DE69323501T2

DE69323501T2 - Gasturbinenschaufeldichtung

Info

Publication number: DE69323501T2
Application number: DE69323501T
Authority: DE
Inventors: Wieslaw Chlus
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1993-11-04
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: EP0774048B1; JP3338879B2; WO1994012772A1; DE69323501D1; JPH08503529A; US5228835A; EP0774048A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Gasturbinentriebwerke, und insbesondere das Dämpfen von Turbinenschaufeln und das Reduzieren einer Leckage zwischen Schaufelplattformen.

Hintergrund der Erfindung

In einem Gasturbinentriebwerk sind Tragflügelschaufeln an einem Turbinenscheibenrad gesichert bzw. festgelegt und werden durch Hochdruckgas angetrieben. Bei den Schaufeln handelt es sich um Tragflügel mit einer Einschnürung, welche jeden Tragflügel mit einem Fuß verbindet, welcher die Schaufel an dem Scheibenrad sichert bzw. fixiert. Dieser Fuß ist häufig vom Schwalbenschwanz-Typ und gleitet in dem Scheibenrad axial oder schräg zur Achse.
An der Basis jedes Tragflügels und über der Einschnürung befindet sich eine Schaufelplattform. In Hochtemperaturtriebwerken liegt häufig Segmentaufbau vor, wobei jede Schaufel unabhängig von der benachbarten Schaufel vorliegt. Die Schaufeln unterliegen deshalb einer Vibration, welche zu einem hohen Niveau wiederholter Spannung führen kann. Das Dämpfen der Vibration jeder Schaufel ist erforderlich, um diese hohen Pegel von wiederholter Spannung zu vermeiden.
Die Schaufeln arbeiten mit hohen Kräften und bei hohen Temperaturen in der Nähe der Materialgrenzen. Die Platten werden demnach mit Luft niedrigerer Temperatur gekühlt und die spezielle Belastung der Schaufel stellt ein Problem dar.
Die Turbinen arbeiten bei hoher Drehzahl, wie etwa 15.000 UpM, was zu einer Zentrifugalkraft in der Größenordnung von 70.000 G führt. Dies erzeugt eine hohe Last auf dem Fuß und außerdem zu einer hohen Last im Scheibenrad. Das Gewicht der am Scheibenrad befestigten Teile ist deshalb problematisch, und zwar nicht nur was das gesamte Triebwerkgewicht betrifft, sondern auch was die Scheibenradbelastung betrifft, die durch die Drehkräfte hervorgerufen ist. Die hohe Scheibenradbelastung führt zu einem größeren Scheibenrad und sogar zu einem noch größeren Triebwerksgewicht. Ein Beispiel einer Gasturbinenmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in der EP-A- 0 437 977 erläutert.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Gasturbinentriebwerk weist ein Scheibenrad auf, welches mehrere bzw. eine Vielzahl von Schaufeln trägt. Eine vordere Rotordichtung und eine hintere Rotordichtung blockieren einen Teil des Kühlstroms, der anderweitig unter die Schaufeln gelängen würde. Die Schaufel weist einen. Tragflügel und eine Schaufelplattform darunter auf. Die Plattform weist einen Seitenrand auf der konkaven Seite der Schaufel und einen Seitenrand auf der konvexen Seite der Schaufel auf, die mit einem Freiraum zwischen benachbarten Plattformen parallel zueinander verlaufen. Eine integrierte Dämpfer- und Windableitungsabdeckung ist unter diesem Freiraum angeordnet.
Der längliche Dämpfer ist starr und hat eine flexible Dichtung, die am Hinterende befestigt ist. Der Dämpfer kontaktiert die Unterseite von zwei benachbarten Schaufelplattformen.

