DE102007044727A1

DE102007044727A1 - Verfahren und Geräte für die Herstellung von Turbinenantrieben

Info

Publication number: DE102007044727A1
Application number: DE102007044727A
Authority: DE
Inventors: Thomas Michael Moors; David Scott Williams
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2027-09-19
Also published as: US7686568B2; CN101148993B; AU2007214378A1; DE102007044727B4; JP2008075644A; AU2007214378B2; US20080075600A1; CN101148993A

Abstract

Es wird eine Schaufel (46) für ein Turbinentriebwerk (10) geschaffen. Die Schaufel (46) umfasst ein Deckband (60), das von der Strömungsfläche ausgeht, und mindestens einen Schneidzahn (80), der von dem Deckband ausgeht, wobei der zumindest eine Schneidzahn aus einem Material gefertigt ist, das dafür vorgesehen ist, sich während des Betriebes des Turbinentriebwerks abzunutzen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Turbinentriebwerke und im Besonderen auf Verfahren und Geräte für den Bau von Turbinenrotorschaufel-Schneidzähnen.
Zumindest einige bekannte Turbinenantriebe umfassen zumindest eine Statorbaugruppe und zumindest eine Rotorbaugruppe, die zumindest eine Reihe von umlaufend angeordneten Turbinenblättern oder -Schaufeln umfasst. Die Schaufeln erstrecken sich von einer Plattform radial auswärts bis zu einer Spitze. Eine Vielzahl von feststehenden Bändern, verbunden mit der Statorbaugruppe, grenzen aneinander an und definieren so einen Strömungspfad, der sich im Wesentlichen umlaufend um die Rotorbaugruppe erstreckt. Die Spitzen der Schaufeln können mit einer Dichtung versehen sein, um eine Steigerung der Turbineneffizienz und -Leistung zu ermöglichen.
Zumindest einige bekannte Rotorbaugruppen enthalten ein Deckband, das auf dem Außenende jeder Schaufel ausgebildet ist. Bekannte Deckbänder umfassen jeweils einen Sockel und eine Dichtungsschiene. Das Deckband kann von einer Wabenstruktur umgeben sein, und in derartigen Ausführungsformen kann die Dichtungsschiene einen oder mehrere zahnartige Schneidwerkzeuge umfassen, die einen Teil des Wabenmaterials durchschneiden, um einen Freiraum für die Spitzen zu schaffen. Die Minimierung des Spitzenfreiraums ermög licht eine Leistungssteigerung der Turbine, aber der Spitzenfreiraum muss dennoch groß genug dimensioniert werden, um den reibungsfreien Triebwerksbetrieb über die gesamte Bandbreite möglicher Triebwerks-Betriebsbedingungen zu ermöglichen.
Bekannte Deckbandbereiche können für Kriechschäden anfällig sein, die auftreten, wenn der Schneidwerkzeugkörper hohen Betriebstemperaturen und Rotationsbelastungen ausgesetzt ist, wie sie während des Triebwerksbetriebs auftreten können. Um die Verringerung der Kriechproblematik zu ermöglichen, sind in einigen Turbinenbaugruppen zentral auf jeder Schaufel Schneidzähne angeordnet. Da jedoch diese Schneidzähne keine Funktion mehr haben, nachdem die Wabenstrukturen durchschnitten und die Spitzenfreiräume geschaffen wurden, wäre es vorteilhaft, wenn die Schneidzähne nach den ersten Betriebsstunden des Triebwerks entfernt werden könnten. Bei bekannten Rotorbaugruppen müsste jedoch das Triebwerk zum Entfernen der Schneidzähne abgeschaltet werden und außerdem müsste die Rotorbaugruppe entfernt werden, um einen Benutzer in die Lage zu versetzen, die Schneidwerkzeuge von den Triebwerken zu entfernen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Einarbeitung einer Turbinenschaufel geschaffen, um das Kriechen des Deckbandes verringern zu können. Das Verfahren umfasst, die Bereitstellung einer Turbinenschaufel, die über ein Deckband mit mindestens einer Dichtungsschiene verfügt. Das Verfahren umfasst ebenfalls, mit dem Deckband mindestens einen Schneidzahn zu verbinden, wobei das zumindest eine Schneidwerkzeug aus einem verbrauchbaren Material gefertigt ist, das das Entfernen des zumindest einen Schneidzahns von dem Deckband während des Turbinentriebwerksbetriebs ermöglicht.
In einer anderen Ausführungsform wird eine Schaufel für eine Gasturbine geschaffen. Die Schaufel verfügt über ein Deckband, das von der Schaufel ausgeht, und über mindestens einen von dem Deckband ausgehenden Schneidzahn. Der Schneidzahn ist aus einem Material hergestellt, das sich während des Gasturbinentriebwerksbetriebs abnutzt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schemadarstellung eines beispielhaften Turbinentriebwerks;
2 ist eine Schemadarstellung eines Teils einer beispielhaften Hochdruckturbine, die in Verbindung mit dem in 1 gezeigten Turbinentriebwerk verwendet werden kann;
3 ist eine vergrößerte Schemadarstellung eines Teils (entlang dem Bereich 3) der Hochdruckturbine aus 2, und
