WO2010094277A2 - Gasturbinenmaschine - Google Patents

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Andreas Hartung
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/16—Form or construction for counteracting blade vibration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/04—Antivibration arrangements
    • F01D25/06—Antivibration arrangements for preventing blade vibration
    • 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
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    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine engine having at least one blade cluster, in which a plurality of blades are arranged on a common inner and / or outer ring.
  • damping systems are provided in the blades to dampen vibrations of the blades.
  • a damping system consists for example of a single spherical damping body, which is arranged in a cavity in a rotor of a gas turbine rotor. Damping body and cavity are coordinated so that the damping system regulates itself. The damping takes place by impacts of the damping body against the walls of the cavity and by collisions of the body with each other.
  • the object of the invention is to provide a cost-effectively manufacturable gas turbine engine with improved vibration damping.
  • the object of the invention is achieved by a gas turbine engine according to the invention with at least one blade cluster, wherein in the blade cluster a plurality of airfoils are arranged on a common inner and / or outer ring.
  • the blade cluster has at least one cavity, wherein inside the cavity a plurality of damping bodies are provided which can move relative to each other relative to the walls of the cavity and relative to each other. In this way, vibrations of the blade cluster by impacts of the damping body against the walls of the cavity and the damping body against each other and by energy dissipation in friction of the damping body against the walls of the cavity and friction of the damping body are mutually attenuated.
  • the arrangement of the cavity with damping bodies in a blade cluster enables coupled damping of cluster vibration modes.
  • the blade cluster is a vane cluster. This allows not only the damping of blades and a damping of vanes.
  • the cavity can serve to cool the blade cluster. This allows a combination of cooling and damping functions.
  • the construction of the cavity is designed in terms of shape, volume and material for damping certain vibrations. In this way, each blade cluster of the gas turbine engine can be optimized for the damping of certain vibrations, depending on the particular application.
  • the plurality of cavities may be interconnected, wherein the connection of the cavities is formed so that the damping body can not pass from one cavity into the other cavity.
  • a connection of the cavities is made possible for cooling, while the damping body remain in their respective cavities.
  • damping bodies with respect to material, shape, mass and / or number are provided in different cavities. This allows for optimal design of the damping body for each cavity.
  • damping bodies which differ in terms of material, shape, mass and / or number. By using different damping body a plurality of vibration frequencies can be damped in a simple manner.
  • damper bodies are the same in terms of material, shape and mass. This simplifies the production of the damping body and the mathematical calculation / modeling of the damping system.
  • a cavity with damping bodies in the inner and / or outer ring is provided, in particular in a region which extends over a plurality of airfoils. This allows the common damping of several blades.
  • damping bodies there may be a cavity with damping bodies in at least one airfoil.
  • damping bodies Preferably, the shape, mass and / or number of damping body for damping certain vibration frequencies, in particular higher natural frequencies, designed.
  • optimal damping of specific vibration frequencies is made possible by mathematical modeling of the vibration conditions in the gas turbine engine.
  • the damping bodies are preferably made of temperature-resistant material, in particular nickel and / or titanium alloys. This allows an application of the damping body in particular in gas turbine engines, which are flowed through by hot gases.
  • FIG. 1 shows a blade cluster of a gas turbine engine according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a blade cluster of a gas turbine engine according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a blade cluster 10 according to a first embodiment of a gas turbine engine according to the invention.
  • the invention will be described using the example of a vane cluster.
  • the blade cluster 10 includes a plurality of airfoils 12 disposed between an inner ring 14 and an outer ring 16, more specifically an inner and an outer ring segment.
  • a cavity 18 is provided which extends in the circumferential direction over a range of all four blades 12 blades. Inside the cavity 18 a plurality of damping body 20 are arranged.
  • the construction of the cavity 18 and the damping bodies 20 are designed to dampen certain vibrations of the blade cluster 10.
  • the shape, volume and wall material of the cavity 18 and the shape, mass and number of the damping body 20 are designed for optimum damping of higher natural frequencies of the blade cluster 10 by mathematical calculation and modeling.
