DE60318508T2

DE60318508T2 - Halterung für ein Dichtband bei einem Gasturbinenleitapparat

Info

Publication number: DE60318508T2
Application number: DE60318508T
Authority: DE
Inventors: Wenfeng Mason Lu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: US20030161726A1; JP2003269107A; CN1441149A; DE60318508D1; JP4208605B2; US6652229B2; EP1340885B1; EP1340885A2; EP1340885A3; CN100379943C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Turbinenleitapparat für ein Gasturbinentriebwerk und insbesondere die im Gleichgewicht befindliche Halterung von Blattdichtungen an einem Innenband eines derartigen Turbinenleitapparates.
Es versteht sich, dass ein Leitapparat für die Hochdruckturbine eines Gasturbinentriebwerks vorgesehen ist, um den aktiven Gasstrom in dem Strömungspfad an dem Auslass der Brennkammer zu empfangen und einen derartigen Gasstrom umzulenken, damit dieser den umlaufenden Rotor der Hochdruckturbine erreicht. Der Turbinenleitapparat ist gewöhnlich aus mehreren Segmenten aufgebaut, die einen Kreisring bilden, wobei jedes Segment ein äußeres Deckband, ein inneres Deckband und ein oder mehrere hohle Schaufelblätter enthält, die dazwischen positioniert sind. Um eine Trennung zwischen dem heißen Gasstrom und einem Kühlstrom zu erzielen, der sich sowohl im Inneren als auch außerhalb des Turbinenleitapparates befindet, werden an dem Innen- und dem Außenband Blattdichtungen bzw. Dichtungsbänder eingebaut. Dies ist in letzter Zeit mittels Belastungszapfen in Verbindung mit vorgespannten Federn bewerkstelligt worden, wie dies beispielsweise aus der US-Patentschrift 5 797 723 von Frost et al. ersichtlich ist. Auf diese Weise werden die Blattfedern ohne irgendeinen Spalt zwischen der Blattfeder und dem Leitapparat in Stellung gehalten.
Während sich belastete Federn als eine effektive Lösung für das Problem von lose eingebauten Dichtungen erwiesen haben, ist festgestellt worden, dass derartige Blattfedern aufgrund der Konfiguration des Leitapparates und der Positionierung der Belastungszapfen in einer unsymmetrischen Weise nicht im Gleichgewicht gehalten sind. Demgemäß werden auf die Blattdichtungen einseitige, freitragende Kräfte ausgeübt. Unter derartigen Umständen könnte die ungleichmäßige Belastung in Kombination mit Vibration und Druckschwankung ein Loslösen der Blattfeder herbeiführen. Es ist verständlich, dass, wenn sich die Dichtung loslöst, sich die Rückstrombegrenzung an der Vorderkante dieser speziellen Leitschaufel verringert, was eine schwache Kühlströmung oder sogar eine Rückströmung zu der Leitschaufel zur Folge hat. Wenn außerdem die ausgebrochene Blattdichtung zufällig den Anschlusseinlass des Bandes blockiert und die Kühlzufuhr stark begrenzt, wird die Leitschaufel eine erhöhte Temperatur erreichen sein und schnell ausfallen.
Ein Bandsegment eines Turbinenleitapparates gemäß dem Oberbegriff des hier angegebenen Patentanspruchs 1 ist in der US-A-5 343 694 beschrieben.
Somit wäre es im Lichte des Vorstehenden erwünscht, einen verbesserten Turbinenleitapparataufbau zu entwickeln, der eine im Gleichgewicht befindliche Halterung bzw. Abstützung der Blattfedern an dem Inneren und dem äußeren Leitapparatband erzielt, ohne das Verhalten und die Zuverlässigkeit des Turbinenleitapparates zu beeinflussen. Es wäre ferner erwünscht, dass nur minimale Änderungen an den Komponenten existierender Turbinenleitapparate erforderlich sind, so dass diese Turbinenleitapparate im Feld leicht modifiziert werden können, um die gewünschte Abstützung für die Blattdichtungen zu erzielen.
Gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Segment eines kreisringförmigen Bandes, das verwendet wird, um einen Turbinenleitapparat eines Gasturbinentriebwerks zu haltern, beschrieben, wie es ein erstes Ende und ein diesem gegenüberliegendes zweites Ende, einen vorstehenden Randabschnitt oder Flanschabschnitt, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstreckt, einen zweiten Abschnitt, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende dem Flanschabschnitt gegenüberliegend erstreckt, eine Fläche, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende sowie zwischen dem Flanschabschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt, wobei in dieser wenigstens ein Einlass ausgebildet ist, wenigstens eine Nase, die benachbart zu dem Flanschabschnitt positioniert ist, um einen Bolzen oder Zapfen aufzunehmen, um eine Blattdichtung an dem Bandsegment zu befestigen, und wenigstens einen Vorsprung enthält, der von der Fläche aus vorragt, um bei der Erzielung einer im Gleichgewicht befindlichen Halterung bzw. Abstützung einer an dem Bandsegment angebrachten Blattdichtung zu unterstützen.
Gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Turbinenleiteinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk wie im Patentanspruch 6 offenbart.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist nachstehend zu Beispielszwecken unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Gasturbinentriebwerks, das einen Turbinenleitapparat gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
2 eine vergrößerte, zum Teil im Querschnitt dargestellte Ansicht des in 1 veranschaulichten Turbinenleitapparates;
3 eine Perspektivansicht von unten auf ein Segment des in 2 dargestellten Turbinenleitapparates, der einen inneren Bandabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
4 eine Endansicht des in 3 dargestellten Turbinenleitsegmentes und
5 eine Seitenansicht des in den 3 und 4 dargestellten Turbinenleitsegmentes.
Indem nun im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Figuren die gleichen Elemente bezeichnen, zeigt 1 ein beispielhaftes Turbofan-Gasturbinentriebwerk 10, das in serieller Strömungsverbindung einen herkömmlichen Bläser 12, einen Hochdruckverdichter 14 und eine Brennkammer 16 aufweist. Die Brennkammer 16 erzeugt in herkömmlicher Weise Verbrennungsgase, die aus dieser durch eine Leiteinrichtung 18 der Hochdruckturbine abgegeben werden, aus der die Verbrennungsgase zu einer herkömmlichen Hochdruckturbine 20 und wiederum zu einer herkömmlichen Niederdruckturbine 22 geleitet werden. Die Hochdruckturbine 20 treibt den Hochdruckverdichter 14 über eine geeignete Welle 24 an, während die Niederdruckturbine 22 den Bläser 12 über eine weitere geeignete Welle 26 antreibt, wobei beide Wellen koaxial rings um eine longitudinale oder axiale Mittellinienachse 28 angeordnet sind.
Bezugnehmend nun auf 2 und 3 wird verständlich, dass der Turbinenleitapparat 18 vorzugsweise mehrere in Umfangsrichtung aneinander angefügte Leitapparatsegmente 30 enthält, die gemeinsam eine vollständige Anordnung von 360° bilden. Jedes Leitapparatsegment 30 weist vorzugsweise zwei oder mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Schaufelblätter 32 auf, die mit einem bogenförmigen radial äußeren Bandsegment 34 und einem bogenförmigen radial inneren Bandsegment 36 verbunden sind. Insbesondere enthält jedes Schaufelblatt 32 eine äußere Seitenwand 38, deren Fläche benachbart zu dem äußeren Bandsegment liegt, eine innere Seitenwand 40, deren Oberfläche benachbart zu dem inneren Bandsegment liegt, eine Vorderkante 42, die sich von der äußeren Seitenwand 38 zu der inneren Seitenwand 40 erstreckt, eine Hinterkante 44, die sich von der äußeren Seitenwand 38 zu der inneren Seitenwand 40 erstreckt, eine konkave Fläche 46, die sich von der Vorderkante 42 zu der Hinterkante 44 auf einer Druckseite des Schaufelblattes 32 erstreckt, und eine konvexe Fläche 48, die sich von der Vorderkante 42 zu der Hinterkante 44 auf einer Saugseite des Schaufelblattes 32 erstreckt. In dem inneren Bandsegment 36 (siehe 3 und 4) sowie in dem äußeren Bandsegment 34 (nicht veranschaulicht) sind mehrere Einsatz- bzw. Anschlusseinlässe 50 vorgesehen, so dass Luft dem Innenraum der Schaufelblätter 32 zur Kühlung zugeführt wird.
