DE112013006128T5

DE112013006128T5 - Laufschaufel und zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE112013006128T5
Application number: DE112013006128.7T
Authority: DE
Inventors: Mark Andrew Jones
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-10-08
Also published as: US20140255194A1; WO2014137441A1

Abstract

Es ist eine Laufschaufel zur Verwendung in einer Turbine eines Turbinenantriebs beschrieben. Die Laufschaufel kann ein Schaufelblatt enthalten, das sich von einer Verbindung mit einer Wurzel aus erstreckt. Das Schaufelblatt kann eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand, die einen äußeren Umfang definieren, und eine äußere Spitze enthalten. Die Laufschaufel kann ferner eine Spitzendeckbandanordnung enthalten, die an der äußeren Spitze des Schaufelblattes angeordnet ist. Die Spitzendeckbandanordnung enthält ein nicht-integrales Spitzendeckband.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Vorrichtungen und Anordnungen, die die Konstruktion und den Betrieb von Laufschaufeln in Turbinen betreffen. Insbesondere, jedoch nicht zur Beschränkung, betrifft die vorliegende Anmeldung Vorrichtungen und Anordnungen, die Spitzendeckbänder von Turbinenlaufschaufeln betreffen.
Während die hierin angegebenen Beispiele in erster Linie auf Verbrennungsturbinen gerichtet sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die vorliegende Erfindung auf die Laufschaufeln anwendbar ist, die in Verbrennungs- oder Dampfturbinen eingesetzt werden. In einer Verbrennungsturbine, die Energieerzeugungs-, Flugzeug- oder andere Turbinenarten umfassen kann, wird unter Druck gesetzte Luft verwendet, um einen Brennstoff zu verbrennen, um so eine Strömung von heißen Verbrennungsgasen zu erzeugen, die dann durch eine oder mehrere Turbinen geleitet werden, die Energie gewinnen. Gemäß einer derartigen Turbine erstrecken sich im Allgemeinen Reihen von längs des Umfangs beabstandeten Turbinenlaufschaufeln von einer tragenden Laufscheibe aus radial nach außen. Jede Laufschaufel enthält gewöhnlich einen Schwalbenschwanz, der eine Montage und Demontage der Laufschaufel in/von einem entsprechenden Schwalbenschwanzschlitz in der Laufscheibe ermöglicht, sowie ein Schaufelblatt, das sich von dem Schwalbenschwanz aus radial nach außen erstreckt und mit der Strömung des durch die Turbine strömenden Arbeitsfluids wechselwirkt. Das Schaufelblatt weist eine Druckseite und eine Saugseite auf, die sich in Axialrichtung zwischen entsprechender Vorder- und Hinterkante und in Radialrichtung zwischen einer Wurzel und einer Spitze erstrecken. Es wird verstanden, dass sich die Laufschaufelspitze in engem Abstand zu einem radial äußeren Turbinenmantel befindet, um eine Leckage der Verbrennungsgase, die stromabwärts zwischen den Turbinenlaufschaufeln strömen, dazwischen zu minimieren.
Häufig sind an hinteren Stufen oder Laufschaufeln Spitzendeckbänder implementiert, um eine Dämpfung zu erzielen und die Leckage des Arbeitsfluids über der Spitze zu reduzieren. Die Konstruktion eines Spitzendeckbandes ist anspruchsvoll, weil das Material hohen Temperaturen und starken Kräften für tausende von Betriebsstunden ausgesetzt ist, was zur Ermüdung und zum Kriechen führt, und die Konstruktionskriterien bei den gegebenen momentanen Materialbeschränkungen wenig Raum für einen Kompromiss bieten. In aerodynamischer Hinsicht sind große Spitzendeckbänder erwünscht, weil sie den Gaspfad effektiver abdichten, wobei jedoch große Spitzendeckbänder schwierig sind, weil sie die Zugbelastung auf die Laufschaufel erhöhen, was die Beanspruchung und Kriechprobleme verstärkt.
Herkömmliche Konstruktionen von Spitzendeckbändern bieten verschiedene Möglichkeiten, um Betriebsbelastungen in diesem Bereich zu mildern, wobei diese jedoch dabei nur wenig Erfolg hatten. Ein Scalloping (Aushöhlung oder eine Reduktion der Größe) des Spitzendeckbandes stellt eine Möglichkeit dar, bei der die Größe des Spitzendeckbandes reduziert werden kann, so dass mechanische Belastungen reduziert werden, wobei jedoch im Allgemeinen der notwendige Kompromiss zwischen der Größe und der aerodynamischen Funktion unerwünscht ist. Außerdem muss, da moderne Turbinenkonstruktionen die Temperaturen und die kreisringförmige Fläche durch den Heißgaspfad vergrößern, so dass ein größerer Wirkungsgrad erreicht wird, die Größe der Spitzendeckbänder weiter abnehmen, so dass Kriech- und Ermüdungsprobleme, die mit dem Spitzendeckband verbunden sind, die Lebensdauer der Laufschaufel, die gewöhnlich zehntausende von Stunden lang ist, nicht begrenzen. Eine Kühlung der Spitzendeckbänder mit einem Kühlmittel, das durch den Innenraum der Laufschaufel umgewälzt wird, ermöglicht eine längere Lebensdauer der Teile für größere Spitzendeckbänder, wobei jedoch die Herstellung der erforderlichen inneren Durchgänge zusätzliche Kosten für den Herstellungsprozess verursacht. Andere Lösungen, wie beispielsweise ein Entkernen des Spitzendeckbandes, Hinzufügung zusätzlicher Dichtungsschienen an diesem, Erhöhung der Größen der Ausrundung, die dieses an der Laufschaufel befestigt, und Reduktion des radialen Abstandes von dem Spitzendeckband zu der Achse helfen, nur einige Probleme, die mit diesem Bereich der Laufschaufel verbunden sind, zu mildern oder zu lösen. Es bleibt jedoch ein Bedarf nach Lösungen, die ein verbessertes aerodynamisches Leistungsverhalten bieten und dabei auch die Lebensdauer der Laufschaufel verlängern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit eine Laufschaufel zur Verwendung in einer Turbine eines Turbinenantriebs. Die Laufschaufel kann ein Schaufelblatt enthalten, das sich von einer Verbindung mit einer Wurzel aus erstreckt. Das Schaufelblatt kann eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand, die einen Außenumfang definieren, und eine äußere Spitze enthalten. Die Laufschaufel kann ferner eine Spitzendeckbandanordnung enthalten, die an der äußeren Spitze des Schaufelblattes angeordnet ist. Die Spitzendeckbandanordnung enthält ein nicht integrales Spitzendeckband.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Laufschaufel zur Verwendung in einer Turbine einer Verbrennungsturbine, wobei die Laufschaufel ein Schaufelblatt aufweist, das sich von einer Verbindung mit einer Wurzel aus erstreckt, wobei das Schaufelblatt eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand, die einen Außenumfang definieren, und eine äußere Spitze enthält, wobei das Verfahren die Schritte enthalten kann: Herstellen der Laufschaufel mit Verbindungsmitteln an der äußeren Spitze des Schaufelblattes; Herstellen des Deckbandes, um entsprechende Verbindungsmittel an einer inneren Oberfläche des Spitzendeckbandes zu haben; und Verbinden des Spitzendeckbandes mit dem Schaufelblatt über die Verbindungsmittel des Schaufelblattes und die entsprechenden Verbindungsmittel des Spitzendeckbandes. Die Verbindungsmittel des Schaufelblattes und die Verbindungsmittel des Spitzendeckbandes können gemeinsam eine mechanische Eingriffsverbindung aufweisen.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei der Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden beim sorgfältigen Studium der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen umfassender verstanden und erkannt, in denen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Verbrennungsturbine, in der Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können;
2 eine Schnittansicht des Verdichters in der Verbrennungsturbine nach 1;
3 eine Schnittansicht der Turbine in der Verbrennungsturbine nach 1;
4 eine Perspektivansicht einer beispielhaften Laufschaufel einer Verbrennungsturbine mit einem Spitzendeckband von herkömmlicher Konstruktion;
5 eine Drauf- oder Außenansicht einer Reihe von installierten Turbinenlaufschaufeln mit Spitzendeckbändern von herkömmlicher Konstruktion;
6 eine Seitenansicht eines nicht-integralen Spitzendeckbandes oder lösbaren Spitzendeckbandes und einer Laufschaufelanordnung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
7 eine Seitenansicht eines lösbaren Spitzendeckbandes und einer Laufschaufelanordnung in einem demontierten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
