DE60314032T2

DE60314032T2 - Mantelringsegment, Herstellungsverfahren eines Mantelringsegments, sowie Mantelringanordnung für ein Turbinentriebwerk

Info

Publication number: DE60314032T2
Application number: DE60314032T
Authority: DE
Inventors: Mary Ellen Cincinnati Alford; Mark Eugene Morrow Noe; Toby George Jr. Loveland Darkins; Madeleine Elise Cincinnati Fessler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: ES2287414T3; EP1350927A3; DE60314032D1; US20030185674A1; US6733235B2; JP4383060B2; CA2416399A1; JP2003293704A; EP1350927A2; EP1350927B1; CA2416399C

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Turbinen-Deckbandsegmente und Deckbandsegmentbaugruppen, die eine Fläche enthalten, die dem eine erhöhte Temperatur aufweisenden Gasstrom ausgesetzt ist. Genauer gesagt betrifft sie luftgekühlte Gasturbinen-Deckbandsegmente, die beispielsweise in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbine eingesetzt werden und aus einem schwach dehnbaren Material bestehen.
Eine Anzahl stationärer Gasturbinen-Deckbandsegmente, die in Umfangsrichtung um eine axiale Antriebsachse und in radialer Richtung nach außen um rotierende Schaufelglieder, beispielsweise um Turbinenschaufeln, montiert sind, definieren einen Teil der radialen äußeren Strömungspfadbegrenzung über den Schaufeln. Wie hinsichtlich der Gasturbinenantriebstechnik bereits in unterschiedlicher Form beschrieben wurde, ist es wünschenswert, das Betriebsspiel zwischen den Spitzen der rotierenden Schaufeln und der mit diesen zusammenwirkenden, benachbarten Fläche der stationären Deckbandsegmente so klein wie möglich zu halten, um den Betriebswirkungsgrad des Antriebs zu erhöhen. Typische Beispiele für US-Patentanmeldungen mit Bezug zu Turbinenantriebs-Deckbändern und diesem Deckbandzwischenraum sind 5,071,313 – Nichols; 5,074,748 – Hagle; 5,127,793 – Walker et al.; 5,562,408 – Proctor et al; und US 4,460,311 – Trappmann et al.
In ihrer Funktion als Strömungspfadkomponente muss die Deckbandsegmentbaugruppe die an die nominelle Betriebslebensdauer gestellten Anforderungen erfüllen können, die für eine bestimmte Betriebstemperatur und Druckumgebung des Antriebs gewählt werden. Damit aktuelle Materialien effektiv als Deckband unter den harten Temperatur- und Druckbedingungen fungieren können, die im Strömungspfad des Turbinenabschnitts moderner Gasturbinenantriebe herrschen, ist es gängige Praxis, einem radialen äußeren Bereich des Deckbands Kühlluft zuzuführen. Beispiele für typische Kühlungsanordnungen sind in einigen der oben genannten Patente beschrieben.
Die um radial nach innen gerichtete, rotierende Schaufeln herum angeordneten radialen Innen- oder Strömungspfadflächen sind in Umfangsrichtung bogenförmig ausgestaltet, um eine gewölbte Strömungspfadfläche um die rotierenden Spitzen der Schaufeln herum zu definieren. Diese gewölbte Fläche stellt die abdichtende Fläche für die Turbinenschaufelspitzen dar. Da es sich bei dem Deckband in einem System zur Steuerung des Turbinenschaufelspiels um ein primäres Element handelt, trägt die Minimierung von Deckbandverformungen und die Aufrechterhaltung der Bogenform oder „Rundung" der radialen Deckbandinnenfläche während des Betriebs eines Gasturbinenantriebs dazu bei, Leistungseinbußen während eines Betriebszyklus des Antriebs zu minimieren. Mehrere Betriebsbedingungen bewirken tendenziell eine Verkrümmung dieser Rundung.
Eine Bedingung ist die Zuleitung von Kühlluft auf den radialen äußeren Bereich eines Deckbands, die in dem Deckband zwischen der einer relativ hohen Gasstrom-Betriebstemperatur ausgesetzten radialen Deckbandinnenfläche und der gekühlten radialen Außenfläche einen Temperaturgradienten oder eine Temperaturdifferenz erzeugt. Ein Ergebnis dieses Temperaturgradienten ist eine Art Deckbandsegmentdeformation oder -verformung, die allgemein als „Sehnenbildung" bezeichnet wird. Wenigstens die radiale Innen- oder Strömungspfadfläche eines Deckbands und dessen Segmente sind in Umfangsrichtung bogenförmig ausgestaltet, um eine gewölbte Strömungspfadfläche um die rotierenden Spitzen der Schaufeln herum zu defi nieren. Der Temperaturgradient zwischen der Innen- und der Außenfläche des Deckbands, der auf das Prallen von Kühlluft auf die Außenfläche zurückzuführen ist, bewirkt, dass sich der Bogen der Deckbandsegmente zur Sehne verformt oder sich tendenziell in Umfangsrichtung gerade richtet. Die Sehnenverformung führt dazu, dass die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Endbereiche der Innenfläche des Deckbandsegments dazu neigen, sich in Bezug zu dem mittleren Bereich des Segments radial nach außen zu bewegen.
