DE60313716T2

DE60313716T2 - Spaltform bei einem Leitschaufelsegment

Info

Publication number: DE60313716T2
Application number: DE60313716T
Authority: DE
Inventors: Frederick R. Glastonbury Joslin
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2023-10-03
Also published as: US6910854B2; EP1408199A1; SG126730A1; US20040067131A1; WO2004033871A3; DE60313716D1; CN101405478A; IL158258A0; WO2004033871A2; JP2004132372A; IL158258A; EP1408199B1; TW200422511A; TWI266828B

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft mit Kranz versehene Leitschaufeln des Typs, der in Turbinentriebwerken verwendet wird, und insbesondere einen Cluster mit einem leckagebeständigen, segmentierten Kranz.
Hintergrund der Erfindung
Der Verdichterabschnitt einer typischen Gasturbinenmaschine weist ein eine Triebwerksachse umgebendes Gehäuse und axial alternierende Baugruppen von stationären Leitschaufeln und rotationsfähigen Laufschaufeln auf. Jede Leitschaufelbaugruppe kann aus mehreren Leitschaufelclustern zusammengebaut sein, die umfangsmäßig um das Innere des Gehäuses verteilt sind, wobei jeder Cluster von dem Gehäuse abgestützt ist. Jeder Leitschauelcluster weist einen radial inneren Kranz, einen radial äußeren Kranz und zwei oder mehr Strömungsprofile auf, die sich zwischen den Kränzen erstrecken. Gemeinsam definieren der innere Kranz und der äußere Kranz Begrenzungen eines Teils des ringförmigen Strömungswegs für ein Arbeitsmediumsfluid.
Während des Maschinenbetriebs sind die Leistschaufelcluster nicht gleichförmigem Erwärmen und Abkühlen ausgesetzt. Die damit einhergehenden Temperaturgradienten können durch eine Überbeanspruchung der Cluster eine Beschädigung verursachen. Um dazu beizutragen, diese thermisch induzierten Spannungen abzuschwächen, kann einer der zwei Kränze durch Schlitze in Segmente unterteilt sein, die den Kranz an Stellen umfangsmäßig zwischen zwei benachbarten Strömungsprofilen trennen. Da der äußere Kranz eines jeden Clusters den Cluster mit dem Gehäuse verbindet, ist es üblich, den inneren Kranz und nicht den äußeren Kranz zu unterteilen. Die Schlitze verringern das Risiko einer Beschädigung, indem sie ein Expandieren und Kontrahieren der Kranzsegmente unabhängig voneinander erlauben.
Ein Verfahren zum Bilden der Schlitze ist das Draht-Elektroerosionsbearbeiten (EDM – electro discharge machining). Draht-EDM verwendet eine elektrisch geladene Elektrode in der Form eines Drahtes, der im eine Quellen-Spule gewickelt ist und in eine Aufnahmespule ragt. Der Leitschaufelclusterkranz ist dem Draht zwischen den Spulen ausgesetzt. Während der EDM Behandlung bewegt sich der Draht von der Quellenspule zu der Aufnahmespule und bewegt sich gleichzeitig in Richtung auf den Kranz hin. Die unterschiedliche elektrische Ladung zwischen der Drahtelektrode und dem Kranz bewirkt eine Elektroentladung, die Material von dem Kranz entfernt. Mit dem Entfernen des Materials bewegt sich der Draht durch den Kranz, bis der Schlitz vollständig gebildet ist.
Ein Nachteil der Kranzschlitze ist, dass sie einen Weg bilden, durch den Arbeitsmediumsfluid aus dem Strömungsweg während des Triebwerksbetriebs leckströmen kann, oder durch den Nicht-Arbeitsmediumsfluid in den Strömungsweg leckströmen kann. Eine Leckage kann in einem gewissen Maße durch die Verwendung eines EDM Drahts mit einem dünnen Durchmesser zum Schneiden eines dünnen Schlitzes, d.h. einem mit einer korrespondierenden dünnen Schneidfuge, abgeschwächt werden. Jedoch führt die Verwendung dünner EDM Drähte zu erhöhter Bearbeitungszeit. Außerdem ist ein dünner EDM Draht bruchanfälliger als dicke EDM Drähte während der EDM Bearbeitung. Der dünne EDM Draht wird auch mit einer größeren Wahrscheinlichkeit als ein dicker EDM Draht durch die Anwesenheit kleinerer Teilchenverunreinigungen, die in dem Leitschaufelcluster gefangen sind, aufgehalten. Schließlich sind kommerziell erhältliche EDM Ausrüstungen, die zur Verwendung mit einem dünnen Draht geeignet sind, spezialisierter als EDM Ausrüstung, die zur Verwendung mit einem dickeren Draht geeignet ist. In der Folge finden es Hersteller möglicherweise aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten unattraktiv, in die spezialisiertere dünne Drahtausrüstung zu investieren. Folglich kann es wünschenswert sein, dünne Schlitze gegenüber relativ breiteren Schlitzen zu vermeiden.
