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Die
Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenmaschinen und insbesondere
auf integrale Dämpfer- und
Dichtungsanordnungen für
Turbinenrotoren.
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Eine
typische Gasturbinenmaschine hat einen ringförmigen, sich axial (in Längsrichtung)
erstreckenden Strömungsweg
für das
Leiten von Arbeitsfluid abschnittsweise durch einen Verdichterabschnitt,
einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Der Turbinenabschnitt
weist eine Mehrzahl von Laufschaufeln auf, die über eine oder mehrere rotierende
Turbinenscheiben verteilt sind. Jede Laufschaufel hat eine Plattform,
eine Wurzel und ein Strömungsprofil.
Die Wurzel ragt von einer Oberfläche
der Plattform weg, und das Strömungsprofil
ragt von einer entgegengesetzten Oberfläche weg. Das Strömungsprofi
entzieht dem Arbeitsfluid Energie.
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Die
Turbinenscheibe hat eine Reihe von Umfangsschlitzen, von denen jeder
eine Laufschaufelwurzel aufnimmt und so die Laufschaufel an der Scheibe
hält. Die
Laufschaufel erstreckt sich von der Scheibe radial, wobei die Wurzel
radial nach innen und das Strömungsprofi
radial nach außen
ragt. Die Umfangsschlitze sind beabstandet, um einen axial verlaufenden
Spalt zwischen benachbarten Laufschaufelplattformen zu schaffen,
der die Laufschaufelplattformen davon abhält, einander zu berühren und
zu beschädigen.
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Wenn
die Strömungsprofile,
die mit einem Kranz versehen sein können oder nicht, dem Arbeitsfluid
Energie entziehen, übt
das Arbeitsfluid eine Belastungskraft auf die Strömungsprofile
aus. Variationen in der Belastungskraft bewirken ein Verformen der
Laufschaufeln und lassen sie schwingen. Diese Schwingung hat ein
breites Spektrum von Frequenzkomponenten, wobei die größte Amplitude
bei der resonanten Eigenfrequenz der Laufschaufeln ist. Wenn die
Strömungsprofile
nicht mit einem Kranz versehen sind, ist die Schwingung primär tangential
zur Rotationsrichtung, d. h. in Umfangsrichtung. Es gibt auch eine
zweite Schwingungskomponente in der Richtung der Fluid strömung, d.
h. der Axialrichtung. Ungedämpft
kann die Verformung der schwingenden Laufschaufeln extreme Grenzwerte
erreichen, was potenziell ein Brechen des Strömungsprofils zur Folge haben
kann.
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Generell
wird ein Dämpfer
verwendet, um derartige Schwingungen zu verringern. Der Dämpfer ist
ein starres Element, welches den Spalt zwischen Laufschaufeln überspannt
und eine radial innere Oberfläche
an jeder der benachbarten Laufschaufelplattformen berührt. Eine
Reibungskraft wird so durch den Dämpfer auf die Plattformen aufgebracht. Diese
Reibungskraft reduziert Schwingung von Schaufel zu Schaufel und
reduziert folglich individuelle Laufschaufelschwingung.
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Probleme
können
sich auch aus der Leckage von Arbeitsfluid in den Spalt zwischen
benachbarte Laufschaufelplattformen ergeben. Sobald es in dem Spalt
ist, kann das Arbeitsfluid in einen Bereich unterhalb der radial
inneren Oberflächen
der Plattformen leckströmen.
Jedoch ist die Temperatur des Arbeitsfluids in der Turbine generell
höher als
die, der die Bauteile unterhalb der Plattformen sicher über längere Dauer
widerstehen können.
Außerdem
kann das Arbeitsfluid Schadstoffe, beispielsweise Nebenprodukte
des Verbrennungsprozesses in dem Verbrennungsabschnitt beinhalten
und sie unterhalb der Plattform transportieren, wo sie sich sammeln
und aufheizen und eine Korrosion und Rissbildung verursachen können. Außerdem umströmt das leckströmende Arbeitsfluid
die Strömungsprofile
und verringert so die Menge an Energie, die den Strömungsprofilen
zugeführt
wird.
