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Die
Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit zumindest einer Einsatzhülse
zum Kühlen der Turbinenschaufel, wobei die Einsatzhülse
zumindest einen Einlass für ein Kühlmedium und
perforierte Wandabschnitte zum Austritt des Kühlmediums
aufweist, und wobei zwischen einer Innenwand der Turbinenschaufel
und der Einsatzhülse ein Spalt gebildet ist.
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Derartige
Einsätze zum Kühlen von Turbinenschaufeln sind
aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
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So
beschreibt die
EP 1
156 187 B1 eine Turbinenschaufel mit Einsatzhülse,
die Bereiche zur Prallkühlung und Bereiche zur Konvektionskühlung aufweist.
Dabei werden die beschriebenen Einsatzhülsen in die erste
Statorstufe der Turbinenleitschaufeln eingesetzt. Je nach Größe
der Turbinenschaufel werden mehrere unterschiedlich geformte Einsatzhülsen
pro Turbinenschaufel verwendet. Die Einsatzhülsen sind
dabei so gestaltet, dass sie Perforationen bzw. Löcher
in ihren Wandungen aufweisen und in entsprechende Hohlräume
der einzelnen Schaufelsegment hinein passen. Die Außenwände
der Einsatzhülsen sind dabei von den Innenwänden
der Turbinenschaufelsegmente beabstandet und bilden eine Spalt.
Dadurch kann ein Kühlmedium aus den Löchern in
der Wandung der Einsatzhülsen in den zwischen Außenwand
der Einsatzhülse und Innenwand des Turbinenschaufelsegments
gebildeten Spalt strömen bzw. gegen die Innenwand der Turbinenschaufel
prallen und diese dadurch kühlen. Besondere Maßnahmen
zur Schwingungsdämpfung der einzelnen Turbinenschaufeln
werden in diesem Stand der Technik nicht angegeben.
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Ferner
offenbart die
EP 1
039 096 A1 eine Turbinenschaufelanordnung, die perforierte
mit Löchern versehene Leitschaufelanordnungen aufweist. Auch
in diesem Stand der Technik werden keine besonderen Maßnahmen
zur Schwingungsdämpfung der Turbinenschaufeln angegeben.
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Ferner
sind aus dem Stand der Technik Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung
von Schaufelschwingungen bei Turbinen bekannt. So werden bei Einzelschaufeln
häufig Schwingungsdämpfer zwischen den Schaufelplattformen
oder den Deckbändern angeordnet, um gefährliche
resonante Schwingungen zu vermeiden.
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Eine
andere Lösung beschreibt die
US 6,375,428 B1 anhand einer Turbinen-Blisk
mit daran angeordnetem Reibungsfingerdämpfer. Bei der hier beschriebenen
Blisk, d. h. einer Turbinenscheibe mit daran integral angeformten
Turbinenschaufeln, sind beidseitig über die Scheibenfläche
ringförmige Dämpfungselemente angeordnet, welche
durch Reibungsdissipation auftretende Schwingungen dämpfen.
Eine Schaufelkühlung der Turbinenschaufeln wird in diesem
Stand der Technik nicht beschrieben.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten technischen
Probleme des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte
Turbinenschaufel anzugeben, die durch einfache Maßnahmen
Kühlung und Dämpfung der Turbineschaufel erreicht.
Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Maßnahmen
auch bei Einzelschaufeln mit und ohne Deckband sowie bei fest an
einem Rotor angeordneten Schaufeln anwenden zu können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
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Durch
die Erfindung werden die technischen Probleme des Standes der Technik
vermieden und eine verbesserte Turbinenschaufel angegeben, die durch
einfache Maßnahmen Kühlung und Dämpfung der
Turbineschaufel erreicht. Insbesondere werden durch die vorliegende
Erfindung diese Maßnahmen auch bei Einzelschaufeln mit
und ohne Deckband sowie bei fest an einem Rotor angeordneten Schaufeln anwendbar.
