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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Diese Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren für die Montage von Deckbändern, die aus einem Material mit geringer Duktilität hergestellt sind, in den Turbinenteilen dieser Turbinen.
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Eine typische Gasturbine weist eine Kernströmungsmaschinen mit einem Hochdruckverdichter, einer Brennkammer und einer Hochdruckturbine auf, die hintereinander in Strömungsbeziehung stehen. Die Kernmaschine ist auf bekannte Weise betreibbar, um einen Primärgasstrom zu erzeugen. Die Hochdruckturbine (auch als Gaserzeugerturbine bezeichnet) weist ein oder mehrere Laufräder auf, die dem Primärgasstrom Energie entziehen. Jedes Laufrad umfasst eine ringförmige Anordnung von Schaufeln oder Blättern, die von einer sich drehenden Scheibe getragen werden. Der Strömungsweg durch das Laufrad ist teilweise durch ein Abdeckband definiert, das eine feststehende Struktur ist, die die Spitzen der Schaufeln oder Blätter umschreibt. Diese Bauteile arbeiten bei extrem hohen Umgebungstemperaturen.
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Es ist vorgeschlagen worden, metallische Deckbandstrukturen durch Materialien mit einer besseren Hochtemperaturbeständigkeit zu ersetzen, beispielsweise keramische Faserverbundwerkstoffe (CMC). Diese Werkstoffe weisen einzigartige mechanische Eigenschaften auf, die während der Entwicklung und Verwendung eines Gegenstands wie einem Deckbandabschnitt berücksichtigt werden müssen. CMC-Werkstoffe weisen beispielsweise im Vergleich zu metallischen Werkstoffen eine relativ niedrige Duktilität bei Zugbeanspruchung oder eine geringe Bruchdehnung auf. CMC weisen außerdem einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (”WAK”) im Bereich von ungefähr 1,5 bis 5 Mikrozoll/Zoll/Grad Fahrenheit auf, der sich von handelsüblichen Metalllegierungen, die als Träger für Metalldeckbänder verwendet werden, erheblich unterscheidet. Diese Metalllegierungen weisen üblicherweise einen WAK im Bereich von ungefähr 7 bis 10 Mikroinch/Inch/Grad Fahrenheit auf.
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Herkömmliche Metalldeckbänder werden häufig unter Verwendung von Halterungen oder anderen Teilen mit komplexen maschinell hergestellten Elementen wie Schlitzen, Haken oder Führungen an der umgebenden Struktur befestigt. CMC-Deckbänder sind nicht generell für die Integration derartiger Elemente geeignet und sind auch empfindlich gegenüber den davon eingebrachten Punktlasten.
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Es besteht folglich Bedarf an einer Montagevorrichtung für Turbinenbauteile mit geringer Duktilität an metallischen Trägerteilen unter gleichzeitiger Berücksichtigung unterschiedlicher Wärmeeigenschaften und ohne zu hohe Punktlasten oder thermische Spannungen einzubringen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Auf diesen Bedarf wird von der vorliegenden Erfindung eingegangen, die eine Montagevorrichtung für Turbinendeckbänder einschließlich eines Deckbandabschnitts mit geringer Duktilität, der einen Bestandteil eines Strukturlastpfads bildet, bereitstellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Turbinendeckbandvorrichtung für eine Gasturbine mit einer Mittelachse Folgendes auf: einen gebogenen Deckbandabschnitt, der ein Material mit geringer Duktilität umfasst und eine Querschnittform aufweist, die von einer Vorder- und Rückwand, die einander gegenüberliegen, und einer Innen- und Außenwand, die einander gegenüberliegen, definiert ist, wobei die Wände zwischen einer ersten und zweiten Endfläche, die einander gegenüberliegen, verlaufen und gemeinsam einen Deckbandhohlraum definieren, und eine ringförmige feststehende Struktur, die den Deckbandabschnitt umgibt, wobei der Deckbandabschnitt mechanisch mit der feststehenden Struktur gekoppelt ist. Die feststehende Struktur weist mindestens eine axial gerichtete Lagerfläche auf, die in direktem Kontakt mit dem Deckbandabschnitt steht und der Deckbandabschnitt ist angeordnet, um mindestens eine axial ausgerichtete Kraft aufzunehmen und die axial ausgerichtete Kraft auf die Lagerfläche zu übertragen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Turbinendeckbandvorrichtung für eine Gasturbine mit einer Mittelachse Folgendes auf: eine ringförmige Anordnung gebogener Deckbandabschnitte, die ein Material mit geringer Duktilität umfassen und eine Querschnittform aufweisen, die von einer Vorder- und Rückwand, die einander gegenüberliegen, und einer Innen- und Außenwand, die einander gegenüberliegen, definiert ist, wobei die Wände zwischen einer ersten und zweiten Endfläche, die einander gegenüberliegen, verlaufen und gemeinsam einen Deckbandhohlraum definieren, wobei die Endflächen benachbarter Deckbandabschnitte in abdichtender Beziehung zueinander angeordnet sind, eine ringförmige feststehende Struktur, die die Anordnung von Deckbandabschnitten umgibt, wobei die Deckbandabschnitte mechanisch mit der feststehenden Struktur gekoppelt sind. Es sind Strömungswege definiert, damit Kühlluft in den Deckbandhohlraum hinein- und aus ihm herausströmen kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung ist am besten unter Bezug auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungsfiguren zu verstehen, in denen:
