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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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(a) Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinen und insbesondere eine
Vorrichtung zum Steuern der Strömung
von Kühlluft
durch einen Strömungsweg
in einer Turbinenlaufschaufel.
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(b) Beschreibung des Stands
der Technik
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In
einer Turbinenmaschine werden Gase in einem Verdichterabschnitt
komprimiert, mit Brennstoff in einem Verbrennungsabschnitt verbrannt
und in einem Turbinenabschnitt entspannt, um den heißen, druckbeaufschlagten
Gasen Arbeit zu entziehen. Die Rotoranordnung des Turbinenabschnitts weist
eine Scheibe mit einer Mehrzahl von umfangsmäßig angeordneten, beabstandeten
Laufschaufelbefestigungsschlitzen auf, von denen jeder mit einer Turbinenlaufschaufel
versehen ist, die eine radial darin angeordnete und von dem Grund
des Schlitzes beabstandete Wurzel hat, und so einen Hohlraum dazwischen
lässt.
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Während des
Betriebs der Maschine vermitteln die heißen Gase der Rotoranordnung
Energie. Jedoch kann das Material der Laufschaufeln nur eine maximale
Temperatur ertragen, jenseits von der seine Anfälligkeit für Beschädigung zunimmt, was zu einer
niedrigeren Nutzungslebensdauer führt.
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Es
ist bekannt, Turbinenlaufschaufeln durch das Strömenlassen von Kühlluft zu
kühlen,
die von dem Verdichterabschnitt abgezogen wurde. Die Kühlluft lässt man
zu den in der Rotorscheibe gebildeten Hohlräumen durch eine Statoranordnung
strömen,
welche den Verbrennungsabschnitt und die Rotoranordnung abstützt. Aus
jedem Hohlraum lässt man
die Kühlluft
durch einen oder mehrere Strömungswege
in den inneren Kern der Laufschaufel von einer Einlassöffnung an
der Wurzel davon strömen
und durch Öffnungen
austreten, die in der Nähe der
Hinterkante der Laufschaufel vorgesehen sind.
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Ein
Problem, zu dem es bei einer derartigen Konfiguration kommt, ist,
dass die Menge an Kühlluft, welche
durch die Laufschaufeln strömt,
nicht auf die erforderliche Menge an Kühlluft eingestellt werden kann.
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Vorrichtungen
zum Anpassen der Strömung von
Kühlluft
in Turbinenlaufschaufeln sind bekannt. Beispielsweise beschreibt
US Patent Nr. 4,626,169, welches Hsing et al. erteilt wurde, eine
perforierte, rechteckige, gegossene Dichtungsplatte, die in dem Hohlraum
zwischen dem Schlitz und der Laufschaufelwurzel gegen dessen Grundfläche angeordnet
ist, und die Prallelemente aufweist, um einen Niet zum Halten der
Laufschaufel aufzunehmen. Die Dichtungsplatte ist mit einer Beschichtung
versehen, die darauf durch ein Flammensprühverfahren aufgebracht wurde,
und wird installiert, indem man sie mit einem Hammer in den Hohlraum
klopft, wobei die Beschichtung eine enge Passung zwischen der Dichtungsplatte
und den den Hohlraum definierenden Scheibenenden schafft.
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GB
Patent Nr. 2 051 254 A (General Electric Company), welches am 14.
Januar 1981 erteilt wurde, beschreibt einen zylinderförmigen Einsatz,
der daran angepaßt
ist, in eine ringförmige
Ausnehmung oder einen ringförmigen
Hohlraum eingesetzt zu werden, der koaxial mit einer zugeordneten
Kühlpassage einer
Turbinenlaufschaufel gebildet ist, um die Passage von flüssigem Kühlmittel
in die Kühlpassage
zu erlauben, jedoch die Passage von Kühlmitteldampf von der Passage
zu einem Kühlmittelversorgungskanal
zu verhindern. Der Außendurch messer
des Einsatzes ist etwa gleich dem Innendurchmesser des Hohlraums
und er wird beispielsweise durch Aufweiten mechanisch in Position
befestigt.
