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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf einen Turbinendämpfer und insbesondere auf einen Turbinendämpfer zum Regeln des Gasflusses, um eine Turbinenschaufelanordnung.
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Hintergrund
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Ein Gasturbinenmotor (”GTE” = gas turbine engine) weist bekanntermaßen ein oder mehrere Stufen von Turbinenrotoranordnungen auf, die an einer Antriebswelle montiert sind. Jede Turbinenrotoranordnung weist eine Vielzahl von Turbinenschaufeln auf, die sich radial nach außen erstrecken und in Umfangsrichtung voneinander um einen Turbinenrotor herum beabstandet sind. Der Gasturbinenmotor zündet eine Mischung aus Luft und Brennstoff bzw. eine Luft/Brennstoff-Mischung zur Erzeugung eines Flusses aus komprimiertem Gas mit hoher Temperatur über die Turbinenschaufeln, der bewirkt, dass die Turbinenschaufeln die Turbinenrotoranordnung drehen. Drehenergie von jeder Turbinenrotoranordnung kann auf die Antriebswelle übertragen werden, um eine Last anzutreiben, beispielsweise einen Generator, einen Kompressor oder eine Pumpe.
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Eine Turbinenschaufel weist typischerweise eine Wurzelstruktur und einen Luftflügel auf, die sich von entgegengesetzten Seiten einer Turbinenschaufelplattform erstrecken. Der Turbinenrotor weist bekanntermaßen einen Schlitz zur Aufnahme jeder Turbinenschaufel auf. Die Form jedes Schlitzes kann bezüglich der Form ähnlich der Wurzelstruktur von jeder entsprechenden Turbinenschaufel sein. Wenn eine Vielzahl von Turbinenschaufeln an dem Turbinenrotor montiert sind, kann ein Hohlraum unter der Plattform zwischen und/oder unter den Turbinenplattformen von benachbarten Turbinenschaufeln gebildet werden. Ein Hereinfließen von komprimiertem Gas mit hoher Temperatur in den Hohlraum unter der Plattform durch einen Spalt zwischen benachbarten Turbinenschaufelplattformen kann ein vorzeitiges Versagen der Turbinenschaufeln aufgrund von übermäßiger Hitze verursachen.
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Verschiedene Systeme und Komponenten zum Regeln des Flusses von komprimiertem Gas um die Turbinenrotoranordnungen sind bekannt. Einige Systeme verwenden bekanntermaßen einen Dämpfer, der zwischen Turbinenschaufeln positioniert ist, um den Gasfluss innerhalb einer Turbinenrotoranordnung zu regeln. Es ist weiter bekannt, ein bewegbares Element zu verwenden, um den Spalt zwischen benachbarten Turbinenschaufelplattformen zu überbrücken. In einigen Fällen ist es bekannt, einen Dämpfer in Kombination mit einem bewegbaren Element zu verwenden.
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Ein Beispiel eines Systems, welches einen Dichtungskörper aufweist, der zwischen benachbarten Turbinenschaufeln positioniert ist, um einen Fluss von Gasen um eine Turbinenrotorstufe zu regulieren, wird im
US-Patent Nr. 7,097,429 von Athans u. a. (dem '429-Patent) beschrieben. Das '429-Patent offenbart eine Rotorscheibe, die eine Vielzahl von Turbinenschaufeln aufweist. Jede Turbinenschaufel weist einen Luftflügel, eine Plattform und einen Schaft auf. Der Schaft kann sich nach unten zu einem Schwalbenschwanz mit mehreren Ansätzen bzw. Vorsprüngen erstrecken, um die Turbinenschaufel an der Rotorscheibe zu befestigen. Der Dichtungskörper ist zwischen den Schäften und unter den Plattformen von benachbarten Turbinenschaufeln positioniert. Der Dichtungskörper weist eine vergrößerte Dichtungsplatte auf, die an einem vorderen Ende des Dichtungskörpers angeordnet ist. Die vergrößerte Platte überlappt vordere Stirnseiten von benachbarten Schäften, um eine Dichtung vorzusehen. Der Dichtungskörper dichtet auch an einem hinteren Ende ab, und zwar mit einem rechtwinkligen Kopf, der über einem Paar vonaxialen Ansätzen oder Dornen angeordnet ist. Die vergrößerte Platte weist eine kleine Einlassöffnung zum Zumessen einer kleinen Menge von Spülluft zwischen den Schäften während des Betriebes auf, um die Temperatur der Scheibe zu steuern.
