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FACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Verfahren für die mittige
Anordnung von Zähnen
auf Turbinenschaufeln. Genauer gesagt – ohne dass dies eine einschränkende Wirkung
hätte – bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren für das Ersetzen von auf der
Saugseite des Spitzendeckbands angeordneten Zähnen durch Zähne, die in
der Mitte des Spitzendeckbands angeordnet sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Turbinenanordnung wie sie in der Energieerzeugung Anwendung findet,
erzeugt üblicherweise
eine Wellenleistung der rotierenden Welle durch die Ausdehnung heißen, verdichteten
Gases, das durch die Verbrennung eines Brennstoffs erzeugt wird.
Gasturbinenschaufeln oder -blätter
weisen allgemein eine Schaufelblattform auf, die dafür konstruiert
wurde, die thermische und kinetische Energie der Strömungsweggase
in eine mechanische Rotation des Rotors umzuwandeln.
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Die
Turbinenschaufeln sind häufig
mit Spitzendeckbändern
versehen. Das Spitzendeckband verhindert das Versagen des Schaufelblatts
durch Langzeitermüdung
auf Grund von Schwingungsbeanspruchungen. Ferner ragt üblicherweise
eine Spitzendeckbanddichtung von der äußersten Deckbandfläche radial
auswärts
und erstreckt sich in Umfangsrichtung zwischen entgegengesetzten
Enden des Deckbands in die Rotationsrichtung des Turbinenrotors.
Die Spitzendeckbanddichtung erstreckt sich üblicherweise radial in einen
Schlitz, der in einem stationären,
dem rotierenden Spitzendeckband gegenüberliegenden Deckband ausgebildet
ist. Bei einigen Konstruktionen weist das stationäre Deckband
einen wabenartigen Weg auf. Anstatt eine vollkommen dichte Abdichtung
zwischen dem Spitzendeckband und dem stationären Deckband herzustellen,
was eine Instabilität
des Schaufelblatts zur Folge hätte, hat
es sich als wünschenswert
herausgestellt, einen Leckagepfad über die Spitzendeckbanddichtung
zur Verfügung
zu stellen, was eine derartige Instabilität verhindert. Üblicherweise
wird ein Zahn an der Anströmkante
(auch als Saugseite bezeichnet) der Spitzendeckbanddichtung bereitgestellt,
um in den wabenartigen Weg des stationären Deckbands einen Schlitz
zu schneiden, dessen Breite größer als
die der Spitzendeckbanddichtung ist. Dies ermöglicht einen Leckagestrom zwischen
den Hoch- und Niederdruckbereichen auf entgegengesetzten Seiten
der Deckbanddichtung in dem Schlitz. Während dies eine unerwünschte Abnahme
des Druckabfalls quer über
das Schaufelblatt mit einer daraus resultierenden verminderten Dichtfähigkeit
zur Folge hat, wird der Verlust an Effizienz durch eine vergrößerte Stabilität des Schaufelblatts
ausgeglichen.
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Spitzendeckbänder sind
jedoch aufgrund der Kombination aus hohen Temperaturen und durch
die Zentrifugalkraft bedingten Biegebeanspruchungen Kriechschäden ausgesetzt.
Das Versagen einer einzigen Schaufel oder eines Blattes kann bewirken, dass
die gesamte Turbine vom Netz genommen getrennt wird. Zusätzlich zu
der Abschaltzeit ist eine derartige Schaufelreparatur zeitaufwendig
und/oder kostspielig.
