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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung 14/687,052, auf deren Offenbarungsinhalt hiermit Bezug genommen wird.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Energiedämpfungssystem für stationäre Schaufeln und Schaufelblätter bei einem Gasturbinenmotor.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Stufe von stationären Schaufeln in einer Turbine eines Gasturbinenmotors umfasst eine kreisförmige Anordnung stationärer Schaufeln. Während des Betriebs leiten die Schaufeln in der Turbine einen Verbrennungsgasstrom um, um ihn in einem korrekten Winkel einer stromabwärtigen Reihe sich drehender Schaufeln zuzuführen. Eine Stufe stationärer Schaufelblätter in einem Verdichter umfasst eine kreisförmige Anordnung stationärer Schaufelblätter. Während des Betriebs leiten die Schaufelblätter im Verdichter einen Druckluftstrom um. Der Einfachheit halber werden stationäre Turbinenschaufeln und stationäre Verdichterschaufelblätter hier als stationäre Schaufeln, oder einfach Schaufeln, bezeichnet. Eine Singlet-Schaufel umfasst ein inneres Deckband, ein äußeres Deckband und ein die beiden verbindendes Schaufelblatt, während eine Schaufel als allgemein ein inneres Deckband, ein äußeres Deckband und ein mit einem benachbarten oder mehreren benachbarten Schaufelblättern verbundenes Schaufelblatt umfassend angesehen wird. Hier werden Singlets und stationäre Schaufeln als Schaufeln bezeichnet. Singlets/Schaufeln können beliebig hergestellt werden. Zwei oder mehr Singlets oder Schaufeln können zur Bildung einer stationären Schaufelunteranordnung verbunden sein.
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Die stationären Schaufeln befinden sich stromaufwärts oder stromabwärts von rotierenden Komponenten. Die stationären Schaufeln sind einer Vielzahl von Anregungen von ihren rotierenden Nachbarn und Variationen von Saug- und Druckflächen des Schaufelblatts, wenn der Strom über sie hinwegströmt, ausgesetzt. Das äußere Deckband einer stationären Schaufelanordnung weist ein Hakenmerkmal auf, das in ein Gehäusenutenmerkmal gleitet. Das äußere Deckband sichert die stationären Schaufeln am Rahmengehäuse der Gasturbine. Das Rahmengehäuse ist ein Körper mit einer relativ höheren Steifigkeit als die Schaufelanordnung. Das Gehäuse kann einzelne oder mehrere stationäre Schaufelanordnungen tragen. Darüber hinaus sichert das äußere Deckband die stationären Schaufeln am Rahmen des Gasturbinenmotors und weist eine relativ höhere Steifigkeit als das Schaufelblatt der Schaufel auf. Bei der Grenzfläche zwischen dem Schaufelblatt und dem äußeren Deckband, wo das Schaufelblatt auf das äußere Deckband mit der relativ höheren Steifigkeit trifft, kommt es gewöhnlich zu bekannten Reibungs-, Vibrations- und Abnutzungsproblemen.
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Hauptsächliche Abnutzungsstellen sind zwischen dem Haken der Schaufel zu Gehäusenuten und den Gegenflächen benachbarter Schaufeln. Dadurch weisen stationäre Schaufeln stets Abnutzung an ihren mechanischen Grenzflächen auf, obgleich die Teile als stationäre Komponenten angesehen werden. Somit besteht in der Technik noch Verbesserungspotenzial.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung unter Betrachtung der Zeichnungen erläutert, in denen:
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1 eine Vorderansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Verdichterschaufelstufe eines Gasturbinenmotors ist.
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2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A einer beispielhaften Ausführungsform der stationären Schaufel von 1 ist.
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3 eine Ansicht einer alternativen beispielhaften Ausführungsform der Feder von hinten ist.
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4 eine perspektivische Teilansicht einer beispielhaften Ausführungsform der äußeren Deckbänder von 1 ist.
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5 eine perspektivische Teilansicht einer beispielhaften Ausführungsform der äußeren Deckbänder von 1 ist.
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6–7 Ansichten entlang B-B von 4 von hinten sind, die beispielhafte Ausführungsformen der Dämpfer von 4 zeigen.
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8–12 Ansichten von oben sind, die verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Dämpfer von 4 zeigen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der vorliegende Erfinder hat erkannt, dass Abnutzung, Reibung und Risse an den Grenzflächen zwischen den äußeren Deckbändern der Schaufel und der Gehäusenut, die die in einem Gasturbinenmotor verwendete Schaufelanordnung hält, auftreten können. Der Erfinder hat ferner erkannt, dass dies darin begründet ist, dass das Schaufelblatt der Schaufel eine verhältnismäßig niedrigere Steifigkeit aufweist und verhältnismäßig frei vibrieren kann, während das äußere Deckband der Schaufel verhältnismäßig steif ist und verhältnismäßig weniger frei vibrieren kann, da es an einem Rahmen des Gasturbinenmotors gesichert ist. Darüber hinaus hat der vorliegende Erfinder erkannt, dass es aus ähnlichen Gründen zu einer Abnutzung an den Grenzflächen zwischen den Deckbändern der Schaufeln und benachbarten Schaufelsegmentgegenflächen kommen kann. Die Energie in der vibrierenden Schaufel wird somit in die mechanischen Grenzflächen benachbarter Schaufeln, Drehsicherungsmerkmale der Anordnung und die Gehäuserahmennutgrenzfläche geleitet. Die Schaufelgegenflächen, die mit benachbarten Schaufeln zusammenwirken, und der Haken des äußeren Deckbands zur Gehäuserahmennut weisen verschiedene mechanische Grenzflächengeometrien auf, wodurch es zu Abnutzung, Reibung und Rissen kommt. Bei einigen stationären Schaufelkonfigurationen ist das Schaufelblatt mit dem äußeren Deckband an einer Grenzfläche verschweißt, wodurch das Rissbildungsund -ausbreitungspotenzial an der Schweißstelle weiter verstärkt wird. Des Weiteren erkennt der Erfinder, dass dieses Problem mit der Zeit schlimmer wird, wenn die Leistungsforderung des Gasturbinenmotors einen Schaufelblatt- und Zählwerkaustausch zur Erzielung höherer Druckverhältnisse und eines erhöhten Massendurchsatzes erfordert. Die hier offenbarte Anordnung ist ein System, das sich mit gedämpfter und einfacher harmonischer Bewegung einzelner Körper und Anordnungen befasst.