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1 eine vereinfachte Querschnittdarstellung eines Abschnitts eines Turbinenteils einer Gasturbine ist, der eine Turbinendeckbandanordnung und eine Montagevorrichtung enthält, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind,
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2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Turbinendeckbands ist, das gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut und mit mehreren Streifendichtungen dargestellt ist,
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3 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von 1 ist,
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4 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Turbinendeckbandanordnung von 1 ist,
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5 eine weitere perspektivische Ansicht der Turbinendeckbandanordnung ist, die in 4 dargestellt ist,
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6 eine perspektivische Ansicht eines Lastverteilers ist,
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7 eine Draufsicht auf den Lastverteiler von 6 ist,
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8 eine Vorderansicht des Lastverteilers von 6 ist,
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9 eine vereinfachte Querschnittdarstellung eines Abschnitts eines Turbinenteils einer Gasturbine ist, der eine alternative Turbinendeckbandanordnung und eine alternative Montagevorrichtung enthält, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind,
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10 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Turbinendeckbandanordnung von 9 ist,
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11 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Lastverteilers ist,
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12A eine vereinfachte Darstellung ist, die die Strukturbelastung in der Deckbandanordnung von 3 zeigt,
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12B eine weitere vereinfachte Darstellung ist, die die Strukturbelastung in der Deckbandanordnung von 3 zeigt,
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13 eine vereinfachte Darstellung ist, in der die Kühlluftströme durch die Deckbandstruktur von 3 dargestellt sind, und
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14 eine vereinfachte Darstellung ist, die die Strukturbelastung in der Deckbandanordnung von 9 zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in allen verschiedenen Ansichten dieselben Elemente bezeichnen, zeigt 1 einen Abschnitt einer Gaserzeugerturbine (”GET”), die ein Bestandteil einer Gasturbine einer bekannten Ausführung ist. Die Funktion der GET besteht darin, auf bekannte Art und Weise unter Druck stehenden Hochtemperatur-Verbrennungsgasen von einer vorgeschalteten Brennkammer Energie zu entziehen und die Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln. Die GET treibt über eine Welle einen Verdichter (nicht dargestellt) an, der vor der Brennkammer angeordnet ist, um der Brennkammer unter Druck stehende Luft zuzuführen.
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In dem dargestellten Beispiel ist das Triebwerk ein Wellenleistungstriebwerk und hinter der GET würde sich eine Arbeitsturbine befinden, die mit einer Welle gekoppelt ist, die ein Getriebe, einen Propeller oder eine andere externe Last antreibt. Die hier beschriebenen Prinzipien sind jedoch gleichermaßen auf Turboluftstrahl- und Zweikreis-Turboluftstrahltriebwerke anwendbar, sowie auf Turbinen, die für andere Fahrzeuge oder in stationären Anwendungen verwendet werden.
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Die GET weist einen Leitkranz der ersten Stufe auf, der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten tragflügelförmigen hohlen Leitschaufeln 12 der ersten Stufe umfasst, die von einem gebogenen, unterteilten Innenband 14 und Außenband 16 umschrieben sind. Am hinteren Ende des äußeren Bands 16 verläuft ein ringförmiger Bund 18 radial nach außen. Die Leitschaufeln 12 der ersten Stufe sind so eingerichtet, dass sie die Verbrennungsgase optimal zu einem Laufrad der ersten Stufe dahinter leiten.
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Das Laufrad der ersten Stufe weist eine Scheibe 20 auf, die sich um eine Mittellinienachse ”A” der Turbine dreht und eine Anordnung tragflügelförmiger Turbinenschaufeln 22 der ersten Stufe trägt. Ein Deckband, das eine Vielzahl gebogener Deckbandabschnitte 24 umfasst, ist so angeordnet, dass es eng um die Turbinenschaufeln 22 der ersten Stufe herum liegt und dadurch die äußere radiale Strömungsweggrenze für den Heißgasstrom definiert, der durch das Laufrad der ersten Stufe strömt.
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Ein Leitkranz der zweiten Stufe ist hinter dem Laufrad der ersten Stufe angeordnet. Er umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten tragflügelförmigen hohlen Leitschaufeln 26 der zweiten Stufe, die von einem gebogenen, unterteilten Innenband 28 und Außenband 30 umschrieben sind. Am vorderen Ende des äußeren Bands 30 erstreckt sich ein ringförmiger Bund 32 radial nach außen.