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Obwohl das System des '429-Patentes die Verwendung eines Dichtungskörpers zwischen Schäften von benachbarten Turbinenschaufeln offenbaren mag, bleiben gewisse Nachteile. Beispielsweise offenbart der Dichtungskörper des '429-Patentes einen kleinen Kopf am hinteren Ende, der anfällig für eine Gasleckage sein kann. Weiterhin gestattet der Dichtungskörper des '429-Patentes nicht, dass ein Fluss von Kühlgas um eine äußere Kante der vergrößerten Dichtungsplatte an der vorderen Stirnseite der Turbinenschäfte geregelt wird.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf einen Dämpfer für eine Turbinenrotoranordnung eines Gasturbinenmotors gerichtet. Der Dämpfer kann eine vordere Platte aufweisen. Der Dämpfer kann weiter eine hintere Platte aufweisen, die eine größere Oberfläche aufweist als die vordere Platte. Die hintere Platte kann zumindest eine Öffnung zum Regeln eines Gasflusses durch die hintere Platte aufweisen. Der Dämpfer kann auch eine langgestreckte Struktur aufweisen, die die vordere Platte und die hintere Platte verbindet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Regeln eines ersten Flusses von Gasen und eines zweiten Flusses von Gasen innerhalb einer Turbinenrotoranordnung gerichtet, wobei die Turbinenrotoranordnung ein Paar von Turbinenschaufeln und einen Dämpfer aufweist, der an einem Turbinenrotor befestigt ist. Das Verfahren kann aufweisen zu gestatten, dass eine erste Menge des ersten Gasflusses über eine vordere Platte des Dämpfers fließt und in einen unter der Plattform liegenden Hohlraum eintritt, der zwischen dem Paar von Turbinenschaufeln und einer Außenumfangskante des Turbinenrotors gebildet wird. Das Verfahren kann weiter das Regeln einer zweiten Menge des ersten Gasflusses aufweisen, die aus dem Hohlraum unter der Plattform austritt, so dass ein positiver Druck in dem Hohlraum unter der Plattform erzeugt wird, um zu unterdrücken, dass der zweite Gasfluss in den Hohlraum unter der Plattform eintritt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Gasturbinenmotors gemäß der vorliegenden Offenbarung, der auf einer stationären Tragstruktur montiert ist;
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2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Teils einer Turbinenrotoranordnung des Gasturbinenmotors der 1, die einen beispielhaften Turbinendämpfer aufweist;
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3 ist eine teilweise quergeschnittene Ansicht eines Paares von benachbarten Turbinenschaufeln der Turbinenrotoranordnung der 2;
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4 ist eine schematische Veranschaulichung der Turbinenrotoranordnung der 2 mit einer zusätzlichen Turbinenschaufel, gesehen von einer vorderen Stirnseite der Turbinenrotoranordnung in einer Richtung nach hinten entlang eines Schnittwinkels bzw. Anstellwinkels des Turbinenrotors;
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5 ist eine schematische Veranschaulichung der Turbinenrotoranordnung der 2 mit zwei zusätzlichen Turbinenschaufeln, gesehen von einer hinteren Stirnseite der Turbinenrotoranordnung in einer Richtung nach vorne entlang einer Drehachse des Turbinenrotors,
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6 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Turbinendämpfers der 2 getrennt von der Turbinenrotoranordnung; und
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7 ist eine schematische Veranschaulichung des beispielhaften Turbinendämpfers der 6 von einer entgegengesetzten Seite.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht einen Gasturbinenmotor bzw. GTE 10, der an einer stationären Tragstruktur 12 montiert ist. Der Gasturbinenmotor 10 kann eine Vielzahl von Abschnitten haben, die beispielsweise einen Kompressorabschnitt 14, einen Brennerabschnitt 16 und einen Turbinenabschnitt 18 aufweisen. Der Gasturbinenmotor 10 kann auch eine Lufteinlassleitung 20 aufweisen, die an dem Kompressorabschnitt 14 angebracht ist, und eine Abgassammelbox 22, die an dem Turbinenabschnitt 18 angebracht ist.
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Während des Betriebs des Gasturbinenmotors 10, kann der Kompressorabschnitt 14 Luft in den Gasturbinenmotor 10 durch die Lufteinlassleitung 20 hereinziehen und kann die Luft komprimieren, bevor zumindest ein Teil der komprimierten Luft in den Brennerabschnitt 16 eintritt, um einer Verbrennung ausgesetzt zu sein. Zumindest ein Teil der restlichen komprimierten Luft (im Folgenden als ”Fluss von kalten Gasen” bezeichnet) kann für nicht mit der Verbrennung in Beziehung stehende Zwecke verwendet werden (beispielsweise zum Kühlen von einem oder mehreren Abschnitten des Gasturbinenmotors 10) und kann durch den Gasturbinenmotor 10 getrennt von dem Teil der komprimierten Luft laufen, der für Verbrennungszwecke verwendet wird, beispielsweise durch eine (nicht gezeigte) Wand. Der Teil der komprimierten Luft, der für die Verbrennung vorgesehen ist, kann sich mit Brennstoff vermischen und die Luft/Brennstoff-Mischung kann im Brennerabschnitt 16 gezündet werden. Die daraus resultierenden Verbrennungsgase (im Folgenden als ”Fluss von heißen Gasen” bezeichnet), die vom Brennerabschnitt 16 erzeugt werden, können durch den Turbinenabschnitt 18 geleitet werden, um eine oder mehrere Turbinenrotoranordnungen 24 (von denen eine teilweise in 2 gezeigt ist) zu drehen, die an einer Antriebswelle 26 angebracht sind, um Drehleistung zu liefern. Nach dem Durchlaufen durch den Turbinenabschnitt 18 kann der Fluss von heißen Gasen, der im Brennerabschnitt 16 erzeugt wird, in die Abgassammelbox 22 geleitet werden, bevor er in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Die Lufteinlassleitung 20, der Kompressorabschnitt 14, der Brennerabschnitt 16, der Turbinenabschnitt 18 und die Abgassammelbox 22 können entlang einer Längsachse 28 des Gasturbinenmotors 10 ausgerichtet sein. Die Verwendung der Ausdrücke ”heiß” und ”kalt” bezüglich des Flusses von Gasen soll nur bedeuten, dass der ”Fluss von heißen Gasen” im Allgemeinen auf einer höheren Temperatur ist als der ”Fluss von kalten Gasen”.