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Herkömmliche Herangehensweisen zur Reduzierung von Abnutzung, Reibung und Rissen beinhalten die Erhöhung der Menge an Material in den Deckbändern und die Konstruktion dickerer Schaufelblätter zur Verringerung des Freiraums zwischen dem äußeren Deckband und dessen Grenzfläche mit dem Gasturbinenmotor. Beispielsweise ist das äußere Deckband bei Konfigurationen, bei denen das äußere Deckband in einer Ringnut sitzt, strukturell umfangreicher hergestellt, und das überdimensionierte äußere Deckband wird eng in der Nut in Position gehalten. Die Schaufelblätter können auch eine größere Dicke aufweisen, um den Spannungen standzuhalten. Die Schaufelblätter reduzieren bei dickeren Gesamtprofilen die Vibrationsschwingung, jedoch wird dadurch die Leistung beeinträchtigt. Es wird angemerkt, dass alle Schaufelblätter so konstruiert sind, dass sie den Normal- und Spitzenspannungen mit einem Sicherheitsfaktor standhalten. Darüber hinaus sind die Schaufelblätter so abgestimmt, dass sie von bestimmten treibenden Nachläufen von stromaufwärtigen und stromabwärtigen Schaufeln Abstand halten. Hier wird jedoch eine Anordnung offenbart, die ermöglicht, dass die Deckbänder mit einem bestimmten Elastizitätsmodul und einer bestimmten Masse die von den Schaufelblättern kommende Schwingungsenergie abdämpfen. Im Wesentlichen bewirkt die Strömungsenergie über jedes Schaufelblatt hinweg eine Reaktion zur Bewegung nach außen und weiter zu den Deckbandhaken. Das Schaufelblatt steckt zwischen zwei Fixpunkten, wodurch bewirkt wird, dass diese Verbindungspunkte die überschüssige Energie ableiten, die das Schaufelblatt nicht ableiten kann. Bei den Haken schwingen die mechanischen Grenzflächen mit bestimmten Frequenzen, wodurch Reibung und Wärme verursacht wird, wodurch es zur Abnutzung kommt.
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Der innovative Ansatz des Erfinders besteht darin, zur Reduzierung von Vibrationen und Spannungen und einer damit in Zusammenhang stehenden Ausbildung von Abnutzung und Rissen an den Grenzflächen die Schwingung in der mechanischen Grenzfläche zwischen dem äußeren Deckband und der Nut, in der es sich befindet, zu reduzieren. Dadurch wird gestattet, dass aus dem Schaufelblatt stammende Vibrationen durch die Deckbänder gehen, die wiederum die Schwingung zu einem gesteuerten und begrenzten Freiraum ableiten. Der Erfinder schlägt des Weiteren ein Energiedämpfungssystem vor, das die umgeleitete Schwingungsenergie dämpft. Entsprechend wird gestattet, dass sich die Energie aus den Vibrationen zu den Deckbändern bewegt, wo sie unbedenklich über das Energiedämpfungssystem abgeleitet wird. Dadurch wird das Erfordernis einer Erhöhung der Komponentenmasse zur Überwindung überschüssiger Energie reduziert, wodurch wiederum eine Verdünnung des Schaufelblatts ermöglicht wird, wodurch es zu einer Erhöhung des aerodynamischen Wirkungsgrads und einer längeren Komponentenlebensdauer kommt.
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Das vorgeschlagene Energiedämpfungssystem umfasst Verbindungsanordnungen, die benachbarte stationäre Schaufeln aneinander sichern. Jede stationäre Schaufel kann ein inneres Deckband und ein äußeres Deckband und ein die beiden verbindendes Schaufelblatt umfassen (d. h. ein Singlet), und es kann eine Verbindungsanordnung zwischen jedem benachbarten Singlet geben. Alternativ dazu kann das Energiedämpfungssystem benachbarte stationäre Schaufeln aneinander sichern, wobei jede benachbarte stationäre Schaufel Teil einer anderen Schaufelunteranordnung ist. Beispielsweise können zwei stationäre Schaufelunteranordnungen, die jeweils ein inneres Deckband und ein äußeres Deckband und zwei Schaufelblätter aufweisen, aneinander gesichert sein. In diesem Fall, wo eine erste Schaufelunteranordnung einer zweiten Schaufelunteranordnung benachbart ist, ist eine der stationären Schaufeln in der ersten Schaufelunteranordnung an einer der stationären Schaufeln in der zweiten Schaufelunteranordnung gesichert. Aus diesem Grund gelten die Erörterung und die Prinzipien gleichermaßen für benachbarte stationäre Singlet-Schaufeln und für benachbarte Schaufelunteranordnungen, obgleich in den Figuren stationäre Singlet-Schaufeln dargestellt werden. Somit legt die Erörterung den Schwerpunkt auf benachbarte stationäre Schaufeln und gilt gleichermaßen, ob nun Singlets oder Schaufelunteranordnungen in Betracht gezogen werden. Die Singlets/Segmente können zusammengebaut oder gegossen, geschmiedet oder anderweitig hergestellt werden, wie in der Technik bekannt ist. Wenn eine Schaufel gegossen ist, können schädliche Auswirkungen von Porosität, Einschlüssen und Mikrorissen in der Nähe von Schweißverbindungen und um diese herum hinfällig sein. Beim Schmieden kommt es nicht zu schädlichen Auswirkungen, jedoch kann die Körnungssteuerung an ungünstigen Stellen nicht gesteuert werden, wodurch es im Vergleich zu gegossenen Komponenten zu hören Spannungen kommen kann.
