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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbomaschinen und insbesondere Dämpfungsstifte, die an einem Laufrad zwischen einander benachbarten Laufschaufeln angeordnet sind, um die Laufschaufelvibrationen zu dämpfen.
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Bekanntermaßen umfassen Turbinen im Allgemeinen einen Rotor, der aus mehreren Laufrädern besteht, an denen jeweils mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Laufschaufeln angebracht sind. Die Laufschaufeln umfassen typischerweise jeweils ein Schaufelblatt, eine Plattform, einen Schaft und einen Schwalbenschwanz, wobei der Schwalbenschwanz in einem dazu passenden Schwalbenschwanzschlitz im Laufrad aufgenommen wird. Die Schaufelblätter ragen in einen Heißgaspfad hinein, der stromab der Turbinenbrennkammern verläuft, und wandeln kinetische Energie in mechanische Rotationsenergie um. Beim Betrieb der Turbine werden Vibrationen in die Laufschaufeln der Turbine eingeleitet und können ein vorzeitiges Versagen der Laufschaufeln verursachen, wenn sie nicht aufgelöst werden.
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Zum Minimieren oder Eliminieren von Vibrationen wurden bereits viele verschiedene Formen von Schwingungsdämpfern vorgeschlagen. Schwingungsdämpfer haben oft die Form eines länglichen Dämpfungsstifts, der zwischen benachbarte Laufschaufeln passt und die Dämpfungsfunktion übernimmt, indem er die Energie harmonischer Anregungen absorbiert, die als Resultat sich ändernder aerodynamischer Belastung auftreten. Der Dämpfungsstift wird typischerweise in einer Nut gehalten, die entlang einer in Umfangsrichtung ausgerichteten „Schlitzfläche“ („slash face“) im Schaftbereich einer Turbinenschaufel jedes Paars benachbarter Laufschaufeln ausgebildet ist. Der Dämpfungsstift ist während des Betriebs einer zentrifugalen Belastung ausgesetzt, und um ein Verkeilen der Laufschaufeln miteinander zu verhindern, muss die Nut maschinell so bearbeitet werden, dass der Stift sich relativ frei in der Nut bewegen kann.
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Dem Verdichter einer Axialturbine wird häufig hochverdichtete Luft zum Kühlen von Turbinenkomponenten entzogen. Diese Kühlluft wird benötigt, um die Temperatur der Turbinenkomponenten für den Betrieb auf einem akzeptablen Niveau zu halten, hat aber in Bezug auf Gesamtwirkungsgrad und -ausgangsleistung der Turbine ihren Preis. Kühlluft, die aus den Turbinenkomponenten ausströmt, ist im Wesentlichen verschwendet. Die durch die Dämpfungsstift-Nut geschaffene Tasche stellt einen großen Leckagepfad dar, über den Kühlströmung aus dem Schaufelschaftbereich entweichen kann. Die Kühlwirkung kann auch durch das Eindringen heißen Gases aus dem Heißgaspfad in den Schaufelschaftbereich beeinträchtigt werden.
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Es wäre daher wünschenswert, ansonsten herkömmliche Dämpfungsstifte durch ein Merkmal zu ergänzen, um das Entweichen von Kühlstrom aus einem unter Druck stehenden Schafthohlraum zu verhindern, zu minimieren oder zu regeln, im Fall eines nicht unter Druck stehenden Schafthohlraums die Leckage von Kühlluft aus dem vorderen Radraum quer über die Laufschaufel zu dem hinteren Radraum zu verhindern oder zu minimieren und/oder das Eindringen von Luft aus dem Heißgaspfad in den Schaftbereich zu verhindern.
