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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
exemplarischen Ausführungsformen
betreffen allgemein Gasturbinentriebwerkskomponenten und insbesondere
Laufschaufeln mit Spitzendeckbändern.
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Gasturbinentriebwerke
enthalten typischerweise einen Verdichter, eine Brennkammer und
wenigstens eine Turbine. Der Verdichter kann Luft verdichten, die
mit Brennstoff vermischt und durch die Brennkammer geleitet werden
kann. Das Gemisch kann dann zum Erzeugen heißer Verbrennungsgase gezündet werden,
und die Verbrennungsgase können
der Turbine zugeführt
werden. Die Turbine kann den Verbrennungsgasen Energie für den Antrieb
des Verdichters sowie zur Erzeugung von Nutzarbeit zum Antreiben
eines Flugzeugs im Flug oder zum Antreiben einer Last wie zum Beispiel
eines elektrischen Generators entziehen.
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Die
Turbine kann eine Rotoranordnung und eine Statoranordnung enthalten.
Die Rotoranordnung kann mehrere Laufschaufeln enthalten, die sich radial
von einer Scheibe weg erstrecken. Jede Laufschaufel kann ein Schaufelblatt
enthalten, das sich zwischen einer Plattform und einer Spitze erstrecken kann.
Jede Laufschaufel kann auch einen Fuß enthalten, der sich unterhalb
der Plattform erstreckt und in einem entsprechenden Schlitz in der
Scheibe aufgenommen werden kann. Alternativ kann die Scheibe eine
so genannte "Blisk" oder Schaufelscheibe sein,
die den Fuß überflüssig macht
wobei sich das Schaufelblatt direkt aus der Scheibe erstreckt. Ein Verbrennungsgasströmungspfad
durch die Rotoranordnung kann radial innen durch die Laufschaufelplattformen
begrenzt sein und radial außen durch mehrere
Spitzendeckbänder,
wobei jedes Spitzendeckband wenigstens einen Dichtungszahn enthalten
kann.
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Typischerweise
kann der wenigstens eine Dichtungszahn mit einer radial benachbarten
Wabe zusammenarbeiten, um den Strömungspfad abzudichten. Der
wenigstens eine Dichtungszahn kann wenigstens einen Abschnitt enthalten,
der im Querschnitt größer als
der Rest des Dichtungszahns ist. Während einer Vorwärtsbewegung
der Laufschaufel in Bezug auf die Wabe, kann dieser größere Abschnitt
mit der Wabe vor dem Rest des Dichtungszahns in Eingriff stehen,
und eine Verschleißspur
in die Wabe schneiden. Dieses kann erfordern, dass der Dichtungszahn
nicht achsensymmetrisch ist.
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Laufschaufeln
können
aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Einige von
diesen Materialien können
ein Gießen
des nicht achsensymmetrischen Dichtungszahns in die endgültige Form mit
geringer, wenn überhaupt
notwendiger, maschineller Bearbeitung ermöglichen. Andere leichtere, preiswertere
oder längerlebige
Materialien können nicht
in eine Endform gegossen zu werden und müssen bearbeitet werden. Eine
Bearbeitung von nicht achsensymmetrischen Merkmalen mit diesen Materialien
kann zeitaufwendig sein und Abfallmaterial bewirken, was zu längeren Produktionszyklen
führt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
exemplarische Ausführungsform
kann auf eine Laufschaufel mit einem Spitzendeckband gerichtet sein,
das wenigstens einen Dichtungszahn enthält, der in einem Winkel in
Bezug auf die Triebwerksmittellinie im zusammengebauten Zustand
angeordnet ist. In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform
kann der Dichtungszahn in einem Winkel in Bezug auf die Vorder-
und/oder Hinterkante angeordnet sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks.
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2 ist
eine teilweise aufgeschnittene Querschnittsansicht einer exemplarischen
Turbinenanordnung, die bei einem Gasturbinentriebwerk, wie zum Beispiel
dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk, verwendet
werden kann.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes einer exemplarischen
Laufschaufel, die bei einem Gasturbinentriebwerk, wie zum Beispiel dem
in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk, verwendet
werden kann.
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4 ist
eine Draufsicht auf die in 3 dargestellte
Laufschaufel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine schematische Darstellung eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks 10,
das eine Bläseranordnung 12,
einen Booster 14, einen Hochdruckverdichter 16 und
eine Brennkammer 18 enthält. Das Triebwerk 10 enthält auch
eine Hochdruckturbine 20 und eine Niederdruckturbine 22.
