CH701290B1

CH701290B1 - Turbinenflügelspitzendeckplatte.

Info

Publication number: CH701290B1
Application number: CH01207/07A
Authority: CH
Inventors: William Scott Zemitis; Massimiliano Mariotti; Cody Jermaine Ford
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2010-12-31
Also published as: JP4642819B2; KR20080012775A; DE102007035236A1; JP2008038910A; CN101117897B; CN101117897A; US7762779B2; US20080038116A1; RU2351769C1

Abstract

Turbinenflügelspitzendeckplatte (60). Die Turbinenflügelspitzendeckplatte (60) umfasst eine Plattform (70), eine Anzahl von Z-Kerben (90), die innerhalb der Plattform (70) angeordnet sind, eine Anzahl von Dichtungsschienen (80), die an der Plattform (70) angeordnet sind, und eine Anzahl von Kavitäten, die innerhalb der Plattform (70) und benachbart zu den Dichtungsschienen (80) und den Z-Kerben (90) angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Gasturbinen und im Besonderen eine Turbinenflügelspitzendeckplatte mit darin vorhandenen Kavitäten, um die Gesamtmasse der Spitzendeckplatte zu verringern.

Hintergrund der Erfindung

[0002] Gasturbinen können in vielen Fällen ein Flügelprofil mit einer daran befestigten einstückigen Spitzendeckplatte umfassen. Die Spitzendeckplatte ist an der Aussenkante des Flügelprofils befestigt und sieht einen Oberflächenbereich vor, der im Wesentlichen orthogonal zu der Flügelprofiloberfläche verläuft. Der Oberflächenbereich der Spitzendeckplatte trägt dazu bei, die Turbinenabgase an dem Flügelprofil zu halten, derart, dass ein grösserer Prozentsatz der Energie von den Turbinenabgasen in mechanische Energie umgewandelt werden kann, um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Die Spitzendeckplatte sorgt auch für aeromechanische Dämpfung und verhindert Schuppenbildung (Reibverschleiss). Die Umgebung mit relativ hohen Temperaturen und die Biegebeanspruchungen, die durch das überhängende Material und die Zentrifugalbelastung an der Deckplatte verursacht werden, tragen jedoch dazu bei, ein Kriechen (Verformung) darin zu fördern. Diese Biegebeanspruchungen können lokale hohe Beanspruchungskonzentrationen, beispielsweise in den Bereichen der Deckplatte, die als Z-Kerbe bekannt sind, und anderswo, verursachen.

[0003] Daher besteht ein Bedarf an einer verbesserten Turbinenflügelspitzendeckplatte, welche ein Kriechen reduziert, um die maximale Schaufellebensdauer zu optimieren und dabei sicherzustellen, dass die Schaufel eine akzeptable Leistung und Herstellbarkeit aufweist. Die Lebensdauer der gesamten Schaufel sollte ohne Abstriche bei dem Gesamtwirkungsgrad der Turbine und den Kosten verbessert werden.

Kurzdarstellung der Erfindung

[0004] Die vorliegende Patentanmeldung beschreibt demnach eine Turbinenflügelspitzendeckplatte. Die Spitzendeckplatte kann eine Plattform, eine Anzahl von innerhalb der Plattform angeordneten Z-Kerben, eine Anzahl von auf der Plattform angeordneten Dichtungsschienen und eine Anzahl von innerhalb der Plattform und benachbart zu den Dichtungsschienen und den Z-Kerben angeordneten Kavitäten umfassen.

