DE102012100660A1

DE102012100660A1 - Turbinenschaufel zur Verwendung in Gasturbinen und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102012100660A1
Application number: DE102012100660A
Authority: DE
Inventors: Sanjeev Kumar JAIN; Rajnikumar Nandalal Suthar; Matthew Durham Collier
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2012-09-20
Also published as: CN102619570A; JP2012159077A; FR2971001A1; US20120195742A1

Abstract

Es ist eine Turbinenschaufel (34) zur Verwendung mit einer Turbine (10) vorgesehen. Die Turbinenschaufel (34) weist Folgendes auf: einen Schwalbenschwanz (72), der mit einer Läufer-(28)-anordnung gekoppelt ist, die in einem Turbinengehäuse (40) positioniert ist, eine Plattform (68), die sich von dem Schwalbenschwanz erstreckt, ein Schaufelblatt (64), das sich von der Plattform erstreckt, wobei das Schaufelblatt ein Wurzelende (88) und ein Spitzenende (90) aufweist, wobei das Spitzenende sich vom Wurzelende nach außen in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, und ein Spitzendeckband (66), das sich vom Spitzenende erstreckt, wobei das Spitzendeckband eine Deckbandplatte (110), eine erste Deckbandschiene (150), die sich von der Deckbandplatte eine erste radiale Distanz (162) in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, und eine zweite Deckbandschiene (152) aufweist, die sich von der Deckbandplatte eine zweite radiale Distanz (164) in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, die sich von der ersten radialen Distanz unterscheidet.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Das Gebiet der Offenbarung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere eine Turbinenschaufel zur Verwendung in Gasturbinen.
Wenigstens einige bekannte Gasturbinen beinhalten eine Brennkammer, einen abströmseitig der Brennkammer angekoppelten Verdichter, eine Turbine und eine Läuferanordnung, die drehbar zwischen den Verdichter und die Turbine gekoppelt ist. Einige bekannte Läuferanordnungen beinhalten eine Läuferwelle, wenigstens ein Laufrad, das mit der Läuferwelle gekoppelt ist, und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Turbinenschaufeln, die sich von jedem Laufrad nach außen erstrecken. Jede Turbinenschaufel weist ein Schaufelblatt auf, das sich von einer Plattform in Richtung auf ein Turbinengehäuse radial nach außen erstreckt.
Während des Betriebs von wenigstens einigen bekannten Turbinen verdichtet der Verdichter Luft, die anschließend mit Brennstoff vermischt wird, bevor sie in die Brennkammer geleitet wird. Das Gemisch wird dann entzündet, wodurch heiße Verbrennungsgase erzeugt werden, die dann zur Turbine geleitet werden. Die rotierenden Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenschaufeln leiten Hochtemperaturfluide wie Verbrennungsgase durch die Turbine. Die Turbine entzieht den Verbrennungsgasen Energie zum Antreiben des Verdichters und zum Erzeugen nützlicher Arbeit zum Antreiben einer Last, wie z. B. eines elektrischen Generators, oder zum Antreiben eines Flugzeugs beim Fliegen.
Wenigstens einige bekannte Turbinenschaufeln weisen ein Deckband auf, das sich von einem äußeren Spitzenende des Schaufelblatts erstreckt, um den Luftstrom zwischen dem Schaufelblatt und dem Turbinengehäuse zu verringern. Wenigstens ein Teil der durch die Turbine geleiteten Verbrennungsgase werden als Spitzenspaltverluste unerwünscht zwischen das Spitzendeckband und das Schaufelblatt geleitet. Derartige Spitzenspaltverluste können etwa 20–25% der Gesamtverluste in einer Turbinenstufe ausmachen. Bekannte Spitzendeckbänder weisen einen Hohlraum auf, der zwischen der Vorderkante der Turbinenschaufel und dem Turbinengehäuse definiert wird. Der Hohlraum fängt Verbrennungsgase ein und verursacht die Bildung eines Wirbels im Hohlraum. Der Wirbel lenkt die Verbrennungsgase in Richtung auf den Hauptströmungsweg um und stört Verbrennungsgase im Hauptströmungsweg. Diese Störung erzeugt sekundäre Strömungsverluste im Hauptgasweg, die den Betriebswirkungsgrad der Turbine verringern.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt ist eine Turbinenschaufel zur Verwendung mit einer Turbine vorgesehen. Die Turbinenschaufel weist einen Schwalbenschwanz auf, der mit einer Läuferanordnung gekoppelt ist, die in einem Turbinengehäuse positioniert ist. Von dem Schwalbenschwanz erstreckt sich eine Plattform. Von der Plattform erstreckt sich ein Schaufelblatt. Das Schaufelblatt weist ein Wurzelende und ein Spitzenende auf. Das Spitzenende erstreckt sich vom Wurzelende nach außen in Richtung auf das Turbinengehäuse. Vom Spitzenende erstreckt sich ein Spitzendeckband. Das Spitzendeckband beinhaltet eine Deckbandplatte. Eine erste Deckbandschiene erstreckt sich eine erste radiale Distanz von der Deckbandplatte in Richtung auf das Turbinengehäuse. Eine zweite Deckbandschiene erstreckt sich eine zweite radiale Distanz von der Deckbandplatte in Richtung auf das Turbinengehäuse, die sich von der ersten radialen Distanz unterscheidet.