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Eine
Dichtung wird generell verwendet, um Leckströmung zu verringern. Die Dichtung
ist ein flexibles Element, typischerweise aus einem dünnen Metallblech
hergestellt, welches über
dem Spalt unterhalb und in der Nähe
der radial inneren Oberflächen
der benachbarten Laufschaufelplattformen positioniert ist. Die Dichtung
hat typischerweise einen Bereich, der generell an den der Oberflächen angeformt
ist, den sie abdichtet. Die Dichtung muss radial abgestützt werden,
um eine nachteilige Dichtungsverformung unter Zentrifugalkraft zu
vermeiden.
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Jedoch
gehen einige Probleme mit separatem Dämpfer und separater Dichtung
einher, wie vorangehend beschrieben. Zum einen können sie nicht gleichzeitig
maximale Effektivität
liefern, weil eines radial innerhalb von dem anderen positioniert
sein muss. Beispielsweise verhindert der Dämpfer, wo er zwischen der Plattform
und der Dichtung positioniert ist, ein effektives Abdecken des Spalts
zwischen benachbarten Plattformen durch die Dichtung. Außerdem beschränken Leistungsgrenzen
des Dämpfers das
Maß an
radialer Abstützung,
die er der Dichtung geben kann und macht die Dichtung anfällig für eine nachteilige
Verformung und zusätzlich
verringerte Effektivität.
Alternativ kann die Dichtung zwischen der Plattform und dem Dämpfer positioniert
sein, jedoch ist dann die Dämpfungseffizienz
verringert, weil der Dämpfer
keinen direkten Zugang zu den radial inneren Oberflächen der
Plattformen für
das Dämpfen hat.
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Außerdem kann,
unabhängig
von der Anordnung, eine Kombination von separatem Dämpfer und Dichtung,
wie vorangehend beschrieben, keine maximale Dämpfungseffizienz schaffen.
Die Gesamtmasse einer Kombination aus Dämpfer und Dichtung ist durch
die Systemerfordernisse beschränkt.
Während der
Dämpfer
starr ist und eine Steifigkeit für
das Dämpfen
bereitstellt, ist die Dichtung flexibel und stellt diese Steifigkeit
nicht bereit. Somit bedeutet die Anwesenheit einer derartigen flexiblen
Dichtung, dass weniger Masse und Steifigkeit für das Schwingungsdämpfen verfügbar ist.
Außerdem
liefert der Dämpfer
häufig
mehr Dämpfungskraft
an seinem axialen Zentralbereich und eine geringere Dämpfungskraft
an seinen Enden infolge der Zwänge
bei der Konstruktion des Dämpfers
und verhindert so eine gleichförmige
Verteilung der Dämpfungskraft.
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Zusätzlich werden
ein separater Dämpfer und
eine separate Dichtung gelegentlich inkorrekt installiert und verringern
so die Effizienz von beiden. Das Potenzial dafür ist durch die Tatsache erhöht, dass
manche Anordnungen den Dämpfer
zwischen der Plattform und der Dichtung haben, während andere die Dichtung zwischen
der Plattform und dem Dämpfer
haben. Somit wird nach einer besseren Dämpfer- und Dichtungseinrichtung
gesucht.
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Um
die vorangehend beschriebenen Probleme zu überwinden, liefert die vorliegende
Erfindung eine integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1.
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Die
integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung der vorliegenden Erfindung hat einen im
wesentlichen starren Dämpferbereich
in Kontakt mit benachbarten Laufschaufelplattformen und mindestens einen
Dichtungsbereich, der von dem Dämpfer
generell radial nach innen mit einem Winkel von der zentralen Ebene
des Dämpfers
ragt und so Kontakt zu den Plattformdichtungsbereichen (Schürzen), die
generell radial nach innen mit einem Winkel von einer Längsachse
verlaufen, herstellt und zu diesen abdichtet.
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Die
Dichtungsbereiche können
sich ferner gemeinsam mit einem Großteil der zugehörigen Plattformdichtungsoberfläche erstrecken,
und sie können
versetzte Unterbereich aufweisen, um zu versetzten Plattformen abzudichten.
