CH703151B1 - Baugruppe in einer Turbomaschine, Turbomaschine und Verfahren. - Google Patents

Abstract

Es wird eine Baugruppe in einer Turbomaschine beschrieben, welche ein rotierendes Element (180) einschliesst, das einen Grenzschichtbereich (182) mit einem fest stehenden Element (172) aufweist. Der Grenzschichtbereich (182) schliesst ein Muster von Austiefungen (186) ein. Ein Verfahren zur Einschränkung der Strömung eines Fluids (184) durch einen Grenzschichtbereich (182) zwischen einem fest stehenden Element (172) und einem rotierenden Element (180) wird ebenfalls beschrieben. Das Verfahren schliesst den Schritt der Ausbildung eines Musters von Austiefungen (186) an zumindest einer Oberfläche (188, 178) des fest stehenden Elements oder des rotierenden Elements ein. Die Austiefungen (186) weisen eine Grösse und Gestalt auf, die ausreichend ist, um die Fluidströmung zu behindern.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe in einer Turbomaschine, eine Turbomaschine und ein Verfahren.

[0002] Turbomaschinen sind im Stand der Technik bekannt. Beispiele schliessen Gasturbinenmotoren, Gas- oder Flüssigkeits-Kompressionseinheiten, Dampfturbinen und dergleichen ein. Einige spezifische Beispiele für Gasturbinenmotoren schliessen Turbojets, Turboprops, landgebundene Turbinen zur Leistungserzeugung und Turbinenmotoren für den Schiffsantrieb ein. Typische Konstruktionen für einen Gasturbinenmotor schliessen einen Kompressor zum Verdichten von Luft, die mit Brennstoff vermischt wird, ein. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird in einer angeschlossenen Brennkammer gezündet, um Verbrennungsgase zu erzeugen. Den heissen, unter Druck stehenden Gasen, die in modernen Motoren in dem Bereich von etwa 1100 bis 2000 °C liegen können, wird dann gestattet, durch eine Turbinendüse zu entspannen, welche die Strömung leitet, um eine angeschlossene Hochdruckturbine zu drehen. Die Turbine ist üblicherweise mit einer Rotorwelle gekoppelt, um den Kompressor anzutreiben. Die Kerngase verlassen dann die Hochdruckturbine und stellen unterstromig von dieser Energie zur Verfügung. Die Energie liegt in Form von zusätzlicher Rotationsenergie vor, die durch angeschlossene Turbinenstufen mit niedrigerem Druck extrahiert wird, und/oder in Form von Schub durch eine Abgasdüse.

[0003] Im Betrieb wird thermische Energie, die innerhalb der Brennkammer erzeugt wird, innerhalb der Turbine in mechanische Energie umgewandelt, indem die heissen Verbrennungsgase auf eine oder mehrere beschaufelte Rotorbaugruppen aufprallen. In den meisten Fällen ist die Rotorbaugruppe eigentlich eine Komponente einer «Stator-Rotor-Baugruppe». Die Reihen von Rotorschaufeln an der Rotorbaugruppe und die Reihen von Statorflügeln an der Statorbaugruppe erstrecken sich typischerweise abwechselnd über einen axial orientierten Strömungspfad zur «Umformung» der Verbrennungsgase. (Radial orientierte Kompressoren und Turbinen sind im Stand der Technik ebenso bekannt.) Die Strahlen von heissem Verbrennungsgas, welche die Flügel des Statorelements verlassen, wirken auf die Turbinenschaufeln und veranlassen das Turbinenrad, in einem Geschwindigkeitsbereich von etwa 3000–15 000 Upm zu rotieren, je nach Typ des Motors.

[0004] Die Stator-Rotor-Baugruppe stellt ein Beispiel für eine Situation dar, in welcher die Strömung eines Fluids – hier Heissgas – eingeschränkt werden muss. In diesem Fall kann die Öffnung an einer Grenzschicht zwischen dem Statorelement und den Schaufeln (buckets oder blades) dem heissen Kerngas gestatten, den Heissgaspfad zu verlassen und möglicherweise in den Radraum des Turbinenmotors einzutreten, was unerwünscht ist. Typischerweise wird der Situation zum Teil mit dem Einbau von Winkelflügel-Dichtungen (angel-wing seals) und Hindernissen begegnet, welche sich von Abschnitten der benachbarten Stator-/Rotor-Oberflächen wegerstrecken, wodurch der Gasströmungspfad eingeschränkt wird. An der Grenzschicht verbleibt ein Spalt, da ein bestimmter Abstand am Übergang der fest stehenden und rotierenden Komponenten notwendig ist. Der Spalt schafft jedoch immer noch einen Pfad, der dem heissen Kerngas gestatten kann, aus dem Heissgaspfad in den Radraumbereich des Turbinenmotors hinein auszutreten. Andere Konstruktionsmerkmale können das Problem des Heissgasaustritts lindern, z.B. die Verwendung von Spülluft, die von dem Kompressor abgezweigt wird. Die Verwendung von Spülluft kann jedoch manchmal den Motorwirkungsgrad verringern.