  • the damping bodies 20 in the embodiment shown are in the form of cylindrical discs.
  • the shape of the damping body 20 may also be an elongated cylinder, a sphere or an ellipsoid.
  • damping bodies 20 are the same in terms of material, shape and mass.
  • damping body 20 differ in terms of material, shape, mass and / or number.
  • a plurality of damping body 20 of a kind may be provided in the cavity 18, respectively.
  • the damping body 20 are made of temperature-resistant material, preferably nickel or titanium alloys. Also important is a sufficiently high coefficient of friction in the pairings of the damping body 20 with the walls of the cavity 18 and with the other damping body 20th
  • the damping bodies 20 can move relative to each other relative to the walls of the cavity 18 and relative to each other and thereby abut against the walls of the cavity 18 and against each other, whereby by friction of the damping body 20 against the walls of the cavity 18 and friction of the damping body 20 is dissipated with each other and thus vibrations of the blade cluster 10 are damped.
  • FIG. 2 shows a blade cluster 10 of a second embodiment of the gas turbine engine.
  • a plurality of cavities 18 are provided, wherein a first cavity 18 in the inner ring 14 and a second cavity 18 in the outer ring 16 is located. Both cavities 18 extend in the circumferential direction over the entire area of the blade cluster 10.
  • cavities 18 are provided in the area of the airfoils 12, wherein the cavities 18 in the inner ring 14 and outer ring 16 are respectively coupled to the cavity 18 in the airfoil 12 via a connection 26.
  • first damping body 20 and the inner ring 14 are provided in the cavity 18 in the outer ring 16 .
  • the first and second damping bodies 20, 22 differ in their shape and their mass and in the number of damping bodies 20, 22 which are arranged in the respective cavity 18.
  • connection 26 of the cavities 18 is formed so that the damping body 20, 22, 24 can not pass from one cavity 18 into the other cavity 18. In this way, the type and number of damping bodies 20, 22, 24 in each cavity 18 is maintained even with a connection of the cavities.
  • the cavities 18 optionally serve to cool the blade cluster 10 and are flowed through by cooling fluid.
  • the connection 26 of the different cavities 18 allows a flow of cooling fluid through all the cavities 18 of the blade cluster 10.
  • the viscosity of the cooling fluid in the design of the cavities 18 and damping body 20, 22, 24 is taken into account.

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Abstract

Eine Gasturbinenmaschine umfasst mindestens einen Schaufelcluster (10), in dem mehrere Schaufelblätter (12) an einem gemeinsamen Innenring (14) und/oder Außenring (16) angeordnet sind. Der Schaufelcluster (10) weist wenigstens einen Hohlraum (18) auf, wobei im Inneren des Hohlraums (18) mehrere Dämpfungskörper (20, 22, 24) vorgesehen sind, die sich unabhängig voneinander relativ zu den Wänden des Hohlraums (18) und relativ zueinander bewegen können.

Description

Gasturbinenmaschine
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenmaschine mit mindestens einem Schaufelcluster, in dem mehrere Schaufelblätter an einem gemeinsamen Innen- und/oder Außenring angeordnet sind.
Es sind Gasturbinenmaschinen bekannt, bei denen in den Laufschaufeln Dämpfungssysteme vorgesehen sind, um Schwingungen der Laufschaufeln zu dämpfen. Ein solches Dämpfungssystem besteht beispielsweise aus einem einzelnen kugelförmigen Dämpfungskörper, der in einem Hohlraum in einer Laufschaufel eines Gasturbinenrotors angeordnet ist. Dämpfungskörper und Hohlraum sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass sich das Dämpfungssystem selbst regelt. Die Dämpfung erfolgt durch Stöße des Dämpfungskörpers gegen die Wände des Hohlraums und durch Stöße der Körper untereinander.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstig herstellbare Gasturbinenmaschine mit verbesserter Schwingungsdämpfung zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine erfindungsgemäße Gasturbinenmaschine mit mindestens einem Schaufelcluster gelöst, wobei im Schaufelcluster mehrere Schaufelblätter an einem gemeinsamen Innen- und/oder Außenring angeordnet sind. Der Schaufelcluster weist mindestens einen Hohlraum auf, wobei im Inneren des Hohlraums mehrere Dämp- fungskörper vorgesehen sind, die sich unabhängig voneinander relativ zu den Wänden des Hohlraums und relativ zueinander bewegen können. Auf diese Weise können Schwingungen des Schaufelclusters durch Stöße der Dämpfungskörper gegen die Wände des Hohlraums und der Dämpfungskörper gegeneinander sowie durch Energiedissipation bei Reibung der Dämpfungskörper gegen die Wände des Hohlraums und Reibung der Dämpfungskörper gegeneinander gedämpft werden. Die Anordnung des Hohlraums mit Dämpfungskörpern in einem Schaufelcluster ermöglicht eine gekoppelte Dämpfung von Clusterschwingungsformen.
