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Die
Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere Dämpfer-Dichtung-Anordnungen für Turbinenrotoren.
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Eine
typische Gasturbinenmaschine hat einen sich axial erstreckenden
Strömungsweg
zum Leiten von Arbeitsfluid sequentiell 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 tritt in den Verbrennungsabschnitt ein.
Brennstoff wird mit dem komprimierten Arbeitsfluid gemischt und
das Gemisch wird gezündet,
um dem Arbeitsfluid mehr Energie zuzuführen. Die sich ergebenden Verbrennungserzeugnisse
werden dann durch den Turbinenabschnitt hin expandiert. Der Turbinenabschnitt
weist eine weitere Mehrzahl von rotierenden Laufschaufeln auf, die
dem expandierenden Fluid Energie entnehmen. Ein Teil dieser entnommenen
Energie wird dem Verdichterabschnitt über eine Rotorwelle, die den Kompressorabschnitt
und den Turbinenabschnitt verbindet, zurück übertragen. Der Rest der entnommenen
Energie kann für
andere Funktionen verwendet werden.
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Jede
der Mehrzahl von rotierenden Laufschaufeln in dem Turbinenabschnitt
hat ein Plattform. Eine Laufschaufelwurzel erstreckt sich von einer Oberfläche der
Plattform, und ein Laufschaufelströmungsprofil ragt von einer
entgegengesetzten Oberfläche.
Das Strömungsprofil,
das mit einem Wirbelelement versehen sein kann oder nicht, entzieht
dem expandierenden Arbeitsfluid kinetische Energie. Die Mehrzahl
von Rotorlaufschaufeln ist über
eine oder mehrere rotierende Turbinenrotoren verteilt. Ein Turbinenrotor
hat eine Scheibe mit einer Mittellinie und einer Reihe von Schlitzen
an seinem äußeren Umfang.
Jeder Schlitz nimmt eine Laufschaufelwurzel auf und hält so die
Laufschaufel an der Scheibe. Derart installiert erstreckt sich die
Laufschaufel radial von der Scheibe, wobei die Wurzel radial einwärts und das
Strömungsprofil
radial auswärts
sind. Benachbarte Laufschaufelplattformen sind durch einen sich axial
erstreckenden Spalt, der die Laufschaufelplattformen davon abhält, sich
zu kontaktieren und gegenseitig zu beschädigen, getrennt.
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Da
die Strömungsprofile
dem expandierenden Arbeitsfluid Energie entziehen, übt das Arbeitsfluid
eine Belastungskraft auf die Strömungsprofile aus.
Variationen in der Belastungskraft lassen die Laufschaufeln sich
verbiegen und vibrieren. Diese Vibration hat ein breites Spektrum
von Frequenzkomponenten mit einer größten Amplitude bei der Eigenresonanzfrequenz
der Laufschaufeln. Wenn die Strömungsprofile
nicht mit einem Wirbelelement versehen sind ist die Vibration hauptsächlich tangential
zu der Rotationsrichtung, das heißt, der Umfangsrichtung. Es
gibt auch eine Sekundärvibrationskomponente
in der Richtung der Fluidströmung,
das heißt, der
axialen Richtung. Wenn sie ungedämpft
sind, kann die Auslenkung der vibrierenden Laufschaufeln extreme
Grenzwerte erreichen, die das Strömungsprofil potentiell brechen
lassen.
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Die
Anfälligkeit
der Turbine für
ein Laufschaufelvibrationsversagen hängt teilweise von effektiver
Dämpfung
ab. Ein Dämpfer
wird im allgemeinen verwendet, um solche Vibration zu reduzieren. Der
Dämpfer
ist ein festes Element, der derart positioniert wird, dass er den
Spalt zwischen Laufschaufeln überspannt
und die radial inneren Oberflächen benachbarter
Laufschaufelplattformen kontaktiert. Der Dämpfer reduziert Laufschaufel-zu-Laufschaufel-Vibration,
was dementsprechend individuelle Laufschaufelvibration reduziert.
Die Form, das Gewicht und die Steifheit des Dämpfers werden so gewählt, um
am besten für
die gewünschte
Vibrations-dämpfende
Reibungskraft zu sorgen. Für
maximale Effektivität
ist der Dämpfer
im allgemeinen in der axialen Richtung ausgedehnt.
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Die
durch den Dämpfer
erzeugte Reibungskraft wird zwischen den benachbarten Laufschaufeln aufgeteilt.
Im allgemeinen wird eine gleichmäßige Aufteilung
angestrebt, d. h., 50 Prozent für
eine Laufschaufel und 50 Prozent für die andere Laufschaufel. Die
Form und die Kontur der radial inneren Oberflächen der Laufschaufelplattformen
zusammen mit den anderen oben genannten Dämpferauswahlkriterien kann
jedoch einen Dämpfer,
der das gewünschte Dämpfungsprofil
aufweist, unmöglich
machen. In solchen Fällen
kann die Dämpfungseffektivität reduziert sein,
was zu geringerer Laufschaufelzuverlässigkeit führt. Es wird daher ein Dämpfer gesucht,
der mehr Flexibilität
bei der Vibrationsdämpfung
bietet, um das gewünschte
Dämpfungsprofil
zu erzeugen.