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Das Laufrad der zweiten Stufe weist eine Scheibe 34 auf, die sich um eine Mittellinienachse der Turbine dreht und eine Anordnung tragflügelförmiger Turbinenschaufeln 36 der zweiten Stufe trägt. Ein Deckband, das eine Vielzahl gebogener Deckbandabschnitte 38 umfasst, ist so angeordnet, dass es eng um die Turbinenschaufeln 36 der zweiten Stufe herum liegt und dadurch die äußere radiale Strömungsweggrenze für den Heißgasstrom definiert, der durch das Laufrad der zweiten Stufe strömt. Die Laufräder der ersten und zweiten Stufe sind mechanisch miteinander gekoppelt und treiben einen vorgeschalteten Verdichter einer bekannten Ausführung (nicht dargestellt) an.
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Wie in 2 dargestellt ist, weist jeder Deckbandabschnitt 24 eine im Allgemeinen rechteckige oder ”kasten”förmige hohle Querschnittsform auf, die durch die Innenwand 40 und Außenwand 42, die einander gegenüberliegen, und die Vorderwand 44 und Rückwand 46 definiert ist. In dem dargestellten Beispiel sind zwischen den Wänden abgerundete Übergänge vorgesehen, jedoch können auch spitze oder scharfkantige Übergänge verwendet werden. Der Deckbandabschnitt 24 weist eine radial innere Strömungswegfläche 48 (in 3 dargestellt) und eine radial äußere Rückseite 50 auf. Die Rückseite 50 kann eine oder mehrere vorstehende Platten 52 enthalten, die zu Ausrichtungszwecken verwendet werden können. Durch die Außenwand 42 verläuft ein Montageloch 54. In den Wänden 40, 42, 44 und 46 ist ein Deckbandhohlraum 56 definiert. Mit Ausnahme des Montagelochs 54 bildet der Deckbandabschnitt 24 einen geschlossenen Strukturkasten, der erhebliche Kräfte übertragen kann, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist.
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Die Deckbandabschnitte 24 sind aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff (CMC) einer bekannten Ausführung hergestellt. Im Allgemeinen umfassen handelsübliche CMC-Werkstoffe eine keramische Faser, beispielsweise SiC, wovon Formen mit einem kompatiblen Material wie Bornitrid (BN) beschichtet sind. Die Fasern sind in einer keramischen Matrix, von der eine Form Siliziumcarbid (SiC) ist, eingebettet. CMC-Werkstoffe weisen üblicherweise eine Duktilität bei Zimmertemperatur von nicht mehr als ungefähr 1% auf, was hier verwendet wird, um ein Material mit geringer Duktilität zu definieren und zu bezeichnen. Im Allgemeinen weisen CMC-Werkstoffe eine Duktilität bei Zimmertemperatur im Bereich von ungefähr 0,4 bis ungefähr 0,7% auf. Im Vergleich dazu weisen Metalle eine Duktilität bei Zimmertemperatur von mindestens etwa 5% auf, beispielsweise im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 15%.
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Die Deckbandabschnitte 24 könnten auch aus anderen hochtemperaturbeständigen Werkstoffen mit geringer Duktilität hergestellt sein.
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Die Strömungswegfläche 48 des Deckbandabschnitts 24 kann eine Schicht aus einer Oberflächenschutzbeschichtung (environmental barrier coating, ”EBC”), einem Einlaufmaterial und/oder einem abriebbeständigen Material 58 einer bekannten Ausführung enthalten, die für die Verwendung mit CMC-Werkstoffen geeignet ist. Diese Schicht wird manchmal als ”Einlaufschicht” bezeichnet. Im dargestellten Beispiel ist die Schicht 58 ungefähr 0,51 mm (0,020 Zoll) bis ungefähr 0,76 mm (0,030 Zoll) dick.
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Die Deckbandabschnitte 24 weisen gegenüberliegende Endflächen 60 (häufig auch als ”Schlitz”flächen bezeichnet) auf. Jede der Endflächen 60 liegt in einer Ebene parallel zur Mittellinienachse A der Turbine, die als ”Radialebene” bezeichnet wird. Sie können auch so ausgerichtet sein, dass die Ebene einen spitzen Winkel zu einer derartigen Radialebene aufweist. Nach dem Zusammenbau und der Montage zu einem ringförmigen Ring sind zwischen den Endflächen 60 benachbarter Deckbandabschnitte 24 Endspalte vorhanden. An den Endflächen 60 ist folglich eine Anordnung von Dichtungen 62 vorgesehen. Ähnliche Dichtungen sind im Allgemeinen als ”Streifendichtungen” bekannt und sind als dünne Streifen aus Metall oder einem anderen geeigneten Material geformt, die in Schlitze in den Endflächen 60 eingesetzt werden. Die Streifendichtungen 62 überspannen den Spalt.