[0005] Die Dichtungsschienen können eine druckseitige Dichtungsschiene und eine saugseitige Dichtungsschiene umfassen. Die Kavitäten können eine Tiefe von mindestens 1,72 Millimeter aufweisen und können mindestens etwa 2,0 Millimeter von den Z-Kerben angeordnet sein. Die Kavitäten können eine druckseitige Kavität umfassen, die der druckseitigen Dichtungsschiene benachbart angeordnet ist, und eine saugseitige Kavität, die der saugseitigen Dichtungsschiene benachbart angeordnet ist. Die Z-Kerben können eine erste Seiten-Z-Kerbe und eine zweite Seiten-Z-Kerbe umfassen. Die druckseitige Kavität kann eine Länge von etwa 22, 32 Millimeter, der ersten Seiten-Z-Kerbe benachbart eine Breite von etwa 5,97 Millimeter und der ersten Seiten-Z-Kerbe entgegengesetzt eine Breite von etwa 3,46 Millimeter umfassen. Die saugseitige Kavität 160 kann eine Länge von etwa 21,5 Millimeter, der zweiten Seiten-Z-Kerbe benachbart eine Breite von etwa 3,97 Millimeter und der zweiten Seiten-Z-Kerbe entgegengesetzt eine Breite von etwa 3,03 Millimeter umfassen. Die Kavitäten können durchgehend eine gleichmässige Tiefe aufweisen. Die Spitzendeckplatte kann gemäss einem Feingussverfahren oder einem Bearbeitungsverfahren hergestellt werden.

[0006] Ferner beschreibt die vorliegende Patentanmeldung eine Turbinenflügelspitzendeckplatte. Die Spitzendeckplatte kann eine Plattform, eine Anzahl von innerhalb der Plattform angeordneten Z-Kerben, eine Anzahl von auf der Plattform angeordneten Dichtungsschienen und eine Anzahl von innerhalb der Plattform, den Dichtungsschienen benachbart und mindestens etwa 2,0 Millimeter von den Z-Kerben angeordneten Kavitäten umfassen.

[0007] Die Dichtungsschienen können eine druckseitige Dichtungsschiene und eine saugseitige Dichtungsschiene umfassen. Die Kavitäten können eine Tiefe von mindestens etwa 1,72 Millimeter aufweisen. Die Kavitäten können eine druckseitige Kavität, die der druckseitigen Dichtungsschiene benachbart angeordnet ist, und eine saugseitige Kavität, die der saugseitigen Dichtungsschiene benachbart angeordnet ist, umfassen. Die Z-Kerben können eine erste Seiten-Z-Kerbe und eine zweite Seiten-Z-Kerbe umfassen. Die druckseitige Kavität kann eine Länge von etwa 22,32 Millimeter, der ersten Seiten-Z-Kerbe benachbart eine Breite von etwa 5,97 Millimeter und der ersten Seiten-Z-Kerbe entgegengesetzt eine Breite von etwa 3,46 umfassen. Die saugseitige Kavität 160 kann eine Länge von etwa 21,5 Millimeter, der zweiten Seiten-Z-Kerbe benachbart eine Breite von etwa 3,97 Millimeter und der zweiten Seiten-Z-Kerbe entgegengesetzt eine Breite von etwa 3,03 Millimeter umfassen. Die Kavitäten können durchgehend eine gleichmässige Tiefe aufweisen.

[0008] Diese und andere Merkmale der vorliegenden Patentanmeldung sind für Durchschnittsfachleute nach Durchsicht der folgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen und den mehreren beiliegenden Patentansprüchen deutlich zu erkennen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] <tb>Fig. 1<sep>ist eine perspektivische Ansicht bekannter Turbinenflügel mit daran angeordneten Spitzendeckplatten. <tb>Fig. 2<sep>ist eine perspektivische Draufsicht einer Spitzendeckplatte, wie sie in diesem Dokument beschrieben ist. <tb>Fig. 3<sep>ist eine perspektivische Seitenansicht der Spitzendeckplatte aus Fig. 2.

Ausführliche Beschreibung

[0010] Nunmehr auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen in den verschiedenen Ansichten durchgehend gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen, zeigt Fig. 1eine Anzahl bekannter Turbinenflügel 10. Wie dargestellt ist, sind die Turbinenflügel 10 zum Umlaufen mit Betriebsdrehzahlen an einer Turbinenscheibe 20 angebracht. Jeder Turbinenflügel 10 kann einen Fussabschnitt 30 umfassen, der an der Scheibe 20 befestigt ist. Jeder Flügel 10 umfasst ferner einen Plattformabschnitt 40 und einen Flügelprofilabschnitt 50. Am oberen Ende des Flügelprofilabschnitts 50 ist eine Spitzendeckplatte 60 angeordnet. Die Spitzendeckplatte 60 ist grösstenteils orthogonal zu dem Flügelprofil 50 angeordnet. Die Spitzendeckplatte 60 umfasst eine Plattform 70 mit einer Anzahl von daran angeordneten Dichtungsschienen 80. Die Dichtungsschienen 80 erstrecken sich im Allgemeinen über die Länge der Spitzendeckplatte 60. Die Seiten der Spitzendeckplatte 60 (an beiden Seiten des Flügel-profils 50) können eine darin angeordnete «Z»-Kerbe 90 aufweisen. Wie der Name schon vermuten lässt, weist die Z-Kerbe 90 grösstenteils die Form eines «Z» auf. Die Z-Kerbe 90 ermöglicht, dass die verschiedenen Flügel 10 ineinandergreifen.

