EP2372093B1 - Dichtstruktur an einem Deckband einer Turbinenlaufschaufel - Google Patents

Dichtstruktur an einem Deckband einer Turbinenlaufschaufel Download PDF

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EP2372093B1
EP2372093B1 EP11159847.0A EP11159847A EP2372093B1 EP 2372093 B1 EP2372093 B1 EP 2372093B1 EP 11159847 A EP11159847 A EP 11159847A EP 2372093 B1 EP2372093 B1 EP 2372093B1
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EP
European Patent Office
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distance
shroud
side edge
longitudinal axis
turbine blade
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EP2372093A1 (de
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Andre Saxer
Igor Tsypkaykin
Ulrich Rathmann
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
    • F01D11/125—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material with a reinforcing structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/26—Antivibration means not restricted to blade form or construction or to blade-to-blade connections or to the use of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape

Definitions

  • the invention relates to a device on a shroud provided on a turbine blade tip, with a radially to the axis of rotation about which the turbine blade is rotatably disposed, the shroud locally superior, ridge-like trained sealing structure having an oriented in the direction of rotation of the turbine blade longitudinal extent, itself has tapered with increasing radial distance to the shroud and one of the turbine blade radially facing away, flat-shaped end face.
  • Turbine blades are usually provided with a shroud at their turbine blade tips which provides a vibration reducing effect on the respective turbine blade and thus contributes to extending the life of the turbine blade.
  • a shroud at their turbine blade tips which provides a vibration reducing effect on the respective turbine blade and thus contributes to extending the life of the turbine blade.
  • at least one of the end-side shroud surface in the radial direction to the rotation axis frontally superior, rib-like sealing structure is provided, which extends in the direction of rotation to the rotational movement of the turbine blades along the shroud.
  • Such sealing structures serve primarily to reduce leakage flow that forms along the flow channel between the turbine blade tips and the stationary turbine housing and that does not contribute to the power gain of the turbine.
  • the foregoing sealing structures are based on abrasive materials and, by rotating the turbine blades and due to their radial superiority to the shrouds, into a turbine wall blade tip radially opposed abradable wall structure on the turbine housing, which is typically formed in a honeycomb structure, forming a circumferential direction extending, groove-shaped recess to be ground in such a way that although the end-side shroud surface includes a minimal gap with the wall structure, however, the rib-like sealing element protrudes almost accurately into the self-machined by the sealing element groove-shaped recess.
  • axial projection thus concludes each blade tip with its, engaging in the groove-shaped recess sealing structure for a flowing axially through the turbine gaseous working fluid largely gas-tight.
  • a cross-sectional shape is axially, that is, provided transversely to the direction of rotation, locally magnifying cutting structure on the cover band radially projecting rib-like sealing structure, which typically has a substantially constant cross-sectional shape in the longitudinal direction, on both axially opposite flanks of the sealing structure in the direction of rotation having facing cutting surfaces.
  • the axially projecting from the sealing structure cutting surfaces assets within the usually designed as a honeycomb structure abreibbaren turbine housing wall in comparison to the rest of the axial sealing structure width founded on the axial sealing structure width, so that the sealing structure can not fit over its entire length to the groove-shaped recess fit and thus by the resulting intermediate gap between the sealing structure and groove-shaped recess can form a metered adjustable leakage current.
  • the rib-like sealing structure provided on the shroud in the radial direction along the turbine blade usually does not coincide with the radial center of gravity of the turbine blade, whereby additional load moments occur, especially at high speeds and high process temperatures, in the connection area between the shroud and the turbine blade increased creep rates and ultimately lead to material failure.
  • Subject of the DE 10 2008 023 424 A1 is a method of extending the life of turbine blades equipped with a tip shroud and generic sealing devices by reducing their mechanical stress during operation.
  • cutting teeth arranged at one end are to be removed and replaced by centrally arranged cutting teeth, in particular arranged inside the blade leaf.
  • the invention has for its object to reduce the problem described above in the creation of larger-sized turbine blades and to optimize the area of the shroud with a sealing structure provided thereon, both in terms of their capacity and in terms of mass reduction.
  • it is necessary to look for measures by which reduces the operational stresses and strains occurring in the turbine blade tip area and thus ultimately the turbine blade life can be significantly increased.