Die Dämpfer- und
Dichtungseinrichtung ist vorzugsweise so geformt, dass sie ein Spiel
zu dem Übergangsbereich der
Plattform schafft, um störende
Wechselwirkungen zu vermeiden, was die Dämpfungs- und Dichtungseffizienz
beeinträchtigen
würde.
Die Dämpfer- und
Dichtungseinrichtung wird vorzugsweise gebildet, indem sie als ein
integrales Stück
gegossen wird. In der bevorzugten Ausführungsform hat die Dämpfer- und
Dichtungseinrichtung zwei derartige Dichtungsbereiche, einen zum
Abdichten zu der strömungsaufwärtigen Seite
der Plattform und einen zum Abdichten zu der strömungsabwärtigen Seite.
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Eine
integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung der vorliegenden Erfindung kann das Abdichten
verbessern, weil die Dichtungsbereiche Kontakt zu einem größeren Bereich
der axialen Länge des
Spalts zwischen den Plattformen herstellen. Das verringert Leckströmung und
Kontamination und erhöht
so die Zuverlässigkeit
der Turbine. Die integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung hat auch eine größere Haltbarkeit, weil die
Dichtungsbereiche radial umfänglicher
abgestützt
sind, was unerwünschte Verformung
verringert und so die Dichtungseffizienz beibehält. Außerdem tragen die Dichtungsbereiche, obwohl
sie primär
für das
Abdichten gedacht sind, auch etwas zur Steifigkeit bei, was bedeutet,
dass für das
Schwingungsdämpfen
nun mehr Steifigkeit zur Verfügung
steht. Außerdem
erleichtert die Anwesenheit der Dichtungsbereiche eine bessere axiale
Verteilung der Dämpfungsmasse.
Schließlich
ist die integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung, weil sie einstückig ist anstatt aus zwei Teilen
zu bestehen, generell kostengünstiger
herzustellen und kann weniger leicht falsch installiert werden.
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Obwohl
integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtungen bekannt sind, hat man bis heute gedacht,
dass eine integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung lediglich in eine Richtung radial nach
außen
abdichten kann, d. h. dass die inhärente Steifigkeit, die für das Dämpfen erforderlich
ist, ein Abdichten in der Längsrichtung
ausschließt.
Man hat auch geglaubt, dass wegen ihrer inhärenten Steifigkeit eine integrale
Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung, die eine Abdichtung in Längsrichtung,
d. h. gegen die Schürzen,
versucht, unausweichlich auf störende Wechselwirkung
mit diesen Oberflächen
treffen würde,
was deren Fehlpositionierung (hung up) bewirkt und wodurch sie auch
ihre Dämpfungseffizienz
verlieren würde.
Man hat jedoch festgestellt, dass Steifigkeit nicht unpassend für Abdichten
ist, dass eine integrale Dichtung steif genug gemacht werden kann, um
auf einer radial nach außen
gerichteten Oberfläche
zu dämpfen,
und doch flexibel genug, um in Längsrichtung
gegen im wesentlichen mit Winkel angeordnete Plattformen abzudichten.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Turbinenrotorlaufschaufel und
der integralen Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Teil-Seitenansicht der Rotorlaufschaufel und der integralen
Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung von 1;
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3 ist
eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht von zwei benachbarten
Rotorlaufschaufeln in einer gestaffelten Orientierung und der integralen
Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung von 1; und
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4 ist
eine Schnittansicht in der Richtung von 4-4 der Laufschaufeln von 3 und
der integralen Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung von 1, zwischen
diesen installiert.
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Die
Dämpfer-
und Dichtungs-Konfiguration der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend
mit Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform zur Verwendung mit
einer Hochdruck-Turbinenrotorlaufschaufel der zweiten Stufe des
in 1 gezeigten Typs beschrieben.
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen. Eine Turbinenrotorlaufschaufel 13 hat
eine strömungsaufwärtige Seite 14,
eine strömungsabwärtige Seite 16, eine
konkave (Druck-) Seite 18 und eine konvexe (Sog-) Seite 20.
