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Die
Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere Dämpfer- und
Dichtungskonfigurationen für
Turbinenrotoren.
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Eine
typische Gasturbinenmaschine hat einen ringförmigen sich axial erstreckenden
Strömungsweg
zum Leiten von Arbeitsfluid abschnittsweise durch einen Verdichterabschnitt,
einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Der Verdichterabschnitt
weist eine Mehrzahl von rotierenden Laufschaufeln auf, die dem Arbeitsfluid
Energie zuführen.
Das Arbeitsfluid verlässt
den Verdichterabschnitt und gelangt in den Verbrennungsabschnitt.
Brennstoff wird mit dem verdichteten Arbeitsfluid vermischt, und
die Mischung wird entzündet,
um dem Arbeitsfluid mehr Energie zuzuführen. Die sich ergebenden Verbrennungsprodukte
lässt man
dann durch den Turbinenabschnitt expandieren. Der Turbinenabschnitt
weist eine weitere Mehrzahl von rotierenden Laufschaufeln auf, welche
dem expandierenden Fluid Energie entzieht. Ein Teil dieser entzogenen
Energie wird zurück
auf den Verdichterabschnitt über
eine Rotorwelle übertragen,
welche den Verdichterabschnitt und den Turbinenabschnitt verbindet.
Der Rest der entzogenen Energie kann zu anderen Zwecken verwendet
werden.
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Jede
der Mehrzahl von rotierenden Laufschaufeln in dem Turbinenabschnitt
hat eine Plattform. Eine Laufschaufelwurzel ragt von einer Oberfläche der
Plattform weg, und ein Laufschaufelströmungsprofil ragt von einer
entgegengesetzten Oberfläche
weg. Das Strömungsprofil,
welches von einem Kranz umgeben sein kann oder nicht, entzieht die
kinetische Energien aus dem expandierenden Arbeitsfluid. Die Mehrzahl
von Rotierlaufschaufeln ist über einen
oder mehrere rotierende Turbinenrotoren verteilt. Ein Turbinenrotor
hat eine Scheibe mit einer Mittellinie und eine Reihe von Schlitzen
in ihrem äußeren Umfang.
Jeder Schlitz nimmt eine Laufschaufelwurzel auf und hält so die
Laufschaufel an der Scheibe. So installiert ragt die Laufschaufel
radial von der Scheibe weg, wobei die Wurzel radial nach innen ist und
und das Strömungsprofil
radial nach außen ist. Benachbarte
Laufschaufelplattformen sind durch einen sich axial erstreckenden
Spalt getrennt, der die Laufschaufelplattformen davon abhält, einander
zu berühren
und zu beschädigen.
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Wenn
die Strömungsprofile
dem expandierenden Arbeitsfluid Energie entziehen, übt das Arbeitsfluid
eine belastende Kraft auf die Strömungsprofile aus. Variationen
in der belastenden Kraft bewirken ein Verformen und Schwingen der
Laufschaufeln. Diese Schwingung hat ein breites Spektrum an Frequenzkomponenten,
wobei die größte Amplitude bei
der Eigenresonanzfrequenz der Laufschaufeln ist. Wenn die Strömungsprofile
nicht von einem Kranz umgeben sind, ist die Schwingung primär tangential
zu der Rotationsrichtung, d. h. in der Umfangsrichtung. Es gibt
auch eine sekundäre
Schwingungskomponente in der Richtung der Fluidströmung, d.
h. in der Axialrichtung. Ungedämpft
kann die Auslenkung der schwingenden Laufschaufeln extreme Grenzen
erreichen und möglicherweise
ein Brechen des Strömungsprofils
bewirken.
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Die
Anfälligkeit
der Turbine für
ein Laufschaufel-Schwingungsversagen hängt zum Teil von einem effizienten
Dämpfen
ab. Ein Dämpfer
wird generell verwendet, um derartige Schwingungen zu verringern.
Der Dämpfer
ist ein steifes Element, welches positioniert ist, um den Spalt
zwischen Laufschaufeln zu überspannen
und die radial inneren Oberflächen
von benachbarten Laufschaufelplattformen zu berühren. Der Dämpfer verringert Laufschaufel-zu-Laufschaufel-Schwingung,
was folglich individuelle Laufschaufelschwingung verringert. Die
Form, das Gewicht und die Steifigkeit des Dämpfers sind so gewählt, dass
sie am besten die gewünschte
schwingungsdämpfende
Reibungskraft liefern. Für
maximale Effektivität
ist der Dämpfer
generell in Axialrichtung länglich.
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Die
durch den Dämpfer
gelieferte Reibungskraft wird zwischen den benachbarten Laufschaufeln aufgeteilt.
Generell ist man um eine gleichmäßige Aufteilung
bemüht,
d. h. 50% für
eine Laufschaufel und 50% für
die andere Laufschaufel. Jedoch erlauben die Gestalt und die Kontur
der radial inneren Oberflächen
der Laufschaufelplattformen in Verbindung mit den anderen vorangehend
erwähnten Dämpferauswahlkriterien
möglicherweise
keinen Dämpfer,
der das gewünschte
Dämpferprofil
liefert. In solchen Fällen
kann die Dämpfungseffizienz
verringert sein, was zu einer niedrigeren Laufschaufelzuverlässigkeit
führt.