8 eine Hinteransicht des lösbaren Spitzendeckbandes und der Laufschaufelanordnung nach 7 in einem gelösten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
9 eine Draufsicht oder Außenansicht des Schaufelblattes nach 7 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
10 eine Seitenansicht des lösbaren Spitzendeckbandes und der Laufschaufelanordnung nach 7 in einem Zustand während der Montage gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
11 eine Seitenansicht des lösbaren Spitzendeckbandes und der Laufschaufelanordnung nach 7 in einem montierten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
12 eine Seitenansicht eines lösbaren Spitzendeckbandes und einer Laufschaufelanordnung in einem demontierten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
13 eine Seitenansicht eines lösbaren Spitzendeckbandes und einer Laufschaufelanordnung in einem demontierten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
14 eine Seitenansicht eines lösbaren Spitzendeckbandes und einer Laufschaufelanordnung in einem demontierten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
15 eine Drauf- oder Außenansicht der Laufschaufel und eines überlagerten Spitzendeckbandes unter Veranschaulichung der Richtung der gleitenden Eingriffsverbindung von ineinandergreifenden Komponenten im Vergleich zu der Richtung der Drehung der Laufschaufel gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
16 eine Seitenansicht eines lösbaren Spitzendeckbandes und einer Laufschaufelanordnung in einem demontierten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
17 eine Vorderansicht des lösbaren Spitzendeckbandes und der Laufschaufelanordnung nach 16 in einem gelösten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
18 eine Seitenansicht eines lösbaren Spitzendeckbandes und einer Laufschaufelanordnung in einem demontierten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
19 eine Vorderansicht des lösbaren Spitzendeckbandes und der Laufschaufelanordnung nach 18 in einem gelösten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
20 eine Seitenansicht eines lösbaren Spitzendeckbandes und einer Laufschaufelanordnung in einem demontierten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
21 eine Seitenansicht eines lösbaren Spitzendeckbandes und einer Laufschaufelanordnung in einem montierten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung; und
22 eine Vorderansicht des lösbaren Spitzendeckbandes und der Laufschaufelanordnung nach 21 in einem gelösten Zustand gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um als ein Anfang die Erfindung gemäß der vorliegenden Anmeldung deutlich abzugrenzen, kann es erforderlich sein, eine Terminologie zu wählen, die sich auf bestimmte Teile oder Maschinenkomponenten innerhalb einer Verbrennungsturbine bezieht und diese beschreibt. Wie erwähnt, werden, obwohl die hierin angegebenen Beispiele in erster Linie auf Verbrennungsturbinen gerichtet sind, Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die vorliegende Erfindung auf Laufschaufeln anwendbar ist, die in Verbrennungs- oder Dampfturbinen verwendet werden. Wann immer möglich wird die in der Industrie übliche Terminologie verwendet und in einer mit ihrer akzeptierten Bedeutung übereinstimmenden Weise eingesetzt. Jedoch ist damit gemeint, dass jeder derartigen Terminologie eine Bedeutung in weitem Sinne zu geben ist und diese nicht derart eng ausgelegt werden soll, dass die hierin beabsichtigte Bedeutung und der Schutzumfang der beigefügten Ansprüche unvernünftig beschränkt werden. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass häufig eine bestimmte Komponente mit mehreren verschiedenen Ausdrücken bezeichnet werden kann. Außerdem kann das, was hierin als ein einzelnes Teil beschrieben ist, in anderem Zusammenhang mehrere Komponenten enthalten und als aus mehreren Komponenten bestehend bezeichnet werden, oder das, was hierin als mehrere Komponenten enthaltend beschrieben sein kann, kann ansonsten als ein einzelnes Teil bezeichnet werden. An sich sollte beim Verstehen des Umfangs der vorliegenden Erfindung nicht nur auf die Terminologie und Beschreibung, wie sie hierin angegeben sind, sondern auch auf die Struktur, Konfiguration, Funktion und/oder den Einsatz der Komponente, insbesondere wie in den beigefügten Ansprüchen angegeben, geachtet werden.
Außerdem können verschiedene beschreibende Ausdrücke regelmäßig hierin verwendet werden, und es sollte sich als hilfreich erweisen, diese Ausdrücke zu Beginn dieses Abschnitts zu definieren. Demgemäß sind diese Ausdrücke und ihre Definitionen, sofern nicht etwas anderes angegeben ist, wie folgt. In dem hierin verwendeten Sinne sind „stromabwärts” und „stromaufwärts” Ausdrücke, die eine Richtung relativ zu der Strömung eines Fluids, wie beispielsweise des Arbeitsfluids, durch die Turbine oder zum Beispiel die Strömung von Luft durch die Brennkammer oder eines Kühlmittels durch eine der Turbinensystemkomponenten kennzeichnen. Somit entspricht der Ausdruck „stromabwärts” der Strömungsrichtung des Fluids, und der Ausdruck „stromaufwärts” bezieht sich auf die Richtung entgegengesetzt zu der Strömung. Die Ausdrücke „vorne” und „hinten” ohne weitere Spezifizität, beziehen sich auf die Richtungen, wobei sich „vorne” auf das vordere oder Verdichterende des Antriebs bezieht, während sich „hinten” auf das hintere oder Turbinenende des Antriebs bezieht. Der Ausdruck „radial” bezieht sich auf eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse. Es ist häufig erforderlich, Teile zu beschreiben, die eine unterschiedliche radiale Position in Bezug auf eine Mittelachse aufweisen. Falls in Fällen wie diesen eine erste Komponente sich näher an der Achse befindet als eine zweite Komponente, wird hierin angegeben, dass sich die erste Komponente „radial innen” oder „innen” von der zweiten Komponente befindet. Falls sich andererseits die erste Komponente weiter entfernt von der Achse als die zweite Komponente befindet, kann hierin angegeben werden, dass sich die erste Komponente „radial außen” oder „außen” von der zweiten Komponente befindet. Der Ausdruck „axial” bezieht sich auf eine Bewegung oder Position parallel zu einer Achse. Schließlich bezeichnet der Ausdruck „in Umfangsrichtung” bzw. „Umfangs-” eine Bewegung oder Position um eine Achse herum. Es wird erkannt, dass derartige Ausdrücke im Verhältnis zu der Mittelachse der Turbine angewandt werden können.
Als Hintergrund wird nun auf die Figuren Bezug genommen, wobei die 1 bis 3 eine beispielhafte Verbrennungsturbine veranschaulichen, in der Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können. Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art eines Einsatzes beschränkt ist. Wie angegeben, kann die vorliegende Erfindung in Verbrennungsturbinen verwendet werden, wie beispielsweise den Antrieben, die bei der Energieerzeugung und in Flugzeugen, in Dampfturbinen und anderen Arten von Rotationsmaschinen bzw. -anlagen verwendet werden. Die angegebenen Beispiele sind nicht dazu gedacht, für die Art des Turbinenantriebs beschränkend zu sein.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungsturbine 10. Allgemein arbeiten Verbrennungsturbinen, indem sie aus einer unter Druck stehenden Strömung von Heißgasen, die durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom einer verdichteten Luft erzeugt werden, Energie gewinnen. Wie in 1 veranschaulicht, kann die Verbrennungsturbine 10 mit einem Axialverdichter 11, der über eine gemeinsame Welle und einen gemeinsamen Rotor mit einem stromabwärtigen Turbinenabschnitt oder einer Turbine 13 mechanisch verbunden ist, und einer Brennkammer 12 eingerichtet sein, die zwischen dem Verdichter 11 und der Turbine 13 positioniert ist.
2 veranschaulicht eine Ansicht eines beispielhaften mehrstufigen Axialverdichters 11, der in der Verbrennungsturbine nach 1 verwendet werden kann. Wie veranschaulicht, kann der Verdichter 11 mehrere Stufen enthalten. Jede Stufe kann eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 enthalten, der eine Reihe von Verdichterleitschaufeln 15 folgt. Somit kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 14 enthalten, die an einer zentralen Welle rotieren, gefolgt von einer Reihe von Verdichterleitschaufeln 15, die während des Betriebs stationär bleiben.