Die Laufschaufel 13 hat ein Strömungsprofil 22, welches
kinetische Energie von einer Gasströmung 24 erhält. Das
Strömungsprofil 22,
welches mit einem Kranz versehen sein kann oder nicht, ragt von
einer radial äußeren Oberfläche 26 einer
Plattform 28 weg. Die Plattform 28 hat eine radial
innere Oberfläche 30,
einen vorderen Rand 32 und einen hinteren Rand 34.
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Die
Laufschaufel 13 weist ferner ein Paar von Plattformabstützungen 36, 38,
einen Hals 40 und eine Wurzel 42 auf. Der Hals 40 ist
der Übergang
zwischen der Plattform 28 und der Wurzel 42. Die
Wurzel 42 ist daran angepasst, in eine (nicht gezeigte) Turbinenrotorscheibe
eingesetzt zu werden, um die Rotorlaufschaufel an der Scheibe anzubringen.
Hier hat die Wurzel 42 einen Tannenbaum-Querschnitt. Der
Hals 40 hat ein Paar von Vorsprüngen 44 (von denen
nur einer gezeigt ist), die detaillierter nachfolgend gezeigt und
beschrieben werden.
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Man
versteht, dass die Rotorlaufschaufel 13 eine aus einer
Mehrzahl derartiger Laufschaufeln ist, die an der (nicht gezeigten)
Rotorscheibe angebracht sind. Die Laufschaufel 13 ragt
radial von der Oberfläche
der Scheibe weg, wobei die Wurzel 42 radial nach innen
ragt und das Strömungsprofi 22 radial nach
außen
ragt. Benachbarte Laufschaufelplattformen sind durch einen axial
(in Längsrichtung,
d. h. der Richtung von dem vorderen Plattformrand 32 zu dem
hinteren Plattformrand 34 verlaufenden Spalt getrennt,
der die Laufschaufelplattformen davon abhält, einander zu kontaktieren
und zu beschädigen. Die
Breite dieses Spalts sollte groß genug
sein, um die Toleranzen der physischen Abmessungen der Plattformen
einschließlich
der Wärmeausdehnung aufzunehmen
und ist vorzugsweise im Bereich von etwa 0,04 inch (1,0 mm).
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Unterhalb
der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform 28 ist eine integrale Dämpfer- und Dichtungs-Kombination 46 positioniert,
welche einen Dämpferbereich 48 und
einen Dichtungsbereich 50 aufweist, die miteinander durch
Maßnahmen
wie beispielsweise Hartlöten
verbunden sind oder, um Kosten zu reduzieren, integral als ein Stück, beispielsweise
durch Gießen,
hergestellt sind. Maschinelles Bearbeiten, Schmieden, Walzen, Pressen
und Kombinationen daraus können
auch verwendet werden. Anders als Anordnungen mit einem separaten
Dämpfer
und einer separaten Dichtung sind weder der Dämpferbereich 48 noch
die Dichtungsbereiche 50 zwischen der Plattform und der
jeweils anderen positioniert, stattdessen ragen die Dichtungsbereiche 50 von
den Enden des Dämpferbereichs 48 radial
nach innen. Das liefert eine bessere radiale Abstützung für die Dichtungsbereiche,
verglichen mit der, die durch einen separaten Dämpfer zwischen einer Plattform und
einer Dichtung geschaffen werden kann.