Deshalb wird nach einem Dämpfer
gesucht, der mehr Flexibilität
beim Schwingungsdämpfen
bietet, um das gewünschte
Dämpfungsprofil
zu erzeugen.
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Neben
dem Schwingungsversagen besteht ferner die Möglichkeit des Turbinenversagens
infolge einer potenziellen Leckage von Arbeitsfluid in den Spalt
zwischen benachbarten Laufschaufelplattformen. Sobald es in dem
Spalt ist, kann das Arbeitsfluid in den Bereich unter der radial
inneren Oberfläche der
Plattform gelangen. Da die Temperatur des Arbeitsfluids in der Turbine
generell höher
ist als die, der die Bauteile unterhalb der Plattform sicher widerstehen
können,
erhöht
eine Leckage die Temperatur dieser Bauteile und führt generell
zu einer niedrigeren Turbinenzuverlässigkeit. Außerdem kann
eine Leckage Verschmutzungen unter die Plattform transportieren,
da das Arbeitsfluid Verschmutzungen enthalten kann und so weiter
die Zuverlässigkeit
der Turbine verringern. Zudem umgeht leck-strömendes Arbeitsfluid die Strömungsprofile
und verringert so die Menge an Energie, die den Strömungsprofilen
geliefert wird, und verringert die Effizienz der Turbine.
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Eine
Dichtung wird generell verwendet, um Leckage zu verringern. Die
Dichtung ist ein flexibles Element, typischerweise aus dünnem Metallblech, welches über dem
Spalt unterhalb und in der Nähe der
radial inneren Oberflächen
von benachbarten Laufschaufelplattformen positioniert ist. Die Dichtung hat
typischerweise einen Bereich, der generell an den der Oberfläche angeformt
ist, mit der sie abdichten soll.
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Die
Dichtung benötigt
typischerweise eine radiale Abstützung
durch den Dämpfer.
Ein Beispiel einer derartigen Dämpfer-
und Dichtungskonfiguration ist in dem US-Patent Nr. 5 460 489 beschrieben. Wenn
der Dämpfer
jedoch keine ausreichende radiale Abstützung liefert, z. B. entlang
einem ausreichenden Teil der axialen Länge der Dichtung, dann kann die
Dichtung für
eine Verformung bei Turbinenrotation infolge der radialen Zentrifugalkräfte anfällig sein. Die
Schranken bei der Konstruktion des Dämpfers, die vorangehend be schrieben
wurden, beschränken häufig die
radiale Abstützung,
die der Dämpfer
der Dichtung liefern kann. Sollte die Dichtung eine derartige Verformung
erfahren, kann ihre proximale Relation zu den Oberflächen, mit
denen sie abdichten soll, in unerwünschter Weise geändert sein,
und folglich kann die Dichtungseffizienz verringert sein. Deshalb ist
man auch auf der Suche nach einer Dämpfer- und Dichtungskonfiguration,
die mehr Konstruktionsflexibilität
bietet, um eine größere radiale
Abstützung
für die
Dichtung zu erhalten.
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Generell
ist die Dichtung nur lose in Axialrichtung durch die Struktur unterhalb
der Plattform gefangen. Um jedoch eine optimale proximale Relation
der Dichtung zu den Oberflächen
zu bewahren, mit denen sie abdichtet, muss die Dichtung in einer korrekten
axialen Position relativ zu der radial inneren Oberfläche der
benachbarten Laufschaufelplattformen gehalten sein. Wenn die Dichtung
nicht in der korrekten axialen Position gehalten ist, kann die Effizienz
der Dichtung beim Verringern von Leckströmung verringert sein. Deshalb
ist man auf der Suche nach einer Dichtung, die in der korrekten
axialen Position gehalten werden kann.
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Schließlich müssen der
Dämpfer
und die Dichtung in einer korrekten Relativposition relativ zueinander
installiert sein, um eine effektive Dämpfung und Abdichtung zu liefern.