3 veranschaulicht eine Teilansicht eines beispielhaften Turbinenabschnitts oder einer Turbine 13, die in der Verbrennungsturbine nach 1 verwendet werden kann. Die Turbine 13 kann mehrere Stufen enthalten. Es sind drei beispielhafte Stufen veranschaulicht, wobei jedoch mehr oder weniger Stufen in der Turbine 13 vorhanden sein können. Eine erste Stufe enthält mehrere Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenrotorschaufeln 16, die während des Betriebs an der Welle rotieren, und mehrere Leitschaufeln oder Turbinenstatorschaufeln 17, die während des Betriebs stationär bleiben. Die Turbinenleitschaufeln 17 sind allgemein in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse fixiert. Die Turbinenlaufschaufeln 16 können an einem (nicht veranschaulichten) Turbinenlaufrad zur Drehung um die (nicht veranschaulichte) Welle montiert sein. Eine zweite Stufe der Turbine 13 ist ebenfalls veranschaulicht. Die zweite Stufe enthält in ähnlicher Weise mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Turbinenstatorschaufeln 17, gefolgt von mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenlaufschaufeln 16, die ebenfalls an einem Turbinenlaufrad zur Drehung montiert sind. Eine dritte Stufe ist ebenfalls veranschaulicht und enthält ebenso mehrere Turbinenleitschaufeln 17 und Laufschaufeln 16. Es wird erkannt, dass die Turbinenleitschaufeln 17 und die Turbinenlaufschaufeln 16 in dem Heißgaspfad der Turbine 13 liegen. Die Strömungsrichtung der Heißgase durch den Heißgaspfad ist durch den Pfeil angezeigt. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, kann die Turbine 13 mehr oder in einigen Fällen weniger Stufen als diejenigen, die in 3 veranschaulicht sind, aufweisen. Jede zusätzliche Stufe kann eine Reihe von Turbinenleitschaufeln 17 enthalten, der eine Reihe von Turbinenlaufschaufeln 16 folgt.
In einem Beispiel eines Betriebs kann die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 14 innerhalb des Axialverdichters 11 eine Luftströmung verdichten. In der Brennkammer 12 kann Energie freigesetzt werden, wenn die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet wird. Die resultierende Strömung von Heißgasen aus der Brennkammer 12, die als das Arbeitsfluid bezeichnet werden kann, wird anschließend über die Turbinenlaufschaufeln 16 geleitet, wobei die Arbeitsfluidströmung die Drehung der Turbinenlaufschaufeln 16 an der Welle hervorruft. Dadurch wird die Energie der Arbeitsfluidströmung in die mechanische Energie der umlaufenden Schaufeln und wegen der Verbindung zwischen den Laufschaufeln und der Welle der umlaufenden Welle umgewandelt. Die mechanische Energie der Welle kann anschließend verwendet werden, um die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 14, so dass die erforderliche Zufuhr der verdichteten Luft herbeigeführt wird, und auch z. B. eines Generators anzutreiben, um Elektrizität zu erzeugen.
4 zeigt eine Perspektivansicht einer beispielhaften Laufschaufel einer Verbrennungsturbine, die ein Spitzendeckband von herkömmlicher Konstruktion aufweist. Die Turbinenlaufschaufel 16 enthält allgemein eine Wurzel 21, die Mittel enthalten kann, mit denen die Laufschaufel 16 an einer Laufscheibe befestigt ist, wie beispielsweise einen Schwalbenschwanz, der zur Montage in einem entsprechenden Schwalbenschwanzschlitz in dem Umfang der Laufscheibe eingerichtet ist. Die Wurzel 21 kann ferner einen Schaft enthalten, der sich zwischen dem Schwalbenschwanz und einer Plattform 24 erstreckt, die an der Verbindung zwischen dem Schaufelblatt 25 und der Wurzel 21 angeordnet ist und einen Abschnitt der inneren Begrenzung des Strömungspfades durch die Turbine definiert. Das Schaufelblatt 25 ist die aktive Komponente der Laufschaufel 16, die die Strömung des Arbeitsfluids abfängt und die die Laufscheibe zur Drehung veranlasst.
Wie veranschaulicht, kann an der äußeren Spitze der Laufschaufel 16 ein Spitzendeckband 37 positioniert sein. Das Spitzendeckband 37 ist im Wesentlichen eine sich in Axialrichtung und in Umfangsrichtung erstreckende flache Platte oder Scheibe, die zu ihrer Mitte hin durch das Schaufelblatt 25 gehaltert ist. Entlang der Oberseite des Spitzendeckbandes 37 können eine oder mehrere Dichtungsschienen 38 angeordnet sein. Allgemein ragen die Dichtungsschienen 38 von der äußeren Oberfläche des Spitzendeckbandes 37 radial nach außen vor. Die Dichtungsschienen 38 erstrecken sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung zwischen entgegengesetzten Enden des Spitzendeckbandes 37 in der allgemeinen Drehrichtung. Die Dichtungsschiene 38 ist geformt, um die Strömung des Arbeitsfluids durch den Spalt zwischen dem Spitzendeckband 37 und der inneren Oberfläche der umgebenden stationären Komponenten zu verhindern, und hilft, ein Kriechen des Spitzendeckbandes zu verhindern. In einigen herkömmlichen Konstruktionen erstrecken sich die Dichtungsschienen 38 in einen abreibbaren stationären wabenförmigen Mantel, der dem umlaufenden Spitzendeckband 37 gegenüberliegt. In einigen Fällen kann ein Schneidzahn an der Dichtungsschiene 38 angeordnet sein, um so eine Nut in der Wabenstruktur des stationären Mantels einzuschneiden, der außen von dem Spitzendeckband 37 angeordnet sein kann.
Die Spitzendeckbänder 37 können derart ausgebildet sein, dass die Spitzendeckbänder 37 von benachbarten Laufschaufeln 16 während eines Betriebs in Kontakt miteinander stehen. 5 zeigt eine Ansicht von oben oder außen auf eine Reihe von Turbinenlaufschaufeln 16 mit Spitzendeckbändern 37 entsprechend einer herkömmlichen Konstruktion. Insbesondere veranschaulicht 5 benachbarte Spitzendeckbänder 37, wie sie erscheinen könnten, wenn sie an einer Turbinenlaufscheibe montiert sind, und sie gibt ein Beispiel für eine herkömmliche Anordnung an, bei der benachbarte Spitzendeckbänder 37 während des Betriebs in Kontakt miteinander stehen. Es sind zwei volle benachbarte Spitzendeckbänder 37 mit einem Pfeil veranschaulicht, der die Drehrichtung anzeigt. Wie dargestellt, kann die Hinterkante des vorauseilenden Spitzendeckbandes 37 mit der Vorderkante des nachfolgenden Spitzendeckbandes 37 in Kontakt stehen oder in enger Nähe zu diesem angeordnet sein.
Indem nun auf die 6 bis 23 Bezug genommen wird, sind Darstellungen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung gezeigt. In manchen Ausführungsformen ist das lösbare Spitzendeckband 51 als ein Spitzendeckband 51 definiert, das nicht integral mit der Laufschaufel 16 ausgebildet ist. In anderen Ausführungsformen ist das lösbare Spitzendeckband 51 ein Spitzendeckband, das mit der Laufschaufel 16 mittels eines Befestigungsmittels, das Schweißen, Hartlöten und andere ähnliche Arten von Verbindungsprozessen umfasst, verbunden worden ist. In manchen bevorzugten Ausführungsformen ist das lösbare Spitzendeckband 51 gemäß der vorliegenden Erfindung eines, das an der Laufschaufel 16 mittels einer mechanischen Eingriffsverbindung, wie beispielsweise einer Schwalbenschwanzverbindung, eines Hakens, Bolzens, einer Niete, einer Verstiftungskonfiguration oder einer anderen mechanischen Eingriffsverbindung, wie nachstehend im Einzelnen erläutert, befestigt ist. Im Allgemeinen wird erkannt, dass, weil das lösbare Spitzendeckband 51 nicht integral mit der Laufschaufel 16 ausgebildet ist, der lösbare Aspekt, der beliebigen der verschiedenen Arten von Verbindungen innewohnt, einem Spitzendeckband ermöglicht, entfernt, ersetzt oder mit größerer Effizienz, als sie ansonsten möglich sein würde, wiederverwendet zu werden.