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Abgesehen
von Vibrationsversagen gibt es noch weitere Möglichkeiten eines Turbinenversagens aufgrund
der potentiellen Leckage von Arbeitsfluid in den Spalt zwischen
benachbarten Laufschaufelplattformen. Sobald es in dem Spalt ist,
kann das Arbeitsfluid dann in den Bereich unterhalb der radial inneren Oberfläche der
Plattform lecken. Da die Temperatur des Arbeitsfluids in der Turbine
im allgemeinen höher ist
als diejenige, der Komponenten unterhalb der Plattform sicher widerstehen
können,
erhöht
die Leckage die Temperatur dieser Komponenten und führt im allgemeinen
zu einer geringeren Turbinenzuverlässigkeit. Da ferner das Arbeitsfluid
Verunreinigungen enthalten kann, kann eine Leckage Verunreinigungen
unter die Plattform transportieren, was die Zuverlässigkeit
der Turbine weiter reduziert. Außerdem umgeht das leckende
Arbeitsfluid die Strömungsprofile
und reduziert so die den Strömungsprofilen
zugeführte
Energiemenge und reduziert die Effizienz der Turbine.
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Eine
Dichtung wird allgemein eingesetzt, um Leckage zu reduzieren. Die
Dichtung ist ein flexibles Element, typischerweise aus dünnem Metallblech gefertigt,
das über
den Spalt hin positioniert ist, unterhalb und in der Nähe der radial
inneren Oberflächen von
benachbarten Laufschaufelplattformen. Die Dichtung hat typischerweise
einen Bereich, der allgemein demjenigen der Oberfläche, mit
der sie abgedichtet werden soll, entspricht.
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Die
Dichtung benötigt
typischerweise radialen Halt von dem Dämpfer. Ein Beispiel einer solchen Dämpfer-Dichtung-Anordnung
ist in US-Patent Nr. 5 460 489 offenbart. Wenn der Dämpfer jedoch
nicht genügend
radialen Halt, d. h., entlang eines ausreichenden Bereichs der axialen
Länge der
Dichtung, bietet, kann die Dichtung bei Turbinenrotation anfällig gegen
Verbiegung sein aufgrund von radialen Zentrifugalkräften. Die
Beschränkungen
für das
Design des Dämpfers,
wie sie oben beschrieben sind, beschränken häufig den radialen Halt, den
der Dämpfer der
Dichtung bieten kann. Sollte die Dichtung eine solche Verbiegung.
erfahren, könnte
ihre proximate Verbindung mit den Oberflächen, mit denen sie abdichtet,
in unerwünschter
Weise geändert
werden, und dementsprechend kann die Dichteeffektivität reduziert
werden. Daher wird auch nach einer Dämpfer-Dichtung-Anordnung gesucht,
die mehr Designflexibilität
bietet, um größeren radialen
Halt für
die Dichtung zu erhalten.
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Im
allgemeinen wird die Dichtung in der axialen Richtung nur lose durch
die Struktur unterhalb der Plattform gehalten. Um eine optimale
proximate Verbindung der Dichtung mit den Oberflächen, mit denen sie abdichtet,
zu wahren, muss die Dichtung jedoch in der richtigen axialen Position
relativ zu der radial inneren Oberfläche der benachbarten Laufschaufelplattformen
gehalten werden. Wenn die Dichtung nicht in der richtigen axialen
Position gehalten wird, kann die Effektivität der Dichtung beim Reduzieren
von Leckage verringert sein. Es wird daher eine Dichtung gesucht,
die in der richtigen axialen Position gehalten werden kann.