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Diese Verbindungsanordnungen vereinen die benachbarten stationären Schaufeln dahingehend, einen vereinten vollständigen oder halben Kreisring stationärer Schaufeln zu bilden, der zur Dämpfung von durch ein oder mehrere der Schaufelblätter hervorgerufenen Vibrationen in der Lage ist. Des Weiteren umfasst das Energiedämpfungssystem individuell austauschbare und/oder abstimmbare Federn, Dämpfer und/oder Verbinder. Dadurch wird eine individuelle Auswahl und/oder Einstellung jeder Komponente gestattet, so dass jede Verbindungsanordnung dahingehend abgestimmt werden kann, den bestimmten benachbarten stationären Schaufeln eigene Bedingungen zu berücksichtigen. Solch eine Abstimmung kann eingangs erfolgen und kann regelmäßig über die Lebensdauer des Gasturbinenmotors hinweg erneut erfolgen, um Änderungen, wie z. B. Abnutzung des Motors usw., zu berücksichtigen. Die Verbindungsanordnungen können Teil eines Verdichters oder einer Turbine sein.
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Somit ist eine Endkonstruktion für die Stufe von Schaufelunteranordnungen ein Ausgleich. An einem Ende des Spektrums können Singlets verwendet werden. Dadurch werden eine maximale Energiedämpfung und der größte Spielraum bei der lokalen Abstimmung gestattet, jedoch kann die Implementierung und Wartung kostspieliger sein. Am anderen Ende des Spektrums können Schaufelunteranordnungen dazu verwendet werden, eine Gruppierung zu definieren. Mit der Verringerung der Anzahl an stationären Schaufelunteranordnungen verringert sich auch die Energiedämpfung und der Spielraum bei der lokalen Abstimmung, jedoch können auch die Kosten der Implementierung und Wartung reduziert werden.
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1 zeigt eine Stufe 10 stationärer Schaufeln 12, die in einer kreisförmigen Gruppierung 14 um eine Längsachse 16 eines Gasturbinenmotors (nicht gezeigt) angeordnet sind. Die gezeigten stationären Schaufeln 12 sind Singlets 18, die zur Bildung der kreisförmigen Gruppierung 14 Seite an Seite aneinander gesichert sind, wobei jedes Singlet 18 ein inneres Deckband 20, ein äußeres Deckband 22 und ein das innere Deckband 20 mit dem äußeren Deckband 22 verbindendes Schaufelblatt 24 aufweist. Ein Energiedämpfungssystem 30 umfasst mehrere Verbindungsanordnungen 32, die zwischen benachbarten stationären Schaufeln 12 angeordnet sind. Jede Verbindungsanordnung 32 umfasst mindestens eine Feder 34, mindestens einen Dämpfer 36 und wahlweise ein inneres Verbindungselement 38.
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Die Federn 34 können zusammengedrückt sein und somit tendenziell die stationären Schaufeln 12 in einer Umfangsrichtung 40 so vorspannen, dass sie auseinander sind. Alternativ dazu können die Federn 34 gedehnt sein und die stationären Schaufeln 12 in der Umfangsrichtung 40 so vorspannen, dass sie zusammen sind. Entsprechend erzeugen die Federn 34 zusammen einen Lastpfad 42 durch die kreisförmige Gruppierung 14, wobei der Lastpfad 42 für Drucklast oder Zuglast sein kann. Die kreisförmige Gruppierung 14 kann aus zwei oder mehr diskreten halbkreisförmigen Gruppierungen 50 zusammengesetzt sein, die jeweils voneinander getrennt befestigt und nicht miteinander verbunden sind. Bei solch einer beispielhaften Ausführungsform liegt ein entsprechender Lastpfad 42 in jeder halbkreisförmigen Gruppierung 50 vor.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann es eine obere halbkreisförmige Gruppierung 52 und eine untere halbkreisförmige Gruppierung 54 geben, die jeweils halbkreisförmig sind und jeweils Schaufelunteranordnungen (nicht gezeigt) oder Singlets 18 umfassen. Ein Basissinglet 56 der oberen halbkreisförmigen Gruppierung 52 kann an einer Befestigung 58 (teilweise gezeigt) des Gasturbinenmotors in einer speziellen Winkelposition 60 von beispielsweise 270 Grad fest oder lose befestigt sein. Die Befestigung 58 kann eine Ringnut (nicht gezeigt) sein, die zur Aufnahme des äußeren Deckbands 22 konfiguriert ist. Die äußeren Deckbänder 22 der restlichen Singlets 18 können auch in der Ringnut positioniert sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform haben die verbleibenden Singlets 18, wenn das Basissinglet 56 fest befestigt ist, etwas mehr Spielraum als das Basissinglet 56. Bei solch einer beispielhaften Ausführungsform wird nicht gestattet, dass sich das äußere Deckband 22 des Basissinglets 56 axial, umfangsmäßig, radial bewegt oder um eine Radiale 62 des Singlets 18 dreht, und somit wirkt es als eine feste Verankerung für die restlichen Singlets 18 in der oberen halbkreisförmigen Gruppierung 52, denen eine begrenzte Bewegung in mindestens eine dieser Richtungen, wenn nicht sogar in alle, gestattet ist. Alternativ dazu kann die Befestigung 58 mit einem beschränkten Spielraum zur Bewegung in mindestens eine dieser Richtungen befestigt sein, wobei die restlichen Singlets 18 in diesem Fall mit der gestatteten Bewegung des Basissinglets 56 treiben können. Alternativ dazu kann es für das Basissinglet 56 Perioden, in denen es fest befestigt ist, und Perioden, wo eine begrenzte Bewegung aufgrund von relativer thermischer Ausdehnung und transienten Motorbetriebsbedingungen usw. gestattet ist, geben.