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DE 27 43 563 A1 offenbart einen Dämpfungsstift für Turbinenlaufschaufeln, der einen länglichen Hauptkörperabschnitt mit einem kreisförmigen Querschnitt und axial ausgerichtete Anström- und Abströmendabschnitte aufweist, die im Querschnitt halbkreisförmige Verlängerungen an entgegengesetzten Enden des Hauptkörperabschnitts bilden und mit dem Hauptkörperabschnitt an radialen Schultern verbunden sind. An dem Hauptkörperabschnitt sind exzentrische Massen vorgesehen, deren Schwerpunkte gegenüber der Mittellinie des Hauptkörperabschnitts derart verlagert sind, dass bei einer Rotation der Turbinenlaufschaufel ein zentrifugales Moment erzeugt wird, das den Dämpfungsstift zu einem Drehen um seine axiale Mittellinie bis zu einer Reibungsanlage mit Gegenflächen einer den Dämpfungsstift aufnehmenden Aufnahme veranlasst. Die exzentrischen Massen sind von dem Hauptkörperabschnitt seitlich wegragende Vorsprünge, die zylindrisch, rechtwinklig, rechteckig oder anderweitig geformt und mit dem Hauptkörperabschnitt einteilig ausgebildet oder an diesem angebracht sein können.
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Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Dämpfungsstift für eine Turbinenlaufschaufel zu schaffen, der es ermöglicht, die Leckage von Kühlluft aus einem Schafthohlraum oder quer über die Laufschaufel zu verhindern oder zu minimieren und/oder das Eindringen von Luft aus dem Heißgaspfad in den Schaftbereich zu verhindern.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Dämpfungsstift für eine Turbinenlaufschaufel geschaffen, der umfasst: einen länglichen Hauptkörperabschnitt mit einer ersten im Wesentlichen gleichmäßigen Querschnittsform und axial ausgerichteten Anström- und Abströmendabschnitten, die eine im Vergleich zu der ersten Querschnittsform relativ kleinere zweite Querschnittsform aufweisen und an entgegengesetzten Enden des Hauptkörperabschnitts angeordnet sind, wobei die Anström- und Abströmendabschnitte mit dem länglichem Hauptkörperabschnitt an entsprechenden Schultern verbunden sind, sowie ein Dichtungselement an einem oder beiden der entgegengesetzten Anström- und Abströmendabschnitte, das über den Hauptkörperabschnitt hinaus radial nach außen vorsteht. Jedes Dichtungselement ist als eine kreisförmige Scheibe mit einem ringförmigen Umfangsrand ausgebildet, der um den gesamten Umfang des Hauptkörperabschnitts über diesen hinaus radial nach außen vorsteht. In einer ersten Ausführungsform enthält die kreisförmige Scheibe eine geschlossene Hälfte und eine offene Hälfte, die durch eine halbkreisförmige Öffnung definiert ist, die derart eingerichtet ist, dass das Dichtungselement auf einen von den Anström- und Abströmendabschnitten geschoben und darauf aufgenommen ist. In einer zweiten Ausführungsform ist die kreisförmige Scheibe mit dem Dämpfungsstift einstückig ausgebildet und an der Verbindungsstelle zwischen einem von den Anström- und Abströmendabschnitten und dem Hauptkörperabschnitt angeordnet, und sie bildet die Schulter zwischen dem einen von den Anström- und Abströmendabschnitten und dem Hauptkörperabschnitt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegende Erfindung ist ein Turbinenlaufrad geschaffen, das mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Laufschaufeln umfasst, wobei zwischen den benachbarten Laufschaufeln jedes Schaufelpaars ein Dämpfungsstift, wie vorher beschrieben, eingesetzt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den unten bezeichneten Zeichnungen detailliert beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Perspektive einer Baugruppe aus Gasturbinenlaufschaufel und einem nicht erfindungsgemäßen Dämpfungsstift;
- 2 ist eine Teil-Seitenansicht und zeigt ein Paar in Umfangsrichtung benachbarter Laufschaufeln mit einem zwischen diesen angeordneten Dämpfungsstift;
- 3 ist eine Perspektive eines Dämpfungsstifts mit daran befestigten Dichtungselementen gemäß einer ersten beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung;