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Der
Dämpferbereich 48 ist
starr und daran angepasst, Schwingungen von Laufschaufel zu Laufschaufel
zu verringern, was schließlich
individuelle Laufschaufelschwingungen verringert. Die Form, das Gewicht
und die Steifigkeit des Dämpferbereichs 48 sind
gewählt,
um die gewünschte
Reibungskraft auf die Plattformen für ein derartiges Dämpfen bestmöglich zu
liefern. Die Dichtungsbereiche 50 sind daran angepasst,
eine Leckströmung
zu verringern. Der Dämpferbereich 48 und
die Dichtungsbereiche 50 erstrecken sich über den
Spalt zwischen der Plattform 28 und der benachbarten Laufschaufelplattform (nicht
gezeigt). Die Form, das Gewicht und die Steifigkeit der Dichtungsbereiche 50 sind
so gewählt, dass
sie ein derartiges Abdichten bestmöglich liefern. Der Dämpferbereich 48 und
die Dichtungsbereiche 50 sind radial durch das Paar von
Vorsprüngen 44 an dem
Hals 40 der Laufschaufel 13 abgestützt.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen. Die radial
innere Oberfläche 30 der
Laufschaufelplattform 28 hat einen Dämpfungsbereich 52,
einen Übergangsbereich 54 und
einen Dichtungsbereich (Schürze) 56.
Der Dämpfungsbereich 52 hat
eine im wesentlichen ebene Kontur. Der Übergangsbereich 54 weist
einen strömungsaufwärtigen und
einen strömungsabwärtigen Ausrundungsausläufer auf
mit einer im wesentlichen gekrümmten
Kontur, die typischerweise weder den Dämpfer noch die Dichtungsbereiche
berühren.
Im wesentlichen aus diesem Grund kommt es typischerweise in den Übergangsbereichen 54 zu
keinem Dämpfen
oder Abdichten. Der Dichtungsbereich 56 ist generell dort
positioniert, wo ein Abdichten gegen eine Leckströmung benötigt wird,
was für
diese Laufschaufel 13 in der Nähe der Plattformabstützungen 36, 38 ist
(der Druck an der radial äußeren Oberfläche der
Plattform 28 ist generell größer als der an der radial inneren
Oberfläche 30,
insbesondere in der Nähe
der Plattformabstützungen 36, 38).
Bei den meisten Plattformgeometrien ist der Dichtungsbereich 56 generell
mit einem Winkel radial nach innen vorgesehen, typischerweise mit
einem Winkel von mindestens 45°,
gemessen von der Längsachse,
am häufigsten
im Bereich von etwa 60° bis
90°. Geometrien
an dem oberen Ende dieses Bereichs, z. B. von etwa 75 bis 90°, sind generell schwieriger
abzudichten als die an dem unteren Ende, weil die verfügbare Abdichtkraft,
d. h. die Komponente der Zentrifugalkraft, die rechtwinklig zu dem Dichtungsbereich
gerichtet ist, geringer ist als diese bei Geometrien an dem unteren
Ende des Bereichs ist.
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Der
Dämpferbereich 48 hat
eine Dämpfungsoberfläche 60 im
Kontakt mit dem Dämpfungsbereich 52 der
radial inneren Plattformoberfläche 30.
Die Dämpfungsoberfläche 60 liefert
gemeinsam mit der Zentrifugalkraft und der Masse der Dämpfer- und Dichtungseinrichtung 46 die
erforderliche Reibungskraft zum Dämpfen der Schwingung. Generell
bemüht
man sich um einen im wesentlichen gleichförmigen Kontakt zwischen den
Oberflächen 52, 60.
Um einen derartigen Kontakt beizubehalten ragt die Dämpfungsoberfläche 60 vorzugsweise
nicht in den Übergangsbereich 54 der
radial inneren Plattformoberfläche 30.
Folglich können
die Abmessungen der Dämpfungsoberfläche 60 im
we sentlichen durch Merkmale der radial inneren Plattformoberfläche 30 beschränkt sein.