Jedoch können
bei den Anordnungen des Stands der Technik der Dämpfer und die Dichtung in die
Turbinenanordnung passen, obwohl sie nicht korrekt installiert sind,
und folglich besteht bei aktuellen Turbinenkonfigurationen eine Möglichkeit,
sie falsch zusammenzubauen. Diese Möglichkeit ist durch die Tatsache
erhöht,
dass manche Konfigurationen den Dämpfer zwischen der Plattform
und der Dichtung positioniert haben, während andere die Dichtung zwischen
der Plattform und dem Dämpfer
positioniert haben. In der Folge werden die Dämpfer und die Dichtung gelegentlich
inkorrekt installiert und verringern so die Effizienz sowohl des Dämpfers als
auch der Dichtung. Es ist deshalb wünschenswert, eine Dämpfer- und
Dichtungskonfiguration bereitzustellen, welche das Installieren
des Dämpfers
und der Dichtung in unkorrekter Ausrichtung relativ zueinander verhindert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden ein steifer Schwingungsdämpfer und eine Dichtung zur
Verwendung mit einer Turbinenrotorlaufschaufel in einer Gasturbinenmaschine
bereitgestellt, wobei die Turbinenrotorlaufschaufel einen Strömungsprofilbereich,
eine Plattform, einen Hals und eine Wurzel hat, wobei die Laufschaufelplattformen
jeweils eine radial äußere Oberfläche und
eine radial innere Oberfläche
haben, die durch den Laufschaufelhals mit der Laufschaufelwurzel
verbunden ist, wobei die radial innere Oberfläche einen Dämpfungsbereich hat und die
Dichtung mindestens einen Dichtungsbereich hat, der sich von einem
abgestützten
Bereich erstreckt, wobei mindestens ein Dichtungsbereich angepasst
ist, bei Verwendung eine Abdichtung in Kombination mit dem Dichtungsbereich
der radial inneren Oberflächen
der benachbarten Laufschaufelplattformen zu schaffen, wobei der
steife Dämpfer aufweist:
einen
Hauptkörper
mit einer Dämpfungsoberfläche, die
daran angepasst ist, bei Verwendung den Dämpfungsbereich der radial inneren
Oberflächen
benachbarter Plattformen zu berühren
und eine Reibkraft an den Dämpfungsbereichen
zu schaffen;
und wobei der Hauptkörper auch eine Abstütztoberfläche zum
Abstützen
des abgestützten
Bereichs der Dichtung bei Verwendung hat, mittels der der Dämpfer abgestützt ist,
wobei die Abstützoberfläche größer ist
als die Dämpfungsoberfläche, und
mindestens ein Ende, welches axial von dem Hauptkörper fortgesetzt
ist, daran angepasst ist, bei Verwendung mit einem Spielraum von
den radial inneren Oberflächen der
benachbarten Plattformen beabstandet zu sein.
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Ein
Dämpfer,
der mindestens ein fortgesetztes Ende hat, schafft eine größere Konstruktionsflexibilität zum Erzeugen
des gewünschten
Dämpfungsprofils.
Wegen des Spielraums zwischen dem fortgesetzten Ende und der radial
inneren Oberfläche
der Plattform kann sich das fortgesetzte Ende über Bereiche der inneren Oberfläche erstrecken,
die der Hauptkörper
nicht berühren
sollte, wegen des Risikos einer Störung mit der gewünschten
Kontaktfläche
zwischen dem Hauptkörper
und der inneren Oberfläche.
Da das Gewicht des Dämpfers
das Gewicht des fortgesetzten Endes beinhaltet, erlaubt das Hinzufügen des fortgesetzten
Endes eine größere Flexibilität beim Verteilen
des Gewichts des Dämpfers.
Folglich besteht eine größere Flexibilität zum Erzeugen
des gewünschten
Dämpfungsprofils,
einschließlich,
aber nicht darauf beschränkt,
einer gleichmäßigeren
Verteilung der Dämpfer-Reibungskraft
zwischen den zwei benachbarten Laufschaufeln, um so die Dämpfungseffizienz
zu verbessern. Das eine oder die mehreren fortgesetzten Enden sind vorzugsweise
ein Paar von sich verjüngenden
axialen Verlängerungen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist eine perspektivische
Ansicht einer Turbinenrotorlaufschaufel mit einer Dämpfer- und Dichtungskonfiguration
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Seitenansicht
der Rotorlaufschaufel und der Dämpfer-
und Dichtungskonfiguration von 1;
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3 ist eine Draufsicht auf
den Dämpfer von 1;
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4 ist eine perspektivische
Ansicht einer konkaven Seite des Dämpfers von 1;
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5 ist eine Draufsicht auf
die Dichtung von 1;
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6 ist eine perspektivische
Ansicht der Seite der Dichtung von 1;
und
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7 ist eine perspektivische
Ansicht der Rotorlaufschaufel, des Dämpfers und der Dichtung von 1, die separat vor der Installation
gezeigt sind.
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Die
Dämpfer-
und Dichtungskonfiguration der vorliegenden Erfindung ist relativ
zu einer bevorzugten Ausführungsform
zur Verwendung mit einer Hochdruckturbinen-Rotorlaufschaufel der
zweiten Stufe des in 1 gezeigten
Typs beschrieben. Der Fachmann sollte jedoch erkennen, dass die
Zeichnungen le diglich illustrativ gemeint sind und keine exakten
strukturellen Dimensionen porträtieren
sollen.
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Es
wird auf 1 Bezug genommen.
Eine Turbinenrotorlaufschaufel 10 hat eine strömungsaufwärtige Seite 12,
eine strömungsabwärtige Seite 14, eine
konkave Seite (Druckseite) 16 und eine konvexe Seite (Sogseite) 18.
Die Rotorlaufschaufel 10 hat ein Strömungsprofil 22, welches
kinetische Energie von einer Gasströmung 24 erhält. Das
Strömungsprofil 22,
welches mit einem Kranz versehen sein kann oder nicht mit einem
Kranz versehen sein kann, ist an einer radial äußeren Oberfläche 26 einer
Plattform 28 angeordnet. Die Plattform 28 weist
ferner eine radial innere Oberfläche 30,
einen vorderen Rand 32 und einen hinteren Rand 34 auf.
Ein Paar von Plattformabstützungen 36, 38 liefert
eine strukturelle Abstützung
für die
Plattform 28, um eine Verformung der Plattform zu verringern.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist die Rotorlaufschaufel 10 als eine einzelne integrale
Einheit durch Gießen
hergestellt; jedes andere geeignete Mittel, welches dem Fachmann
bekannt ist, kann jedoch ebenso verwendet werden.