Die Bläseranordnung 12 enthält eine
Anordnung von Bläserlaufschaufeln 24,
die sich radial aus einer Rotorscheibe 26 erstrecken. Das
Triebwerk 10 besitzt eine Einlassseite 28 und
eine Auslassseite 30. Das Triebwerk 10 kann ein
beliebiges Gasturbinentriebwerk sein. Beispielsweise kann das Triebwerk 10 ein GE90
Gasturbinentriebwerk sein, das von General Electric Company, Cincinnati,
Ohio beziehbar ist, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die
Bläseranordnung 12,
der Booster 14 und die Tur bine 22 können über eine
erste Rotorwelle 32 verbunden sein, und der Verdichter 16 und
die Turbine 20 können über eine zweite
Rotorwelle 34 verbunden sein.
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Im
Betrieb strömt
Luft durch die Bläseranordnung 12 und
verdichtete Luft wird dem Hochdruckverdichter 16 über den
Booster 14 zugeführt.
Die hochverdichtete Luft wird an die Brennkammer 18 geliefert,
wo sie mit Brennstoff vermischt und entzündet wird, um Verbrennungsgase
zu erzeugen. Die Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer 18 geleitet,
um die Turbinen 20 und 22 anzutreiben. Die Turbine 22 treibt
die Bläseranordnung 22 und
den Booster 14 über
die Welle 32 an. Die Turbine 20 treibt den Verdichter 16 über die
Welle 34 an.
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2 ist
eine teilweise aufgeschnittene Querschnittsansicht einer exemplarischen
rotierenden Anordnung, die bei einem Gasturbinentriebwerk wie zum
Beispiel, jedoch nicht darauf beschränkt, dem (in 1 dargestellten)
Gasturbinentriebwerk 10 verwendet werden kann. In der exemplarischen Ausführungsform
kann die Rotoranordnung 36 eine Turbine wie zum Beispiel,
jedoch nicht darauf beschränkt,
die (in 1 dargestellte) Niederdruckturbine 20 sein.
Jedoch können
die hierin beschriebenen und/oder dargestellten exemplarischen Ausführungsformen
mit jeder Rotoranordnung verwendet werden. Die Rotoranordnung 36 enthält mehrere
Rotoren 38, die miteinander über Kopplungen 40 über eine
(nicht dargestellte) axiale Mittellinienachse verbunden sind. Jeder
Rotor 38 enthält
eine Rotorscheibe 42 mit einem ringförmigen radial äußeren Rand 44,
einer radial inneren Nabe 46 und einem in einem Stück ausgebildeten
Steg 48, der sich radial dazwischen erstreckt. Jeder Rotor 38 enthält auch
mehrere Schaufeln 50, die sich radial von dem äußeren Rand 44 nach
außen
erstrecken. Eine oder mehrere Laufschaufeln 50 von einem
oder mehreren Rotoren 40 können in einem Stück mit den
entsprechenden Rändern 44 verbunden
sein.
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Ferner
können
eine oder mehrere Laufschaufeln 50 von einem oder mehreren
Rotoren 40 entfernbar mit dem entsprechenden Rand 44 in
einer bekannten Weise unter Verwendung von (nicht dargestellten)
Laufschaufelnschwalbenschwänzen
verbunden sein, welche in komplementären (nicht dargestellten) Schlitzen
in dem entsprechenden Rand 44 befestigt sind.
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Die
Laufschaufeln 50 enthalten jeweils eine Vorderkante 52,
eine Hinterkante 54 und ein sich dazwischen erstreckendes
Schaufelblatt 56. Jedes Schaufelblatt 56 weist
eine Saugseite 58 und eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende
Druckseite 60 auf. Die Saug- und Druckseiten 58 und 60 erstrecken sich
jeweils zwischen axial beabstandeten Vorder- und Hinterkanten 52 beziehungsweise 54,
und erstrecken sich in einer radialen Spanne zwischen einem Laufschaufelspitzen-Deckband 62 und
einer Laufschaufelplattform 64. Eine Schaufelblattsehne wird
zwischen den Vorder- beziehungsweise Hinterkanten 52 und 54 der
Laufschaufel gemessen. Die radial äußeren Oberflächen 66 der
Plattformen 64 definieren eine radial innere Strömungspfadoberfläche der
Rotoranordnung 36 und die radial inneren Oberflächen 68 der
Laufschaufelspitzen-Deckbänder 62 definieren
eine radial äußere Strömungspfadoberfläche der
Motoranordnung 36.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes einer exemplarischen
Laufschaufel, die bei einem Gasturbinentriebwerk wie zum Beispiel dem
in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk eingesetzt
werden kann. 4 ist eine Draufsicht auf die
in 3 dargestellte Laufschaufel. In einer exemplarischen
Ausführungsform
können
die Laufschaufeln 50 einen oder mehrere Dichtungszähne 70 enthalten,
welche zu einem Statordeckband 72 benachbart angeordnet
sein können
und mit diesem in Wechselwirkung stehen. Der eine oder die mehreren Dichtungszähne 70 können in
einem Hohlraum 74 angeordnet sein, der durch das Statordeckband 72 und
das Laufschaufelspitzen-Deckband 62 definiert ist.