[0005] Die Notwendigkeit, die Strömung von Fluid in einer Turbomaschine – sei es eine Gas- oder Flüssigkeitsströmung – zu begrenzen, ist an einer Reihe von Stellen innerhalb der Maschine von grosser Wichtigkeit. Zum Beispiel ist es oftmals kritisch, den Austritt von Heissgas zwischen einer Rotorschaufelspitze und dem benachbarten Deckband zu minimieren. Um dieses Ziel zu erreichen, werden oft verschiedene Dichtungen verwendet. In der Tat muss eine Turbomaschine oft eine grosse Anzahl unterschiedlicher Arten von Dichtungen einschliessen, von denen einige in Form von Labyrinthdichtungen vorliegen, die untenstehend beschrieben werden. Andere Beispiele schliessen Hochdruck-Packungsdichtungen zwischen Kompressor- und Turbinenabschnitten, Induktorströmungsdichtungen, Dichtungen für Zwischenstufen-Turbinendistanzräder und Wellenaustrittsdichtungen ein. Darüber hinaus erfordern Wasserturbinensysteme oder Dampfturbinensysteme sehr oft ähnliche Arten von Dichtungen, um die Strömung von Wasser oder Dampf aus einem Weg in einen anderen Bereich zu beschränken.

[0006] Es ist natürlich wahr, dass die Strömungsbegrenzung zum Teil durch die Verwendung von Dichtungen oder durch die Integration von physikalischen Strukturen und Anfügungen, welche den Spalt zwischen drehenden und fest stehenden Komponenten in Turbomaschinen verengen, erreicht werden kann. Neue Methoden zur Reduktion des Austritts von Fluiden zwischen fest stehenden und rotierenden Komponenten in einer Turbomaschine würden auf beträchtliches Interesse stossen. Die Methoden müssen jedoch immer noch den Hauptanforderungen für die Konstruktion der Maschinen, z. B. eines Gasturbinenmotors, gerecht werden. Im Allgemeinen muss der Gesamtwirkungsgrad sowie die Integrität des Motors erhalten werden. Darüber hinaus darf keine Veränderung an der Turbomaschine oder an speziellen Komponenten darin die allgemeinen Strömungsfelder, die innerhalb des Motors definiert sind, stören oder negativ beeinflussen. Die in Erwägung gezogenen Verbesserungen sollten auch keine Herstellungsschritte oder Veränderungen in diesen Schritten umfassen, die zeitaufwändig und unwirtschaftlich sind. Darüber hinaus sollten die Verbesserungen an variable Motorkonstruktionen anpassbar sein, z.B. an solche, die Gas oder Flüssigkeit als Betriebsmedium nutzen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0007] Die Erfindung betrifft eine Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ab. Weiters betrifft die Erfindung eine Turbomaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9.

[0008] Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einschränkung der Strömung eines Fluids durch einen Grenzschichtbereich zwischen einem fest stehenden Element und einem rotierenden Element in einer Turbomaschine nach Anspruch 10. Das Verfahren umfasst die Ausbildung eines Musters von Austiefungen an zumindest einer Oberfläche des fest stehenden Elements oder des rotierenden Elements. Die Austiefungen weisen eine Grösse und Gestalt auf, die ausreichend ist, um die Fluidströmung zu behindern.

[0009] Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der unten ausgeführten detaillierten Beschreibung die auch in den beiliegenden Zeichnungen abgebildet sind, deutlich werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0010] <tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Aufrissansicht einer repräsentativen Turbinenschaufel für einen Gasturbinenmotor. <tb>Fig. 2<sep>ist eine schräge Draufsicht auf den Spitzenabschnitt einer Turbinenschaufel von oben. <tb>Fig. 3<sep>ist eine Schnittansicht eines oberen Abschnitts der Turbinenschaufel von Fig. 1. <tb>Fig. 4<sep>ist eine teilweise Seitenrissansicht einer Objektoberfläche, die eine Austiefung einschliesst. <tb>Fig. 5<sep>ist eine weitere teilweise Seitenrissansicht einer Objektoberfläche, die eine Austiefung einschliesst. <tb>Fig. 6<sep>ist eine weitere teilweise Seitenrissansicht einer Objektoberfläche, die eine Austiefung einschliesst. <tb>Fig. 7<sep>ist eine Schnittansicht eines Abschnitts einer Turbinenrotorschaufel, welche einen Schaufelspitzenabschnitt und ein benachbartes Deckband darstellt. <tb>Fig. 8<sep>ist eine Schnittansicht eines Abschnitts einer Rotorschaufel und eines benachbarten Deckbandgehäuses. <tb>Fig. 9<sep>ist eine Schnittansicht eines Abschnitts einer Rotorschaufel und eines benachbarten Deckbandgehäuses. <tb>Fig. 10<sep>ist eine Draufsicht auf den Spitzenabschnitt der Rotorschaufel von Fig. 9 von oben. <tb>Fig. 11<sep>ist eine Querschnittsdarstellung einer Labyrinthdichtung zwischen einem Deckband und dem Spitzenabschnitt einer Turbinenschaufel.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0011] Fig. 1 ist eine schematische Aufrissansicht einer repräsentativen Turbinenschaufel für einen Gasturbinenmotor. Eine Turbinenbaugruppe 10 umfasst einen Rotorschaufelabschnitt 12. Ein äusseres Deckband 14 ist konzentrisch um den Rotorschaufelabschnitt 12 herum angeordnet. Der Rotorschaufelabschnitt 12 umfasst einen inneren Fussabschnitt 16, ein Blatt 18 und einen äusseren Spitzenabschnitt 20. Das Blatt 18 erstreckt sich nach aussen in den Strömungspfad des Arbeitsmediums der Turbine, wo Gase als Arbeitsmedium Antriebskräfte auf die Oberflächen derselben ausüben. Der äussere Spitzenabschnitt 20 schliesst manchmal ein angeschlossenes äusseres Spitzendeckband (in dieser Figur nicht dargestellt) ein. Viele dieser Merkmale sind auch im US-Patent 6 350 102 beschrieben, das an J. Bailey und R. Bunker erteilt wurde und durch Verweis hierin aufgenommen ist.