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Die individuelle Auslegung der Feder 34 und des Dämpfers 36 kann zu einer relativ festen Verbindungsanordnung 32 zwischen dem Basissinglet 56 und der benachbarten stationären Schaufel 12 führen, da das Basissinglet 56 der gesamten überschüssigen Energie aller anderen stationären Schaufeln 12 in dieser halbkreisförmigen Gruppierung 50 ausgesetzt ist. Die Verbindungsanordnung 32 kann vergleichsweise schwächer werden, je weiter sie sich vom Basissinglet 56 befindet. Die vergleichsweise schwächste Verbindungsanordnung 32 kann sich bei der letzten stationären Schaufel 12 und der benachbarten stationären Schaufel 100 (vorletzte) befinden, da sie lediglich die überschüssige Energie von den letzten beiden stationären Schaufeln 12 ableiten muss. Das Dämpfungsverhältnis zwischen benachbarten stationären Schaufeln 12 kann unterdämpft sein (ζ < 1), während ein Dämpfungsverhältnis der halbkreisförmigen Gruppierung 50 kritisch gedämpft sein kann (ζ = 1). Die Verbindungsanordnung 32 kann dahingehend abgestimmt sein, gewisse hohe und/oder niedrige Frequenzen, wie z. B. jene, die bekanntermaßen aus der Fluidströmung resultieren, und/oder jene, die bekanntermaßen aus mechanischer Bewegung, wie z. B. rotierenden Schaufeln usw., resultieren, zu verhindern.
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Gleichermaßen kann ein Basissinglet 66 der unteren halbkreisförmigen Gruppierung 54 an der Befestigung 58 in einer speziellen Winkelposition 70 von beispielsweise 90 Grad befestigt sein. Das Basissinglet 66 der unteren halbkreisförmigen Gruppierung 54 kann in einer speziellen Winkelposition 60 von beispielsweise 90 Grad fest oder lose an der Befestigung 58 befestigt sein. Die äußeren Deckbänder 22 der restlichen Singlets 18 können sich auch in der Ringnut befinden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform können die verbleibenden Singlets 18, wenn das Basissinglet 66 fest befestigt ist, etwas mehr Spielraum als das Basissinglet 66 haben. Bei solch einer beispielhaften Ausführungsform wird nicht gestattet, dass sich das äußere Deckband 22 des Basissinglets 66 axial, umfangsmäßig, radial bewegt oder um eine Radiale 62 des Singlets 18 dreht, und somit wirkt es als eine feste Verankerung für die restlichen Singlets 18 in der unteren halbkreisförmigen Gruppierung 54, denen eine begrenzte Bewegung in mindestens eine dieser Richtungen gestattet ist. Alternativ dazu kann die Befestigung 58 mit einem beschränkten Spielraum zur Bewegung in mindestens eine dieser Richtungen befestigt sein, wobei die restlichen Singlets 18 in diesem Fall mit der gestatteten Bewegung des Basissinglets 66 treiben können. Alternativ dazu kann es für das Basissinglet 66 Perioden, in denen es fest befestigt ist, und Perioden, wo eine begrenzte Bewegung aufgrund von relativer thermischer Ausdehnung und transienten Motorbetriebsbedingungen usw. gestattet ist, geben. So wie die obere halbkreisförmige Gruppierung 52 kann auch die untere halbkreisförmige Gruppierung 54 abgestimmt werden.
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Obgleich zwei halbkreisförmige Gruppierungen von Singlets 18 offenbart werden, kann eine beliebige Anzahl an weniger als vollkreisförmigen Gruppierungen verwendet werden, wobei jede zur vollständigen Zusammensetzung der kreisförmigen Gruppierung ihr eigenes Basissinglet (oder Basisschaufelsegment) aufweist, und die obigen Prinzipien treffen zu. Darüber hinaus müssen weniger als vollkreisförmige Gruppierungen nicht achsensymmetrisch sein. Beispielsweise kann es eine oder mehrere Gruppierungen geben, die sich in dem Abschnitt des Vollkreises, den sie einnehmen, unterscheiden. Es kann beispielsweise eine halbkreisförmige Gruppierung und zwei viertelkreisförmige Gruppierungen geben. Die Anzahl an weniger als vollkreisförmigen Gruppierungen und die Bogenlänge jeder weniger als vollkreisförmigen Gruppierung können basierend auf einer beliebigen Anzahl an Faktoren, darunter Überlegungen hinsichtlich der Montage und Demontage vor Ort, gewählt werden.