Insbesondere ist, wie in 6 veranschaulicht, eine Seitenansicht eines nicht-integralen und lösbaren Spitzendeckbandes 51 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geschaffen. Wie veranschaulicht, kann zwischen dem lösbaren Spitzendeckband 51 und dem Schaufelblatt 25 eine Verbindungsstelle oder Verbindung 54 vorhanden sein. Das heißt, das lösbare Spitzendeckband 51 kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung von der Turbinenlaufschaufel 16 gesondert erzeugt und anschließend entlang der Verbindungsstelle 54 an dieser befestigt werden. In manchen Ausführungsformen kann die Verbindung 54 eine Schweißverbindung sein, die zwischen dem lösbaren Spitzendeckband 51 und dem Schaufelblatt 25 geschaffen wird. Es wird erkannt, dass bei der Herstellung dieser Verbindung ein beliebiger herkömmlicher Schweißprozess eingesetzt werden kann. Die Verbindung 54 kann ferner eine Hartlötverbindung entsprechend einem beliebigen herkömmlichen Lötprozess enthalten. Während eine Schweiß- oder Lötverbindung beim Verbinden oder Entfernen eines lösbaren Spitzendeckbandes 51 an/von einer Laufschaufel 16 nicht so günstig sein kann wie einige der mehreren nachstehend erläuterten mechanischen Verbindungsanordnungen, wird erkannt, dass die geschweißte oder gelötete Verbindungsstelle oder Verbindung 54 eine Schweißnaht ergeben würde, entlang derer das Spitzendeckband 51 und das Schaufelblatt 25 in einer effizienteren Weise demontiert werden können, als wenn die beiden Stücke integral miteinander ausgebildet wären. Diese leicht verfügbare Weise, mit der das Spitzendeckband 51 von der Laufschaufel 16 entfernt werden kann, kann das Entfernen, Wiederverwenden oder Austauschen des Spitzendeckbandes 51 und/oder der Laufschaufel 16 ermöglichen. Die Verbindungsstelle 54, wie veranschaulicht, kann an oder in der Nähe der äußeren Spitze 54 des Schaufelblattes 25 angeordnet sein. Es wird erkannt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Konstruktion des Spitzendeckbandes 51 beschränkt ist. Das heißt, sofern nichts anderes speziell angegeben ist, können die lösbaren Aspekte der vorliegenden Erfindung bei größeren Spitzendeckbändern, ausgehöhlten Spitzendeckbändern, Spitzendeckbändern mit einer oder mehreren Dichtungsschienen, Spitzendeckbändern mit vielfältigen Grenzstellen zu benachbarten Spitzendeckbändern, Spitzendeckbändern, die nicht mit jeder Laufschaufel in Kontakt stehen, Spitzendeckbändern mit Kernen oder Kühllöchern, etc. verwendet werden.
Ein Merkmal, das für viele Turbinenlaufschaufeln 16 gemeinsam ist, ist die Zirkulation eines Kühlmittels durch innere Kühlkanäle während eines Betriebs, insbesondere innerhalb der Plattform und der Schaufelblattregionen der Laufschaufel. Diese Art einer Kühlung ermöglicht den Turbinenlaufschaufeln 16, den höheren Temperaturen zu widerstehen, die in vielen Verbrennungsturbinen heutzutage üblich sind. Demgemäß kann die Laufschaufel 16 einen oder mehrere innere Kühlkanäle 47 enthalten, die sich von einer mit einer Kühlmittelquelle geschaffenen Verbindung aus, die im Allgemeinen durch die Wurzel 21 der Laufschaufel 16 hindurch geschaffen ist, zu dem Spitzendeckband 51 hin erstrecken. Eine vereinfachte Konfiguration für einen derartigen Kühldurchgang ist in 6 gezeigt. Es wird erkannt, dass der innere Kühlkanal 47 vielfältige Konfigurationen aufweisen kann und dass praktisch jede beliebige Konfiguration in die Schaufelblätter 25 und die Spitzendeckbänder 51 gemäß der vorliegenden Erfindung aufgenommen werden kann. Wie veranschaulicht, kann sich der innere Kühlkanal 47 des Schaufelblattes 25 bis zu einem Auslass erstrecken, der an der äußeren Spitze des Schaufelblattes ausgebildet ist, und von dort in einen inneren Kühlkanal 48 des Spitzendeckbandes 51 führen. Insbesondere kann das lösbare Spitzendeckband 51 einen inneren Kühlkanal 48 enthalten, der sich von einem Einlass aus erstreckt, der an einer inneren Oberfläche 53 des Spitzendeckbandes 51 ausgebildet ist. Es können weitere innere Kühlkanäle 47 und innere Kühldurchgänge 48 enthalten sein. Es wird erkannt, dass der Auslass, der an der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 ausgebildet ist, und der Einlass, der an der inneren Oberfläche 53 des lösbaren Spitzendeckbandes 51 ausgebildet ist, eingerichtet sein können, um zueinander ausgerichtet zu sein, wenn das lösbare Spitzendeckband 51 an dem Schaufelblatt 25 installiert ist. Der innere Kühldurchgang 48 kann einen oder mehrere Auslässe enthalten, die entlang der Außenseite des Spitzendeckbandes 51 ausgebildet sind. Auf diese Weise können die Kühldurchgänge 48 eine Kühlung für die inneren Abschnitte des Spitzendeckbandes 51 erzielen, während sie auch Kühlöffnungen bereitstellen, die eine Kühlung der äußeren Oberflächen des Spitzendeckbandes 51 ermöglichen.
7 bis 11 zeigen verschiedene Ansichten eines lösbaren Spitzendeckbandes 51 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 zeigt eine Seitenansicht, und 8 zeigt eine Vorderansicht eines lösbaren Spitzendeckbands 51 und der äußeren Spitze 45 eines Schaufelblattes 25, wie diese Komponenten in einem demontierten Zustand sein könnten. 9 veranschaulicht eine Draufsicht von oben oder außen auf die äußere Spitze 45 des Schaufelblattes 25, das in den 7 und 8 gezeigt ist. Gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung kann die Anordnung des Spitzendeckbandes 51 eine mechanische formschlüssige Eingriffsverbindung enthalten, die zwischen dem lösbaren Spitzendeckband 51 und der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 positioniert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die mechanische formschlüssige Eingriffsverbindung 55 eine Schwalbenschwanzverbindung oder dergleichen enthalten, bei der ein Vorsprung, der aufgeweitet ist oder eine oder mehrere Zungen aufweist, mit einer Nut oder einem Schlitz in Eingriff steht. In dem hierin verwendeten Sinne wird ein Vorsprung dieser Art als ein Zapfen 57 bezeichnet, und die zugehörige Nut oder der zugehörige Schlitz wird hierin als ein Zapfenloch 58 bezeichnet. Es wird erkannt, dass diese Art einer mechanischen Eingriffsverbindung eine Eingriffsverbindung durch Einschieben des Zapfens 57 in das Zapfenloch 58 aus einer Richtung ermöglicht und dann aufgrund der aufgeweiteten Konfiguration oder der Zungen 59 des Zapfens 57 und des Profils des Zapfenloches 58 eine relative Bewegung zwischen den Strukturen in eine zweite Richtung verhindert. In der vorliegenden Verwendung dieser Art einer Verbindung ist die Schwalbenschwanzverbindung derart eingerichtet, dass der aufgeweitete Zapfen 57 mit dem Zapfenloch 58 durch Einschieben des Zapfens 57 in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung in Eingriff gelangt, wobei die Eingriffsverbindung einer radialen Trennung zwischen dem lösbaren Spitzendeckband und der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 widersteht.
Wie am deutlichsten in 9 veranschaulicht, kann die mechanische formschlüssige Eingriffs- oder Schwalbenschwanzverbindung 55 mehrere Paare aus dem Zapfen 57/Zapfenloch 58 enthalten. In manchen bevorzugten Ausführungsformen sind zwischen zwei und vier derartiger Paarungen vorgesehen.
Es wird erkannt, dass bei manchen mechanischen Eingriffs- oder Schwalbenschwanzverbindungen eine Montageöffnung 61 zur Verbindung des Zapfens 57 mit dem Zapfenloch 58 erforderlich sein kann. Diese Montageöffnung 61 kann benachbart zu dem Zapfenloch 58 positioniert sein. Die Montageöffnung 61 ist derart bemessen, dass sie den aufgeweiteten Zapfen 57 aufnehmen kann, so dass während der Installation der aufgeweitete Zapfen 57 bis zu der radialen Höhe des Zapfenloches 58 gebracht und darin gleitend in Eingriff gebracht werden kann. In dem veranschaulichten Beispiel ist die Montageöffnung 61 derart konfiguriert, dass der Zapfen 57 nach innen gebracht werden kann, bis er mit dem Zapfenloch 58 ausgerichtet ist, so dass er dann in Stellung geschoben werden kann. Es wird erkannt, dass, sobald er in Stellung geschoben worden ist, das sich verengende Profil des Zapfenloches 58 eine Verriegelung mit dem aufgeweiteten Zapfen 57 bildet, die die Bewegung des Spitzendeckbandes 51 in der radialen Richtung beschränkt.