[0012] Fig. 2 ist eine schräge Draufsicht auf den Spitzenabschnitt 20 aus Fig. 1 von oben, allgemein entlang des Schnitts 2–2 von Fig. 1. (Der obere Abschnitt 21 des Spitzenabschnitts ist mit einer unterschiedlichen Farbschattierung hervorgehoben.) Der Spitzenabschnitt 20 wird durch Druckseitenwand 22, Saugseitenwand 24, Vorderkante 26, Hinterkante 28 und Spitzenoberfläche 30 definiert. Der Drehsinn des Schaufelabschnitts 12 (Fig. 1) ist allgemein als Element 42 in Fig. 2dargestellt. Die typische Richtung des Arbeitsfluids, das sich diesem Abschnitt der Turbinenschaufel nähert, wird mit dem Pfeil 40 angezeigt. (Wie untenstehend beschrieben, kann diese Erfindung unterschiedliche Arten von «Fluiden» betreffen, obwohl oft Heissgas als Beispiel dient.) Die radiale Strömung von Leckluft 43 von dem Heissgaspfad wird über die Spitzenoberfläche 30 (d.h. über die Spitze der Schaufel) und entlang der Sehne des Spitzenabschnitts strömend dargestellt.

[0013] Unter Bezugnahme auf Fig. 1ist das äussere Deckband 14 in einem Abstand von dem Spitzenabschnitt 20 angeordnet, um so eine Spaltaussparung 32 dazwischen zu definieren. Wie im obigen Abschnitt zum Hintergrund der Erfindung allgemein behandelt, werden Leistungsvermögen und Wirkungsgrad der Turbine durch die Spaltaussparung 32 entscheidend beeinflusst. Je grösser die Menge an Leckstrom durch die Spaltaussparung 32 ist, desto leistungsschwächer ist die Turbine, da der Leckstrom keine Antriebskräfte auf die Schaufeloberflächen ausübt und dementsprechend auch keine Arbeit liefert.

[0014] Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines oberen Abschnitts von Fig. 1, d. h., sie veranschaulicht das äussere Deckband 14 und den Spitzenabschnitt 20. Typischerweise wird das Deckband 14 strukturell von einem Gehäuse (nicht dargestellt) getragen, und insbesondere durch verschiedene Gehäuseaufhängungen. Die Figur zeigt auch allgemein die Druckseite 44 und die Saugseite 46 der Deckband-Spitzen-Baugruppe. Die untere Oberfläche 48 des Deckbands 14 ist im Allgemeinen der Spitzenoberfläche 50 des Spitzenabschnitts 20 zugewandt.

[0015] In Fig. 3 stellt der Spaltaussparungsbereich 32, zwischen der Deckbandoberfläche 48 und der Spitzenoberfläche 50 angeordnet, einen Grenzschichtbereich dar. Der Begriff «Grenzschichtbereich» wird hierin verwendet, um einen allgemeinen Bereich eingeschränkter Dimension zwischen zwei Oberflächen, d.h. der Oberfläche eines rotierenden Elements mit einem fest stehenden Element, zu beschreiben. Die exakte Begrenzung für den Grenzschichtbereich variiert zum Teil mit der jeweils betrachteten Turbomaschinenbaugruppe. Für die Baugruppe von Fig. 3erstreckt sich der Grenzschichtbereich zumindest so weit wie die grösste Länge der Deckbandoberfläche 48. (Wie untenstehend für andere Ausführungsformen beschrieben, kann sich ein Grenzschichtbereich manchmal über den exakten Bereich, in welchem die gegenüberliegenden Oberflächen einander zugewandt sind, hinauserstrecken.)

[0016] Wie dem Fachmann auf dem Gebiet der Turbinenmotorkonstruktion klar ist, wird die Spaltaussparung 32 so klein wie möglich konstruiert, während der Kontakt zwischen den einander zugewandten Oberflächen vermieden wird. Während der relativ kleine Spalt dazu dient, die Strömung von Leckluft zu beschränken, ist es oft sehr wünschenswert, die Gasströmung durch den Spalt noch weiter zu beschränken. Somit wird, gemäss einer Ausführungsform dieser Erfindung, zumindest eine der einander zugewandten Oberflächen 48 und 50 mit einem Muster von Austiefungen versehen, welche die Gasströmung behindern. (Die Austiefungen werden im Folgenden behandelt.)