4 ist eine schematische Draufsicht auf ein beispielhaftes Turbinendeckband wie in 3 dargestellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine Schemadarstellung einer beispielhaften Gasturbine 10, die mit einem elektrischen Generator 16 verbunden ist. In der beispielhaften Ausführung umfasst die Gasturbine 10 einen Verdichter 12, eine Turbine 14 und den Generator 16, die in einem einzigen Rotor oder einer Welle 18 angeordnet sind. In einer alternativen Ausführungsform ist die Welle 18 in eine Vielzahl von Wellensegmenten unterteilt, wobei jedes Wellensegment mit einem benachbarten Wellensegment verbunden ist, um so die Rotorwelle 18 zu bilden. Der Verdichter 12 versorgt eine Brennkammer 20 mit verdichteter Luft, wobei die Luft mit Treibstoff gemischt wird, der durch den Strom 22 zugeführt wird.
Im Betriebszustand strömt Luft durch den Verdichter 12 und die Brennkammer 20 wird mit verdichteter Luft versorgt. Die Verbrennungsgase 28 aus der Brennkammer 20 treiben die Turbine 14 an. Die Turbine 14 dreht die Rotorwelle 18, den Verdichter 12 und den elektrischen Generator 16 um eine Längsachse 30.
2 ist eine Schemadarstellung eines Teils einer Hochdruckturbine, wie beispielsweise Turbine 14, die in Verbindung mit der Gasturbine 10 benutzt werden kann. Die Turbine 14 umfasst eine Vielzahl von Stufen 40, von denen jede eine rotierende Reihe von Turbinenblättern oder -schaufeln 46 sowie eine feststehende Reihe von Statorschaufeln 48 umfasst. Die Turbinenschaufeln 46 werden von Rotorscheiben 50 gehalten, die mit einer Rotorwelle, wie beispielsweise der Rotorwelle 18, verbunden sind. Ein Turbinengehäuse 52 erstreckt sich ringförmig um die Turbinen schaufeln 46 und die Statorschaufeln 48, so dass die Statorschaufeln 48 von dem Gehäuse 52 gehalten werden.
3 ist ein vergrößerter Teil (entlang dem Bereich 3) der in 2 dargestellten Turbine 14. Insbesondere stellt 3 ein beispielhaftes Deckband 60 dar, das radial auswärts von einer Turbinenschaufel 46 platziert ist. Eine Vielzahl von Gehäusedeckbandsegmenten 64 ist verbunden mit dem Gehäuse 52, so dass sich jedes Segment 64 radial auswärts von einer Reihe von Turbinenschaufeln 46 in einer entsprechenden Turbinenstufe 40 befindet. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst jedes Deckbandsegment 64 einen Wabendichtungseinsatz 66, zu dem ein Wabendichtungsmaterial 68 gehört. Der Wabendichtungseinsatz 66 ermöglicht es, die Gasleckage zwischen dem Schaufeldeckband 60 und dem Gehäusedeckband 64 zu verringern. Darüber hinaus ermöglicht es der Wabendichtungseinsatz 66, die Reibungstoleranz zwischen dem Schaufeldeckband 60 und dem Gehäusedeckband 64 zu verbessern. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Gehäusedeckbandsegment 64 auch Dichtungsschienen 70, die ebenfalls dazu beitragen, die Gasleckage zwischen dem Schaufeldeckband 60 und dem Gehäusedeckband 64 zu verringern.
Das Turbinenschaufeldeckband 60 umfasst eine Platte 72 mit darauf ausgebildeten Dichtungsschienen 74. Die Dichtungsschienen 64 greifen mit dem Wabendichtungseinsatz 66 derart ineinander, dass sie das Wabenmaterial 68 so schneiden oder einkerben, dass ein gewünschter Freiraum zwischen dem Schaufeldeckband 60 und dem Gehäusedeckband 64 definiert wird. Obwohl das in 3 gezeigte Turbinenschaufeldeckband 60 nur zwei Dichtungsschienen 74 aufweist, ist zu beachten, dass das Turbinenschaufeldeckband 60 mit mehr o der weniger als zwei Dichtungsschienen 74 hergestellt werden kann. Gleichermaßen kann das Gehäusedeckbandsegment 64 mit jeglicher Anzahl von radialen Dichtungsschienen 70 gefertigt werden. So enthält beispielsweise in einer Ausführungsform das Gehäusedeckbandsegment 64 überhaupt keine Dichtungsschienen 70.
4 ist eine Schemadraufsicht auf ein Turbinenschaufeldeckband 60. Zu der Turbinenschaufel 46 gehört eine gestrichelt als Umriss dargestellte Strömungsfläche 78. Das Turbinenschaufeldeckband 60 ist an einer Spitze der Strömungsfläche 78 ausgebildet. Um das Durchschneiden oder Einkerben des Wabenmaterials 68 (dargestellt in 3) zu ermöglichen, sind die Dichtungsschienen 74 mit zahnartigen Schneidwerkzeugen (cutter teeth) 80 versehen. In einer beispielhaften Ausführungsform befindet sich zumindest ein Schneidzahn 80 auf jeder Seite der Dichtungsschiene 74. die Schneidzähne 80 erzeugen während des Betriebs des Triebwerks 10 Rillen in dem Wabenmaterial 68. Die Schneidzähne 80 können sich auf einer oder mehrerer Stufen 40 der Turbine 14 (dargestellt in 2) befinden. In der beispielhaften Ausführungsform befinden sich Schneidzähne 80 auf mindestens einer der letzten Stufen 40 der Turbine 14.