10 zeigt eine Seitenansicht des lösbaren Spitzendeckbandes 51 und der Laufschaufel 16 gemäß den 7 bis 9, wie sie während eines Zeitpunktes in dem Montageprozess sein könnten, während 11 das Spitzendeckband 51 und die Laufschaufel 16 veranschaulicht, sobald die Montage beendet ist. Es wird erkannt, dass, sobald das lösbare Spitzendeckband 51 ordnungsgemäß in Stellung installiert ist, dieses sichtbar als ein herkömmliches Spitzendeckband erscheinen wird, da die Verbindungsmerkmale nicht dem Gaspfad ausgesetzt sind. Außerdem wird erkannt, dass die verriegelnde Schwalbenschwanzverbindung einen effektiven Widerstand gegen die Zugbelastungen bildet, die während des Betriebs auf die Verbindungsstelle zwischen dem Spitzendeckband und dem Schaufelblatt ausgeübt werden. Sofern hierin nicht anders speziell angegeben ist, kann die Anzahl und Positionierung der Zungen, des aufgeweiteten Profils oder einer anderen Verriegelungsstruktur von Konstruktionskriterien abhängen, die mit verschiedenen Anwendungen verbunden sind.
12 zeigt eine Seitenansicht einer Anordnung aus einem lösbaren Spitzendeckband 51 und einer Laufschaufel 16 in einem demontierten Zustand gemäß bestimmten alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist, anstatt mehrere Paarungen aus dem Zapfen 57 / Zapfenloch 58 vorzusehen, der aufgeweitete Zapfen 57 als eine längliche Schiene ausgebildet. Das Zapfenloch 58 kann in diesem Fall die Form einer länglichen Nut einnehmen. In manchen Aspekten kann diese alternative Ausführungsform eine Möglichkeit zur Aufrechterhaltung der Robustheit der Verriegelungsstruktur bieten, während sie auch die Notwendigkeit der Montageöffnung 61 beseitigt, die in der vorstehend erläuterten Ausführungsform erforderlich war.
In manchen weiteren bevorzugten Ausführungsformen, wie beispielsweise derjenigen, die in 13 veranschaulicht ist, kann die Paarung aus dem Zapfen 57/Zapfenloch 58 eine alternative Konfiguration einnehmen. In diesem Fall weist der Zapfen 57 eine stiftartige Konfiguration auf, die einen aufgeweiteten oder breiteren Kopf enthält, und das Zapfenloch 58 weist ein entsprechendes Profil auf, um eine gleitende Eingriffsverbindung zu ermöglichen. Eine Montageöffnung 61 würde benachbart hierzu positioniert sein. Wie auch in 13 veranschaulicht, kann das Zapfenloch 58 an der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 angeordnet sein, und die aufgeweiteten Zapfen 57 ragen von einer inneren Oberfläche 53 des Spitzendeckbands 51 vor. In einer alternativen Ausführungsform kann diese Konfiguration umgekehrt sein, wobei ein Beispiel hierfür in 14 veranschaulicht ist. Insbesondere ragen die aufgeweiteten Zapfen 57 von der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 vor, und die Zapfenlöcher 58 sind an der inneren Oberfläche 53 des lösbaren Spitzendeckbandes 51 angeordnet. Es wird erkannt, dass, sofern nichts anderes speziell angegeben ist, eine derartige Umkehrung bei einer beliebigen der anderen Ausführungsformen, die beschrieben oder in den anderen Figuren veranschaulicht sind, möglich sein kann.
In 15 ist eine Draufsicht von oben oder außen auf das Schaufelblatt 25 gezeigt, das ein diesem überlagertes Profil eines Spitzendeckbandes 51 aufweist. Diese Darstellung soll die Richtung der Eingriffsverbindung der Schwalbenschwanzverbindung 55 relativ zu der Richtung der Drehung der Laufschaufel 16 veranschaulichen, die bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entspricht. Wie oben angegeben, können der Zapfen 57 und das Zapfenloch 58 derart eingerichtet sein, dass der Zapfen 57 mit einer axialen Bewegung, einer Umfangsbewegung oder einer Bewegung, die sowohl eine Axial- als auch eine Umfangskomponente aufweist, verschiebbar mit dem Zapfenloch 58 in Eingriff gelangt. Es wird erkannt, dass eine Bewegung, die sowohl eine Axial- als auch eine Umfangskomponente aufweist, eine Drehbewegung umfassen kann, wobei bei dieser Eingriffsverbindung das lösbare Spitzendeckband um eine radiale Achse herum gedreht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform können der Zapfen 57 und das Zapfenloch 58 derart eingerichtet sein, dass der Zapfen 57 mit dem Zapfenloch 58 über eine Umfangsbewegung (die durch einen Pfeil 92 angezeigt ist) verschiebbar bzw. gleitend in Eingriff gelangt, die zu der Drehrichtung für die Laufschaufel 16, sobald diese installiert ist und innerhalb einer Turbine arbeitet (die durch einen Pfeil 93 angezeigt ist), entgegengesetzt gerichtet ist. Es wird erkannt, dass, indem die verschiebbare bzw. gleitende Eingriffsverbindung auf diese Weise eingerichtet wird, die Drehung der Laufschaufel 16 in natürlicher Weise einer Bewegung des lösbaren Spitzendeckbandes 51, die die Zapfen 57 zu den benachbarten Montageöffnungen 61 hin bringen würde, widerstehen wird. Sobald die Schwalbenschwanzverbindungen der lösbaren Spitzendeckbänder 51 vollständig im Eingriff sind, werden die Spitzendeckbänder im Allgemeinen unter Verwendung herkömmlicher Verfahren, wie beispielsweise Schweißen, Hartlöten, Verstiften, Kalthämmern, Verbolzen oder durch ein beliebiges sonstiges (nicht veranschaulichtes) Verfahren, in Stellung verriegelt. Die Ausrichtung der gleitenden Eingriffsverbindung der Schwalbenschwanzverbindung, so dass die Drehung der Laufschaufel eine Bewegung der Zapfen 57 in Richtung auf die Montageöffnungen 61 behindert, stellt eine Einrichtung bereit, um das Spitzendeckband 51 weiter davor zu schützen oder abzusichern, dass es während eines Turbinenbetriebs vertrieben wird, was zu einer ernsthaften Beschädigung an der Turbine führen kann.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie in den 16 bis 19 veranschaulicht sind, kann die mechanische formschlüssige Eingriffsverbindung 55 eine Stiftkonfiguration enthalten. Die Stiftkonfiguration kann das Spitzendeckband 51 und die äußere Spitze 45 des Schaufelblattes 25 mit einer Struktur, die radial überlappt, enthalten. Die überlappende Struktur kann anschließend mittels eines Stiftes 63, der sich in der Umfangs- und/oder Axialrichtung erstreckt, verstiftet werden. 16 und 17 veranschaulichen eine Konfiguration, bei der ein Stift 63 sich in Umfangsrichtung erstreckt, während die 18 und 19 eine Konfiguration veranschaulichen, bei der ein Stift 63 sich in Axialrichtung erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Stiftkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere Laschen 64, die sich von der inneren Oberfläche 53 des Spitzendeckbandes 51 aus erstrecken oder von dieser vorragen. Die Laschen 64 sind eingerichtet, um mit entsprechenden Schlitzen 65 in Eingriff zu gelangen, die in der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 ausgebildet sind. Die Laschen 64 können eine durch diese hindurchführende Öffnung enthalten. Die Seitenwände der Schlitze 65 können ebenfalls Öffnungen oder Durchlässe enthalten. Die Öffnungen der Laschen 64 und die Öffnungen der Seitenwände der Schlitze 65 können derart eingerichtet sein, dass sie zueinander ausgerichtet sind, sobald die Laschen 64 in den Schlitzen 65 eingepasst oder eingesetzt sind. Auf diese Weise können die ausgerichteten Öffnungen einen Stiftkanal oder Kanal 66 bilden, in den der Stift 63 während der Montage eingeführt wird. Wie in beiden 16 und 17 veranschaulicht, kann der Stiftkanal eine Öffnung enthalten, die durch eine Druckseitenwand 26, eine Saugseitenwand 27 oder durch sowohl die Druckseitenwand 26 als auch die Saugseitenwand 27 hindurch ausgebildet ist. Es wird erkannt, dass die Öffnung des Kanals 66 einen Einlass für den Stift 63 zur Montage bereitstellt. In einer weiteren Ausführungsform kann die Stiftkonfiguration eine oder mehrere Laschen 64 enthalten, die von der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 aus vorragen und die eingerichtet sind, um mit entsprechenden Schlitzen 65 in Eingriff zu gelangen, die in einer inneren Oberfläche 53 des lösbaren Spitzendeckbandes 51 ausgebildet sind. In derartigen Ausführungsformen kann ein Stiftkanal 66 in der vorstehend beschriebenen Weise, z. B. durch Einrichtung ausgerichteter Durchlassöffnungen, erzeugt werden.