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Von
daher existiert der Wunsch nach einem Turbinenschaufeldeckband mit
einer verbesserten Fähigkeit,
Temperaturen und Beanspruchungen zu handhaben. Ein solches Turbinenschaufeldeckband sollte
für eine
verlängerte
Lebensdauer sorgen und die Effizienz des gesamten Turbinensystems
verbessern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt daher ein Verfahren zur Verlängerung
der Nutzungsdauer einer Turbinenschaufel mit Spitzendeckband, das
umfasst: 1) das Entfernen eines an einem Ende angeordneten Zahns
von einer Dichtungsschiene (seal rail) eines Spitzendeckbands und
2) das Anbringen eines in der Mitte angeordneten Zahns an der Dichtungsschiene
des Spitzendeckbands. Der am Ende angeordnete Zahn kann unter anderem
ein Zahn sein, der sich am Ende der Saugseite oder der Druckseite
der Dichtungsschiene des Spitzendeckbands befindet. Der in der Mitte
angeordnete Zahn kann unter anderem ein Zahn sein, der sich in der
ungefähren
Mitte der Dichtungsschiene des Spitzendeckbands befindet.
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Bei
einigen Ausführungsformen
umfasst das Entfernen des am Ende angeordneten Zahns eine Bearbeitung
des am Ende angeordneten Zahns, bis die Dicke des am Ende angeordneten
Zahns ungefähr
gleich der Dicke der anderen Bereiche der Dichtungsschiene ist.
Bei einigen Ausführungsformen kann
die Befestigung des in der Mitte angeordneten Zahns das Anschweißen des
in der Mitte angeordneten Zahns an die Dichtungsschiene umfassen.
Bei anderen Ausführungsformen
kann die Befestigung des in der Mitte angeordneten Zahns das Löten des in
der Mitte angeordneten Zahns an die Dichtungsschiene umfassen. Bei
anderen Ausführungsformen kann
die Befestigung des in der Mitte angeordneten Zahns einen Materialaufbau
durch Schweißen und/oder
Löten umfassen.
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Bei
einigen Ausführungsformen
kann der in der Mitte angeordnete Zahn unter anderem eine im Wesentlichen
rechtwinklige Form aufweisen. Nach dem Anbringen kann ein radial äußerer Rand
des in der Mitte angeordneten Zahns mit einem Außenradius der Dichtungsschiene
fluchten. Der in der Mitte angeordnete Zahn kann sich radial einwärts zu der ungefähren Position
des Anfangs einer Dichtungsschienen-Ausrundung erstrecken. Die radiale
Höhe des
in der Mitte angeordneten Zahns kann ungefähr die Hälfte der radialen Höhe der Dichtungsschiene betragen.
Der in der Mitte angeordnete Zahn kann sich circa die Hälfte der
Höhe der
Dichtungsschiene abwärts
erstrecken.
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Bei
einigen Ausführungsformen
kann der in der Mitte angeordnete Zahn derart an der Dichtungsschiene
befestigt sein, dass der in der Mitte angeordnete Zahn sich innerhalb
des Schaufelblatts befände, wenn
dieses von dem schmalsten Punkt unterhalb einer Schaufeldeckband-Ausrundung
radial auswärts projiziert
würde.
Bei anderen Ausführungsformen kann
der in der Mitte angeordnete Zahn derart an der Dichtungsschiene
befestigt sein, dass der in der Mitte angeordnete Zahn sich innerhalb
der Schaufeldeckband-Ausrundung befände, wenn diese radial auswärts projiziert
würde.
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Die
Turbinenschaufel mit Spitzendeckband kann für den Betrieb in Verbindung
mit einem wabenartigen und/oder abriebbeschichteten Deckband ausgelegt
sein. Die Turbinenschaufel mit Spitzendeckband kann für den Betrieb
in einer Gasturbine ausgelegt sein. Die Turbinenschaufel mit Spit zendeckband kann
für den
Betrieb in einer 9FA+e- Turbine ausgelegt sein.
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt ferner ein Verfahren zur Verlängerung
der Nutzungsdauer einer Turbinenschaufel mit Spitzendeckband, das
folgende Schritte umfasst: 1) Entfernen eines an einem Ende angeordneten
Zahns von einer Dichtungsschiene eines Spitzendeckbands, wobei der
an einem Ende angeordneten Zahn einen Zahn umfasst, der an dem Ende
der Saug- und/oder der Druckseite der Dichtungsschiene des Spitzendeckbands
angeordnet ist, und 2) Anbringen eines in der Mitte angeordneten
Zahns an der Dichtungsschiene des Spitzendeckbands, wobei der in
der Mitte angeordnete Zahn einen Zahn umfasst, der in der ungefähren Mitte
der Dichtungsschiene des Spitzendeckbands angeordnet ist. Bei einem
derartigen Verfahren kann der in der Mitte angeordnete Zahn derart
an der Dichtungsschiene befestigt sein, dass der in der Mitte angeordnete
Zahn sich innerhalb des Schaufelblatts befände, wenn dieses von dem schmalsten Punkt
unterhalb einer Schaufeldeckband-Ausrundung
radial auswärts
projiziert würde.
