EP1898050B1

EP1898050B1 - Dämpfungs- und Dichtungssystem für Turbinenschaufeln

Info

Publication number: EP1898050B1
Application number: EP07112566A
Authority: EP
Inventors: Richard Whitton
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-07-16
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2027-07-16
Also published as: EP1898050A3; EP1898050A2; US20090136350A1; DE102006041322A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Dämpfungs- und Dichtungssystem für Turbinenschaufeln, mit einem zwischen gegenüberliegenden Flächen benachbarter Plattformen der am Rotor angebrachten Schaufeln eines Gasturbinentriebwerks unter Fliehkraftwirkung gehaltenen, ein gerades dreiseitiges Prisma mit gleich großen Seitenflächen bildenden Dichtungs- und Dämpfungselement.
Gasturbinentriebwerke haben Rotorscheiben mit an deren Umfang montierten, sich radial erstreckenden Schaufeln, bestehend aus einem Schaufelfuß, einer Plattform und einem Schaufelblatt. Es besteht einerseits die Notwendigkeit, den zwischen aneinander grenzenden Kanten benachbarter Plattformen verbleibenden schmalen Spalt abzudichten, um den Gasaustausch zwischen Heißgas und Kühlluft zu minimieren, und andererseits die Vibrationen zwischen der Rotorscheibe und den Schaufeln sowie zwischen den Schaufeln selbst zu dämpfen.
Seit langem sind bereits zwischen den Schaufelplattformen angeordnete Dichtungselemente bekannt, die im Querschnitt speziell auf die Form des zwischen den Plattformen verbleibenden Raumes ausgebildet sind und in einer speziellen Ausrichtung in diesen Raum eingesetzt werden müssen. Dementsprechend aufwendig ist die Montage und eine falsche Ausrichtung des Dichtungselements schränkt dessen Dichtungs- und Dämpfungswirkung erheblich ein. Außerdem erfordert die genau aufeinander abgestimmte Form von Dichtungselement und Plattformspalt einen erheblichen Fertigungsaufwand.
Zur Lösung dieses Problems wird in der US 4 872 812 ein Dichtungs- und Dämpfungselement mit sich um seine Längsachse erstreckenden ebenen Seitenflächen vorgeschlagen, dessen Querschnittsfläche die Form eines gleichschenkligen Dreieckes hat, das heißt, als dreiseitiges Prisma mit gleich großen Seitenflächen ausgebildet ist. Aufgrund der regelmäßigen Querschnittsform kann sich das Dichtungs- und Dämpfungselement unabhängig von seiner bei der Montage erzielten Ausrichtung unter der Wirkung der Fliehkraft mit jeweils zwei Seitenflächen an die jeweiligen Seitenkanten der benachbarten Plattformen anlegen, um den Spalt abzudichten und Vibrationen der betreffenden Schaufeln zu dämpfen. Eine hohe Dichtungs- und Dämpfungswirkung setzt jedoch enge Fertigungstoleranzen und damit einen hohen Fertigungsaufwand in Bezug auf die ebene Ausbildung der beiderseitigen Berührungsflächen voraus. Die Dichtungs- und Dämpfungswirkung kann zudem durch Verschleiß an den ebenen Berührungsflächen vermindert werden.
Zur Senkung des Fertigungs- und Montageaufwandes wurden bereits Dichtungs- und Dämpfungselemente mit kreisförmiger Querschnittsfläche vorgeschlagen, die sich in jeder Ausrichtung unter der Wirkung der Fliehkraft an die Seitenkanten der beiden benachbarten Plattformen anlegen. Es wurde jedoch festgestellt, dass runde Dichtungs- und Dämpfungselemente relativ schnell verschleißen, so dass die Dichtungs- und Dämpfungswirkung nachlässt und die Dichtungs- und Dämpfungselemente mit erheblichem Aufwand ausgetauscht werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungs- und Dämpfungssystem für Turbinenschaufeln anzugeben, das eine hohe Dichtungs- und Dämpfungswirkung aufweist und eine geringen Montage- und Reparaturaufwand erfordert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Dichtungs- und Dämpfungssystem gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Kern der Erfindung ist die Ausbildung eines als dreiseitiges Prisma ausgebildeten Dichtungs- und Dämpfungselements mit konvex gewölbten Seitenflächen, die im Betrieb eine leichte Schwenkbewegung des Dichtungselements erlauben und somit als vergrößerte Reibflächen wirken. Die dadurch verstärkte Reibung hat eine verbesserte Schwingungsdämpfung zur Folge. Der reibungsbedingte Verschleiß führt zu einer gegenseitigen Anpassung der miteinander in Verbindung stehenden Berührungsflächen. Dadurch werden Fertigungstoleranzen ausgeglichen und eine weiter verbesserte Schwingungsdämpfung und Dichtwirkung erzielt. Durch die selbsttätige gegenseitige Anpassung der Dicht- bzw. Reibflächen werden Fertigungsungenauigkeiten ausgeglichen. Der reibungsbedingt auftretende Verschleiß kann konstruktiv berücksichtigt werden. Der Fertigungs- und Reparaturaufwand ist daher gering.
Die gegenüber liegenden Dichtfläche der benachbarten Schaufelplattformen bilden einen spitzwinkligen Spalt, in den das Dichtungs- und Dämpfungselement unter der Wirkung der Fliehkraft selbsttätig gedrückt wird und mit zwei gewölbten Reibflächen an den Spaltflächen anliegt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Teilansicht einer Gasturbine mit an einer Rotorscheibe angebrachter Turbinenschaufel; und
Fig. 2: einen Schnitt AA nach Fig. 1 mit einem zwischen zwei Schaufeln angeordneten Dichtungs- und Dämpfungselement.

