-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und
insbesondere Turbinenlaufschaufeln in diesen.
-
In
einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter unter Druck
gesetzt und in einer Brennkammer mit Kraftstoff vermischt, um heiße Verbrennungsgase
zu erzeugen. Turbinenstufen extrahieren Energie aus den Verbrennungsgasen,
um den Verdichter anzutreiben und nützliche Arbeit zu verrichten.
-
Unmittelbar
nach der Brennkammer folgt eine Hochdruckturbine (HDT), die eine
oder mehrere Reihen von Turbinenlaufschaufeln aufweist, die den Gasen
Energie zum Antreiben des Verdichters entziehen.
-
Nach
der HDT folgt eine mehrstufige Niederdruckturbine (NDT), die weitere
Laufschaufeln enthält,
die ebenfalls Energie aus den Verbrennungsgasen extrahieren, um
gewöhnlich
einen stromaufwärts befindlichen
Bläser
in einer Mantelstrom-Flugzeugtriebwerksanwendung anzutreiben.
-
In
einer noch weiteren Konfiguration ist zwischen der HDT und der NDT
eine Zwischendruckturbine (ZDT) angeordnet, die weitere Turbinenstufen enthält, die
ebenfalls Energie den Verbrennungsgasen entziehen, um weitere Arbeit
zu verrichten. In dieser Konfiguration kann die ZDT mit einem Niederdruck-
oder Boosterverdichter verbunden sein, der stromaufwärts von
dem Hochdruckverdichter angeordnet ist, um diesem Antriebsleistung
zuzuführen. Ferner
treibt die NDT eine externe Antriebswelle an, die verwendet werden kann,
um einen elektrischen Generator in einer typischen industriellen
Gasturbinentriebwerksanwendung anzutreiben.
-
Da
die Rotorlaufschaufeln der HDT den heißesten Temperaturen der Verbrennungsgase
ausgesetzt sind und mit einer sehr hohen Drehzahl umlaufen, unterliegen
sie beträchtlichen
thermischen und zentrifugalen Spannungen während des Betriebs. Um ihre
Standzeit und Dauerhaftigkeit zu verbessern, sind die HDT-Turbinenlaufschaufeln
gewöhnlich
aus Superlegierungen, wie beispielsweise Nickel basiertem Metall,
ausgebildet, damit sie bei einer erhöhten Temperatur eine höhere Festigkeit
aufweisen.
-
Die
Turbinenlaufschaufeln enthalten gewöhnlich hohle Schaufelblätter, in
denen Kühlkreisläufe vorgesehen
sind, durch die Kühlluft
umgewälzt wird,
die von dem Verdichter während
des Betriebs abgezapft wird. Die Laufschaufeln enthalten ferner eine
integrale Plattform, die die innere Begrenzung für die heißen Verbrennungsgase definiert,
wobei darunter ein integraler tragender Schwalbenschwanz angeordnet
ist.
-
Der
Schwalbenschwanz der Laufschaufel enthält eine oder mehrere Paare
von Schwalbenschwanzzinken oder -ausbuchtungen, die in zugehörigen Schwalbenschwanzschlitzen
in dem Umfang der tragenden Turbinenlaufradscheibe montiert sind. Es
sind Schwalbenschwänze
mit axialer Einführunq üblich, die
sich durch axiale Schwalbenschwanzschlitze erstrecken, die rund
um den Umfang der Laufradscheibe angeordnet sind.
-
Zentrifugallasten,
die während
des Betriebs der umlaufenden Laufschaufeln hervorgerufen werden,
werden radial nach innen durch die Schwalbenschwanzausbuchtungen
in die zugehörigen
Scheibensäulen
hinein übertragen,
die die Schwalbenschwanzschlitze rund um den Umfang der Laufradscheibe
definieren. Da das Laufschaufelblatt, die Plattform und der Schwalbenschwanz
für unterschiedliche
Zwecke speziell konfiguriert sind, erfahren sie unterschiedliche
thermische und zentrifugale Belastungen während des Betriebs, die zur
Sicherstellung einer langen Nutzdauer der Turbinenstufe geeignet
begrenzt sein müssen.