Vorzugsweise ist der Schaufelcluster ein Leitschaufelcluster. Dies ermöglicht neben der Dämpfung von Laufschaufeln auch eine Dämpfung von Leitschaufeln.
Der Hohlraum kann zur Kühlung des Schaufelclusters dienen. Dies erlaubt eine Kombination von Kühlungs- und Dämpfungsfunktionen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Konstruktion des Hohlraums in Bezug auf Form, Volumen und Material zur Dämpfung bestimmter Schwingungen ausgelegt. Auf diese Weise kann jeder Schaufelcluster der Gasturbinenmaschine auf die Dämpfung bestimmter Schwingungen, in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung, optimiert werden.
Es ist möglich, dass mehrere Hohlräume mit Dämpfungskörpern in dem Schaufelcluster vorgesehen sind. Auf diese Weise wird die Flexibilität der Konstruktion des Schaufelclusters erhöht.
Die mehreren Hohlräume können miteinander verbunden sein, wobei die Verbindung der Hohlräume so ausgebildet ist, dass die Dämpfungskörper nicht von einem Hohlraum in den anderen Hohlraum gelangen können. Somit wird beispielsweise eine Verbindung der Hohlräume zur Kühlung ermöglicht, während die Dämpfungskörper in ihren jeweiligen Hohlräumen bleiben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind in verschiedenen Hohlräumen verschiedene Dämpfungskörper in Bezug auf Material, Form, Masse und/oder Anzahl vorgesehen. Dies ermöglicht eine optimale Auslegung der Dämpfungskörper für jeden Hohlraum.
Es ist möglich, dass unterschiedliche Dämpfungskörper vorgesehen sind, die sich in Bezug auf Material, Form, Masse und/oder Anzahl unterscheiden. Durch die Verwendung unterschiedlicher Dämpfungskörper können auf einfache Weise mehrere Schwingungsfrequenzen gedämpft werden.
Alternativ ist es möglich, dass alle Dämpfungskörper in Bezug auf Material, Form und Masse gleich sind. Dies vereinfacht die Herstellung der Dämpfungskörper sowie die mathematische Berechnung/Modellierung des Dämpfungssystems.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Hohlraum mit Dämpfungskörpern im Innen- und/oder Außenring vorgesehen, insbesondere in einem Bereich, der sich über mehrere Schaufelblätter erstreckt. Dies ermöglicht die gemeinsame Dämpfung mehrerer Schaufelblätter.
Es kann ein Hohlraum mit Dämpfungskörpern in wenigstens einem Schaufelblatt vorgesehen sein. Auf diese Weise wird eine Dämpfung direkt im Schaufelblatt ermöglicht. Vorzugsweise sind die Form, Masse und/oder Anzahl der Dämpfungskörper zur Dämpfung bestimmter Schwingungsfrequenzen, insbesondere höherer Eigenfrequenzen, ausgelegt. Somit wird eine optimale Dämpfung spezifischer Schwingungsfrequenzen durch mathematische Modellierung der Schwingungsverhältnisse in der Gasturbinenmaschine ermöglicht.