Das Anbringen des in der Mitte angeordneten Zahns kann einen Materialaufbau
durch Schweißen
und/oder Löten
umfassen.
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt ferner ein Verfahren zur Verlängerung
der Nutzungsdauer einer Turbinenschaufel mit Spitzendeckband, das
folgende Schritte umfasst: 1) Entfernen eines an einem Ende angeordneten
Zahns von einer Dichtungsschiene eines Spitzendeckbands, wobei der
an einem Ende angeordneten Zahn einen Zahn umfasst, der an dem Ende
der Saug- und/oder der Druckseite der Dichtungsschiene des Spitzendeckbands
angeordnet ist, und 2) Anbringen eines in der Mitte angeordneten
Zahns an der Dichtungsschiene des Spitzendeckbands, wobei der in
der Mitte angeordnete Zahn einen Zahn umfasst, der in der ungefähren Mitte
der Dichtungsschiene des Spitzendeckbands angeordnet ist. Bei einem
derartigen Verfahren kann der in der Mitte angeordnete Zahn derart
an der Dichtungsschiene befestigt sein, dass der in der Mitte angeordnete
Zahn sich innerhalb der Spitzendeckband-Ausrundung befände, wenn
diese radial auswärts
projiziert würde.
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Diese
und andere Eigenschaften der vorliegenden Anmeldung werden bei der
Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
im Zusammenhang mit den Zeichnungen und den angefügten Ansprüchen ersichtlich
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Seitenansicht einer bekannten Turbinenschaufel mit einem Spitzendeckband.
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2 ist
eine Draufsicht auf ein bekanntes Spitzendeckband mit einem Zahn
auf der Saugseite.
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3 ist
eine Draufsicht auf ein Spitzendeckband mit in der Mitte angeordneten
Zähnen.
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4 ist
eine Perspektive einer Turbinenschaufel mit Spitzendeckband und
stellt den Ersatz von Zähnen
auf der Saugseite durch in der Mitte angeordnete Zähne in Übereinstimmung
mit beispielhaften Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bezogen
auf die Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen in allen Zeichnungen
dieselben Elemente bezeichnen, gilt:
1 zeigt
eine typische Turbinenschaufel oder ein Turbinenblatt 10 mit
Spitzendeckband. Die Turbinenschaufel 10 umfasst ein Schaufelblatt 12.
Das Schaufelblatt 12 ist die aktive Komponente, die den
Strom von Gasen abfängt
und als Windmühlenflügel fungiert,
um die Energie der Gase in eine Tangentialbewegung umzuwandeln.
Diese Bewegung dreht wiederum den Rotor, an dem die Schaufeln 10 befestigt sind.
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Ein
Spitzendeckband 14 kann an der Oberseite des Schaufelblatts 12 angeordnet
sein. Das Spitzendeckband 14 ist im Wesentlichen eine flache Platte,
die in Richtung auf ihre Mitte durch das Schaufelblatt 12 gestützt wird.
Entlang der Oberseite des Spitzendeckbands 14 kann eine
Dichtungsschiene 16 angeordnet sein. Wie oben beschrieben
verhindert die Dichtungsschiene 16, dass Strömungsweggase
durch den Spalt zwischen dem Spitzendeckband 14 und der
Innenfläche
der umgebenden Komponenten strömen.