In der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Schneidzähne 80 als Opfer-Schneidwerkzeuge hergestellt. Genauer gesagt, sind die Schneidzähne 80 Schneidwerkzeuge mit begrenzter Lebensdauer und aus einem Material hergestellt, das dafür vorgesehen ist, in der heißen Gasumgebung der Turbinenschaufel 46 zu erodieren oder korrodieren. Wahlweise können die Schneidzähne 80 auch aus einem Material gefertigt sein, das dafür vorgesehen ist, nach den ersten Betriebsstunden der Turbine freigesetzt zu werden, ohne dass Gasstromkomponenten stromab beschädigt werden. Beispielsweise können in einer Ausführungsform die Schneidzähne 80 aus einem korrosionsanfälligen eisenhaltigen Material gefertigt sein. Alternativ können die Schneidzähne 80 aus einer niedrigen Chrom-Nickel-Legierung hergestellt sein. Die Schneidzähne 80 können auch aus einem Material gefertigt sein, wie beispielsweise kaltgewalztem Stahl, das korrosionsanfällig ist, aber auch so widerstandsfähig, dass es lange genug hält, um in das Wabenmaterial 68 zu schneiden. Die Schneidzähne 80 können unter Anwendung einer Vielzahl von Herstellungsmethoden angefertigt werden, wie beispielsweise Laserstrahl- oder Wasserstrahlschneiden. Alternativ können die Schneidzähne 80 unter Anwendung eines Progressive-Die-Verfahrens gestanzt werden. Nach der Herstellung können die Schneidzähne 80 mit Öl oder einem anderen Schutzmittel behandelt werden, um eine vorzeitige Korrosion zu verhindern. In einer Ausführungsform können die Schneidzähne 80 durch Punktschweißen mit den Dichtungsschienen 74 verbunden werden. Alternativ können die Schneidzähne 80 durch Hartlöten oder irgendein anderes Verbindungsverfahren an den Dichtungsschienen 74 angebracht werden. In einer anderen Ausführungsform werden die Schneidzähne 80 thermisch auf die Dichtungsschienen 74 gespritzt. Da die Schneidzähne 80 nur vorübergehend vorhanden sind oder ihre Bedeutung verlieren, ist keine Bearbeitung erforderlich, um sie vom Turbinenschaufeldeckband 60 zu entfernen. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Schneidzähne 80 in der Nähe eines Außenendes der Dichtungsschienen 74 angeordnet. Es ist jedoch zu beachten, dass die Schneidzähne 80 an jedem beliebigen Punkt entlang den Dichtungsschienen 74 angebracht werden können. Auf Grund der temporären Natur der Schneidzähne 80 gibt es keine Notwendigkeit, die Schneidwerkzeug-Masse strategisch zu platzieren. Darüber hinaus ist mit den Schneidzähne 80 das Turbinenschaufeldeckband 60 keiner wesentlichen Zunahme der Kriechbelastung ausgesetzt. Zusätzlich ermöglicht es die temporäre Natur der Schneidzähne 80 im Vergleich mit Schneidzähnen, die vorzeitig eingebaut werden, Turbulenzen im Gasströmungspfad zu reduzieren.
Das oben beschriebene Gerät stellt ein Schneidwerkzeug zur Verfügung, das ohne wesentliche Kriechprobleme zu verursachen, überall entlang der Dichtungsschiene angeordnet werden kann. Die Schneidzähne erzeugen während der ersten Betriebsstunden des Triebwerks erwünschte Rillen in der Waben-Abdeckung und werden beim weiteren Triebwerksbetrieb durch Abnutzung oder Korrosion unbedeutend. Wahlweise können die Schneidzähne ohne ausgedehnte Ausfallzeit der Einheit oder überzogene Kosten entfernt werden. Das Design mit Schneidzähne ermöglicht die Verbesserung der Wartungsfähigkeit und der Betriebseffizienz des Gasturbinentriebwerks auf kosteneffektive und verlässliche Weise.
Beispielhafte Ausführungsformen von Schneidzähnen zum Erzeugen von Kerben in einer Waben-Abdeckung in einem Turbinentriebwerk werden oben im Detail beschrieben. Das Gerät ist nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, vielmehr können die Schneidzähne unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten verwendet werden. Beispielsweise können die Schneidzähne bei existierenden Schaufeln ohne Schneidwerkzeuge angewendet werden, ohne Veränderungen der Gusswerkzeuge erforderlich zu machen. So können Waben-Deckbänder in Triebwerken verwendet werden, die gegenwärtig diese Technologie nicht nutzen. Darüber hinaus kann die Größe der Schneidzähne an Schaufeln unterschiedlicher Größe angepasst werden.
Es wird eine Schaufel 46 für ein Turbinentriebwerk 10 geschaffen. Die Schaufel 46 umfasst ein Deckband 60, das von der Strömungsfläche ausgeht, und mindestens einen Schneidzahn 80, der von dem Deckband ausgeht, wobei der zumindest eine Schneidzahn aus einem Material gefertigt ist, das dafür vorgesehen ist, sich während des Betriebes des Turbinentriebwerks abzunutzen.