In einem weiteren Aspekt ist ein Turbinensystem vorgesehen. Das Turbinensystem beinhaltet ein Gehäuse, einen Verdichter und eine Turbine, die in Strömungskommunikation mit dem Verdichter gekoppelt ist, um wenigstens einen Teil der vom Verdichter ausgelassenen Luft zu erhalten. Die Turbine ist innerhalb des Gehäuses positioniert. Eine Läuferwelle ist drehbar mit der Turbine gekoppelt. Die Läuferwelle definiert eine Mittellinienachse. Eine Vielzahl von sich in Umfangsrichtung erstreckend voneinander beabstandeten Turbinenschaufeln sind mit der Läuferwelle gekoppelt. Jede der Vielzahl von Turbinenschaufeln weist eine Plattform auf. Von der Plattform erstreckt sich ein Schaufelblatt. Das Schaufelblatt weist ein Wurzelende und ein Spitzenende auf. Das Spitzenende erstreckt sich vom Wurzelende nach außen in Richtung auf das Gehäuse. Ein Spitzendeckband erstreckt sich vom Spitzenende. Das Spitzendeckband beinhaltet eine Deckbandplatte. Eine erste Deckbandschiene erstreckt sich von der Deckbandplatte eine erste radiale Distanz in Richtung auf das Gehäuse. Eine zweite Deckbandschiene erstreckt sich eine zweite radiale Distanz von der Deckbandplatte in Richtung auf das Gehäuse, die sich von der ersten radialen Distanz unterscheidet.
In einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel zur Verwendung mit einer Turbine vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Herstellen eines im Wesentlichen massiven keramischen Turbinenschaufelkerns. Der Kern wird in ein Formwerkzeug eingesetzt. Die Turbinenschaufel wird mit einem sich von einer Plattform erstreckenden Schaufelblatt gegossen. Das Schaufelblatt beinhaltet dabei ein Spitzendeckband, das sich von einem Spitzenende des Schaufelblatts erstreckt. Das Spitzendeckband beinhaltet eine Deckbandplatte, eine erste Deckbandschiene, die sich eine erste radiale Distanz von der Deckbandplatte erstreckt, und eine zweite Deckbandschiene, die sich eine zweite radiale Distanz von der Deckbandplatte erstreckt, die sich von der ersten radialen Distanz unterscheidet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Turbine.
2 ist eine teilweise Schnittansicht eines Teils einer beispielhaften Läuferanordnung, die mit der in 1 gezeigten Gasturbine verwendet werden kann.
3 ist eine vergrößerte teilweise Schnittansicht eines Teils der in 2 gezeigten Läuferanordnung und entlang Bereich 3 entnommen.
4 ist eine teilweise perspektivische Ansicht der in 3 gezeigten Läuferanordnung.
5 ist eine teilweise Schnittansicht einer alternativen Läuferanordnung, die mit der in 1 gezeigten Gasturbine verwendet werden kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die hierin beschriebenen beispielhaften Verfahren und Systeme überwinden zumindest einige Nachteile bekannter Turbinenschaufeln, indem sie ein Spitzendeckband bereitstellen, das die Verringerung der Wirbelbildung nahe der Vorderkante der Turbinenschaufel ermöglicht. Spezieller sehen die hierin beschriebenen Ausführungsformen ein Spitzendeckband vor, das eine Vielzahl von Deckbandschienen aufweist, die radiale Höhen haben, die die Größe eines zwischen dem Spitzendeckband und einem Turbinengehäuse definierten Hohlraums verringern, so dass die Wirbelbildung in dem Hohlraum reduziert ist.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „zuströmseitig” auf ein vorderes oder Einlassende einer Gasturbine und der Begriff „abströmseitig” betrifft ein hinteres oder Düsenende der Gasturbine.
1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Turbinensystems 10. Im Ausführungsbeispiel beinhaltet das Turbinensystem 10 einen Einlassabschnitt 12, einen Verdichterabschnitt 14, der abströmseitig des Einlassabschnitts 12 angekoppelt ist, einen Brennkammerabschnitt 16, der abströmseitig des Verdichterabschnitts 14 angekoppelt ist, einen Turbinenabschnitt 18, der abströmseitig vom Brennkammerabschnitt 16 angekoppelt ist, und einen Abgasauslassabschnitt 20, der mit dem Turbinenabschnitt 18 gekoppelt ist. Turbinenabschnitt 18 ist über. eine Läuferwelle 22 mit dem Verdichterabschnitt 14 gekoppelt. Im Ausführungsbeispiel beinhaltet der Brennkammerabschnitt 16 eine Vielzahl von Brennkammern 24. Der Brennkammerabschnitt 16 ist mit dem Verdichterabschnitt 14 gekoppelt, so dass jede Brennkammer 24 in Strömungskommunikation mit dem Verdichterabschnitt 14 ist. Der Turbinenabschnitt 18 ist mit dem Verdichterabschnitt 14 und mit einer Last 26 wie z. B. einem elektrischen Generator und/oder einer mechanischen Antriebsanwendung, aber nicht darauf begrenzt, gekoppelt. Im Ausführungsbeispiel beinhaltet jeder Verdichterabschnitt 14 und Turbinenabschnitt 18 wenigstens eine Läuferanordnung 28, die mit der Läuferwelle 22 gekoppelt ist.
