DE69728508T2

DE69728508T2 - Dichtung für Turbinenschaufelplattformen

Info

Publication number: DE69728508T2
Application number: DE69728508T
Authority: DE
Inventors: David P. Glastonbury Houston; David Pelham Airey; Natalie A. Tolland Pelland
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: DE69728508D1; EP0851096A2; US5924699A; EP0851096B1; JP4049866B2; EP0851096A3; JPH10196309A

Description

Die Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere Dichtungskonfigurationen für Turbinenrotoren.
Eine typische Gasturbinenmaschinen hat einen ringförmigen, sich axial (in Längsrichtung) erstreckenden Strömungsweg zum Leiten von Arbeitsfluid abschnittsweise durch einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Der Turbinenabschnitt weist eine Mehrzahl von Laufschaufeln auf, die über eine oder mehrere rotierende Turbinenscheiben verteilt sind. Jede Laufschaufel hat eine Plattform, eine Wurzel und ein Strömungsprofil. Die Wurzel erstreckt sich von einer Oberfläche der Plattform, und das Strömungsprofil ragt von einer entgegengesetzten Oberfläche weg. Das Strömungsprofil entzieht dem Arbeitsfluid Energie. Die Turbinenscheibe hat eine Reihe von Umfangs-Schlitzen, von denen jeder eine Laufschaufelwurzel aufnimmt und so die Laufschaufel an der Scheibe hält. Die Laufschaufel erstreckt sich radial von der Scheibe mit der Wurzel radial nach innen und dem Strömungsprofil radial nach außen. Die Umfangs-Schlitze sind so beabstandet, dass sie einen sich in Axialrichtung erstreckenden Spalt zwischen benachbarten Laufschaufelplattformen schaffen, der dafür sorgt, dass die Laufschaufelplattformen einander nicht berühren und beschädigen.
Es kann durch die Leckage von Arbeitsfluid in den Spalt zwischen benachbarten Laufschaufelplattformen zu Problemen kommen. Sobald das Arbeitsfluid in dem Spalt ist, kann es in einen Bereich unterhalb der radial inneren Oberflächen der Plattformen entkommen. Die Temperatur des Arbeitsfluids in der Turbine ist generell höher als die Temperatur, der Bauteile unterhalb der Plattform über längere Zeiträume sicher widerstehen können. Außerdem kann das Arbeitsfluid Schadstoffe, beispielsweise Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses in dem Verbrennungsabschnitt, enthalten und unter die Plattform transportieren. Sobald sie unter der Plattform sind, können sich die Verunreinigungen ansammeln und aufheizen und Korrosion und Risse verursachen. Außerdem um strömt das entweichende Arbeitsfluid die Strömungsprofile und verringert so die Energiemenge, die an die Strömungsprofile geliefert wird.
Eine Dichtung wird generell verwendet, um Entweichen bzw. Leckage zu verringern. Die Dichtung ist ein flexibles Element, typischerweise aus einem dünnen Metallblech hergestellt, das über dem Spalt unterhalb und in der Nähe der radial inneren Oberflächen benachbarter Laufschaufelplattformen positioniert ist. Die Dichtung hat typischerweise einen Bereich, der generell zu dem Bereich der Oberflächen konform ist, zu dem sie abdichten soll. Ein Beispiel einer Dichtung ist in US-A-4 455 122 gezeigt.
Es hat sich herausgestellt, dass die Effektivität der vorangehend beschriebenen Dichtung in dem Fall verringert ist, dass ein Versatz zwischen den radial inneren Oberflächen von benachbarten Laufschaufelplattformen vorhanden ist. Ein derartiger Versatz verringert die Fähigkeit der Dichtung, sich an die Oberflächen anzuformen und resultiert in einer Zunahme der Leckage. Das führt auch zu einer geringeren Abstützung für die Dichtung und macht es wahrscheinlicher, dass die Dichtung eine unerwünschte Verformung erfahren wird, und führt so zu einer noch höheren Leckage. Ein Beispiel eines derartigen Versatzes ergibt sich aus einem Bemühen, die Laufschaufel-Strömungsprofile in einer optimalen aerodynamischen Orientierung zu positionieren, wie nachfolgend ausgeführt wird.
