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Die Erfindung bezieht sich auf ein Innendeckband einer Gasturbine zur gegenseitigen Lagerung bzw. zur Halterung von Schaufelfüßen von Statorschaufeln, insbesondere eines Hochdruckverdichters, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Bei Gasturbinen, insbesondere bei Fluggasturbinen, ist es bekannt, Leitschaufeln oder Statorschaufeln, welche an ihrem radial äußeren Ende an einem Gehäuse befestigt sind, an ihrem radial nach innen weisenden Ende mittels eines Innendeckbands zu haltern. Das Innendeckband trägt dabei auf seiner radial innenliegenden Seite eine Einlaufschicht zur Abdichtung über einer Verdichtertrommel oder Kompressortrommel bzw. einer Verdichterscheibe oder Kompressorscheibe, welche um eine Triebwerksachse oder zentrische Achse der Gasturbine rotiert.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, derartige Innendeckbänder als Halbringe aus einem geschmiedeten Ring zu fräsen. Derartige Teile sind aufwendig in der Herstellung und verursachen somit hohe Kosten. Weiterhin erweist sich das relativ hohe Gewicht als nachteilig. Hinzu kommt, dass eine nicht unerhebliche Bauhöhe erforderlich ist, um diese geschmiedeten und gefrästen Bauelemente herzustellen.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass zusätzliche Verschleißstreifen oder Verschleißbeschichtungen notwendig sind, um die Schaufelfüße bzw. das Innendeckband selbst gegen Verschleiß zu schützen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Innendeckband einer Gasturbine zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit ein geringes Gewicht aufweist und verschleißgünstig ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass das Innendeckband als Blechumformring ausgebildet ist. Die Herstellung kann bevorzugterweise mittels eines Rollumformverfahrens erfolgen, es sind jedoch auch andere Herstellungsverfahren möglich, bis hin zu einem Strangpressen.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Innendeckbandes besteht darin, dass dieses, da es aus einem Blechmaterial gefertigt ist, ein sehr geringes Gewicht hat. Bedingt durch das Blechmaterial mit der im Querschnitt im Wesentlichen gleichbleibenden Wanddicke ist es möglich, das Innendeckband aus einem hochwertigen Material zu fertigen, da, im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, nur ein sehr geringes Materialvolumen benötigt wird. Erfindungsgemäß ist es somit möglich, auf zusätzliche Verschleißschichten zu verzichten, da das Innendeckband selbst aus einem verschleißfesten Material hergestellt werden kann.
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Im Vergleich zu den bisher bekannten Lösungen zeichnet sich das erfindungsgemäße Innendeckband durch eine erhebliche Reduzierung der Herstellkosten aus.
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Zusätzlich zu dem geringen Gewicht und den geringen Herstellkosten erweist es sich als vorteilhaft, dass auf zusätzliche Verschleißstreifen oder Verschleißbeschichtungen verzichtet werden kann. Auch hierdurch werden die Herstellungskosten sowie das Gewicht reduziert.
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Weiterhin ist es durch die erfindungsgemäß geschaffene Ausgestaltung möglich, die Bauhöhe in radialer Richtung zu reduzieren. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Verdichterstabilität und Verdichtereffizienz aus und führt zu einem geringeren Gewicht der Verdichtertrommel.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, das Innendeckband als Austauschteil bei bestehenden Gasturbinenkonstruktionen einzusetzen.
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Erfindungsgemäß weist das Innendeckband somit einen Querschnitt auf, welcher ein Mittelteil umfasst, an welches sich zur Bildung eines U-Profils seitliche Schenkel anschließen. Die Endbereiche der seitlichen Schenkel sind nach innen gebogen und können in eine Nut des Schaufelfußes eingreifen.
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Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn die Geometrie des Innendeckbandes so gewählt ist, dass dieses als Passsitz oder Klemmsitz auf dem jeweiligen Schaufelfuß montierbar ist. Somit ist der Abstand der nach innen weisenden Endbereiche gleich oder geringer ausgebildet, als ein durch die Geometrie des Schaufelfußes definierter Sollwert. Hierdurch wird ein exakter Sitz gewährleistet, es wird vermieden, dass beim Betrieb Schwingungen auftreten, die zu Beschädigungen führen können.
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Besonders günstig ist es, wenn an dem Mittelteil direkt eine Einlaufschicht befestigt ist, um eine Abdichtung gegenüber Dichtspitzen eines Rotors zu gewährleisten.
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In besonders günstiger Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an dem Mittelteil zunächst ein Trägerband befestigt ist, beispielsweise durch Schweißen oder Löten, an welchem die Einlaufschicht ausgebildet ist. Ein derartiges Trägerband kann dann vorteilhaft sein, wenn die Breite des Innendeckbandes sich von der Breite der Einlaufschicht unterscheidet.