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2 zeigt
die Verwendung von einem oder mehreren bekannten Zähnen 18 auf
der Dichtungsschiene 16. Der Zahn 18 ist auf der
Anströmkante oder
Saugseite des Spitzendeckbands 14 angeordnet. Für Fachleute
ist ersichtlich, dass die Verwendung der Zähne 18 den Überlauf
weiter reduzieren kann, indem ein Weg durch die wabenartige oder
Abriebbeschichtung des Deckbands freigemacht wird, der für die Stabilität der Dichtung
genutzt werden kann. Wie in 2 gezeigt
wird, sind die Zähne 18 im Allgemeinen
ein Bereich mit größerer Breite
entlang der Dichtungsschiene 16. Die Nutzung dieser Saugseitenposition
bringt jedoch einen übermäßigen Grad an
Beanspruchung für
das Spitzendeckband 14 mit sich, insbesondere bei hohen
Turbinentemperaturen.
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3 zeigt
eine Turbinenschaufel 100 mit in der Mitte angeordneten
Zähnen 104.
Wie oben umfasst die Turbinenschaufel 100 ein Schaufelblatt 110 (als
gestrichelte Linie in 3 dargestellt). Das Schaufelblatt 110 endet
in einem Spitzendeckband 120. Der Übergang von dem Schaufelblatt 110 zu dem
Spitzendeckband 120 kann eine Spitzendeckband-Ausrundung 122 (ebenfalls
als gestrichelte Linie in 3 dargestellt)
umfassen, die die Ausrundung des Übergangs von dem Schaufelblatt 110 zu dem
Spitzendeckband 120 darstellt. Das Spitzendeckband 120 kann
eine konventionelle Konstruktion aufweisen. Auf der Oberseite des
Spitzendeckbands kann eine Dichtungsschiene 130 angeordnet
sein. Die Dichtungsschiene 130 kann sich über die
Länge des
Spitzendeckbands 120 erstrecken.
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Auf
der Dichtungsschiene 130 können die Zähne 104 angeordnet
sein. In diesem Beispiel sind die Zähne 104 um die Mitte
der Dichtungsschiene 130 angeordnet. Es werden ein erster 150 und
ein zweiter Zahn 160 gezeigt. Wie dargestellt, können in einigen
Ausführungsformen
die Zähne 104 derart
um die Mitte der Dichtungsschiene 130 angeordnet sein, dass
sie sich innerhalb der das Schaufelblatt 110 darstellenden
gestrichelten Linien befinden. Bei anderen Ausführungsformen können die
Zähne 104 derart
um die Mitte der Dichtungsschiene 130 angeordnet sein, dass
sie sich innerhalb der die Spitzendeckband-Ausrundung 122 darstellenden
gestrichelten Linien befinden. Wie dargestellt, können der
erste 150 und der zweite Zahn 160 etwas versetzt
sein, um sie der Gesamtform des Spitzendeckbands 120 anzupassen.
Wie für
Fachleute ersichtlich ist, kann diese Anordnung in der Mitte die
Lebensdauer der Turbinenschaufel 100 durch eine Verringerung
der Beanspruchung in der Spitzendeckband-Ausrundung 122 unterhalb des
Spitzendeckbands 120 verlängern. Diese Position bietet
für das
Spitzendeckband 120 insgesamt auch eine symmetrischere
Konstruktion.
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4 ist
eine Perspektive einer Turbinenschaufel mit Spitzendeckband und
stellt den Ersatz von Zähnen
der Anströmkante
oder Saugseite durch in der Mitte angeordnete Zähne in Übereinstimmung mit beispielhaften
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar. Es ist bekannt, dass eine große Anzahl
von Schaufelblättern
in Gebrauch ist, die auf der Saugseite oder am Ende der Dichtungsschiene des
Spitzendeckbands angeordnete Zähne
aufweisen. Die überhängende Masse
derartiger Zähne
erzeugt einen übermäßigen Grad
an Beanspruchung in der Spitzendeckband-Ausrundung, was die Lebensdauer
der Komponente begrenzt. Ein Beispiel für eine solche Turbinenschaufel
ist die Schaufel, die in der zweiten Stufe der „9FA+e Turbine" (erhältlich bei der
Firma General Electric in Schenectady, New York) Anwendung findet.