-
Demgemäß müssen die
tragenden Laufräder
ebenfalls geeignet konfiguriert sein, um die Zentrifugallasten von
der Laufschaufelreihe mit begrenzter Beanspruchung zu übertragen,
um ebenfalls die lange Nutzdauer von diesen sicherzustellen.
-
Da
die Schwalbenschwänze
der Laufschaufeln diskrete Komponenten bilden, die rund um den Umfang
der Laufradscheibe im Abstand zueinander angeordnet und durch die
dazwischen eingefügten Scheibenstützen bzw.
-säulen
voneinander getrennt sind, werden entsprechende Zwischenräume oder Lücken zwischen
Laufschaufeln erzeugt, die während
des Betriebs geeignet abgedichtet werden müssen. Heiße Verbrennungsgase strömen im Betrieb zwischen
den Laufschaufeln an der Außenseite
der Schaufelplattformen. Und Kühlluft,
die von dem Verdichter abgezweigt wird, wird durch die Scheibenschlitze
und durch Kühlkanäle hindurch
geleitet, die sich in radialer Richtung durch die einzelnen Laufschaufeln
erstrecken.
-
Demgemäß sind einzelne
Dichtungskörper gewöhnlich dazu
konfiguriert, die zwischen Laufschaufeln befindlichen Lücken zwischen
einander benachbarten Schwalbenschwänzen und oberhalb der entsprechenden
dazwischen befindlichen Schei bensäulen zu füllen. Die Dichtungskörper begrenzen den
Leckstrom zwischen der vorderen und der hinteren Stirnfläche der
Laufschaufeln, wenn diese an dem Umfang der Laufradscheibe montiert
sind. Diese Dichtungen beeinflussen auch die Betriebstemperatur
der Scheibensäulen
zur Maximierung der Nutzlebensdauer der Laufradscheibe.
-
Der
Wirkungsgrad einer Turbine ist durch viele miteinander in Beziehung
stehende Parameter beeinflusst. Grundsätzlich kann der Turbinenwirkungsgrad
erhöht
werden, wenn die Verbrennungsgastemperatur steigt, wobei jedoch
heißere
Verbrennungsgase die Wärmebelastungen
an den Turbinenkomponenten steigern, die geeignet gekühlt werden müssen. Zapfkühlluft von
dem Verdichter reduziert wiederum den Wirkungsgrad des Triebwerks,
da die Zapfluft in dem Verbrennungsprozess nicht verwendet wird.
-
Außerdem beeinträchtigen
die aerodynamischen Profile der Turbinenlaufschaufeln selbst den Triebwerkswirkungsgrad,
und die Schaufelblattkonfiguration beeinflusst ebenfalls die Wärmebelastungen und
Zentrifugalbelastungen sowie Spannungen nicht nur in den Schaufelblättern selbst
sondern auch in den tragenden Plattformen, Schwalbenschwänzen und
Laufradscheibensäulen.
-
In
einer neuen Entwicklung eines industriellen Gasturbinentriebwerks
mit drei Wellen, das eine HDT, eine ZDT und eine NDT zum Antreiben
eines elektrischen Generators aufweist, ist der Turbinenwirkungsgrad
beispielsweise durch eine Verbesserung der aerodynamischen 3D-Gestaltung
der Turbinenschaufelblätter
in der zweiten Stufe der HDT erhöht.
Moderne Analysewerkzeuge werden dazu verwendet, die 3D-Konfiguration
des Schaufelblatts der zweiten Stufe zu verfeinern, um seine Effizienz
zu steigern, wobei die Laufschaufeln eine größere Verdrehung oder Verwindung
in Bezug auf die axialen Schwalbenschwänze erfahren, als sie herkömmlich zu
finden ist. Derartige axiale Schwalbenschwänze haben sich in herkömmlichen
Turbinen als dauerhaft erwiesen und ermöglichen eine entsprechende
lange Nutzdauer der tragenden Laufradscheibe.
-
Die
stärkere
Verwindung oder Verdrehung des Schaufelblattfußes oder -nabenkörpers an
der inneren Plattform verändert
entsprechend die Lastpfade zu dem axialen Schwalbenschwanz, der
nicht in ähnlicher
Weise um die radiale Achse herum verwunden oder verdreht ist.