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Ein
Problem bei solchen Vorrichtungen ist, dass das Gießen des
Einsatzes oder der Dichtungsplatte zu den exakten Dimensionen des
Hohlraums korrespondieren muss und mit einem zugehörigen Befestigungselement
kooperieren muss, welches aufwendige maschinelle Bearbeitungsschritte
benötigt.
Die Öffnungen
der Dichtungsplatte in der Platte können auch verstopfen.
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Es
wäre höchst wünschenswert,
eine unaufwendige Vorrichtung, zu haben, die einfach in die Einlassöffnung des
Laufschaufelströmungswegs
eingesetzt und darin gehalten werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine unaufwendige Vorrichtung
be- reitzustellen, die einfach in die Einlassöffnung eines Laufschaufelströmungswegs
eingesetzt und darin gehalten werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden in Kombination eine Turbinenlaufschaufel und eine Vorrichtung
zum Steuern einer Strömung
von Kühlluft durch
einen Strömungsweg
in der Turbinenlaufschaufel zum Kühlen der Turbinenlaufschaufel
bereitgestellt. Die Vorrichtung weist ein Stopfenelement zum Verringern
der Strömung
von Kühlluft
durch den Strömungsweg
auf. Das Stopfenelement weist einen Luftströmungsblockierbereich, der daran
angepaßt ist,
in den Strömungsweg
gegen eine Vorspannkraft davon eingesetzt zu werden, und einen Haltebereich auf,
der mit dem Blockierbereich verbunden ist, zum Halten des Stopfenelements
an einer Einlassöffnung des
Strömungswegs,
wobei der Haltebereich daran angepaßt ist, an einer Wand der Laufschaufel
anzuliegen.
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Der
Haltebereich kann einen ersten Flansch und einen mit dem ersten
Flansch mit dem Blockierbereich verbundenen zweiten Flansch aufweisen.
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Der
Blockierbereich kann eine erste Zwischentafel, eine zweite Zwischentafel
und einen Buchtbereich aufweisen, der die erste und die zweite Zwischentafel
verbindet, wobei die erste und die zweite Zwischentafel an den ersten
Flansch bzw. den zweiten Flansch anschließen.
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Das
Stopfenelement kann aus einem Federmetallmaterial hergestellt sein.
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Vorzugsweise
hat die Turbinenlaufschaufel einen Wurzelbereich, der die Einlassöffnung definiert,
und eine innere Wand, die einen von der Einlassöffnung zu einer Auslassöffnung verlaufenden
Strömungsweg
definiert, vorgesehen an einer Strömungsprofiloberfläche der
Turbinenlaufschaufel. Der elastische Kühlluftblockierbereich wird
in die Einlassöffnung
eingesetzt, und der Haltebereich drückt gegen den Wurzelbereich,
der die Einlassöffnung
definiert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Anpassen einer Strömung von Kühlluft durch
einen Strömungsweg
in einer Turbinenlaufschaufel zum Kühlen der Turbinenlaufschaufel
bereitgestellt. Das Verfahren weist auf a) Bereitstellen eines Stopfenelements,
aufweisend einen Bloclierbereich und einen Haltebereich, und b)
Einsetzen des Blockierbereichs in eine Einlassöffnung des Strömungswegs.
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Vorzugsweise
hat der Strömungsweg
eine Querschnittsfläche
und das Verfahren weist auf a) Bestimmen einer Strömung von
Kühlluft,
die durch den Strömungsweg
erforderlich ist, und b) Schneiden des Stopfenelements aus einem
Streifen aus elastischem Material auf eine Breite, um die Querschnittsfläche des
Strömungswegs
auf die gewünschte
Strömung
von Kühlluft
zu verringern.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Nachdem
so generell die Art der Erfindung beschrieben wurde, wird nun Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen genommen, die illustrativ eine bevorzugte
Ausführungsform
davon zeigen, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Bauteile
beziehen, und für
die gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform eines Stopfens gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer arbeitsfähigen
Position in der Laufschaufel zeigt.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten
Stopfens, und
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3 ist
eine Teilradialschnittansicht eines Teils einer Rotoranordnung gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie
man in der 1 erkennen kann, ist dort eine
Turbinenlaufschaufel 10 mit einem Strömungsprofilabschnitt 12 und
einem Wurzelabschnitt 14 entgegengesetzt zu dem Strömungsprofilabschnitt 12 gezeigt.