  • the axial width of the sealing structure in the circumferential direction before the above central widening measures only 1/62 S ⁇ f3
  • the improved cutting effect is due to the cutting edges e1 and e2 facing in the direction of rotation, which serve as transition areas between the rib area narrow in the axial extent in the fifth embodiment Surface section with a web width f3 and the axially much wider formed third surface portion with an axial rib width f2 serve.
  • At least the cutting edges e1, e2 are coated with a surface-hard layer, such as, for example, Cr 2 C or CBN (cubic crystalline boron nitride).
  • a surface-hard layer such as, for example, Cr 2 C or CBN (cubic crystalline boron nitride).
  • the coating process is preferably carried out by means of a galvanic deposition, a plasma deposition, a spray deposition or by means of a welding or soldering operation.
  • FIG. 2 is a perspective view of the shroud D of a not further illustrated turbine blade shown for qualitative illustration of the solution formed sealing structure.
  • the sealing structure DS according to the invention is preferably connected in one piece to the shroud D and rises above the shroud D with side edges 1 'to 10' which correspond in each case to the side edges 1 to 10 bordering the end face St.
  • the cutting edge surfaces e1 'and e2' associated with the cutting edges e1 and e2 are provided with the surface hardening layer (11) for improving the cutting action.
  • the cut surface 10 ' may also be provided with a corresponding surface hard layer (11). In a particularly advantageous manner, however, all side edge surface with a corresponding coating, so in particular the end face St, be provided with the surface-hard layer.
  • a longitudinal extent S which corresponds to the oriented in the direction of rotation U shroud length.
  • a plurality of sealing structures DS formed in accordance with the invention can be arranged on the surface of a shroud D, so that they are preferably arranged next to one another in the circumferential direction.
  • the location corresponds to the in FIG. 1 Illustrated longitudinal axis L through the end face St of the solution formed according to rib-like sealing structure at the same time also the radial center of gravity plane of the turbine blade.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along in FIG FIG. 2 indicated section plane A shown.
  • the side edges 6 'and 7' each with the orthogonal to the shroud surface an angle ⁇ , ⁇ include, which may typically be in the range between 0.1 ° and 45 °. The same angle of inclination also applies to the side flanks 8 'and 9'.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view represented by a cutting contour.
  • a cutting contour it is necessary to provide the entire surface of the cutting contour with a hard surface layer 11. At the very least, it is necessary to coat those surface area of the cutting contour with the surface-hardened layer 11 which comes into engagement with the abradable material on the turbine housing wall.
  • an effective layer thickness Z of 0.1 mm to 4.5 mm on the cutting surface, which has at least one penetration depth P1, with which the cutting contour is able to penetrate into the abradable material.
  • the cutting depth P1 is about 0.5 mm to 15 mm.
  • the layer is thinned over a further region P2 which extends between P1 + 0.5 mm to 15 mm.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung an einem an einer Turbinenlaufschaufelspitze vorgesehenen Deckband, mit einer radial zur Drehachse, um die die Turbinenlaufschaufel drehbar angeordnet ist, das Deckband lokal überragenden, rippenzugartig ausgebildeten Dichtstruktur, die eine sich in Umlaufrichtung der Turbinenlaufschaufel orientierte Längserstreckung aufweist, sich mit zunehmendem radialen Abstand zum Deckband verjüngt und eine der Turbinenlaufschaufel radial abgewandte, eben ausgebildete Stirnfläche aufweist.
    • Stand der Technik
  • Turbinenlaufschaufeln sind zumeist mit einem Deckband an ihren Turbinenlaufschaufelspitzen versehen, das auf das jeweilige Turbinenlaufschaufelblatt eine schwingungsreduzierende Wirkung entfaltet und somit zur Verlängerung der Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel beiträgt. Zudem ist an den Deckbändern jeweils wenigstens eine die stirnseitige Deckbandoberfläche in radialer Richtung zur Drehachse stirnseitig überragende, rippenartig ausgebildete Dichtstruktur vorgesehen, die sich in Umlaufrichtung zur Rotationsbewegung der Turbinenlaufschaufeln längs des Deckbandes erstreckt.