Ein Weg zum Reduzieren von Leckage durch einen weiten Schlitz ist es, eine Ausnehmung in dem Inneren des Schlitzes vorzunehmen und eine Dichtung in der Ausdehnung anzuordnen. Die US Patente 3,728,041 , 3,970,318 und 5,167,485 zeigen Anordnungen dieses Typs. Obwohl derartige Dichtungen. ein fach zwischen den Kränzen einzelner Leitschaufeln oder zwischen den umfangsmäßigen Extrembereichen benachbarter Leitschaufelcluster installierbar sein können, sind sie nicht einfach zu installieren in den Kranzschlitzen zwischen Strömungsprofilen eines ansonsten unitären Leitschaufelclusters. Außerdem erhöht das Herstellen von Zwischenschlitzausnehmungen die Herstellungskosten und verringert den Herstellungsdurchsatz. Ein möglicher Weg zum Verringern der Leckage ist es, eine externe Dichtung, beispielsweise einen Abdichtstreifen 78 vorzusehen, wie er in dem US Patent 4,422,827 gezeigt ist, um jeden Schlitz zu überbrücken. Jedoch erhöhen auch solche externen Dichtungen die Herstellungskosten.
US 6,425,738 B1 beschreibt einen Leitschaufelcluster mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Benötigt wird ein Leitschaufelcluster mit thermisch unabhängigen Kranzsegmenten, der einfach herzustellen ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein Leitschaufelcluster gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Der nicht geradlinige Schlitz teilt den Kranz in thermisch unabhängige Kranzsegmente. Der Schlitz ist begrenzt durch zusammenpassende nicht geradlinige Oberflächen, die einfach und kostengünstig mit konventioneller Draht EDM Ausrüstung herzustellen sind. Die nicht linearen Schlitze widerstehen effektiv einer Fluidleckage.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektvische Ansicht eines Leitschaufelclusters dessen radial innerer Kranz durch Schlitze unterteilt ist, wie sie von der vorliegenden Erfindung umfasst sind.
2 bis 5 sind vergrößerte Ansichten der in der 1 gezeigten Schlitze.
6 bis 8 sind vergrößerte Ansichten von Schlitzen mit gekrümmten Bereichen.
9 ist eine Ansicht ähnlich der 1 und zeigt einen Leitschaufelcluster mit einem nicht linearen Profil an den lateralen Extrembereichen seines Innenkranzes.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Es wird auf die 1 bis 5 Bezug genommen. Der Leitschaufelcluster für einen Turbinenmaschinenverdichter weist einen radial äußeren Kranz 10, einen radial inneren Kranz 12 und zwei oder mehr Strömungsprofile 14 auf, die sich radial oder in Erstreckungsrichtung zwischen den Kränzen erstrecken. Haken 16 an den axialen Extrembereichen des äußeren Kranzes erleichtern seine Befestigung an dem nicht gezeigten Maschinengehäuse. Füße 18 an den radialen Extrembereichen des Innenkranzes nehmen eine ebenfalls nicht gezeigte innere Luftdichtung auf. Der Cluster erstreckt sich umfangsmäßig zwischen lateralen Extrembereichen 20. Wenn mehrere derartige Cluster in einer Turbinenmaschine installiert sind, definieren die Kränze die radial innere und radial äußere Begrenzung eines Teils eines ringförmigen Strömungswegs 22. Der Strömungsweg umgibt eine nicht gezeigte Maschinenachse. Der Leitschaufelcluster selbst ist typischerweise ein gegossener Metallgegenstand, der auf vorgeschriebene Abmessungen fertig bearbeitet ist.