Spiel 62 zwischen der integralen Dämpfer- und Dichtungs-Kombination 46 und
dem Übergangsbereich 54 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform 28 kann verwendet werden, um zusätzlich störende Wechselwirkung
zwischen diesen Teilen zu umgehen, um einen gleichförmigen kontinuierlichen
Kontakt zwischen der Dämpfungsoberfläche 60 und
dem Dämpfungsbereich 52 der
radial inneren Plattformoberfläche 30 zu
erlauben. Das Kombinieren von Dämpfer
und Dichtung zu einem integralen Bauteil führt zu einer kompakten Anordnung,
die unterhalb der Plattform effizient untergebracht ist. Man erkennt
somit, dass das Spiel 62 ähnlich funktioniert, aber kleiner
ist als das Spiel, welches separate Anordnungen aus Dämpfer und
Dichtung aufnimmt. Ein kleineres Spiel führt zu einer effizienteren Abdichtung
und einer größeren radialen
Abstützung für die Dichtungsbereiche 50 und
verhindert so eine nachteilige Verformung und behält die Dichtungseffektivität bei. Der
Dämpferbereich 48 weist
ferner ein erstes Paar von Ansatzstücken 64 auf, die daran
angepasst sind, die integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung bezogen auf die benachbarte Rotorlaufschaufel
(nicht gezeigt) korrekt positioniert zu halten.
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Der
Dämpferbereich
sollte ein Material aufweisen, welches für die hohe Temperatur, den
hohen Druck und die hohen Zentrifugalkräfte geeignet ist, die man in
der Turbine antrifft, und sollte mit einem dafür passenden Verfahren hergestellt
sein. Es ist ferner wünschenswert,
ein Material zu wählen,
welches Kriechen und Korrosion unter derartigen Bedingungen widersteht.
Ein Kobaltlegierungsmaterial, American Metal Specification (AMS)
5382 und Herstellung durch Gießen
haben sich als geeignet für Hochdruckturbinenbedingungen
gezeigt, jedoch können
irgendein anderes geeignetes Material und Herstellungsverfahren,
die Fachleuten bekannt sind, ebenso verwendet werden.
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Die
Dichtungsbereiche 50 sind daran angepasst, eng konform
zu dem Dichtungsbereich 56 der radial inneren Plattformoberfläche 30 zu
sein und Dichtungen dagegen bereitzustellen. Jeder der Dichtungsbereiche 50 hat
ein nahes Ende, welches in den Dämpferbereich übergeht
und mit diesem verbunden ist, und ein fernes Ende, welches vorzugsweise
frei ist. Die Dichtungsbereiche 50 sind vorzugsweise verjüngt, um
Belastung aufzunehmen, und nehmen allmählich in der Dicke von dem
nahen Ende zu dem fernen Ende ab. Die fernen Enden der Dichtungsbereiche 50 können abgerundet
sein. Eine gekrümmte Biegung
an dem Übergang
zwischen dem Dämpferbereich
und dem Dichtungsbereich 50 ist bevorzugt. Die Biegung
hat vorzugsweise einen Radius, der größer ist als der des Übergangsbereichs 54 der
radial inneren Plattformoberfläche 30.
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Um
zu den meisten Plattformgeometrien zu passen, ragt der Dichtungsbereich 50 im
wesentlichen radial von dem Dämpferbereich 48 nach
innen, typischerweise mit einem Winkel 66 von mindesten 45°, am häufigsten
im Bereich von etwa 75 bis 90°, gemessen
von der generellen Ebene 68 des Dämpferbereichs und unter Vernachlässigung
der Biegung an dem Übergang.
Bei der gezeigten Gestalt erhalten die Dichtungsbereiche 50 eine
radiale Abstützung von
dem Dämpferbereich 48 und
der Platteform und liefern eine Abdichtung gegen Leckage, ohne substanziell
den Betrieb des Dämpfers 48 zu
stören.
Obwohl die Dichtungsbereiche 50 einander ähnlich zu sein
scheinen, müssen
die Dichtungsbereiche 50 eine derartige Ähnlichkeit
nicht besitzen. Fachleute werden erkennen, dass die Dichtungsbereiche 50 irgendeine
andere Orientierung und Gestalt haben können, die passend daran angepasst
ist, eine Abdichtung zu liefern und die Belastung aufzunehmen.
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Man
sollte erkennen, dass die Dicke der Dichtungsbereiche 50 generell
nicht so stark ist wie die des Dämpferbereichs 48.