-
Die
Verdrehung der Schaufelblattnabe erfordert geeignet geneigte oder
unter einem Winkel ausgerichtete axiale Spalt- bzw. Teilungslinien
zwischen den benachbarten Plattformen in der Reihe von Turbinenlaufschaufeln.
Die Laufschaufelplattformen sind deshalb zu dem tragenden axialen
Schwalbenschwanz relativ verdreht und beeinflussen den durch diese
hindurch führenden
Zentrifugallastpfad sowie deren Gesamtkonfiguration.
-
Da
sowohl der axiale Schwalbenschwanz als auch der Dichtungskörper zwischen
Laufschaufeln achsensymmetrisch sind, ist der Abstand zwischen Laufschaufeln
durch das 3D-Schaufelblatt
und die verdrehte Plattform beeinflusst, was zu einer unerwünschten
Leckströmung
zwischen den Laufschaufeln führen
kann.
-
Demgemäß ist es
erwünscht,
eine verbesserte Turbinenlaufschaufel, die eine mit einem axialen
Schwalbenschwanz verbundene verdrehte oder verwundene Plattform
aufweist, mit Merkmalen zur Reduktion der Zwischenschaufelleckage
zu schaffen.
-
Gemäß der Erfindung
enthält
eine Turbinenlaufschaufel ein Schaufelblatt, eine Plattform, einen Schaft
und einen Schwalbenschwanz. Der Schaft enthält eine vordere und eine gegenüberliegende hintere
Stirnfläche,
die einer Vorder- und
einer Hinterkante des Schaufelblattes entsprechen, sowie eine erste
und eine gegenüberliegende
zweite Seite, die einer Druck- und einer Saugseite des Schaufelblattes entsprechen.
Der Schaft enthält
ferner Nasen oder Ansätze,
die sich von den beiden Seiten aus nach außen erstrecken, wobei eine
erste Nase eine umgedrehte Randleiste oder einen umgedrehten Kragen aufweist,
die bzw. der sich zu der Plattform hin nach außen erstreckt, um mit der hinteren
Stirnfläche
des Schaftes verbunden zu sein. Der Kragen wirkt mit einem Dichtungskörper zusammen,
wenn er in dem Triebwerk montiert ist, um einen Leckstrom zwischen Laufschaufeln
zu reduzieren.
GB 2 127 104 beschreibt
eine nicht hohle Turbinenlaufschaufel mit einer integralen Einrichtung
zur Abdichtung der Zwischenräume
zwischen den Schäften
der Laufschaufeln. Die Dichtungseinrichtung weist einen Dichtungskragen
auf, der sich von der stromabwärts
befindlichen Kante der Plattform aus entlang der stromabwärts befindlichen
Stirnfläche
des Schaftes nach unten erstreckt.
-
Die
Erfindung wird nun in größeren Einzelheiten
zu Beispielszwecken mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben:
-
1 zeigt
eine hintere Draufsicht auf einen Abschnitt eines Turbinenrotors
einer zweiten Stufe, der Laufschaufeln enthält, die sich von einer tragenden
Laufrad scheibe aus radial nach außen erstrecken, mit Blick nach
vorne.
-
2 zeigt
eine vordere Draufsicht auf die in 1 veranschaulichten
Turbinenlaufschaufeln mit Blick nach hinten.
-
3 zeigt
eine Seitenansicht oder axiale Ansicht einer der Turbinenlaufschaufeln,
wie sie in den 1 und 2 veranschaulicht
sind.
-
4 zeigt
eine teilweise im Schnitt dargestellte flächenförmige Ansicht der beiden Laufschaufeln,
wie sie in 1 veranschaulicht sind und geschnitten
entlang der Linie 4-4.
-
5 zeigt
eine explodierte Hinteransicht der in 3 veranschaulichten
Turbinenlaufschaufel mit Blick nach vorne.