[0017] Obwohl der Erfinder sich nicht auf eine bestimmte Theorie für diese Erscheinung festlegen möchte, scheint es so, dass jede Austiefung einen lokalen Strömungswirbel erzeugt, während der Fluidstrom darüberzieht. Während die Wirbel in den Fluidstrom ausgestossen werden, schränken sie die Gasströmung ein. Auf diese Weise wird die Leckage von Gas durch die Spaltaussparung (Grenzschichtbereich) eingeschränkt. (Dieses allgemeine Konzept ist in der Anmeldung für R. Bunker, Lfd. Nr. 11/541 336 (Docket Nr. 155 542-1 für «Stator-Rotor-Baugruppen mit Oberflächenmerkmalen zur verbesserten Eingrenzung der Gasströmung und dazugehörige Prozesse»), welche gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde und durch Verweis hierin aufgenommen ist, beschrieben. Die Anmeldung 11/541 336 (Docket Nr. 155 542-1) betrifft hauptsächlich die Grenzflächenbereiche innerhalb von Stator-Rotor-Anordnungen).

[0018] So wie er hierin verwendet wird, ist der Begriff «Austiefung» so zu interpretieren, dass er eine sehr breite Palette von Vertiefungen, Einbuchtungen, Einsenkungen, Gruben oder jede weitere Art von diskretem Senkloch umfasst. In einigen bevorzugten Ausführungsformen liegt jede Austiefung in der Gestalt einer Halbkugel oder einer teilweisen Halbkugel vor. Die halbkugelförmige Gestalt muss jedoch nicht geometrisch exakt sein, d. h., eine bestimmte Variation in ihrer Krümmung ist möglich.

[0019] Fig. 4 und 5 sind nicht einschränkende Veranschaulichungen verschiedener halbkugelförmiger Formen im Querschnitt, die für die Austiefungen in Frage kommen. In Fig. 4 ist eine vollständige Halbkugel dargestellt, d.h., mit einer Tiefe, die dem gesamten Radius R entspricht. Fig. 5zeigt eine wesentlich flachere Austiefung. Darüber hinaus kann auch die Oberflächenkante der Austiefung variieren. In Fig. 4sind die Oberflächenkanten 60 und 62 etwas abgerundet dargestellt, während in Fig. 5die Oberflächenkanten 64 und 66 relativ scharfkantig abgebildet sind. (Darüber hinaus können auch unterschiedliche Abschnitte der Oberflächenkanten für eine gegebene Austiefung in der Gestalt variieren, z.B. abhängig davon, wie diese relativ zu einem bestimmten Gasstrom positioniert sind.)

[0020] Wie aus den beispielhaften Fig. 4und 5 offensichtlich ist, kann die Tiefe der Austiefungen beträchtlich variieren. Faktoren, die für die Auswahl der optimalen Tiefe relevant sind, schliessen die Art und die Geschwindigkeit der Gasströmung über den Austiefungen (in einem oder mehreren Strömen); das Ausmass, in welchem die Gasströmung eingeschränkt werden soll; die Gestalt und Grösse der fest stehenden und/oder rotierenden Oberflächen, an welchen die Austiefungen angeordnet sind; die Art und Weise, in der die Austiefungen ausgebildet werden sollen; und die Grösse des lokalen Grenzschichtbereichs ein. Im Allgemeinen variiert die Tiefe der Austiefungen für eine typische Baugruppe in einer handelsüblichen Turbomaschine von etwa 0,5 mm bis etwa 6 mm. Im Fall von halbkugelförmigen oder zum Teil halbkugelförmigen Austiefungen reicht die Tiefe typischerweise von etwa 0,5 mm bis etwa 6 mm, und noch öfter von etwa 0,5 mm bis etwa 2,5 mm. Der Fachmann wird auf der Grundlage der oben erwähnten Faktoren sowie auf Grund von Fluidströmungsversuchen, Entladungskoeffiziententests, computergestützten Fluiddynamikprognosen und dergleichen in der Lage sein, die am besten geeignete Tiefe der Austiefung für eine gegebene Situation auszuwählen.

[0021] Wie oben erwähnt, sind auch Austiefungen mit anderen Gestalten möglich. Als eine nicht einschränkende Veranschaulichung könnte die Austiefung 68 (Fig. 6) eine relativ flache untere Oberfläche 70, zusammen mit geneigten Seitenwänden 72 aufweisen, so dass die Öffnung der Austiefung eine grössere Fläche aufweist als ihr Boden 70. Der Neigungsgrad der Seitenwände kann beträchtlich variieren, abhängig von vielen der anderen Faktoren, die hierin dargelegt wurden.