Während des Betriebs leitet der Einlassabschnitt 12 Luft in Richtung auf den Verdichterabschnitt 14, wobei die Luft auf einen höheren Druck und eine höhere Temperatur verdichtet wird, bevor sie in Richtung auf den Brennkammerabschnitt 16 ausgelassen wird. Der Brennkammerabschnitt 16 vermischt die verdichtete Luft mit Brennstoff, entzündet das Brennstoff-Luft-Gemisch zum Erzeugen von Verbrennungsgasen und leitet die Verbrennungsgase in Richtung auf den Turbinenabschnitt 18. Spezieller wird in den Brennkammern 24 Brennstoff, z. B. Erdgas und/oder Dieselöl in den Luftstrom eingeblasen und das Brennstoff-Luft-Gemisch wird entzündet, um Verbrennungsgase mit höherer Temperatur zu erzeugen, die in Richtung auf den Turbinenabschnitt 18 geleitet werden. Während die Verbrennungsgase dem Turbinenabschnitt 18 und Läuferanordnung 28 Rotationsenergie mitteilen, wandelt der Turbinenabschnitt 18 wandelt thermische Energie aus dem Gasstrom in mechanische Rotationsenergie um.
2 ist eine teilweise Schnittansicht eines Teils einer Läuferanordnung 28, die mit dem Turbinensystem 10 verwendet werden kann. 3 ist eine vergrößerte teilweise Schnittansicht der Läuferanordnung 28 entlang Bereich 3. 4 ist eine teilweise perspektivische Ansicht der Läuferanordnung 28. Im Ausführungsbeispiel beinhaltet der Turbinenabschnitt 18 eine Vielzahl von Stufen 30, die jeweils eine feststehende Reihe von Leitschaufeln 32 und eine Reihe von rotierenden Turbinenschaufeln 34 beinhalten. Die Turbinenschaufeln 34 erstrecken sich jeweils von einem Laufrad 36 radial nach außen. Jedes Laufrad 36 ist mit der Läuferwelle 22 gekoppelt und rotiert um eine Mittellinienachse 38, die von der Läuferwelle 22 definiert wird. Ein Turbinengehäuse 40 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Läuferanordnung 28 und die Leitschaufeln 32. Die Leitschaufeln 32 sind jeweils mit dem Gehäuse 40 gekoppelt und erstrecken sich von dem Gehäuse 40 radial einwärts in Richtung auf die Läuferwelle 22.
In der beispielhaften Ausführungsform ist jedes Laufrad 36 ringförmig und weist eine zentrale Bohrung 42 auf, die im Wesentlichen axial durch es hindurch verläuft. Spezieller erstreckt sich ein Radkörper 44 von der zentralen Bohrung 42 radial nach außen und ist im Wesentlichen lotrecht zur Mittellinienachse 38 ausgerichtet. Die zentrale Bohrung 42 ist zur Aufnahme der Läuferwelle 22 durch sie hindurch bemessen. Der Radkörper 44 verläuft radial zwischen einem radialen Innenrand 46 und einem radialen Außenrand 48 und axial von einer zuströmseitigen Oberfläche 50 zu einer entgegengesetzten abströmseitigen Oberfläche 52. Die zuströmseitige Oberfläche 50 und die abströmseitige Oberfläche 52 verlaufen jeweils zwischen dem Innenrand 46 und dem Außenrand 48. Zwischen benachbarten Laufrädern 36 ist ein Trägerarm 54 angekoppelt, um die Läuferanordnung 28 zu bilden.
Jede Turbinenschaufel 34 ist mit dem Radaußenrand 48 gekoppelt und in Umfangsrichtung beabstandet um das Laufrad 36 angeordnet. Benachbarte Laufräder 36 sind so ausgerichtet, dass zwischen den Reihen 58 der in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenschaufeln 34 jeweils ein Spalt 56 definiert wird. Der Spalt 56 ist zur Aufnahme einer Reihe 60 von Leitschaufeln 32 bemessen, die in Umfangsrichtung beabstandet um die Läuferwelle 22 angeordnet sind. Die Leitschaufeln 32 sind so ausgerichtet, dass sie Verbrennungsgase abströmseitig in Richtung auf die Turbinenschaufeln 34 leiten. Zwischen dem Turbinengehäuse 40 und jedem Laufrad 36 ist ein Verbrennungsgasweg 62 definiert. Jede Reihe 58 und 60 von Turbinenschaufeln und Leitschaufeln 32 verlauft wenigstens teilweise durch einen Teil des Verbrennungsgaswegs 62.
In der beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich die Turbinenschaufeln 34 jeweils vom Radkörper 44 radial nach außen und beinhalten jeweils ein Schaufelblatt 64, ein Spitzendeckband 66, eine Plattform 68, einen Schaft 70 und einen Schwalbenschwanz 72. Das Schaufelblatt 64 erstreckt sich im Allgemeinen radial zwischen der Plattform 68 und dem Spitzendeckband 66. Die Plattform 68 erstreckt sich zwischen dem Schaufelblatt 64 und dem Schaft 70, so dass jedes Schaufelblatt 64 sich von der Plattform 68 radial nach außen in Richtung auf das Turbinengehäuse 40 erstreckt. Der Schaft 70 erstreckt sich von der Plattform 68 radial einwärts zum Schwalbenschwanz 72. Der Schwalbenschwanz 72 erstreckt sich von dem Schaft 70 radial einwärts und ermöglicht die feste Kopplung der Turbinenschaufeln 34 mit einem Laufrad 36. Der Schaft 70 beinhaltet eine vordere Abdeckplatte 74 und eine entgegengesetzte hintere Abdeckplatte 76.
Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich ein vorderer Flügel 78 von der vorderen Abdeckplatte 74 nach außen, um das Abdichten eines vorderen Pufferhohlraums 80 zu ermöglichen, der zwischen der zuströmseitigen Laufradoberfläche 50 und der Leitschaufel 32 definiert wird. Ein hinterer Flügel 82 erstreckt sich von der hinteren Abdeckplatte 76 nach außen, um das Abdichten eines hinteren Pufferhohlraums 84 zu ermöglichen, der zwischen der abströmseitigen Laufradoberfläche und der Leitschaufel 32 definiert wird. Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich ein unterer Flügel 86 von der vorderen Abdeckplatte 74 nach außen, um die Abdichtung zwischen der Turbinenschaufel 34 und dem Laufrad 36 zu ermöglichen. Spezieller ist zwischen dem Schwalbenschwanz 72 und dem vorderen Flügel 78 ein vorderer unterer Flügel 86 positioniert.
Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Schaufelblatt 64 radial zwischen einem Wurzelende 88 und einem Spitzenende 90 und beinhaltet eine radiale Länge 92, die zwischen dem Wurzelende 88 und dem Spitzenende 90 definiert wird. Das Wurzelende 88 grenzt an die Plattform 68 an. Das Schaufelblatt 64 erstreckt sich von der Plattform 68 radial nach außen in Richtung auf das Turbinengehäuse 40, so dass das Spitzenende 90 an das Turbinengehäuse angrenzend positioniert ist. Im Ausführungsbeispiel hat das Schaufelblatt 64 eine Druckseite 94 und eine Saugseite 96. Die Seiten 94 und 96 erstrecken sich jeweils allgemein axial zwischen einer Vorderkante 98 und einer Hinterkante 100. Die Druckseite 94 ist allgemein konkav und die Saugseite 96 ist allgemein konvex. Im Ausführungsbeispiel hat das Schaufelblatt 64 eine axiale Breite 102, die zwischen der Vorderkante 98 und der Hinterkante 100 definiert wird. In einer Ausführungsform hat das Spitzenende 90 eine erste axiale Breite 104 und das Wurzelende 88 hat eine zweite axiale Breite 106, die länger als die erste axiale Breite 104 ist.
Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Spitzendeckband 66 vom Spitzenende 90 des Schaufelblatts 64 und zwischen dem Spitzenende 90 und dem Turbinengehäuse 40. Das Spitzendeckband 66 beinhaltet eine Vielzahl von Deckbandschienen 108, die sich von einer Deckbandplatte 110 erstrecken. In einer Ausführungsform sind die Deckbandschienen 108 mit der Deckbandplatte 110 gekoppelt. In einer alternativen Ausführungsform sind die Deckbandschienen 108 an die Deckbandplatte 110 angeformt. Im Ausführungsbeispiel ist die Deckbandplatte 110 im Wesentlichen rechteckig und verläuft zwischen einer vorderen Oberfläche 112 und einer entgegengesetzten hinteren Oberfläche 114 und zwischen einem ersten Außenrand 116 und einem entgegengesetzten, in Umfangsrichtung beabstandeten zweiten Außenrand 118. In dem ersten Außenrand 116 und dem zweiten Außenrand 118 ist jeweils eine Z-Nut 120 definiert, um das Verbinden der Deckbandplatte 110 mit einer angrenzenden Deckbandplatte 110 zu ermöglichen. Im Ausführungsbeispiel hat die Deckbandplatte 110 eine zwischen den Rändern 116 und 118 definierte Umfangsbreite 122. Die Deckbandplatte 110 hat auch eine zwischen den Oberflächen 112 und 114 definierte axiale Länge 124. Im Ausführungsbeispiel ist die axiale Länge 124 etwa gleich der axialen Breite 104 des Spitzenendes 90. Alternativ kann die Deckbandplatte 110 eine axiale Länge 124 haben, die länger oder kürzer als die axiale Breite 104 ist.
Im Ausführungsbeispiel weist jede Deckbandschiene 108 eine Seitenwand 126 auf, die eine zuströmseitige Oberfläche 128 und eine abströmseitige Oberfläche 130 aufweist. Die Deckbandschiene 108 hat eine zwischen Plattenrändern 116 und 118 definierte Umfangsbreite 132. Jede Seitenwand 126 erstreckt sich allgemein radial zwischen einer radial äußeren Oberfläche 134 und einer radial inneren Oberfläche 136 und hat eine zwischen den Oberflächen 136 und 134 definierte radiale Höhe 138. Jede Oberfläche 128 und 130 erstreckt sich zwischen den Oberflächen 136 und 134. Die radial innere Oberfläche 136 erstreckt sich von einer Außenfläche 140 der Deckbandplatte 110. Die Seitenwand 126 erstreckt sich eine radiale Distanz 142 in Richtung auf das Turbinengehäuse 40 von der Außenfläche 140 zur radial äußeren Oberfläche 134.