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Die Turbinenrotoranordnung 24 kann die Antriebswelle 26 drehen, die Drehleistung zu einer (nicht gezeigten) Last übertragen kann, beispielsweise zu einem Generator, zu einem Kompressor oder zu einer Pumpe. Eine Vielzahl von Turbinenrotoranordnungen 24 kann axial auf der Antriebswelle 26 entlang der Längsachse 28 angeordnet sein, um eine Vielzahl von Turbinenstufen zu bilden. Beispielsweise kann der Turbinenabschnitt 18 vier Turbinenstufen aufweisen. Jede Turbinenrotoranordnung 24 kann auf der gemeinsamen Antriebswelle 26 montiert sein oder jede Turbinenrotoranordnung 24 kann auf getrennten koaxialen Antriebswellen (nicht gezeigt) montiert sein.
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Wie in den 2 bis 5 gezeigt, kann die Turbinenrotoranordnung 24 verschiedene Komponenten aufweisen, die beispielsweise einen Turbinenrotor 30, eine Turbinenschaufel 32, ein Dichtungselement 34 und einen Dämpfer 36 aufweisen. 2 veranschaulicht die relativen Positionen der Turbinenschaufel 32, des Dichtungselementes 34 und des Dämpfers 36 am Turbinenrotor 30. 3 veranschaulicht eine teilweise quergeschnittene Ansicht eines Raums, der zwischen benachbarten Turbinenschaufeln 32 gebildet wird, und der Bewegung des Dichtungselementes 34. 4 veranschaulicht eine vordere Seite der Turbinenrotoranordnung 24, die einen Dämpfer 36 aufweist, der zwischen einem Paar von Turbinenschaufeln 32 positioniert ist. 4 veranschaulicht weiter, dass der Dämpfer 36 einen Spalt 82 freilassen kann, um einen Fluss von kalten Gasen um eine Außenkante 84 der vorderen Platte 76 in einem unter der Plattform liegenden Hohlraum 60 aufzunehmen. 5 veranschaulicht eine hintere Seite bzw. Rückseite der Turbinenrotoranordnung 24, die drei Turbinenschaufeln 32 und einen Dämpfer 36 aufweist. 5 veranschaulicht weiter, dass der Dämpfer 36 den Fluss von kalten Gasen 46 um eine äußere Kante 86 der hinteren Platte 78 einschränken kann, jedoch gestatten kann, dass ein kleiner Teil des Flusses von kalten Gasen 46 aus dem Hohlraum 60 unter der Plattform durch eine oder mehrere Öffnungen 118 der hinteren Platte 78 austreten kann.
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Obwohl die Turbinenrotoranordnung 24 nur teilweise in 2 mit nur einer einzigen Turbinenschaufel 32, einem einzigen Dichtungselement 34 und einem einzigen Dämpfer 36 veranschaulicht ist, sei bemerkt, dass jede Turbinenrotoranordnung 24 eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 32, eine Vielzahl von Dichtungselementen 34 und eine Vielzahl von Dämpfern 36 aufweisen kann, die in Umfangsrichtung um den Turbinenrotor 30 positioniert sind. Der Turbinenrotor 30 kann eine vordere Stirnseite bzw. Vorderseite 38, eine hintere Stirnseite bzw. Rückseite 40 (in 5 gezeigt) und eine in Umfangsrichtung äußere Kante 42 aufweisen. Der Turbinenrotor 30 kann auch eine Vielzahl von Schlitzen 58 aufweisen, die sich durch den Turbinenrotor 30 erstrecken, wobei jeder Schlitz 58 konfiguriert sein kann, um eine entsprechende Turbinenschaufel 32 zu sichern bzw. zu befestigen.