[0022] Die Austiefungen können in einer Reihe vieler unterschiedlicher Muster angeordnet sein. Was die Gestalt und Grösse der Austiefung betrifft, hängt das spezifische ausgewählte Muster zum Teil von vielen der oben aufgezählten Faktoren ab. Üblicherweise, jedoch nicht immer, sind diese gleichmässig in einem Abstand voneinander angeordnet.

[0023] Der Abstand zwischen den Austiefungen kann ebenfalls in einem gewissen Mass variieren. (Der Abstand wird hierin als das Verhältnis des Abstands von Mittelpunkt zu Mittelpunkt, geteilt durch den Oberflächendurchmesser der Austiefung, ausgedrückt.) Im Fall einer typischen Turbinenmotorbaugruppe reicht das beschriebene Verhältnis von etwa 1,0 bis etwa 3,0. In einigen Beispielen kann ein Muster von in einem gleichmässigen Abstand angeordneten Austiefungen eine versetzte Ausrichtung von Austiefungen zwischen anderen Reihen von Austiefungen einschliessen. Fluidströmungsversuche wie die oben erwähnten können verwendet werden, um das am besten geeignete Muster von Austiefungen für eine gegebene Situation einfach zu bestimmen. Es ist auch zu beachten, dass das Muster selbst entlang unterschiedlicher Oberflächenabschnitte der Turbomaschine abgewandelt werden kann. (Weitere Details bezüglich der Verwendung, Gestalt und Anordnung von Austiefungen in Metalloberflächen, die einer Gasströmung ausgesetzt sind, werden in dem US-Patent 6 504 274 (R. Bunker et al.) bereitgestellt, welches durch Verweis hierin aufgenommen wird.)

[0024] Die Austiefungen können mit einer Reihe von Verfahren ausgebildet werden. Nicht einschränkende Beispiele schliessen maschinelle Bearbeitungsverfahren wie etwa verschiedene Fräsmethoden ein. Andere maschinelle Bearbeitungsverfahren, die möglich sind, schliessen elektroerosive Bearbeitung (electro-discharge machining, EDM) und elektrochemische Bearbeitung (electro-chemical machining, ECM) ein. In einigen Fällen könnten die Austiefungen während des Giessens der spezifischen Komponente, z.B. dem Präzisionsguss eines Turbinenrotors oder eines Deckbandes, ausgebildet werden. Als ein Beispiel könnte die Oberfläche einer Präzisionsgussform mit einem ausgewählten Muster positiver Merkmale, z. B. «Hügel», Kuppeln, Pyramiden, Zapfen oder einem beliebigen anderen Typ von Vorsprüngen oder Verwirbelungen versehen sein. (Einige der Verfahren zur Schaffung dieser Merkmale an verschiedenen Oberflächen sind in der US-Patentanmeldung 10/841 366 (R. Bunker et al.), welche durch Verweis hierin aufgenommen ist, beschrieben.) Die Gestalt der positiven Merkmale wird durch die gewünschte Gestalt der Austiefungen bestimmt, die das Inverse des positiven Merkmals darstellen. Somit wird nach Entfernung der Form das Teil das ausgewählte Muster von Austiefungen einschliessen. Der Fachmann wird in der Lage sein, auf einfache Weise die am besten geeignete Methode (oder Kombination von Methoden) zur Ausbildung der Austiefungen an einer gegebenen Oberfläche zu bestimmen.

[0025] Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts einer weiteren Turbinenrotorschaufel, mit Hervorhebung des Schaufelspitzenabschnitts 80 und des Deckbandes 84. Das Deckband schliesst die untere Oberfläche 86 ein. Die Drehrichtung der Schaufel während des Betriebs wird durch den Pfeil 82 veranschaulicht. Die Figur bildet das Leckgas 88 ab, das sich hin zu dem/der und durch den/die Grenzschichtbereich/Spaltaussparung 90 bewegt.

[0026] Fig. 7 bietet eine nicht einschränkende Veranschaulichung eines Musters von Austiefungen 92, die in die Deckbandoberfläche 86 integriert sind. Wie oben erwähnt kann die spezielle Position, Gestalt und Grösse der Austiefungen variieren, um die Anforderungen einer bestimmten Baugruppe und Turbomaschine zu erfüllen. Das Vorhandensein der Austiefungen kann die Strömung von Leckgas 88 durch den Spalt 90 stark einschränken. Wie bereits im Vorstehenden erklärt, kann eine Verringerung der Menge an Leckgas den Wirkungsgrad der Turbine beträchtlich verbessern. (Auf dieselbe Weise kann ein geeignetes Muster von Austiefungen in das in Fig. 3 abgebildete Deckband integriert sein, d.h. innerhalb der unteren Oberfläche 48 des Deckbands 14.)

[0027] Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf eine Reihe von Rotorschaufelgestaltungen anwendbar, und insbesondere auf die verschiedenen Gestaltungen für den Spitzenbereich der Schaufel. Zum Beispiel kann der Schaufelspitzenabschnitt 80 eine Gestalt unterschiedlich von jener des Spitzenabschnitts 20 (Fig. 3) aufweisen. Der Spitzenabschnitt 80 schliesst eine obere Spitzenoberfläche 94 ein. Die Oberfläche 94 selbst schliesst einen zurückgesetzten Spitzenbereich 96 zusammen mit hervorstehenden Bereichen 98 und 100 ein.