  • Derartige Dichtstrukturen dienen in erster Linie zur Reduzierung von Leckageströmungen, die sich längs des Strömungskanals zwischen den Turbinenlaufschaufelspitzen und dem stationären Turbinengehäuse ausbilden und die nicht zum Leistungsgewinn der Turbine beitragen. Die vorstehenden Dichtstrukturen basieren auf abrasiven Materialien und vermögen es, sich durch Rotation der Turbinenlaufschaufeln und aufgrund ihrer radialen Erhabenheit gegenüber den Deckbändern in eine den Turbinenlaufschaufelspitzen radial gegenüberliegende abreibbare Wandstruktur am Turbinengehäuse, die typischerweise in Art einer Honigwabenstruktur ausgebildet ist, unter Ausbildung einer sich in Umlaufrichtung erstreckenden, nutförmigen Ausnehmung derart einzuschleifen, dass zwar die stirnseitige Deckbandoberfläche einen minimalen Spalt mit der Wandstruktur einschließt, jedoch das rippenartige Dichtelement nahezu passgenau in die durch das Dichtelement selbstständig herausgearbeitete nutförmige Ausnehmung hineinragt. In axialer Projektion schließt somit jede Laufschaufelspitze mit ihrer, in die nutförmige Ausnehmung eingreifenden Dichtstruktur für ein axial durch die Turbine strömendes gasförmiges Arbeitsmedium weitgehend gasdicht ab.
  • An Turbinenlaufschaufeln durchgeführte Schwingungsversuche zeigten jedoch, dass eine nahezu vollständige Unterbindung jeglicher Leckageströmungen zu stark ausgeprägten Schwingungsinstabilitäten längs der umlaufenden Turbinenlaufschaufelblätter führt.
    Derartige Schwingungen lassen sich jedoch deutlich reduzieren, sofern sich zwischen den Turbinenlaufschaufelspitzen und dem Turbinengehäuse eine Leckageströmung ausbilden kann.
  • Somit gilt es, nach einem möglichst ausgeglichenen Verhältnis zwischen beiden in Konkurrenz zueinander tretenden Erscheinungen zu suchen, um einerseits die verlustbehafteten Leckageströmungen und andererseits das Auftreten von strukturschwächenden Vibrationen zu minimieren.
  • Hierzu wird an der das Deckband radial überstehenden rippenartigen Dichtstruktur, die in Längserstreckung typischerweise über eine weitgehend gleichbleibende Querschnittsform verfügt, eine die Querschnittsform axial, das heisst, quer zur Umlaufrichtung, lokal vergrößernde Schneidstruktur vorgesehen, die an beiden sich axial gegenüberliegenden Flanken der Dichtstruktur in Umlaufrichtung zugewandte Schneidflächen aufweist. Die axial von der Dichtstruktur lokal abstehenden Schneidflächen vermögen innerhalb der zumeist als Honigwabenstruktur ausgebildeten abreibbaren Turbinengehäusewand im Vergleich zur übrigen axialen Dichtstrukturbreite eine breiter bemessene nutförmige Ausnehmung einzuprägen, so dass die Dichtstruktur nicht über ihre gesamte Längserstreckung an der nutförmigen Ausnehmung passgenau anzuliegen vermag und sich somit durch den sich ergebenden Zwischenspalt zwischen Dichtstruktur und nutförmiger Ausnehmung ein dosiert einstellbarer Leckagestrom ausbilden kann.
  • Hinzu kommt, dass die an dem Deckband vorgesehene rippenartige Dichtstruktur in radialer Richtung längs der Turbinenlaufschaufel zumeist nicht mit der radialen Schwerpunktsebene der Turbinenlaufschaufel zusammenfällt, wodurch zusätzliche Belastungsmomente auftreten, insbesondere bei hohen Drehzahlen und hohen Prozesstemperaturen, die im Verbindungsbereich zwischen dem Deckband und dem Turbinenlaufschaufelblatt zu erhöhten Kriechraten und letztlich zum Materialversagen führen können.