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Für die Zwecke dieser Beschreibung können Elemente, die als ”Vorder-” bzw. ”vorne” bezeichnet werden, stromaufwärts von entsprechenden Elementen liegen, die als ”Hinter-” bzw. ”hinten” bezeichnet werden. Das heißt, der typische Fluss von heißen Gasen innerhalb des Gasturbinenmotors 10 wird an ”vorderen” Elementen zuerst vorbeilaufen, bevor er an ”hinteren” Elementen vorbeiläuft. Ein Fluss von heißen Gasen, wie er vom Pfeil 44 gezeigt wird, und ein Fluss von kalten Gasen, wie er vom Pfeil 46 gezeigt wird, können durch den Turbinenabschnitt 18 über die Turbinenrotoranordnung 24 in einer Richtung von vorne nach hinten laufen. Wie oben beschrieben, kann der Fluss von heißen Gasen 44 gewöhnlicher Weise vom Fluss von kalten Gasen 46 durch eine Wand getrennt sein (nicht gezeigt).
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Jede Turbinenschaufel 32 kann einen Luftflügel 48 aufweisen, der sich von einer Turbinenplattform nach oben erstreckt. Weiterhin kann jede Turbinenschaufel 32 eine Wurzelstruktur 52 aufweisen, die sich von der Turbinenplattform 50 nach unten erstreckt. Die Wurzelstruktur 52 kann einen Schaft 53 und einen unteren Teil 55 aufweisen. Der untere Teil 55 der Wurzelstruktur 52 kann eine Form haben, die eine Reihe von Vorsprüngen aufweist, die voneinander in radialer Richtung beabstandet sind, und zwar zur Aufnahme in ähnlich geformten Schlitzen 58 des Turbinenrotors 30. Wie in 2 gezeigt, kann die Wurzelstruktur 52 eine tannenbaumartige Form haben. Die Wurzelstruktur 52 der Turbinenschaufel 32 kann eine vordere Stirnseite 54 und einen hintere Stirnseite 56 (in 5 gezeigt) aufweisen. Wenn ein Paar von Turbinenschaufeln 32 in benachbarten Schlitzen 58 des Turbinenrotors 30 montiert ist, kann ein Hohlraum 60 unter der Plattform (am Besten in der Querschnittsansicht der 3 gezeigt) zwischen den Schäften 53 von benachbarten Wurzelstrukturen 52 geformt werden, und zwar unter benachbarten Turbinenplattformen 50 und über der in Umfangsrichtung äußeren Kante 42 des Turbinenrotors 30. Weiterhin kann, wie in 2 gezeigt, der Hohlraum 60 unter der Plattform ein vorderes Ende 61 benachbart zur vorderen Stirnseite 38 des Turbinenrotors 30 und ein hinteres Ende 63 benachbart zur hinteren Stirnseite 40 des Turbinenrotors 30 aufweisen.
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Wie am Besten in 3 veranschaulicht, kann jede Turbinenschaufel 32 eine Druckseite 62 und eine Ansaugseite 64 aufweisen. Das heißt, die Druckseite 62 kann auf einer Seite der Turbinenschaufel 32 gelegen sein, die eine im Allgemeinen konkave Luftflügeloberfläche 65 aufweist, und die Ansaugseite 64 kann auf einer Seite der Turbinenschaufel 32 gelegen sein, die eine im Allgemeinen konvexe Luftflügeloberfläche 67 aufweist (am Besten in 5 veranschaulicht). Jede Turbinenschaufel 32 kann eine schräge Stirnseite 66 auf der Druckseite entlang einer Turbinenplattform 50 haben. Eine Druckseitentasche 68 kann sich in die schräge Stirnseite 66 auf der Druckseite erstrecken, um eine Bewegung des Dichtungselementes 34 aufzunehmen und zu führen. In gleicher Weise kann jede Turbinenschaufel 32 eine schräge Stirnseite 70 auf der Ansaugseite entlang der Turbinenplattform 50 aufweisen. Eine Ansaugseitentasche 72 kann sich in die schräge Stirnseite 70 auf der Ansaugseite erstrecken, um einen Teil des Dichtungselementes 34 während des Betriebs aufzunehmen. Beispielsweise kann sich das Dichtungselement 34 während des Betriebs des Gasturbinenmotors 10 unter einer Zentrifugalkraft von einer ersten Position (in gestrichelten Linien veranschaulicht) in der Druckseitentasche 68 in eine zweite Position (in durchgezogenen Linien veranschaulicht) zumindest teilweise innerhalb von sowohl der Druckseitentasche als auch der Ansaugseitentasche 72 bewegen, um einen Spalt 74 zu überbrücken, der die schrägen Stirnseiten 66, 70 von benachbarten Turbinenschaufeln 32 trennt. Das heißt, das Dichtungselement 34 kann dazu dienen, die Gasflüsse 44, 46 durch den Spalt 74 zwischen dem Hohlraum 60 unter der Plattform und einem Flusspfad 75 des Flusses von heißen Gasen 44 außerhalb der Turbinenplattform 50 zu regeln. In einem beispielhaften in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Dichtungselement 34 eine Stiftdichtung mit einer im Wesentlichen langgestreckten zylindrischen Form sein. Jedoch kann das Dichtungselement 34 irgendeine andere Form oder Grüße haben, die ausreicht, um den Fluss von Gasen 44, 46 durch den Spalt 74 zu regeln.
