F1, F1; F3, F3) im unbelasteten Zustand der Schaufel (10, 10).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen zwischen den Verriegelungsflächen (F2, F2) der aneinander anstossenden Deckbandsegmente (14) benachbarter Schaufeln (10, 10) im belasteten Zustand der Schaufel (10, 10) dahingehend optimiert aufgeführt werden, dass eine Erhöhung des Kontaktdrucks aufgrund der sich einstellenden Betriebstemperatur der Schaufeln untereinander vermieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen zwischen den Verriegelungsflächen (F2, F2) der aneinander anstossenden Deckbandsegmente (14) benachbarter Schaufeln (10, 10) im belasteten Zustand der Schaufel (10, 10) dahingehend optimiert ausgeführt werden, dass ein Abfall der Eigenfrequenz der Schaufel (10, 10) aufgrund der sich einstellenden Betriebstemperatur der Schaufeln vermieden wird.

4. Schaufel durch Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die als funktional dienenden Keilflächen (F1, F1; F3, F3) gegenläufig zu den Verriegelungsflächen (F2, F2) angeordnet sind, und dass die Keilflächen (F1, FV; F3, F3) eine Führungsfunktion übernehmen.