Kurze Erläuterung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Gasturbinentriebwerks;
Fig. 2 zeigt einen Seitenschnitt des sich in Position befindenden Dämpfers,
Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht des sich in Position befindenden Dämpfers,
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Dämpfers,
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht des Dämpfers,
Fig. 6 zeigt die konkave Seite der Schaufel,
Fig. 7 zeigt eine konvexe Seite der Schaufel,
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht des sich in Position befindenden Dämpfers,
Fig. 9 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Anbringungsart der Dichtung, und
Fig. 10 zeigt eine isometrische Ansicht des Dämpfers und der Dichtung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk 10 gezeigt, dessen Kompressor 12 Luft unter hohem Druck zu einem Vergasungsbrenner 14 fördert. Die Verbrennungsgase durchsetzen Leitschaufeln 16 unter hohem Druck und treiben Schaufeln 18 an, die an einem Scheibenrad 20 befestigt sind. Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Schaufel 18 einen Tragflügel 22 mit einer sich darunter befindenden Schaufelplattform 24 umfaßt. Ein (in Fig. 6 gezeigter) Fuß 34 ist unter der Plattform angeordnet. Hierbei handelt es sich im wesentlichen um eine Verlängerung der Tragflügelform zum Bereitstellen eines geeigneten Lastpfades durch die Einschnürung 26. Ein stromaufwärtiges unter der Plattform liegendes Filet 28 mit ausreichendem Radius ist so angeordnet, daß es in die Stirnseite 30 der Einschnürung 26 stromlinienförmig übergeht. Dies stellt einen geeigneten Lastpfad zur Übertragung der hohen Zentrifugallast von dem freitragenden stromaufwärtigen Abschnitt 32 der Plattform 24 bereit. Unterhalb der Einschnürung 26 befindet sich ein Fuß 34 in Schwalbenschwanzform, der in entsprechenden schwalbenschwanzförmigen Öffnungen in dem Scheibenrad 20 gesichert bzw. festgelegt ist.
Ein Kühlluftstrom 36 wird ausgehend von dem Kompressoraustrag zugeführt, wobei ein Teil dieses Stroms durch eine (nicht gezeigte) Öffnung hindurchtritt, um den Eintrag von heißem Gas aus dem Gasstrom 40 zu verhindern. Eine stromaufwärtige Rotordichtung 42 und eine stromabwärtige Rotordichtung 44 blockieren jeglichen Kühlluftdurchsatz durch den Schaufelverbindungsbereich im Fußabschnitt 34 der Schaufeln. Zwischen benachbarten Schaufeln zwischen Filets 28 in die Zone 46 unterhalb der Schaufelplattformen benachbarter Schaufeln befindet sich eine Öffnung. Die hintere Rotordichtung 44 dient dazu, die Strömung dieser Kühlluft zu dem stromabwärtigen Volumen 48 zu verhindern. Zwischen benachbarten Plattformen durch einen Freiraum 50 kann eine potentielle Leckage auftreten (Fig. 3).
In einigen Fällen gemäß dem Stand der Technik sind in einem maschinell hergestellten Fach Dichtungen vorgesehen, um einen Luftdurchsatz durch die Öffnung 50 zu verhindern. Es ist erwünscht, daß der stromaufwärtige Abschnitt dieser Öffnung eingeschränkt, jedoch nicht vollständig abgedichtet ist: Es ist ein ausreichender Kühlluftstrom zum Kühlen der Plattform erwünscht, während ein übermäßiger Durchsatz zu einem Wirkungsgradverlust führen würde. Der Kühlluftdruck ist durch die Druckdifferenz durch eine (nicht gezeigte) Öffnung an den Gasstromdruck gekoppelt. Zwischen der Zone 46 und dem Gasstrom liegt eine geringe Druckdifferenz vor. Eine dichte Dichtung an diesem stromaufwärtigen Ende ist nicht erwünscht, so daß Schaufelblattformkühlluft hindurchtreten kann. An der stromabwärtigen Seite der Schaufel hat der gasseitige Druck deutlich nachgelassen. Die Druckdifferenz, welche den Durchsatz durch die Öffnung 50 erzeugt, hat zugenommen, um einen inakzeptablen hohen Durchsatz zu erzeugen. Eine bessere Abdichtung an dieser Stelle ist erwünscht. Eine übermäßige Strömung bzw. ein übermäßiger Durchsatz aufgrund einer unangemessenen Einschränkung der Öffnung 50 könnte dazu führen, daß Gas ausgehend von dem Strom 40 zwischen den Plattformen 24 am oberen Ende umgeleitet wird und zu dem Gasstrom am stromabwärtigen Ende der Plattform rückkehrt.
Eine Vergrößerung bzw. Erweiterung des Dämpferkontaktabschnitts nach hinten, um die Abdichtung der Zwischenplattformöffnung 50 fortzusetzen, hat mehrere negative Aspekte. Die für die Dämpfung erwünschte Steifheit verträgt sich nicht mit der für die verbesserte Abdichtung gegenüber der höheren Druckdifferenz erwünschten Flexibilität. Die zum Abdichten des genau hergestellten Dämpfers gegenüber der genau hergestellten darunterliegenden Plattformoberfläche erforderlichen Toleranzen können nicht problemlos beibehalten werden.
Ein Dämpfer 52 unter der Schaufel allein ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt und in den Fig. 2 und 3 verdeutlicht. Der Dämpfer hat einen Kontaktabschnitt 54 und einen Luftwiderstandsabdeckungsabschnitt 56. Der Kontaktabschnitt dient dazu, einen Linienkontakt mit der Bodenfläche der Plattform zu erzeugen. Aufgrund der Dämpfungsfunktion und der Anforderung an eine begrenzte Abdichtung sollte dieser Dämpferabschnitt im Vergleich zu einer gewöhnlichen Dichtung starr bzw. steif sein.