- 4 ist eine Perspektive eines in 3 gezeigten Dichtungselements ohne den Dämpfungsstift;
- 5 ist eine Seitenansicht eines Dämpfungsstifts, der dem in 3 gezeigten ähnelt, bei dem aber das Dichtungselement in den Dämpfungsstift integriert wurde;
- 6 ist eine Endansicht des in 5 gezeigten Stifts;
- 7 ist eine Draufsicht des in 5 gezeigten Stifts;
- 8 ist eine Teilperspektive eines Laufschaufelschafts und zeigt eine Nut, die dafür eingerichtet ist, die Dämpfungsstifte aus den 3 oder 5 aufzunehmen;
- 9 ist eine Draufsicht des Dämpfungsstifts aus den 4-6 (gestrichelt dargestellt), der zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln montiert ist;
- 10 ist eine Seitenansicht eines Dichtungselemente enthaltenden Dämpfungsstifts gemäß einem Ausführungsbeispiel, das als solches nicht zu der beanspruchten Erfindung gehört;
- 11 ist eine Endansicht des in 10 gezeigten Dämpfungsstifts und
- 12 ist eine Draufsicht des in 10 gezeigten Stifts.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine herkömmliche Laufschaufel 10 mit einem Schaufelblatt 12, einer Plattform 14, einem Schaft 16 und einem Schwalbenschwanz 18. Wie in der Technik bekannt ist, dient der Schwalbenschwanz 18 dazu, die Laufschaufeln 10 sicher am Umfang des Laufrads (nicht gezeigt) zu befestigen. Ein (nicht erfindungsgemäßer) Dämpfungsstift 20 ist entlang einer axialen Kante (oder Schlitzfläche) 22 neben (d. h. radial einwärts von) der Schaufelplattform 14 angeordnet, wobei sich das Anströmende 24 des Dämpfungsstifts 20 näher bei der Anströmkante der Laufschaufel befindet und das Abströmende 26 des Dämpfungsstifts sich näher bei der Abströmkante der Laufschaufel befindet.
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Es ist nachvollziehbar, dass sich ein ähnlicher Stift 20 zwischen den benachbarten Laufschaufeln 18, 118 jedes Schaufelpaars an dem Laufrad befindet, wie auch aus 2 hervorgeht. Der Dämpfungsstift 20 ist in einer Nut 28 angeordnet, die entlang der gesamten Schlitzfläche 22 der Laufschaufel 118 verläuft. Der Dämpfungsstift 20 umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen Körperabschnitt 30 zwischen einem Paar im Wesentlichen halbzylinderförmiger, entgegengesetzter Enden 24, 26, die an Schultern 39 Trennflächen bilden. Durch diese Gestaltung entstehen flache Auflageflächen 32, 34 (am besten in 1 zu erkennen), die dafür eingerichtet sind, auf den spanend bearbeiteten Oberflächen oder Schultern (eine wird mit dem Bezugszeichen 36 in 2 gezeigt) der Laufschaufelplattform an entgegengesetzten Enden der in der Schlitzfläche der Laufschaufel ausgebildeten Nut 28 aufzuliegen, wodurch sie eine gute Abstützung für den Stift darstellen und gleichzeitig unerwünschte übermäßige Drehung während des Turbinenbetriebs verhindern.
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Im Folgenden wird Bezug auf 3 und 4 genommen: Gezeigt wird ein Dämpfungsstift 38 gemäß einer ersten beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform. Wie der zuvor beschriebene herkömmliche Dämpfungsstift, umfasst der Dämpfungsstift 38 einen im Wesentlichen zylinderförmigen Körperabschnitt 40 und ein Paar entgegengesetzte Enden 42, 44 mit reduziertem, im Wesentlichen halbzylinderförmigen Querschnitt. Der Dämpfungsstift 38 ist hier mit einem Dichtungsmerkmal in Form eines Paars Dichtungselemente 46, 48 versehen, die jeweils an den Verbindungsstellen (oder Schultern) zwischen dem zylinderförmigen Körperabschnitt 40 und den entgegengesetzten Enden 42, 44 angebracht sind. Jedes der spiegelbildlichen Dichtungselemente ist als eine im Wesentlichen kreisförmige Scheibe 50 mit einem ringförmigen Umfangsrand 52 ausgebildet. Die kreisförmige Scheibe 50 umfasst eine geschlossene Hälfte 54 und eine offene Hälfte, wobei Letztere durch eine im Wesentlichen halbkreisförmige Öffnung 56 definiert wird, die es ermöglicht, dass das Dichtungselement auf einem entsprechendes Ende 42 oder 44 des Dämpfungsstifts 38 aufgenommen ist.