-
1 veranschaulicht
einen repräsentativen Abschnitt
eines Turbinenrotors einer zweiten Stufe einer Hochdruckturbine
für ein
ansonsten herkömmliches
Gasturbinentriebwerk. Das Triebwerk kann als ein Mantelstromtriebwerk
zum Antreiben eines Flugzeugs im Flug oder für Marineanwendungen oder industrielle
Anwendungen mit einer Niederdruckturbine konfiguriert sein, die
eine externe Antriebswelle antreibt.
-
Es
ist eine Turbinenlaufradscheibe 10 zum Teil veranschaulicht,
die eine Reihe von axialen Schwalbenschwanzschlitzen 12 enthält, die
rund um den Umfang der Scheibe ausgebildet und durch komplementäre Scheibenstützen bzw. -säulen 14 definiert
sind.
-
Rund
um die Laufradscheibe ist in den entsprechenden Schwalbenschwanzschlitzen 12 eine Reihe
von Laufschaufeln 16 der Turbine der zweiten Stufe montiert.
Jede Laufschaufel enthält
ein Schaufelblatt 18, eine Plattform 20, einen
Schaft 22 und einen mehrere Ausbuchtungen aufweisenden
Schwalbenschwanz 24, die in Form eines einzelnen oder einstöckigen Gussteils
radial der Reihe nach integral miteinander verbunden sind.
-
Während des
Betriebs werden in einer (nicht veranschaulichten) Brennkammer heiße Verbrennungsgase 26 erzeugt,
die zwischen den Turbinenschaufelblättern 18 geeignet
geleitet werden, die diesen Energie entziehen, um die Scheibe 10 zu
drehen. Die Scheibe ist über
eine Welle mit einem (nicht veranschaulichten) mehrstufigen Axialverdichter
geeignet verbunden, der Luft 28 unter Druck setzt, die
in der Brennkammer mit Kraftstoff vermischt wird, um die heißen Verbrennungsgase
zu erzeugen.
-
Ein
Teil der unter Druck gesetzten Luft 28 wird geeignet zu
der Laufradscheibe 10 geleitet und in die Scheibenschlitze 12 den
einzelnen Turbinenlaufschaufeln zugeführt, um durch diese hindurch
radial nach außen
in Kühlkreisläufe 30 zu
strömen,
die während
des Gießprozesses
in geeigneter Weise darin ausgebildet werden.
-
Die
einzelnen Schaufelblätter 18 sind
folglich hohlförmig
und enthalten geeignete Unterteilungen oder Rippen in sich, um die
verschiedenen Strecken oder Zweige des Kühlkreislaufs 30 zur
Kühlung
des Schaufelblatts in einer herkömmlichen
Weise zu bilden. Die Kühlkreisläufe enthalten Einlasskanäle, die sich
durch die Laufschaufelplattform, den Schaft und den Schwalbenschwanz
nach innen erstrecken, wobei Einlässe ebenfalls in einer herkömmlichen
Weise in der Basis des Schwalbenschwanzes ausgebildet sind, um zunächst die
unter Druck gesetzte Kühlluft in
diese aufzunehmen.
-
Wie
in den 2 und 3 veranschaulicht, enthält jedes
Schaufelblatt 18 eine im Wesentlichen konkave Druckseite 32 und
eine in Umfangsrichtung oder Seitenrichtung gegenüberliegende,
im Wesentlichen konvexe Saugseite 34. Die beider Seiten
erstrecken sich axial in Sehnenrichtung zwischen einer Vorder- und
einer gegenüberliegenden
Hinterkante 36, 38 und in Längs- oder radialer Spannweitenrichtung
zwischen einer Nabe oder einem Fuß 40, die bzw. der
an der Plattform integral ausgebildet ist, und einer äußeren Spitze 42 an
dem distalen Ende des Schaufelblattes.
-
Abgesehen
von dem hier nachstehend Beschriebenen weist die grundlegende Turbinenlaufschaufel
der zweiten Stufe, wie sie in den 1-3 veranschaulicht
ist, einen herkömmlichen
Aufbau und eine herkömmliche
Funktionsweise auf und ist ähnlich
in kommerziellen Turbinentriebwerken zu finden, die seit vielen
Jahren sowohl in den Vereinigten Staaten als auch weltweit verkauft und
eingesetzt werden. Wie vorstehend angegeben, können weitere Fortschritte hinsichtlich
der Effizienz dieser Turbinenlaufschaufel der Stufe 2 erzielt
werden, indem die aerodynamische 3D-Konfiguration des Schaufelblattes 18 verbessert
wird.