Neben den von diesem Temperaturgradienten generierten thermischen Verformungskräften, gibt es verkrümmende Fluiddruckkräfte, die auf das Deckbandsegment wirken. Diese Kräfte resultieren aus einer Fluiddruckdifferenz zwischen der unter höherem Druck stehenden Kühlluft an der radialen Außenseite des Deckbands und dem in Axialrichtung abnehmenden niedrigeren Druck des Turbinen-Strömungsmediums an der radialen Innenfläche des Deckbands. Solange die Kühlluft während des Betriebs der Gasturbine an der radialen Außenfläche auf einem im Wesentlichen konstanten Druck gehalten wird, erhöht sich die Fluiddruckdifferenz an einem Deckbandsegment in Axialrichtung stromabwärts durch die Gasturbine in einem Turbinenabschnitt, da die Turbine dem Gasstrom Energie entzieht. Durch diesen Vorgang wird der Druck des Strömungsmediums stromabwärts progressiv gesenkt. Diese Druckdifferenz drängt tendenziell die axialen Endbereiche, und mehr noch den in Axialrichtung hinteren oder stromabwärts liegenden Bereich eines Deckbandsegments radial nach innen. Daher wirkt ein komplexes Spektrum von Kräften und Drücken, die während des Betriebs ein Turbinen-Deckbandsegment verkrümmen und Drücke auf dieses ausüben, sodass sich die Rundung der radialen Innenfläche der als Bogen ausgestalteten Deckbandsegmentbaugruppe verändert. Bei der Konstruktion eines solchen Gasturbinen-Deckbands und einer solchen Deckbandbaugruppe ist es wünschenswert, diese das Verformen und Verkrümmen des Deckbandsegments bewirkenden Kräfte und Drücke auszugleichen.
Metallische Materialien, die derzeit und in der Regel als Deckbänder und Deckbandsegmente verwendet werden, weisen mechanische Eigenschaften wie eine genügend hohe Festigkeit und Duktilität auf, damit die Deckbänder gegen diese von Temperaturgradienten und Druckdifferenzkräften hervorgerufene Verformung oder Verkrümmung geschützt sind. Zu den Beispielen für einen solchen Schutz zählt die allgemein bekannte Seitenschienenstruktur oder die C-Clip-Abdichtungsstruktur, die beispielsweise in dem oben genannten Patent von Walker et al beschrieben sind. Diese Art des Schutzes und der Abdichtung führt zur Anwendung einer Druckkraft auf wenigstens ein Ende des Deckbands, die die Sehnenverformung oder eine andere Verformung hemmt.
In der aktuellen Entwicklung von Gasturbinenantrieben wurde vorgeschlagen, für Hochtemperaturanwendungen wie in Deckbandsegmenten und anderen Komponenten bestimmte Materialien zu verwenden, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen als die zurzeit verwendeten metallischen Materialien. Solche Materialien, von denen Formen kommerziell als keramisches Faserverbundmaterial (Ceramic Matrix Composite, CMC) bezeichnet werden, weisen mechanische Eigenschaften auf, die bei der Konstruktion und Anwendung eines Artikels, wie eines Deckbandsegments, berücksichtigt werden müssen. Wie nachfolgend erörtert, weisen CMC-Materialien im Vergleich zu metallischen Materialien beispielsweise eine relativ geringe Zugelastizität oder einen niedrigen Bruchdehnungswert auf. Außerdem wei sen CMC-Materialien einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) im Bereich von etwa 1,5-5 Mikrozoll/Zoll/°F (66-230 nm/°C) auf, der deutlich von dem kommerzieller Metalllegierungen abweicht, die als schützende Träger oder Aufhängeeinrichtungen für metallische Deckbänder eingesetzt werden und deren Verwendung mit CMC-Materialien erwünscht ist. Diese Metalllegierungen weisen in der Regel einen CTE-Koeffizienten im Bereich von etwa 7-10 Mikrozoll/Zoll/°F (320-460 nm/°C) auf. Wenn ein CMC-Deckbandsegment während des Betriebs an einer Fläche geschützt und gekühlt wird, können sich daher genügend Kräfte im CMC-Segment entwickeln, um den Ausfall des Segments zu verursachen.