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Wie am Besten in 2 veranschaulicht, kann der Dämpfer 36 am Turbinenrotor 30 positioniert sein, um weiter die Gasflüsse 44, 46 zu regeln. Es wird in Betracht gezogen, dass der Dämpfer 36 benachbart zur äußeren Umfangskante 42 des Turbinenrotors 30 und zwischen benachbarten Wurzelstrukturen 52 positioniert sein kann. Der Dämpfer 36 kann eine vordere Platte 76 aufweisen, die mit einer hinteren Platte 78 durch eine langgestreckte Struktur 80 verbunden ist. Wenn der Dämpfer 36 am Turbinenrotor 30 befestigt ist, kann die vordere Platte 76 benachbart zur vorderen Stirnseite 38 des Turbinenrotors 30 positioniert sein, und eine hintere Platte 78 kann benachbart zur hinteren Stirnseite 40 des Turbinenrotors 30 positioniert sein. Wie am Besten in 4 veranschaulicht, kann die vordere Platte 76 bemessen sein, um zu gestatten, dass der Fluss von kalten Gasen 76 durch einen Spalt 82 fließt, der zwischen der vorderen Stirnseite 54 von benachbarten Turbinenschaufeln 32 und einer äußeren Kante 84 der vorderen Platte 76 geformt ist, wodurch gestattet wird, dass ein Teil des Flusses von kalten Gasen 46 in das vordere Ende 61 des Hohlraums 60 unter der Plattform eintritt. Im Gegensatz dazu kann die hintere Platte 78 großer sein (d. h. eine größere Querschnittsfläche haben) als die vordere Platte 76, die am Besten in 5 veranschaulicht ist, und eine äußere Kante 86 aufweisen, die sich weiter nach außen erstreckt als die äußere Kante 84 der vorderen Platte 76. Der Dämpfer 36 kann den Fluss von kalten Gasen 46, der um die äußere Kante 86 der hinteren Platte 78 herum fließt, begrenzen, weil die hintere Platte 78 eine Oberfläche 88 (in 7 gezeigt) aufweisen kann, welche gegen die hinteren Stirnseiten 56 der benachbarten Turbinenschaufeln 32 anliegt. Daher kann die hintere Platte 78 im Wesentlichen vollständig das hintere Ende 63 des Hohlraums unter der Plattform abdecken. Daher kann der Dämpfer 36 einen Zutritt von kalten Gasen 46 in das vordere Ende 61 des Hohlraums 60 unter der Plattform gestatten, während im Wesentlichen ein Austritt von kalten Gasen 46 durch das hintere Ende 63 des Hohlraums 60 unter der Plattform begrenzt wird, wodurch eine Drucksteigerung in dem Hohlraum 60 unter der Plattform bewirkt wird.
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Der Dämpfer 36 kann am Rotor 30 durch ein Vorspannelement an der vorderen Platte 76 oder der hinteren Platte 78 am Platz gehalten werden, beispielweise mit einer Presspassung. Wie am Besten in 6 gezeigt, kann die vordere Platte 76 eine Vorspannlippe 90 aufweisen, die sich entlang eines äußeren Endes eines unteren Teils 92 der vorderen Platte 76 erstreckt. Die Vorspannlippe 90 kann dazu tendieren, den unteren Teil 92 der vorderen Platte 76 in einer Richtung zur hinterer Platte 78 hin zu drücken. Wenn der Dämpfer 36 am Turbinenrotor 30 befestigt ist, kann die Vorspannlippe 90 dazu dienen, den Dämpfer 36 am Platz zu halten, indem die vordere Platte 76 gegen die vordere Stirnseite 38 des Turbinenrotors 30 gedrückt wird, während die hintere Platte 78 gegen die hintere Stirnseite 40 des Turbinenrotors 30 und gegen die hinteren Stirnseiten 56 von benachbarten Wurzelstrukturen 52 gezogen wird. Es wird in Betracht gezogen, dass der untere Teil 92 der vorderen Platte 76 eine verjüngte Dicke haben kann, um den Vorspanneffekt der vorderen Platte 76 zu verbessern und die strukturellen Spannungen am Dämpfer 36 zu verringern.