-
Insbesondere
kann moderne Rechenanalyse dazu verwendet werden, die 3D-Gestaltung
des in den 1-3 veranschaulichten
Schaufelblattes 18 derart zu verbessern, dass es beispielsweise
rund um die radiale Mittellinie oder Stapelachse des Schaufelblattes
eine zunehmende Verdrehung oder Verwindung enthält. 4 veranschaulicht
insbesondere, dass das Schaufelbatt in Bezug auf die axiale Mittelachse
der Laufradscheibe verdreht oder verwunden sein kann, wodurch wiederum
die entsprechende Plattform 20 verdreht oder verwunden
ist.
-
Jede
Plattform weist zwei in Umfangsrichtung gegenüberliegende Teilungs- bzw.
Spaltlinien oder Schlitzseiten 44 auf, die sich schräg zwischen ihrer
vorderen und ihrer hinteren Stirnfläche in einer parallelogrammförmigen Ausgestaltung
erstrecken. Jede Plattform 20 ist unter einem spitzen Neigungs- oder
Verdrehwinkel A von beispielsweise etwa 20° gegenüber der axialen Mittelachse
der Laufradscheibe oder des axialen Schwalbenschwanzes der Laufschaufel
selbst verdreht. Die Verdrehdifferenz bei der Ausrichtung zwischen
der Plattform 20 und dem darunter liegenden Schwalbenschwanz 24 beeinflusst sowohl
den Zentrifugallastpfad durch die Laufschaufel als auch den Abstand
zwischen Laufschaufeln unterhalb der Plattform.
-
Insbesondere
ist der Schaft 22 in größeren Einzelheiten
in den 3 und 5 veranschaulicht, wie er eine
vordere und eine axial gegenüberliegende
hintere Stirnfläche 46, 48 enthält, die
der Vorder- und der Hinterkante 36, 38 des Schaufelblattes entsprechen
und radial weiter innen in Bezug auf diese angeordnet sind. Jeder
Schaft enthält
ferner eine erste und eine zweite Seite 50, 52,
die in Seiten- oder Umfangsrichtung gegenüberliegen, der Druck- und Saugseite 32, 34 des
Schaufelblattes entsprechen und radial unterhalb dieser angeordnet
sind. Der Schaft erstreckt sich radial in Spannweitenrichtung und
ist mit dem oberen Ende des Schwalbenschwanzes 24 integral
verbunden.
-
Der
Schwalbenschwanz 24, wie er in 5 veranschaulicht
ist, weist eine herkömmliche
tannenbaumförmige
Gestaltung mit drei Paaren von sich in Axialrichtung erstreckenden
Zinken oder Ausbuchtungen 54 auf, die sich wiederum in
der Axialrichtung unterhalb der jeweiligen vorderen und hinteren
Stirnfläche 46, 48 des
radialen Schaftes 22 erstrecken.
-
Demgemäß enthält der Schaft
vier separate Haltenasen 56, die sich in Seitenrichtung
nach außen von
der ersten und der gegenüberliegenden
zweiten Seite 50, 52 des Schaftes wegerstrecken.
Die Nasen sind in zwei Paaren angeordnet, die sich in entgegengesetzte
Richtungen von den entgegengesetzten Seiten des Schaftes an der
jeweiligen vorderen und hinteren Stirnfläche 46, 48 von
diesem erstrecken und oberhalb der Schwalbenschwanzausbuchtungen 54 im
Abstand angeordnet sind.
-
Wie
am besten in 5 veranschaulicht, enthält jede
der vier Nasen 56 eine im Wesentlichen horizontale obere
Fläche
und eine geneigte untere Fläche,
die in das äußerste Paar
von Schwalbenschwanzausbuchtungen übergeht, um einen Dichtungspfropfen
oder -körper 58 daran
radial zu haltern.