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Die
erfindungsgemäße Turbinenschaufel mit zumindest
einer Einsatzhülse zum Kühlen der Turbinenschaufel,
wobei die Einsatzhülse zumindest einen Einlass für
ein Kühlmedium und perforierte Wandabschnitte zum Austritt
des Kühlmediums aufweist, und wobei zwischen einer Innenwand
der Turbinenschaufel und der Einsatzhülse ein Spalt gebildet
ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass an definierten Stellen der
Außenwand der Einsatzhülse Reibelemente vorgesehen
sind, welche die Innenwand der Turbinenschaufel berühren,
und/oder dass an der Innenwand der Turbinenschaufel Reibelemente
vorgesehen sind, welche die Außenwand der Einsatzhülse berühren.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist sehr einfach
und dennoch wirkungsvoll, da durch ein einziges Bauteil sowohl die
Kühlung als auch die Dämpfung der Turbinenschaufel
ermöglicht wird. Neben den hierdurch erzielbaren Kosteneinsparungen
führt dies auch zu erheblichen Gewichtseinsparungen. Ferner ist
diese Lösung sowohl auf neue Turbinenstufen anwendbar als
auch bei bereits existierenden Turbinen nachrüstbar. Die
Erfindung ist sowohl auf Laufschaufeln als auch auf Statorschaufeln
anwendbar.
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Je
nach Schaufelgröße werden eine Einsatzhülse
pro Schaufel oder bei mehreren Schaufelsegmenten mehrere Einsatzhülsen
verwendet. Dabei sind die Einsatzhülsen entsprechend der
Hohlraumgeometrie im Schaufelinneren der Turbinenschaufel ausgebildet.
Die Kühlung erfolgt vorzugsweise durch Prallkühlung
der Schaufel von Innen kombiniert mit entsprechenden Druckverteilungseinrichtungen,
die für die erforderliche Druckverteilung sorgen. Durch die
Reibelemente können bei entsprechender Anzahl, Geometrie
und Anordnung alle fundamentalen Schwingungsfamilien der Schaufelschwingungen
beeinflusst werden.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
die Reibelemente als zusätzliche Materiallage ausgebildet
sind. Diese zusätzliche Materiallage kann beispielsweise
durch Auftragschweißen oder andere geeignete Methoden geschaffen werden.
Es können bei größeren Reibelementen aber
auch Materialstreifen in unterschiedlicher Form und Größe
auf die Außenwand der Einsatzhülse und/oder auf
die Innenwand der Turbinenschaufel aufgebracht werden. Die Form
der Reibelemente kann dabei kreis- oder ellipsenförmig,
rechteckig oder tropfenförmig oder jede andere geeignete
Form aufweisen. Sofern eine Punktberührung beabsichtigt ist,
kann auch ein sphärisch geformtes Reibelement an der Außenwand
der Einsatzhülse angebracht sein.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
die Dicke der Reibelemente etwa der Spaltbreite entspricht. Dabei
sollte ein problemloses Einführen der Einsatzhülse
möglich sein. Außerdem muss bei der Auslegung
des Spiels zwischen Reibelement und Turbinenschaufelinnenwand auch
die Verwindung der Turbinenschaufel im Betrieb berücksichtigt
werden. Diese Verwindung soll durch die Reibelemente nicht negativ
beeinflusst werden.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
die Reibelemente aus dem gleichen Material wie die Einsatzhülse
hergestellt sind. Hierdurch werden elektrochemische Reaktionen zwischen
Einsatzhülse und Reibelement vermieden.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
zwei bis acht, vorzugsweise vier Reibelemente vorgesehen sind. Die
genaue Anzahl und Anordnung der Reibelemente richtet sich nach der
Schaufelgröße und den zu dämpfenden Schwingungsmodi.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
die Turbinenschaufel integraler Bestandteil einer Turbinenblisk
ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung
können insbesondere bei Turbinenbliskstufen Gewichtseinsparungen
von etwa 15% erzielt werden.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
die Turbinenschaufel als Einzelschaufel mit Deckband oder ohne Deckband
ausgebildet ist. Im Falle von Einzelschaufeln mit oder ohne Deckband
können die Einsatzhülsen entweder von oben, d.
