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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Gasturbinenmaschinen und insbesondere eine radiale Dichtungsstiftkonstruktion zur Verhinderung einer Leckage zwischen Gasturbinenschaufeln.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Gasturbinen enthalten allgemein einen Rotor mit einer Anzahl in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Schaufeln oder Laufschaufeln. Wie bekannt ist, enthalten die Laufschaufeln allgemein ein Schaufelblatt, eine Plattform, einen Schaft, einen Schwalbenschwanz und weitere Elemente. Der Schwalbenschwanz kann an einem Rotor positioniert und darin gesichert werden. Die Schaufelblätter ragen in den Pfad des heißen Verbrennungsgases, das durch einen Brenner erzeugt wird, hinein, um so die kinetische Energie des Gases in mechanische Drehenergie umzuwandeln.
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Zwischen den Schäften benachbarter Laufschaufeln kann ein radialer Dichtungsstift verwendet werden, um so in Bezug auf Gasturbinen, die lange Schaft-Schaufel-Konstruktionen verwenden, gegen eine Querschaftleckage abzudichten. Allgemein beschrieben, steht der Stift unter einer Zentrifugalkraft aufgrund der Rotation mit einer Stirnschräge des Dichtungsstiftes in Kontakt und gleitet zu den seitlichen Dichtungsschienen hin. Der Schlitzstirnflächenwinkel treibt den Stift zu der benachbarten Laufschaufel hin, um so eine Querschaftleckage zwischen den Schaftkavitäten zweier Laufschaufeln zu verhindern.
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Zu derzeitigen Problemen bei derartigen radialen Dichtungsstiften gehören sich pilzartig verformende oder abgeflachte Enden aufgrund der Verwendung reines Materials geringer Kriechbeständigkeit, Ausknicken aufgrund eines unpassenden Kopfabstands, Stiftklemmung, Stiftblockade und einfacher Stiftverschleiß. Außerdem bleibt eine Leckage selbst bei richtig funktionierenden Stiften ein Problem. Zu den Leckagebereichen gehören die Innendurchmesser- und Außendurchmesserbereiche des Schaftes. Die Querschaftleckage kann den Spüldruck in der Schaftkavität einer Laufschaufel verringern. Ein derartiger verringerter Spüldruck kann zu möglicher Heißgasaufnahme und nachfolgenden Bauteilstörungen führen.
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Folglich besteht ein Bedarf nach verbesserten radialen Dichtungsstiftkonstruktionen für Gasturbinen. Die verbesserte radiale Dichtungsstiftkonstruktion sollte eine Querschaftleckage hinreichend verhindern oder begrenzen und dabei langlebig und zuverlässig arbeiten. Eine derartig verbesserte Abdichtung sollte eine verbesserte Kühlung, eine erhöhte Schaufellebensdauer und eine insgesamt gesteigerte Systemleistung und Effizienz ergeben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung ergibt somit eine Turbinenschaufel. Die Turbinenschaufel kann einen Schaft, einen an dem Schaft angeordneten radialen Dichtungsstiftschlitz und einen Dichtungsstift enthalten, der in dem radialen Dichtungsstiftschlitz angeordnet ist. Der Dichtungsstift kann ein Paar abgesetzter Enden enthalten.
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Die vorliegende Anmeldung ergibt ferner eine Turbinenschaufel. Die Turbinenschaufel kann einen Schaft, ein Paar radialer Dichtungsstiftschlitze, die an dem Schaft positioniert sind, und einen in jedem der radialen Dichtungsstiftschlitze positionierten Dichtungsstift enthalten. Der Dichtungsstift kann ein Paar abgesetzter Enden mit einem abgerundeten Abschnitt und einem flachen Abschnitt enthalten.
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Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen des vorliegenden Anmeldegegenstandes werden für einen Fachmann bei einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den angefügten Ansprüchen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematisierte Ansicht einer Gasturbinenmaschine.
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2 zeigt eine Seitenansicht einer bekannten Rotorschaufel.
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3 zeigt eine Perspektivansicht eines Dichtungsstiftes, der in dem radialen Dichtungsstiftschlitz einer Rotorschaufel positioniert ist.
