DE60203214T2

DE60203214T2 - Turbinenschaufel mit Labyrinthschneidendichtung

Info

Publication number: DE60203214T2
Application number: DE60203214T
Authority: DE
Inventors: Chantal Giot; Jean-Luc Soupizon
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2022-05-31
Also published as: EP1262633A1; EP1262633B1; JP2004526899A; ES2240670T3; CA2448802A1; FR2825411A1; US20040146404A1; FR2825411B1; WO2002097241A1; CA2448802C; JP4074244B2; RU2003134537A; DE60203214D1; US6939104B2; RU2296226C2

Description

Diese Erfindung betrifft eine Schaufel einer Turbinenrotorstufe mit einer Druckseite und einer Saugseite, die beiderseits einer Schaufelachse angeordnet sind, wobei diese Schaufel ferner einen an ihrem äußeren Umfangsende befindlichen Ansatz sowie mindestens ein an diesem Ansatz ausgebildetes Dichtungs-Element aufweist, wobei dieses Dichtungs-Element quer zu der Druckseite und der Saugseite angeordnet ist und einen ersten, saugseitigen Endabschnitt und einen zweiten, druckseitigen Endabschnitt aufweist, wobei dieser erste Endabschnitt höher ist als der genannte zweite Endabschnitt, wobei dieses Element zwischen diesem ersten und zweiten Endabschnitt einen Elementscheitel aufweist.
Die Leistungen von Turbomaschinen für die Luftfahrt oder andere industrielle Produktionen werden ständig verbessert. Es ist beispielsweise möglich, die Wirksamkeit einer Turbinen- oder Kompressionsstufe, die aus Rotorschaufeln gebildet wird, zu steigern, indem die Dichtigkeit zwischen dem Rotor und dem Stator an den Enden der Schaufeln verbessert oder eine Anpassung der beweglichen und feststehenden Teile im Betrieb gewährleistet wird.
Je nach Betriebsbedingungen des Motors wurden bestimmte Instabilitätsphänomene durch Vibration der Rotorschaufeln festgestellt. Insbesondere können Vibrationen aus aerodynamischen Strömungsbedingungen im Bereich der Schaufelspitzen herrühren.
Allgemein besteht ein Spiel zwischen der Spitze der Schaufeln und dem zugehörigen Stator. Im Betrieb entstehen Reibungen zwischen den Schaufeln und dem Ring, die zu Beschädigungen im Bereich der Schaufelenden und/oder der Oberfläche des Rings führen können, aus verschiedenen Gründen. Der Rotor und der zu diesem konzentrische Ring haben nämlich einerseits keine vollkommen kreisförmigen Formen. Andererseits bestehen unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen dem Rotor und dem Ring. Und schließlich stammen mechanische Verformungen von Belastungen, die auf die beweglichen Rotorteile oder auf die feststehenden Teile des zugehörigen Stators ausgeübt werden.
Es ist bekannt, um diese Reibungen zu verringern, Dichtungs- und Verschleißelemente aus „Abriebmaterial" auf den innern Oberflächen des Stators, die den Rotorschaufeln gegenüber liegen, anzubringen. Diese Oberflächen sind Abriebflächen, was bedeutet, dass sie mit einem Material beschichtet sind, das abhängig von dem Durchlauf der Schaufeln einen Abrieb oder Verschleiß erleidet, bis es an diese angepasst ist. Die Schaufeln sind dabei an ihrem Außenumfang mit Dichtungs-Elementen versehen, die dazu bestimmt sind, mit den Abrieb-Dichtungen zusammenzuwirken. Die Dichtungs-Elemente sind in Form von Profilelementen aus Abriebmaterial ausgeführt, wobei eine solche Vorrichtung in der Schrift EP-A-287 371 beschrieben ist.
Es ist bekannt, die Elemente von einer Schaufel zur anderen sägezahnförmig anzuordnen, um ihren Verschleiß zu verhindern. Diese Elemente weisen jedoch einen geradlinigen Scheitel auf, der einen großen Abschnitt mit Restundichtigkeiten mit sich bringt.
Diese Erfindung hat zur Aufgabe, Schaufeln mit Elementen vorzuschlagen, mit denen dieser Abschnitt mit Restundichtigkeiten verkleinert werden kann und die es auf diese Weise ermöglichen, die Leistung der Turbine zu steigern und damit den spezifischen Verbrauch des Motors zu senken.
Diese Aufgabe wird gemäß dieser Erfindung dadurch gelöst, dass der Scheitel des Dichtungs-Elements eine konvexe Oberfläche aufweist, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt erstreckt.
Da der Scheitel des Elements konvex ist, wird der verfügbare Abschnitt zwischen dem Scheitel und der Oberfläche des Rings kleiner.
Vorteilhafterweise weist die konvexe Oberfläche einen kreisförmigen Querschnitt mit einer Mittelachse, einem Mittelpunkt und einem Radius auf.
Um die Herstellung der Elemente zu vereinfachen, ist es von Vorteil, einen Kreisbogen als Form des Scheitels zu wählen.
Die Mittelachse ist vorteilhafterweise in einem Winkelabstand zur Achse der Schaufel angeordnet, wobei der Winkel von der Druckseite zur Saugseite hin ausgerichtet ist und der Mittelpunkt um eine im rechten Winkel zur Schaufelachse bemessene Strecke verschoben angeordnet ist.