Der Innenkranz 12 ist in einzelne Segmente 24 durch nicht geradlinige Schlitze 26 zwischen umfangsmäßig benachbarten Strömungsprofilen 14 geteilt. Die Schlitze werden durch Draht-EDM oder irgendein anderes geeignetes Verfahren hergestellt. Vier verschiedene Typen von Schlitzen sind in der 1 gezeigt, jedoch verwendet man normalerweise lediglich einen Typ von Schlitz bei einem vorgegebenen Cluster. Der linkeste Bereich des Innenkranzes ist in seinem Zustand "wie gegossen" d.h. ohne Schlitze, gezeigt. Jeder Schlitz ist nicht geradlinig, kann aber zwei oder mehrere geradlinige Bereiche aufweisen, wie man am besten in den 2 bis 4 sieht. Jeder Schlitz wird durch ein Paar zusammenpassender Oberflächen, beispielsweise 28a, 28b begrenzt. So wie es hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "zusammenpassende" Oberflächen auf Oberflächen, die im Wesentlichen exakte Gegenstücke zueinander sind, d.h. Oberflächen, die einander ergänzen. Das steht im Gegensatz zu den in den US Patenten 3,728,041 , 3,970,318 und 5,167,485 gezeigten Oberflächen, welche alle Zwische-Schlitzausnehmungen als Merkmal aufweisen, die die benachbarten Schlitzoberflächen so bilden, dass sie nicht zusammenpassen.
Die 2 bis 5 zeigen die vier Schlitze mit mehr Details. Es wird zuerst auf die 2 Bezug genommen. Der nicht geradlinige Schlitz 26 weist drei geradlinige Bereiche 26a, 26b, 26c auf, von denen jeder eine Verbindungsstelle 32 mit mindestens einem der anderen Bereiche aufweist. Jede Verbindungsstelle korrespondiert zu einer Änderung der Winkelrichtung in dem Schlitz. Beispielsweise korrespondiert eine Verbindungsstelle 32 zwischen den Schlitzbereichen 26a und 26b zu einer Änderung der Winkelorientierung um etwa 90° von der Radialrichtung zur Lateralrichtung. Die andere Verbindungsstelle 32 zwischen den Schlitzbereichen 26b und 26c korrespondiert zu einer weiteren Änderung von etwa 90° aus der Lateralrichtung in die Radialrichtung. Die akkumulierte Winkeländerung beträgt deshalb etwa 180°.
Die 3 zeigt eine Variante, in der der Schlitz drei geradlinige Bereiche und zwei Übergangsstellen aufweist. Jede Übergangsstelle korrespondiert zu einer Änderung der Winkelorientierung um etwa 120° mit einer akkumulierten Winkeländerung von etwa 240°.
4 zeigt eine Variante, bei der der Schlitz sieben geradlinige Bereiche und sechs Verbindungsstellen aufweist. Jede Verbindungsstelle korrespondiert zu einer Änderung der Winkelorientierung um etwa 90° für eine akkumulierte Winkeländerung von etwa 540°.
Die abrupten Änderungen der Winkelorientierung an den Verbindungsstellen 32 tragen dazu bei, einer Fluidleckage durch den Schlitz zu widerstehen und erlaubt deshalb die Verwendung von kostengünstig hergestellten, relativ breiten Schlitzen, die ansonsten nicht zufriedenstellend wären. Jede Änderung der Orientierung erhöhlt den Widerstand gegen eine Fluidleckage. In der Folge sind größere und/oder abruptere Änderungen kleineren und/oder weniger abrupten Änderungen überlegen. Folglich glaubt man, dass obwohl ein Schlitz mit ledig lich zwei geradlinigen Bereichen und einer Verbindungsstelle verwendet werden kann, die praktischsten und kosteneffizientesten Schlitze diejenigen mit mindestens drei geradlinigen Bereichen und zwei Orientierungsänderungen, die gemeinsam mindestens etwa 180° betragen, sind. Man erwartet, dass eine größere Anzahl von geradlinigen Bereichen zusätzlich Leckagewiderstand des Schlitzes erhöht, aber die korrespondierend längere Schlitzlänge führt zu eine Erhöhung der erforderlichen Zeit zum Schneiden des Schlitzes unter Verwendung von Draht EDM. Die Abwägung zwischen Leckagewiderstand und Herstellungskomplexität ist eine Abwägungsangelegenheit für die Konstrukteure und Hersteller des Leitschaufelclusters.
Wie man in den 6 bis 8 erkennt, muss ein nicht geradlininger Schlitz keine geradlinigen Bereiche wie in den vorangehenden Beispielen aufweisen, sondern kann stattdessen ein gekrümmter Schlitz mit einem oder mehreren Krümmungsradien sein. Der durchschnittliche Krümmungsradius R kann sich kontinuierlich über die Länge des Schlitzes (6) ändern oder er kann sich diskontinuierlich (7) ändern und so eine oder mehrere deutliche Verbindungsstellen 32 zwischen einzelnen Bereichen 26a, 26b des Schlitzes definieren. Wie man in der 8 erkennt, kann ein Schlitz sowohl gekrümmte als auch geradlinige Bereiche in Kombination aufweisen. Da der Leckagewiderstand eines Schlitzes von der Abruptheit und der Anzahl der Richtungsänderungen abhängt, ist es möglich, dass eine gekrümmter Schlitz einen unbefriedigenden Leckagewiderstand liefert. Man geht davon aus, dass ein gekrümmter Schlitz mit einer abrupten Richtungsänderung einer allmählichen Krümmung überlegen ist, es kann jedoch sein, dass dieser viele schwieriger herzustellen ist als ein Schlitz, der geradlinige Bereiche aufweist. Ein Beispiel eines gekrümmten Schlitzes mit mehreren, sich kontinuierlich ändernden Radien ist der Serpentinenschlitz von 5.