  • Zur Begegnung dieser Belastungsproblematik ist in der US 2004/0208743 A1 oder der EP 1 507 066 A2 vorgeschlagen worden, die an der rippenartigen Dichtstruktur vorgesehenen Schneidstrukturen weitgehend mittig zur Längsachse der rippenartigen Dichtstruktur anzuordnen, wobei die Schneidstruktur möglichst nahe an der radialen Schwerpunktslage der Turbinenlaufschaufel liegen sollte. Diese Maßnahme vermindert den Eintrag erhöhter Biegemomente und mechanischer Spannungen auf Schaufelblatt und Deckband, die eine außerhalb der Schwerpunktslage angeordnete zusätzliche Masse der Schneidstruktur anderenfalls hervorrufen würde. In Figur 3 der US-Anmeldung und in Figur 6 der genannten EP-Druckschrift ist je eine radiale Draufsicht auf die rippenartige Dichtstruktur relativ zum Deckband dargestellt, die mit zunehmendem radialen Abstand zum Deckband im Querschnitt eine V-förmige Verjüngung aufweist und die an den einander zugewandten Seitenflanken jeweils eine über die jeweilige Seitenflanke erhabene Schneidfläche aufweist, die in Längserstreckung zur rippenförmigen Struktur unterschiedliche gegeneinander versetzte Lagen einnehmen. Die aus der vorstehenden Druckschrift entnehmbare Kombination aus einer das Deckband einer Turbinenlaufschaufel radial überragenden rippenartigen Dichtstruktur und einer an der Dichtstruktur angebrachten Schneidstruktur, die möglichst nahe im Bereich der radialen Schwerpunktslinie der Turbinenlaufschaufel angebracht ist, vermag lediglich, bei Turbinenlaufschaufeln bis zu einer bestimmten Maximalgröße das betriebsbedingte Schwingungsverhalten und die damit verbundenen Materialbelastungen, insbesondere im Bereich der Laufschaufelspitze, positiv zu beeinflussen. Werden jedoch längere und damit größer bauende Turbinenlaufschaufeln erforderlich, deren Deckbänder ein erhebliches in Umlaufrichtung orientiertes Längenmaß annehmen, das gleichsam jenem der in Umlaufrichtung orientierten rippenartigen Dichtstruktur entspricht, die das Deckband vergleichbar einer Brücke oder eines Bogens überspannt, so treten in Radialrichtung beträchtliche Biegebelastungen auf, die zu hohen mechanischen Belastungen im Deckbandbereich führen. Um diesen unerwünscht hohen Biegebelastungen standzuhalten, bietet es sich allenfalls an, die rippenartige Dichtstruktur gemäß EP 1 507 066 A2 zu vergrößern, das heißt, Höhe und Breite zu vergrößern. Eine derartige Maßnahme führt jedoch zu einer erheblichen Massenzunahme sowie zu einer Verschlechterung der Einschleifeigenschaften der längs der rippenartigen Dichtstruktur vorgesehenen Schneidkonturen.
    Eine weitere Variante eines Spitzendeckbandes mit im Wesentlichen mittig angeordneten Schneidzähnen ist in US 2005/0129519 A1 offenbart.
  • Gegenstand der DE 10 2008 023 424 A1 ist ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer von mit einem Spitzendeckband und gattungsgemäßen Dichteinrichtungen ausgerüsteten Turbinenschaufeln, indem deren mechanische Beanspruchung während des Betriebs vermindert wird. Um diese Verminderung der mechanischen Beanspruchung zu erreichen, sollen an einem Ende angeordnete Schneidzähne entfernt und durch mittig angeordnete, insbesondere innerhalb des Schaufelblatts angeordnete Schneidzähne ersetzt werden.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorstehend beschriebene Problem bei der Schaffung von größer dimensionierten Turbinenlaufschaufeln zu vermindern und den Bereich des Deckbandes mit einer darauf vorgesehenen Dichtstruktur sowohl im Hinblick auf ihre Belastbarkeit als auch in Hinblick auf eine Massenreduzierung zu optimieren. Insbesondere gilt es, nach Maßnahmen zu suchen, durch die die im Turbinenschaufelspitzenbereich auftretenden, betriebsbedingten mechanischen Belastungen und Spannungen reduziert und damit letztlich die Turbinenlaufschaufellebensdauer signifikant erhöht werden kann.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche und der weiteren Beschreibung zu entnehmen, insbesondere unter Bezugnahme auf das illustrierte Ausführungsbeispiel.