Gemäß Fig. 1 ist zwischen zwei in Strömungsrichtung im Abstand angeordneten Statorschaufeln 1 ein Rotor 2 mit am Umfang einer Rotorscheibe 3 angebrachten Turbinenschaufeln 4, bestehend aus einem Schaufelfuß 5, einer Schaufelplattform 6 und einem Schaufelblatt 7, angeordnet. In der in Fig. 2 wiedergegebenen detaillierten Darstellung sind zwei aneinander grenzende Plattformen 6a, 6b von benachbarten Turbinenschaufeln 4 zu erkennen. Die in der Zeichnung rechte Plattform 6a weist eine Ausnehmung 8 auf, in der ein Dichtungs- und Dämpfungselement 9 lose gehalten ist. Der offenen Seite der Ausnehmung 8 liegt - unter Freilassen eines sehr schmalen Spaltes 10 eine ebene, im Wesentlichen senkrechte Plattformkante 11 der anderen Plattform 6b gegenüber und verhindert ein Herausfallen des Dichtungs- und Dämpfungselements 9 aus der Ausnehmung 8. Die Ausnehmung 8 weist eine schräg nach oben verlaufende Dichtfläche 12 auf. Das Dichtungs- und Dämpfungselement 9 ist ein gerades Bauteil mit dem Querschnitt eines gleichseitigen Dreiecks, jedoch mit gerundeten Längskanten 13 und mit zwischen den Längskanten 13 konvex gewölbten - ballig ausgebildeten - Reibflächen 14 (Dichtungs- und Dämpfungsflächen, Seitenflächen).
Das im Ruhezustand lose in der Ausnehmung 8 liegende Dichtungs- und Dämpfungselement 9 legt sich aufgrund der Fliehkraft während der Rotation des Rotors 2 mit seinen konvex gewölbten Reibflächen 14 an die senkrechte Plattformkante 11 und an die schräge Dichtfläche 12 an. Eine Rotation des Dichtungs- und Dämpfungselements 9 um seine Längsachse ist daher nicht möglich. Aufgrund der Wölbung und der rotationssymmetrischen Anordnung der gewölbten Reibflächen 14 um eine Längsachse sind jedoch kleine Schwenkbewegungen des Dichtungs- und Dämpfungselements 9 um die Längsachse möglich, so dass die gewölbten Reibflächen 14 an den Berührungsflächen mit der Plattformkante 11 und der schrägen Dichtfläche 12 noch durch Verschleiß bearbeitet und geringfügig abgeflacht werden und somit zum einen der tatsächliche Reibbereich vergrößert und zum anderen an das Plattformdesign anpasst und fertigungsbedingte Unterschiede in der Geometrie ausgeglichen werden. Darüber hinaus werden auch der Reibbereich und die Reibung durch die in geringem Maß möglichen Schwenkbewegungen des Dichtungs- und Dämpfungselements erhöht. Der durch die Reibung an den gewölbten Reibflächen 14 und an den Berührungsflächen mit den beiden gegenüberliegenden Plattformen bewusst bewirkte Verschleiß ist im Voraus bestimmbar und wird bei der Schaufelkonstruktion berücksichtigt. Im Zusammenspiel der zuvor erwähnten Wirkungen wird eine optimale Reibfläche geschaffen und infolge hoher Reibung eine maximale Dämpfung und schließlich auch eine verbesserte Dichtung erreicht, jedoch ohne dass das Dichtungs- und Dämpfungselement unkontrolliert oder durch ständige Rotation vorzeitig verschleißen kann. Der Fertigungs- und der Montage- bzw. Reparaturaufwand werden verringert.

Bezugszeichenliste

1: Statorschaufel
2: Rotor
3: Rotorscheibe
4: Turbinenschaufeln
5: Schaufelfuß
6: Plattform
6a: rechte Plattform
6b: linke Plattform
7: Schaufelblatt
8: Ausnehmung
9: Dichtungs- und Dämpfungselement
10: Spalt
11: gerade, senkrechte Plattformkante
12: schräge Dichtfläche
13: gerundete Längskanten
14: Reibfläche, gewölbte Seitenfläche

Claims

Dämpfungs- und Dichtungssystem für Turbinenschaufeln, mit einem zwischen gegenüberliegenden Flächen (11, 12) benachbarter Plattformen (6a, 6b) der am Rotor angebrachten Schaufeln (4) eines Gasturbinentriebwerks unter Fliehkraftwirkung gehaltenen, ein gerades dreiseitiges Prisma mit gleich großen Seitenflächen (14) bildenden Dichtungs- und Dämpfungselement (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen des Dichtungs- und Dämpfungselements (9) zur Erzielung einer leichten Schwenkbewegung und Erhöhung der Reibwirkung als konvex gewölbte Reibflächen (14) ausgebildet sind.
Dämpfungs- und Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Flächen (11, 12) einen das Dichtungs- und Dämpfungselement (9) lose fixierenden keilförmigen, spitzwinkligen Spalt (10) bilden.
Dämpfungs- und Dichtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (10) durch eine gerade Plattformkante (11) der einen Plattform (6b) und durch eine schräge Dichtfläche (12) in einer Ausnehmung (8) der anderen Plattform (6a) gebildet ist.
Dichtungs- und Dämpfungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längskanten des Dichtungs- und Dämpfungselements (9) gerundet sind.