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Um eine Anpassung des erfindungsgemäßen Innendeckbands an unterschiedliche Geometrien von Schaufelfüßen zu ermöglichen, kann es günstig sein, wenn die nach innen weisenden Endbereiche der seitlichen Schenkel ebenfalls U-förmig ausgebildet sind. Hierbei handelt es sich ebenfalls um ein Umformverfahren des Blechteils des Innendeckbandes, welches besonders einfach und kostengünstig durchführbar ist.
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Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, zumindest Teilbereiche des Querschnittsprofils des Innendeckbands mit einer Beschichtung, beispielsweise einem Zwischenring oder Verschleißschutzring oder einer zusätzlichen Beschichtung des Schaufelfußes zu versehen. Alternativ hierzu kann es auch günstig sein, das Innendeckband selbst aus einem verschleißfesten Material zu fertigen.
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Um das Innendeckband montieren zu können, ist es besonders günstig, wenn dieses als Kreissegment oder teilkreisförmig ausgebildet ist. Um eine Relativbewegung in Umfangsrichtung zu vermeiden, kann es günstig sein, trennwandartige Stoppelemente einzusetzen, die in passend ausgeprägte Ausnehmungen oder Schlitze des Innendeckbands einsetzbar sind. Zur Kompensation von Wärmeausdehnungen kann es weiterhin günstig sein, zumindest eine das Innendeckband zumindest teilweise unterteilende Quernut vorzusehen.
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Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens erweist es sich als besonders günstig, wenn das Innendeckband aus einem Blechstreifen gefertigt ist, der zunächst durch Rollumformen profiliert wird. Das Profil wird anschließend zu einem Ring gerollt, der z. B. durch Schweißen geschlossen wird. Nachfolgend ist es möglich, den so erzeugten Rohling des Innendeckbandes zu kalibrieren und nachfolgend mit einer Einlaufschicht zu versehen. Der Ring kann dann in Halbringe oder Teilsegmente unterteilt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 eine vergrößerte Detailansicht einer Leitschaufel oder Statorschaufel mit erfindungsgemäßem Innendeckband, und
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3 bis 17 unterschiedliche Profilquerschnitte des erfindungsgemäßen Innendeckbands.
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Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, Brennkammern 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
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Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Zwischendruckturbine 17 gekoppelt sind.
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Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
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Die 2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht einer Statorschaufel oder Leitschaufel, welche an dem Triebwerksgehäuse 21 in üblicher Weise gelagert ist. Die Statorschaufel 20 weist einen radial nach innen weisenden Schaufelfuß 28 auf, der mit zwei seitlichen Nuten 37 versehen ist und mittels dieser Nuten in ein erfindungsgemäßes Innendeckband 29 eingesetzt ist. Die Geometrie des Innendeckbandes wird nachfolgend anhand der 3 bis 16 im Einzelnen erläutert.
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Am radial inneren Bereich des Innendeckbands 29 ist eine Einlaufschicht 33 ausgebildet, welche gegen Dichtspitzen 38 des Rotors 26 (Kompressortrommel, Kompressorscheibe, Verdichtertrommel, Verdichterscheibe) anliegt.
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Die 3 bis 16 zeigen jeweils, dass das erfindungsgemäße Innendeckband ein Profil mit einem Mittelteil 30 aufweist, an welches sich in U-förmiger Ausgestaltung seitliche Schenkel 31 anschließen. Die seitlichen Schenkel 31 weisen Enden bzw. Endbereiche 32 auf, welche nach innen weisend gebogen sind, so dass diese in die jeweilige Nut 37 passgenau oder mit einer geringen Vorspannung einsetzbar sind.
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Radial innenliegend an dem Mittelteil 30 kann ein Trägerband 34 befestigt sein, beispielsweise aufgelötet (siehe 9). Das Mittelteil 30 oder das Trägerband 34 tragen die Einlaufschicht 33, welche, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, gebildet ist und gegen die Dichtspitzen 38 abdichtet.
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Die 3 zeigt eine Ausgestaltung, bei welcher die Endbereiche 32 nochmals U-förmig umgeformt sind, um in eine breitere Nut 37 des Schaufelfußes 28 passend einzugreifen. Es erfolgt somit eine Sicherung des Schaufelfußes 28 durch die Endbereiche 32.
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Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem in dem Schaufelfuß 28 nur eine sehr schmale Nut ausgebildet ist, welche passend zur Materialdicke des Innendeckbands 29 gewählt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 umklammern die Enden 32, die seitlichen Schenkel 31 sowie das Mittelteil 30 den Basisbereich des Schaufelfußes 28. Die Nut im Schaufelfuß 28 ist breiter gestaltet als im Ausführungsbeispiel der 5, um den Einsatz von Standard-Bearbeitungswerkzeugen zu ermöglichen. Nachteilig ist hier, dass eine zusätzlich axiale Verlustströmung zwischen den Schaufelfüßen stattfinden kann.