Im Ausführungsbeispiel weist das Turbinengehäuse 40 eine Innenfläche 144 auf, die die Läuferanordnung 28 umschreibt. Die Innenfläche 144 weist eine Schicht 146 aus abtragbarem Material auf. Die Deckbandschiene 108 ist neben einer Innenfläche 144 positioniert, so dass die radial äußere Oberfläche 134 wenigstens einen Teil der abtragbaren Schicht 146 berührt, so dass ein Teil der abtragbaren Schicht 146 während der Drehung der Läuferanordnung 28 bei der thermischen Ausdehnung der Turbinenschaufel 34 entfernt wird. In einer Ausführungsform weist die Deckbandschiene 108 wenigstens einen Schneidzahn 148 auf, der sich von den Oberflächen 128 und 130 nach außen erstreckt. Jeder Schneidzahn 148 ermöglicht das Entfernen der abtragbaren Schicht 146 während der Drehung der Läuferanordnung 28.
Im Ausführungsbeispiel weist das Spitzendeckband 66 eine erste Deckbandschiene 150 und eine zweite Deckbandschiene 152 auf. Die erste Deckbandschiene 150 ist näher an der vorderen Oberfläche 112 positioniert als die zweite Deckbandschiene 152. Die erste Deckbandschiene 150 ist an die vordere Oberfläche 112 angrenzend positioniert, so dass zwischen der Gehäuseinnenfläche 144 und jeder zuströmseitigen Oberfläche 128 ein erster Hohlraum 154, d. h. ein vorderer Hohlraum, definiert wird. Die zweite Deckbandschiene 152 ist entlang der Mittellinienachse 38 axial von der ersten Deckbandschiene 150 beabstandet, so dass zwischen der Innenfläche 144, der Plattenaußenfläche 140, der abströmseitigen Schienenoberfläche 130 und der zuströmseitigen Schienenoberfläche 128 ein zweiter Hohlraum 156, d. h. ein innerer Hohlraum, definiert wird. Die zweite Deckbandschiene 152 ist in Bezug auf die hintere Oberfläche 114 so positioniert, dass zwischen der nachströmseitigen Oberfläche 130 der zweiten Deckbandschiene 152, der Plattenaußenfläche 140 und der Innenfläche 144 ein dritter Hohlraum 158, d. h. ein hinterer Hohlraum, definiert wird. Im Ausführungsbeispiel grenzen die Schienen 150 und 152 jeweils an die Gehäuseinnenfläche 144 an, so dass zwischen dem Spitzendeckband 66 und der Innenfläche 144 ein Spitzenfluidströmungsweg 160 definiert wird. Der Spitzenfluidströmungsweg 160 leitet wenigstens einen Teil der durch die Läuferanordnung 28 geleiteten Verbrennungsgase zwischen Spitzendeckband 66 und Turbinengehäuse 40.
Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich eine erste Deckbandschiene 150 eine erste radiale Distanz 162 zwischen der Plattenaußenfläche 140 und der Schienenaußenfläche 134. Die zweite Deckbandschiene 152 erstreckt sich eine zweite radiale Distanz 164 zwischen der Außenfläche 140 und der Schienenaußenfläche 134. Im Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die erste radiale Distanz 162 von der zweiten radialen Distanz 164. Zum Beispiel ist in einer Ausführungsform die erste radiale Distanz 162 kürzer als die zweite radiale Distanz 164 der zweiten Deckbandschiene 152. In einer weiteren alternativen Ausführungsform beträgt die erste radiale Distanz 162 zwischen etwa 40% und etwa 60% der zweiten radialen Distanz 164.
Im Ausführungsbeispiel beinhaltet das Turbinengehäuse 40 eine erste abtragbare Oberfläche 166, die an die erste Deckbandschiene 150 angrenzt, und eine zweite abtragbare Oberfläche 168, die an die zweite Deckbandschiene 152 angrenzt. Die erste abtragbare Oberfläche 166 und die zweite abtragbare Oberfläche 168 sind jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittellinienachse 38. Im Ausführungsbeispiel sind die radial äußeren Oberflächen 134 der Schienen 150 und 152 jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittellinienachse 38. Alternativ können die äußeren Oberflächen 134 in Bezug auf die Mittellinienachse 28 schräg ausgerichtet sein.
Im Ausführungsbeispiel wird zwischen den radial äußeren Oberflächen 134 der Schienen 150 und 152 eine tangentiale Schienenfläche 170 definiert. Eine Deckbandoberflächenebene 172 wird entlang der Plattenaußenfläche 140 von der vorderen Oberfläche 112 zur hinteren Oberfläche 114 definiert. Parallel zur Mittellinienachse 38 der Welle wird eine Mittellinienebene 174 definiert. Im Ausführungsbeispiel ist die erste Deckbandschiene 150 mit Bezug auf die zweite Deckbandplatte 110 bemessen und ausgerichtet, so dass die tangentiale Schienenfläche 170 in Bezug auf die Deckbandfläche 172 in einem zwischen der tangentialen Schienenfläche 170 und der Deckbandfläche 172 definierten ersten Winkel α₁ schief verläuft. Die Deckbandplatte 110 ist mit Bezug auf die Mittellinienebene 174 schräg ausgerichtet, so dass zwischen der Deckbandoberflächenebene 172 und der Mittellinienebene 174 ein zweiter schiefer Winkel α₂ definiert wird. In einer Ausführungsform ist der erste schiefe Winkel α₁ größer als der zweite schiefe Winkel α₂. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der erste schiefe Winkel α₁ kleiner als der zweite schiefe Winkel α₂.