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Eine vordere Sitzfläche 94 kann sich in Längsrichtung nach innen von einem oberen Teil 96 der vorderen Platte 76 erstrecken. In ähnlicher Weise kann sich eine hintere Sitzfläche 98 in Längsrichtung nach innen von einem oberen Teil 100 der hinteren Platte 78 erstrecken. Die vorderen und hinteren Sitzflächen 94, 98 können geformt sein, um zu einer unteren Geometrie 102 der Turbinenplattformen 50 zu passen, so dass während des Betriebes des Gasturbinenmotors 10 eine nach radial außen gerichtete Bewegung des Dämpfers 36 aufgrund einer Zentrifugalkraft durch die vorderen und hinteren Sitzflächen 94, 98 begrenzt sein kann, welche die untere Geometrie 102 (am Besten in 5 veranschaulicht) der Turbinenplattformen 50 berühren. Beispielsweise können die vorderen und hinteren Sitzflächen 94, 98 keilförmig sein, um zu der im Allgemeinen keilförmigen Geometrie zu passen, die durch die untere Geometrie 102 von benachbarten Turbinenplattformen 50 geformt wird.
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Wie am Besten in den 6 und 7 veranschaulicht, kann die langgestreckte Struktur 80 des Dämpfers 36 eine mittige Wand 104 und mindestens ein verstärkendes Strukturelement aufweisen. Beispielsweise kann die langgestreckte Struktur 80 ein äußeres Strukturelement 106 und ein inneres Strukturelement 108 aufweisen, um dem Dämpfer 36 eine verstärkte strukturelle Steifigkeit zu geben. Daher kann die langgestreckte Struktur 80 in einer beispielhaften Ausführung I-förmig im Querschnitt sein. Die langgestreckte Struktur 80 kann eine Ausnehmung 110 aufweisen, die sich beispielsweise durch das innere strukturelle Element 108 und die mittige Wand 104 erstreckt, um die Vorspanncharakteristiken der vorderen Platte 76 zu unterstützen. Weiterhin kann die Ausnehmung 110 benachbart zur vorderen Platte 76 gelegen sein, was den Bereich der Vorspannbewegung vergrößern kann, die durch die vordere Platte 76 zugelassen wird. Weiterhin kann eine langgestreckte Struktur 80 ein oder mehrere Durchlässe aufweisen, die einen Fluss von Gasen dort hindurch gestatten. Während ein einziger Durchlass 112 in der mittigen Wand 104 benachbart zur hinteren Platte 78 gezeigt ist, kann jegliche Anzahl oder jegliche Orientierung der Durchlässe 112 in der langgestreckten Struktur 80 eingesetzt werden. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die langgestreckte Struktur 80 ein oder mehrere Füße aufweisen kann, so dass diese auf der äußeren Umfangskante 42 des Turbinenrotors 30 ruhen. Beispielsweise kann die langgestreckte Struktur 80 einen vorderen Fuß 114 (am Besten in 6 veranschaulicht) und einen hinteren Fuß 116 (am Besten in 7 veranschaulicht) aufweisen, wobei ein Fluss von Gasen innerhalb des Hohlraums 60 unter der Plattform frei unter der langgestreckten Struktur 80 zwischen den vorderen und hinteren Füßen 114, 116 fließen kann.
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Wie zuvor beschrieben, kann die hintere Platte 78 bemessen sein, um im Wesentlichen den Fluss von kalten Gasen 76 davon abzuhalten, aus dem Hohlraum 60 unter der Plattform über das hintere Ende 63 auszutreten, was eine Steigerung des Druckes in dem Hohlraum 60 unter der Plattform bewirken kann. Wie in 6 veranschaulicht, wird auch in Betracht gezogen, dass die hintere Platte 78 eine oder mehrere Öffnungen 118 aufweisen kann, um zu gestatten, dass ein Teil des Flusses von kalten Gasen 46 in dem Hohlraum 60 unter der Plattform durch die hintere Platte 78 in geregelter Weise herausfließen kann, beispielsweise um stromabwärts gelegene Komponenten des Gasturbinenmotors 10 zu kühlen. Irgendeine Anzahl oder Orientierung der Öffnungen 118, die ausreicht, um den Fluss von kalten Gasen 76 zu den stromabwärts gelegenen Komponenten des Gasturbinenmotors 10 zu regeln, kann ausgeführt werden. Es wird in Betracht gezogen, dass die hintere Wand 78 eine einzelne Öffnung 118 aufweisen kann, die mittig benachbart zum Durchlass 112 gelegen ist. Alternativ, wie in 5 veranschaulicht, kann eine Vielzahl von Öffnungen 118 durch die hintere Platte 78 vorgesehen sein, um den Fluss von kalten Gasen 46 zu regeln.