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Die
Rotorlaufschaufel 10 weist ferner einen Hals 65 mit
verringerter Dicke und eine Wurzel 66 auf. Der Hals 65 ist
der Übergang
zwischen der Plattform 28 und der Wurzel 66. Die
Wurzel 66 ist in eine Turbinenrotor-Zentralscheibe (nicht
gezeigt) eingesetzt, um die Rotorlaufschaufel an der Scheibe festzumachen.
In der gezeigten Ausführungsform
hat die Wurzel 66 eine Tannenbaumkonstruktion, jedoch kann
jedes geeignete Mittel zum Festmachen der Laufschaufel an der Scheibe
verwendet werden. Der Hals 65 hat ein Paar von Vorsprüngen 64 (von
denen nur einer gezeigt ist), die nachfolgend detaillierter beschrieben
und gezeigt sind.
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Obwohl
das nicht gezeigt ist, ist die Rotorlaufschaufel 10 eine
aus einer Mehrzahl derartiger Laufschaufeln, die an einer Rotorscheibe
mit einer Mittellinie (Längsachse)
(nicht gezeigt) festgemacht sind. Die Laufschaufel 10 ragt
radial von der Scheibe weg, wobei die Wurzel 66 radial
nach innen und das Strömungsprofil 22 radial
nach außen
ist. Benachbarte Laufschaufelplattformen sind durch einen axial verlaufenden
Spalt getrennt, der die Laufschaufelplattformen davon abhält, einander
zu berühren
und zu beschädigen.
Die Breite dieses Spalts sollte groß genug sein, um die Toleranzen
in den körperlichen Abmessungen
der Plattformen einschließlich
der Wärmeausdehnung
aufzunehmen. In der besten Ausführungsform
ist die Breite des Spalts in der Größenordnung von etwa 0,04 Inch
(1 mm); jedoch kann jede geeignete Spaltbreite verwendet werden.
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Unterhalb
der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform 28 ist eine Konfiguration aus Dämpfer 40 und
Dichtung 42. Der Dämpfer 40 ist
ein steifes Element, welches daran angepasst ist, eine Laufschaufel-zu-Laufschaufel-Schwingung
zu verringern, was in der Konsequenz die Schwingung der einzelnen
Laufschaufel verringert. Der Dämpfer 40 liefert auch
eine Abstützung
für die
Dichtung 42. Der Dämpfer 40 ist
so positioniert, dass er den Spalt zwischen der Plattform 28 und
der benachbarten (nicht gezeigten) Laufschaufelplattform überspannt
und die radial inneren Oberflächen
der Plattformen kontaktiert. Die Form, das Gewicht und die Steifigkeit
des Dämpfers sind
so ausgewählt,
dass sie am besten die gewünschte
Reibungskraft für
die Plattformen für
derartiges Dämpfen
liefern. Zur maximalen Effizienz ist der Dämpfer generell in der Richtung
der Scheibenmittellinie, d. h. in der Axialrichtung, länglich.
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Die
Dichtung 42 ist ein flexibles Element, welches typischerweise
aus einem dünnen
Metallblech hergestellt ist und angepasst ist, eine Leckage zu verringern.
Die Dichtung ist radial innerhalb des Dämpfers über dem Spalt zwischen der
Plattform 28 und der benachbarten (nicht gezeigten) Laufschaufelplattform
unterhalb und in der Nähe
zu den radial inneren Oberflächen
der Plattformen positioniert. Die Gestalt der Dichtungen ist generell
an die des Bereichs der Oberfläche,
mit der sie abdichten soll, angeformt. Wie gezeigt, sind der Dämpfer 40 und
die Dichtung 42 radial von einem Paar von Vorsprüngen 64 an
dem Hals 65 der Laufschaufel 10 abgestützt, jedoch
können
auch irgendwelche anderen geeigneten Mittel, die dem Fachmann bekannt
sind, zum Halten des Dämpfers 40 und
der Dichtung 42 in Position verwendet werden. Der Dämpfer 40 und
die Dichtung 42 werden nachfolgend detaillierter beschrieben.
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Es
wird nun auf 2 Bezug
genommen. In einer Seitenansicht der Druckseite der Rotorlaufschaufel 10 und
der Konfiguration aus Dämpfer 40 und
Dichtung 42 hat die radial innere Oberfläche 30 der
Laufschaufelplattform 28 einen Dämpfungsbereich 44,
einen Übergangsbereich 46 und
einen Dichtungsbereich 48. Wie gezeigt, hat der Dämpfungsbereich 44 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform eine im wesentlichen planare Kontur, der Dämpfungsbereich 44 kann
jedoch irgendeine geeignete Kontur haben, die dem Fachmann bekannt
ist, einschließlich,
aber nicht darauf beschränkt,
einer gekrümmten
Oberfläche
mit großem
Radius. Der Übergangsbereich 46 der
radial inneren Oberfläche 30 der Plattform
ist zwischen dem Dämpfungsbereich 44 und
dem Dichtungsbereich 48 angeordnet, wo sich die Kontur
der radial inneren Oberfläche 30 von
der des Dämpfungsbereichs 44 zu
der des Dichtungsbereichs 48 ändert. Weitgehend aus diesem
Grund kommt es in dem Übergangsbereich 46 zu
keiner Dämpfung
oder Abdichtung. Der Übergangsbereich 46 weist
einen strömungsaufwärtigen und
einen strömungsabwärtigen Ausrundungsausläufer auf,
die als Ecken gezeigt sind, die eine im wesentlichen gekrümmte Kontur
haben und eine Biegung um im wesentlichen 90° mit einem Radius schaffen.