[0011] Fig. 2 und 3 zeigen eine Spitzendeckplatte 100, wie es in diesem Dokument beschrieben wird. Ähnlich der oben beschriebenen Spitzendeckplatte 60 umfasst die Spitzendeckplatte 100 eine Plattform 110, ein Paar von daran angeordneten Dichtungsschienen, eine druckseitige Dichtungsschiene 120 und eine saugseitige Dichtungsschiene 130, und ein Paar von Z-Kerben, eine erste Seiten-Z-Kerbe 140 und eine zweite Seiten-Z-Kerbe 170. Die druckseitige Schiene 120 kann etwa 8,51 Millimeter von der y-z-Ebene entfernt sein. Die saugseitige Schiene 130 kann etwa 7,75 Millimeter von der y–z-Ebene entfernt sein. Die Spitzendeckplatte 100 kann einen Abstand von etwa 16,64 Millimeter zwischen den Dichtungsschienen 120, 130 aufweisen. Andere Konstruktionen, Formen, Abstände und Grössen können hier verwendet werden.

[0012] Die Spitzendeckplatte 100 umfasst ferner eine Anzahl von Kavitäten, eine druckseitige Kavität 150 und eine saugseitige Kavität 160. Die Kavitäten 160, 150 sind den Dichtungsschienen 120, 130 benachbart innerhalb der Plattform 110 angeordnet. Die Kavitäten 160, 150 können eine Mindestdicke von etwa 1,72 Millimeter innerhalb der Plattform 110 und den Z-Kerben 140, 170 benachbart eine Mindestwandungsdicke von etwa 2,0 Millimeter aufweisen. Die druckseitige Kavität 160 kann eine Länge von etwa 22,32 Millimeter, der ersten Seiten-Z-Kerbe 140 benachbart eine Breite von etwa 5,97 Millimeter und der Z-Kerbe 140 gegenüberliegend eine Breite von etwa 3,46 Millimeter aufweisen. Die saugseitige Kavität 150 kann eine Länge von etwa 21,5 Millimeter, der zweiten Z-Kerbe 170 angrenzend eine Breite von etwa 3,97 Millimeter und der Z-Kerbe 170 gegenüberliegend eine Breite von etwa 3,03 Millimeter aufweisen. Die Kavitäten 160, 150 können grösstenteils eine durchgehend gleichmässige Tiefe aufweisen.

[0013] Die Anordnung, Grösse und Gestalt der Kavitäten 160, 150 kann je nach Bedarf variiert werden. Die hier beschriebene Auslegung kann mit einer Turbinenschaufel der Stufe 1 vom Typ G4 HSPT (High Speed Power Turbine) verwendet werden, welche von der General Electric Company of Schenectady, New York, vertrieben wird. Die Spitzendeckplatte 100 als Ganzes und die Kavitäten 160, 150 darin können über ein Feingussverfahren oder ähnliche Fertigungsverfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann auch ein Bearbeitungsverfahren, bei welchem das überschüssige Material ausgekratzt wird, verwendet werden.

[0014] Die Verwendung der Kavitäten 160, 150 reduziert somit die Gesamtmasse der Spitzendeckplatte 100 und sorgt auch für Kontaktbereichsflexibilität zwischen den mehreren Flügeln 10. Die Kavitäten 160, 150 können in Bereichen der Plattform 110 angeordnet sein, um die Beanspruchung in Grenzbereichen, beispielsweise den Z-Kerben 140, 170 zu minimieren. Um die Z-Kerben 140, 170 herum erzielte Reduktion der Beanspruchung verbessert die Kriechlebensdauer für den Flügel 10 als Ganzes. Die Ausgestaltung der Kavitäten 160, 150 kann optimiert werden, um den Vorzug maximaler Lebensdauer bereitzustellen und dabei sicherzustellen, dass der Flügel 10 eine akzeptable Leistung und Herstellbarkeit aufweist.