Während des Betriebs verdichtet der Verdichterabschnitt 14 (in 1 gezeigt) die Luft und lässt die verdichtete Luft in den Brennkammerabschnitt 16 (in 1 gezeigt) und in Richtung auf den Turbinenabschnitt 18 ab. Der Großteil der vom Verdichterabschnitt 14 abgelassenenen Luft wird zum Brennkammerabschnitt 16 hin geleitet. Spezieller wird die verdichtete Luft zu den Brennkammern 24 (in 1 gezeigt) geleitet, wo die Luft mit Brennstoff vermischt und entzündet wird, um Verbrennungsgase 176 hoher Temperatur zu erzeugen. Die Verbrennungsgase 176 werden in Richtung auf den Verbrennungsgasweg 62 geleitet, wobei die Gase 176 auf die Turbinenschaufeln 34 und Leitschaufeln 32 aufprallen, um der Läuferanordnung 28 eine Rotationskraft mitzuteilen. Wenigstens ein Teil der auf die Turbinenschaufeln 34 aufprallenden Verbrennungsgase 176 wird in den Spitzenfluidströmungsweg 160 gelenkt und wird zwischen dem Spitzendeckband 66 und dem Turbinengehäuse 40 geleitet. Da die Verbrennungsgase 176 durch den Spitzenfluidströmungsweg 160 strömen, ist die erste Deckbandschiene 150 so bemessen und ausgerichtet, dass sie eine Größe des vorderen Hohlraums 154 definiert, um das Verringern der Wirbelbildung am Spitzenfluidströmungsweg 160 entlang und das Verringern von Fluidstörung zwischen dem Verbrennungsgasweg 62 und dem Spitzenfluidströmungsweg 160 zu ermöglichen.
5 ist eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der in 3 gezeigten Läuferanordnung 28. In 5 gezeigte identische Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen 3 wie den in 3 verwendeten bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform weist die erste Deckbandschiene 150 eine erste Schienendistanz 162 auf, die länger als eine zweite Schienendistanz 164 der zweiten Deckbandschiene 152 ist. In einer Ausführungsform ist die erste Deckbandschiene 150 in Bezug auf die zweite Deckbandschiene 152 bemessen, so dass die tangentiale Schienenfläche 170 im Wesentlichen parallel zur Mittellinienachse 38 ist. In einer solchen Ausführungsform sind die erste abtragbare Oberfläche 166 und die zweite abtragbare Oberfläche 168 jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittellinienachse und sind jeweils in einer ungefähr gleichen radialen Distanz 178 von der Mittellinienebene 174 positioniert. In dieser Ausführungsform definiert die zweite Deckbandschiene 152 einen hinteren Hohlraum 158, der bemessen, gestaltet und ausgerichtet ist, um das Verringern der Wirbelbildung am Spitzenfluidströmungsweg 160 entlang und das Verringern von Fluidstörung zwischen dem Verbrennungsgasweg 62 und dem Spitzenfluidströmungsweg 160 zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform werden die Turbinenschaufeln 34 durch Gießen eines Kerns (nicht gezeigt) hergestellt. Der Kern wird hergestellt, indem eine flüssige Keramik- und Graphitaufschlämmung in ein Kernformwerkzeug (nicht gezeigt) eingespritzt und die Aufschlämmung zum Bilden eines massiven keramischen Schaufelkerns erhitzt wird. Der Schaufelkern wird in ein Schaufelformwerkzeug (nicht gezeigt) gehängt und heißes Wachs wird in das Schaufelformwerkzeug eingespritzt, so dass es den Keramikschaufelkern umgibt. Das heiße Wachs härtet und bildet eine Wachsschaufel mit dem in der Schaufel hängenden Keramikkern.
Die Wachsschaufel mit dem Keramikkern wird wiederholt in Keramikschlämme getaucht, um an der Außenseite der Wachsschaufel eine Keramikschale zu bilden. Die Gruppe aus Kern, Wachs und Schale wird dann auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, um das Wachs zu entfernen und eine Gießform mit Keramikkern in der Mitte zu bilden. Das geschmolzene Metall wird dann in die hohle Gießform gegossen. Das geschmolzene Metall nimmt die Stelle der Wachsschaufel ein und bildet eine Metallturbinenschaufel mit in seiner Position verbleibendem Keramikkern. Die Turbinenschaufel wird dann abgekühlt und der Keramikkern entfernt.
Die oben beschriebene Turbinenschaufel überwindet zumindest einige Nachteile bekannter Turbinenschaufeln, indem die Wirbelbildung in einem Verbrennungsgasweg zwischen der Turbinenschaufel und einem Turbinengehäuse verringert wird. Spezieller wird durch Bereitstellen eines Spitzendeckbands, das eine Vielzahl von Deckbandschienen mit verschiedenen radialen Höhen aufweist, die Größe eines zwischen der Turbinenschaufel und dem Turbinengehäuse definierten Hohlraums verringert. Durch Verringern der Größe des Hohlraums wird die Bildung von Wirbeln, die Verbrennungsgase in Richtung auf einen zwischen Schaufelblättern definierten Hauptströmungsweg umlenken, reduziert. Darüber hinaus werden in dem Hauptgasweg erzeugte sekundäre Strömungsverluste reduziert, so dass die Gasenergieverluste verringert und die Nutzlebensdauer der Turbine verlängert werden.