Der erste Endabschnitt hat eine größere Höhe als der zweite Endabschnitt, so dass der Sägezahn-Effekt zwischen zwei aufeinander folgenden Schaufeln beibehalten wird. Daher ist es erforderlich, die Kurve des Kreisbogens auszurichten, wenn die beiden Endabschnitte durch die eine und einzige gekrümmte Oberfläche miteinander verbunden werden sollen.
Der Abstand ist vorteilhafterweise mindestens gleich der Hälfte des Abstands zwischen diesem ersten Endabschnitt und diesem zweiten Endabschnitt.
Um eine Formschräge des Elements zu erhalten, durch die dessen Verschleiß verhindert werden kann, wird vorzugsweise der Krümmungsmittelpunkt des Scheitels um einen halben Schritt zur Schaufelachse beabstandet.
Vorteilhafterweise beträgt der Höhenunterschied zwischen diesem ersten Endabschnitt und diesem zweiten Endabschnitt mindestens 0,2 mm.
Dieser Höhenunterschied ermöglicht es, den Sägezahn-Effekt zwischen zwei aufeinander folgenden Schaufeln beizubehalten.
Vorteilhafterweise weist die Schaufel zwei Elemente auf, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, dergestalt dass sie ein Labyrinth für die zwischen den Schaufeln und dem Ring zirkulierende Luft bilden und es so ermöglichen, die Vibrationsinstabilitäten zu verringern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel mit zwei Elementen zeigt,
2 eine Draufsicht zu 1 ist,
3 einen Querschnitt mehrerer Schaufeln zeigt, die an einem in einem Ring angeordneten Rotor angebracht sind, und
4 eine vereinfachte Ansicht einer Schaufel zeigt, die sich in Kontakt mit dem Ring befindet.
1 zeigt eine Turbinenschaufel 2, die an ihrem inneren Ende einen Schaufelfuß 4 und an ihrem äußeren Umfangsende einen Ansatz 6 aufweist. Um die axiale Strömung zu unterstützen, erstreckt sich die Schaufel 2 entlang einer Schaufelachse X-X', die senkrecht zur Achse des Rotors verläuft und an der diese Schaufel 2 angebracht ist, mit einem Profil, das eine Druckseite 8 und eine Saugseite 10 enthält. An der Außenseite des Ansatzes 6 sind zwei Elemente 12 und 14 oder Stücke ausgebildet.
Die 1 und 2 zeigen, dass die Elemente 12 und 14 quer zu der Druckseite 8 und der Saugseite 10 angeordnet sind. Die Elemente 12 und 14 haben jeweils einen ersten Endabschnitt 16 bzw. 18, der sich an der Seite der Saugseite 10 befindet, und einen zweiten Endabschnitt 20 bzw. 22, der sich an der Seite der Druckseite 8 befindet.
3 zeigt mehrere Schaufeln 2, die an einem nicht dargestellten Rotor sitzen, welcher sich in einem Stator 24 befindet und dessen Drehrichtung mit einem Pfeil F angegeben ist. Alle Schaufeln weisen Elemente 12 und 14 auf. Die Elemente 12 und 14 sind in parallelen Ebenen angeordnet, die senkrecht zur Drehachse des Rotors verlaufen, und erstrecken sich am Außenumfang über einen Winkel, der gleich einem Winkelschritt zwischen zwei Schaufeln ist, um mit der Innenwand des Stators 24 ein Labyrinth zu bilden. In dieser 3 sind nur die Elemente 12 zu sehen.
Der erste Endabschnitt 16 hat eine größere Höhe als der zweite Endabschnitt 20, so dass ein Sägezahn-Effekt von einem an einer ersten Schaufel 2 ausgebildeten Element 12 zu dem auf der folgenden Schaufel 2 ausgebildeten Element 12 erzeugt wird. Es wird vorzugsweise ein Höhenunterschied von 0,2 mm gewählt, um einen Verschleiß des Elements 12 zu vermeiden.
Der Stator 24 weist an seiner Innenwand ein Abriebmaterial auf, das es während des Betriebs ermöglicht, dass der Stator sich unter Abrieb an die Form der Elemente 12 und 14 anpasst, indem es daran reibt. So werden die Reibungen nach der Anpassung der Oberflächen aneinander weniger, wodurch die Undichtigkeiten verringert werden können.
Um die Restundichtigkeiten zwischen den Scheiteln 26 der Elemente 12 und 14 und dem Stator 24 zu verkleinern, weisen die Scheitel 26 eine in der Richtung der Umfangslinie konvexe Oberfläche auf. Die schraffierten Teile in 3 zeigen die Verringerung der Undichtigkeits-Oberflächen im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik an.
Insbesondere stellt sich der Abschnitt des Scheitels 26 als ein Kreisbogen 28 mit dem Mittelpunkt O und dem Radius R dar. Der erste Endabschnitt 16 ist mit dem zweiten 20 durch den Scheitel 26 verbunden, dessen Kreisbogen 28 geneigt ist, da die beiden Endabschnitte 16 und 20 unterschiedliche Höhen haben. Auf diese Weise ist der Mittelpunkt O des Kreisbogens 28 um eine Strecke L von dem Drehmittelpunkt Ω der Schaufeln verschoben, wenn diese an dem Rotor 24 angebracht sind. Die Strecke L ist mindestens gleich der halben Länge des Elements, was einem halben Schritt entspricht, d.h. der Hälfte des Abstandes zwischen zwei aufeinander folgenden Schaufeln 2.
Die Mittelachse x-x' des Elements ist um einen Winkel α von der Schaufelachse X-X' zur Saugseite 10 hin verschoben. Die Richtung des Winkels α geht also gegen die Drehrichtung des Rotors 24, die mit dem Pfeil F dargestellt ist. Der Krümmungsradius R des Kreisbogens 28 kann gleich oder kleiner als der Radius des Rings sein.