Der Übergangsbereich 46 kann
jedoch irgendeine geeignete Kontur haben, die dem Fachmann bekannt
ist. Der Dichtungsbereich 48 der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform ist dort angeordnet, wo man sich um eine Abdichtung gegen
Leckage bemüht.
Der Druck an der radial äußeren Oberfläche 28 der
Plattform 28 ist generell größer als an der radial inneren
Oberfläche 30.
Für die
Laufschaufel 10 ist die Größe dieses Druckunterschieds
verhältnismäßig hoch
in der Nähe der
Plattformabstützungen.
Folglich ist, wie gezeigt, der Dichtungsbereich 48 an den
Innenseitenoberflächen
der Plattformabstützungen 36, 38 angeordnet. Die
Dichtungsoberfläche 48 kann
jedoch irgendeine geeignete Position und Kontur haben, die dem Fachmann
bekannt ist.
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Der
Dämpfer 40 weist
einen Hauptkörper 50 und
ein Paar von fortgesetzten Enden 52 auf. Der Hauptkörper 50 hat
eine Dämpfungsoberfläche 54 in Kontakt
mit dem Dämpfungsbereich 44 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform. Die Fläche
der Dämpfungsoberfläche 52 in
Verbindung mit dem Gewicht des Dämpfers 40 liefert
die zum Dämpfen
von Schwingung erforderliche Reibungskraft. Die Laufschaufelschwingung
weist ein breites Spektrum von Schwingungsfrequenzkomponenten auf.
Die Frequenzkomponenten bei der Eigenresonanzfrequenz der Laufschaufeln
hat die größte Amplitude.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Dämpfer 40 primär effektiv
zum Dämpfen
der ersten Grundschwingung der Eigenresonanzfrequenz der Laufschaufeln, es
kann jedoch irgendeine geeignete Dämpfungscharakteristik verwendet
werden.
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Generell
bemüht
man sich um einen im wesentlichen gleichförmigen Kontakt zwischen den Oberflächen 44, 54.
Um einen derartigen Kontakt beizubehalten, sollten der Hauptkörper 50 und
die Dämpfungsoberfläche 54 des
Dämpfers
nicht in den Übergangsbereich 46 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform ragen. Das ergibt sich primär aus körperlichen Toleranzen an den
Oberflächen.
Folglich sind die Abmessungen der Dämpfungsoberfläche 54 im
wesentlichen durch Merkmale der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform beschränkt.
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Die
fortgesetzten Enden 52 haben jeweils ein proximales Ende,
welches in den Hauptkörper 50 übergeht,
und ein distales freies Ende, welches frei ist. Spielräume 55 zwischen
den fortgesetzten Enden 52 und dem Übergangsbereich 46 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform 28 umgehen eine störende Wechselwirkung zwischen
diesen Teilen, um einen gleichförmigen
kontinuierlichen Kontakt zwischen den Dämpfungsoberflächen 54 und
dem Dämpfungsbereich 44 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform zu erlauben. In der bevorzugten Ausführungsform ist eines der fortgesetzten
Enden 52 strömungsaufwärts und
das andere strömungsabwärts, und
so erstreckt sich der Dämpfer 40 in
der Axialrichtung, d. h. der Richtung von dem Plattform-Vorderrand 32 zu
dem hinteren Rand 34 der Plattform. Die fortgesetzten Enden 52 sind
vorzugsweise verjüngt,
um Belastung aufzunehmen und verringern sich allmählich in
ihrer Dicke von dem proximalen Ende zu dem distalen Ende. Die Verjüngung erlaubt
es den fortgesetzten Enden 52 auch, grob den halben Weg
durch den Übergangsbereich 46 zu ragen
und dabei dennoch die Spielräume 55 einzuhalten.
In der bevorzugten Ausführungsform
sind die distalen Enden der fortgesetzten Enden 52 abgerundet.
Es wird jedoch dem Durchschnittsfachmann ersichtlich sein, dass
die fortgesetzten Enden 52 irgendeine andere Orientierung
und Gestalt haben können,
was geeignet angepasst ist, die Dich tung 42 abzustützen, Kontakt
mit der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform zu vermeiden und die Verteilung von Belastungen zu bewältigen.
Außerdem
müssen, obwohl
die fortgesetzten Enden 52 in der gezeigten Ausführungsform
eine ähnliche
Erscheinung haben, die fortgesetzten Enden eine derartige Ähnlichkeit nicht
besitzen.
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Der
Dämpfer 40 weist
eine radial innere Abstützoberfläche 56 auf,
welche die Dichtung 42 abstützt. In der gezeigten Ausführungsform
erstreckt sich die Abstützoberfläche 56 über die
Länge des Dämpfers 40 entgegengesetzt
zu der Dämpfungsoberfläche 54.