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Unter Bezug auf 3 bis 5 sind die Deckbandabschnitte 24 an einer feststehenden Turbinenstruktur montiert, die aus geeigneten Metalllegierungen, z. B. ”Superlegierungen” auf Nickel- oder Cobaltbasis, hergestellt sind. In diesem Beispiel ist die feststehende Struktur eine ringförmige Turbinenleitradbaugruppe 64, die (im Querschnitt betrachtet) ein axiales Bein 66, ein radiales Bein 68 und einen Arm 70 aufweist, der von der Verbindung zwischen dem axialen Bein 66 und dem radialen Bein 68 aus axial nach vorn und schräg nach außen verläuft.
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Ein ringförmiges hinteres Abstandsstück 72 stößt an die Vorderseite des radialen Beins 68 an. Das hintere Abstandsstück 72 kann durchgehend oder unterteilt sein. Wie am deutlichsten in 4 und 5 zu erkennen ist, weist es eine Anordnung aus im Allgemeinen axial ausgerichteten, voneinander beabstandeten Stegen 74 auf, die von einem im Allgemeinen zylindrischen Körper 76 aus radial nach außen verlaufen. Er weist einen Bund 78 auf, der an seinem hinteren Ende radial nach innen verläuft. Dieser Bund 78 definiert eine hintere Lagerfläche 80 (in 3 dargestellt). Durch jeden der Stege 74 verläuft ein axiales Verbindungselementloch und in den Zwischenräumen zwischen den Stegen 74 verlaufen durch den Körper radiale Verbindungselementlöcher.
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An das vordere Ende des hinteren Abstandsstücks 72 stößt ein vorderes Abstandsstück 82 an, das durchgehend oder unterteilt sein kann. Das vordere Abstandsstück 82 weist einen Haken auf, der mit dem radialen Bein 84 und dem axialen Bein 86 radial nach innen ragt. Der Haken definiert eine vordere Lagerfläche 88.
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Wie in 3 dargestellt ist, sind die Turbinenleitradanordnung 64, der Bund 18 des Leitkranzes der zweiten Stufe, das hintere Abstandsstück 72 und das vordere Abstandsstück 82 alle mechanisch miteinander verbunden, zum Beispiel unter Verwendung der dargestellten Kombination 90 aus Schraube und Mutter oder von anderen geeigneten Verbindungselementen.
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Die Deckbandabschnitte 24 sind über eine Anordnung aus den Lastverteilern 92 und den Schrauben 94 mechanisch an den hinteren Abstandsstücken 72 befestigt.
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Der Aufbau der Lastverteiler 92 ist ausführlicher in 6, 7 und 8 dargestellt. Jeder Lastverteiler 92 weist eine oder mehrere Platten 96 auf, die jeweils eine Innenfläche 98 und Außenfläche 100, die einander gegenüberliegen, aufweisen, mit einer im Allgemeinen zylindrischen Erhebung 102, die von der Außenfläche 100 aus radial nach außen verläuft. Durch die Erhebung 102 verläuft ein Verbindungselementloch 104 mit einteilig geformtem Gewinde. Die Platten 96 sind über Federarme 106, die dünne, plattenartige Elemente umfassen, miteinander verbunden. Die Federarme 106 biegen sich von den Platten 96 aus nach unten (z. B. in einer Richtung radial nach innen bezogen auf die Turbinenmittellinie A). Der gesamte Lastverteiler 92 kann als einteiliges Bauteil aufgebaut sein. Die gesamte radiale Höhe ”H1” vom Federarm 106 zur Außenfläche 100 der Platte 96 ist so gewählt, dass sie ungefähr der radialen Höhe ”H2” des Deckbandhohlraums 56 (in 2 dargestellt) entspricht. In dem dargestellten Beispiel ist ein Lastverteiler 92 für drei Deckbandabschnitte 24 vorgesehen und so weist der Lastverteiler 92 drei Platten 96 auf. Die Lastverteiler 92 können mit einer höheren oder geringeren Anzahl von Platten 96 hergestellt werden, um sich für eine bestimmte Anwendung zu eignen.
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Unter Bezug auf 3 und 4 wird jeder Deckbandabschnitt 24 am hinteren Abstandsstück 72 montiert, indem ein Lastverteiler 92 ins Innere des Deckbandabschnitts 24 geschoben wird. Die Federarme 106 werden in radialer Richtung leicht zusammengedrückt, um das Einschieben in den Deckbandhohlraum 56 zu ermöglichen. Wenn der Lastverteiler 92 platziert ist, entspannen die Federarme 106 und drücken die Platte 96 in eine radial nach außen gerichtete Richtung, um die Erhebung 102 im Montageloch 54 im Deckbandabschnitt 24 in Position zu halten. Die Kraft, die von den Federarmen 106 ausgeübt wird, weist einen geringen Wert in der Größenordnung von ein paar Pfund auf und ist lediglich dafür vorgesehen, die Montage zu vereinfachen. Anschließend werden die Schrauben 94 (oder andere geeignete Verbindungselemente) durch das hintere Abstandsstück 72 geschoben und in das Verbindungselementloch 104 des Lastverteilers 92 gedreht. Diese Anordnung sorgt für eine wesentlich größere Lagerfläche im Vergleich zur Verwendung einzelner Schrauben, die direkt durch die Deckbandabschnitte 12 verlaufen.