Claims

Schaufel (2) einer Turbinenrotorstufe mit einer Druckseite (8) und einer Saugseite (10), die beiderseits einer Schaufelachse (XX') angeordnet sind, wobei diese Schaufel (2) ferner einen an ihrem äußeren Umfangsende befindlichen Ansatz (6) sowie mindestens ein an diesem Ansatz (6) ausgebildetes Dichtungs-Element (12, 14) aufweist, wobei dieses Dichtungs-Element (12, 14) quer zu der Druckseite (8) und der Saugseite (10) angeordnet ist und einen ersten Endabschnitt (16, 18) an der Saugseite (10) und einen zweiten Endabschnitt (20, 22) an der Druckseite (8) aufweist, wobei dieser erste Endabschnitt (16, 18) höher ist als der zweite Endabschnitt (20, 22), wobei dieses Element zwischen diesem ersten Endabschnitt (16, 18) und zweiten Endabschnitt (20, 22) einen Elementscheitel (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elementscheitel (26) eine konvexe Oberfläche (28) aufweist, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt erstreckt.
Schaufel (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Oberfläche (28) einen kreisförmigen Querschnitt mit einer Mittelachse (xx'), einem Mittelpunkt (O) und einem Radius (R) aufweist.
Schaufel (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (xx') um einen Winkel (α) von der Schaufelachse (XX') verschoben ist, wobei dieser Winkel (α) von der Druckseite (8) zur Saugseite (10) hin ausgerichtet ist, und dass der Mittelpunkt (O) um eine im rechten Winkel zur Schaufelachse (XX') bemessene Strecke (L) verschoben angeordnet ist.
Schaufel (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke (L) mindestens gleich einem halben Schritt ist, was der Hälfte des Abstandes zwischen diesem ersten Endabschnitt (16, 18) und diesem zweiten Endabschnitt (20, 22) entspricht.
Schaufel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenunterschied (d) zwischen diesem ersten Endabschnitt (16, 18) und diesem zweiten Endabschnitt (20, 22) mindestens 0,2 mm beträgt.
Schaufel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Elemente (12, 14) aufweist.
Schaufel (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (12, 14) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.