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4A und 4B zeigen Seitenansichten von Schaftleckagebereichen, die bekannte Dichtungsstifte verwenden.
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5 zeigt eine Perspektivansicht eines radialen Dichtungsstiftschlitzes einer Rotorschaufel.
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6 zeigt eine erweiterte Ansicht des radialen Dichtungsstiftschlitzes mit einem darin angeordneten Dichtungsstift, wie hierin beschrieben.
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7 zeigt eine ebene Seitenansicht des Dichtungsstiftes nach 6.
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8 zeigt eine erweiterte Ansicht eines Endes des Dichtungsstiftes nach 6.
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9 zeigt eine Perspektivansicht des radialen Dichtungsstiftschlitzes nach 6.
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10 zeigt eine weitere Perspektivansicht des radialen Dichtungsstiftschlitzes nach 6.
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11A und 11B zeigen Seitenansichten von Schaftleckagebereichen, die mit dem Dichtungsstift nach 6 gefüllt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, zeigt 1 eine seitliche Querschnittsansicht einer Gasturbinenmaschine bzw. -anlage 10. Wie bekannt ist, kann die Gasturbinenmaschine 10 einen Verdichter 12 enthalten, um eine ankommende Luftströmung zu komprimieren. Der Verdichter 12 liefert die komprimierte Luftströmung zu einer Brennkammer 14. Die Brennkammer 14 vermischt die komprimierte Luftströmung mit einem komprimierten Brennstoffstrom und zündet das Gemisch. (Obwohl nur eine einzige Brennkammer 14 veranschaulicht ist, kann die Gasturbinenmaschine 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammern 14 enthalten.) Die heißen Verbrennungsgase werden wiederum zu einer Turbine 16 geliefert. Die heißen Verbrennungsgase treiben die Turbine 16 an, um so mechanische Arbeit zu schaffen. Die in der Turbine 16 geschaffene mechanische Arbeit treibt den Verdichter 12 und eine externe Last, wie bspw. einen elektrischen Generator und dergleichen, an.
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Die Gasturbinenmaschine 10 kann Erdgas, verschiedene weitere Arten von Synthesegas und andere Arten von Brennstoffen verwenden. Die Gasturbinenmaschine kann eine 9FBA Hochleistungsgasturbine sein, die von der General Electric Company aus Schenectady, New York, angeboten wird. Die Gasturbinenmaschine 10 kann andere Konfigurationen aufweisen und kann andere Arten von Komponenten verwenden. Es können andere Arten von Gasturbinenmaschinen hierin verwendet werden. Es können hierin mehrere Gasturbinenmaschinen 10, andere Turbinenarten und andere Arten von Leistungserzeugungsausrüstungen gemeinsam verwendet werden.
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2 zeigt ein Beispiel einer bekannten Rotorschaufel 18. Wie bekannt ist, kann die Rotorschaufel 18 ein Schaufelblatt 20, das sich von einer Plattform 22 aus erstreckt, einen Schaft 24 und einen Schwalbenschwanz 26 enthalten. Wie vorstehend beschrieben, kann der Schwalbenschwanz 26 rings um einen (nicht veranschaulichten) Rotor angeordnet und darin drehfest gesichert sein. Der Schaft 24 kann einen vorderkantenseitigen radialen Dichtungsstiftschlitz 28 und einen hinterkantenseitigen radialen Dichtungsstiftschlitz 30 enthalten. Es können andere Rotorschaufelkonstruktionen hierin verwendet werden.