Der Luftwiderstandsverlust-Abeckungsabschnitt 56 ist vom stromaufwärtigen Ende des Kontaktabschnitts 54 abgehängt. Er ist mit einer Krümmung 58 ausgeformt, bei der es sich um dieselbe Krümmung handelt wie diejenige des Filets 28 unter der Schaufel. Er ist zwischen den benachbarten Schaufeln angeordnet, wobei die Abdeckungsabschnittoberfläche durch das Filet 58 im wesentlichen ausgerichtet mit der Oberfläche des Filets 28 unter der Plattform benachbarter Schaufeln festgelegt ist. In der installierten Position befindet sich dieser Luftwiderstandsverlust-Abdeckungsabschnitt 56 außer Kontakt mit der Plattform 24 und insbesondere deren freitragendem Abschnitt 32. Die Aufrechterhaltung dieses freien Raums 60 verhindert jegliche Möglichkeit einer Belastung des bereits hochbelasteten freiaufgehängten Abschnitts 32 durch den Vibrationsdämpfer.
Der Kontaktabschnitt jedes Dämpfers hat eine Dämpfungsoberfläche 62, die bogenförmig bzw. gekrümmt sowie in Übereinstimmung mit der Oberfläche 64 der Schaufel unter der Plattform verläuft. Er ist so angeordnet, daß er gegen zwei benachbarte Schaufelplattformen reibt. Wenn das Triebwerk sich mit 15.000 UpM dreht und die Masse des Dämpfers 4,7 gms beträgt, wird eine Kraft von 3150 Newton gegen die Unterseite der benachbarten Dämpfer ausgeübt. Wenn der Dämpfer ein unzureichendes Gewicht aufweist, erzeugt er keine ausreichende Reibung, um die Schaufeln zu dämpfen. Wenn er ein zu hohes Gewicht auf weist, blockiert er an der einen oder anderen oder möglicherweise an beiden Plattformen und wird damit unwirksam.
Der Kontaktabschnitt 54 des Dämpfers hat an seinem Hinterende eine Schiene 66 mit einem Raum 68 zwischen der Schiene und einer Fortsetzung der Kontaktoberfläche 62. Eine hintere Rippe 70 erstreckt sich in radialer Richtung sowie benachbart zur Schiene 66. Wie in Fig. 8, 9 und 10 gezeigt, weist eine Dichtung 72 eine Sicherungslippe 73 auf, die im Eingriff mit der Rippe 70 steht. Die Dichtung weist einen Dichtungsabschnitt 74 auf, der ungefähr mit der Form der Oberfläche 64 unter der Plattform gebildet ist. Der Raum 75 ist zwischen der Lippe 73 und dem Boden der Rippe 70' vorgesehen. Eine Biegung 76 ist scharf ausgebildet und nahe zu der Kontaktoberfläche 62 des Dämpfers angeordnet. Unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft wird die Ecke 76 schärfer und der Raum benachbart zur Biegung 76 wird dadurch teilweise verschlossen. Eine Leckage benachbart zu der Biegung 76 ist damit verringert.
Der Dichtungsabschnitt 74 hat eine Dicke von weniger als 0,5 mm. Er ist ausreichend flexibel, um gegen die Unterseite benachbarter Schaufelplattformen selbst bei geringer Fehlausrichtung abzudichten. Er ist lose am Dämpfer derart befestigt, daß die Verbindung der Dichtung mit einer Plattform die Dämpfungswirkung des Dämpfers nicht beeinträchtigt.
Fig. 7 zeigt die konkave Seite 77 der Schaufel 18. Da die hohe Last von dem Tragflügel 22 zu dem Fuß 34 übertragen werden muß, bildet die Einschnürung 26 der Schaufel im wesentlichen eine Fortsetzung der Tragflügelform des Tragflügels. Umfangsmäßig sich erstreckende Schaufelansätze 78 sind auf dem Fuß zur Lokalisierung und Sicherung bzw. Rückhaltung des Vibra tionsdämpfers 52 vorgesehen. Fig. 6 zeigt die konvexe Seite 80 der Schaufel 18. Die Einschnürung 26 trägt Schaufelansätze 62 zum Sichern bzw. Rückhalten des Vibrationsdämpfers.
Die konkave Seite der in Fig. 6 gezeigten Schaufel hat einen konkaven seitlichen Plattformrand 84, während in Fig. 6 die konkave Seite der Schaufel einen konvexen seitlichen Plattformrand 86 aufweist.
Unter bezug auf Fig. 5, die eine Draufsicht des Vibrationsdämpfers 52 zeigt, hat der Kontaktabschnitt 54 des Dämpfers einen seitlichen Rand 88 konkaver Form, der im wesentlichen in den konvexen Abschnitt der Einschnürung 26 einer Schaufel paßt. Die andere Seite des Dämpfers hat eine erste Stufe 90 und eine zweite Stufe 92 mit einem schrägverlaufenden Abschnitt 93 dazwischen. Die Ansätze 94 und 96 sind auf diesen Stufen zu dem Zweck angeordnet, den Dämpfer umfangsmäßig zu positionieren, und um einen Kontakt zwischen dem Luftwiderstandsverlust-Abdeckungsabschnitt und der Schaufel zu verhindern.
Die Stufen 90 und 92 verlaufen außerdem nicht präzise axial, sondern weichen zwischen 2º und 3º, bevorzugt, etwa 2-1/2º von dieser axialen Richtung ab. In der gezeigten Draufsicht von rechts nach links verläuft die Stufe 2-1/2º nach links, während die Stufe 92 2-1/2º nach rechts verläuft. Dies dient dazu, einen Linienkontakt zwischen dem Kontaktabschnitt an der Unterseite der Plattform aufrechtzuerhalten.
Wie in Fig. 9 in Phantomlinien gezeigt, wird die Dichtung zur Installation in den Dämpfer eingerastet. Sämtliche Schaufeln für die Triebwerksstufe sind an dem Rand der Schwalbenschwänze gehalten und die Dämpfer sind dazwischen angeordnet und werden gleichzeitig axial in Position gleitverschoben. Die Dichtung wird während des Betriebs durch ihre Einrastung in Position gehalten.
Fig. 8 zeigt die Anordnung des Dämpfers 52 unter der Schaufel unter bezug auf eine Öffnung 50.