In einer alternativen Anordnung, wie sie in 20 veranschaulicht ist, kann die Stiftkonfiguration einen oder mehrere radiale Stifte 67 enthalten, die sich durch das Spitzendeckband 51 hindurch von einer Position an einer äußeren Oberfläche 52 des Spitzendeckbandes 51 aus erstrecken. Insbesondere können die Radialstifte 67 eingerichtet sein, um mit einer entsprechenden Öffnung 68 in Eingriff zu kommen, die in der äußeren Spitze 45 des Spitzendeckbands 51 ausgebildet ist. In einer Anordnung können die Öffnungen 68 und die radialen Stifte 67 mit einem Gewinde versehen sein, so dass bei einer vollständigen Eingriffsverbindung die Köpfe der Stifte 67 mit der äußeren Oberfläche 52 des Spitzendeckbandes 51 in Kontakt stehen, wodurch das Spitzendeckband 51 sicher gegen die äußere Spitze 45 des Schaufelblattes 25 gehalten wird.
Es wird erkannt, dass bei einigen der beschriebenen mechanischen Eingriffsverbindungen 55 die Verbindung zwischen dem lösbaren Spitzendeckband 51 und dem Schaufelblatt 25 mittels Vorsprünge oder Schäfte verstärkt werden kann, die sich von der äußeren Spitze 45 des Spitzendeckbandes 51 aus radial erstrecken und die integral an dieser ausgebildet sind. Diese Art einer Struktur wird hierin als integrale Schäfte 69 bezeichnet. Demgemäß können in Fällen, in denen die Zapfen 57 der Schwalbenschwanzverbindung sich von der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 aus erstrecken, die Zapfen 57 als ein Teil des Schaufelblattes 25 integral ausgebildet sein. Es wird erkannt, dass diese Konfiguration verwendet werden kann, um die zwischen dem Spitzendeckband 51 und der Laufschaufel 16 geschaffene Verbindung strukturell zu verstärken. Ebenso können in dem Fall einer mechanischen Eingriffsverbindung 55 einer Stiftverbindungsart beliebige Laschen, die sich von der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 aus erstrecken, als ein integraler Bestandteil des Schaufelblattes 25 ausgebildet sein.
Indem nun auf die 21 und 22 verwiesen wird, ist eine alternative Bauart einer mechanischen formschlüssigen Eingriffsverbindung 55 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Verbindung in diesem Fall enthält ebenfalls einen integralen Schaft 69, der, wie vorstehend angegeben, verwendet werden kann, um die zwischen dem Schaufelblatt 25 und der Laufschaufel 16 geschaffene Verbindung zu verstärken. Während die Verwendung eines integralen Schaftes 69 eine starke Verbindung zwischen dem lösbaren Spitzendeckband 51 und dem Schaufelblatt 25 ergeben kann, kann sie auch dazu verwendet werden, eine Struktur zu schaffen, die gleichzeitig als eine Dichtungsschiene 38 an der äußeren Oberfläche 52 des Spitzendeckbandes 52 fungiert. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, können eine oder mehrere Dichtungsschienen 38 an der äußeren Oberfläche 52 des Spitzendeckbandes 51 angeordnet sein, die verwendet werden, um eine Dichtung mit einem gewundenen Pfad zwischen der äußeren Oberfläche 45 des Spitzendeckbandes 51 und Vorsprüngen zu schaffen, die sich von der stationären Struktur, die das Spitzendeckband umgibt, aus erstrecken. 21 veranschaulicht eine Konfiguration, bei der zwei integrale Schäfte 69 mit einer Verriegelungsstange 71 verwendet werden, um so eine robuste Verbindung zwischen dem lösbaren Spitzendeckband 51 und dem Schaufelblatt 25 zu schaffen. Wie deutlicher in 22 gezeigt, kann der integrale Schaft 69 eine schleifenförmige Schienenkonfiguration enthalten, die hierin als eine „schleifenförmige Schiene 69” bezeichnet wird. Die schleifenförmige Schiene 69 kann, wie veranschaulicht, zwei radial vorspringende Pfosten enthalten, die durch eine Querstange miteinander verbunden sind. Die sich radial erstreckenden Pfosten der schleifenförmigen Schiene 69 können mit einer vorbestimmten radialen Höhe ausgebildet sein, so dass die Querstange in einem vorbestimmten Abstand zu der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 versetzt angeordnet ist. Die schleifenförmige Schiene 69 kann, wenn sie wie in diesem angegebenen Beispiel gestaltet ist, eine rechteckige Öffnung oder einen Schlitz durch diese hindurch definieren, die bzw. der hierin als ein „Schienenschlitz 70” bezeichnet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform können zwei parallele schleifenförmige Schienen 69 enthalten sein. In der bevorzugten Ausführungsform können die schleifenförmigen Schienen 69 in Umfangsrichtung zueinander ausgerichtet sein, obwohl andere Ausrichtungen möglich sind. Die beiden schleifenförmigen Schienen 69 können ungefähr parallel zueinander und axial voneinander beabstandet angeordnet sein, obwohl dies nicht erforderlich ist. Das lösbare Spitzendeckband 51 kann mit einer Öffnung 72 eingerichtet sein, durch die die schleifenförmigen Schienen 69 hindurchtreten können. Die Öffnung 72 ermöglicht es während der Montage, dass das lösbare Spitzendeckband 51 über die schleifenförmigen Schienen 69 gleitet und eine auf der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 aufgesetzte Position erreicht. Die Konfiguration der Öffnung 72 und der Pfosten der schleifenförmigen Schienen 69 kann eingerichtet sein, um einer relativen Umfangs- und Axialbewegung zwischen dem lösbaren Spitzendeckband 51 und dem Schaufelblatt 25 zu widerstehen, sobald das Spitzendeckband 51 aufgesetzt ist. Ferner kann, sobald das Spitzendeckband 51 auf das Schaufelblatt 25 aufgesetzt ist, die Verriegelungsstange 71 durch die Schienenschlitze 70 hindurch eingeführt werden. Die Verriegelungsstange 71 kann eingerichtet sein, um bei der Einführung mit der äußeren Oberfläche 52 des Spitzendeckbandes 51 und der Querstange der schleifenförmigen Schiene 69 in Eingriff zu kommen. Auf diese Weise widersteht die integrale Stufe Zugkräften zwischen dem Spitzendeckband 51 und dem Schaufelblatt 25. Es wird erkannt, dass die Verriegelungsstange 71 mittels einer beliebigen Art herkömmlicher Befestigungsmittel, wie beispielsweise durch Kaltverformung, Verbolzung, Hartlötung oder Verschweißung, in Umfangsrichtung und Axialrichtung fixiert werden kann.
Wie angegeben, kann die schleifenförmige Schiene 69 in der Umfangsrichtung der Verbrennungsturbine ausgerichtet sein, wie in 21 veranschaulicht. In einer alternativen Anordnung kann die schleifenförmige Schiene 69 in der Axialrichtung ausgerichtet sein. In jedem Fall kann, wie in den 21 und 22 veranschaulicht, die schleifenförmige Schiene 69 eingerichtet sein, um als eine Dichtungsschiene zu dienen, oder wenigstens in die Dichtungsschienenstruktur integriert sein. Wie erwähnt, wirkt die Dichtungsschiene an dem Spitzendeckband 51 einer Leckage über der Oberseite der Laufschaufeln 16 entgegen. Es wird erkannt, dass in einer alternativen Ausführungsform eine einzige schleifenförmige Schiene 69/einzige Dichtungsschiene verwendet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform können der Schienenschlitz 70 und die Verriegelungsstange 71 derart eingerichtet sein, dass die Verriegelungsstange 71 durch eine axiale Bewegung, Umfangsbewegung oder eine Bewegung, die sowohl eine axiale als auch eine umfangsseitige Komponente aufweist, verschiebbar bzw. gleitend mit dem Schienenschlitz in Eingriff steht. Es wird erkannt, dass eine Bewegung, die sowohl eine axiale als auch eine umfangsseitige Komponente aufweist, eine Drehbewegung umfassen kann.