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2 zeigt eine Seitenansicht eines Singlets 18 entlang der Linie A-A von 1, die eine Passfläche 80 (Seitenfläche) der stationären Schaufel 12 zeigt, die an einer benachbarten Passfläche (nicht gezeigt) einer benachbarten stationären Schaufel anliegt. Es kann eine oder mehrere Vertiefungen 82 in der Passfläche 80 geben, und eine Feder 34 kann in einer entsprechenden Vertiefung 82 sitzen. Die Feder 34 kann eine Schraubenfeder oder ein/e zusammendrückbare/s und/oder eine dehnbare/s Material oder Anordnung usw. sein, die zum Ausüben der erforderlichen Vorspannung in der Lage ist. Die benachbarte Passfläche kann eine Vertiefung 82, die mit der Vertiefung 82, in der eine Feder 34 sitzt, zusammenfällt, aufweisen oder nicht aufweisen. In dem Fall, in dem es eine Vertiefung 82 in der Passfläche 80 und eine entsprechende Vertiefung 82 in der benachbarten Passfläche gibt, sitzen beide Enden der Feder in den jeweiligen Vertiefungen 82. In dem Fall, in dem es eine Vertiefung 82 in einer Passfläche 80 aber keine in der anderen gibt, kann ein Ende der Feder 34 in der Passfläche sitzen und das andere kann einfach auf der benachbarten Passfläche ruhen. Es kann eine Feder 34 oder mehr als eine Feder 34 zwischen benachbarten stationären Schaufeln 12 geben. Die Feder 34 kann sich in dem inneren Deckband 20 befinden, in dem äußeren Deckband 22 oder bei Verwendung von mehr als einer Feder 34 können sie sich in dem inneren Deckband 20 und/oder dem äußeren Deckband 22 befinden. Eine Anzahl an Federn 34 kann je nach Bedarf an einer beliebigen Stelle verwendet werden und alle können dieselbe Federkonstante oder ihre eigene Federkonstante aufweisen, so wie es zum Abstimmen der Federn 34 für die jeweiligen benachbarten stationären Schaufeln 12 erforderlich ist. Darüber hinaus können die Federn 34 nach Bedarf weiter stromaufwärts oder stromabwärts in einer Axialrichtung 84 positioniert sein.
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Ferner kann die Positionierung der Federn von einem Satz benachbarter stationärer Schaufeln 12 zu einem anderen umfangsmäßig variieren. Wenn die in 1 gezeigte stationäre Schaufel 12 beispielsweise lokalisiert einer Kraft ausgesetzt ist, die tendenziell ein hinters Ende 86 von einem benachbarten hinteren Ende (nicht gezeigt) trennt, könnten die Federn (zusammengedrückt) näher zu einem vorderen Ende 88 in dem lokalen Bereich installiert werden. Gleichermaßen könnten die Federn 34 (zusammengedrückt), wenn ein Drehmoment um die Radiale 62 durch den durch die stationäre Schaufel 12 umgeleiteten Strom ausgeübt wird, zwischen den benachbarten stationären Schaufeln von vorn nach hinten abgewinkelt werden, um dem induzierten Drehmoment entgegenzuwirken. (Siehe 4) Wenn beispielsweise das Umleitungsdrehmoment zum Drehen des hinteren Endes 86 zum Leser hin tendiert, könnte ein Ende der Feder 34 so installiert werden, dass es die stationäre Schaufel 12 mehr zum hinteren Ende 86 hin berührt, und das andere Ende der Feder 34 könnte so installiert werden, dass es die benachbarte stationäre Schaufel 12 (die sich außerhalb der Seite und näher beim Leser befindet) mehr zum vorderen Ende 88 der benachbarten stationären Schaufel hin berührt. Bei solch einer Anordnung koppelt die Feder entgegengesetzte Drehmomente, wodurch die durch den umgeleiteten Strom induzierten Drehmomente aufgehoben werden.
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Es ist auch eine Anordnung 90 zur Verbindung des inneren Deckbands zu sehen, die ein Befestigungsmittel 92, eine Sicherungsfeder 94 und ein inneres Verbindungselement 38, wie z. B. eine Stange, das umfangsmäßig von einem inneren Deckband 20 zu einem benachbarten inneren Deckband verläuft, umfasst. Das innere Verbindungselement 38 kann eine Federkonstante aufweisen, und die Federkonstante kann zur Erfüllung von Dämpfungsanforderungen je nach Wunsch gewählt werden. Es kann für jedes Paar benachbarter stationärer Schaufeln 12 ein Element 90 zur Verbindung des inneren Deckbands geben, was bedeutet, dass es zwei Befestigungsmittel 92 und zwei Sicherungsfedern 94 in jedem inneren Deckband 20 geben kann. Die Anordnung 90 zur Verbindung des inneren Deckbands ist in der Darstellung teilweise in einer Vertiefung 98 des inneren Deckbands im Abstand zu etwaigen sich in der Nähe befindlichen Komponenten wie einer Rotorwelle (nicht gezeigt) angeordnet. Das innere Verbindungselement 38 kann zur Überwindung jeglicher an den inneren Deckbändern 20 vorkommender und durch die Federn 34 ausgeübter Vorspannung verhältnismäßig steif sein. Die Sicherungsfeder 94 gestattet eine geringfügige Relativbewegung zwischen dem Befestigungsmittel 92 und dem inneren Verbindungselement 38. Dadurch wird eine geringfügige Bewegung des inneren Deckbands 20 gestattet und auch gleichzeitig der Versuch unternommen, eine Bewegung aus einer Gleichgewichtsposition zu dämpfen. Die Federn 34 und/oder die Anordnung 90 zur Verbindung des inneren Deckbands können beim inneren Deckband 20 vorliegen.