  • Lösungsgemäß weist die rippenzugartig ausgebildete Dichtstruktur, die das Deckband einer Turbinenlaufschaufelspitze lokal in radialer Richtung zur Drehachse überragt, um die die Turbinenlaufschaufel drehbar angeordnet ist, die eine sich in Umlaufrichtung (U) der Turbinenlaufschaufel orientierte Längserstreckung (S) aufweist und sich mit zunehmendem radialen Abstand zum Deckband konisch verjüngt, eine der Turbinenlaufschaufel radial abgewandte, eben ausgebildete Stirnfläche St auf, die eine Grundflächenform besitzt, die in Figur 1 illustriert und in Umlaufrichtung U in fünf zusammenhängende Flächenabschnitte I bis V unterteilt ist, die sich längs einer in Umfangsrichtung U orientierten Längsachse L in der folgenden Weise erstrecken:
    • ein erster Flächenabschnitt I ist von zwei parallel zur Längsachse verlaufenden Seitenkanten 1, 2 begrenzt, die einen gegenseitigen Abstand f1 besitzen und von denen sich, gemessen von einer ersten Bezugsebene B1, die die Längsachse L orthogonal schneidet und die Stirnfläche St in Umlaufrichtung U am hinteren Ende begrenzt, die erste Seitenkante 1 bis zu einem Abstand a1 und die zweite Seitenkante 2 bis zu einem Abstand a2 erstrecken, wobei die zweite Seitenkante 2 von der ersten Bezugsebene B1 beabstandet ist und mit der ersten Seitenkante 1 über eine, gegenüber der Längsachse L geneigt orientierte, hintere Begrenzungskante 3 verbunden ist,
    • ein zweiter Flächenabschnitt II ist von zwei gegenüber der Längsachse L geneigt verlaufenden Seitenkanten 4, 5 begrenzt, von denen die erste Seitenkante 4 sich vom Abstand a1 bis zum Abstand b1 und die zweite Seitenkante 5 sich vom Abstand a2 bis zum Abstand b2, jeweils gemessen von der ersten Begrenzungsebene B1, erstrecken,
    • ein dritter Flächenabschnitt III ist von zwei parallel zur Längsachse L verlaufenden Seitenkanten 6, 7 begrenzt, die einen gegenseitigen Abstand f2 besitzen, von denen die erste Seitenkante 6 mit der ersten Seitenkante 4 des zweiten Flächenabschnittes II und die zweite Seitenkante 7 mit der zweiten Seitenkante 5 des zweiten Flächenabschnittes II verbunde sind,
    • ein vierter Flächenabschnitt IV ist von zwei gegenüber der Längsachse L geneigt verlaufenden Seitenkanten e1, e2, den so genannten Schneidkanten, begrenzt, von denen die erste Schneidkante e1 sich vom Abstand d1 bis zum Abstand c1 und die zweite Schneidkante e2 sich vom Abstand d2 bis zum Abstand c2, jeweils gemessen von einer zweiten Begrenzungsebene (B2), erstrecken, die die Längsachse L orthogonal schneidet und die Stirnfläche St in Umlaufrichtung U am vorderen Ende begrenzt,
    • ein fünfter Flächenabschnitt V ist von zwei parallel zur Längsachse L verlaufenden Seitenkanten 8, 9 begrenzt, die einen gegenseitigen Abstand f3 besitzen und von denen sich, gemessen von der zweiten Bezugsebene B2, die erste Seitenkante 8 bis zu einem Abstand c1 und die zweite Seitenkante 9 bis zu einem Abstand c2 erstrecken, wobei die erste Seitenkante 8 von der zweiten Bezugsebene B2 beabstandet ist und mit der ersten Seitenkante 9 über eine gegenüber der Längsachse L geneigt orientierte vordere Begrenzungskante 10 verbunden ist, und wobei gilt:
      • S = 45 mm bis 200 mm
      • a1 < a2 und 1/16 S ≤ (a1, a2) ≤ ½ S
      • b1 < b2 und 1/16 S ≤ (b1, b2) ≤ ½ S
      • c1 < c2 und 1/16 S ≤ (c1, c2) ≤ ½ S
      • d1 < d2 und 1/16 S ≤ (d1, d2) ≤ ½ S
      • f3 < f1 und 1/62 S ≤ (f1, f3) ≤ 1/14 S
      • 1/42 S ≤ f2 ≤ 1/5 S.