Das macht die Dichtungsbereiche flexibler, d. h. weniger starr als
den Dämpferbereich
und verbessert somit die Fähigkeit der
Dichtungsbereiche, sich an die radial innere Oberfläche der
Platteform anzuformen. Jedoch sind die Dichtungsbereiche 50 generell
dicker als traditionelle Dichtungen, die typischerweise aus einem
dünnen
Metallblech bestehen. Obwohl Fachleute vermutlich anderes erwarten,
beeinflusst eine derartige erhöhte
Dicke nicht negativ die Fähigkeit
der Dichtungsbereiche für
das Abdichten. Flexibilität
ist auch erwünscht,
um eine unerwünschte
Wechselwirkung zwischen den Dichtungsbereichen 50 und den
inneren Oberflächen 54, 56 zu
verhindern, die sonst den Kontakt zwischen der Dämpfungsoberfläche 60 und dem
Dämpfungsbereich 52 der
radial inneren Plattformoberfläche 30 stören könnte. Wenn
die Maschine nicht arbeitet, passt die kombinierte Dämpfer- und Dichtungseinrichtung
locker unter die Plattform. Beim Anlassen der Maschine wird ein
Kontakt mit der radial inneren Oberfläche der Plattform vorzugsweise
zuerst durch den Dämpferbereich 48 und
dann durch die Dichtungsbereiche 50 realisiert. Man erwartet, dass
Zentrifugalkraft die Dichtungsbereiche in engere Nähe zu den
Dichtungsoberflächen
der Plattform bringen wird.
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Die
Dichtungsbereiche 50 sollten ein Material aufweisen, und
sie sollten durch ein Verfahren hergestellt sein, was für die hohe
Temperatur, den hohen Druck und die hohe Zentrifugalkraft, die man
in der Turbine antrifft, geeignet ist. Es ist ferner wünschenswert,
ein Material zu wählen,
welches Kriechen und Korrosion unter derartigen Bedingungen widersteht. Die
Duktilität
oder die Biegsamkeit der Dichtungsbereiche 50 bei erhöhten Temperaturen
(etwa 1500° für Hochdruckturbinenanwendungen)
ist vorzugsweise an die traditioneller Dichtungen angenähert, die
typischerweise ein Kobaltlegierungsmaterial, beispielsweise American
Metal Specification (AMS) 5608, aufweisen und die bei erhöhten Temperaturen
steifer und weniger biegsam werden. Bei integraler Herstellung mit
dem Dämpferbereich
werden die Dichtungsbereiche aus dem gleichen Material hergestellt,
welches, wie vorangehend ausgeführt,
ein Kobaltlegierungsmaterial, American Metal Specification (AMS) 5382,
aufweist, und Herstellung durch Gießen haben sich als geeignet
herausgestellt. Jedoch können auch
irgendein anderes geeignetes Material und irgendein anderes Herstellungsverfahren,
welche Fachleuten bekannt sind, verwendet werden.
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Es
wird auf die 3, 4 Bezug
genommen. Die integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung 46 weist ferner ein zweites Paar
von Ansatzstücken 70 auf.
Das zweite Paar von Ansatzstücken 70 it
daran angepasst, gemeinsam mit dem ersten Paar von Ansatzstücken 64 und
einem Paar von Vorstehelementen 72 an einem Paar 75 von
benachbarten Laufschaufeln 13 zu arbeiten, um dazu beizutragen, die
integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung 46 in korrekter Position, bezogen
auf die Laufschaufel 13, d. h. der radial inneren Plattformoberfläche 30 und
dem Hals 40, zu halten. Die passende Anzahl und Größe der Ansatzstücke und
der Vorstehelemente hängt
von den Abmessungen der Laufschaufel 13 und dem Spalt zwischen
den Laufschaufeln sowie den Abmessungen und der gewünschten
Position der integralen Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung 46 ab.
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Wie
das manchmal bei großen
Gasturbinenflugzeugtriebwerken der Fall ist, ist das Paar 75 von Laufschaufeln 13 gestaffelt,
z. B. durch maschinelles Bearbeiten, so dass die Strömungsprofile 22,
bezogen auf die Wurzeln 42 optimal orientiert sind. Jedoch
sind in der Folge des Staffelns die Dichtungsbereiche 56 der
benachbarten Plattformoberflächen
an der strömungsaufwärtigen Seite
und der strömungsabwärtigen Seite 16 des
Paars 75 von Laufschaufeln 13 axial versetzt 78, 79 (4).