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Es wird in Betracht gezogen, dass jeder Schlitz 58 des Turbinenrotors 30 einen Schnitt- bzw. Anstellwinkel aufweisen kann. Das heißt, wenn sich jeder Schlitz 58 über die äußere Umfangskante 52 von der vorderen Stirnseite 38 des Turbinenrotors 30 zur hinteren Stirnseite 40 des Turbinenrotors 30 erstreckt, kann jeder Schlitz 58 relativ zu den vorderen und hinteren Stirnseiten 38, 40 in Umfangsrichtung abgewinkelt sein. Beispielsweise kann der Schnittwinkel von jedem der Schlitze 58 des Turbinenrotors 30 entlang einer Umfangsrichtung zwischen Null und 25 Grad abgewinkelt sein. In einer beispielhaften Ausführung kann der Schlitz 58 einen Schnittwinkel von 12 Grad aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass jede Turbinenschaufel 32 und jeder Dämpfer 36 einen passenden Schnittwinkel bezüglich seines entsprechenden Schlitzes 58 innerhalb des Turbinenrotors 30 aufweisen kann. Das heißt, jede Wurzelstruktur 52 der Turbinenschaufel 32 kann bezüglich der vorderen Stirnseite 54 der Wurzelstruktur 52 in einem Winkel angeordnet sein, um zu dem Schnittwinkel seines entsprechenden Schlitzes 58 zu passen. Weiterhin kann der Dämpfer 36 den Schnittwinkel aufweisen, in dem die langgestreckte Struktur 80 relativ zu sowohl der vorderen Platte 76 als auch der hinteren Platte 78 um den Schnittwinkel gedreht bzw. abgewinkelt ist.
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Während der Dämpfer 36 bezüglich der beispielhaften Ausführungen der 6 und 7 beschrieben und gezeigt wurde, wird in Betracht gezogen, dass andere Konfigurationen des Dämpfers 36 ebenfalls ausgeführt werden könnten. Beispielsweise kann die vordere Platte 76 des Dämpfers 36 ein oder mehrere (nicht gezeigte) Durchlässe aufweisen, um weiter den Fluss von kalten Gasen 46 in den Hohlraum 60 unter der Plattform zu regeln. Weiterhin kann der Dämpfer 36 ohne das Dichtungselement 34 verwendet werden, oder er kann mit einer anderen Art von Dichtungselement 34 verwendet werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die offenbarte Turbinenrotoranordnung kann bei jedem Drehleistungssystem anwendbar sein, beispielsweise bei einem Gasturbinenmotor bzw. Gasturbinentriebwerk. Der Vorgang des Montierens der Turbinenrotoranordnung 24 (d. h. einschließlich des Turbinenrotors 30, der Turbinenschaufeln 32, der Dichtungselemente 34 und der Dämpfer 36) und der Vorgang des Regelns der Gasflüsse 44, 46 über die Turbinenrotoranordnung 24 wird nun beschrieben.
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Während der Montage der Turbinenrotoranordnung 24 kann jeder Dämpfer 36 am Turbinenrotor 30 angebracht werden, beispielsweise durch eine Presspassung. Um den Dämpfer 36 am Turbinenrotor 30 zu positionieren, kann die Vorspannlippe 90 der vorderen Platte 76 temporär in einer Richtung weg von der hinteren Platte 78 gedrückt werden, um ein ausreichendes Spiel vorzusehen, damit die vorderen und hinteren Platten 76, 78 des Dämpfers 36 über die äußere Umfangskante 42 passen. Sobald der Dämpfer 36 ordnungsgemäß auf dem Turbinenrotor 30 zwischen einem der Schlitze 58 positioniert ist, kann der Turbinenrotor 30 sandwichartig zwischen den vorderen und hinteren Platten 76, 78 aufgenommen werden.
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Die Turbinenschaufeln 32 können verschiebbar in den Schlitzen 58 des Turbinenrotors 30 montiert werden, beispielsweise in einer Richtung von vorne nach hinten. Wie in 4 veranschaulicht, kann eine erste Turbinenschaufel 32A zu einer Seite (beispielsweise einer Ansaugseite) verschiebbar in einem ersten Schlitz 58A des Turbinenrotors 30 von einem der Dämpfer 36 montiert sein. Ein (in 3 gezeigtes) Dichtungselement 34 kann innerhalb der Druckseitentasche 68 der ersten Turbinenschaufel 32A positioniert sein, beispielsweise vor dem Einbau einer zweiten Turbinenschaufel 32B. Die zweite Turbinenschaufel 32B kann verschiebbar im zweiten Schlitz 58B montiert werden. Wie in 4 gezeigt, kann die vordere Platte 76 des Dämpfers 36 ein ausreichendes Spiel vorsehen, um zu gestatten, dass die ersten und zweiten Turbinenschaufeln 32A, 32B in die ersten und zweiten Schlitze 58A, 58B am Dämpfer 36 vorbei gleiten. Anstatt alle Dämpfer 36 vor dem Einbau der Turbinenschaufeln 32 einzubauen, wird auch in Betracht gezogen, dass die Dämpfer 36 am Turbinenrotor 30 zwischen dem Einbau von benachbarten ersten und zweiten Turbinenschaufeln 32A, 32B eingebaut werden. Der Vorgang des Einbauens der Turbinenschaufeln 32, des Dichtungselementes 34 und der Dämpfer 36 am Turbinenrotor 30, um eine Turbinenrotoranordnung 24 zu bilden, kann wiederholt werden, bis alle Schlitze 58 auf dem Turbinenrotor 30 von einer Turbinenschaufel 32 eingenommen werden.