Handelsübliche CMC-Materialien enthalten im Allgemeinen keramische Fasern, wie z. B. Siliciumcarbid (SiC), von denen bestimmte Formen mit einem kompatiblen Material, wie z. B. Bornitrid (BN), beschichtet sind. Die Fasern werden in einer Keramikmatrix getragen, bei der es sich in einer Form um Siliciumcarbid handelt. Üblicherweise weisen CMC-Materialien bei Raumtemperatur eine Zugelastizität von nicht mehr als 1 % auf, was im vorliegenden Dokument ein Material mit geringer Zugelastizität definiert und bezeichnet. Im Allgemeinen weisen CMC-Materialien bei Raumtemperatur eine Zugelastizität im Bereich von etwa 0,4-0,7 % auf. Im Vergleich dazu weisen metallische Materialien für Deckband- und/oder Trägerstrukturen oder Aufhängungsvorrichtungen bei Raumtemperatur eine Zugelastizität von wenigstens etwa 5 % auf, beispielsweise im Bereich von etwa 5-15 %. Obwohl aus CMC-Materialien gefertigte Deckbandsegmente eine bestimmte höhere Temperaturbeständigkeit als solche aus einem metallischen Material aufweisen, können sie die oben beschriebene und gegen die Sehnenformung und anderweitige Verformung oder Verkrümmung aufgebrachte Druckkraft oder anderweitig einschränkende Kraft nicht tolerieren. Ebenso wenig können sie einem Spannungen hervorrufenden Zustand widerstehen, der beispielsweise an einer relativ schmalen Biegung oder einem verrundeten Flächenbereich eintritt, ohne einen Schaden oder Bruch zu erleiden, wie sie bei keramischen Materialien in der Regel auftreten. Darüber hinaus wird bei der Fertigung von Artikeln aus CMC-Materialien die Biegung der SiC-Fasern um solch eine relativ enge Verrundung begrenzt, um einen Bruch der relativ spröden Keramikfasern in der Keramikmatrix zu vermeiden. Die Schaffung eines Deckbandsegments aus solch einem Material mit geringer Duktilität, insbesondere in Kombination oder in einer Baugruppe mit einem Deckbandträger oder einer Aufhängeeinrichtung, die das Segment ohne Anwendung von übermäßigem Druck auf das Segment trägt, und mit geeigneten Flächen zum Abdichten von Randbereichen gegen an diesen auftretende Leckagen, würde es ermöglichen, die größere Temperaturbeständigkeit des CMC-Materials auf vorteilhafte Weise für diesen Zweck zu nutzen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen, beispielsweise zur Montage in einer Deckbandbaugruppe mit einer Deckbandaufhängeeinrichtung, ein Gasturbinen-Deckbandsegment und ein Verfahren zur Fertigung eines solchen Deckbands. Das Deckbandsegment umfasst einen Deckbandsegmentkörper und einen Deckbandsegmentvorsprung, der integral mit dem Deckbandkörper ausgeformt ist und von dem Deckbandkörper im Allgemeinen radial nach außen absteht. Der Deckbandsegmentkörper weist Folgendes auf: eine radiale Innenfläche, eine radiale Außenfläche, eine erste Anzahl – in einem Beispiel ein Paar – in Axialrichtung voneinander beabstandeter Kantenflächen, die mit jeder der Innen- und Außenflächen verbunden und zwischen die sen angeordnet sind, sowie eine zweite Anzahl – in einem Beispiel ein Paar – in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Kantenflächen, die mit jeder der Innen- und Außenflächen verbunden und zwischen diesen angeordnet sind.
Das Deckbandsegment weist einen Deckbandsegmentvorsprung auf, der mit der radialen Außenfläche des Deckbandkörpers integral ausgeformt ist und sich von dieser im Allgemeinen radial nach außen erstreckt. Der Vorsprung ist auf der radialen Außenfläche des Körpers in einem im Allgemeinen mittigen Flächenbereich zwischen wenigstens einer der ersten und zweiten Anzahl von Kantenflächen positioniert. Der Vorsprung erstreckt sich im Allgemeinen zwischen in Umfangsrichtung angeordneten Kantenflächen, wobei sich der Vorsprung als Funktion der während des Betriebs am Deckbandsegment auftretenden Fluiddruckdifferenz an einer Position zwischen in Axialrichtung angeordneten Flächen an der radialen Außenfläche des Körpers befindet. Diese Position liegt an einem Mittel- oder Ausgleichspunkt der Druckdifferenz zwischen den in Axialrichtung angeordneten vorderen und hinteren Kantenflächen des Segments, um während des Betriebs Kraftdifferenzen an dem den Segmentkörper tragenden Vorsprung zu reduzieren und vorzugsweise im Wesentlichen zu beseitigen. Da sich die Druckdifferenz zwischen Kühlluft und dem Strömungsmedium der Gasturbine während des Betriebs von dem in Axialrichtung vorderen zum in Axialrichtung hinteren Segmentbereich vergrößert, da dem Strömungsmedium von einer Gasturbine Energie entzogen wird, ist der Vorsprung eher in Richtung des in Axialrichtung hinteren Bereichs des Segments positioniert.