-
Wie
in den 2 und 5 veranschaulicht, ist der Dichtungskörper 58 entlang
seiner Längsachse
oder axialen Achse achsensymmetrisch und enthält einen im Wesentlichen rechteckigen
Kopf 60, der oberhalb eines Paars von axialen Ausbuchtungen oder
Zinken 62 angeordnet ist.
-
Der
Dichtungskörper
enthält
ferner eine an seinem vorderen Ende angeordnete vergrößerte Dichtungsplatte 64,
die, wie in 1 veranschaulicht, in Seiten-
oder Umfangsrichtung die vorderen Stirnflächen 46 von benachbarten
Schäften 22 überlappt,
um eine effektive primäre
Abdichtung entlang der vorderen Stirnflächen des Schaftes zu erzielen, wenn
er an der Laufradscheibe montiert ist.
-
Entsprechend
sind der Kopf 60 und die Zinken 62 des Dichtungskörpers 58 an
seinem hinteren Ende, wie in 2 veranschaulicht,
vorzugsweise bündig
mit der hinteren Stirnfläche 48 des
Schaftes angeordnet, um eine sekundäre Dichtung zwischen den hinteren
Stirnflächen
der an der Laufradscheibe montierten Schäfte zu schaffen. Der dazwischen
liegende Abschnitt des Dichtungskörpers ist geeignet bemessen,
um die Lücke
oder den Zwischenraum zwischen einander benachbarten Laufschaufelschäften zu
füllen,
um seine Abdichtungseffektivität
zu vervollständigen.
-
1-3 veranschaulichen
die Einbaulage des Dichtungskörpers 58,
wie er zwischen benachbarten Laufschaufelschäften festgesetzt ist. Wie in 2 veranschaulicht,
ist der Dichtungskopf 60 oberhalb der Schaftnasen 56 angeordnet,
während die
Dichtungszinken 62 unterhalb der Schaftnasen 56 angeordnet
sind, um mit deren geneigten unteren Flächen in Eingriff zu stehen.
-
Im
Betrieb werden Zentrifugalkräfte
in dem Dichtungskörper 58 radial
nach außen
ausgeübt
und durch die Dichtungszinken 62 in die jeweiligen Schaftnasen 56 hinein übertragen,
wobei sie die Zentrifugallasten der gesamten Laufschaufel selbst
vereinigen, die anschließend über die
Schwalbenschwanzausbuchtungen 54 in die zugehörigen Aus buchtungen
der in 1 veranschaulichten Säulen 14 der Laufradscheibe
hinein übertragen
werden.
-
Wie
in 1 veranschaulicht, deckt die vergrößerte Dichtungsplatte 64 in
effektiver Weise den Zwischenraum zwischen den Laufschaufeln über die gesamte
vordere Stirnfläche
des Laufschaufelschaftes hinweg zwischen der Plattform 20 und
dem Schwalbenschwanz 24 ab. Auf diese Weise wird eine einen
hohen Druck aufweisende Kühlluft
oder Zapfluft in dem vorderen Hohlraum der Turbine an der vorderen
Stirnfläche
der Scheibe gegen einen Durchtritt zwischen den montierten Laufschaufeln abgedichtet.
Jedoch enthält
jede Dichtungsplatte 64 eine kleine Einlassöffnung zur
dosierten Zuführung einer
kleinen Menge an Zapfluft zwischen den Laufscheibenschäften während des
Betriebs, um die Scheibensäulentemperatur
zu steuern.
-
2 veranschaulicht
das kleinere hintere Ende des Dichtungskörpers 58, das keine
zweite vergrößerte Dichtungsplatte 64 wie
an dem vorderen Ende aufweist. Angesichts der großen Nabenverwindung,
wie sie durch den in 4 veranschaulichten Verdrehwinkel
A dargestellt ist, wird zwischen der verdrehten Plattform und dem
axialen Schwalbenschwanz ein deutlicher Versatz in Umfangsrichtung erzeugt,
wie er auch in 2 veranschaulicht ist und der
einen nicht symmetrischen Freiraum rund um den symmetrischen Kopf 60 des
Dichtungskörpers
hervorruft.