[0028] Die Austiefungen können in verschiedene Oberflächen der in Fig. 7 abgebildeten Baugruppe integriert sein, an Stelle oder zusätzlich zu deren Vorhandensein an der Deckbandoberfläche 86. Andere mögliche Positionen für die Austiefungen werden durch die verschiedenen kleinen Pfeilsymbole angezeigt. Wie gezeigt ist es möglich, die Austiefungen in verschiedene Abschnitte der oberen Spitzenoberfläche 94 zu integrieren. In ähnlicher Weise können die Austiefungen in einen beliebigen Abschnitt der Spitzenoberfläche 50 (Fig. 3) integriert werden.

[0029] In vielen Fällen scheint es, dass der grösste Nutzen in Bezug auf die Beschränkung der Fluidströmung erzielt wird, indem die Austiefungen – im Vergleich zum rotierenden Element – in erster Linie in Oberflächen des fest stehenden Elements integriert werden. Unterschiedliche Arten von Baugruppen können jedoch von der Anordnung dieser Merkmale an den rotierenden Elementen profitieren, unabhängig davon, ob diese am fest stehenden Element vorhanden sind oder nicht. Der Fachmann wird in der Lage sein, die beste(n) Position(en) für die Anordnung der Austiefungen für eine gegebene Art von Baugruppe auf der Grundlage dieser Lehren sowie der oben angeführten verschiedenen experimentellen Beobachtungen einfach zu bestimmen.

[0030] Fig. 8 ist eine Abbildung einer weiteren Art von Baugruppe für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Figur ist eine Schnittansicht eines Rotorschaufelabschnitts 110, welcher einen Spitzenabschnitt 112 einschliesst. Die Figur bildet auch das Deckbandgehäuse 114 ab, welches eine Reihe von unterschiedlichen Gestalten und Grössen annehmen kann. Das Deckbandgehäuse schliesst eine untere Oberfläche 116 ein. Die Figur bildet auch den primären Pfad der Heissgasströmung 117 und der Abgasströmung 119 innerhalb dieser speziellen Baugruppe ab.

[0031] Der Rotorschaufelabschnitt 110 schliesst ein Spitzendeckband 118 (nicht mit dem «Deckbandgehäuse» 114 zu verwechseln) ein, welches mit herkömmlichen Mitteln an dem Spitzenabschnitt 112 angebracht ist. Das Spitzendeckband kann einen oder mehrere Vorsprünge oder «Dichtzähne» 120 einschliessen, welche in Gestalt und Grösse beträchtlich variieren können. Das Spitzendeckband und der daran angebrachte Dichtzahn dienen zum Teil zur Verringerung der effektiven Grösse der Spaltaussparung 122. Wie zuvor erwähnt kann eine Verringerung der Grösse der Spaltaussparung in wünschenswerter Weise den Strom von Leckgas 124 (welches/welcher aus der Heissgasströmung 117 entweicht) durch den Spalt behindern.

[0032] Als hilfreiche, nicht einschränkende Veranschaulichung ist ein Grenzschichtbereich in Fig. 8abgebildet. Der Grenzschichtbereich 126 ist als eine Länge dargestellt, die durch die unterbrochenen Linien 128 und 130 begrenzt ist, und umfasst zumindest die Spaltaussparung 122. Die Länge des Grenzschichtbereichs (d.h. die Dimension parallel zu den Strömungslinien 117 und 119) kann in gewissem Mass abweichen, wie zuvor bereits erwähnt. In diesem Fall stellt sie zumindest im Allgemeinen den Bereich der eingeschränkten Dimension zwischen den einander zugewandten Oberflächen des Spitzendeckbands 118 und des Deckbandgehäuses 114 dar, erstreckt sich jedoch üblicherweise in grösserem Ausmass entlang der Längendimension. Als ein Beispiel ist abgebildet, dass sich die Länge des Grenzschichtbereichs 126 etwa 10% über die Länge des Spitzendeckbands 118 hinausgehend erstreckt, in beiden Richtungen entlang der Längendimension.

[0033] In der Ausführungsform von Fig. 8sind die Austiefungen somit üblicherweise in zumindest einen Abschnitt der unteren Oberfläche 116 des Deckbandgehäuses 114, innerhalb des Grenzschichtbereichs 126, integriert. Sie können jedoch auch (oder alternativ) in verschiedene Abschnitte des Spitzendeckbands 118 integriert werden, einschliesslich des im Allgemeinen ebenen Abschnitts 132, und/oder an einem beliebigen Abschnitt der Oberfläche des Dichtzahns 120. Wie in anderen Ausführungsformen kann die effektivste Position für die Austiefungen vom Fachmann unter Bezugnahme auf diese Lehren ohne ungebührlichen Aufwand ermittelt werden.