Der Vorsprung umfasst einen von der radialen Außenfläche des Körpers beabstandeten Vorsprungskopf und einen Vorsprungs übergangsbereich mit einer Übergangsfläche, der integral mit dem Vorsprungskopf und dem mittigen Bereich der radialen Außenfläche des Körpers ausgeformt ist. Der Vorsprungsübergangsbereich zwischen dem Vorsprungskopf und der radialen Außenfläche des Körpers weist in wenigstens einer der Axial- und Umfangsrichtungen einen kleineren Querschnitt als der Vorsprungskopf auf. Zur Verwendung mit einem Material mit geringer Duktilität, wie zum Beispiel einem CMC, ist die Übergangsfläche gewölbt, um einen Spannungen hervorrufenden Zustand in dem Übergangsbereich zu vermeiden. Eine Ausführungsform des integral mit dem Körper ausgeformten Vorsprungs wird bisweilen als „Schwalbenschwanz"-Form bezeichnet.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Gasturbinen-Deckbandbaugruppe, die eine Anzahl der oben beschriebenen Deckbandsegmente, die zur Definition eines segmentierten Gasturbinen-Deckbands in Umfangsrichtung montiert sind, und eine die Deckbandsegmente tragende Deckbandaufhängeeinrichtung umfasst. Die Deckbandaufhängeeinrichtung umfasst eine radiale Aufhängungsinnenfläche, die einen Aufhängungshohlraum definiert, dessen Abschluss von wenigstens einem Paar voneinander beabstandeter, radialer Innenhakenglieder gebildet wird, die einander gegenüberliegen, wobei jedes Hakenglied einen Endbereich aufweist, beispielsweise als voneinander beabstandete radiale Innenhakenbereiche der Aufhängeeinrichtung. Jeder Endbereich weist eine Endbereichsinnenfläche auf, die einen Bereich der radialen Innenfläche des Aufhängungshohlraums definiert und so geformt ist, dass sie deckungsgleich mit der Übergangsfläche des Deckbandsegmentvorsprungs zusammenwirkt und diese trägt. In einer Ausführungsform weist die Deckbandaufhängeeinrichtung ein Deckbandsegment-Positionierungsglied auf, um das Deckbandsegment in wenigstens einer der Umfangs-, Radial- und Axialrichtungen zu positionieren. Beispielsweise handelt es sich bei einem solchen Glied um einen radial nach innen positionierten und vorgespannten Stift, der an oder in einer Aussparung im Vorsprungskopf aufgenommen wird und im Allgemeinen einen radial nach innen gerichteten Druck auf den Vorsprungskopf ausübt, der ausreicht, die Vorsprungsübergangsflächen in Richtung der Innenflächen des Endbereichs der Aufhängeeinrichtung zu drücken und mit diesen in Kontakt zu bringen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels detaillierter beschrieben, wobei auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen wird:
1 ist eine perspektivische schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Deckbandsegments mit einem von der radialen Außenfläche des Deckbandkörpers abstehenden Vorsprung.
2 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht, die entlang den Linien 2-2 des in 1 dargestellten Deckbandsegments erstellt wurde.
3 ist eine in einer Umfangsrichtung der Gasturbine erstellte schematische Teilschnittansicht einer Ausführungsform einer Deckbandsegment-Aufhängeeinrichtung, die so geformt ist, dass sie in einer Gasturbinen-Deckbandbaugruppe mit dem in 1 dargestellten Deckbandsegment zusammenwirkt und dieses trägt.
4 ist eine fragmentarische, schematische Teilschnittansicht einer im Allgemeinen wie in 1 dargestellten Ausführungsform einer Baugruppe des Deckbandsegments mit dem in
3 dargestellten Bereich der Deckbandsegment-Aufhängeeinrichtung, die das Deckbandsegment in Nachbarschaft zu einer rotierenden Turbinenschaufel eine Gasturbine trägt.
5 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels für die relative Positionierung eines Deckbandvorsprungs an der radialen Außenfläche eines Deckbandsegments aus CMC-Material als Funktion der relativen Fluiddrücke, die während des Betriebs auf das Segment wirken.
Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit einer Axialgasturbine beschrieben, das beispielsweise dem allgemeinen Typ entspricht, der in dem oben genannten Patent von Proctor et al. dargestellt und beschrieben ist. Eine solche Gasturbine umfasst in Strömungsrichtung allgemein von vorne nach hinten hintereinander einen oder mehr Verdichter, einen Verbrennungsabschnitt und einen oder mehr Turbinenabschnitte, die achsensymmetrisch um eine Triebwerklängsachse angeordnet sind. Daher bezeichnen die in diesem Dokument verwendeten Wendungen, die die Formulierung „in Axialrichtung" enthalten, wie zum Beispiel „in Axialrichtung vorne" und „in Axialrichtung hinten", Richtungen relativer Positionen in Bezug zu der Triebwerksachse; Wendungen, die Formen der Formulierung „in Umfangsrichtung" enthalten, beziehen sich generell auf die Anordnung in Umfangsrichtung um die Triebwerksachse; und Wendungen, die Formen der Formulierung „radial" enthalten, wie zum Beispiel „radiale innere" und „radiale äußere", beziehen sich generell auf die relative radiale Anordnung zur Triebwerksachse.
Die perspektivische schematische Ansicht in 1 stellt ein allgemein durch die Nummer 10 gekennzeichnetes Deckband segment mit einem Deckbandkörper 12 und einem allgemein durch die Nummer 14 gekennzeichneten Deckbandsegmentvorsprung dar. In 1 ist der Vorsprung 14 in einer Form dargestellt, die in der Turbinentechnik bisweilen als Schwalbenschwanzform bezeichnet wird. Die Ausrichtung des Deckbandsegments 10 in einer Gasturbine wird in der in 1 dargestellten Ausführungsform durch Pfeile 16, 18 und 20 angezeigt, die die Umfangs-, Axial- bzw. Radialrichtungen der Gasturbine darstellen.