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Wenn die Schrauben 94 während der Montage angezogen werden, ziehen sie die Erhebungen 102 radial nach außen, bis die Erhebungen 102 das hintere Abstandsstück 72 berühren. Dies bewirkt das elastische Verbiegen der seitlich verlaufenden Abschnitte der Platten 96, die wiederum eine Klemmvorspannung radial nach außen auf den Deckbandabschnitt 24 ausüben. Das genaue Maß der Vorspannung in radialer Richtung hängt nicht nur von der tatsächlichen Federkonstante der Platten 96 ab, sondern auch von den relativen Abmessungen des Lastverteilers 92 und des Deckbandabschnitts 24, insbesondere von der radialen Höhe ”H3” (in 8 dargestellt) der Erhebung 102 über der Außenfläche 100 im Vergleich zur Dicke ”H4” (in 2 dargestellt) der Außenwand 42. Ist die Höhe H3 kleiner als die Dicke der Außenwand 42, liegt auf dem Deckbandabschnitt 12 eine radiale Klemmvorspannung, wie zuvor beschrieben ist. Alternativ ermöglicht der Lastverteiler 92, wenn die Höhe H3 größer ist als die Dicke H4, einen gewissen statischen radialen Abstand, mit wenig bis keiner Vorspannung in radialer Richtung. In dieser Hinsicht ähnelt seine Funktion einer herkömmlichen Turbinendeckbandhalterung. Es ist festzuhalten, dass die Abmessungen H3 und H4 Nennmaße sind und dass ihre Sollwerte zum Erreichen einer bestimmten radialen Klemmspannung oder eines bestimmten radialen Abstands je nach dem Vorhandensein verschiedener Nute, Schlitze, zylindrischer Senkbohrungen usw. in den montierten Bauteilen unterschiedlich sind.
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Auf Wunsch kann der Deckbandabschnitt 24, durch die Wahl der relativen Lage und des Größenabstands der Erhebungen 102 bezogen auf die Montagelöcher 54 in den Außenwänden 42 der Deckbandabschnitte 24, in der axialen und lateralen Richtung eingeschränkt sein.
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Material, Größe und Form der Bestandteile, die die vordere Lagerfläche 80 und hintere Lagerfläche 88 definieren, werden gewählt, um im Wesentlichen starre Begrenzungen für die axiale Bewegung der Deckbandabschnitte 24 über festgelegte Grenzen hinweg darzustellen und können für eine festgelegte axiale Druck- und Klemmbeanspruchung der Deckbandabschnitte 24 in einer Längsrichtung sorgen.
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Während des Betriebs sind die GET-Bauteile verschiedenen Kräften ausgesetzt. Die Deckbandabschnitte 24, die eine komplette ”Kasten”struktur sind, sind in der Hinsicht ”strukturell”, dass sie physisch dazu in der Lage und so eingebaut sind, dass sie einen Teil eines Strukturlastpfads für diese Kräfte bilden. 12A und 12B veranschaulichen vereinfacht diese Kräfte. Eine erhebliche Belastung stammt von Luftkräften, die axial nach hinten auf die Schaufeln 12 der ersten Stufe einwirken. Wie mit dem fetten Pfeil in 12A dargestellt ist, wird diese Axialkraft von dem Bund 18 der Schaufeln 12 der ersten Stufe durch das axiale Bein 86 des vorderen Abstandsstücks 82 durch den Deckbandabschnitt 24 und anschließend auf den Bund 78 des hinteren Abstandsstücks 72 übertragen. Mit anderen Worten wird der Deckbandabschnitt 24 axial auf Druck beansprucht.
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Eine weitere erhebliche Belastung ist eine radial nach innen gerichtete Kraft, die sich aus dem Druckunterschied an der Innenwand 40 ergibt, der dadurch entsteht, dass die Strömungswegluft einen niedrigeren statischen Druck aufweist als die sekundäre Luft außerhalb des Deckbandabschnitts 24. Dies ist mit dem fetten Pfeil in 12B dargestellt. Diese Kraft bewirkt eine Zugbelastung in der Außenwand 42 des Deckbandabschnitts 24. Da es sich um eine geschlossene Kastenstruktur handelt, kann der Deckbandabschnitt 24 diese Kraft aufnehmen. Im Ergebnis verringert sich die Biegebeanspruchung in den Ecken zwischen der Außenwand 42 und der Vorderwand 44 beziehungsweise Rückwand 46.