Es ist ferner ersichtlich, dass Blattdichtungen 52 und 54 benachbart zu einem vorderen oder stromaufwärtigen Abschnitt jedes äußeren Bandsegmentes 34 bzw. jedes inneren Bandsegmentes 36 angebracht sind. Insbesondere ist, wie in Bezug auf jedes innere Bandsegment 36 in den 3 und 4 sichtbar, die Blattdichtung 54 vorzugsweise an einem (auch als stromaufwärtiger oder vorderer Abschnitt bezeich neten) ersten Abschnitt 56 des inneren Bandsegmentes 36 mittels wenigstens eines Zapfenelementes 58 angebracht, das durch die Blattdichtung 54 hindurchführend positioniert und in einer zugehörigen Nase 60 gehaltert ist. Jedes innere Bandsegment 36 enthält ein erstes Ende 62 und ein zweites Ende 64, wobei sich der erste Abschnitt 56 zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 62 und 64 erstreckt, einen (auch als stromabwärtiger oder hinterer Abschnitt bezeichneten) zweiten Abschnitt 66, der dem ersten Abschnitt 56 gegenüberliegend positioniert ist und sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 62 und 64 erstreckt, und eine Fläche 68, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 62 und 64 sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 56 und 66 erstreckt.
Es ist verständlich, dass die Fläche 68 nicht ununterbrochen ist, weil durch diese hindurch die Anschlusseinlässe 50 vorgesehen sind. Demgemäß sind die Nasen 60 gewöhnlich benachbart zu entweder dem ersten oder dem zweiten Ende 62 bzw. 64 und an einem Mittelpunkt 70 in einer asymmetrischen Anordnung positioniert, weil derartige Bereiche Material bereitstellen, auf dem derartige Nasen 60 festgelegt werden können. Dies führt beispielsweise während eines Betriebs des Gasturbinentriebwerks 10 bei niedriger Leistung dazu, das auf ein Ende 72 der Blattdichtung 54, an dem keine Zapfen/Nase-Verbindung vorhanden ist, gewisse einseitige, freitragende Kräfte ausgeübt werden. Wie hier angegeben, können derartige einseitige Kräfte gemeinsam mit einer Schwingung und Druckschwankung ein Loslösen der Blattdichtung 54 herbeiführen. Um zu verhindern, dass dies auftritt, umfasst die vorliegende Erfindung die Platzierung wenigstens eines vorspringenden Elementes 74, das hier ansonsten als ein Vorsprung bezeichnet wird und sich von der Fläche 68 aus derart erstreckt, dass es in Verbindung mit den Zapfenelementen 58 eine ausgeglichene Abstützung bzw. Halterung der Blattdichtung 54 erzielt. Um diese Funktion zu erzielen, ist der Vorsprung 74 vorzugsweise in im Wesentlichen gleichem Abstand zu den Zapfenelementen 58 und Nasen 60 angeordnet, um an dem inneren Bandsegment 36 im Wesentlichen symmetrisch angeordnet zu sein.