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3 zeigt den radialen Dichtungsstiftschlitz 30 der Hinterkante mit einem darin angeordneten bekannten Dichtungsstift 32. Wie veranschaulicht ist, weist der Dichtungsstift 32 allgemein gerundete Enden 33 auf. In dieser Darstellung ist α der Schaufelwinkel, d. h. der Winkel einer Schaufelabdeckplatte 34; β ist der Dichtungsstiftwinkel, d. h. der Winkel einer oberen Fläche 35 der Dichtungstasche; Fc ist die Zentrifugalkraft aufgrund der Schaufelrotation; Fp ist die auf die obere Fläche der Dichtungstasche senkrechte Kraft; Fs ist die Kraft entlang der Dichtungstascheoberseite; und Fr ist die resultierende Reibkraft. Zur effektiven Abdichtung sollte Fs größer sein als Fr. Obwohl er hier nicht veranschaulicht ist, ist γ der Winkel einer Dichtungstaschenecke 36. Allgemein erzielen der Schaufelwinkel α und der Dichtungstaschenflächenwinkel β die seitliche Belastung des Stiftes 32. Insbesondere treibt die Zentrifugalkraft den Stift 32 gegen die Dichtungstaschenfläche 35. Der Winkel γ der Dichtungstaschenecke 36 drückt dann den Stift 32 in tangentialer Richtung zu einer benachbarten Laufschaufel 37 hin, um so einen Spalt 39 dazwischen zu füllen.
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4A und 4B zeigen den Dichtungsstift 32, wie er zwischen der Rotorschaufel 18 und der benachbarten Schaufel 37 angeordnet ist. 4A zeigt einen Außendurchmesser-Leckspalt 38. Der Außendurchmesser-Leckspalt 38 kann in etwa der Banddicke der Oberseite der Dichtungsschlitze 28, 30 entsprechen. Die Banddicke betrifft allgemein Festigkeitsbeschränkungen. 4B zeigt einen Innendurchmesser-Leckspalt 40. Der Innendurchmesser-Leckspalt 40 kann in etwa der Größe der Verbindungstoleranz an dem Dichtungsstift 32 entsprechen. Die Verbindungstoleranz berücksichtigt allgemein unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Dichtungsmaterial und dem Laufschaufelmaterial sowie Übergangsbetriebsbedingungen.
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5 und 6 zeigen eine Rotorschaufel 100, wie sie hierin beschrieben ist. Wie vorstehend beschrieben, kann die Rotorschaufel 100 ein Schaufelblatt 110, eine Plattform 120, einen Schaft 130 und einen Schwalbenschwanz 140 enthalten. Der Schaft 130 enthält ein Paar radialer Dichtungsstiftschlitze 150. Obwohl lediglich ein einzelner radialer Dichtungsstiftschlitz 150 veranschaulicht ist, enthält der Schaft 130 einen vorderkantenseitigen und einen hinterkantenseitigen radialen Dichtungsstiftschlitz.
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6 bis 8 zeigen einen Dichtungsstift 160, wie er hierin beschrieben sein kann. Der Dichtungsstift 160 kann ein erstes abgesetztes Ende bzw. Ansatzende 170 und ein zweites abgesetztes Ende bzw. Ansatzende 180 aufweisen. Wie veranschaulicht, haben die abgesetzten Enden 170 einen abgerundeten Abschnitt 190 und einen flachen Abschnitt 200. Die Enden 170, 180 können weitgehend identisch sein. Der Stift 160 kann geringfügig kürzer sein als der Dichtungsstiftschlitz 150, um die Wärmeausdehnung zu berücksichtigen und eine Stiftklemmung zu vermeiden.
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Der Dichtungsstift 160 kann aus einem Inconel 738 Material (einer Nickel-Chrom-Superlegierung) oder ähnlichen Werkstoffarten mit ausreichender Massenkriechfestigkeit hergestellt sein. Der Stift 160 kann in einer beliebigen Ausrichtung innerhalb des Schlitzes 150 positioniert sein. Der Stift 160 kann in jeder beliebigen Stufe der Turbine 16 oder an einer sonstigen Stelle eingesetzt werden.