Der Deckbandsegmentkörper 12 weist Folgendes auf: eine radiale Innenfläche 22, die in der Umfangsrichtung 16 gewölbt dargestellt ist; eine radiale Außenfläche 24; eine erste Anzahl in Axialrichtung voneinander beabstandeter Kantenflächen einschließlich einer sich in Axialrichtung erstreckenden vorderen Kantenfläche 26 und einer sich in Axialrichtung erstreckenden hinteren Kantenfläche 27; und eine zweite Anzahl in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Kantenflächen 28. Die in der Ausführungsform von 1 als Flächenpaare dargestellten, in Axialrichtung und Umfangsrichtung angeordneten Kantenflächen sind mit der radialen Innenfläche 22 und der radialen Außenfläche 24 des Deckbandsegmentkörpers verbunden und zwischen diesen angeordnet, um dazwischen den Deckbandsegmentkörper 12 zu definieren. Der Deckbandsegmentvorsprung 14 ist integral mit der radialen Außenfläche 24 des Deckbandsegmentkörpers ausgeformt und erstreckt sich von dieser im Allgemeinen radial nach außen. Der Vorsprung 14 umfasst einen von der radialen Außenfläche 24 des Körpers beabstandeten Vorsprungskopf 30 und einen Vorsprungsübergangsbereich oder Hals 32 mit einer Übergangsfläche 34. Der integral mit der radialen Außenfläche 24 und dem Vorsprungskopf 30 ausgeformte Übergangsbereich 32 weist, wie in der Zeichnung dargestellt, einen kleineren Querschnitt als der Vorsprungskopf 30 auf.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Vorsprung 14 zwischen in Umfangsrichtung angeordneten Kantenflächen 28 und ist, von in Axialrichtung angeordneten Kantenflächen 26 und 27 beabstandet, im Allgemeinen auf einem mittigen Bereich der radialen Außenfläche 24 des Deckbandsegmentkörpers positioniert. Der Vorsprung ist, dargestellt durch einen Abstand 36, in Axialrichtung in größerer Nähe zu der in Axialrichtung hinteren Kantenfläche 27 positioniert als zu der in Axialrichtung vorderen Kantenfläche 26, was durch einen Abstand 38 dargestellt ist, der größer als der Abstand 36 ist. Diese relative Position des Vorsprungs 14 zwischen den in Axialrichtung vorderen und hinteren Kantenflächen, in größerer Nähe zu dem in Axialrichtung hinteren Bereich des Deckbands 10, wird als Funktion der oben erörterten Fluiddruckdifferenz gewählt, die während des Betriebs der Gasturbine an dem Deckbandsegment auftritt. Durch diese „außermittige" Positionierung werden die Kräfte, die während des Betriebs der Gasturbine auf den Vorsprung 14 wirken, der den Deckbandkörper 12 trägt, reduziert und vorzugsweise ausgeglichen. Diese Kräfte werden während des Betriebs von der variablen Druckdifferenz entlang dem Deckbandsegment 10 hervorgerufen, die sich in der Gasturbine in Axialrichtung 18 nach hinten erhöht, da der Druck des Turbinen-Strömungsmediums stromabwärts durch die Turbine abnimmt, wie beispielsweise in 5 dargestellt ist. Eine solche Reduktion oder Kompensierung von Kräften am Deckbandsegmentvorsprung ist besonders wichtig in einer Ausführungsform, in der das Deckbandsegment aus einem Material mit geringer Duktilität besteht: schädigende Kräfte mit zerstörerischem Potenzial, die auf den Vor sprung wirken, der den Deckbandkörper trägt, werden wenigstens reduziert.
2 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Bereichs des Deckbandsegments 10, die in Umfangsrichtung 16 entlang der in 1 dargestellten Linien 2-2 erstellt wurde. 2 zeigt klarer und im Detail die Ausführungsform der Glieder und Flächen des Deckbandsegments 10 in allgemeiner Nähe zum Vorsprung 14. In 2 handelt es sich bei einem Bereich der Vorsprungsübergangsfläche 34, der sich mit einer wie z. B. in 3 dargestellten Deckband-Aufhängeeinrichtung decken soll, vorzugsweise um eine ebene Fläche, damit diese hinsichtlich der Form gut zu einer mit ihr zusammenwirkenden Fläche der Aufhängeeinrichtung passt. Diese ebenen, zusammenwirkenden Flächen werden insbesondere bevorzugt, um unerwünschte Kräfte an der Übergangsfläche 34 zu reduzieren, wenn das Deckbandsegment aus einem CMC-Material besteht.
3 ist eine schematische Teilschnittansicht einer allgemeinen Ausführungsform einer allgemein mit der Nummer 40 gekennzeichneten Deckbandsegment-Aufhängeeinrichtung. Die Deckbandsegment-Aufhängeeinrichtung 40 umfasst eine radiale Innenfläche 44, die einen Aufhängungshohlraum 46 definiert, wobei die Aufhängeeinrichtung 40 beim Aufhängungshohlraum 46 wenigstens ein Paar voneinander beabstandeter, radialer Innenhakenglieder 48 aufweist, die sich einander im Allgemeinen in Axialrichtung gegenüberliegen und in einem Hakenendbereich 50 enden. Jeder Endbereich 50 weist eine Endbereichsinnenfläche 52 auf. Die Innenfläche 52 ist hinsichtlich der Form vorzugsweise auf wenigstens einen mit ihr zusammenwirkenden Bereich der Übergangsfläche 34 abgestimmt und vorzugs weise eben, um besser zu der in 2 dargestellten ebenen Übergangsfläche 34 des Vorsprunghalses 32 zu passen. Daher definiert die Innenfläche 52 einen Bereich des Aufhängungshohlraums 46 und ist so geformt, dass sie deckungsgleich mit der Übergangsfläche 34 des in 1 dargestellten Deckbandsegmentvorsprungs 14 zusammenwirkt und diese trägt. Die Deckbandaufhängeeinrichtung 40 weist in der in 3 dargestellten Ausführungsform in Axialrichtung voneinander beabstandete erste und zweite Deckbandsegment-Stabilisierungsarme 53 mit radial nach innen angeordneten Stabilisierungsarm-Endbereichen 55 auf.
