DE4015206C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Deckband für ein Integralrad mit minde­ stens einem am Umfang angeordneten Z-förmigen Trennspalt mit winklig zur Achsrichtung angeordneten Dämpfungsspalten geringster Spaltweite und sich daran anschließende offene Spaltabschnitte.

Bei Turbotriebwerken stellt der Dichtspalt zwischen rotierenden Schaufeln und dem feststehenden Triebwerksgehäuse eine Einflußgröße dar, die von erheblicher Bedeutung für den Wirkungsgrad des Trieb­ werkes ist. Zur Minimierung des Dichtspaltes bei Turbinen ist es be­ kannt, diese mit einem Deckband zu versehen, welches an den Schaufel­ spitzen angebracht ist. Bei Turbinen mit einzelnen oder in Gruppen angebrachten Schaufeln besteht das Deckband aus an den Schaufeln an­ gebrachten Bandabschnitten, die mit den benachbarten Abschnitten in verzahntem Eingriff stehen.

Bei einem integralen Turbinenrad ist ein derart aufgebautes Deckband nicht möglich. Die bisher bekannten gattungsgemäßen Deckbänder weisen eine Anzahl von Trennspalten auf, die etwa alle drei bis fünf Schau­ feln vorgesehen sind, und dazu dienen, die im instationären Betrieb auftretenden Dehnungen auszugleichen, damit diese hoch belasteten Bauteile nicht zusätzliche Spannungen aufnehmen müssen. Diese Trenn­ spalten verlaufen etwa parallel zu den Profilmittelsehnen der an­ grenzenden Schaufeln, um eine Schwächung der Schaufelspitzen- Deckband-Verbindung im Bereich der Übergangsradien so gering wie möglich zu halten. Ferner weisen die Trennspalte einen kurzen Mittel­ abschnitt auf, der etwa senkrecht zu den beiden angrenzenden Ab­ schnitten ausgebildet ist, so daß die Spalte etwa einen Z-förmigen Verlauf haben. Dieser Spaltmittelabschnitt soll dabei eine geringe Spaltweite haben, der im Betrieb aufgrund der Thermodehnungen ver­ schwinden soll, so daß die benachbarten Deckbandabschnitte über diesen Spaltmittelabschnitt in reibender Verbindung stehen. Hierdurch werden wirksam Schwingungen der Schaufeln und der damit verbundenen Deckbandabschnitte über die Reibung gedämpft, wobei die Schwingungen zusätzlich verstimmt werden. Die beiden an einen Spaltmittelabschnitt angrenzenden Spaltseitenabschnitte (sogenannte offene oder freie Spalte) sind hinsichtlich der Spaltweite so bemessen, daß dort unter keinen Be­ dingungen Kontakt auftritt.

Die bisherige Deckbandausbildung hat den Nachteil, daß der (einzelne) Spaltmittelabschnitt nicht mit der zur Erzielung eines optimalen Be­ triebsverhaltens wünschenswerten geringen Spaltweite gefertigt werden kann, da die verwendeten Erodierwerkzeuge eine ausreichende Steifig­ keit und somit Dicke aufweisen müssen. Aus fertigungstechnischen Gründen ist nur ein endlicher Spalt herstellbar, der nicht geringer als etwa 2/10 bis 3/10 mm ausgeführt werden kann. Hieraus resultieren schlechtere Dämpfungs- und Verstimmungseigenschaften hinsichtlich der auftretenden Schwingungen. Daraus ergeben sich wiederum Schwingungen mit großer Amplitude, wodurch eine hohe Werk­ stoffbelastung in der Schaufel und Deckplatte auftritt.

Bei Laufschaufelkränzen mit einzelnen Schaufeln (Differentialbau­ weise), wie in der US-PS 38 37 761 offenbart, können hingegen die Spalte mit geringerem Spiel schon im kalten Zustand ausgeführt wer­ den, da sie nicht aus "einem Guß" bestehen. Typisch für derartige Nut-Feder-Verbindungen ist jedoch bei axialer Relativbewegung der Spaltflanken im Betrieb, die zwangsläufige Vergrößerung des einen und die Verkleinerung des anderen, gegenüberliegenden Spaltes. Es wirkt also nur ein Spalt dämpfend, der andere ist wirkungslos. Diese Tat­ sache macht sich insbesondere dann negativ bemerkbar, wenn sich die Schaufel unter Einwirkung der Fliehkraft entwinden. Diese Erkenntnis bleibt bei dieser Ausführung unberücksichtigt und führt zu einer zusätzlichen erheblichen Unwirksamkeit der Dämpfungswirkung im Be­ triebszustand. Darüber hinaus ist mit einem erhöhten Leckagestrom durch den sich öffnenden Spalt zu rechnen.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein gattungs­ gemäßes Deckband so zu verbessern, daß zum einen eine ungehinderte Umfangsverschiebung der Deckbandabschnitte möglich ist, um einen spannungsarmen Thermodehnungsausgleich zu gewährleisten, zum anderen soll der Trennspalt in den sich im Betrieb berührenden Abschnitten so schmal ausgebildet sein, daß eine ausreichende Reibungsdämpfung der Schwingungen ermöglicht wird. Ferner soll das Deckband unabhängig von unterschiedlichen Dehnungen der Scheibe, d. h. umfangsmäßig frei sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die parallel zueinander liegenden Dämpfungsspalte die beiden Schenkel des Z-förmi­ gen Trennspaltes bilden und in einem Winkel von 70° bis 90° zur Achs­ richtung ausgerichtet sind und unter Betriebsbedingungen eng anein­ ander liegen, während der Z-Steg als ein in Richtung der Deck­ bandränder verlaufender offener Spalt ausgebildet ist. Vorzugsweise beträgt der Winkel 80° bis 85°.

Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß unter Beibehaltung einer unverändert großen Kontaktfläche zwischen benach­ barten Deckbandabschnitten ein engerer Spalt vorhanden ist und eine Versteifung der Anordnung möglich ist, nachdem der reibende Kontakt über zwei parallele Flächen möglich ist. Insgesamt werden die auf­ tretenden Schwingungen mehrerer durch einen Deckbandabschnitt ver­ bundener Schaufeln wirksam gedämpft, da die Dämpfungsspalte so ausge­ bildet sind, daß im Betrieb Pressung auftritt und eng aneinander liegen. Dieser sehr enge Dämpfungsspalt ist vorteilhafterweise von den Umfangsdehnungen des Deckbandes unabhängig.

Die Vergrößerung des Winkels, unter dem die beiden Dämpfungsspalte in Bezug auf die Axialrichtung angeordnet sind, auf einen Wert zwischen 70° und 90° bewirkt, daß die beispielsweise beim Hoch­ fahren des Triebwerkes erfolgende Umfangsdehnung des Deckbandes ungehindert erfolgen kann. Ferner beeinflußt die Umfangsdehnung nur geringfügig die Dämpfungswirkung am Dämpfungsspalt, d. h. daß die Dämpfungsfunktion unabhängig vom Betriebspunkt der Turbine ist.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die im Betrieb auf­ grund der Fliehkräfte auftretende Entwindung der Schaufeln zu einer wirkungsvollen Verminderung des Dämpfungsspaltes, bzw. zu einer wirksam dämpfenden Druckkraft nutzbar gemacht werden kann, nach­ dem erfindungsgemäß der Winkel der Dämpfungsspalte einen derartig hohen Wert annimmt.

Weiterhin von Vorteil ist, daß der sehr enge Dämpfungsspalt durch die Verdoppelung der Spaltzahl und somit Halbierung der Längen der beiden Teilspalte leichter und genauer herstellbar ist, was wiederum zu einer Optimierung der Deckbandhälften durch die kürzeren Spalte führt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß am Außenumfang zwei beabstandete, umlaufende Dichtlippen angeformt sind, und die Dämpfungsspalte im Bereich der Dichtlippen angeordnet sind. Derartige in Umfangsrichtung sich erstreckende Dichtlippen sind bekannt, um den verbleibenden Dichtspalt zwischen dem Deckband und dem radial außerhalb angeordneten Strömungskanalaußenwandgehäuse zu definieren, wobei durch diese Art der Anordnung von zwei Dichtlip­ pen beabstandet hintereinander die Spaltströmungen minimiert werden können. Im Fall einer Dichtringteilung sind die Trennungsspalte auch für die Dichtlippen ausgebildet, so daß der tatsächlich verbleibende Dichtspalt um die Anzahl der Trennspalte vergrößert ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Dämpfungsspalte im Bereich dieser Dichtlippen sind die verbleibenden Spalte zwischen den Dichtlippen­ abschnitten wesentlich verringert, bzw. null. Somit ergibt sich vorteilhafterweise eine verminderte Spaltströmung.

Eine weitere vorteilhafte Deckbandausbildung sieht vor, daß sich die freien Spaltabschnitte im Bereich der Deckbandränder stark keilförmig erweitern. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise die schwingungsgefährdeten Überhänge der Deckbandabschnitte im Bereich der Endbereiche der freien Spalte verkleinern, so daß die Gefahr von Schwingungsrissen vermindert ist.

Die Erfindung wird nachfolgend in zwei bevorzugten Ausführungen an­ hand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch ein integrales Turbinenrad,

Fig. 2 den Ausschnitt II gemäß Fig. 1,

Fig. 3a eine Ansicht eines Deckbandes von außen, und

Fig. 3b eine Ansicht eines anderen Deckbandes von außen.

In Fig. 1 ist ein integrales Turbinenrad 1 mit der Drehachse a im Querschnitt dargestellt, das im wesentlichen aus einer Turbinen­ scheibe 2 mit über dem Umfang verteilten Schaufeln 3, und einem an den Schaufelspitzen angeformten Deckband 4 besteht. Das Deckband weist zwei beabstandete Dichtlippen 5a und 5b auf, die enge Dicht­ spalte gegenüber einem nur angedeuteten Turbinenaußengehäuse 6 definieren.

In Fig. 2 ist der Ausschnitt II gemäß Fig. 1 vergrößert dargestellt, wobei die zwischen Turbinenaußengehäuse 6 und Deckband 4 definierten Dichtspalte d besser zu erkennen sind.