Der Wurzelabschnitt 14 weist einen tannenbaumförmigen Befestigungsabschnitt 16 auf,
der von einer Wurzelgrundfläche 18 beendet
wird. Die Wurzelgrundfläche 18 ist
mit einer Einlassöffnung 20 an deren
Zentrum versehen. Eine innere Wand 22 der Turbinenlaufschaufel 10 definiert
einen Strömungsweg 24,
der von der Einlassöffnung 20 durch
die Turbinenlaufschaufel 10 zu den an der Oberfläche der Spitze
und/oder der Seitenhinterkante des Strömungsprofilabschnitts vorgesehen
ist. Die Turbinenlaufschaufel 10 ist mit einer Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Steuern einer Strömung von Kühlluft in einer Turbinenlaufschaufel
gezeigt, die hier in der Form eines Stopfens 26 gezeigt
ist, der in die Einlassöffnung 20 des Strömungswegs 24 eingesetzt
ist, um die Querschnittsfläche
der Einlassöffnung 20 zu verringern.
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Es
wird nun auf die 2 Bezug genommen. Der Stopfen 26 ist
aus einem Streifen aus elastischem Material, beispielsweise einem
Federmetall, hergestellt, der symmetrisch relativ zu einer Ebene durch
die Achse A, welche den Streifen 2 teilt, gebildet ist,
und der zu einem ersten Flansch 28, einer ersten und einer
zweiten länglichen
Zwischentafel 20 und 32 und einem zweiten Flansch 34 gebogen
ist. Der Streifen der vorliegenden Ausführungsform hat eine Dicke von
0,008 bis 0,011 Inch (0,02 bis 0,028 cm). Die erste und die zweite
Zwischentafel 30 und 32, die einander benachbart
angeordnet und am Zentrum des Flachmaterials angeordnet sind, definieren einen
Blockierbereich 36.
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Der
Blockierbereich 36 weist einen Ausbuchtungsbereich 38 auf,
der die erste und die zweite Zwischentafel 30 und 32 verbindet.
Der Ausbuchtungsbereich 38 hat einen Durchmesser 2R,
in der vorliegenden Ausführungsform
0,045 Inch (0,1143 cm), der im Wesentlichen zu der Breite des Strömungswegs 24 der
Turbinenlaufschaufel 10 korrespondiert, in der der Stopfen 26 eingesetzt
werden soll, wie nachfolgend beschrieben ist.
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Die
erste und die zweite Zwischentafel 30 und 32 sind
im Wesentlichen eben und bezogen auf die Ebene ein wenig nach außen aufgeweitet,
so dass der Abstand zwischen den Enden davon, die dem Ausbuchtungsbereich 38 entgegengesetzt
sind, dem Doppelten des Durchmessers 2R des Ausbuchtungsbereichs 38 entspricht.
Der Abstand zwischen den Enden der Zwischentafeln 30 und 32,
die dem Ausbuchtungsbereich 38 entgegengesetzt sind, beträgt 0,09
Inch (0,229 cm) bei der vorliegenden Ausführungsform. Die Höhe des Blockierbereichs 36,
gemessen von dem Ausbuchtungsbereich 38 zu den Enden der
Zwischentafeln 30 und 32 beträgt 0,2 Inch (0,51 cm). Jedoch
kann die Höhe
des Blockierbereichs 36 variieren.