h. von der Schaufelspitze her, eingefügt werden oder aber
von unten, d. h. von der Schaufelfußseite.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer
Turbinenschaufel mit einer Einsatzhülse und mit Reibelementen
weist folgende Schritte auf:
- – Öffnen
eines Endes einer hohlen Turbinenschaufel;
- – Einfügen einer Einsatzhülse in
den freigelegten Hohlraum bzw. in die freigelegten Hohlräume
der Turbinenschaufel, wobei die Reibelemente an der Innenwand der
Turbinenschaufel und/oder an der Außenwand der Einsatzhülse
anliegen;
- – Wieder verschließen des Hohlraums. Die Einsatzhülsen
stützen sich dabei am Schaufelfuß ab. Das angegebene
Verfahren eignet sich auch zum Nachrüsten vorhandener Turbinenschaufeln
und kann sowohl für Einzelschaufeln als auch für
Turbinenblisks verwendet werden.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Herstellen einer Turbinenschaufel mit einer Einsatzhülse
sieht vor, dass zum Öffnen der Turbinenschaufel eine Schaufelspitzenkappe
abgehoben wird. Das Abheben der Schaufelspitzenkappe erfolgt dabei
durch abtrennen der Schaufelspitze und anschließendes wieder
Abdecken der Schaufelspitze mit dem abgetrennten Bauteil.
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Eine
alternative vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Herstellen einer Turbinenschaufel mit einer Einsatzhülse
sieht vor, dass zum Öffnen der Turbinenschaufel der Schaufelfuß geöffnet
wird. Dieses Verfahren lässt sich bei Einzelschaufeln anwenden.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Die
Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform
einer Turbinenschaufel mit Einsatzhülse geschnitten entlang
der Profilsehne;
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2 eine
schematische Darstellung zweier erfindungsgemäßer
Turbinenschaufeln auf einem Rotor im Querschnitt.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform
einer Turbinenschaufel 1 mit zwei Einsatzhülsen 2 geschnitten
entlang der Profilsehne. Die Turbinenschaufel 1 weist einen
in ein vorderes und ein hinteres Segment unterteilten Hohlraum auf,
der sich über die gesamte Schaufelhöhe erstreckt.
Dabei ist eine Einsatzhülse 2 im vorderen Segment
der Turbinenschaufel 1, d. h. im Bereich der Profilnase
angeordnet, während die zweite Einsatzhülse 2 im
hinteren Segment der Turbinenschaufel 1, d. h. im Bereich
der Profilhinterkante angeordnet ist. Die Einsatzhülsen 2 sind
dabei komplementär zu der Kontur der Turbinenschaufel,
weisen jedoch eine geringere Größe auf.
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Die
beiden Einsatzhülsen 2 weisen dabei perforierte
Wandungen auf, durch die Kühlmedium in eine zwischen den
Einsatzhülsen und der Innenwand der Turbinenschaufel 1 gebildeten
Spalt entweichen kann. Das Kühlmedium prallt auf die Innenwandung der
Turbinenschaufel auf und erzeugt so die gewünschte Prallkühlung.
Danach tritt das Kühlmedium durch Kühlöffnungen 3 an
der Wandung der Turbinenschaufel 1 aus.
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Das
Kühlmedium, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel
Luft ist, wird dabei durch Kühlmediumeinlässe 4 im
Schaufelfußbereich zugeführt. Die Strömung
des Kühlmediums ist in der 1 durch
entsprechende Pfeile angedeutet.
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Bei
der dargestellten Turbinenschaufel 1 handelt es sich um
eine Laufschaufel, die auf einer Turbinenscheibe angeordnet ist.
Die Schnittlinie Schaufel/Turbinenscheibe 5 ist dabei nur
schematisch angedeutet.
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Die
Einsatzhülsen 2 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel
mit Reibelementen 8 ausgebildet, die durch zusätzlich
auf der Außenwand der Einsatzhülse 2 angebrachte
Materiallagen gebildet sind. Die Reibelemente haben dabei eine Materialstärke, die
etwa der Dicke des zwischen Einsatzhülsenaußenwand
und Turbinenschaufelinnenwand gebildeten Spaltes entspricht. Der
Dämpfungseffekt wird durch Reibungsdissipation zwischen
den Einsatzhülsen und ausgewählten Kontaktstellen
erzielt. Die Kontaktstellen sind dabei an der inneren Schaufelgeometrie
gemäß den Vibrationsmodi ausgewählt,
die gedämpft werden sollen. Ferner ist eine spezielle Geometrie
der Reibelemente vorgesehen, wodurch ein geeigneter Anpressdruck
entsteht. An dieser Stelle sei nochmals erwähnt, dass die
Reibelemente (8) an der Einsatzhülse (2)
und/oder an der Turbinenschaufel (1) vorgesehen sein können.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Turbinenschaufel 1 mit
gestrichelt dargestelltem Deckband 7 vorgesehen.