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Die Dichtungselemente 46, 48 können aus demselben oder einem anderen Legierungsmaterial bestehen wie/als der Dämpfungsstift 38. Zum Beispiel können der Dämpfungsstift 38 und/oder die Dichtungselemente 46, 48 aus einer Legierung auf Nickelbasis - beispielsweise X-750 - oder einer Legierung auf Kobaltbasis wie zum Beispiel L-605 bestehen. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht durch die Wahl der Legierungsmaterialien für den Dämpfungsstift 38 oder die Dichtungselemente 46, 48 eingeschränkt wird.
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Die Dichtungselemente 46, 48 sind so bemessen, dass sie einigermaßen locker über die Enden 42, 44 des Dämpfungsstifts 42 gleiten, so dass die Dichtungselemente leicht in passend geformten, bearbeiteten Schlitzen oder Aussparungen 58, 60 sitzen können, die in dem Laufschaufelschaft 62 an der Schlitzfläche (8) ausgebildet sind, wie im Folgenden noch beschrieben wird. Es ist beabsichtigt, dass die gesamte oder die meiste radiale Belastung beim Betrieb der Turbine von dem Dämpfungsstift 38 aufgenommen wird, der sich in seiner Schlitznut 64 (8) aufgrund der Zentrifugalkräfte und ermöglicht durch die Spielpassung radial bewegt. Die Toleranzen in Bezug auf die Schlitze oder Aussparungen 58, 60 sowie die Nut 64 und den Dämpfungsstift/die Dichtungselemente 46, 48 lassen auch eine minimale Drehung des Dämpfungsstifts beim Maschinenbetrieb zu, aber von den Dichtungselementen selbst werden keine Zentrifugalkräfte aufgenommen.
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Der Dämpfungsstift 38 sorgt - wie bei Konstruktionen nach dem Stand der Technik - für die gewünschte Dämpfung zwischen benachbarten Laufschaufeln, während die Dichtungselemente 42, 44 eine Barriere darstellen, die das Entweichen von Kühlluft aus einem unter Druck stehenden Hohlraum in dem Schaftabschnitt entlang dem Stift, insbesondere in der Nähe der Anströmkante der Laufschaufel, verhindern, minimieren oder begrenzen. Im Fall eines nicht unter Druck stehenden Hohlraums verhindern, minimieren oder begrenzen die Dichtungselemente auch die Leckage von Kühlluft aus dem vorderen Radraum quer über die Laufschaufel zu dem hinteren Radraum. Darüber hinaus dienen die Dichtungselemente auch dazu, jegliches Eindringen von heißen Verbrennungsgasen in den Schaftabschnitt entlang dem Stift zu verhindern oder zu minimieren, insbesondere in der Nähe der Abströmkante der Laufschaufel.
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Die 5 - 7 zeigen eine Variante des Dämpfungsstifts 38 aus 3 und 4. In diesem Fall sind der Dämpfungsstift 68 und die Dichtungselemente 70, 72 einstückig, also in einem Teil, ausgebildet. Davon abgesehen handelt es sich im Wesentlichen um denselben Dämpfungsstift wie den Dämpfungsstift 38. Auch hier sitzen die Dichtungselemente 70, 72 relativ locker in den bearbeiteten Schlitzen oder Aussparungen 58, 60.
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Die Randflächen 74, 76 der Enden 78, 80 mit reduziertem Querschnitt sind abgeschrägt, um sie an die benachbarten Laufschaufeln anzupassen, wie am besten in 9 zu sehen ist.
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8 zeigt die Nut 64, die in der Schlitzfläche 82 einer Laufschaufel ausgebildet ist. Die Nut 64 ist so geformt, dass sie die bearbeiteten Auflageflächen 84, 86 umfasst, die dafür angepasst sind, mit den ebenen Flächen 88, 90 der halbkreisförmigen Enden 42, 44 des Dämpfungsstifts 38 oder den ebenen Flächen 92, 94 der halbzylinderförmigen Enden des Stifts 68 in Eingriff zu kommen.
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9 zeigt den Dämpfungsstift 68, der zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 100, 102 sitzt. Der Dämpfungsstift verläuft im wesentlichen parallel zu den einander gegenüberliegenden Laufschaufel-Schlitzflächen, was es erforderlich macht, dass die Endflächen 74, 76 des Stifts (wie bereits erwähnt) in einem bezogen auf die Längsachse des Dämpfungsstifts nicht rechtwinkligen Winkel geschnitten werden, um bündig mit den Endflächen der Laufschaufeln zu bleiben.