Die Dämpfungskörper sind vorzugsweise aus temperaturbeständigem Material, insbesondere Nickel- und/oder Titan-Legierungen gefertigt. Dies ermöglicht eine Anwendung der Dämpfungskörper insbesondere auch in Gasturbinenmaschinen, die von Heißgasen durchströmt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein Schaufelcluster einer Gasturbinenmaschine gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung; und
Figur 2 ein Schaufelcluster einer Gasturbinenmaschine gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen Schaufelcluster 10 gemäß einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbinenmaschine. Die Erfindung wird am Beispiel eines Leitschaufelclusters beschrieben. Der Schaufelcluster 10 umfasst mehrere Schaufelblätter 12, die zwischen einem Innenring 14 und einem Außenring 16 angeordnet sind, genauer gesagt einem Innen- und einem Außenringsegment.
Im Innenring 14 ist ein Hohlraum 18 vorgesehen, der sich in Umfangsrichtung über einen Bereich aller vier Schaufelblätter 12 erstreckt. Im Inneren des Hohlraums 18 sind mehrere Dämpfungskörper 20 angeordnet.
Die Konstruktion des Hohlraums 18 und die Dämpfungskörper 20 sind zur Dämpfung bestimmter Schwingungen des Schaufel Clusters 10 ausgelegt. Hierzu sind Form, Volumen und Wandmaterial des Hohlraums 18 sowie Form, Masse und Anzahl der Dämpfungskörper 20 zur optimalen Dämpfung höherer Eigenfrequenzen des Schaufelclusters 10 durch mathematische Berechnung und Modellierung ausgelegt. Die Dämpfiαngskörper 20 haben in der gezeigten Ausfiihrungsform die Form von zylinderförmigen Scheiben. Die Form der Dämpfungskörper 20 kann auch ein langgestreckter Zylinder, eine Kugel oder ein Ellipsoid sein.
In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform sind alle Dämpfungskörper 20 in Bezug auf Material, Form und Masse gleich.
Es ist natürlich auch möglich, dass sich die Dämpfungskörper 20 in Bezug auf Material, Form, Masse und/oder Anzahl unterscheiden. Dabei können auch jeweils mehrere Dämpfungskörper 20 einer Art im Hohlraum 18 vorgesehen sein.
Die Dämpfungskörper 20 sind aus temperaturbeständigem Material, vorzugsweise Nickeloder Titan-Legierungen gefertigt. Wichtig ist dabei auch ein ausreichend hoher Reibkoeffizient in den Paarungen der Dämpfungskörper 20 mit den Wänden des Hohlraums 18 sowie mit den anderen Dämpfungskörpers 20.
Die Dämpfungskörper 20 können sich unabhängig voneinander relativ zu den Wänden des Hohlraums 18 und relativ zueinander bewegen und dabei gegen die Wände des Hohlraums 18 und gegeneinander stoßen, wobei durch Reibung der Dämpfungskörper 20 gegen die Wände des Hohlraums 18 und Reibung der Dämpfungskörper 20 untereinander dissipiert wird und somit Schwingungen des Schaufelclusters 10 gedämpft werden.
Figur 2 zeigt einen Schaufelcluster 10 einer zweiten Ausführungsform der Gasturbinenmaschine. In dieser Ausführungsform sind mehrere Hohlräume 18 vorgesehen, wobei ein erster Hohlraum 18 im Innenring 14 und ein zweiter Hohlraum 18 im Außenring 16 liegt. Beide Hohlräume 18 erstrecken sich in Umfangsrichtung über den gesamten Bereich des Schaufelclusters 10.
Weitere Hohlräume 18 sind im Bereich der Schaufelblätter 12 vorgesehen, wobei die Hohlräume 18 im Innenring 14 und Außenring 16 jeweils mit dem Hohlraum 18 im Schaufelblatt 12 über eine Verbindung 26 gekoppelt werden.
Im Hohlraum 18 im Außenring 16 sind erste Dämpfungskörper 20 und im Innenring 14 zweite Dämpfungskörper 22 vorgesehen. Die ersten und zweiten Dämpfungskörper 20, 22 unterscheiden sich in ihrer Form und ihrer Masse sowie in der Anzahl der Dämpfungskörper 20, 22, die in dem jeweiligen Hohlraum 18 angeordnet sind.