Die Schlitze müssen nicht umfangsmässig zwischen allen und jedem Strömungprofil hergestellt sein, sondern können stattdessen selektiv hergestellt sein, beispielsweise zwischen jedem zweiten oder jedem dritten Strömungsprofil, um das gewünschte Maß an thermischer Unabhängigkeit zu erreichen.
Der Cluster der 1 ist ein Sektor einer einzelnen Baugruppe oder Stufe von Leitschaufeln. Bei manchen Maschinen weisen die Leitschaufelcluster zwei oder mehr umfangsmäßig ausgerichete Teilcluster auf, die integral miteinander sind, jedoch axial voneinander durch einen Stufenzwischenraum getrennt sind. Bei einer vollständig zusammengebauten Maschine ragen Rotorlaufschaufeln radial in den Stufenzwischenraum. Die Erfindung beinhaltet solche mehrstufigen Cluster ebenso wie den gezeigten einstufigen Cluster.
Wie man an der 9 erkennt, kann die nicht geradlinige Geometrie des Schlitzes 26 auch als die Zwischenfläche zwischen den lateralen Extrembereichen 20 benachbarter Leitschaufelcluster verwendet werden. Diese Ausführungsform ist nicht Teil des beanspruchten Gegenstands. Eine solche Konstruktion weist einen inneren und einen äußeren Kranz 10, 12 auf wobei sich mindestens ein Strömungsprofil zwischen den Kränzen erstreckt. Die lateralen Extrembereiche eines der Kränze, z.B. des Innenkranzes 12, haben ein nicht geradliniges Profil, welches zu einem nicht geradlinigen Gegenstückprofil an dem Extrembereich eines lateral benachbarten Leitschaufelclusters passt.
Obwohl die Erfindung im Kontext von Statorleitschaufeln für einen Verdichter dargestellt wurde, ist sie gleichermaßen anwendbar auf Turbinen. Außerdem schließt die Erfindung Cluster ein, bei denen der Außenkranz statt dem Innenkranz der unterteilte Kranz ist. Die Fachleute werden verstehen, dass diese und andere Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von der in den angefügten Ansprüchen dargelegten Erfindung abzuweichen.

Claims

Leitschaufelcluster, aufweisend: einen radial äußeren Kranz (10); einen radial inneren Kranz (12); mindestens zwei sich zwischen den Kränzen erstreckende Strömungsprofile (14); dadurch gekennzeichnet, dass einer und nur einer der Kränze, (10, 12) einen Schlitz (26) hat, der zwischen benanachbarten Strömungsprofilen gebildet ist, um Kranzsegmente zu definieren, wobei jeder Schlitz von zusammenpassenden nicht geradlinigen Oberflächen (28a, 28b) begrenzt ist und sich in nicht geradliniger Weise von einer radial inneren Oberfläche des Kranzes zu einer radial äußeren Oberfläche des Kranzes erstreckt.
Cluster nach Anspruch 1, wobei der nicht geradlinige Schlitz (26) mindestens zwei Schlitzbereiche (26a, 26b) mit einer Verbindungsstelle 32 dazwischen aufweist, wobei jede Verbindungsstelle zu einer Änderung der Winkelorientierung korrespondiert.
Cluster nach Anspruch 2, aufweisend mindestens drei Schlitzbereiche (26a, (26b, 26c), mit mindestens zwei Änderungen der Winkelorientierung.
Cluster nach Anspruch 3, wobei die Änderungen der Winkelorientierung eine akkumulierte Winkeländerung von mindestens etwa 180° definieren.
Cluster nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der geradlinige Schlitz (26) einen gekrümmten Bereich aufweist.
Cluster nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder nicht geradlinige Schlitz (26) mindestens zwei geradlinige Segmente aufweist.
Cluster nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kranz mit dem sich dort hindurcherstreckenden nicht geradlinigen Schlitz (26) der radial innere Schlitz (12) ist.
Cluster nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die nicht geradlinigen Schlitze (26) zwischen allen und jedem benachbarten Strömungsprofil (14) des Clusters vorhanden sind.
Cluster nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schlitz (26) durch Elektroerosionsbearbeiten gebildet ist.