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Die
erste und die zweite Zwischentafel 30 und 32 sind
jeweils zu dem ersten und dem zweiten Flansch 28 und 34 gekrümmt, von
denen jeder relativ zur Achse A nach außen gerichtet ist und mit einem rechten
Winkel relativ zu den Zwischentafeln 30 und 32 angeordnet
ist. Auf diese Weise sind die Flansche 28 und 34 relativ
zu einer zweiten Ebene durch eine Achse B, die rechtwinklig zur
Achse A ist, ein wenig mit einem spitzen Winkel angeordnet, wenn
der Stopfen 26 in einer nicht arbeitsfähigen Position ist, wie in der 2 gezeigt.
Die Flansche definieren einen Haltebereich. Jeder Flansch 28 und 34 hat
eine Länge von
0,07 Inch (0,178 cm) wie bei der vorliegenden Ausführungsform.
Jedoch kann die Länge
der Flansche 28 und 34 variieren.
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Bei
Betrieb sind der erste und der zweite Flansch 28 und 34 daran
angepaßt,
gegen die Wurzelgrundfläche 18 der
Turbinenlaufschaufel 10 an beiden Seiten der Einlassöffnung 20 des
Strömungswegs 24 zu
drücken
und den Stopfen 26 in Position zu halten.
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Es
wird nun auf die 3 Bezug genommen. Die Rotoranordnung
weist eine Rotorscheibe 40 auf, die an einer Maschinenwelle
angebracht ist und relativ zu der Axialachse der Welle (nicht gezeigt)
drehbar ist. Die Rotorscheibe 40 hat einen äußeren Rand 42 mit
einer Mehrzahl von umfangsmäßig angeordneten,
voneinander beabstandeten, sich axial erstreckenden Schlitzen 44,
die zu dem tannenbaumförmigen
Befestigungsabschnitt 16 der Turbinenlaufschaufel 10 korrespondieren.
Der Laufschaufelbefestigungsabschnitt 16 lässt einen
Hohlraum 46 zwischen dem äußeren Rand 42 und
der Wurzelgrundfläche 18,
wenn er in einem korrespondierenden Laufschaufelbefestigungsschlitz 44 ist.
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Bei
Betrieb wird der Stopfen 26 an der Turbinenlaufschaufel 10 durch
Einsetzen des Ausbuchtungsbereichs 38 durch die Einlassöffnung 20,
die an der Wurzeloberfläche 18 der
Turbinenlaufschaufel 10 vorgesehen ist, in den Strömungsweg 24 montiert, bis
die Flansche 28 und 34 gegen die Wurzelgrundfläche 18 der
Turbinenlaufschaufel 10 anliegen. Während des Einsetzens des Stopfens 26 in
den Strömungsweg 24 werden
die erste und die zweite Zwischentafel 30 und 32 gegen
die Innenwand 22 vorgespannt und definieren den Strömungsweg 24.
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Der
Stopfen 26 wird in Position durch die Reibung der Zwischentafeln 30 und 32 mit
der inneren Wand 22 gehalten. Wenn sich die Rotoranordnung
bewegt, erzeugt das Rotieren der Rotorscheibe 40 eine Zentrifugalkraft,
welche die Flansche 28 und 34 gegen die Wurzeloberfläche 18 der
Turbinenlaufschaufel 10 hält.
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Das
Abdichten des Strömungswegs 24 wird durch
die Gestalt des Stopfens 26 und durch die CF (centrifugal
force)-Belastung vorgesehen.
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Der
Stopfen 26 ist maßgeschneidert,
um die Querschnittsfläche
des Strömungswegs 24 zu
verringern, um das Zirkulieren einer benötigten Luftströmung zu
erlauben. Die Breite des Streifens ist auf eine Breite geschnitten,
welche die Querschnittsfläche
des Strömungswegs 24 auf
die gewünschte
Strömung
von Kühlluft
verringert, und so eine effektive Luftströmung zwischen der Innenwand 22 der
Turbinenlaufschaufel 10 und einer oder beiden Seiten des Stopfens 26 erlaubt,
wenn sich der Stopfen 26 in einer Arbeitsposition in der
Turbinenlaufschaufel 10 befindet.
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In
einem Beispiel wurde die Strömung
von Kühlluft
von 0,66% auf 0,4% der Maschinenkernströmung verringert.