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Es sind geeignete Mittel bereitgestellt, um zu verhindern, dass Luft aus dem Verbrennungsströmungsweg in den Raum außerhalb der Deckbandabschnitte 24 strömt. Zwischen dem Bund 18 des äußeren Bands 16 der ersten Stufe und den Deckbandabschnitten 24 (in 3 dargestellt) kann beispielsweise eine ringförmige Federdichtung 108 oder ”W”-Dichtung einer bekannten Ausführung vorgesehen sein. Das hintere Ende der Deckbandabschnitte liegt an einer Dichtleiste 110 der Schaufeln 26 der zweiten Stufe an. Es könnten weitere Mittel vorgesehen sein, um Undichtigkeiten zu verhindern und für Abdichtung zu sorgen.
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Durch die Verwendung von CMC oder einem ähnlichen Material für die Deckbandabschnitte 24 wird im Vergleich zu Metalllegierungen ein besseres Temperaturverhalten erreicht. Deshalb sind keine Fluidsysteme nach dem Stand der Technik erforderlich, die dafür ausgelegt sind, die Konvektionseigenschaften dafür vorgesehener Kühlluft zu verbessern und die Konvektionskühlung kann bei vielen Anwendungen auf beinahe Minimum reduziert werden. Mit der hier beschriebenen Deckbandanordnung, die aus einem dicht abgeschlossenen Kastenhohlraum für eine minimale Strömung besteht, werden die niedrigstmöglichen konvektiven Systemeigenschaften erreicht.
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Die Innenflächen der Wände 40, 42, 44 und 46 sind vorzugsweise im Wesentlichen frei von Strukturen zur Verbesserung der Wärmeübertragung wie einer rauhen Oberfläche, Rippen, Schlitzen, Stegen oder Turbulenzerzeugern (d. h. ”Turbulatoren”). Kühlung, die für die Deckbandabschnitte 24 benötigt wird, wird erreicht, indem die Mindestmenge Druckluft bereitgestellt wird, die benötigt wird, um das Einströmen von Strömungsweggasen an den Streifendichtungen 62 vorbei zu verhindern. Wie die mit ”I” bezeichneten Pfeile in 13 zeigen, können die Deckbandabschnitte 24 mit Kühlluft versorgt werden, die durch die Endspalten zwischen den Abschnitten 12 strömt, durch die Montagelöcher 54 strömt oder gegebenenfalls durch ein oder mehrere separate Öffnungen 41. Wie die mit ”E” bezeichneten Pfeile zeigen, strömt die Kühlluft an den Streifendichtungen 62 vorbei und tritt aus. Da ein großer offener, dicht abgeschlossener Hohlraum vorliegt, werden Leckageströmungen und die daraus resultierenden Luftgeschwindigkeiten minimiert, wodurch der konvektive Wärmeübergangskoeffizient an den Innenflächen des Deckbandabschnitts 24 minimiert wird.
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9 und 10 veranschaulichen eine alternative Turbinendeckbandstruktur, die nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die Deckbandstruktur ist Teil einer Hochdruckturbine (”HDT”), die einen Leitkranz 212 und eine Gruppe von sich drehenden Turbinenschaufeln 222 aufweist, deren Aufbau im Allgemeinen der zuvor beschriebenen GET ähnelt, jedoch nur eine einzige Stufe aufweist. Die HDT ist typisch für die Anordnung, die in Zweikreis-Turboluftstrahltriebwerken verwendet wird.
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Die Turbinenschaufeln 222 sind von einem Ring aus Deckbandabschnitten 224 mit geringer Duktilität (z. B. aus CMC) umgeben. Die Deckbandabschnitte 224 ähneln im Aufbau den zuvor beschriebenen Deckbandabschnitten 24 und weisen eine Innenwand 240, Außenwand 242, Vorderwand 242 beziehungsweise Rückwand 246 sowie eine Strömungswegfläche 248 und eine Rückseite 250 auf. In den Wänden ist ein Deckbandhohlraum 256 definiert. Durch die Außenwände 242 hindurch sind Montagelöcher 254 geformt. Die Endflächen können Schlitze 261 für Streifendichtungen der zuvor beschriebenen Art aufweisen. Die Deckbandabschnitte 224 sind mit Schrauben 294 und Lastverteilern 292 (die Schrauben 294 sind in 10 nicht dargestellt) an einer feststehenden Struktur montiert, die bei diesem Beispiel Bestandteil eines Turbinengehäuses 236 ist.
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Der Aufbau der Lastverteiler 292 ist ausführlicher in 11 dargestellt. Jeder Lastverteiler 292 weist eine Platte 296 auf, die jeweils eine Innenfläche 298 und Außenfläche 300, die einander gegenüberliegen, aufweist. Die Platte weist einen mittigen Abschnitt 302 mit zwei seitlich verlaufenden Armen 304 auf. In der Mitte des mittigen Abschnitts 302 ist eine radial ausgerichtete Bohrung 306 mit einem nach innen verlaufenden Bund 308 vorgesehen. Das distale Ende jedes Arms 304 weist eine flache Platte 310 auf, die über die Außenfläche 300 ragt.