Oben werden beispielhafte Ausführungsformen einer Turbinenschaufel zur Verwendung in einer Gasturbine und ein Verfahren zur Montage derselben ausführlich beschrieben. Die Verfahren und die Vorrichtung sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen begrenzt, es können vielmehr Systembauteile und/oder Schritte des Verfahrens unabhängig und separat von anderen hierin beschriebenen Bauteilen und/oder Schritten genutzt werden. Beispielsweise können die Verfahren und Vorrichtungen auch in Kombination mit anderen Verbrennungssystemen und -verfahren verwendet werden und sind nicht auf die Ausführung ausschließlich mit der Gasturbinenanordnung begrenzt, wie sie hierin beschrieben wird. Vielmehr kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Verbrennungssystemanwendungen realisiert und eingesetzt werden.
Es kann zwar sein, dass spezifische Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in einigen Zeichnungen gezeigt werden und in anderen nicht, dies ist aber nur aus praktischen Gründen der Fall. Des Weiteren darf die Bezugnahme auf „eine Ausführungsform” in der obigen Beschreibung nicht als das Vorhandensein zusätzlicher Ausführungsformen, die die genannten Merkmale ebenfalls beinhalten, ausschließend ausgelegt werden. Gemäß den Grundsätzen der Erfindung kann jedes beliebige Merkmal einer Zeichnung in Kombination mit jedem beliebigen Merkmal einer anderen Zeichnung in Bezug gesetzt und/oder beansprucht werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführung, zu offenbaren und um dem Fachmann die Ausführung der Erfindung, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen bzw. Systemen und der Durchführung eingebundener Verfahren zu ermöglichen. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die fachkundigen Personen einfallen. Es ist vorgesehen, dass derartige andere Beispiele im Umfang der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente beinhalten, die sich nicht von der wörtlichen Bedeutung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von den wörtlichen Bedeutungen der Ansprüche beinhalten.
Es ist eine Turbinenschaufel 34 zur Verwendung mit einer Turbine 10 vorgesehen. Die Turbinenschaufel 34 weist Folgendes auf: einen Schwalbenschwanz 72, der mit einer Läufer-28-anordnung gekoppelt ist, die in einem Turbinengehäuse 40 positioniert ist, eine Plattform 68, die sich von dem Schwalbenschwanz erstreckt, ein Schaufelblatt 64, das sich von der Plattform erstreckt, wobei das Schaufelblatt ein Wurzelende 88 und ein Spitzenende 90 aufweist, wobei das Spitzenende sich vom Wurzelende nach außen in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, und ein Spitzendeckband 66, das sich vom Spitzenende erstreckt, wobei das Spitzendeckband eine Deckbandplatte 110, eine erste Deckbandschiene 150, die sich eine erste radiale Distanz 162 von der Deckbandplatte in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, und eine zweite Deckbandschiene 152 aufweist, die sich eine zweite radiale Distanz 164 von der Deckbandplatte in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, die sich von der ersten radialen Distanz unterscheidet.
Bezugszeichenliste

10: Turbinensystem
12: Einlass
14: Verdichterabschnitt
16: Brennkammerabschnitt
18: Turbinenabschnitt
20: Abgasauslassabschnitt
22: Läuferwelle
24: Vielzahl von Brennkammern
26: Last
28: Läuferanordnung
30: Vielzahl von Stufen
32: Leitschaufeln
34: Turbinenschaufel
36: Laufradscheibe
38: Mittellinienachse
40: Turbinengehäuse
42: Zentrale Bohrung
44: Radkörper
46: Radialer Innenrand
48: Radialer Außenrand
50: Zuströmseitige Oberfläche
52: Entgegengesetzte abströmseitige Oberfläche
54: Trägerarm
56: Spalt
58: Reihe
60: Reihe
62: Verbrennungsgasweg
64: Schaufelblatt
66: Spitzendeckband
68: Plattform
70: Schaft
72: Schwalbenschwanz
74: Vordere Abdeckplatte
76: Hintere Abdeckplatte
78: Vorderer Flügel
80: Vorderer Pufferhohlraum
82: Hinterer Flügel
84: Hinterer Pufferhohlraum
86: Vorderer unterer Flügel
88: Wurzelende
90: Spitzenende
92: Radiale Länge
94: Druckseite
96: Saugseite
98: Vorderkante
100: Hinterkante
102: Axiale Breite
104: Erste axiale Breite
106: Zweite axiale Breite
108: Deckbandschiene
110: Deckbandplatte
112: Vordere Oberfläche
114: Hintere Oberfläche
116: Erster Außenrand
118: Zweiter Außenrand
120: Z-Nut
122: Umfangsbreite
124: Axiale Länge
126: Seitenwand
128: Zuströmseitige Oberfläche
130: Abströmseitige Oberfläche
132: Umfangsbreite
134: Radial äußere Oberflächen
136: Radial innere Oberfläche
138: Radiale Höhe
140: Plattenaußenfläche
142: Radiale Distanz
144: Gehäuseinnenfläche
144: Innenfläche
146: Abtragbare Schicht
148: Schneidzahn
150: Erste Deckbandschiene
152: Zweite Deckbandschiene
154: Erster Hohlraum
154: Vorderer Hohlraum
156: Zweiter Hohlraum
158: Dritter Hohlraum
160: Spitzenfluidströmungsweg
162: Erste radiale Distanz
164: Zweite radiale Distanz
166: Erste abtragbare Oberfläche
168: Zweite abtragbare Oberfläche
170: Tangentiale Schienenfläche
172: Deckbandoberflächenebene
174: Mittellinienebene
176: Verbrennungsgase
178: Radiale Distanz

Claims

Turbinenschaufel (34) zur Verwendung mit einer Turbine (10), wobei die genannte Turbinenschaufel Folgendes umfasst: einen Schwalbenschwanz (72), der mit einer in einem Turbinengehäuse (40) positionierten Läufer-(28)-anordnung gekoppelt ist, eine Plattform (68), die sich von dem genannten Schwalbenschwanz erstreckt, ein Schaufelblatt (64), das sich von der genannten Plattform erstreckt, wobei das genannte Schaufelblatt ein Wurzelende (88) und ein Spitzenende (90) aufweist, wobei das genannte Spitzenende sich von dem genannten Wurzelende nach außen in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, und ein Spitzendeckband (66), das sich von dem genannten Spitzenende erstreckt, wobei das genannte Spitzendeckband Folgendes umfasst: eine Deckbandplatte (110); eine erste Deckbandschiene (150), die sich eine erste radiale Distanz (162) von der genannten Deckbandplatte in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, und eine zweite Deckbandschiene (152), die sich eine zweite radiale Distanz (164) von der genannten Deckbandplatte in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, die sich von der genannten ersten radialen Distanz unterscheidet.