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Sobald die Turbinenrotoranordnung 24 vollständig zusammengebaut ist und der Gasturbinenmotor 10 bereit zum Betrieb ist, kann die Turbinenrotoranordnung 24 dabei helfen, den Fluss der Gase 44, 46 durch den Turbinenabschnitt 18 zu regeln. Während des Betriebes kann der Fluss von heißen Gasen 44 gegen die Turbinenschaufeln 32 bewirken, dass die Turbinenrotoranordnung 24 rotiert. Wie oben besprochen, kann eine Zentrifugalkraft, die durch die Drehung der Turbinenrotoranordnung 24 verursacht wird, dazu tendieren, das Dichtungselement 34 von einer (in gestrichelten Linien gezeigten) ersten Position nach außen zu einer (in durchgezogenen Linien gezeigten) zweiten Position zu bewegen, wo es den Spalt 74 überspannen kann und das Hereinfließen von heißen Gasen 44 dort hindurch begrenzen kann.
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Weiterhin kann der Fluss von kalten Gasen 46 über die vorderen Stirnseiten 54 der Wurzelstrukturen 52 fließen und kann durch den Spalt 82 fließen, der zwischen der äußeren Kante 84 der vorderen Platte 76 des Dämpfers 36 und der vorderen Stirnseite 54 der benachbarten Wurzelstrukturen 52 geformt wird, und kann weiter in das vordere Ende 61 des Hohlraums 60 unter der Plattform fließen. Der Fluss von kalten Gasen 46, der in den Hohlraum 60 unter der Plattform eintreten kann, kann dazu tendieren, den Druck innerhalb des Hohlraums 60 unter der Plattform auf einen höheren Druck zu steigern als außerhalb des Hohlraums 60 unter der Plattform (beispielsweise im Flusspfad 75), weil die Oberfläche 88 der hinteren Platte 78 dazu tendieren kann, gegen die hintere Stirnseite 56 der Wurzelstrukturen 52 anzuliegen, um das Herausfließen von kalten Gasen 46 aus dem hinteren Ende 63 des Hohlraums 60 unter der Plattform einzuschränken. Das heißt, der Fluss von kalten Gasen 46 kann am hinteren Ende 63 des Hohlraums 60 unter der Plattform mehr eingeschränkt sein als am vorderen Ende 61 des Hohlraums 60 unter der Plattform. Daher kann die positive Druckdifferenz, die in dem Hohlraum 60 unter der Plattform erzeugt wird, und zwar im Vergleich zu dem niedrigeren Druck außerhalb des Hohlraums 60 unter der Plattform dazu tendieren, das Eintreten des Flusses von heißen Gasen 44 in den Hohlraum 60 unter der Plattform durch den Spalt 74 zu unterdrücken. Da der Gasfluss dazu tendiert, sich von Bereichen mit höherem Druck zu Bereichen mit niedrigerem Druck zu bewegen, kann der Fluss von kalten Gasen 46 unter höherem Druck innerhalb des Hohlraums 60 unter der Plattform dazu tendieren, das Eintreten des Flusses von heißen Gasen 44 durch den Spalt 74 zu unterdrücken.
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Zusätzlich kann der Dämpfer 36 den Fluss von kalten Gasen 46 zu stromabwärts gelegenen Komponenten des Gasturbinenmotors 10 regeln, beispielsweise durch eine oder mehrere Öffnungen 118 der hinteren Platte. Um einen positiven Druck innerhalb des Hohlraums 60 unter der Plattform aufrechtzuerhalten, wird in Betracht gezogen, dass der Spalt 82 am vorderen Ende 61 des Hohlraums 60 unter der Plattform weniger einschränkend ist als die Öffnungen 118 am hinteren Ende 63 des Hohlraums 60 unter der Plattform.
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Durch Einsätzen eines Dämpfers 36, der einen positiven Druck innerhalb des Hohlraums 60 unter der Plattform erzeugt, um den Eintritt von heißen Gasen 44 zu unterdrücken, können die offenbarten Konfigurationen die Wahrscheinlichkeit verringern, dass der Fluss von heißen Gasen 44 eine vorzeitige Ermüdung der Turbinenschaufeln 32 bewirkt, beispielsweise nahe den Turbinenplattformen 50. Weiterhin kann die Verwendung des Dichtungselements 34 und des Dämpfers 36 in Kombination weiter den Fluss von heißen Gasen 44 durch den Spalt 74 und in den Hohlraum 60 unter der Plattform begrenzen, wodurch weiter die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass der Fluss von heißen Gasen 44 die Turbinenschaufeln 32 beschädigt.
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Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an der offenbarten Turbinenschaufelanordnung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsformen der Turbinenschaufelanordnung werden dem Fachmann bei einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung des hier offenbarten Systems offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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