Die Dichtungszähne 70 können mit
einer radial benachbarten Wabe auf dem Statordeckband 72 zusammenarbeiten,
um den Strömungspfad
abzudichten. Die Wabe kann auf der radial tieferen Seite des Statordeckbandes 72 angeordnet
sein. Obwohl jedes Laufschaufelspitzen-Deckband 62 in den 2 bis 4 mit
zwei Dichtungszähnen 70 dargestellt
ist, die sich jeweils über
eine gesamte Umfangsbreite des (in 3 dargestellten)
Deckbandes 62 erstrecken, sollte angemerkt werden, dass
jedes Spitzendeckband 62 eine beliebige Anzahl von Dichtungszähnen 70 enthalten
kann, die sich jeweils quer über einen
beliebigen Abschnitt der Umfangsbreite des Deckbandes 62 erstrecken
können.
Ferner kann jedes Spitzendeckband 62 ein Paar gegenüberliegender
Eingriffsflächen 76 und 78 enthalten,
die das Eingreifen von Deckbändern 62 benachbarter
Laufschaufeln 50 in einem Rotor 40 ermöglichen.
Jedes Spitzendeckband 62 kann eine Vorderkante 77 und eine
Hinterkante 79 enthalten.
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Gemäß Darstellung
in den 3 und 4 kann das Spitzendeckband 62 einen
oder mehrere Dichtungszähne
wie zum Beispiel den Dichtungszahn 80 enthalten. Der Dichtungszahn 80 kann
in einem solchen Winkel angeordnet sein, dass ein Dichtungszahn
einer benachbarten Laufschaufel gegenüber dem Dichtungszahn 80 versetzt
ist, und somit ein "Sägezahn"-Muster an der Schnittstelle 84 von
Laufschaufel zu Laufschaufel erzeugt. Der Winkel kann jeder Winkel
sein, solange der Dichtungszahn nicht senkrecht zu der Triebwerksmittellinie
im zusammengebauten Zustand liegt. Der Dichtungszahn kann auch in
einem Winkel in Bezug auf die Vorderkante 77 und/oder Hinterkante 79 des
Spitzendeckbandes 80 angeordnet sein. Der Versatz ermöglicht dem Dichtungszahn 80 einen "effektiv" vergrößerten Abschnitt
an der Schnittstelle 84 zu haben, so dass der Dichtungszahn 80 geeignet
in die Wabe einschneiden kann, ohne zusätzliches Ma terial zu haben.
Der Versatz kann auch eine Achsensymmetrie des Dichtungszahns 80 ermöglichen,
was für
die Fertigung vorteilhaft sein kann. Der Winkel der Dichtungszähne 80 und 82 kann
ein geeigneter Winkel so sein, dass ein Dichtungszahn bezüglich des
benachbarten Dichtungszahns versetzt ist. In einer exemplarischen Ausführungsform
können
sich der Dichtungszahn 80 und der Dichtungszahn 82 an
der Schnittstelle 84 überlappen.
In einer exemplarischen Ausführungsform
kann der Spitzendeckmantel 62 einen zusätzlichen Dichtungszahn 86 aufweisen. Ähnlich zu
dem Dichtungszahn 80 kann der Dichtungszahn 86 in
einem solchen Winkel angeordnet sein, dass ein Dichtungszahn 88 einer
benachbarten Laufschaufel gegenüber
dem Dichtungszahn 86 versetzt ist, und somit ein Sägezahnmuster
an der Schnittstelle 90 von Laufschaufel zu Laufschaufel
erzeugt. Der Winkel der Dichtungszähne 86 und 88 kann
jeder geeignete Winkel dergestalt sein, dass ein Dichtungszahn bezüglich des
benachbarten Dichtungszahns versetzt ist. In einer exemplarischen
Ausführungsform
können
die Dichtungszähne 80 und 82 denselben
Winkel wie die Dichtungszähne 86 und 88 haben
und somit parallel zueinander sein. In einer weiteren exemplarischen
Ausführungsform
können
die Dichtungszähne 80 und 82 einen
sich von dem Winkel der Dichtungszähne 86 und 88 unterscheidenden
Winkel haben.