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3 zeigt eine Ansicht der stationären Schaufel 12 von 2 und einer benachbarten stationären Schaufel 100 von hinten, die eine alternative beispielhafte Ausführungsform einer Feder 34 zeigt, die ein festes Befestigungsmittel 102, ein Federverbindungselement 104, das verhältnismäßig unflexibel sein kann, und ein flexibles Befestigungsmittel 106, wie z. B. einen Bolzen, mit einem flexiblen Schaft 108 umfasst. Das flexible Befestigungsmittel 106 kann in einer beliebigen Richtung vorgebogen und dann zur Bereitstellung der erwünschten Vorspannung an das Federverbindungselement 104 angezogen werden, und ein Biegen des flexiblen Schafts 108 stellt die erwünschte Federkonstante während des Betriebs bereit.
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4 ist eine perspektivische Teilansicht einer beispielhaften Ausführungsform der äußeren Deckbänder 22 der stationären Schaufel 12 und der benachbarten stationären Schaufel 100, wobei die beiden durch Dämpfer verbunden sind. Für jeden Satz benachbarter stationärer Schaufeln 12 kann es einen oder mehrere Dämpfer 36 geben. Sie können umfangsmäßig ausgerichtet sein oder nicht umfangsmäßig ausgerichtet sein und ihre umfangsmäßigen Positionierungen auf einer Außenfläche 110 der äußeren Deckbänder 22 können versetzt angeordnet sein oder nicht versetzt angeordnet sein, wie gezeigt wird. Jeder Dämpfer 36 kann ein Dämpferverbindungselement 112 und einen Dämpferpfosten 114 umfassen. Zwischen dem Dämpferposten 114 und dem Dämpferverbindungselement 112 kann es ein Dämpfungselement (nicht sichtbar) geben, das dahingehend wirkt, die Vibrationsschwingung zwischen der stationären Schaufel 12 und der benachbarten stationären Schaufel 100 zu dämpfen. In 4 sind auch abgewinkelte Vertiefungen 82 sichtbar, in denen die Federn 34 sitzen können und bei einer Konfiguration (zusammengedrückt) dahingehend wirken, ein durch die Verbrennungsgase, die durch das Schaufelblatt 24 umgelenkt werden, induziertes Drehmoment 120 im Uhrzeigersinn (von über der Außenfläche 110 aus betrachtet) zu überwinden.
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5 ist eine perspektivische Teilansicht einer alternativen beispielhaften Ausführungsform der äußeren Deckbänder 22 der stationären Schaufel 12 und der benachbarten stationären Schaufel 100, wobei die beiden durch Dämpfer 36 verbunden sind. Bei dieser alternativen beispielhaften Ausführungsform können die Dämpferverbindungselemente 112 anstatt der Sicherung an der Außenfläche 110 des äußeren Deckbands 22 stattdessen an Säulen 122 gesichert sein. Die Säulen 122 können umfangsmäßig ausgerichtet sein, wie gezeigt, und/oder es kann mehr als eine umfangsmäßige Reihe von Säulen geben, so dass mehr als ein Dämpfer 36 benachbarte stationäre Schaufeln 12 überspannen kann, und/oder es kann unterschiedliche Mittel zur Verbindung des Dämpferverbindungselements 112 mit der jeweiligen Säule 122 geben, um eine störende Beeinflussung anderer Dämpferverbindungselemente 112 zu verhindern. Es sind auch Vertiefungen 82 und eine Feder 34 sichtbar, wobei beide Enden in zusammenwirkenden Vertiefungen 82 in benachbarten stationären Schaufeln 12 angeordnet sind.
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6 ist eine Ansicht entlang der Linie B-B von 4 von hinten, die eine beispielhafte Ausführungsform des Dämpfers 36 zeigt, wobei das Dämpferverbindungselement 112 und der Dämpferposten 114 einen Spalt 124 zwischen der stationären Schaufel 12 und der benachbarten stationären Schaufel 100 überspannen. Der Spalt 124 wird durch die Passfläche 80 und die benachbarte Passfläche 126 definiert. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform kann das Dämpfungselement 130 zwischen dem Dämpferverbindungselement 112 und einem oder beiden Dämpferpfosten 114 positioniert sein. Der Dämpfer kann beispielsweise ein viskoelastisches Material oder ein beliebiger anderer dem Fachmann bekannter Dämpfer sein. Gleichermaßen stellt die gezeigte Konfiguration lediglich eine mehrerer möglicher Konfigurationen, die Durchschnittsfachleuten bekannt sind, dar. Ein Dämpferpfosten 114 mit einem Dämpfungselement 130 kann dahingehend eingestellt werden, eine Höhe einer Kraft zu steuern, die das Dämpferverbindungselement 112 und das Dämpfungselement 130 zusammendrückt. Dies kann zur Steuerung eines Ausmaßes an Dämpfung verwendet werden. Alternativ dazu kann eine Größe (z. B. Dicke) des Dämpfungselements 130 zur Steuerung des Ausmaßes an Dämpfung gesteuert werden. 7 ist eine Ansicht entlang der Linie B-B von 4 von hinten, die eine alternative beispielhafte Ausführungsform des Dämpfers 36 zeigt. Bei dieser Konfiguration kann ein Spannschloss 132 zur Steuerung eines Ausmaßes an Vorspannung zwischen den benachbarten stationären Schaufeln 12 verwendet werden.