[0034] Fig. 9 ist noch eine weitere Abbildung einer Baugruppe für bestimmte erfinderische Ausführungsformen. Die Figur ist eine Schnittansicht eines Rotorschaufelabschnitts 140, welcher einen Spitzenabschnitt 142 einschliesst. Das Deckbandgehäuse 144 ist ebenfalls dargestellt. Das Deckbandgehäuse hält das Deckband 146, welches eine untere Fläche 148 aufweist. Der Rotorschaufelabschnitt 140 schliesst ein Spitzendeckband 150 ein, das an dem Spitzenabschnitt 142 angebracht ist. In dieser Ausführungsform schliesst die obere Oberfläche 151 des Spitzendeckbands zwei Dichtzähne 152, 154 ein. Die Dichtzähne sind auch in Fig. 10 abgebildet, welche eine ebene Draufsicht auf den Spitzenabschnitt 142 ist. Wie in anderen Ausführungsformen dienen das Spitzendeckband und die angebrachten Dichtzähne in Fig. 9und 10zum Teil zur Verringerung der effektiven Grösse der Spaltaussparung 156. Auf diese Weise wird die Strömung von Leckgas 158 durch den Spalt in wünschenswerter Weise behindert.

[0035] In Übereinstimmung mit den oben angeführten Lehren umschliesst der Grenzschichtbereich 160 im Allgemeinen die Spaltaussparung 156 und erstreckt sich üblicherweise weiter entlang des Bereichs, welcher der oberen Oberfläche 151 des Spitzendeckbands zugewandt ist. Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass sich der Grenzschichtbereich um etwa 10% über die in Fig. 10 dargestellte Längendimension (L) hinausgehend erstreckt, und zwar in beiden Richtungen. Die obenstehend beschriebenen Austiefungen werden üblicherweise in zumindest einen Abschnitt der unteren Fläche 148 des Deckbandgehäuses 144, innerhalb des Grenzschichtbereichs 160 integriert. Sie können jedoch auch (oder alternativ) in verschiedene Abschnitte des Spitzendeckbands 150 integriert werden, einschliesslich des im Allgemeinen ebenen Abschnitts 151 (Fig. 10) sowie in den Oberflächenabschnitten der Dichtzähne 152 und 154.

[0036] Fig. 11 ist eine Veranschaulichung einer Labyrinthdichtung. Im Allgemeinen schaffen Labyrinthdichtungen ebenfalls einen Bereich eingeschränkter Fluidströmung, z.B. einen gewundenen Pfad zwischen einer fest stehenden Oberfläche und einer rotierenden Oberfläche. In dem vorliegenden, nicht einschränkenden Beispiel wurde die Labyrinthdichtung innerhalb einer Deckband-Schaufelspitzen-Baugruppe 170 ausgebildet. Das Deckband 172 schliesst eine Vielzahl von zurückgesetzten Bereichen 174 ein, welche zum Teil als Leckagehindernisse dienen. Die zurückgesetzten Bereiche sind als umlaufende Nuten abgebildet, die innerhalb des Körpers des Deckbands angeordnet sind; deren Gestalt und Grösse kann jedoch beträchtlich variieren.

[0037] Ein weiteres Element der Labyrinthdichtung ist der Satz von Spitzenaufsatz-Strömungshindernissen 176, die an dem oberen Abschnitt der Schaufelspitze 180 angebracht sind. Die Spitzenaufsatz-Strömungshindernisse befinden sich in Ausrichtung mit den zurückgesetzten Bereichen 174, um so die Spaltaussparung 182 zu definieren und die Labyrinthanordnung zu bilden. Wie im Fall der Strukturen der anderen Ausführungsformen behindert die Labyrinthdichtung die Strömung von Leckgas 184 durch den Spalt 182.

[0038] In dieser Ausführungsform sind die Austiefungen 186 als in das Deckband 172 integriert dargestellt. Die Austiefungen können sowohl an den Oberflächen der zurückgesetzten Bereiche 174 als auch an der unteren Oberfläche 188 des Deckbands ausgebildet werden. Wie in den anderen Ausführungsformen kann die Grösse, Gestalt und Anordnung der Austiefungen in Abhängigkeit von vielen der zuvor behandelten Faktoren stark variieren. Darüber hinaus können die Austiefungen auch (oder alternativ) in verschiedene Abschnitte des Spitzenaufsatzes 178 eingebaut werden. Diese Abschnitte schliessen die Schaufelspitzenoberfläche 178 sowie eine beliebige der Oberflächen der Strömungshindernisse 176 ein.

[0039] Fig. 11 bildet eine Labyrinthdichtung zwischen einem Deckband und dem Spitzenabschnitt einer Turbinenschaufel ab. Es muss jedoch betont werden, dass viele andere Arten von Labyrinthdichtungen mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung verträglich sind. Zum Beispiel sind Labyrinthdichtungen in anderen Abschnitten von Turbomaschinen zu finden. Nicht einschränkende Beispiele schliessen ein: die verschiedenen Hochdruck-Packdichtungen zwischen den Kompressor- und Turbinenabschnitten; Dichtungen für Zwischenstufen-Turbinendistanzräder; Induktorströmungsdichtungen, Dichtungen für Zwischenstufen-Kompressorräder; Wellenschaftaustrittsdichtungen; und Wellenstopfbüchsendichtungen. (Es ist klar, dass die Erfindung für andere Arten von Dichtungen ebenfalls geeignet ist, z.B. Bürstendichtungen, abreibbare Dichtungen, Foliendichtungen und dergleichen.)