Während die Erfindung mit Bezug auf verschiedene spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung auch modifiziert im Geiste und im Anwendungsbereich der Ansprüche angewendet werden kann. BEZUGSZEICHENLISTE

10	Gasturbinentriebwerk
12	Verdichter
14	Turbine
16	Elektrischer Generator
18	Rotorwelle
20	Brennkammer
28	Verbrennungsgase
30	Längsachse
40	Stufen
46	Turbinenschaufeln
48	Statorschaufeln
50	Rotorscheiben
52	Turbinengehäuse
60	Schaufeldeckband
64	Deckbandsegment
66	Waben-Dichtungseinsatz
68	Wabenmaterial
70	Dichtungsschienen
72	Platte
74	Dichtungsschiene
78	Strömungsfläche
80	Schneidzahn

Claims

Schaufel (46) für ein Turbinentriebwerk (10), wobei die Schaufel aufweist: ein von dieser Schaufel ausgehendes Deckband (60) und zumindest einen von diesem Deckband ausgehenden Schneidzahn (80), wobei dieser zumindest eine Schneidzahn aus einem Material gefertigt ist, das dafür vorgesehen ist, sich während des Betriebes des Turbinentriebwerks abzunutzen.
Schaufel (46) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Schneidzahn (80) aus einem eisenhaltigen Material gefertigt ist.
Schaufel (46) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Schneidzahn (80) aus einer Chrom-Nickel-Legierung gefertigt ist.
Schaufel (46) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Schneidzahn (80) aus kaltgewalztem Stahl gefertigt ist.
Schaufel (46) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Schneidzahn (80) durch Punktschweißen mit dem Deckband verbunden wird.
Schaufel (46) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Schneidzahn (80) durch Hartlöten mit dem Deckband verbunden wird.
Schaufel (46) nach Anspruch 1, ferner mit zumindest einer Dichtungsschiene (70), die von dem Deckband ausgeht.
Schaufel (46) nach Anspruch 1, ferner mit einem Überzug, der sich über den zumindest einen Schneidzahn (80) erstreckt.