  • Lösungsgemäß konnte gezeigt werden, dass mit einer rippenartigen Dichtstruktur, deren radial endseitige Stirnfläche St die in Figur 1 illustrierte Flächengeometrie besitzt, zwei positive Wirkungen erzielt werden, nämlich zum einen eine verbesserte Versteifung der rippenartigen Dichtstruktur in Umlaufrichtung U und zum anderen eine verbesserte Schneidwirkung der rippenartigen Dichtstruktur innerhalb des abschleifbaren Turbinengehäusewandmaterials. Die erstgenannte Wirkung führt zu einer bedeutend höheren mechanischen Belastbarkeit der Dichtstruktur, die letztlich von einer mittig zur Längserstreckung der rippenartigen Dichtstruktur vorgesehenen axialen Verbreiterung der Dichtstruktur herrührt. In diesem mittigen Bereich weist die Dichtstruktur eine axiale Breite f2 auf, für die gilt: 1/42 S ≤ f2 ≤ 1/5 S. Die axiale Breite der Dichtstruktur in Umlaufrichtung vor der vorstehenden mittigen Verbreiterung misst hingegen nur 1/62 S ≤ f3 ≤ 1/14 S. Die verbesserte Schneidwirkung rührt hingegen von den in Umlaufrichtung zugewandten Schneidkanten e1 und e2 her, die als Übergangsbereiche zwischen dem in axialer Erstreckung schmal ausgebildeten Rippenbereich im fünften Flächenabschnitt mit einer Stegbreite f3 und dem axial deutlich breiter ausgebildeten dritten Flächenabschnitt mit einer axialen Rippenbreite f2 dienen.
  • In vorteilhafter Weise sind mindestens die Schneidkanten e1, e2 mit einer oberflächenharten Schicht, wie bspw. Cr2C oder CBN (kubisch kristallines Bornitrid) beschichtet. Der Beschichtungsvorgang wird vorzugsweise im Wege einer galvanischen Abscheidung, einer Plasmaabscheidung, einer Sprühabscheidung oder im Wege eines Schweiß- oder Lötvorgangs durchgeführt.
  • In Figur 2 ist zur qualitativen Illustration der lösungsgemäß ausgebildeten Dichtstruktur eine perspektivische Darstellung auf das Deckband D einer nicht weiter illustrierten Turbinenlaufschaufel gezeigt. Die lösungsgemäße Dichtstruktur DS ist vorzugsweise einstückig mit dem Deckband D verbunden und erhebt sich über das Deckband D mit jeweils zu den die Stirnfläche St begrenzenden Seitenkanten 1 bis 10 korrespondierenden Seitenflanken 1' bis 10'. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die den Schneidkanten e1 und e2 zugeordneten Schneidkantenflächen e1' und e2' mit der oberflächenharten Schicht (11) zur Verbesserung der Schneidwirkung versehen sind. In vorteilhafter Weise kann ebenso die Schnittfläche 10' mit einer entsprechenden oberflächenharten Schicht (11) versehen sein. In besonders vorteilhafter Weise können jedoch sämtliche Seitenkantenfläche mit einer entsprechenden Beschichtung, so insbesondere auch die Stirnfläche St, mit der oberflächenharten Schicht versehen sein.
  • Die aus den Figuren 1 und 2 entnehmbare lösungsgemäß ausgebildete Dichtstruktur DS weist in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Längserstreckung S auf, die der in Umlaufrichtung U orientierten Deckbandlänge entspricht. Je nach Form und Größe des Deckbandes können mehrere lösungsgemäß ausgebildete Dichtstrukturen DS auf der Oberfläche eines Deckbandes D, so vorzugsweise in Umlaufrichtung nebeneinander beabstandet angeordnet werden.
  • In vorteilhafter Weise sind die Seitenkanten 1, 4, 6, e1 und 8 der Saugseite sowie die Seitenkanten 2, 5, 7, e2 und 9 der Druckseite des Turbinenlaufschaufelblattes zugewandt orientiert. Zudem entspricht die Lage der in Figur 1 illustrierten Längsachse L durch die Stirnfläche St der lösungsgemäß ausgebildeten rippenartigen Dichtstruktur zugleich auch der radialen Schwerpunktsebene der Turbinenlaufschaufel.
  • In Figur 3 ist eine Querschnittsdarstellung längs der in Figur 2 angedeuteten Schnittebene A gezeigt. Aus Figur 3 kann entnommen werden, dass die Seitenflanken 6' und 7' jeweils mit der Orthogonalen bezogen zur Deckbandoberfläche einen Winkel α, β einschließen, der typischerweise im Bereich zwischen 0,1° und 45° liegen kann. Der gleiche Neigungswinkel gilt auch für die Seitenflanken 8' und 9'.