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Zur
Montage der Einsatzhülsen 2 wird die Schaufelspitzenkappe
entlang der Trennlinie 6 von der Turbinenschaufel 1 abgetrennt
und abgehoben und die Einsatzhülsen werden von der Schaufelspitzenseite
in die freigelegten Schaufelhohlräume eingefügt.
Dabei berühren die Reibelemente 8 die Innenwand
der Turbinenschaufel 1. Das Gewicht der Einsatzhülsen 2 ruht
dabei auf der Schaufelwurzel, d. h. die Einsatzhülsen 2 werden
am Schaufelfuß im Bereich des Kühlmediumeinlasses
verankert. Danach wird die Schaufelspitzenkappe wieder aufgesetzt
und die Turbinenschaufel 1 dadurch wieder verschlossen. Dabei
ist die Position der Reibelemente so gewählt, dass sie
die normale Verwindung der Turbinenschaufel 1 im Betrieb
nicht behindern, im Falle unerwünschter Schwingungen jedoch
als Dämpfer wirken.
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Durch
die Reibelemente 8 können im Betrieb alle auftretenden
fundamentalen Schwingungsfamilien (1Fi, 1Ti, 1Ci) gedämpft
werden. Die Schaufelschwingungen und die Schaufelkühlung
können so auf einfache Weise mit einem Bauteil, nämlich
einer Einsatzhülse mit Reibelement beeinflusst werden.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Turbinenblisk mit zwei erfindungsgemäßen
Turbinenschaufeln 1 an einem Rotor im Querschnitt. Darin
ist die Schaufel/Scheibentrennebene 5, d. h. die Fügezone
schematisch mit einer gestrichelter Linie dargestellt. Die Turbinenschaufeln 1 sind
dabei mit Einsatzhülsen 2 vorgesehen, die in einem
von den Turbinenschaufelinnenwänden 10 umschlossenen Hohlraum
angeordnet sind. Zwischen den Turbinenschaufelinnenwänden 10 und
den Einsatzhülsen 2 sind Spalte mit einer Spaltbreite 11 ausgebildet.
An den Einsatzhülsen 2 sind Reibelemente 8 angeordnet,
die eine Dicke aufweisen, die etwa der Spaltbreite 11 entspricht.
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Ferner
sind in 2 schematisch die Kühlmediumeinlässe 4 im
Schaufelfußbereich dargestellt. Dabei ist auch ein diagonal
verlaufender Kühlkanal zum Kühlen der Schaufel/Scheiben
Schnittstelle 5 angedeutet. Der Einlass des Kühlmediums
in die Turbinenblisk ist oberhalb der Fügezone vorgesehen, sowohl
in der Stirnseite, als auch von anderen geeigneten Stellen.
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Zwischen
den beiden dargestellten Turbinenschaufeln 1 ist außerdem
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Dichtung 9 ein
Unterplattformelement vorgesehen, welches sowohl Dichtungs- als auch
Dämpfungseigenschaften aufweisen kann.
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Die
interne Kühlmittelpassage kann dabei durch ein Multi-Pass
oder Einsatz-Kühlsystem eingenommen sein.
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Der
weitere Aufbau und die Funktion entspricht der zu 1 beschriebenen.
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Die
vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in
den Ansprüchen dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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- 1
- Turbinenschaufel
- 2
- Einsatzhülse
- 3
- Kühlöffnung
- 4
- Kühlmedium
Einlass
- 5
- Schnittstelle
Schaufel/Scheibe
- 6
- Ansatz
Schaufelspitzenkappe
- 7
- Deckband
- 8
- Reibelement
- 9
- Dichtung
- 10
- Innenwand
Turbinenschaufel
- 11
- Spaltbreite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1156187
B3 [0003]
- - EP 1039096 A1 [0004]
- - US 6375428 B1 [0006]