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Um
effektives Dämpfen
und Dichten zu bieten, müssen
schließlich
der Dämpfer
und die Dichtung in der richtigen Relativposition in Bezug zu einander
installiert sein. Bei herkömmlichen
Anordnungen können
jedoch der Dämpfer
und die Dichtung in die Turbinenanordnung passen, obwohl sie unrichtig installiert
sind, und dementsprechend gibt es bei derzeitigen Turbinenanordnungen
ein Potential für
falschen Zusammenbau. Dieses Potential wird durch die Tatsache vergrößert, dass
manche Anordnungen einen Dämpfer
haben, der zwischen der Plattform und der Dichtung angeordnet ist,
wohingegen andere die Dichtung zwischen der Plattform und dem Dämpfer angeordnet
aufweisen. Als Ergebnis werden der Dämpfer und die Dichtung gelegentlich
falsch installiert, wodurch die Effektivität sowohl des Dämpfers als
auch der Dichtung reduziert wird. Es ist daher wünschenswert, eine Dämpfer-Dichtung-Anordnung bereitzustellen,
die die Installation des Dämpfers
und der Dichtung in falscher Orientierung in Bezug aufeinander verhindert.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Dämpfer-Dichtung-Anordnung
mit den Merkmalen von Anspruch 1 für einen Turbinenrotor vorgesehen,
wobei der Rotor eine Scheibe und eine Mehrzahl von Laufschaufeln
aufweist und wobei die Anordnung einen Dämpfer aufweist und ferner eine
Dichtung aufweist, die einen Vorsprung hat, der dazu ausgelegt ist,
ein Hindernis mit der Laufschaufel zu bilden für den Fall, dass der Dämpfer und
die Dichtung in einer falschen Orientierung in Bezug aufeinander
installiert sind, um einen sol chen falschen Zusammenbau zu vermeiden,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung in der Form eines Fortsatzes
ist, der sich von einem Rand des Haltebereichs der Dichtung erstreckt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Dichtung für einen
Turbinenrotor vorgesehen, wobei der Rotor eine Scheibe und eine
Mehrzahl von Laufschaufeln aufweist, wobei jede Laufschaufel eine
Plattform mit einer radial inneren Oberfläche hat, wobei die Dichtung
ein Positionierungselement aufweist, das mit einer Arretierungsstruktur
an der Laufschaufel zusammenwirkt, um die Dichtung positiv zu positionieren
und sie in der richtigen axialen Position in Bezug auf die radial innere
Oberfläche
der Leufschaufelplattform zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass
das Positionierungselement in der Form einer Kerbe oder einer bogenförmigen Ausnehmung
ist, um mit Vorsprüngen zusammenzuwirken,
die an der Plattform der Laufschaufel ausgebildet sind.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Turbinenrotorlaufschaufel mit einer
Dämpfer-Dichtung-Anordnung
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Seitenansicht der Rotorlaufschaufel und der Dämpfer-Dichtung-Anordnung aus 1 ist;
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3 eine
Draufsicht des Dämpfers
aus 1 ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer konkaven Seite des Dämpfers aus 1 ist;
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5 eine
Draufsicht der Dichtung aus 1 ist;
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6 eine
perspektivische Ansicht der Seite der Dichtung aus 1 ist;
und
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7 eine
perspektivische Ansicht der Rotorlaufschaufel, des Dämpfers und
der Dichtung aus 1 ist, getrennt gezeigt vor
der Installation.
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Die
Dämpfer-Dichtung-Anordnung
der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform
zur Verwendung mit einer Hochdruckturbinenrotorlaufschaufel der
zweiten Stufe des in 1 veranschaulichten Typs offenbart.
Es sollte jedoch von den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten verstanden
werden, dass die Zeichnungen lediglich veranschaulichend gemeint
sind und nicht angestrebt wird, exakte Strukturabmessungen anzugeben.
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Bezugnehmend
auf 1 hat eine Turbinenrotorlaufschaufel 10 eine
stromaufwärtige
Seite 12, eine stromabwärtige
Seite 14, eine konkave (Druck-)Seite 16 und eine
konvexe (Sog-)Seite 18. Die Rotorlaufschaufel 10 hat
ein Strömungsprofil 22, das
kinetische Energie von einer Gasströmung 24 aufnimmt.
Das Strömungsprofil 22,
das mit einem Wirbelelement versehen sein kann oder nicht, ist an einer
radial äußeren Oberfläche 26 einer
Plattform 28 angeordnet. Die Plattform 28 weist
ferner eine radial innere Oberfläche 30,
eine Vorderkante 32 und eine Hinterkante 34 auf.
Ein Paar von Plattformhalterungen 36, 38 sorgt
für strukturellen
Halt für
die Plattform 28, um ein Verwinden der Plattform zu reduzieren. Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist die Rotorlaufschaufel 10 als eine einzelne integrale
Einheit durch Gießen
gefertigt; es kann jedoch jede andere, den mit dem Stand der Technik
vertrauten Fachleuten bekannte Einrichtung ebenfalls verwendet werden.
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Die
Rotorlaufschaufel 10 weist ferner einen Hals 65 reduzierter
Dicke und eine Wurzel 66 auf. Der Hals 65 ist
der Übergang
zwischen der Plattform 28 und Wurzel 66. Die Wurzel 66 ist
in eine Turbinenrotorzentralscheibe (nicht gezeigt) eingebracht,
um die Rotorlaufschaufel an der Scheibe zu befestigen. Bei der veranschaulichten
Ausführungsform
hat die Wurzel 66 ein Tannenbaum-Design, es kann jedoch jedes
geeignete Mittel zum Befestigen der Laufschaufel an der Scheibe
verwendet werden. Der Hals 65 hat ein Paar von Auskragungen 64 (nur
eine ist gezeigt), die hierin weiter unten in genaueren Einzelheiten
beschrieben und gezeigt werden.