Turbinenschaufel (34) nach Anspruch 1, wobei die genannte Deckbandplatte sich im Allgemeinen zwischen einer vorderen Oberfläche (112) und einer hinteren Oberfläche (114) erstreckt, wobei die genannte erste Deckbandschiene (150) näher an der genannten vorderen Oberfläche als die genannte zweite Deckbandschiene (152) positioniert ist, so dass zwischen dem Turbinengehäuse (40) und dem genannten Spitzendeckband (66) ein axialer Strömungsweg definiert wird.
Turbinenschaufel (34) nach Anspruch 2, wobei die genannte erste radiale Distanz (162) länger als die genannte zweite radiale Distanz (164) ist.
Turbinenschaufel (34) gemäß Anspruch 2, wobei die genannte erste radiale Distanz (162) kürzer als die genannte zweite radiale Distanz (164) ist.
Turbinenschaufel (34) nach Anspruch 1, wobei die genannte erste radiale Distanz (162) zwischen etwa 40% und 60% der genannten zweiten radialen Distanz (164) beträgt.
Turbinenschaufel (34) nach Anspruch 3, wobei die genannte erste Deckbandschiene (150) in einer Distanz von der genannten vorderen Oberfläche (112) positioniert ist, so dass zwischen der genannten vorderen Oberfläche und dem Turbinengehäuse (40) ein Hohlraum definiert wird, wobei der genannte Hohlraum das Verringern einer Wirbelbildung in dem genannten Hohlraum ermöglicht.
Turbinenschaufel (34) nach Anspruch 4, wobei die genannte zweite Deckbandschiene (150, 152) in einer Distanz von der genannten hinteren Oberfläche (114) positioniert ist, so dass zwischen der genannten hinteren Oberfläche (40) und dem Turbinengehäuse ein Hohlraum (154) definiert wird, wobei der genannte Hohlraum das Verringern der Wirbelbildung in dem genannten Hohlraum ermöglicht.
Turbinenschaufel (34) nach Anspruch 1, wobei die genannten ersten und zweiten Deckbandschienen (150, 152) eine tangentiale Schienenfläche (170) definieren, die in einem schiefen Winkel in Bezug auf eine Außenfläche (140) der. genannten Deckbandplatte (110) ausgerichtet ist.
Turbinensystem, umfassend: ein Gehäuse (40), einen Verdichter (14), eine Turbine, die mit dem genannten Verdichter (14) in Strömungskommunikation gekoppelt ist, um wenigstens einen Teil der von dem genannten Verdichter ausgelassenen Luft aufzunehmen, wobei die genannte Turbine in dem genannten Gehäuse positioniert ist, eine Läuferwelle (22), die drehbar mit der genannten Turbine gekoppelt ist, wobei die genannte Läuferwelle eine Mittellinienachse (38) definiert, und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Turbinenschaufeln (34), die mit der genannten Läuferwelle gekoppelt sind, wobei jede der genannten Vielzahl von Turbinenschaufel Folgendes aufweist: eine Plattform (68), ein Schaufelblatt (64), das sich von der genannten Plattform erstreckt, wobei das genannte Schaufelblatt ein Wurzelende (88) und ein Spitzenende (90) aufweist, wobei das genannte Spitzenende sich von dem genannten Wurzelende nach außen in Richtung auf das genannte Gehäuse erstreckt, und ein Spitzendeckband (66), das sich von dem genannten Spitzenende erstreckt, wobei das Spitzendeckband Folgendes aufweist: eine Deckbandplatte (110), eine erste Deckbandschiene (150), die sich eine erste radiale Distanz (162) von der genannten Deckbandplatte in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, und eine zweite Deckbandschiene (152), die sich eine zweite radiale Distanz (164) von der genannten Deckbandplatte in Richtung auf das Turbinengehäuse erstreckt, die sich von der genannten ersten radialen Distanz unterscheidet.
Turbinensystem (10) nach Anspruch 9, wobei die genannte Deckbandplatte sich allgemein zwischen einer vorderen Oberfläche (112) und einer hinteren Oberfläche (114) erstreckt, wobei die genannte erste Deckbandschiene (150) näher an der genannten vorderen Oberfläche als die genannte zweite Deckbandschiene positioniert ist, so dass zwischen dem genannten Gehäuse (40) und dem genannten Spitzendeckband (66) ein axialer Strömungsweg definiert wird.