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8–12 zeigen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des Dämpfers 36. 8 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der der Dämpfer 36 zwei Dämpferverbindungselemente 112 zwischen der stationären Schaufel 12 und der benachbarten stationären Schaufel 100 umfasst. Jedes Dämpferverbindungselement 112 ist durch einen Satz Dämpferpfosten 114 gesichert. Für jeden Satz Dämpferpfosten 114 kann es einen oder zwei gedämpfte Dämpferpfosten 134 geben, wobei es sich um einen Dämpferpfosten 114 mit einem Dämpfungselement 130 handelt. Solch eine Anordnung kann einfach Redundanz bereitstellen, oder sie kann gestatten, dass die individuellen Komponenten mit gegenseitiger Berücksichtigung ausgewählt werden, um eine bestimmte individuelle Auslegung der Beziehung zwischen der stationären Schaufel 12 und der benachbarten stationären Schaufel 100 durchzuführen. Eine Versatzverbindung 136 kann dazu verwendet werden, eine gegenseitige Beeinflussung der Dämpferverbindungselemente 112 untereinander zu verhindern.
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9 zeigt eine alternative beispielhafte Ausführungsform, bei der das Dämpferverbindungselement 112 ein Stoßdämpfer 140 ist. Bei dieser Konfiguration besteht kein Bedarf an einem separaten Dämpfungselement 130 zwischen dem Dämpferpfosten 114 und dem Dämpferverbindungselement 112. Bei einer beliebigen der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsformen kann die Feder 34 zusätzlich zu oder anstatt der Anordnung in der Vertiefung 82 zwischen den Dämpferpfosten 114 oder zwischen eigens vorgesehenen Federpfosten (nicht gezeigt) angeordnet sein. 10 zeigt eine alternative beispielhafte Ausführungsform, bei der das Dämpferverbindungselement 112 ein steifes Element ist und bei der beide Dämpferpfosten 114 gedämpfte Dämpferpfosten 134 sind. 11 zeigt eine alternative beispielhafte Ausführungsform, bei der das Dämpferverbindungselement 112 ein Material umfasst, dass eine gewünschte Federkonstante aufweist. 12 zeigt eine alternative beispielhafte Ausführungsform, bei der das Dämpferverbindungselement 112 ein Verbundmaterial umfasst, dass eine gewünschte Federkonstante aufweist.
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Weitere mit den hier offenbarten Prinzipien übereinstimmende Konfigurationen werden als im Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung liegend betrachtet. Für jede Verbindungsanordnung 32 kann es eine oder mehrere Federn geben, die sich zwischen den stationären Schaufeln 12 und/oder auf dem äußeren Deckband 22 befinden. Gleichermaßen kann es für jede Verbindungsanordnung 32 einen oder mehrere Dämpfer 36 geben, und bei einigen Ausführungsformen können beide Elemente zwischen den Dämpferpfosten 114 und/oder in den Vertiefungen 82 gesichert sein. Beispielsweise kann ein Dämpfungselement 130 in einer Schraubenfeder angeordnet sein, und die Schraubenfeder mit dem Dämpfungselement 130 im Inneren kann in der Vertiefung 82 positioniert sein. Jede dieser Komponenten kann individuell austauschbar sein, und jede kann durch ihre eigenen Parameter gekennzeichnet sein. Dies gestattet eine individuelle Auslegung der Federkonstanten und Dämpfungsverhältnisse zwischen entsprechenden stationären Schaufeln 12. Des Weiteren können die Federn 34 und die Dämpfer 36 radial und/oder axial innerhalb jeder Feder, jedes Dämpfers und jeder Verbinderanordnung abgestimmt werden, um radiale und/oder axiale Variationen innerhalb eines entsprechenden Spalts 124 zu berücksichtigen. Dadurch kann jede Verbindungsanordnung 32 den anderen in Bezug auf Konstruktion und/oder Material und/oder Parameter gleich sein, jede kann komplett einzigartig sein oder einige können in derselben kreisförmigen Gruppierung 14 gleich sein und einige einzigartig.
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Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass der Erfinder den Grund für Rissbildung erkannt und zur Ausarbeitung der Lösung erfinderisch vom Herkömmlichen Abstand genommen hat. Sobald dem Erfinder der neue Ansatz bekannt war, wurde die Lösung unter Verwendung leicht verfügbarer Komponenten umgesetzt, wodurch die Kosten und Komplexität der Implementierung reduziert wurden. Somit stellt dies eine Verbesserung in der Technik dar.
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Obgleich verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier gezeigt und beschrieben wurden, ist offensichtlich, dass solche Ausführungsformen lediglich beispielhaft bereitgestellt werden. Zahlreiche Variationen, Änderungen und der Einsatz zahlreicher Äquivalente können vorgenommen werden, ohne von der hier beschriebenen Erfindung abzuweichen. Entsprechend soll die Erfindung lediglich durch den Gedanken und Schutzbereich der anhängigen Ansprüche beschränkt werden.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
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- 1. Stufe stationärer Schaufeln eines Gasturbinenmotors, die Folgendes umfasst:
mehrere stationäre Schaufeln, die in einer kreisförmigen Gruppierung angeordnet sind; und
ein Energiedämpfungssystem, das mehrere Verbindungsanordnungen umfasst, die jeweils jeweilige benachbarte stationäre Schaufeln verbinden, wobei eine Feder einer jeweiligen Verbindungsanordnung zum umfangsmäßigen Vorspannen der jeweiligen benachbarten stationären Schaufeln konfiguriert ist und ein Dämpfer der jeweiligen Verbindungsanordnung dazu konfiguriert ist, einer relativen Umfangsbewegung zwischen den jeweiligen benachbarten stationären Schaufeln entgegenzuwirken.