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Die 4 und 5 zeigen weiterhin, dass es erfindungsgemäß möglich ist, eine zusätzliche Zwischenschicht 39 aufzubringen, beispielsweise zur Dämpfung oder Verschleißminderung.
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Die 6 und 7 zeigen jeweils die Möglichkeit, einen Schaufelfuß auch durch eine Materialverdickung des Endbereichs 32 zu lagern, wobei die Formgestaltung durch z. B. Fräsoperationen am Basismaterial des Innendeckbandes (7) oder durch Auflöten bzw. Aufschweißen eines Aufdickungsrings (6) erfolgen kann. Die Verwendung einer zusätzlichen Zwischenschicht 39 (7) ist in beiden Varianten möglich.
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Die 8 und 9 zeigen ähnliche Lösungen, wie die 3, wobei die 8 ein verbreitertes Mittelteil 30 darstellt, um eine in Axialrichtung breitere Einlaufschicht 33 zu lagern. Bei dem Ausführungsbeispiel der 9 ist zusätzlich ein Trägerband 34 vorgesehen, um eine breitere Einlaufschicht 33 vorsehen zu können. Die 10 zeigt eine Ausgestaltungsvariante, ähnlich 4, mit verbreitertem Mittelteil 30 und Vorspannung des Schaufelfußes gegen das Mittelteil 30.
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Die 11 bis 13 zeigen ein ebenfalls als Blechteil ausgebildetes Stoppelement 35, welches in Ausnehmungen 40 des Innendeckbands 29 einsetzbar ist, so wie dies im montierten Zustand in 12 gezeigt ist.
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Die 14 zeigt die Verwendung einer zusätzlichen Quernut 36, welche zur Kompensation von Wärmeausdehnungen vorgesehen sein kann.
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Die 15 zeigt eine Profilform, bei welcher die Endbereiche 32 umgefaltet sind, um passend in eine Nut 37 des Schaufelfußes 28 einsteckbar zu sein.
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Die 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem die seitlichen Schenkel 31 sowie die Endbereiche 32 jeweils gerundet ausgebildet sind, um die Vorspann- und Haltewirkung zu verbessern.
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Die 17 zeigt in vergrößerter Darstellung ein Ausführungsbeispiel gemäß 2. Dabei ist insbesondere nochmals verdeutlichend dargestellt, dass das erfindungsgemäße Innendeckband in die Nuten 37 des Schaufelfußes 28 eingreift. Verdeutlichend ist dabei dargestellt, dass das Mittelteil 30 in die beiden seitlichen Schenkel 31 übergeht, welche aus dem Blechmaterial durch eine Umformung im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Mittelsteils 30 ausgerichtet sind. Eine hierdurch erzielte axiale Lagerung ist durch das Bezugszeichen 41 angegeben.
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Das Bezugszeichen 42 zeigt die Stellen einer radialen Lagerung, welche durch einen U-förmigen Endbereich 43 gebildet sind. Der U-förmige Endbereich 43 ist aus einem Endbereich des Innendeckbandes gebildet, der sich ergebende Radius ist als ”R” dargestellt. Analoge Ausgestaltungen zeigen beispielsweise auch die 3, 8 und 9. Aus der 17 ist insbesondere ersichtlich, dass zusätzlich ein Verschleißschutzring oder Zwischenring 39 eingelegt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Triebwerksachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk
- 11
- Lufteinlass
- 12
- im Gehäuse umlaufender Fan
- 13
- Zwischendruckkompressor/-Verdichter
- 14
- Hochdruckkompressor/-Verdichter
- 15
- Brennkammern
- 16
- Hochdruckturbine
- 17
- Zwischendruckturbine
- 18
- Niederdruckturbine
- 19
- Abgasdüse
- 20
- Leitschaufeln/Statorschaufel
- 21
- Triebwerksgehäuse
- 22
- Kompressorlaufschaufeln/Verdichterschaufeln
- 23
- Leitschaufeln
- 24
- Turbinenschaufeln
- 26
- Kompressortrommel oder -scheibe/Rotor
- 27
- Turbinenrotornabe
- 28
- Schaufelfuß
- 29
- Innendeckband
- 30
- Mittelteil
- 31
- Seitlicher Schenkel
- 32
- Ende/Endbereich
- 33
- Einlaufschicht
- 34
- Trägerband
- 35
- Stoppelement
- 36
- Quernut
- 37
- Nut
- 38
- Dichtspitze
- 39
- Zwischenring
- 40
- Ausnehmung
- 41
- Axiale Lagerung
- 42
- Radiale Lagerung
- 43
- U-förmiger Endbereich