Aus den 3 und 5 ist ersichtlich, dass der erste Abschnitt 56 des inneren Bandsegmentes 36 einen von diesem vorspringenden Rand bzw. Flansch 75 enthält. Die Blattdichtung 54 ist im Wesentlichen an dem vorspringenden Rand 75 positioniert, der die Blattdichtung 54 an einer Bewegung in einer ersten (stromaufwärtigen) Richtung, jedoch nicht in einer entgegengesetzten (stromabwärtigen) Richtung hindert, wenn die vorerwähnten einseitigen Kräfte auf diese einwirken. Demgemäß ist der Vorsprung 74 vorzugsweise auf der Fläche 68 in einem vorbestimmten Abstand zu dem vorspringenden Rand 75 angeordnet, um eine Bewegung der Blattdichtung 54 in einer Richtung von dem vorspringenden Rand 75 weg um mehr als ein vorgegebenes Maß zu beschränken. Es versteht sich, dass der Vorsprung 74 eine Dicke 76 aufweist, so dass er über eine vorbestimmte Strecke von der Fläche 68 aus vorragt, wie dies in 5 sichtbar ist. Der Vorsprung 74 weist vorzugsweise eine vorbestimmte Breite 78 auf, über die er sich um ein vorbestimmtes Maß in einer ersten Richtung über der Fläche 68 zu dem gegenüberliegenden Ende hin erstreckt. In gleicher Weise weist der Vorsprung 74 vorzugsweise eine vorbestimmte Länge 80 auf, über die er sich um ein vorbestimmtes Maß in einer zweiten Richtung über der Fläche 68 zu dem zweiten Abschnitt 66 hin erstreckt.
Während der Vorsprung 74 irgendeine von vielen Konfigurationen oder Formen (z. B. rechteckige, dreieckige oder vieleckige) aufweisen kann und weiterhin den Zweck der Erzielung einer Abstützung für die Blattdichtung 74 erfüllt, enthält der Vorsprung 74 vorzugsweise einen Abschnitt 82, der am nächsten zu dem vorspringenden Rand 75 angeordnet ist und der eine im Wesentlichen flache Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen parallel zu dem vorspringenden Rand 75 angeordnet ist. Um einen Kompromiss zwischen gewichtsbezogenen Aspekten und dem Funktionsverhalten des Vorsprungs 74 zu erzielen, wird bevorzugt, dass die flache Oberfläche des Abschnitts 82 einen Flächeninhalt aufweist, der kleiner ist als der Flächeninhalt einer Nasenoberfläche 84 und vorzugsweise etwa 25–50% einer derartigen Nasenoberfläche 84 beträgt. Es ist verständlich, dass das Gewicht des Vorsprungs 74 im Vergleich zu dem Gesamtgewicht des inneren Bandsegmentes 36 minimal ist.
Um den Vorsprung 74 auf der Fläche 68 des inneren Bandsegmentes 36 zu positionieren, versteht es sich, dass ein derartiger Vorsprung 74 als ein integraler Teil auf dieser angegossen sein kann. Alternativ kann der Vorsprung 74 bei denjenigen Turbinenleitapparatsegmenten 30, die bereits im Betrieb sind, an der Fläche 68 durch Anschweißen, Hartlöten oder irgendwelche ähnlichen Prozesse angebracht sein.
Nachdem die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben ist, können weitere Anpassungen der Turbinenleitapparatsegmente 30 und insbesondere der inneren Bandsegmente 36 und der Vorsprünge 74 durch geeignete Modifikationen erzielt werden. Insbesondere könnten die hier beschriebenen Konzepte in Bezug auf die äußeren Bandsegmente 34 oder an verschiedenen Positionen entlang der inneren bzw. der äußeren Bandsegmente 36 bzw. 34 eingesetzt werden.