Im Allgemeinen werden derartige Schaufeln nach einer gewissen Nutzungsdauer
aufgrund der hohen Wahrscheinlichkeit eines Versagens in der Spitzendeckband-Ausrundung
ersetzt. Die aktuelle Erfindung schlägt vor, dass die Gebrauchsdauer
derartiger Turbinenschaufeln signifikant verlängert werden kann, indem die
Zähne am Ende
der Dichtungsschiene entfernt und durch in der Mitte angeordnete
Zähne ersetzt
werden.
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Daher
kann, wie in 4 gezeigt, eine Turbinenschaufel 200 ein
Spitzendeckband 202 mit einer Dichtungsschiene 204 umfassen.
Dunkle Bereiche auf der Saugseite oder am En de der Dichtungsschiene 204 können am
Ende angeordnete Zähne 206 darstellen,
die einen ersten am Ende angeordneten Zahn 208 und einen
zweiten am Ende angeordneten Zahn 210 umfassen können. Der
Begriff „am
Ende angeordnete Zähne" ist hier so definiert,
dass er jedwede Zähne
umfasst, die auf der Saug- oder Druckseite der Dichtungsschiene
eines Spitzendeckbands angeordnet sind. In Übereinstimmung mit Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
die am Ende angeordnete Zähne 206 entfernt
werden. Das Entfernen kann durch ein konventionelles Bearbeitungsverfahren
oder andere Verfahren durchgeführt
werden. Insbesondere können
die Zähne 206 bearbeitet
werden, bis die Dicke der Dichtungsschiene 204 am Ende
oder der Saugseite in etwa mit der Mitte und/oder der Druckseite
der Dichtungsschiene 204 übereinstimmt.
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Nach
dem Entfernen der Zähne 206 können ein
oder mehrere in der Mitte angeordnete Zähne 220, die einen
ersten in der Mitte angeordneten Zahn 222 und einen zweiten
in der Mitte angeordneten Zahn 224 umfassen können, an
der Dichtungsschiene 204 befestigt werden. Der Begriff „in der
Mitte angeordnete Zähne" ist hier so definiert,
dass er Zähne umfasst,
die in der ungefähren
Mitte der Dichtungsschiene angeordnet sind. Die in der Mitte angeordneten
Zähne 220 können nach
konventionellen Verfahren befestigt werden, darunter Schweißen oder
Löten.
In der hier verwendeten Bedeutung umfasst die Befestigung durch
Schweißen
sowohl das Anschweißen
eines Teils an die Dichtungsschiene, als auch die Herstellung eines
Zahns in der Mitte mittels eines Aufbaus durch Schweißen. In
der hier verwendeten Bedeutung umfasst die Befestigung durch Löten sowohl
das Anlöten
eines Teils an die Dichtungsschiene, als auch die Herstellung eines
Zahns in der Mitte mittels eines Aufbaus durch Löten.
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Bei
einigen Ausführungsformen
können
die in der Mitte angeordneten Zähne 220 bei
axialer Betrachtung von der Vorder- oder Rückseite der Komponente eine
rechteckige Form aufweisen, wobei für Fachleute ersichtlich ist,
dass auch andere Formen möglich
sind. Nach der Montage auf der Dichtungsschiene 204, kann
die radial äußere Kante
der in der Mitte angeordneten Zähne 220 mit
dem Außenradius der
Dichtungsschiene fluchten. Von dort können sich die in der Mitte
angeordneten Zähne 220 radial
einwärts
zu der ungefähren
Position des Anfangs der Dichtungsschienen-Ausrundung 228 erstrecken,
die die Übergangsausrundung
zwischen der Dichtungsschiene 204 und dem Spitzendeckband 202 darstellt. Im
Allgemeinen bedeutet das, dass der in der Mitte angeordnete Zahn 220 sich
in etwa die Hälfte
der Höhe
der Dichtungsschiene 204 abwärts erstreckt, wie es in 4.
dargestellt ist.