4 ist eine in Umfangsrichtung 16 erstellte fragmentarische, schematische Teilschnittansicht des in 1 dargestellten Deckbandsegments als Baugruppe in einer Gasturbine, die eine detailliertere Ausführungsform der in 3 dargestellten Deckbandaufhängeeinrichtung 40 enthält. In einer solchen Baugruppe ist das Deckbandsegment 10 eines einer Anzahl von in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Deckbandsegmenten, die in dem Turbinenabschnitt der Gasturbine angeordnet sind. In einer solchen Baugruppe wird das Deckbandsegment 10 an dem Vorsprung 14 von einer allgemein mit der Nummer 40 gekennzeichneten stationären Deckbandaufhängeeinrichtung an deren Endbereichsinnenfläche 52 getragen, die mit der Übergangsbereichsfläche 34 des Vorsprungs zusammenwirkt. Die radiale Innenfläche 22 des Deckbandkörpers ist somit, wie in dem oben genannten Patent von Proctor et al. dargestellt, benachbart zu der Spitze 41 einer rotierenden Turbinenschaufel 42 angeordnet. Wie oben erörtert wurde, wird das Deckbandsegment 10 von der Deckbandsegment-Aufhängeeinrichtung 14 durch den Deckbandsegmentvorsprung 14 getragen, der in größerer Nähe zu der in Axialrichtung hinteren Deckbandsegmentflä che 27 als zu der in Axialrichtung vorderen Deckbandsegmentfläche 26 positioniert ist. Diese Positionierung reduziert die Kräfte, die während des Betriebs der Gasturbine auf den Deckbandsegmentvorsprung 14 wirken.
In der detaillierteren Ansicht der Baugruppe in 4 weist die Deckbandaufhängeeinrichtung 40 ein Deckbandsegment-Positionierungsglied 54 auf, das in Form eines mit der Aufhängeeinrichtung 40 verbundenen Stifts dargestellt ist. In der in 4 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich das Positionierungsglied 54 durch die Aufhängeeinrichtung 40 und deckt sich dabei mit dem Vorsprungskopf 30, um die Position des Deckbandsegments 10 in wenigstens einer der Umfangs-, Axial- und Radialrichtungen zu halten. In dem spezifischen Beispiel deckt sich das Glied mit dem Kopf 30 in einer Aussparung 49 des Kopfes 30, um die Position des Deckbandsegments 10 in allen drei Richtungen zu halten. Wie dargestellt, ist das Glied 54 radial nach innen vorgespannt, um auf den Vorsprungskopf 30 einen nach innen gerichteten Druck auszuüben, der ausreicht, die Flächen 34 des Vorsprungsübergangsbereichs in Richtung der Flächen 52 des Endbereichs der Aufhängeeinrichtung zu drücken und mit diesen in Kontakt zu bringen. Des Weiteren enthält in dieser Ausführungsform die Baugruppe aus Deckbandsegment 10 und Deckbandaufhängeeinrichtung 40 an jedem Stabilisierungsarm 53 einen radialen inneren Bereich, der in Bezug zu der radialen Außenfläche des Deckbandsegmentkörpers an der in Axialrichtung vorderen und hinteren Fläche 26 bzw. 27 angeordnet ist und in Axialrichtung vordere und hintere Dichtungen aufweist, die zwischen der Aufhängeeinrichtung 40 und dem Deckbandsegment 10 allgemein mit der Nummer 56 gekennzeichnet sind. Diese Dichtungen sind in 4 in Form von Stangendichtungen 58 dargestellt, die beispielsweise einem in dem oben genannten Patent von Walker et al. dargestellten Typ entsprechen und benachbart zu der radialen Außenfläche 24 des Deckbandsegmentkörpers mit Aussparungen 60 in Endbereichen 55 der Aufhängeeinrichtungsarme 53 zusammenwirken. Die Dichtungen reduzieren die Leckage von Kühlfluid oder -luft, die der radialen Außenfläche des Deckbandsegments 10 zugeführt wird. In der Gasturbinenantriebstechnik wird diese Kühlluft in der Regel durch einen Durchgang (nicht dargestellt) in Aufhängungshohlräume 62 und 64 mit einem Druck eingeleitet, der größer ist als der Druck des an die Innenfläche 22 des Deckbandsegments angrenzenden Gasturbinen-Strömungsmediums.