  • In Figur 4 ist eine Querschnittdarstellung durch eine Schneidkontur dargestellt. Nicht notwendigerweise ist es erforderlich, die gesamte Oberfläche der Schneidkontur mit einer oberflächenharten Schicht 11 zu versehen. Zumindest gilt es, jenen Oberflächenbereich der Schneidkontur mit der oberflächenharten Schicht 11 zu beschichten, der in Eingriff mit dem abreibbaren Material an der Turbinengehäusewand tritt. Hierzu ist es vorteilhaft, eine wirksame Schichtdicke Z von 0,1 mm bis 4,5 mm auf der Schneidfläche vorzusehen, die zumindest über eine Eindringtiefe P1 verfügt, mit der die Schneidkontur in das abreibbare Material einzudringen vermag. Typischerweise beträgt die Schneidtiefe P1 etwa 0,5 mm bis 15 mm. Über einen weiteren Bereich P2, der sich zwischen P1+ 0,5 mm bis 15 mm erstreckt, dünnt die Schicht aus.
    • Bezugszeichenliste
    • 1 bis 10
    Seitenkanten
    e1, e2
    Schneidkanten
    B1
    Hintere Begrenzungsebene
    B2
    In Umlaufrichtung vordere Begrenzungsebene
    1', ... 10'
    Seitenkantenflächen
    e1', e2'
    Schneidkantenflächen
    D
    Deckband
    DS
    Dichtstruktur
    S
    Länge der Dichtstruktur
    f1, f2, f3
    Axiale Breite der Dichtstruktur
    Z
    Schichtdicke für eine oberflächenharte Schicht
    11
    Oberflächenharte Beschichtung
    P1, P2
    Beschichtungsparameter

Claims (12)

  1. Vorrichtung an einem an einer Turbinenlaufschaufelspitze vorgesehenen Deckband mit einer radial zur Drehachse, um die die Turbinenlaufschaufel drehbar angeordnet ist, das Deckband lokal überragenden rippenzugartig ausgebildeten Dichtstruktur, die eine sich in Umlaufrichtung (U) der Turbinenlaufschaufel orientierte Längserstreckung (S) aufweist, die sich mit zunehmendem radialen Abstand vom Deckband verjüngt und mit einer der Turbinenlaufschaufel radial abgewandten eben ausgebildeten Stirnfläche (St) abschließt, die in Umlaufrichtung in zusammenhängende Flächenabschnitte (I, II, III, IV, V) unterteilt ist, die sich längs einer in Umlaufrichtung (U) orientierten Längsachse (L) in der folgenden Weise erstrecken:
    - ein erster Flächenabschnitt (I) ist von zwei parallel zur Längsachse verlaufenden Seitenkanten begrenzt, die einen gegenseitigen Abstand f1 besitzen und von denen sich, gemessen von einer ersten Bezugsebene (B1), die die Längsachse (L) orthogonal schneidet und die Stirnfläche (St) in Umlaufrichtung (U) am hinteren Ende begrenzt, eine erste Seitenkante (1) bis zu einem Abstand a1 und eine zweite Seitenkante (2) bis zu einem Abstand a2 erstrecken, wobei die zweite Seitenkante (2) von der ersten Bezugsebene (B1) beabstandet ist und mit der ersten Seitenkante (1) über eine gegenüber der Längsachse (L) geneigt orientierte hintere Begrenzungskante (3) verbunden ist,
    - ein zweiter Flächenabschnitt (II) ist von zwei gegenüber der Längsachse (L) geneigt verlaufenden Seitenkanten (4, 5) begrenzt, von denen eine erste Seitenkante (4) sich vom Abstand a1 bis zum Abstand b1 und eine zweite Seitenkante (5) sich vom Abstand a2 bis zum Abstand b2 jeweils gemessen von der ersten Begrenzungsebene (B1) erstrecken,
    - ein dritter Flächenabschnitt (III) ist von zwei parallel zur Längsachse (L) verlaufenden Seitenkanten (6, 7) begrenzt, die einen gegenseitigen Abstand f2 besitzen, von denen eine erste Seitenkante (6) mit der ersten Seitenkante (4) des zweiten Flächenabschnittes (II) und eine zweite Seitenkante (7) mit der zweiten Seitenkante (5) des zweiten Flächenabschnittes (II) verbunden sind,