In den Hohlräumen 18 der Schaufelblätter 12 sind z. B. dritte Dämpfungskörper 24 in langgestreckter Zylinderform untergebracht. Es ist natürlich auch möglich, dass in einem Hohlraum 18 unterschiedliche Dämpfungskörper 20, 22 liegen, wobei insbesondere in verschiedenen Hohlräumen unterschiedliche Kombinationen von Dämpfungskörpers 20, 22 vorgesehen sind.
Die Verbindung 26 der Hohlräume 18 ist so ausgebildet, dass die Dämpfungskörper 20, 22, 24 nicht von einem Hohlraum 18 in den anderen Hohlraum 18 gelangen können. Auf diese Weise wird die Art und die Anzahl der Dämpfungskörper 20, 22, 24 in jedem Hohlraum 18 auch bei einer Verbindung der Hohlräume beibehalten.
Die Hohlräume 18 dienen optional zur Kühlung des Schaufel Clusters 10 und werden von Kühlfluid durchströmt. Die Verbindung 26 der unterschiedlichen Hohlräume 18 ermöglicht einen Fluss von Kühlfluid durch sämtliche Hohlräume 18 des Schaufelclusters 10. Vorzugsweise wird die Viskosität des Kühlfluids bei der Auslegung der Hohlräume 18 und Dämpfungskörper 20, 22, 24 berücksichtigt.

Claims

Ansprüche
1. Gasturbinenmaschine mit mindestens einem Schaufelcluster (10), in dem mehrere Schaufelblätter (12) an einem gemeinsamen Innenring (14) und/oder Außenring (16) angeordnet sind, wobei der Schaufelcluster (10) wenigstens einen Hohlraum (18) aufweist und im Inneren des Hohlraums (18) mehrere Dämpfungskörper (20, 22, 24) vorgesehen sind, die sich unabhängig von einander relativ zu den Wänden des Hohlraums (18) und relativ zu einander bewegen können
2. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelcluster (10) ein Leitschaufelcluster ist.
3. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (18) zur Kühlung des Schaufelclusters (10) dient.
4. Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion des Hohlraums (18) in Bezug auf Form, Volumen und Material zur Dämpfung bestimmter Schwingungen ausgelegt ist.
5. Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hohlräume (18) mit Dämpfungskörpern (20, 22, 24) in dem Schaufelcluster (10) vorgesehen sind.
6. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Hohlräume (18) miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung (26) der Hohlräume (18) so ausgebildet ist, dass die Dämpfungskörper (20, 22, 24) nicht von einem Hohlraum (18) in den anderen Hohlraum (18) gelangen können.
7. Gasturbinenmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in verschiedenen Hohlräumen (18) verschiedene Dämpfungskörper (20, 22, 24) in Bezug auf Material, Form, Masse und/oder Anzahl vorgesehen sind.
8. Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Dämpfungskörper (20, 22, 24) vorgesehen sind, die sich in Bezug auf Material, Form, Masse und/oder Anzahl unterscheiden.
9. Gasturbinenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Dämpfungskörper (20, 22, 24) in Bezug auf Material, Form und Masse gleich sind.
10. Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlraum (18) mit Dämpfungskörpern (20, 22, 24) im Innenring (14) und/oder im Außenring (16) vorgesehen ist, insbesondere in einem Bereich, der sich über mehrere Schaufelblätter (12) erstreckt.
11. Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlraum (18) mit Dämpfungskörpern (20, 22, 24) in wenigstens einem Schaufelblatt (12) vorgesehen ist.
12. Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form, Masse und/oder Anzahl der Dämpfungskörper (20, 22, 24) zur Dämpfung bestimmter Schwingungsfrequenzen, insbesondere höherer Eigenfrequenzen, ausgelegt sind.
13. Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskörper (20, 22, 24) aus temperaturbeständigem Material, insbesondere Nickel- und/oder Titan-Legierungen gefertigt sind.
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