Die schematische Ansicht in 5 stellt ein Beispiel für die relative Positionierung des Vorsprungs 14 des Deckbandsegments 10 in einem im Allgemeinen mittigen Bereich der radialen Außenfläche 24 des Deckbandkörpers 12 dar. Der Vorsprung 14 wird als Funktion der Fluiddruckdifferenz und der Kräfte positioniert, die während eines typischen Betriebs der Gasturbine auf das Deckband 10 in einem Turbinenabschnitt einer Gasturbine wirken, und um diese im Wesentlichen zu kompensieren. Bei dem Material zur Konstruktion des Deckbandsegments 10, das für das in 5 dargestellte Beispiel ausgewählt wurde, handelte es sich um das oben genannte CMC-Material aus SiC-Fasern und SiC-Matrix.
Wie in 5 schematisch dargestellt ist, war in diesem Beispiel der durch die Pfeile 66 dargestellte Druck 21 der Kühlluft entlang der radialen Außenfläche 24 des Deckbandkörpers konstant. In dem Turbinenströmungspfad, der in diesem Beispiel auf die radiale Außenfläche des Deckbandkörpers einwirkt, schwankte allerdings der auf die radiale Innenflä che 22 des Deckbandkörpers wirkende Druck des Gasstroms zwischen einem durch die Pfeile 68 dargestellten und weniger als P1 betragenden stromaufseitigen Druck 22 und einem durch die Pfeile 70 dargestellten stromabseitigen Druck P3 und betrug etwa ein Drittel bis ein Viertel des stromaufseitigen Drucks P2. Die relative Länge der anderen in 5 dargestellten Pfeile in dem an die radiale Innenfläche 22 des Deckbandkörpers angrenzenden Gasstrom, die zwischen den Pfeilen 68 und 70 angeordnet sind, stellt schematisch eine stromabwärts durch die Turbine an der Turbinenschaufel 42 vorbei zu verzeichnende progressive Druckabnahme dar. Aufgrund dieser Druckdifferenzen wurde der Vorsprung 14, wie in dem Beispiel von 5 dargestellt, in größerer Nähe zu der in Axialrichtung hinteren Kantenfläche 27 des Deckbandkörpers 12 positioniert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der das Deckbandsegment aus dem CMC-Material gefertigt wurde, wurde der Vorsprung 14 des Deckbandsegments 10 auf der radialen Außenfläche 24 an einer Position „X" positioniert, die im Wesentlichen die radiale Mittellinie des Vorsprungs 14 darstellt. Zur Vermeidung der Rissbildung an dem Vorsprung 14 wurde diese Position als Funktion von Differenzen der während des Betriebs der Gasturbine auf den Vorsprung 14 wirkenden Kräfte in größerer Nähe zu der in Radialrichtung hinteren Kante 27 gewählt, um diese Differenzen zu kompensieren und zu reduzieren oder auszugleichen. Wie in 5 dargestellt, entsprach in diesem Beispiel die Position „X" auf dem Deckbandsegmentkörper 12 einem Wert im Bereich von etwa Zweidrittel bis Dreiviertel des Abstands von der in Axialrichtung vorderen Kante 26 zu der in Axialrichtung hinteren Kante 27.

Claims

Gasturbinen-Deckbandsegment (10) mit einem Deckbandsegmentkörper (12), der eine wenigstens in Umfangsrichtung (16) gewölbte radiale Innenfläche (22), eine radiale Außenfläche (24), eine erste Anzahl in Axialrichtung voneinander beabstandeter Kantenflächen (26, 27), die mit jeder der Innen- (22) und Außenflächen (24) verbunden und zwischen diesen angeordnet sind, sowie eine zweite Anzahl in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Kantenflächen (28) aufweist, die mit jeder der Innen- (22) und Außenflächen (24) verbunden und zwischen diesen angeordnet sind, wobei: das Deckbandsegment (10) zum Tragen des Deckbandsegmentkörpers (12) einen Deckbandsegmentvorsprung (14) aufweist, der mit der radialen Außenfläche (24) des Deckbandsegmentkörpers integral ausgeformt und von dieser im Allgemeinen radial nach außen absteht; wobei der Vorsprung (14) auf der radialen Außenfläche (24) des Deckbandsegmentkörpers in einem im Allgemeinen mittigen Flächenbereich zwischen wenigstens einer der ersten und zweiten Anzahl von Kantenflächen (26, 27/28) positioniert ist; der Vorsprung (14) einen von der radialen Außenfläche (24) des Deckbandkörpers beabstandeten Vorsprungskopf (30) umfasst, wobei ein Vorsprungsübergangsbereich (32) integral mit dem Projektionskopf (30) und der radialen Außenfläche (24) des Deckbandkörpers ausgeformt ist, der Übergangsbereich (32) bogenförmig ist und in wenigstens einer der Axial- (18) und Umfangsrichtungen (16) einen kleineren Querschnitt als der Projektionskopf (30) aufweist, und der Deckbandsegmentvorsprung (14) ein einzelner Deckbandsegmentvorsprung ist, der von der ersten Anzahl in Axialrichtung angeordneter Kantenflächen (26, 27) beabstandet ist und sich im Allgemeinen zwischen der zweiten Anzahl in Umfangsrichtung angeordneter Kantenflächen (28) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Vorsprungs in größerer Nähe zu der in Axialrichtung hinteren der ersten Anzahl in Axialrichtung angeordneter Kantenflächen gewählt ist, um im Wesentlichen am Vorsprung generierte Kräfte während des Turbinenbetriebs in Axialrichtung zu reduzieren; das Deckbandsegment aus einem schwach dehnbaren Material besteht, das eine geringe Zugelastizität aufweist, die bei Raumtemperatur nicht größer als ca. 1 ist.