Fig. 3a zeigt einen Ausschnitt einer Ansicht des Deckbandes 4 in der in Fig. 2 mit Pfeil III bezeichneten Richtung. Es sind zwei benachbarte Deckbandabschnitte 4a und 4b ausschnittsweise gezeigt, die jeweils an einer Gruppe von mehreren, vorzugsweise drei oder vier Schaufeln 3 angeformt sind. Damit die durch die hohe Fliehkraft erzeugten Spannungen in den Übergangsbereichen 7 zwischen Deckband 4 und Schaufeln 3 gering gehalten werden können, sind diese mit großen Ausrundungen ausgeführt, die durch Begrenzungslinien 8 in Fig. 3a dargestellt sind.

Je zwei benachbarte Deckbandabschnitte 4a und 4b sind durch einen Trennspalt 9 getrennt, der im wesentlichen aus zwei beabstandet angeordneten Dämpfungsspalten 10a und 10b und dazwischen und in Rich­ tung der Deckbandränder 11a und 11b angeordneten offenen Spalten 12a, 12b und 12c besteht. Die offene Spalten 12a, 12b und 12c weisen Spalt­ weiten von etwa 6/10 bis 8/10 mm auf, während die Dämpfungsspalte 10a und 10b Spaltweiten von etwa 1/10 mm im kalten Zustand aufweisen. Im Betrieb sind normalerweise die Dämpfungsspalte vollkommen ver­ schlossen, d. h. daß die Deckbandabschnitte 4a und 4b in diesen Be­ reichen in reibender Verbindung stehen.

Der mittlere freie Spalt 12b, der zwischen den beiden Dämpfungs­ spalten 10a und 10b angeordnet ist, ist etwa im Winkel von 45° zur Achsrichtung a orientiert. Etwa die gleiche Orientierung haben zweckmäßigerweise die anderen offenen Spalten 12a und 12c. Die Dämpfungsspalte 10a und 10b hingegen sind etwa im Winkel von 70° bis 90° zur Achsrichtung a orientiert, wobei ein Winkel von ca. 80°-85° am zweckmäßigsten zur Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile ist. Die beiden Dämpfungsspalte 10a und 10b sind etwa um je 1/4 der Breite b des Deckbandes 4 von den Deckbandrändern 11a und 11b entfernt.

In Fig. 3b ist eine andere Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die sich von der oben angegebenen Ausführung dadurch unterscheidet, daß die beiden Dämpfungsspalte 10a und 10b im Bereich der Dichtlippen 5a und 5b angeordnet sind, was mit dem Vorteil verbunden ist, daß die Spalte zwischen benachbaren Abschnitten der Dichtlippen auf das im Betrieb verbleibende Maß der Spaltweite der Dämpfungsspalte 10a und 10b verminderbar ist.

Die randseitigen Endbereiche der äußeren offenen Spalten 12a und 12c erweitern sich stark keilförmig, so daß die überstehenden Plattform­ bereiche 13, die im Betrieb eine starke Schwingungsneigung aufweisen, verkleinert sind, ohne daß die Funktion des Deckbandes 4 beeinträch­ tigt wird. Vorteilhafterweise wird dadurch die nichttragende Platt­ formmasse vermindert.

Claims (7)

1. Deckband für ein Integralrad mit mindestens einem am Umfang ange­ ordneten Z-förmigen Trennspalt mit winklig zur Achsrichtung angeordneten Dämpfungsspalten geringster Spaltweite und sich daran anschließende offene Spaltabschnitte, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zueinander liegenden Dämpfungsspalte (10a, 10b) die beiden Schenkel des Z-förmigen Trennspaltes (9) bilden und in einem Winkel von 70° bis 90° zur Achsrichtung (a) ausgerichtet sind und unter Betriebsbedingungen eng aneinander liegen, während der Z-Steg als ein in Richtung der Deckbandränder (11a, 11b) verlaufender offener Spalt (12b) ausgebildet ist.

2. Deckband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Außen­ umfang zwei beabstandete umlaufende Dichtlippen (5a, 5b) ange­ formt sind, und die Dämpfungsspalte (10a, 10b) im Bereich der Dichtlippen (5a, 5b) angeordnet sind.

3. Deckband nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß die Dämp­ fungsspalte (10a, 10b) im kalten Zustand des Integralrades eine Spaltweite kleiner 0,1 mm aufweisen.

4. Deckband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Spaltabschnitte (12a, 12b, 12c) unter einem Winkel von ca. 45° zur Achsrichtung verlaufen, die etwa parallel zur hinterkantenseitigen Hälfte der benachbarten Schaufelprofile angeordnet sind.

5. Deckband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Dämpfungsspalte (10a, 10b) etwa um 1/4 der Deckbandbreite (b) von den Deckbandrändern (11a, 11b) entfernt sind.

6. Deckband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die offenen Spaltabschnitte (12a, 12c) im Bereich der Deckbandränder (11a, 11b) stark keilförmig erweitern.

7. Deckband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zur Achsrichtung (a) bevorzugt 80°-85° beträgt.