- 2. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 1, wobei die Feder dazu konfiguriert ist, die jeweiligen benachbarten stationären Schaufeln so umfangsmäßig vorzuspannen, dass sie auseinander sind.
- 3. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 1, wobei jede stationäre Schaufel der jeweiligen benachbarten stationären Schaufeln eine Passfläche umfasst, die eine Vertiefung umfasst, und wobei die Feder zwischen den jeweiligen benachbarten stationären Schaufeln und in den Vertiefungen angeordnet ist.
- 4. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 1, wobei mindestens eine Verbindungsanordnung dazu konfiguriert ist, eine individuelle Einstellung eines Ausmaßes an Dämpfung, die durch einen jeweiligen Dämpfer bereitgestellt wird, zu gestatten.
- 5. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 1, wobei jede stationäre Schaufel ein inneres Deckband umfasst, und wobei jede Verbindungsanordnung ferner ein Verbindungselement umfasst, das jeweilige benachbarte innere Deckbänder umfangsmäßig miteinander verbindet.
- 6. Stufe stationärer Schaufeln eines Gasturbinenmotors, die Folgendes umfasst:
benachbarte stationäre Schaufeln, die umfangsmäßig um einen Rotor in dem Gasturbinenmotor positioniert sind; und
eine die benachbarten stationären Schaufeln verbindende Verbindungsanordnung, die eine Feder, die die benachbarten stationären Schaufeln umfangsmäßig vorspannt, und einen Dämpfer, der eine relative Umfangsbewegung zwischen den benachbarten stationären Schaufeln dämpft, umfasst.
- 7. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 6, wobei die benachbarten stationären Schaufeln kritisch gedämpft werden.
- 8. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 6, wobei mindestens eine der benachbarten stationären Schaufeln eine Passfläche umfasst, die eine Vertiefung umfasst, und wobei die Feder in der Passfläche angeordnet ist.
- 9. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 8, wobei mindestens eine der benachbarten stationären Schaufeln ein äußeres Deckband umfasst, und wobei die Vertiefung in dem äußeren Deckband angeordnet ist.
- 10. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 6, wobei jede der benachbarten stationären Schaufeln ein äußeres Deckband umfasst, und wobei der Dämpfer an jedem äußeren Deckband gesichert ist.
- 11. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 6, wobei der Dämpfer dazu konfiguriert ist, eine Einstellung eines Ausmaßes an bereitgestellter Dämpfung zu gestatten.
- 12. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 6, wobei der Dämpfer aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Folgendes umfasst: einen Stoßdämpfer; einen durch eine Federkonstante gekennzeichneten elastischen Verbundstoff; und eine durch ein Dämpfungselement an mindestens einem äußeren Deckband gesicherte Stange.
- 13. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 6, wobei jede stationäre Schaufel ein inneres Deckband umfasst, und wobei die Verbindungsanordnung ferner ein Verbindungselement umfasst, das die inneren Deckbänder umfangsmäßig aneinander sichert.
- 14. Stufe stationärer Schaufeln eines Gasturbinenmotors, die Folgendes umfasst:
mehrere stationäre Schaufeln, die in einer halbkreisförmigen Gruppierung angeordnet sind;
eine Reihe von Dämpfern, die jeweils jeweilige benachbarte stationäre Schaufeln verbinden und jeweils dahingehend wirken, eine relative Umfangsbewegung zwischen den jeweiligen benachbarten stationären Schaufeln zu dämpfen; und
eine Reihe von Federn, die jeweils die jeweiligen benachbarten stationären Schaufeln verbinden, wobei die Reihe von Federn dahingehend wirken, einen Lastpfad durch die halbkreisförmige Gruppierung zu erzeugen.
- 15. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 14, wobei die Reihe von Federn dahingehend wirken, einen Drucklastpfad durch die halbkreisförmige Gruppierung zu erzeugen.
- 16. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 14, wobei die halbkreisförmige Gruppierung kritisch gedämpft wird.
- 17. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 14, wobei jede stationäre Schaufel ein Singlet umfasst.
- 18. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 17, wobei jede stationäre Schaufel ein äußeres Deckband umfasst, wobei mindestens eine der benachbarten stationären Schaufeln eine Passfläche umfasst, die auf dem äußeren Deckband angeordnet ist und eine Vertiefung umfasst, und wobei jede Feder in der jeweiligen Vertiefung angeordnet ist.
- 19. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 14, wobei jede stationäre Schaufel ein äußeres Deckband umfasst, und wobei jeder Dämpfer an den jeweiligen benachbarten stationären Schaufeln gesichert ist.
- 20. Stufe stationärer Schaufeln nach Ausführungsform 14, wobei jede stationäre Schaufel ein inneres Deckband umfasst, wobei die Stufe stationärer Schaufeln ferner eine Reihe von Verbindungselementen umfasst, die jeweils jeweilige benachbarte innere Deckbänder umfangsmäßig miteinander verbinden.