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Die
Laufschaufeln und/oder Spitzendeckbänder können aus jedem im Fachgebiet
bekannten Material hergestellt werden. In einer exemplarischen Ausführungsform
können
die Laufschaufeln und/oder Spitzendeckbänder aus einer Nickel- oder
Kobalt-basierenden Superlegierung bestehen. In einer weiteren exemplarischen
Ausführungsform
können
die Laufschaufeln und/oder Spitzendeckbänder aus einer Titanlegierung
bestehen wie zum Beispiel, jedoch nicht darauf beschränkt Titanaluminid.
Zusätzlich können die
Laufschaufel, das Spitzendeckband und/oder die Dichtungszähne mit
jeder im Fachgebiet bekannten Beschich tung beschichtet sein. In
einer exemplarischen Ausführungsform
können
die Laufschaufel und/oder das Spitzendeckband mit einer Umweltbeschichtung
beschichtet sein. Die Dichtungszähne
können
mit einer abrasiven Beschichtung wie zum Beispiel, jedoch nicht
darauf beschränkt,
Aluminiumoxid beschichtet sein.
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Die
Laufschaufeln und/oder Spitzendeckbänder können in ihre Endform geformt
werden oder sie können
geformt und dann in ihre Endform bearbeitet werden. In dem Falle,
dass die Außenoberfläche der
Spitzendeckbänder
bearbeitet werden muss, kann die Verwendung eines im Winkel angestellten Dichtungszahnes
eine achsensymmetrische Form für
eine leichte Bearbeitung ermöglichen,
während gleichzeitig
eine Einrichtung zum "Schneiden" der Wabe ermöglicht wird.
Typischerweise können
die Spitzendeckbänder
auf einem gekrümmten
Pfad bearbeitet werden, wobei die Rotationsachse die Triebwerksmittellinie
ist. Wenn die Außenoberfläche des Spitzendeckbandes
im Wesentlichen zylindrisch (das heißt im Wesentlichen parallel
zu der Triebwerksmittellinie im Querschnitt) ist, kann dann die
Rotationsachse des gekrümmten
Pfades, zum Erzeugen der Außenoberfläche die
ausreichend gedrehte Triebwerksmittellinie sein, um den Versatz
zwischen benachbarten Dichtungszähnen
zu erzielen. Wenn die Außenoberfläche im Wesentlichen
konisch ist, muss die Rotationsachse versetzt sowie in Bezug auf
die Triebwerksmittellinie im Winkel angeordnet sein. Dieses kann
erforderlich sein, um sicherzustellen, dass die Dicke an den Kanten
des Spitzendeckbandes nicht unerwünscht dünn oder dick wird.
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Obwohl
diese Anmeldung verschiedene spezifische exemplarische Ausführungsformen
beschrieben hat, wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass
diese exemplarischen Ausführungsformen mit
Modifikationen innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzumfang
der Ansprüche
in die Praxis umgesetzt werden können.
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Eine
Laufschaufel 50 kann ein Spitzendeckband 62 mit
wenigstens einem Dichtungszahn 70 enthalten, der im zusammengebauten
Zustand in einem Winkel in Bezug auf eine Triebwerksmittellinie, die
Vorderkante 77 des Spitzendeckbandes 62 und/oder
die Hinterkante 79 des Spitzendeckbandes 62 angeordnet
ist.
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- 10
- Gasturbinentriebwerk
- 12
- Bläseranordnung
- 14
- Booster
- 16
- Hochdruckverdichter
- 18
- Brennkammer
- 20
- Hochdruckturbine
- 22
- Niederdruckturbine
- 24
- Bläserlaufschaufeln
- 26
- Rotorscheibe
- 28
- Einlassseite
- 30
- Auslassseite
- 32
- erste
Rotorwelle
- 34
- zweite
Rotorwelle
- 36
- Rotoranordnung
- 38
- Rotor
- 40
- Kopplung
- 42
- Rotorscheibe
- 44
- Außenrand
- 46
- Innennabe
- 48
- Steg
- 50
- Laufschaufel
- 52
- Vorderkante
- 54
- Hinterkante
- 56
- Schaufelblatt
- 58
- Saugseite
- 60
- Druckseite
- 62
- Spitzendeckband
- 64
- Plattform
- 66
- Außenoberfläche
- 68
- Innenoberfläche
- 70
- Dichtungszahn
- 72
- Statordeckband
- 74
- Hohlraum
- 76
- erste
Eingriffsfläche
- 77
- Vorderkante
- 78
- zweite
Eingriffsfläche
- 79
- Hinterkante
- 80
- Dichtungszahn
- 82
- Dichtungszahn
- 84
- Schnittstelle
- 86
- Dichtungszahn
- 88
- Dichtungszahn
- 90
- Schnittstelle