Um den Versatz zwischen den Plattformen aufzunehmen, kann jeder
der Dichtungsbereiche 50 zwei axial versetzte Unterbereiche 80, 82 aufweisen,
von denen jede eine Abdichtung zu einer der benachbarten radial
inneren Plattformdichtungsoberflächen 56 schaffen,
wobei der Versatz zwischen den Unterbereichen 80, 82 vorzugsweise
zu dem Versatz zwischen den Plattformen korrespondiert. Spiel 84 zwischen
den verlängerten Unterbereichen 82 und
der Plattform, die zu dem anderen der Unterbereiche 80 gehört, vermeidet
jegliche störende
Wechselwirkung zwischen diesen Teilen und verhindert so, dass die
integrale Dämpfer- und
Dichtungseinrichtung, bezogen auf die radial inneren Oberflächen, falsch
positioniert wird. Fachleute sollten erkennen, dass die integrale
Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung 46 eine gekrümmte Gestalt hat, um Aspekte
hinsichtlich der Laufschaufel 13 zu berücksichtigen, die für die vorliegende
Erfindung nicht relevant sind.
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Die
integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung der vorliegenden Erfindung verbessert die Abdichtung,
weil die Dichtungsbereiche zu einem größeren Bereich der axialen Länge des
Spalts zwischen den Plattformen einen Kontakt herstellen. Das verringert
die Leckage und die Kontaminierung und erhöht so die Zuverlässigkeit
der Turbine. Die integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung hat auch eine größere Haltbarkeit, weil die
Dichtungsbereiche in Radialrichtung vollständiger abgestützt sind,
was unerwünschte
Verformung verringert, und so ist die Dichtungseffizienz beibehalten.
Außerdem
tragen die Dichtungsbereiche, obwohl sie hauptsächlich für das Abdichten sind, etwas
zu der Steifigkeit bei, was bedeutet, dass nun mehr Steifigkeit
für das
Schwin gungsdämpfen
verfügbar
ist. Außerdem
erleichtert die Anwesenheit der Dichtungsbereiche eine bessere axiale
Verteilung der Dämpfungsmasse.
Schließlich
kostet die integrale Dämpfer-
und Dichtungseinrichtung, da sie ein Stück anstelle einstelle einer zweistückigen Anordnungen
ist, generell weniger bei der Herstellung, und sie kann weniger
wahrscheinlich falsch installiert werden.
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Obwohl
die Dichtung der vorliegenden Erfindung als mit zwei ähnlichen
Dichtungsbereichen mit versetzten Unterbereichen beschrieben ist,
können manche
Anwendungen lediglich einen Dichtungsbereich fordern, und andere
können
mehr als zwei fordern. Außerdem
müssen
die Dichtungsbereiche nicht versetzte Unterbereiche haben, z. B.
können
die Dichtungsbereiche im wesentlichen eben sein, und sie müssen einander
nicht ähnlich
sein. Fachleute werden auch erkennen, dass die integrale Dämpfer- und
Dichtungseinrichtung mit nicht gestaffelten sowie mit gestaffelten
Plattformen verwendet werden kann.
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Obwohl
die spezielle Erfindung mit Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen
zur Verwendung in einer Hochdruckturbinenanwendung der zweiten Stufe
beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden
Sinn ausgelegt werden. Die vorliegende Erfindung kann geeignet für andere
Anwendungen angepasst werden einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, andere Turbinenanwendungen
mit anderen Laufschaufel- und Plattformgeometrien als die, die hier
beschrieben wurden. Man versteht, dass verschiedene Modifikationen
der vorangehenden Ausführungsformen sowie
zusätzliche
Ausführungsformen
der Erfindung den Fachleuten unter Bezugnahme auf diese Beschreibung
ersichtlich werden, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie in
den angefügten
Ansprüchen
wiedergegeben ist, abzuweichen.