Deckbandsegment (10) nach Anspruch 1, bei dem die Übergangsfläche (34) einen ebenen Bereich aufweist.
Gasturbinen-Deckbandbaugruppe, die Folgendes umfasst: eine Anzahl der Gasturbinen-Deckbandsegmente (10) nach Anspruch 1, die in Umfangsrichtung (16) aneinander montiert sind, um ein segmentiertes Gasturbinendeckband zu definieren; eine die Deckbandsegmente (10) an jedem Deckbandsegmentvorsprung (14) tragende Deckbandaufhängung (40), wobei die Deckbandaufhängung (40) eine radiale Aufhängungsinnenfläche (44) umfasst, die einen Aufhängungshohlraum (46) in wenigstens einem Paar voneinander beabstandeter, radialer Innenhakenglieder (48) definiert, die einander gegenüberliegen; wobei jedes Hakenglied (48) einen Endbereich (50) mit einer Endbereichsinnenfläche (52) aufweist, die einen Bereich der radialen Innenfläche (44) des Aufhängungshohlraums definiert und so geformt ist, dass sie deckungsgleich mit der Übergangsfläche (34) des Deckbandsegmentvorsprungs (14) zusammenwirkt und diese trägt.
Deckbandbaugruppe nach Anspruch 3, bei der die Endbereichsinnenfläche (52) an jedem Hakenglied einen ebenen Bereich aufweist, der sich mit einem ebenen Bereich der Übergangsfläche (34) des Deckbandsegmentvorsprungs deckt.
Deckbandbaugruppe nach Anspruch 3, bei der die Deckbandaufhängung (40) ein mit dem Deckbandsegment (10) in Kontakt stehendes Deckbandsegment-Positionierungsglied (54) aufweist, um das Deckbandsegment (10) in wenigstens einer der Umfangs- (16), Radial- (20) und Axialrichtungen (18) zu positionieren.
Verfahren zur Herstellung eines Gasturbinen-Deckbandsegments (10) mit einem Deckbandsegmentkörper (12), der eine wenigstens in Umfangsrichtung (16) gewölbte radiale Innenfläche (22), eine radiale Außenfläche (24), eine erste Anzahl in Axialrichtung voneinander beabstandeter Kantenflächen (26, 27), die mit jeder der Innen- (22) und Außenflächen (24) verbunden und zwischen diesen angeordnet sind, sowie eine zweite Anzahl in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Kantenflächen (28) aufweist, die mit jeder der Innen- (22) und Außenflächen (24) verbunden und zwischen diesen angeordnet sind, wobei das Deckbandsegment (10) zum Tragen des Deckbandsegmentkörpers (12) einen Deckbandsegmentvorsprung (14) aufweist, der mit der radialen Außenfläche (24) des Deckbandsegmentkörpers integral ausgeformt und von dieser im Allgemeinen radial nach außen absteht; wobei der Vorsprung (14) ein einzelner Vorsprung ist, der auf der radialen Außenfläche (24) des Deckbandsegmentkörpers auf einem im Allgemeinen mittigen Flächenbereich zwischen wenigstens einer der ersten (26, 27) und zweiten (28) Anzahl Kantenflächen positioniert ist; wobei der einzelne Vorsprung (14) so gewählt ist, dass er sich auf dem im Allgemeinem mittigen Flächenbereich der radialen Außenfläche (24) des Deckbandkörpers im Abstand von der ersten Anzahl in Axialrichtung angeordneter Kantenflächen (26, 27) befindet und sich im Allgemeinen zwischen der zweiten Anzahl in Umfangsrichtung angeordneter Kantenflächen (28) erstreckt; wobei der Vorsprung (14) einen von der radialen Außenfläche (24) des Deckbandkörpers beabstandeten Vorsprungskopf (30) umfasst und ein Vorsprungsübergangsbereich (32) integral mit dem Vorsprungskopf (30) und der radialen Außenfläche (24) des Deckbandkörpers ausgeformt ist, wobei der Übergangsbereich (32) in wenigstens einer der Axial- (18) und Umfangsrichtungen (16) einen kleineren Querschnitt als der Vorsprungskopf (30) aufweist, gekennzeichnet durch: Bestimmen der Betriebskräfte, die während des Betriebs der Gasturbine auf den Deckbandsegmentkörper (12) infolge einer Kombination aus Temperatur- und Druckdifferenz zwischen einer luftgekühlten radialen Außenfläche (24) und der radialen Innenfläche (22) wirken, die einem Strömungsmedium der Gasturbine ausgesetzt ist; und Auswählen der Position (X) des Vorsprungs (14) auf dem mittigen Flächenbereich, um im Wesentlichen die Betriebskräfte zu reduzieren, die auf den Vorsprung (14) wirken, der den Deckbandsegmentkörper (12) trägt; wobei der Vorsprung (14) auf dem im Allgemeinen mittigen Flächenbereich in einer Position (X) näher an einer in Axialrichtung hinteren (27) der ersten Anzahl von Kantenflächen (26, 27) positioniert ist.