Derart besteht ein signifikanter Bereich der Abstützoberfläche 56 aus
den fortgesetzten Enden 52 und erlaubt es so der Abstützoberfläche 56, eine
größere Abstützung für die Dichtung
zu liefern, als sie durch den Hauptkörper 50 alleine geliefert würde. Die
Kontur der Abstützoberfläche 56 sollte
daran angepasst sein, die gewünschte
Abstützung
für die
Dichtung 42 in der speziellen Anwendung zu liefern. In
der gezeigten Ausführungsform
ist die Abstützoberfläche 56 im
wesentlichen eben. Man wird jedoch erkennen, dass irgendeine andere
geeignete Gestalt, Position, Proportion und Kontur für die Abstützoberfläche 56 auch
verwendet werden kann. Der Dämpfer
weist ferner ein Paar von Ansätzen 58 auf,
die daran angepasst sind, den Dämpfer 40 korrekt
relativ zu der benachbarten Rotorlaufschaufel (nicht gezeigt) positioniert
zu halten.
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Der
Dämpfer
sollte ein Material haben und durch ein Verfahren hergestellt sein,
was für
die hohe Temperatur, den hohen Druck und die hohe Zentrifugalkraft
geeignet ist, die in der Turbine vorgefunden werden. In der besten
Ausführungsform
haben sich ein Kobaltlegierungsmaterial, American Metal Specification
(AMS) 5382, und eine Herstellung durch Gießen als geeignet für Hochdruckturbinenbedingungen herausgestellt;
es können
jedoch irgendein anderes geeignetes Material und Herstellungsverfahren,
die dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden.
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Die
Dichtung hat einen abgestützten
Bereich 60, in körperlichem
Kontakt mit der Dämpferabstützoberfläche 56 und
ein Paar von Dichtungsbereichen 62. Die Dichtungsbereiche 62 sind
daran angepasst, Abdichtungen gegen den Dich tungsbereich 48 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform zu schaffen. Jeder der Dichtungsbereiche hat ein proximales
Ende, welches in den Abstützbereich 50 übergeht,
und ein distales Ende, welches vorzugsweise frei ist. Die Gestalten
des abgestützten
Bereichs und des Dichtungsbereichs 60, 62 formen
sich eng an die der Dämpferabstützoberfläche 56 bzw.
des Dichtungsbereichs 48 der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform an. In der gezeigten Ausführungsform ist der abgestützte Bereich 60 im
wesentlichen planar, und der Dichtungsbereich 62 formt
sich eng an die innere Oberfläche
der Plattformabstützungen 36, 38 an.
Eine gekrümmte
Biegung an dem Übergang zwischen
dem abgestützten
Bereich 60 und dem Dichtungsbereich 62 ist bevorzugt.
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Die
gezeigte Gestalt erlaubt es der Dichtung 42, eine radiale
Abstützung
von dem Dämpfer 40 zu erhalten
und schafft eine Abdichtung gegen Leckage. Man sollte erkennen,
dass in der gezeigten Ausführungsform
die Dichtungsbereiche der Dichtung in engere Nähe zu den Dichtungsoberflächen der
Plattform durch Zentrifugalkraft gezwungen werden. Jedoch kann irgendeine
andere Gestalt, die dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, die passend
angepasst ist, die gewünschte
Abdichtung zu liefern, ebenso verwendet werden. Außerdem müssen, obwohl
die Dichtungsbereiche 62 in der gezeigten Ausführungsform
eine ähnliche
Erscheinung haben, die Dichtungsbereiche eine derartige Ähnlichkeit
nicht besitzen.
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Die
Dichtung sollte ein Material aufweisen und sollte durch ein Verfahren
hergestellt sein, die für die
hohe Temperatur, den hohen Druck und die hohe Zentrifugalkraft geeignet
sind, die in der Turbine vorgefunden werden. Die Dichtung 42 weist
typischerweise ein dünnes
Metallblech auf, um es der Dichtung zu erlauben, zu biegen, um sich
an den Dichtungsbereich 48 der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform
anzuformen. In der besten Ausführungsform
weist die Dichtung 42 ein Kobaltlegierungsmaterial, American
Metal Specification (AMS) 5608, auf und ist von einem Laser zu einem
flachen Zuschnitt geschnitten. Eine Stanz- und Formeinrichtung wird dann
verwendet, um den Rest der Gestalt der Dichtung 42 zu formen.
Jedoch können
irgendein anderes geeignetes Material und Herstellungsverfahren,
die dem Fachmann bekannt sind, ebenso verwendet werden.
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3 und 4 zeigen weitere Details des Dämpfers 40.
Es wird nun auf die 3 und 4 in Draufsicht und in perspektivischer
Seitenansicht des Dämpfers 40 der
bevorzugten Ausführungsform
Bezug genommen. Das Paar von Ansätzen 58 ist
auf einer konkaven Seite 68 des Dämpfers 40 angeordnet. Der
Dämpfer 40 weist
auch eine konvexe Seite 69 auf, die eine Zwischenfläche zu der
konkaven Seite 16 (1)
der Rotorlaufschaufel 10 bildet. Jedoch wird der Durchschnittsfachmann
erkennen, dass der Dämpfer 40 eine
gekrümmte
Gestalt hat, um Merkmale der Laufschaufel 10 aufzunehmen,
die für
die vorliegende Erfindung nicht relevant sind.
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Das
Inkorporieren der fortgesetzten Enden 52 in der Dämpfer- und
Dichtungskonfiguration der vorliegenden Erfindung schafft eine größere Abstützung der
Dichtung 42, um unerwünschte
Dichtungsverformung unter Zentrifugalkraftbelastungszuständen zu
verringern. Das verbessert die Effektivität der Dichtung 42 und
verringert so eine Gasleckage und verbessert die Effizienz der Turbine.