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Obwohl
dies nicht gezeigt ist, ist die Rotorlaufschaufel 10 eine
aus einer Mehrzahl solcher Laufschaufeln, die an einer Rotorscheibe
mit einer Mittellinie (Längsachse)
(nicht gezeigt) befestigt sind. Die Laufschaufel 10 erstreckt
sich radial von der Scheibe, wobei die Wurzel 66 radial
einwärts
und das Strömungsprofil 22 radial
auswärts
sind. Benachbarte Laufschaufelplattformen sind durch einen sich
axial erstreckenden Spalt, der die Laufschaufelplattformen davon
abhält,
sich zu kontaktieren und gegenseitig zu beschädigen, getrennt. Die Breite
dieses Spalts sollte groß genug
sein, um die Toleranzen bei den physikalischen Abmessungen der Plattformen
einschließlich
thermischer Expansion aufzunehmen. Bei der derzeit besten Ausführungsform
ist die Breite des Spalts in der Größenordnung von etwa 0,04 inches
(1 mm); es kann jedoch jede geeignete Spaltbreite verwendet werden.
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Unter
der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform 28 ist
eine Anordnung aus einem Dämpfer 40 und
einer Dichtung 42 positioniert. Der Dämpfer 40 ist ein festes
Element, das dazu ausgelegt ist, Laufschaufel-zu-Laufschaufel-Vibration
zu reduzieren, was dementsprechend individuelle Laufschaufelvibration
reduziert. Der Dämpfer 40 sorgt
auch für Halt
für die
Dichtung 42. Der Dämpfer 40 ist
so positioniert, dass er den Spalt zwischen der Plattform 28 und
der benachbarten Laufschaufelplattform (nicht gezeigt) überspannt
und die radial inneren Oberflächen
der Plattformen kontaktiert. Die Form, das Gewicht und die Steifheit
des Dämpfers
sind so ausgewählt,
dass sie am besten für
die gewünschte
Reibungskraft auf die Plattformen für ein solches Dämpfen sorgen.
Für maximale
Effektivität
ist der Dämpfer im
allgemeinen in einer Richtung der Scheibenmittellinie, d. h. der
axialen Richtung, verlängert.
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Die
Dichtung 42 ist ein flexibles Element, typischerweise aus
dünnem
Metallblech gefertigt, das dazu ausgelegt ist, Leckage zu reduzieren.
Die Dichtung ist radial einwärts
des Dämpfers
positioniert, über
den Spalt zwischen der Plattform 28 und der benachbarten
Laufschaufelplattform (nicht gezeigt) hin, unter und in der Nähe der radial
inneren Oberflächen der
Plattformen. Die Form der Dichtung entspricht im allgemeinen derjenigen
des Bereichs der Oberfläche, mit
der sie abdichten soll. Wie veranschaulicht, sind der Dämpfer 40 und
die Dichtung 42 radial durch das Paar von Auskragungen 64 an
dem Hals 65 der Laufschaufel 10 gehalten, es kann
jedoch auch jedes andere geeignete Mittel, das den mit dem Stand
der Technik vertrauten Fachleuten bekannt ist, zum Halten des Dämpfers 40 und
der Dichtung 42 an Ort und Stelle verwendet werden. Der
Dämpfer 40 und
die Dichtung 42 sind hierin weiter unten in genaueren Einzelheiten
beschrieben.
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Bezugnehmend
nun auf 2, in einer Seitenansicht der
Druckseite der Rotorlaufschaufel 10 und der Anordnung aus
Dämpfer 40 und
Dichtung 42, hat die radial innere Oberfläche 30 der
Laufschaufelplattform 28 einen Dämpfungsbe reich 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 jede geeignete, den mit dem Stand der Technik vertrauten
Fachleuten bekannte Kontur aufweisen, einschließlich, aber nicht begrenzt
darauf, einer gewogenen Oberfläche
mit großem
Radius. Der Übergangsbereich 46 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform befindet sich zwischen dem Dämpfungsbereich 44 und
dem Dichtungsbereich 48, wo sich die Kontur der radial
inneren Oberfläche 30 von derjenigen
des Dämpfungsbereichs 44 zu
derjenigen des Dichtungsbereichs 48 ändert. Hauptsächlich aus diesem
Grund tritt keine Dämpfung
und keine Abdichtung in dem Übergangsbereich 46 auf.
Der Übergangsbereich 46 weist
einen stromaufwärtigen
und einen stromabwärtigen
Ausrundungsauslauf auf, die als Ecken gezeigt sind und eine im wesentlichen
bogenartige Kontur haben und eine Biegung von etwa 90 Grad mit einem
Radius schaffen; der Übergangsbereich 46 kann
jedoch jede andere, den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten
bekannte Kontur aufweisen. Der Dichtungsbereich 48 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform befindet sich dort, wo eine Dichtung gegen Leckage angestrebt wird.
Der Druck auf die radial äußere Oberfläche 28 der
Plattform 28 ist allgemein größer als derjenige auf die radial
innere Oberfläche 30.
Bei der Laufschaufel 10 ist die Größe dieses Druckdifferenzials
vergleichsweise groß in
der Nähe
der Plattformhalterungen. Wie gezeigt ist dementsprechend der Dichtungsbereich 48 an
den innenseitigen Oberflächen
der Plattformhalterungen 36, 38 positioniert;
die Dichtungsoberfläche 48 kann
jedoch jede geeignete Position und Kontur haben, die den mit dem
Stand der Technik vertrauten Fachleuten bekannt ist.