    - ein vierter Flächenabschnitt (IV) ist von zwei gegenüber der Längsachse (L) geneigt verlaufenden Seitenkanten e1, e2, die so genannten Schneidkanten, begrenzt, von denen eine erste Schneidkante (e1) sich vom Abstand d1 bis zum Abstand c1 und eine zweite Schneidkante (e2) sich vom Abstand d2 bis zum Abstand c2, jeweils gemessen von einer zweiten Begrenzungsebene (B2) erstrecken, die die Längsachse (L) orthogonal schneidet und die Stirnfläche (St) in Umlaufrichtung (U) am vorderen Ende begrenzt,
    - ein fünfter Flächenabschnitt (V) ist von zwei parallel zur Längsachse (L) verlaufenden Seitenkanten (8, 9) begrenzt, die einen gegenseitigen Abstand f3 besitzen und von denen sich, gemessen von der zweiten Bezugsebene (B2) eine erste Seitenkante (8) bis zu einem Abstand c1 und eine zweite Seitenkante (9) bis zu einem Abstand c2 erstrecken, wobei die erste Seitenkante (8) von der zweiten Bezugsebene (B2) beabstandet ist und mit der ersten Seitenkante (9) über eine gegenüber der Längsachse (L) geneigt orientierten vorderen Begrenzungskante (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass für deren Geometrieparameter S, a1, a2, b1, b2, c1, c2, d1, d2, f1, f2, f3 folgendes gilt:
    S = 45 mm bis 200 mm
    a1 < a2 und 1/16 S ≤ (a1, a2) ≤ ½ S
    b1 < b2 und 1/16 S ≤ (b1, b2) ≤ ½ S
    c1 < c2 und 1/16 S ½ (c1, c2) ≤ ½ S
    d1 < d2 und 1/16 S ≤ (d1, d2) ≤ ½ S
    f3 < f1 und 1/62 S ≤ (f1, f3) ≤ 1/14 S
    1/42 S ≤ f2 ≤ 1/5 S.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schneidkanten e1 und e2 mit einer oberflächenharten Schicht (11) beschichtet sind und als Schneidstrukturen dienen.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die ersten und zweiten Seitenkanten (1, 2, 6, 7) des ersten und dritten Flächenabschnittes zur Längsachse (L) beabstandet angeordnet sind, und
    dass die Längsachse (L) mit der ersten Seitenkante (8) des fünften Flächenabschnittes (V) fluchtet.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die rippenzugartig ausgebildete Dichtstruktur gegenüber einer dem Deckband zuordenbaren Deckbandoberfläche geneigt verlaufende Seitenflanken aufweist, deren Neigungen jeweils einander zugewandt sind, und dass die Seitenflanken mit ihren radial oberen Kanten die Stirnfläche (St) begrenzen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass der ersten und zweiten Seitenkante (6, 7) des dritten Flächenabschnittes (III) gegenüber einer dem Deckband zuordenbaren Deckbandoberfläche jeweils geneigte Seitenflanken zuordenbar sind, die jeweils mit der Orthogonalen zur Deckbandoberfläche einen Neigungswinkel zwischen 0,1° und 45° einschließen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Längserstreckung (S) der rippenzugartig ausgebildeten Dichtstruktur der in Umlaufrichtung (U) orientierten Deckbandlänge entspricht.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei rippenzugartig ausgebildete Dichtstrukturen an einem Deckband einer Turbinenlaufschaufel angebracht sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Dichtstrukturen in Umfangsrichtung nebeneinander auf dem Deckband der Turbinenlaufschaufel angebracht sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die rippenzugartig ausgebildete Dichtstruktur zumindest in oberflächigen Teilbereichen mit einer oberflächenharten Beschichtung (11) versehen ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenharte Schicht (11) eine Schichtdicke von bis zu 4,5 mm aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenharte Schicht (11) aus Cr2C oder CBN besteht.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenkanten 1, 4, 6, e1 und 8 der Saugseite und die Seitenkanten 2, 5, 7, e2 und 9 der Druckseite der Turbinenlaufschaufel zugewandt sind.
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