-
Demgemäß ist die
eine Nase 56 der vier Nasen, die durch Verdrehung der Laufschaufelplattform 20 an
der hinteren Stirnfläche 48 des
Schaftes freigelegt ist, speziell derart gestaltet, dass sie einen
integralen umgedrehten Mantel oder Kragen 66 enthält, wie
er in größeren Einzel heiten
in den 2 und 5 veranschaulicht ist. Der umgedrehte
Kragen 66 erstreckt sich radial nach außen oder nach oben zu der inneren
Fläche
der Plattform 20 hin, so dass er entlang der zweiten Seite
oder Saugseite 52 des Schaftes integral mit der hinteren
Stirnfläche 48 des Schaftes
verbunden ist.
-
Lediglich
diese erste der vier Nasen 56 ist derart konfiguriert,
dass sie den umgedrehten Kragen enthält, während die drei verbleibenden
Nasen ohne entsprechende Kragen ausgebildet und deshalb frei von
einem Kragen sind.
-
Wie
am besten in 2 veranschaulicht, ist die saugseitige
erste Nase 56 an der hinteren Stirnfläche 48 des Schaftes
von oben freigelegt, was auf den Versatz zwischen der verdrehten
Nabe und Plattform der Laufschaufel zurückzuführen ist. Der umgedrehte Kragen 66 erstreckt
sich integral von der ersten Nase 56 zu der zweiten Seite 52 des
Schaftes derart, dass er dazwischen eine Dichtungsbrücke bildet.
Auf diese Weise ist der ungleichmäßige Zwischenraum rund um den
symmetrischen Dichtungskörperkopf 60,
wie er in 2 veranschaulicht ist, durch
die Einführung
des umgedrehten Kragens 66 wesentlich kleiner gestaltet.
Der Kragen verbessert folglich die sekundäre Abdichtung an dem hinteren Ende
des Dichtungskörpers 58 zur
zusätzlichen Steuerung
der Temperatur der Scheibensäulen,
um eine lange Nutzdauer der Scheibe zu erhalten.
-
Die
einzigartige Plattformverdrehung, wie sie in 4 veranschaulicht
ist, ruft den deutlichen Versatz gegenüber der Saugseite des Schwalbenschwanzes
und des Schaftes hervor, um die Plattform, die erste Nase 56 und
den integralen Kragen 66 von oben freizulegen. Die verdrehte
Platt form stellt sicher, dass die Vorderkante 36 des Schaufelblattes im
Wesentlichen über
der zweiten Seite 52 des Schaftes angeordnet ist, während die
Hinterkante 38 des Schaufelblattes im Wesentlichen über der
ersten Seite 50 des Schaftes angeordnet und zu dieser ausgerichtet
ist.
-
Der
entsprechende radiale Lastpfad von dem Schaufelblatt, der Plattform
und dem Schaft, der in den Schwalbenschwanz hinein führt, begrenzt
die darin auftretenden betriebsbedingten Spannungen, während er
eine Obergrenze für
die Spannungen in den tragenden Scheibensäulen sicherstellt. Der umgedrehte
Kragen 66 kann dann zur Minimierung des Zwischenraums oder
der Lücke,
der bzw. die das hintere Ende des Dichtungskörpers umgibt, in geeigneter
Weise eingeführt
werden.
-
Der
umgedrehte Kragen 66, wie er in den 2 und 5 veranschaulicht
ist, enthält
vorzugsweise einen abschließenden
Rand, der von dem distalen Ende der ersten Nase 56 aus
zu der zweiten Seite 52 des Schaftes an der hinteren Stirnfläche 48 geneigt
verläuft,
um eine im Wesentlichen dreieckige Dichtungsbrücke dazwischen zu bilden. Da
das Gewicht und folglich die Zentrifugallast des Kragens selbst
auch durch den Laufschaufelschwalbenschwanz und die Scheibensäulen aufgenommen werden
muss, sind die Größe und das
Gewicht des Kragens vorzugsweise in der dreieckigen Form auf ein
Minimum reduziert, während
der Zwischenraum oder die Lücke,
der bzw. die den symmetrischen Dichtungskörper 58 umschließt, weiterhin
in effektiver Weise reduziert wird.