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Der
Dämpfer 40 weist
einen Hauptkörper 50 und
ein Paar von verlängerten
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
Kombination mit dem Gewicht des Dämpfers 40 sorgen für die Reibungskraft,
die nötig
ist zum Dämpfen
von Vibration. Die Laufschaufelvibration weist ein breites Spektrum
von Vibrationsfrequenzkomponenten auf. Die Frequenzkomponente bei
der Eigenresonanzfrequenz der Laufschaufeln hat die größte Amplitude.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Dämpfer 40 hauptsächlich wirksam
zum Dämpfen
der ersten Grundschwingung der Eigenresonanzfrequenz der Laufschaufeln,
es kann jedoch jede geeignete Dämpfungseigenschaft
verwendet werden.
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Allgemein
wird gleichmäßiger Kontakt
zwischen den Oberflächen 44, 54 angestrebt.
Um einen solchen Kontakt aufrecht zu erhalten, sollten sich der Hauptkörper 50 des
Dämpfers
und die Dämpfungsoberfläche 54 nicht
in den Übergangsbereich 46 der radial
inneren Oberfläche 30 der
Plattform erstrecken. Dies liegt hauptsächlich an physikalischen Toleranzen
der Oberflächen.
Dementsprechend sind die Abmessungen der Dämpfungsoberfläche 54 hauptsächlich durch
Merkmale der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform
beschränkt.
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Die
verlängerten
Enden 52 haben jeweils ein proximales Ende, das in den
Hauptkörper 50 übergeht,
und ein distales freies Ende, welches frei ist. Zwischenräume 55 zwischen
den verlängerten
Enden 52 und dem Übergangsbereich 46 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform 28 verhindern eine Behinderung zwischen diesen
Teilen, um gleichmäßigen, durchgehenden
Kontakt zwischen der Dämpfungsoberfläche 54 und
dem Dämpfungsbereich 44 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform zu ermöglichen.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist eines der verlängerten
Enden 52 stromaufwärts
und das andere ist stromabwärts,
wodurch der Dämpfer 40 in
der axialen Richtung, d. h. der Richtung von der Vorderkante 32 zu
der Hinterkante 34 der Plattform, verlängert wird. Die verlängerten
Enden 52 sind vorzugsweise sich verjüngend ausgebildet, um Belastung
aufzunehmen, wobei sie sich von dem proximalen Ende zu dem distalen
Ende graduell in der Dicke verringern. Diese Verjüngung ermöglicht den
verlängerten
Enden 52 auch, sich grob über die halbe Strecke durch
den Übergangsbereich 46 zu
erstrecken, wobei die Zwischenräume 55 beibehalten
werden. In der bevorzugten Ausführungsform
sind die distalen Enden der verlängerten
Enden 52 verrundet. Es ist den mit dem Stand der Technik
vertrauten Fachleuten jedoch ersichtlich, dass die verlängerten
Enden 52 irgendeine andere Orientierung und Form, die geeignet
angepasst ist, um die Dichtung 42 zu halten, haben können, um
Kontakt mit der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform
zu vermeiden und die Belastungsverteilung aufzunehmen. Obwohl die
in der veranschaulichten Ausführungsform
gezeigten verlängerten
Enden 52 ähnlich
erscheinen, brauchen die verlängerten
Enden ferner keine solche Ähnlichkeit
aufweisen.
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Der
Dämpfer 40 weist
eine radial innere Stützoberfläche 56 auf,
die die Dichtung 42 stützt.
In der veranschaulichten Ausführungsform
erstreckt sich die Stützoberfläche 56 über die
Länge des Dämpfers 40 entgegengesetzt
der Dämpfungsoberfläche 54.
Als solches besteht ein wesentlicher Anteil der Stützoberfläche 56 aus
den verlängerten
Enden 52 und ermöglicht
der Stützoberfläche 56 so,
eine bessere Abstützung
für die
Dichtung zu schaffen als diejenige, die durch den Hauptkörper 50 alleine
erzeugt wird. Die Kontur der Stützoberfläche 56 sollte angepasst
sein, die gewünschte
Stützung
für die Dichtung 52 in
der speziellen Anwendung zu erzeugen. In der veranschaulichten Ausführungsform
ist die Stützoberfläche 56 im
wesentlichen planar. Es ist jedoch ersichtlich, dass jede andere
geeignete Form, Position, Größenverhältnis und
Kontur für
die Stützoberfläche 56 ebenfalls
verwendet werden kann. Der Dämpfer
weist ferner ein Paar von Noppen 58 auf, die dazu ausgelegt
sind, den Dämpfer 40 in
Bezug auf die benachbarte Rotorlaufschaufel (nicht gezeigt) richtig
positioniert zu halten.
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Der
Dämpfer
sollte aus einem Material bestehen und sollte mittels eines Verfahrens
hergestellt sein, welche für
die hohe Temperatur, den hohen Druck und die hohe Zentrifugalkraft,
wie sie innerhalb der Turbine angetroffen werden, geeignet sind.