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Ein im Allgemeinen röhrenförmiger Einsatz 312 ist mit der Bohrung 306 verpresst oder auf andere Weise an ihr befestigt und weist ein Verbindungselementloch 314 mit Gewinde auf. Je nach Konstruktion und Abmessungen des Lastverteilers 92 kann es möglich sein, das Verbindungselementloch 314 mit Gewinde direkt ohne Verwendung des Einsatzes 312 in der Struktur zu formen. In dem dargestellten Beispiel ist ein Lastverteiler 292 für einen Deckbandabschnitt 224 vorgesehen. Die Lastverteiler 292 können mit einer höheren oder geringeren Anzahl von Platten 296 hergestellt werden, um sich für eine bestimmte Anwendung zu eignen.
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Ein im Allgemeinen röhrenförmiges Abstandsstück 316 mit einem ringförmigen Bund 318 ist in einer flachen zylindrischen Senkbohrung 320 im mittigen Abschnitt 320 aufgenommen. Funktional entspricht und bildet das Abstandsstück 316 eine(r) zuvor beschriebene(n) Erhebung. Das separate Abstandsstück 316 ermöglicht das Einsetzen der Lastverteiler 292 in die Deckbandhohlräume 256. Je nach der jeweiligen Anwendung kann die radiale Höhe des Deckbandhohlraums ausreichen, dass ein Lastverteiler ohne separates Abstandsstück möglich ist.
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Unter Bezug auf 9 und 10 wird jeder Deckbandabschnitt 224 am Turbinengehäuse 236 montiert, indem ein Lastverteiler 292 ins Innere des Deckbandabschnitts 224 geschoben wird, nachdem die Abstandsstücke (oder Erhebungen) 316 in die Montagelöcher 254 geschoben wurden. Der Lastverteiler 292 kann optional mit einem wie zuvor beschriebenen Federelement versehen sein, um die Abstandsstücke 316 während der Montage in den Montagelöchern 254 in Position zu halten.
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Wenn die Schrauben 294 während der Montage angezogen werden, ziehen sie die Lastverteiler 292 radial nach außen, bis die Abstandsstücke 316 das Turbinengehäuse 236 berühren. Dies bewirkt das elastische Verbiegen der Arme 304, die wiederum eine Klemmvorspannung radial nach außen auf den Deckbandabschnitt 224 ausüben. Durch das Vorhandensein der Platten 310 wird ein gleichmäßiger Kontaktbereich bereitgestellt und sichergestellt, dass die tatsächliche Federkonstante der Arme 304 vorhersagbar bleibt. Wie bei den zuvor beschriebenen Lastverteilern 92 hängt das genaue Maß der Vorspannung in radialer Richtung nicht nur von der tatsächlichen Federkonstante der Arme 304 ab, sondern auch von den relativen Abmessungen des Lastverteilers 292 und des Deckbandabschnitts 224, insbesondere von der radialen Höhe ”H5” des Abstandsstücks 316 über der Fläche der Platten 310 im Vergleich zur Dicke ”H6” der Außenwand 242 (in 9 dargestellt). Ist die Höhe H5 kleiner als die Dicke H6 der Außenwand 242, liegt auf dem Deckbandabschnitt 224 eine radiale Klemmvorspannung, wie zuvor beschrieben ist. Alternativ ermöglicht der Lastverteiler 292, wenn die Höhe H5 größer ist als die Dicke H6, einen gewissen statischen radialen Abstand, mit wenig bis keiner Vorspannung in radialer Richtung. In dieser Hinsicht ähnelt seine Funktion einer herkömmlichen Turbinendeckbandhalterung. Es ist festzuhalten, dass die Abmessungen H5 und H6 in einer Nennanordnung beschrieben sind und dass ihre Sollwerte zum Erreichen einer bestimmten radialen Klemmspannung oder eines bestimmten radialen Abstands je nach dem Vorhandensein verschiedener Nute, Schlitze, zylindrischer Senkbohrungen usw. in den montierten Bauteilen unterschiedlich sind.
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Bei diesem besonderen Beispiel weist das Gehäuse 236 einen Bund 342 auf, der radial nach innen ragt und an der Rückwand 246 des Deckbandabschnitts 224 anliegt. Der Bund 342 trägt eine ringförmige ”W”-Dichtung 344, die Undichtigkeiten zwischen der Rückwand 246 und dem Bund 342 reduziert. Vor dem Deckbandabschnitt 224 ist eine Lamellendichtung 346 oder eine andere Umfangsdichtung einer herkömmlichen Art montiert und liegt an der Vorderwand 244 an. Es sei angemerkt, dass 9 lediglich eine bestimmte Montageanordnung veranschaulicht und dass die hier beschriebenen Dichtprinzipien und -vorrichtungen bei jeder Art von Deckbandabschnittmontagestruktur verwendet werden können.