-
Wie
in 2 veranschaulicht, ist der Dichtungskörper 58 vorzugsweise
symmetrisch, um die von diesem herrührenden Zentrifugallasten symmetrisch
auf die benachbarten Laufschaufelschwalbenschwänze zu verteilen. Der symmetrische
und im Wesentlichen rechteckige Kopf 60 ist über der
ersten Nase 56 in enger Nähe zu dem umgedrehten Kragen 66 angeordnet,
so dass der Kragen die Lücke
in Bezug auf die erste Nase ohne Einfügung des umgedrehten Kragens
reduziert.
-
Wie
in den 1 und 2 veranschaulicht, enthalten
die vordere und die gegenüberliegende hintere
Seite der Laufschaufelplattform 20 sich in Radialrichtung
erstreckende integrale Kragenabschnitte, von denen sich herkömmliche
Engelflügeldichtungen
in Axialrichtung erstrecken. Der umgedrehte Kragen 66 kann
in geeigneter Weise als ein integraler Teil des vorderen Plattformkragens
in Form eines radial inneren Fortsatzes von diesem ausgebildet sein, der
mit der ersten Schaftnase 56 integral verbunden ist, die
auf der Saugseite 52 des Schaftes an der Verbindung zu
der hinteren Stirnfläche 48 des
Schaftes angeordnet ist.
-
Demgemäß ermöglicht die
Einführung
des umgedrehten Laufschaufelkragens 66 unter Aufrechterhaltung
der symmetrischen Konfiguration des Dichtungskörpers 58 eine Aufrechterhaltung
eines sinnvollen Kühlmitteldurchtrittsbereiches
in dem Schaft und dem Scheibensäulenbereich
jeder Laufschaufel, in dem ein großer Unterschied zwischen den
Winkeln der Schlitzseite der Plattform und des Schwalbenschwanzes
vorhanden ist. An dem Fuß des
3D-Schaufelblattes kann an der Verbindungsstelle mit der verdrehten
Plattform eine beträchtliche Nabenverdrehung
eingebracht werden, um den aerodynamischen Wirkungsgrad der Turbinenlaufschaufel
zu steigern, während
eine unerwünschte
Strömungsleckage
zwischen den Laufschaufelschäften, die
auf unsymmetrische Zwischenräume
rund um den symmetrischen Kopf des Dichtungskörpers zurückzuführen ist, begrenzt wird.
-
Der
in 5 veranschaulichte Dichtungskörper 58 ist hinsichtlich
der Konfiguration und der Funktionsweise im Wesentlichen herkömmlich,
wobei er jedoch geeignet modifiziert ist, um an den erhöhten Verdrehungswinkel
A der Plattform in Bezug auf den axialen Schwalbenschwanz angepasst
zu sein.
-
Da
die Hinterkante 38 jedes in 4 veranschaulichten
Schaufelblattes aufgrund der Schaufelblattverwindung an seinem Fuß und der
entsprechenden Verdrehung der Plattform 20 näher an der Saugseite
der nächsten
Laufschaufel positioniert ist, ist die Druckseite 50 des
in 3 veranschaulichten Schaftes entsprechend verlagert,
was den für
das hintere Ende des Dichtungskörpers
verfügbaren Raum
zwischen benachbarten Laufschaufelschäften reduziert. Der hintere
Buckel in dem Dichtungskörper 58,
wie er in 3 veranschaulicht ist, kann
folglich ausreichend radial nach innen und axial nach vorne versetzt
werden, um sich an die große
Verdrehung der Laufschaufelplattform und den entsprechenden Übergang
des axialen Schwalbenschwanzes, der durch den überbrückenden Schaft geschaffen ist,
anzupassen.
-
Demgemäß kann bei
minimaler Modifikation des ansonsten herkömmlichen Dichtungskörpers 58 und
durch Einführung
des umgedrehten Kragens 66 an einer einzelnen der vier
Nasen 56 an jeder Laufschaufel der Freiraum rund um das
hintere Ende des symmetrischen Dichtungskörpers 58 wesentlich
reduziert werden, während
die Einführung
der verbesserten 3D-Konfiguration des Laufschaufelblattes zusammen
mit der entspre chenden Verdrehung der Schaufelblattnabe und der
Halteplattform ermöglicht ist.