[0040] Baugruppen mit jeder dieser Arten von Dichtungen sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden Stopfbuchsendichtungen typischerweise mit Umlauf-Kühlsystemen verwendet. Sie werden oft in Baugruppen innerhalb von Dampfturbinen eingebaut, wie in dem US-Patent 5 031 921 beschrieben, das durch Verweis hierin aufgenommen ist. Beispiele für in Gasturbinenmotoren verwendete Induktordichtungen sind im US-Patent 4 466 239 zu finden, das durch Verweis hierin aufgenommen ist. Darüber hinaus beschreibt das US-Patent 5 074 111 (ebenfalls durch Verweis hierin aufgenommen) verschiedene Arten von Dichtungen, die zur Isolierung der Kompressor- und Turbinenabschnitte von Turbinenmotoren eingesetzt werden. Der Fachmann wird weitere spezifische Bereiche innerhalb von Turbomaschinen erkennen, die von der hierin beschriebenen Erfindung profitieren können.

[0041] Wie oben angedeutet können die hierin beschriebenen erfinderischen Konzepte auf unterschiedliche Arten von Fluiden angewendet werden. Somit soll der Begriff «Fluid» ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch; ein Zwei-Phasen-Fluid, ein Fluid aus mehreren Komponenten; oder verschiedene Kombinationen davon einschliessen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Erfindung in eine Wasserturbine, z.B. eine, die in einen beliebigen Typ von hydroelektrischem System verwendet wird.

[0042] Darüber hinaus ist zu betonen, dass viele unterschiedliche Typen von Turbomaschinen die Merkmale der vorliegenden Erfindung inkorporieren können. Nicht einschränkende Beispiele für andere Typen von Turbomaschinen schliessen Gaskompressionseinheiten, Flüssigkeitskompressionseinheiten, Expander, Hydroturbinen und Dampfturbinen ein. Auch Kombinationen dieser Maschinen liegen im Schutzbereich dieser Erfindung.

[0043] Obwohl die Erfindung in Bezug auf die detaillierten Ausführungsformen derselben dargestellt und beschrieben wurde, wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Abwandlungen der Form und Details derselben vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus sind alle Patente, Patentartikel und andere im Vorigen stehenden Verweisdokumente durch Verweis hierin aufgenommen.

Claims (10)

1. Baugruppe in einer Turbomaschine, umfassend ein rotierendes Element (80; 180), das einen Grenzschichtbereich (90; 182) mit einem fest stehenden Element (84; 172) aufweist, wobei der Grenzschichtbereich (90; 182) ein Muster von Austiefungen (92; 186) umfasst.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Austiefungen (92; 186) in der Gestalt einer Halbkugel oder einer teilweisen Halbkugel vorliegen.

3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grenzschichtbereich (90; 182) ein Strömungsbegrenzungsbereich ist, welcher die Strömung eines Fluids (88; 184) zwischen dem rotierenden Element (80; 180) und dem fest stehenden Element (84; 172) begrenzt.

4. Baugruppe nach Anspruch 3, wobei das Fluid (88; 184) eine Substanz umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Gas, einer Flüssigkeit, einem Gas-Flüssigkeits-Gemisch; ein Zwei-Phasen-Fluid, ein Fluid aus mehreren Komponenten; und beliebige Kombinationen aus den zuvor erwähnten.

5. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Abschnitt des Grenzschichtbereichs (182) eine Dichtung (174, 176) zwischen dem rotierenden Element (180) und dem fest stehenden Element (172) umfasst; und das Muster von Austiefungen (186) an zumindest einer Oberfläche (178, 188) der Dichtung (174, 176) angeordnet ist.

6. Baugruppe nach Anspruch 5, wobei die Dichtung (174, 176) eine Labyrinthdichtung ist; und das Muster von Austiefungen (186) an zumindest einer Oberfläche (188) der Labyrinthdichtung angeordnet ist.

7. Turbomaschine mit einer Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Turbomaschine nach Anspruch 7, wobei die Turbomaschine ein Gasturbinenmotor ist.

9. Turbomaschine nach Anspruch 7, wobei die Turbomaschine ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Gaskompressionseinheit, einer Flüssigkeitskompressionseinheit, einem Expander, einer Hydroturbine, einer Dampfturbine, einer Wasserturbine und Kombinationen davon.

10. Verfahren zur Einschränkung der Strömung eines Fluids (88; 184) durch einen Grenzschichtbereich (90; 182) zwischen einem fest stehenden Element (84; 172) und einem rotierenden Element (80; 180) in einer Turbomaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, umfassend den Schritt der Bildung eines Musters von Austiefungen (92; 186) an zumindest einer Oberfläche (86, 94; 188, 178) des fest stehenden Elements (84; 172) oder des rotierenden Elements (80; 180), wobei die Austiefungen (92; 186) eine Grösse und Gestalt aufweisen, die ausreichend ist, um die Fluidströmung (88; 184) zu behindern.