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Wie bei den Deckbandabschnitten 24 definieren die Deckbandabschnitte 224 einen kompletten ”Kasten” und sind in der Hinsicht ”strukturell”, dass sie physisch dazu in der Lage und so eingebaut sind, dass sie einen Teil eines Strukturlastpfads für diese Kräfte bilden. 14 veranschaulicht vereinfacht diese Kräfte. Zu den beträchtlichen Kräften gehören die Luftkräfte ”L1”, die axial nach hinten auf die Schaufeln 12 der ersten Stufe einwirken, und die axialen Druckkräfte ”L2”, die axial nach hinten auf die Deckbandabschnitte 224 einwirken. Wie mit den fetten Pfeilen dargestellt ist, werden diese Axialkräfte durch den Deckbandabschnitt 24 und anschließend auf den Bund 342 des Turbinengehäuses 236 übertragen. Der Deckbandabschnitt 224 nimmt auch eine radial nach innen gerichtete Kraft ”L3” auf, die sich aus dem Druckunterschied an der Innenwand 240 ergibt.
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Wie bei den Deckbandabschnitten 24 wird bevorzugt, dass die Innenflächen der Wände 240, 242, 244 und 246 im Wesentlichen frei von Strukturen zur Verbesserung der Wärmeübertragung wie einer rauhen Oberfläche, Rippen, Schlitzen, Stegen oder Turbulenzerzeugern (d. h. ”Turbulatoren”) sind. Kühlung, die für die Deckbandabschnitte 24 benötigt wird, wird erreicht, indem die Mindestmenge Druckluft bereitgestellt wird, die benötigt wird, um das Einströmen von Strömungsweggasen an den Streifendichtungen in den Schlitzen 261 vorbei zu verhindern. Die Deckbandabschnitte 224 können mit Kühlluft versorgt werden, die durch die Endspalte zwischen den Abschnitten 224 strömt, durch die Montagelöcher 254 strömt oder gegebenenfalls durch ein oder mehrere separate Öffnungen 241 (in 9 dargestellt). Die Kühlluft strömt an den Streifendichtungen vorbei und tritt aus. Wenn es für eine bestimmte Anwendung notwendig oder gewünscht ist, können durch die Wände des Deckbandabschnitts 224 hindurch Filmkühlungslöcher 243 vorgesehen sein.
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Die zuvor beschriebenen Montagevorrichtungen und -anordnungen sorgen für eine sichere Montage von Turbinendeckbandkomponenten aus CMC oder anderen Materialien mit geringer Duktilität. Sie übertragen Kräfte aus dem Turbinenleitkranz heraus und leiten sie ohne Verwendung zusätzlicher Bauteile in das Gehäuse. Diese Anordnung weist den weiteren Vorteil einer zusätzlichen Abdichtung zwischen Leitkranz und Deckband auf, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Turbine verbessert werden kann. Mit der hier beschriebenen Deckbandgestaltung, die einen dicht abgeschlossenen Kastenhohlraum für eine minimale Strömung aufweist, werden die niedrigstmöglichen konvektiven Systemeigenschaften erreicht. Kühlung, die für das Material mit geringer Duktilität benötigt wird, wird mit der Mindestmenge Druckluft erreicht, die benötigt wird, um das Einströmen von Strömungsweggasen zu verhindern. Da ein großer offener, dicht abgeschlossener Hohlraum vorliegt, werden Leckströmungen und die daraus resultierenden Luftgeschwindigkeiten minimiert, wodurch der konvektive Wärmeübergangskoeffizient an den Innenflächen des Deckbands minimiert wird.
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Vorangehend ist eine Vorrichtung für strukturelle Turbinendeckbänder mit geringer Duktilität für eine Gasturbine beschrieben worden. Es sind zwar konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, jedoch ist für einen Fachmann ersichtlich, dass ohne Abweichung vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung verschiedene Abwandlungen daran vorgenommen werden können. Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und die beste Ausführungsform zur Anwendung der Erfindung dienen folglich lediglich zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung.
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Eine Turbinendeckbandvorrichtung für eine Gasturbine mit einer Mittelachse weist Folgendes auf: einen gebogenen Deckbandabschnitt 24, der ein Material mit geringer Duktilität umfasst und eine Querschnittform aufweist, die von einer Vorder- und Rückwand, die einander gegenüberliegen, und einer Innen- und Außenwand, die einander gegenüberliegen, definiert ist, wobei die Wände zwischen einer ersten und zweiten Endfläche, die einander gegenüberliegen, verlaufen und gemeinsam einen Deckbandhohlraum definieren, und eine ringförmige feststehende Struktur 64, die den Deckbandabschnitt 24 umgibt, wobei der Deckbandabschnitt 24 mechanisch mit der feststehenden Struktur 64 gekoppelt ist. Die feststehende Struktur 64 weist mindestens eine axial gerichtete Lagerfläche 80, 88 auf, die in direktem Kontakt mit dem Deckbandabschnitt 24 steht und der Deckbandabschnitt 24 ist angeordnet, um mindestens eine axial ausgerichtete Kraft aufzunehmen und die axial ausgerichtete Kraft auf die Lagerfläche 80, 88 zu übertragen.