Claims

Segment (34, 36) eines kreisringförmigen Bandes, das verwendet wird, um einen Turbinenleitapparat (18) eines Gasturbinentriebwerks (10) zu haltern, das aufweist: (a) ein erstes Ende (62) und ein diesem gegenüberliegendes zweites Ende (64); (b) einen Flanschabschnitt (56), der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (62, 64) erstreckt; (c) einen zweiten Abschnitt (66), der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (62, 64) dem Flanschabschnitt (56) gegenüberliegend erstreckt; (d) eine Fläche (68), die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (62, 64) sowie dem Flanschabschnitt und dem zweiten Abschnitt (56, 66) erstreckt, wobei in dieser wenigstens ein Einlass (50) ausgebildet ist; und (e) wenigstens eine Nase (60), die benachbart zu dem Flanschabschnitt (56) positioniert ist, um einen Zapfen (58) zur Befestigung einer Blattdichtung (52/54) an dem Bandsegment (34/36) aufzunehmen; gekennzeichnet durch: (f) wenigstens einen Vorsprung (74), der sich von der Fläche (68) aus erstreckt, um zu helfen, eine ausgeglichene Abstützung für eine an dem Bandsegment (34/36) angebrachte Blattdichtung (52/54) zu erzielen.
Bandsegment (34/36) nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung (74) an der Fläche (68) benachbart zu entweder dem ersten oder dem zweiten Ende (62, 64) angeordnet ist, um unter dem Einfluss von auf die Blattdichtung (52/54) einwirkenden einseitigen Kräften eine Bewegung der Blattfeder (52/54) um mehr als eine vorbestimmte Größe zu beschränken.
Bandsegment (34/36) nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung (74) an der Fläche (68) in einem vorbestimmten Abstand in Bezug auf den Flanschabschnitt (56) des Bandsegmentes (34/36) angeordnet ist.
Bandsegment (34/36) nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung (74) um ein vorbestimmtes Maß (76) aus der Fläche (68) vorragt.
Bandsegment (34/36) nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung (74) einen Abschnitt (82) enthält, der eine im Wesentlichen flache Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen parallel zu dem Flanschabschnitt (56) angeordnet ist.
Turbinenleiteinrichtung (18) für ein Gasturbinentriebwerk (10), die mehrere Bandsegmente nach Anspruch 1 enthält, wobei die Bandsegmente aufweisen: mehrere Segmente (34), die miteinander verbunden sind, um ein äußeres Band zu bilden; und mehrere Segmente (36), die miteinander verbunden sind, um ein inneres Band zu bilden; und wobei die Leiteinrichtung enthält: wenigstens ein Schaufelblatt (32), das zwischen dem äußeren und dem inneren Band (34, 36) positioniert ist.
Turbinenleiteinrichtung (18) nach Anspruch 6, wobei jedes der Innenbandsegmente (36) aufweist: (a) einen ersten Abschnitt (56) mit einem vorspringenden Rand (75), der sich von diesem aus erstreckt; (b) einen zweiten Abschnitt (66), der dem ersten Abschnitt (56) gegenüberliegt; (c) ein erstes Ende (62); und (d) ein zweites Ende (64), das dem ersten Ende (62) gegenüberliegt; wobei die Fläche (68) sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (62, 64) sowie dem ersten und dem zweiten Abschnitt (56, 66) erstreckt.
Turbinenleiteinrichtung (18) nach Anspruch 7, wobei der Vorsprung (74) an der Fläche (68) benachbart zu entweder dem ersten oder dem zweiten Ende (62, 64) angeordnet ist, um eine Abstützung gegen einseitige Kräfte zu erzielen, die auf eine Blattdichtung (54) einwirken, die an dem Innenbandsegment (36) angebracht ist.
Turbinenleiteinrichtung (18) nach Anspruch 7, wobei der Vorsprung (74) an der Fläche (68) in einem vorbestimmten Abstand in Bezug auf den ersten Abschnitt (56) des Innenbandsegmentes (36) angeordnet ist.
Turbinenleiteinrichtung (18) nach Anspruch 7, wobei der Vorsprung (74) einen Abschnitt (82) enthält, der eine im Wesentlichen flache Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen parallel in Bezug auf den vorspringenden Rand (75) des ersten Abschnitts ausgerichtet ist.