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Das
Inkorporieren der fortgesetzten Enden 52 kann auch die
Dämpferleistung
verbessern. Da das Gewicht des Dämpfers 40 das
Gewicht des Hauptkörpers 50 und
der fortgesetzten Enden 52 beinhaltet, erlaubt das Aufnehmen
von fortgesetzten Enden 52 eine größere Flexibilität bei der
Gewichtsverteilung und eine gleichförmigere Verteilung der Dämpferreibungskraft
zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln. Beispielsweise ist, so
wie es kommerziell ausgeführt
werden wird, das Gewicht des Dämpfers
der gezeigten Ausführungsform
im wesentlichen das gleiche wie das von Dämpfern des Stands der Technik.
Jedoch hat ohne die fortgesetzten Enden der Dämpfer keine Reibungskraft gleicher
Größe auf die
zwei benachbarten Laufschaufeln aufgebracht. Mit dem Hinzufügen der
fortgesetzten Enden gibt es mehr Flexibilität in der Konstruktion des Dämpfers, um
die gewünschte
Dämpfung
am besten zu liefern. Der vorliegende Dämpfer ist in Axialrichtung
länger und
von Seite zu Seite schmaler, und dicker von der Dämpfungsoberfläche zur
Abstützoberfläche, als
der frühere Dämpfer. In
der Folge ist die durch den vorliegenden Dämpfer gelieferte Reibungskraft
gleichmäßiger auf
die zwei benachbarten Laufschaufeln verteilt. In der bevorzugten
Ausführungsform
schafft das eine verbesserte Schwingungsdämpfung, verglichen damit, wo
die Reibungskraft nicht gleichförmig
verteilt ist.
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Die
Dichtung der bevorzugten Ausführungsform
der Dämpfer-
und Dichtungskonfiguration der vorliegenden Erfindung ist in den 5, 6 gezeigt. Es wird nun auf die 5, 6 in der Draufsicht bzw. in der Seitenansicht
der Dichtung 42 in der bevorzugten Ausführungsform Bezug genommen.
Die Dichtung 42 hat einen Vorsprung 70. Der Vorsprung 70 ist
daran angepasst, eine körperliche
Störung
zu schaffen, wenn Dämpfer
und Dichtung in Relation zueinander verdreht installiert sind, z.
B. mit der Dichtung 42 zwischen Dämpfer 40 und der radial
inneren Oberfläche 30 der
Plattform, aber nicht, wenn Dämpfer
und Dichtung korrekt installiert sind. Bei einer derartigen unkorrekten
Installation erlaubt es die Störung
nicht, den Dämpfer
und die Dichtung in die Anordnung einzupassen. Der Vorsprung 70 verhindert
so einen derartigen falschen Zusammenbau.
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist der Vorsprung laschenartig ausgebildet und hat eine größere Oberfläche 72,
welche von dem Abstützbereich 60 weg
ragt und im wesentlichen rechtwinklig zu diesem ist. Die Richtung,
in der der Vorsprung 70 von dem Abstützbereich 60 weg ragt,
ist generell entgegengesetzt zu der Richtung der Dichtungsbereiche 62.
Wenn die Dichtung zwischen dem Dämpfer
und der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform (1, 2) nicht korrekt installiert
ist, bildet der Vorsprung 70 eine Störung, die es nicht erlaubt,
sowohl den Dämpfer
als auch die Dichtung zwischen die radial innere Oberfläche 30 der
Plattform und das Paar von Vorsprüngen 64 (2) einzusetzen und verhindert
so einen falschen Zusammenbau. Das verbessert die Effizienz des
Dämpfers
und der Dichtung und verbessert die Zuverlässigkeit der Turbine.
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Die
Höhe des
Vorsprungs 70 über
die Abstützoberfläche 60 ist
geringer als die Dicke des Dämpfers 40.
Folglich stört,
wenn der Dämpfer
und die Dichtung in korrekter Relation zueinander installiert sind,
der Vorsprung 70 nicht den Kontakt zwischen der Dämpfungsoberfläche 54 des
Dämpfers 40 und
dem Dämpfungsbereich 44 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform. Doch wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass der
Vorsprung 70 irgendeine passende Gestalt haben kann, die
es ihm erlaubt, eine Störung
zu bilden, wenn die Dämpfer- und
Dichtungskonfiguration nicht korrekt installiert ist, einschließlich einer
zylinderförmigen
Gestalt, aber nicht darauf beschränkt. In der gezeigten Ausführungsform
ist der Vorsprung 70 integral mit dem Abstützbereich 60 und
ist als Teil des vorangehend beschriebenen Verfahrens des Laserzuschneidens und
Stanz-Formens geformt und erhöht
deshalb nicht signifikant die Kosten der Dichtung 42. Jedoch kann
irgendein anderes geeignetes Verfahren zum Formen und Anbringen
des Vorsprungs 70 an der Dichtung 42 verwendet
werden.
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Der
Durchschnittsfachmann sollte auch erkennen, dass die Dichtung 42 wie
der Dämpfer 40 eine
gekrümmte
Gestalt hat, um Merkmale der Laufschaufel 10 aufzunehmen,
die für
die vorliegende Erfindung nicht relevant sind.