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Wie
zuvor beschrieben, können
die in der Mitte angeordneten Zähne 220 derart
entlang der Dichtungsschiene 204 angeordnet sein, dass
sie sich innerhalb des Schaufelblatts befinden würden, wenn dieses von dem schmalsten
Punkt unterhalb der Spitzendeckband-Ausrundung radial auswärts projiziert würde (siehe 3).
Bei anderen Ausführungsformen
können
die in der Mitte angeordneten Zähne 220 so
um die Mitte der Dichtungsschiene 130 angeordnet sein,
dass sie sich innerhalb der Spitzendeckband-Ausrundung befänden, wenn
diese radial auswärts
projiziert würde
(siehe 3). Wie in 4 gezeigt
wird, können
der erste in der Mitte angeordnete Zahn 222 und der zweite
in der Mitte angeordnete Zahn 224 etwas versetzt sein,
um sie der Gesamtform des Spitzendeckbands anzupassen 202.
Die axiale Dicke der in der Mitte angeordneten Zähne 220 sollte in
etwa dieselbe oder nur geringfügig
geringer als die der auf der Saugseite angeordneten Zähne 206 sein.
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Aufgrund
der obigen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
werden Fachleute mögliche
Verbesserungen, Änderungen und
Modifikationen erkennen. Es ist beabsichtigt, dass derartige Verbesserungen, Änderungen
und Modifikationen, die dem Fachwissen entsprechen, durch die angefügten Ansprüche abgedeckt
sind. Ferner sollte offensichtlich sein, dass das Vorhergehende
sich nur auf die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Anwendung bezieht, und dass hier zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen
werden können,
ohne von dem Geist und Anwendungsbereich der Anmeldung abzuweichen,
wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen und deren Äquivalenten
definiert sind.
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Verfahren
zur Verlängerung
der Nutzungsdauer einer Turbinenschaufel 10 mit Spitzendeckband,
wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: 1) Entfernen eines
an einem Ende angeordneten Zahns 206 von einer Dichtungsschiene 16 eines Spitzendeckbands 14,
wobei der am Ende angeordnete Zahn 206 einen am Ende der
Saug- und/oder Druckseite der Dichtungsschiene 16 des Spitzendeckbands 14 angeordneten
Zahn 18 umfasst, und 2) Anbringen eines in der Mitte angeordneten
Zahns 220 an der Dichtungsschiene 16 des Spitzendeckbands 14,
wobei der in der Mitte angeordnete Zahn 220 einen in der
ungefähren
Mitte der Dichtungsschiene 16 des Spitzendeckbands 14 angeordneten Zahn 18 umfasst.
Bei einem derartigen Verfahren, kann der in der Mitte angeordnete
Zahn 220 derart an der Dichtungsschiene 16 befestigt
sein, dass der in der Mitte angeordnete Zahn 220 sich innerhalb
des Schaufelblatts 12 befände, wenn dieses von dem schmalsten
Punkt unterhalb einer Schaufeldeckband-Ausrundung 122 radial auswärts projiziert
würde.
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- 10
- Turbinenschaufel
oder -blatt mit Spitzendeckband
- 12
- Schaufelblatt
- 14
- Spitzendeckband
- 16
- Dichtungsschiene
- 18
- Zahn
- 100
- Turbinenschaufel
- 104
- Zahn
- 110
- Schaufelblatt
- 120
- Spitzendeckband
- 122
- Spitzendeckband-Ausrundung
- 130
- Dichtungsschiene
- 150
- erster
Zahn
- 160
- zweiter
Zahn
- 200
- Turbinenblatt
- 202
- Spitzendeckband
- 204
- Dichtungsschiene
- 206
- am
Ende angeordnete Zähne
- 208
- erster
am Ende angeordneter Zahn
- 210
- zweiter
am Ende angeordneter Zahn
- 220
- in
der Mitte angeordneter Zahn
- 222
- erster
in der Mitte angeordneter Zahn
- 224
- zweiter
in der Mitte angeordneter Zahn
- 228
- Spitzendeckband-Ausrundung