Bei der derzeit besten Ausführungsform
wurden ein Kobaltlegierungsmaterial, amerikanische Metallspezifikation
(AMS) 5382, und eine Herstellung durch Gießen als geeignet für die Hochdruckturbinenbedingungen
herausgefunden; es können
jedoch auch jedes andere geeignete Material und jedes andere geeignete
Herstellungsverfahren, die den mit dem Stand der Technik vertrauten
Fachleuten bekannt sind; verwendet werden.
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Die
Dichtung hat einen abgestützten
Bereich 60, in physikalischem Kontakt mit der Stützoberfläche 56 des
Dämpfers,
und ein Paar von Dichtungsbereichen 62. Die Dichtungsbereiche 62 sind
dazu ausgelegt, Dichtungen gegen den Dichtungsbereich 48 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform zu bilden. Jeder der Dichtungsbereiche hat ein proximales Ende,
der in den Abstützbereich 60 übergeht,
und ein distales Ende, das vorzugsweise frei ist. Die Formen des
abgestützten
und der dichtenden Bereiche 60, 62 entsprechen
eng denjenigen jeweils der Stützoberfläche 56 des
Dämpfers
und des Dichtungsbereichs 48 der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist der abgestützte Bereich 60 im
wesentlichen planar und der Dichtungsbereich 62 entspricht
eng der inneren Oberfläche
der Plattformabstützungen 36, 38.
Es wird eine bogenartige Biegung an dem Übergang zwischen dem abgestützten Bereich 60 und
dem Dichtungsbereich 62 bevorzugt.
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Die
veranschaulichte Form ermöglicht
der Dichtung 42, radiale Abstützung von dem Dämpfer 40 zu
erhalten und für
eine Dichtung gegen Leckage zu sorgen. Es soll angemerkt werden,
dass bei der veranschaulichten Ausführungsform die Dichtungsbereiche
der Dichtung durch Zentrifugalkraft in enge Nähe zu den Dichtungsoberflächen der
Plattform gedrängt
werden. Es kann jedoch auch jede andere, den mit dem Stand der Technik
vertrauten Fachleuten bekannte Form, die geeignet angepasst ist,
um die gewünschte
Dichtung zu erzeugen, verwendet werden. Obwohl die Dichtungsbereiche 62,
die in der veranschaulichten Ausführungsform gezeigt sind, ähnlich erscheinen,
brauchen die Dichtungsbereiche ferner keine solche Ähnlichkeit
aufweisen.
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Die
Dichtung sollte aus einem Material bestehen und sollte durch ein
Verfahren hergestellt sein, welche für die hohe Temperatur, den
hohen Druck und die hohe Zentrifugalkraft, die in der Turbine angetroffen
werden, geeignet sind. Die Dichtung 42 weist typischerweise
ein dünnes
Metallblech auf, um der Dichtung zu ermöglichen, sich zu biegen, um mit
dem Dichtungsbereich 48 der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform übereinzustimmen.
In der derzeit besten Ausführungsform
weist die Dichtung 42 ein Kobaltlegierungsmaterial, amerikanische Metallspezifikation
(AMS) 5608, auf und ist durch einen Laser in ein ebenes Muster geschnitten.
Dann werden eine Stanze und ein Matrize verwendet, um den Rest der
Form der Dichtung 42 zu bilden. Es kann jedoch jedes andere
geeignete Material und jedes andere geeignete Herstellungsverfahren
verwendet werden, das den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten
bekannt ist.
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Die 3 und 4 veranschaulichen
weitere Einzelheiten des Dämpfers 40.
Bezugnehmend nun auf die 3 und 4 in Draufsicht
und in perspektivischer Seitenansicht des Dämpfers 40 der bevorzugten
Ausführungsform
ist das Paar von Noppen 58 an einer konkaven Seite 68 des
Dämpfers 40 angeordnet.
Der Dämpfer 40 weist
auch ein konvexe Seite 59 auf, der die konkave Seite 16 (1)
der Rotorlaufschaufel 10 berührt. Die mit dem Stand der Technik
vertrauten Fach leute sollten jedoch erkennen, dass der Dämpfer 40 eine
gekrümmte
Form hat, um die Laufschaufel 10 aufzunehmen, unter Erwägungen,
die für
die vorliegende Erfindung nicht relevant sind.
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Die
Einbeziehung der verlängerten
Enden 52 in die Dämpfer-Dichtung-Konfiguration
der vorliegenden Erfindung schafft eine größere Abstützung der Dichtung 42,
um eine unerwünschte
Dichtungsdeformation unter Bedingungen von Zentrifugalkraftbelastung
zu reduzieren. Dies verbessert die Effektivität der Dichtung 42 und
reduziert so Gasleckage und verbessert die Effizienz der Turbine.