Die vorliegende Erfindung enthält ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel zur Verwendung in der Turbine einer Verbrennungsturbine. Dieses Herstellungsverfahren kann die Schritte des Herstellens einer Laufschaufel 16 und gesondert eines Spitzendeckbandes 51 enthalten, das nicht mit der Laufschaufel 16 integral ist. Die Laufschaufel 16 und das Spitzendeckband 51 können mit entsprechenden Mitteln zur Befestigung aneinander hergestellt sein, von denen verschiedene Arten vorstehend umrissen sind. D. h., die Laufschaufel 16 kann mit Verbindungsmitteln an der äußeren Spitze 45 des Schaufelblattes 25 konstruiert sein, und das Spitzendeckband 51 kann mit entsprechenden Verbindungsmitteln an einer inneren Oberfläche 53 des Spitzendeckbandes 51 konstruiert sein. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann anschließend den Schritt des Verbindens des Spitzendeckbandes 51 mit dem Schaufelblatt 25 über die Verbindungsmittel enthalten.
Es wird erkannt, dass das lösbare Spitzendeckband 51 gemäß der vorliegenden Erfindung verschiedene Vorteile bietet, die im Stand der Technik nicht vorzufinden sind. Zum Beispiel müssen Spitzendeckbänder, weil sie derzeit eine integrale Komponente der Laufschaufel bilden, derart gestaltet sein, dass sie die erwünschte Teilelebensdauer der Laufschaufel erfüllen. Spitzendeckbänder, die lösbar sind, können in kürzeren Intervallen ersetzt werden, was die Differenz beim Austausch von Spitzendeckbändern nach mehreren tausenden von Betriebsstunden anstatt mehreren zehntausenden von Betriebsstunden bedeuten kann. Eine derartige Flexibilität ermöglicht energetischere Konstruktionen. Zum Beispiel kann das Spitzendeckband mit dem Wissen, dass sie ausgetauscht werden, bevor die mit der Größe verbundenen erhöhten Belastungen Ermüdungs- oder Kriechprobleme mit sich bringen, für aerodynamische Zwecke größer geschaffen werden. Zusätzlich kann der kürzere Austauschintervall die Verwendung dünnerer Spitzendeckbänder ermöglichen, die, obwohl sie schneller verschließen können, auch weniger Belastung an dem Schaufelblatt während des Betriebs verursachen.
Lösbare Spitzendeckbänder können ferner beträchtliche wirtschaftliche Vorteile haben. Zum Beispiel können lösbare Spitzendeckbänder unter Verwendung von Materialien hergestellt sein, die sich von denjenigen unterscheiden, die in der Laufschaufel verwendet werden (d. h. Legierungen auf Keramikbasis oder anderen Legierungen), was den Einsatz kostengünstiger Materialien ermöglichen kann. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass eine von Laufschaufeln gesonderte Herstellung von Spitzendeckbändern kostengünstigere Gießmethoden für die Erzeugung der inneren Kühlkanäle innerhalb des Spitzendeckbandes ermöglichen würden. Insbesondere ist das, was zuvor ein problematischer und kritischer Gießprozess war, was im Wesentlichen auf die große Größe des einstückigen Laufschaufelgussteils und der komplexen Kühlkanäle des Spitzendeckbandes zurückzuführen war, viel kostengünstiger, wenn das Spitzendeckband gesondert gegossen werden kann. Dies ermöglicht ferner die Schaffung komplexerer Kühlschemata innerhalb des Spitzendeckbandes und gestattet auch den Einsatz unterschiedlicher Gießverfahren für die Herstellung des Spitzendeckbandes und der Laufschaufel. Außerdem ermöglichen lösbare Spitzendeckbänder Effizienzsteigerungen bei der Reparatur von Laufschaufeln. Da das Spitzendeckband nicht mit der Laufschaufel verbunden ist, wird die Leichtigkeit des Zugangs für bestimmte Reparaturen verbessert. Natürlich kann auch ein verschlissenes oder beschädigtes Spitzendeckband in herkömmlicher Weise ersetzt werden, ohne die Laufschaufel zu ersetzen oder zu entsorgen. Es wird erkannt, dass zur Herstellung des Spitzendeckbandes additive Herstellungsprozesse verwendet werden können.
Während die Erfindung in Verbindung mit dem, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, beschrieben worden ist, sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen umfassen soll, die in dem Rahmen und Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind.

Claims

Laufschaufel zur Verwendung in einer Turbine eines Turbinenantriebs, wobei die Laufschaufel ein Schaufelblatt aufweist, das sich von einer Verbindung mit einer Wurzel aus erstreckt, wobei das Schaufelblatt eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand, die einen äußeren Umfang definieren, und eine äußere Spitze enthält, wobei die Laufschaufel ferner aufweist: eine Spitzendeckbandanordnung, die an der äußeren Spitze des Schaufelblattes angeordnet ist; wobei die Spitzendeckbandanordnung ein nicht-integrales Spitzendeckband enthält.
Laufschaufel nach Anspruch 1, wobei die Spitzendeckbandanordnung eine Schweiß- oder eine Hartlötverbindung zwischen dem nicht-integralen Spitzendeckband und der äußeren Spitze des Schaufelblattes enthält.
Laufschaufel nach Anspruch 1, wobei das nicht-integrale Spitzendeckband ein lösbares Spitzendeckband aufweist.
Laufschaufel nach Anspruch 3, wobei die Spitzendeckbandanordnung eine mechanische formschlüssige Eingriffsverbindung enthält, die zwischen dem lösbaren Spitzendeckband und der äußeren Spitze des Schaufelblattes ausgebildet ist.
Laufschaufel nach Anspruch 4, wobei die mechanische formschlüssige Eingriffsverbindung eine Schwalbenschwanzverbindung aufweist, bei der ein aufgeweiteter Zapfen mit einem Zapfenloch in Eingriff steht.
Laufschaufel nach Anspruch 5, wobei die Schwalbenschwanzverbindung derart eingerichtet ist, dass der aufgeweitete Zapfen mit dem Zapfenloch in Eingriff steht, um einer radialen Trennung zwischen dem lösbaren Spitzendeckband und der äußeren Spitze des Schaufelblattes entgegenzuwirken; wobei der aufgeweitete Zapfen eine Zunge enthält.
Laufschaufel nach Anspruch 6, wobei ein aufgeweiteter Zapfen und ein Zapfenloch, die in Eingriff stehen, ein Zapfen-Zapfenloch-Paar aufweisen; und wobei die Schwalbenschwanzverbindung mehrere Zapfen-Zapfenloch-Paare aufweist.
Laufschaufel nach Anspruch 6, wobei der aufgeweitete Zapfen eine längliche Schiene aufweist und das Zapfenloch eine längliche Nut aufweist; und wobei der aufgeweitete Zapfen mit dem Zapfenloch durch Einschieben in eine Richtung einer Längsachse der länglichen Schiene in Eingriff kommt.
Laufschaufel nach Anspruch 6, wobei der Zapfen und das Zapfenloch derart eingerichtet sind, dass der Zapfen mit dem Zapfenloch über eine der folgenden verschiebbar in Eingriff steht: axiale Bewegung; Umfangsbewegung; und Bewegung, die sowohl eine Axial- als auch eine Umfangskomponente aufweist.
Laufschaufel nach Anspruch 9, die ferner eine Montageöffnung aufweist, die sich benachbart zu dem Zapfenloch befindet; wobei die Montageöffnung eine Öffnung aufweist, die eingerichtet ist, um den aufgeweiteten Zapfen aufzunehmen, so dass der aufgeweitete Zapfen während der Installation nach innen bis zu einer radialen Höhe des Zapfenlochs gebracht und darin verschiebbar in Eingriff gebracht werden kann.
Laufschaufel nach Anspruch 9, wobei der Zapfen und das Zapfenloch derart eingerichtet sind, dass das Zapfenloch mit dem Zapfen über eine Umfangsbewegung verschiebbar in Eingriff steht, die zu einer Drehrichtung für die Laufschaufel im Betrieb entgegengesetzt gerichtet ist.
Laufschaufel nach Anspruch 6, wobei das Zapfenloch an der äußeren Spitze des Schaufelblattes angeordnet ist und der aufgeweitete Zapfen von einer inneren Oberfläche des Spitzendeckbandes aus vorragt; und wobei die aufgeweiteten Zapfen mit den Zapfenlöchern über eine Drehbewegung der Spitzendeckbänder relativ zu dem Schaufelblatt in Eingriff gebracht werden.
Laufschaufel nach Anspruch 6, wobei der aufgeweitete Zapfen von der äußeren Spitze des Schaufelblattes aus vorragt und das Zapfenloch an der inneren Oberfläche des Spitzendeckbandes angeordnet ist.