Claims

1. Gasturbinentriebwerk (10), das aufweist: ein Scheibenrad (20); und eine Vielzahl von Schaufeln (18), wobei jede Schaufel aufweist: einen Tragflügel (22); eine Schaufelplattform (24); eine Einschnürung (26); und einen Fuß (34), wobei der Fuß (34) einer jeden Schaufel im Scheibenrad gesichert ist, und wobei die Plattform (24) einer jeden Schaufel von der anderen unabhängig ist; und eine Dichtungsanordnung, die aufweist:

einen starren Dämpfer (52), der in einer Zone unter der Schaufel und in Kontakt mit angrenzenden Plattformen (24) ist; und

eine elastische Dichtung (72) in Kontakt mit angrenzenden Plattformen, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Dichtung (72) stromabwärts vom starren Dämpfer (52) angeordnet ist, wobei die Dichtung am starren Dämpfer und in Kontakt mit angrenzenden Plattformen (24) an einer Steile stromabwärts vom starren Dampfer befestigt ist.

2. Dichtungsanordnung für ein Gasturbinentriebwerk (10), das aufweist:

ein Scheibenrad (20); und eine Vielzahl von Schaufeln (18), wobei jede Schaufel aufweist: einen Tragflügel (22); eine Schaufelplattform (24); eine Einschnürung (26); und einen Fuß (34), wobei der Fuß (34) einer jeden Schaufel im Scheibenrad gesichert ist, und wobei die Plattform (24) einer jeden Schaufel von der anderen unabhängig ist, wobei die Dichtungsanordnung aufweist:

einen starren Dämpfer (32) unter der Schaufel in Kontakt mit den Untersaiten von zwei angrenzenden Schaufelplattformen (24); und eine elastische Dichtung (72) in Kontakt mit benachbarten Plattformen, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Dichtung (72) am Dämpfar und in Kontakt mit zwei angrenzenden Plattformen (24) an einer Stelle stromabwärts vom starren Dämpfer befestigt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch:

eine Rippe (70) auf der Unterseite des starren Dämpfers (52) in der Nähe des stromabwärts gelegenen Endes des Dämpfers, die sich in einer Richtung peripher vom Scheibenrad (20) erstreckt; und

eine Lippe (73) am stromaufwärts gelegenen Ende der Dichtung (72) in der Form einer Biegung von 180 Grad, die mit der Rippe in Eingriff kommt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß: zwischen dem innersten Abschnitt der Rippe (70) und der Biegung der Dichtung (72) von 180 Grad ein Zwischenraum vorhanden ist, wenn die Dichtung mit der Unterseite der benachbarten Plattformen (24) in Kontakt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Dichtung (72) eine Dicke von weniger als 0,5 mm aufweist.