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Die
Einbeziehung der verlängerten
Enden 52 kann auch die Dämpferfunktion verbessern. Da
das Gewicht des Dämpfers 40 das
Gewicht des Hauptkörpers 50 und
der verlängerten
Enden 52 einschließt,
ermöglicht
die Einbeziehung der verlängerten
Enden 52 eine größere Gewichtsverteilungsflexibilität und eine
gleichmäßigere Verteilung
der Dämpferreibungskraft
zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln. So, wie er kommerziell
ausgeführt
sein wird, ist z. B. das Gewicht des Dämpfers der veranschaulichten
Ausführungsform
im wesentlichen dasselbe wie dasjenige eines herkömmlichen
Dämpfers. Ohne
die verlängerten
Enden übte
der Dämpfer
jedoch keine Reibungskraft gleicher Stärke auf die zwei benachbarten
Laufschaufeln aus. Durch die Hinzufügung der verlängerten
Enden gibt es mehr Flexibilität
beim Design des Dämpfers,
um am besten für
die gewünschte
Dämpfung
zu sorgen. Der vorliegende Dämpfer
ist axial länger,
schmaler von Seite zu Seite und dicker von der Dämpfungsoberfläche zu der
Stützoberfläche als
der vorherige Dämpfer.
Als Ergebnis ist die durch den vorliegenden Dämpfer bereitgestellte Reibungskraft
gleichmäßiger zwischen den
zwei benachbarten Laufschaufeln aufgeteilt. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
sorgt dies für
verbesserte Vibrationsdämpfung
verglichen mit derjenigen, bei der die Reibungskraft nicht gleichmäßig verteilt
ist.
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Die
Dichtung der bevorzugten Ausführungsform
der Dämpfer-Dichtung-Konfiguration
der vorliegenden Erfindung ist in den 5, 6 veranschaulicht.
Bezugnehmend nun auf die 5, 6 jeweils
in Draufsicht und Seitenansicht der Dichtung 42 in der
bevorzugten Ausführungsform
hat die Dichtung 42 einen Vorsprung 70. Der Vorsprung 70 ist dazu
angepasst, ein physikalisches Hindernis zu bilden, wenn der Dämpfer und
die Dichtung in umgekehrter Relation zueinander installiert werden,
z. B. mit der Dichtung 42 zwischen dem Dämpfer 40 und der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform, aber nicht, wenn der Dämpfer und die Dichtung richtig
installiert sind. Bei einer solchen falschen Installation ermöglicht das
Hindernis dem Dämpfer
und der Dichtung nicht, in die Anordnung zu passen. Der Vorsprung 70 verhindert
somit falschen Zusammenbau.
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Bei
der veranschaulichten Ausführungsform ist
der Vorsprung ein geformter Fortsatz mit einer Hauptoberfläche 72,
die sich von dem Abstützbereich 60 erstreckt
und zu diesem im wesentlichen rechtwinklig ist. Die Richtung, in
der der Vorsprung 70 von dem Stützbereich 60 ragt,
ist im allgemeinen entgegengesetzt der Richtung der Dichtungsbereiche 62.
Wenn die Dichtung zwischen dem Dämpfer
und der radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform (1, 2) falsch
installiert wird, bildet der Vorsprung 70 ein Hindernis,
welches dem Dämpfer
und der Dichtung nicht ermöglicht,
zwischen die radial innere Oberfläche 30 und das Paar
von Auskragungen 64 (2) zu passen,
wodurch falscher Zusammenbau vermieden wird. Dies verbessert die
Effektivität des
Dämpfers
und der Dichtung und verbessert die Zuverlässigkeit der Turbine.
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Die
Höhe des
Vorsprungs 70 über
die Stützoberfläche 60 ist
geringer als die Dicke des Dämpfers 40.
Wenn der Dämpfer
und die Dichtung in richtiger Beziehung zueinander installiert sind,
stört dementsprechend
der Vorsprung 70 nicht den Kontakt zwischen der Dämpfungsoberfläche 54 des
Dämpfers 40 und
dem Dämpfungsbereich 44 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform. Es ist den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten
jedoch ersichtlich, dass der Vorsprung 70 jede geeignete
Form haben kann, die ihm erlaubt, ein Hindernis zu bilden, wenn
die Dämpfer-Dichtung-Konfiguration
nicht richtig installiert ist, einschließlich, aber nicht beschränkt auf,
eine zylindrische Form. Bei der veranschaulichten Ausführungsform
ist der Vorsprung 70 mit dem Stützbereich 60 integral
und ist als Teil des oben beschriebenen Laserschneid-, Stanz- und
Matrize-Prozesses ausgebildet und erhöht somit die Kosten der Dichtung 42 nicht
wesentlich; es kann jedoch jedes andere geeignete Verfahren zum
Bilden und Anbringen des Vorsprungs 70 an der Dichtung 42 verwendet
werden.
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Die
mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleute sollten auch erkennen,
dass die Dichtung 42, wie der Dämpfer 40, eine gekrümmte Form
hat, um die Lauf schaufel 10 unter Erwägungen aufzunehmen, die für die vorliegende
Erfindung nicht relevant sind.