Laufschaufel nach Anspruch 4, wobei die mechanische formschlüssige Eingriffsverbindung eine Stiftkonfiguration aufweist.
Laufschaufel nach Anspruch 14, wobei die Stiftkonfiguration einen radialen Stift aufweist, der sich durch das Spitzendeckband hindurch von einer Position an einer äußeren Oberfläche des Spitzendeckbandes aus erstreckt, wobei der radiale Stift mit einer Öffnung in Eingriff steht, die in der äußeren Spitze des Spitzendeckbandes ausgebildet ist.
Laufschaufel nach Anspruch 14, wobei die Stiftkonfiguration das Spitzendeckband und die äußere Spitze des Schaufelblattes mit einer Struktur, die radial überlappt, enthält und sich ein Stift in der Umfangsrichtung und/oder Axialrichtung durch die Struktur, die radial überlappt, erstreckt; wobei die Stiftkonfiguration eine Lasche aufweist, die von einer inneren Oberfläche des Spitzendeckbandes aus vorragt und eingerichtet ist, um mit einem Schlitz, der in der äußeren Spitze des Schaufelblattes ausgebildet ist, in Eingriff zu kommen; wobei die Lasche eine durch diese hindurch ausgebildete Öffnung enthält und der Schlitz eine Öffnung enthält, die in einer Seitenwand ausgebildet ist, wobei die Öffnung der Lasche und die Öffnung der Seitenwand nach einer Installation der Lasche in dem Schlitz zueinander ausgerichtet sind, um so einen Stiftkanal zu bilden; wobei der Stift sich durch den Stiftkanal erstreckt; und wobei der Stiftkanal eine Öffnung enthält, die durch wenigstens entweder die Druckseitenwand und/oder die Saugseitenwand des Schaufelblattes hindurch ausgebildet ist, wobei die Öffnung als ein Einführungspunkt für den Stift während einer Montage und Demontage der mechanischen formschlüssigen Eingriffsverbindung eingerichtet ist.
Laufschaufel nach Anspruch 14, wobei die Stiftkonfiguration das Spitzendeckband und die äußere Spitze des Schaufelblattes mit einer Struktur, die radial überlappt, enthält und ein Stift sich in Umfangsrichtung und/oder Axialrichtung durch die Struktur, die radial überlappt, erstreckt; wobei die Stiftkonfiguration eine Lasche aufweist, die von der äußeren Spitze des Schaufelblattes aus vorragt und eingerichtet ist, um mit einem Schlitz, der in einer inneren Oberfläche des Spitzendeckbandes ausgebildet ist, in Eingriff zu stehen; wobei die Lasche eine Öffnung enthält, die durch diese hindurch ausgebildet ist, und der Schlitz eine Öffnung enthält, die in einer Seitenwand des Schlitzes ausgebildet ist, wobei die Öffnung der Lasche und die Öffnungen der Seitenwand bei einer Eingriffsverbindung der Lasche in dem Schlitz zueinander ausgerichtet sind, um einen Stiftkanal zu bilden; und wobei der Stift sich durch den Stiftkanal erstreckt.
Laufschaufel nach Anspruch 4, wobei die mechanische formschlüssige Eingriffsverbindung einen integralen Schaft enthält, der sich von der äußeren Spitze des Schaufelblattes aus erstreckt, wobei der integrale Schaft eine an dem Schaufelblatt integral ausgebildete Struktur aufweist, die verwendet wird, um das lösbare Spitzendeckband mit dem Schaufelblatt zu verbinden; und wobei der integrale Schaft eine Lasche aufweist, die eine durch diese hindurch ausgebildete Öffnung enthält, wobei die mechanische formschlüssige Eingriffsverbindung eine Stiftkonfiguration aufweist.
Laufschaufel nach Anspruch 7, wobei die mechanische formschlüssige Eingriffsverbindung einen integralen Schaft enthält, der sich von der äußeren Spitze des Schaufelblattes aus erstreckt, wobei der integrale Schaft eine mit dem Schaufelblatt integral ausgebildete Struktur aufweist, die verwendet wird, um das lösbare Spitzendeckband mit dem Schaufelblatt zu verbinden; wobei der integrale Schaft eine schleifenförmige Schiene aufweist, wobei die schleifenförmige Schiene zwei sich radial erstreckende Pfosten enthält, die durch eine Querstange miteinander verbunden sind, wobei die sich radial erstreckenden Pfosten eine vorbestimmte radiale Höhe aufweisen, so dass die Querstange in einem vorbestimmten Abstand zu der äußeren Spitze des Schaufelblattes versetzt angeordnet ist; und wobei das lösbare Spitzendeckband mit einer darin ausgebildeten Öffnung eingerichtet ist, durch die die schleifenförmige Schiene hindurchtritt und die eingerichtet ist, um dem lösbaren Spitzendeckband zu ermöglichen, nach innen bis zu einer oben auf der äußeren Spitze des Schaufelblattes aufgesetzten Position geschoben zu werden.
Laufschaufel nach Anspruch 19, wobei der Schlitz und die Pfosten eingerichtet sind, um einer relativen Umfangs- und Axialbewegung zwischen dem lösbaren Spitzendeckband und dem Schaufelblatt entgegenzuwirken, sobald das lösbare Spitzendeckband die aufgesetzte Position aufweist; die ferner eine Verriegelungsstange aufweist, die eingerichtet ist, um zwischen einem Schienenschlitz der Schiene zu verlaufen, wobei die Verriegelungsstange eingerichtet ist, um mit einer äußeren Oberfläche des Spitzendeckbandes und der Querstange in Eingriff zu kommen, um so einer radialen Trennung zwischen dem lösbaren Spitzendeckband und der äußeren Spitze des Schaufelblattes zu widerstehen.
Laufschaufel nach Anspruch 20, wobei die schleifenförmige Schiene mit einer Umfangsrichtung des Turbinenantriebs ausgerichtet ist; und wobei die schleifenförmige Schiene eingerichtet ist, um eine Dichtungsschiene aufzuweisen.
Laufschaufel nach Anspruch 20, die ferner eine weitere schleifenförmige Schiene aufweist; wobei eine erste schleifenförmige Schiene mit einem ersten Ende der Verriegelungsstange in Eingriff steht und eine zweite schleifenförmige Schiene mit einem zweiten Ende der Verriegelungsstange in Eingriff steht.
Laufschaufel nach Anspruch 3, wobei sich ein innerer Kühlkanal durch das Schaufelblatt hindurch von einer Verbindung mit einer Luftquelle, die durch die Wurzel der Laufschaufel hindurch geschaffen ist, aus bis zu einem Auslass erstreckt, der an der äußeren Spitze des Schaufelblattes ausgebildet ist; und wobei das lösbare Spitzendeckband einen inneren Kühlkanal enthält, der sich von einem Einlass, der an einer inneren Oberfläche des Spitzendeckbandes ausgebildet ist, aus erstreckt; wobei der Auslass, der an der äußeren Spitze des Schaufelblattes ausgebildet ist, und der Einlass, der an der inneren Oberfläche des lösbaren Spitzendeckbandes ausgebildet ist, eingerichtet sind, um miteinander ausgerichtet zu sein, sobald das lösbare Spitzendeckband an dem Schaufelblatt installiert ist.
Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel zur Verwendung in einer Turbine einer Verbrennungsturbine, wobei die Laufschaufel ein Schaufelblatt aufweist, das sich von einer Verbindung mit einer Wurzel aus erstreckt, wobei das Schaufelblatt eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand, die einen äußeren Umfang definieren, und eine äußere Spitze enthält, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Herstellen der Laufschaufel mit Verbindungsmitteln an der äußeren Spitze des Schaufelblattes; Herstellen des Spitzendeckbandes, so dass es entsprechende Verbindungsmittel an einer inneren Oberfläche des Spitzendeckbandes aufweist; und Verbinden des Spitzendeckbandes mit dem Schaufelblatt über die Verbindungsmittel des Schaufelblattes und die entsprechenden Verbindungsmittel des Spitzendeckbandes; wobei die Verbindungsmittel des Schaufelblattes und die Verbindungsmittel des Spitzendeckbandes gemeinsam eine mechanische formschlüssige Eingriffsverbindung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 24, das ferner die Schritte aufweist: während des Schritts der Herstellung der Laufschaufel, Gießen innerer Kühlkanäle innerhalb der Laufschaufel; und während des Schritts der Herstellung des Spitzendeckbandes, Gießen innerer Kühlkanäle innerhalb des Spitzendeckbandes.