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Die
Positionierung der Dichtung und des Dämpfers ist in 7 gezeigt. Es wird nun auf 7 vor der Installation der
Dichtung 42 in die Laufschaufel 10 Bezug genommen.
Die Laufschaufel 10 weist ferner ein Paar von Vorstehelementen 74 auf.
Das Paar von Vorstehelementen 74 ist daran angepasst, beim
Halten des Dämpfers 40 (1, 2) und der Dichtung 42 in korrekter
Position relativ zu der Laufschaufel 10, d. h. der radial
inneren Oberfläche 30 der
Plattform und dem Hals 65, zu helfen. Jedoch halten die
Abstandselemente 44 die Dichtung 42 nicht in der
korrekten axialen Position, d. h. von dem Vorderrand 32 der
Plattform zu dem hinteren Rand 34 der Plattform. Folglich
wurde der Dichtung 42 ein Positionierelement 76 in
der Abstützoberfläche 60 hinzugefügt. Wenn
die Dichtung 42 mit dem Positionierelement 76 in
der Laufschaufel 10 installiert ist, bildet das Positionierelement 76 eine
Zwischenfläche mit
den Vorstehelementen 74, und die Kombination hält die Dichtung 42 in
der gewünschten
axialen Position. In der gezeigten Ausführungsform ist das Positionierelement 76 eine
Kerbe oder eine Ausnehmung, die eine generell gerundete rechteckige
Gestalt (5) hat und
beide Seiten des Vorsprungs 70 überspannt. Diese Gestalt ist angepasst,
korrekt mit den Vorstehelementen 74 eine Zwischenfläche zu bilden,
die an der konkaven Oberfläche
des Halses 65 positioniert sind. Man wird erkennen, dass
das Positionierelement 76 geeignet angepasst sein kann, mit
irgendeiner Vorstehelemente-Konfiguration oder einem anderen Konturmerkmal
an der Laufschaufel 10 zu kooperieren, welches ein Gegenstück für das Positionierelement
liefern kann. Man sollte auch erkennen, dass anstelle einer Kerbe
das Positionierelement 76 eine Fahne sein könnte, die
zwischen die Vorstehelemente 74 passt. In der gezeigten
Ausführungsform
ist das Positionierelement 76 in der Abstützoberfläche 60 als
Teil des vorangehend beschriebenen Arbeitsverfahrens des Laserschneidens und
Stanz-Formens gebildet und erhöht
deshalb nicht signifikant die Kosten der Dichtung 42. Es
kann jedoch irgendein anderes geeignetes Verfahren zum Bilden des
Positionierelements 76 verwendet werden.
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Das
Positionierelement 76 in der Dichtung 42 liefert
eine verbesserte axiale Ausrichtung der Dichtung 42 mit
dem Dichtungsbereich 48 der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform. Eine verbesserte Ausrichtung führt zu einer verbesserten Dichtungseffizienz,
verringerter Leckage und erhöhter
Turbineneffizienz.
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Obwohl
der Dämpfer
der vorliegenden Erfindung als ein Paar von fortgesetzten Enden
aufweisend beschrieben ist, sollte der Durchschnittsfachmann erkennen,
dass manche Anwendungen lediglich ein derartiges fortgesetztes Ende
benötigen, während andere
mehr als zwei solcher fortgesetzten Enden benötigen. In ähnlicher Weise sollte der Durchschnittsfachmann
erkennen, dass, obwohl die Dichtung der vorliegenden Erfindung als
Dichtungsbereiche 62 aufweisend beschrieben ist, manche
Anwendungen lediglich einen und andere Anwendungen mehr als zwei
derartiger Dichtungsbereiche benötigen.
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Der
Fachmann sollte auch erkennen, dass, obwohl die gezeigte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in einer Hochdruckturbinenanwendung
der zweiten Stufe gedacht ist, die vorliegende Erfindung geeignet
für andere
Turbinenanwendungen angepasst werden kann, einschließlich, aber
nicht darauf beschränkt,
andere Hochdruckturbinenanwendungen.
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Außerdem sollte
es für
den Durchschnittsfachmann ersichtlich sein, dass die vorliegende
Erfindung auch passend für
Niederdruckturbinenanwendungen angepasst werden kann, obwohl das
Dämpfungssystem
für Niederdruckturbinenanwendungen typischerweise
Dämpfen
mit einem Spitzenkranz beinhaltet.
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Schließlich sollte
es ersichtlich sein, dass der Dämpfer
auch ohne die Dichtung und die Dichtung auch ohne den Dämpfer verwendet
werden kann, obwohl Dämpfer
und Dichtung als Kombination beschrieben sind.
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Obwohl
die spezielle Erfindung mit Bezugnahme auf eine besonders bevorzugte
Ausführungsform
beschrieben wurde, ist nicht beabsichtigt, dass diese Beschreibung
in einer einschränkenden
Weise ausgelegt wird. Man sollte verstehen, dass verschiedene Modifikationen
der bevorzugten Ausführungsform
sowie zusätzliche
Ausführungsformen
der Erfindung dem Fachmann nach Bezugnahme auf die Beschreibung
ersichtlich sind, ohne von dem Umfang der angefügten Ansprüche abzuweichen.