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Wie in den 9 und 10 veranschaulicht, enthält der Schaft 130 einen Schaufelwinkel α. Der Dichtungsstiftschlitz 150 enthält eine obere Fläche 210 der Dichtungstasche mit dem Winkel β. Die Kombination der Winkel α und β veranlasst den Dichtungsstift 160, sich unter der Wirkung der Zentrifugalkraft vorwärts zu bewegen. In gleicher Weise enthält der radiale Stiftschlitz 150 eine winklige Ecke 250 mit dem Winkel γ. Der Winkel γ veranlasst den Dichtungsstift 160, sich zu dem Schaft 130 der nächsten Laufschaufel hin zu bewegen, wenn sich der Stift 160 seitwärts bewegt. In ähnlicher Weise werden, wie in den 11A und 11B veranschaulicht, durch die Verwendung der Ansätze bzw. Schultern 170, 180 der Außendurchmesserspalt 38 und der Innendurchmesserspalt 40, wie sie vorstehend beschrieben sind, gefüllt, um eine verbesserte Leistung zu erzielen.
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Allgemein gilt zur Bestimmung der Abdichtung: Fs ≥ Fr Fcsin(α + β) ≥ μFp Fcsin(α + β) ≥ μFccos(α + β) tan(α + β) ≥ μ μ = 0.35 α + β = 19.3°
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Gleichermaßen sollte der Winkel γ größer sein als der Reibungswinkel zwischen dem Schaufelmaterial und dem Stiftmaterial, um eine Stiftblockade aufgrund der Wärmeausdehnung während Übergangsbedingungen zu verhindern: Fs ≥ Fr Fsin(γ) ≥ μFp Fsin(γ) ≥ μFcos(γ) tan(γ) ≥ μ μ = 0.35 γ ≥ 19.3°
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Der vorliegende Anmeldegegenstand erzielt somit eine bessere Abdichtung zwischen Turbinenstufenschaufeln. Insbesondere können die Leckagebereiche an den radialen Dichtungsstiften wesentlich reduziert werden. Eine verbesserte Abdichtung ergibt einen verbesserten Wirkungsgrad aufgrund eines geringen Leckstroms, und sie kann auch die Heißgasaufnahme reduzieren und die Zuverlässigkeit von Komponenten verbessern.
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Es sollte offensichtlich sein, dass das Vorstehende lediglich bestimmte Ausführungsformen des vorliegenden Anmeldegegenstandes anbetrifft und dass zahlreiche Veränderungen und Modifikationen daran durch einen Fachmann auf dem Gebiet vorgenommen werden können, ohne dass von dem allgemeinen Rahmen und Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist, und deren Äquivalenten abgewichen wird.
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Die vorliegende Anmeldung ergibt eine Turbinenschaufel 100. Die Turbinenschaufel 100 kann einen Schaft 130, einen radialen Dichtungsstiftschlitz 150, der an dem Schaft 130 angeordnet ist, und einen in dem radialen Dichtungsstiftschlitz 150 angeordneten Dichtungsstift 160 enthalten. Der Dichtungsstift 160 kann zwei abgesetzte Enden 170, 180 enthalten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbinenmaschine, -anlage
- 12
- Verdichter
- 14
- Brennkammer
- 16
- Turbine
- 18
- Rotorschaufel
- 20
- Schaufelblatt
- 22
- Plattform
- 24
- Schaft
- 26
- Schwalbenschwanz
- 28
- radialer Dichtungsstiftschlitz der Vorderkante
- 30
- radialer Dichtungsstiftschlitz der Hinterkante
- 32
- radialer Dichtungsstift
- 33
- abgerundete Enden
- 34
- Abdeckplatte der Schaufel
- 35
- Dichtungstaschenendfläche
- 36
- Dichtungsecke
- 37
- benachbarte Schaufel
- 38
- Außendurchmesser-Leckspalt
- 39
- Spalt
- 40
- Innendurchmesser-Leckspalt
- 100
- Rotorschaufel
- 110
- Schaufelblatt
- 120
- Plattform
- 130
- Schaft
- 140
- Schwalbenschwanz
- 150
- radialer Dichtungsstiftschlitz
- 160
- Dichtungsstift
- 170
- erstes abgesetztes Ende, erstes Ansatzende
- 180
- zweites abgesetztes Ende, zweites Ansatzende
- 190
- abgerundeter Abschnitt
- 200
- flacher Abschnitt
- 210
- Dichtungstaschenendfläche
- 220
- gewinkelte Ecke