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Die
Position der Dichtung und des Dämpfers sind
in 7 veranschaulicht. Bezugnehmend nun auf 7 weist
die Laufschaufel 10 vor der Installation der Dichtung 42 in
die Laufschaufel 10 ferner ein Paar von Abstandhaltern 74 auf.
Das Paar von Abstandhaltern 74 ist dazu ausgelegt, zu helfen,
den Dämpfer 40 (1, 2)
und die Dichtung 42 in der richtigen Position im Bezug
auf die Laufschaufel 10, d. h., die radial innere Oberfläche 30 der
Plattform und den Hals 65, zu halten. Die Abstandhalter 74 halten
die Dichtung 42 jedoch nicht in der richtigen axialen Position,
d. h. von der Vorderkante 32 der Plattform zu der Hinterkante 34 der
Plattform. Infolge dessen wurde ein Positionierungselement 76 in
der Stützoberfläche 60 der
Dichtung 42 hinzugefügt. Wenn
die Dichtung 42 mit dem Positionierungselement 76 in
der Laufschaufel 10 installiert ist, koppelt das Positionierungselement 76 mit
den Beabstandungselementen 74, und die Kombination hält die Dichtung 42 in
der gewünschten
axialen Position. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist das Positionierungselement 76 eine
Kerbe oder eine bogenförmige
Ausnehmung, die eine im allgemeinen gekrümmte rechteckige Form hat (5)
und beide Seiten des Vorsprungs 70 überspannt. Diese Form ist dazu
angepasst, richtig mit den Abstandselementen 74, die an
der konkaven Oberfläche
des Halses 65 positioniert sind, zu koppeln. Es ist ersichtlich,
dass das Positionierungselement 76 geeignet ausgelegt sein
kann, um mit jeder Beabstandungskonfiguration oder einem anderen
Merkmal an der Laufschaufel 10, das ein Arretierungselement
für das
Positionierungselement bilden kann, zu wirken. Es sollte auch ersichtlich
sein, dass das Positionierungselement 76 anstatt einer
Kerbe ein Fortsatz sein könnte,
der zwischen die Abstandselemente 74 passt. Bei der veranschaulichten
Ausführungsform
ist das Positionierungselement 76 in der Stützoberfläche 60 als
Teil des oben beschriebenen Laserschneid-, Stanz- und Matrize-Prozesses
ausgebildet und erhöht
daher die Kosten der Dichtung 42 nicht wesentlich, es könnte jedoch
jedes andere geeignete Verfahren zum Bilden des Positionierungselements 76 verwendet
werden.
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Das
Positionierungselement 76 in der Dichtung 42 sorgt
für verbesserte
axiale Ausrichtung der Dichtung 42 mit dem Dichtungsbereich 48 der
radial inneren Oberfläche 30 der
Plattform. Eine verbesserte Ausrichtung führt zu verbesserter Dichtungseffektivität, verringerter
Leckage und verbesserter Turbineneffizienz.
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Obwohl
der Dämpfer
der vorliegenden Erfindung derart offenbart ist, dass er ein Paar
von verlängerten
Enden hat, sollte den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten
ersichtlich sein, dass einige Anwendungen nur ein solches verlängertes
Ende erfordern, wohingegen andere mehr als zwei solche verlängerten
Enden erfordern können.
Obwohl die Dichtung der vorliegenden Erfindung derart offenbart ist,
dass sie Dichtungsbereiche 62 hat, sollte den mit dem Stand
der Technik vertrauten Fachleuten in ähnlicher Weise ersichtlich
sein, dass einige Anwendungen nur einen solchen Dichtungsbereich
erfordern und andere mehr als zwei solche Dichtungsbereiche erfordern
können.
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Die
mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleute sollten auch erkennen,
dass die vorliegende Erfindung geeignet angepasst sein kann für andere
Turbinenanwendungen einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf, andere Hochdruckturbinenanwendungen, obwohl die veranschaulichte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bei einer Anwendung der Hochdruckturbine
der zweiten Stufe verwendet werden soll. Obwohl das Dämpfungssystem für Niederdruckturbinenanwendungen
typischerweise eine Dämpfung
mit einem Spitzenwirbelelement aufweist, sollte den mit dem Stand
der Technik vertrauten Fachleuten ferner ersichtlich sein, dass
die vorliegende Erfindung auch für
Niederdruckturbinenanwendungen geeignet angepasst sein kann.
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Obwohl
der Dämpfer
und die Dichtung als eine Kombination offenbart sind, sollte schließlich offensichtlich
sein, dass der Dämpfer
auch ohne die Dichtung verwendet werden kann und dass die Dichtung
ohne den Dämpfer
verwendet werden kann.
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Obwohl
die spezielle Erfindung unter Bezugnahme auf eine spezielle bevorzugte
Ausführungsform
beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht beschränkend ausgelegt
werden. Es ist verständlich,
dass verschiedene Modifikationen der bevorzugten Ausführungsform
sowie zusätzliche
Ausführungsformen
der Erfindung mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten bei
Bezugnahme auf diese Beschreibung ersichtlich sind, ohne vom Umfang
der hieran angehängten
Ansprüche
abzuweichen.