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Die 10 - 12 zeigen eine weitere beispielhafte, aber als solche nicht zu der beanspruchten Erfindung gehörende Ausführungsform eines Dämpfungsstifts mit einem Dichtungsmerkmal. Der Dämpfungsstift 104 ist so ausgebildet, dass er einen zylinderförmigen Körperabschnitt 106 und entgegengesetzte Enden 108, 110 mit im Wesentlichen halbkreisförmigem Querschnitt umfasst, wie bei den vorherigen Ausführungsformen. Bei dieser Ausführungsform sind die integrierten Dichtungselemente 112, 114 jedoch an den äußeren Spitzen der entgegengesetzten Enden 108, 110 ausgebildet. Da die Dichtungselemente identisch sind, ist die Beschreibung eines Elements hier ausreichend. Das Dichtungselement 112 erstreckt sich in allen Richtungen radial über das gewölbte Segment des halbkreisförmigen Endes 108 des Stifts hinaus, auch über die ebene Auflagefläche 116, wodurch eine ebene Fläche 118 entsteht, die im Wesentlichen parallel zur Auflagefläche 116 verläuft. Auf diese Weise ist die gewölbte Ausdehnung des Dichtungselements größer als 180°, wie am besten in den 10 und 11 zu sehen ist. Es sollte beachtet werden, dass wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen die Randfläche 120 maschinell so bearbeitet ist, dass sie in einem Winkel zur Längsachse des Dämpfungsstifts 104 verläuft, so dass die Randfläche der Dichtung in eingebautem Zustand bündig mit den Oberflächen benachbarter Laufschaufeln bleibt, ähnlich den Endkanten 74, 76 des bereits beschriebenen Dämpfungsstifts 68. Ein weiterer abgeschrägter Randabschnitt 122 (11) ist an der Endfläche 120 des Dichtungselements ausgebildet; er verläuft in einem Winkel von circa 60° zur ebenen Fläche 118 und schneidet die äußere bzw. Umfangsfläche der Dichtung. Die Form des Dichtungselements ist wieder so gestaltet, dass das Dichtungselement in entsprechend geformte Schlitze bzw. Aussparungen im Schaufelschaft eingreift oder locker in diesen sitzt, damit die benötigte Dichtungsfunktion zur Verfügung steht.
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Es ist nachvollziehbar, dass die Position und Form der Dichtung (und der entsprechenden Nut für den Stift sowie der die Dichtung aufnehmenden Aussparungen) je nach den anwendungsspezifischen Anforderungen unterschiedlich sein können.
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Es ist ebenfalls nachvollziehbar, dass die Querschnittsform der Dämpfungsstifte nicht zylinderförmig sein muss und die Querschnittsform der Enden mit reduziertem Querschnitt nicht halbzylinderförmig zu sein hat, wie zuvor beschrieben. Andere nicht runde oder nicht gleichmäßig geformte Dämpfungsstifte sind in dem Schutzumfang der Erfindung eingeschlossen. Darüber hinaus kann der Dämpfungsstift auch nur mit einem Dichtungselement versehen oder mit diesem ausgebildet sein. Während für unter Druck stehende Schäfte zwei Dichtungen bevorzugt werden, wäre für nicht unter Druck stehende Schäfte eine Dichtung ausreichend.
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Während die Erfindung in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wurde, die gegenwärtig als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen abdecken soll, wie sie in dem Sinn und Anwendungsbereich der angefügten Ansprüche enthalten sind.
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Ein Dämpfungsstift 38 für eine Turbinenlaufschaufel umfasst einen länglichen Hauptkörperabschnitt 40 mit einer ersten im Wesentlichen gleichmäßigen Querschnittsform und axial ausgerichteten, Anström- und Abströmendabschnitten 42, 44 - mit einer zweiten, relativ kleineren Querschnittsform - an entgegengesetzten Enden des Hauptkörperabschnitts. Es wird ein Dichtungselement 46, 48 an einem oder beiden der entgegengesetzten An- und Abströmendabschnitte 42, 44 angeordnet, das über den Hauptkörperabschnitt hinaus radial nach außen vorsteht.