[0015] In Anbetracht der Tatsache, dass die Kavitäten 160, 150 in Bereichen angeordnet sind, die normal zu dem Flügelprofil 50 überhängen, reduziert eine Verringerung der Masse der Spitzendeckplatte 100 die Biegebeanspruchung, während die Spitzendeckplatte 100 geeignete Dichtungseigenschaften und aeromechanische Eigenschaften beibehält. Ferner ist ein weiterer Nutzen der Verwendung der Kavitäten 160, 150, dass die Kontaktoberfläche an der Schaufelgrenzfläche flexibler ist, wodurch die Belastung gleichmässiger zwischen zwei (2) Flügeln 10 verteilt wird.

[0016] Es sollte klar erkennbar sein, dass das Obengesagte nur die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung betrifft und Durchschnittsfachleute zahlreiche Änderungen und Modifikationen daran vornehmen können, ohne von der allgemeinen Wesensart und dem Umfang der Erfindung, die durch die folgenden Patentansprüche definiert sind, abzuweichen.

Claims

1. Turbinenflügelspitzendeckplatte (100), umfassend: eine Plattform (110); wobei die Plattform (110) darin wenigstens zwei Z-Kerben (140, 170) umfasst; wenigstens zwei Dichtungsschienen (120, 130), die an der Plattform (110) angeordnet sind; und wenigstens zwei Kavitäten (160, 150), die innerhalb der Plattform (110) und benachbart zu den wenigstens zwei Dichtungsschienen (120, 130) und den wenigstens zwei Z-Kerben (140, 170) angeordnet sind.

2. Turbinenflügelspitzendeckplatte (100) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei Dichtungsschienen (120, 130) eine druckseitige Dichtungsschiene (120) und eine saugseitige Dichtungsschiene (130) umfasst.

3. Turbinenflügelspitzendeckplatte (100) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei Kavitäten (160, 150) eine jeweilige Tiefe von mindestens 1,72 Millimeter innerhalb der Plattform (110) aufweist.

4. Turbinenflügelspitzendeckplatte (100) nach Anspruch 1, wobei jede der wenigstens zwei Kavitäten (160, 150) eine Mindestwandstärke von 2,0 Millimeter zu einer jeweiligen Z-Kerbe (140,170) aufweist.

5. Turbinenflügelspitzendeckplatte (100) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei Kavitäten (160, 150) eine druckseitige Kavität (160), die einer druckseitigen Dichtungsschiene (120) benachbart angeordnet ist, und eine saugseitige Kavität (150), die der saugseitigen Dichtungsschiene (130) benachbart angeordnet ist, umfasst.

6. Turbinenflügelspitzendeckplatte (100) nach Anspruch 5, wobei die wenigstens zwei Z-Kerben (140, 170) eine erste Seiten-Z-Kerbe (140) und eine zweite Seiten-Z-Kerbe (170) umfasst.

7. Turbinenflügelspitzendeckplatte (100) nach Anspruch 6, wobei die druckseitige Kavität (160) eine Länge von 22,32 Millimeter, der ersten Seiten-Z-Kerbe (140) angrenzend eine Breite von 5,97 Millimeter und der ersten Seiten-Z-Kerbe (140) gegenüberliegend eine Breite von 3,46 Millimeter umfasst.

8. Turbinenflügelspitzendeckplatte (100) nach Anspruch 6, wobei die saugseitige Kavität (150) eine Länge von 21,5 Millimeter, der zweiten Seiten-Z-Kerbe (170) angrenzend eine Breite von 3,97 Millimeter und der zweiten Seiten-Z-Kerbe (170) gegenüberliegend eine Breite von 3,03 Millimeter umfasst.

9. Turbinenflügelspitzendeckplatte nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei Kavitäten (160, 150) eine durchgehend gleichmässige Tiefe aufweisen.