Es ist wünschenswert, dass die Orientierung des Strömungsprofils relativ zu der Wurzel zu den Betriebseigenschaften der anderen Maschinenbauteile korrespondiert. Jedoch sind die exakten Betriebseigenschaften der Maschinenbauteile nicht bekannt, bis die erste Maschine getestet wird. Offensichtlich muss die Maschine einschließlich der Laufschaufeln hergestellt sein, bevor sie getestet werden kann, die Laufschaufeln werden jedoch durch ein Gießverfahren hergestellt, d. h. Formen, was bedeutet, dass die Formen ausgelegt werden, bevor die gewünschte (optimale) Orientierung bekannt ist. Folglich liefern die Formen generell nicht die optimale Orientierung des Strömungsprofils relativ zu der Wurzel. Obwohl die optimale Orientierung anschließend an das Testen der ersten Maschine bestimmt ist, werden die Formen generell nicht neu ausgelegt.
Stattdessen werden die weiteren Laufschaufeln unter Verwendung der gleichen Formen gegossen, und die die Wurzeln der gegossenen Laufschaufeln werden maschinell bearbeitet, um die optimale Orientierung einzunehmen. Ein derartiges Bearbeiten, oder Ähnliches, zum Einnehmen einer anderen relativen Orientierung zwischen den Strömungsprofilen und den Wurzeln wird üblicherweise als Staffeln ("staggering") bezeichnet.
Ein Problem beim Staffeln ist, dass es auch zu einer anderen Orientierung für die Laufschaufelplattformen führt. So wie gegossen und vor dem Staffeln gibt es keinen signifikanten axialen Versatz zwischen den Oberflächen von benachbarten Laufschaufelplattformen, jedoch wird beim Staffeln ein axialer Versatz zwischen den gegossenen Gestaltsmerkmalen der Plattformen erzeugt, insbesondere den Gestaltsmerkmalen, die radial gerichtet sind. Während die radial äußeren Oberflächen der Plattformen maschinell erarbeitet werden können, um den Versatz zu eliminieren, werden die radial inneren Oberflächen der Plattformen wegen der Schwierigkeit, die mit einem derartigen Arbeitsschritt verbunden wäre, nicht bearbeitet.
Der axiale Versatz zwischen den radial inneren Oberflächen der Plattformen macht das Abdichten schwieriger. Der traditionelle Ansatz zum Abdichten bei Vorhandensein des Versatzes verwendet flache Dichtungen, die ein dimensionsmäßiges Spiel für das Staffeln haben. Ein derartiger Ansatz führt zu einer geringeren Abstützung der Dichtung und verringert die Fähigkeit der Dichtung, sich an den Oberflächen der Plattform anzuformen. Obwohl man erwarten möchte, dass Zentrifugalkräfte die Dichtung in Übereinstimmung mit den versetzten Plattformoberflächen zwingen, hat man festgestellt, dass es dazu nicht kommt, außer der Versatz ist nicht signifikant. Der Grund dafür ist, dass der Versatz zwischen Oberflächen erfolgt, die sich in einer Radialrichtung erstrecken, und deshalb wird eine erheblich axial gerichtete Kraft statt einer radial gerichteten (zentrifugalen) Kraft benötigt, um die Dichtung in Übereinstimmung mit diesen Oberflächen zu zwingen. Schließlich ergibt sich, dass die traditionelle Dichtung ungeeignet verformt und verdreht ist, was zu einer noch höheren Leckage führt. Folglich wird nach einer Dichtung gesucht, die daran ange passt ist, in der Anwesenheit eines Versatzes zwischen radial inneren Oberflächen von benachbarten Laufschaufelplatformen abzudichten.
Zum Überwinden der vorangehend beschriebenen Probleme liefert die vorliegende Erfindung eine Dichtung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist.
Der Versatz zwischen den dichtenden Unterbereichen sollte vorzugsweise generell zu dem Versatz zwischen den Plattformoberflächen korrespondieren. Eine derartige Dichtung kann eine engere Nähe zu und eine größere Konformität mit den versetzten Oberflächen erzielen als das, was durch frühere Dichtungen erzielt werden konnte. Das liefert auch eine verbesserte Abdichtung und verringerte Leckage. Es liefert auch eine verbesserte Abstützung für die Dichtung, was eine unerwünschte Verformung verringert und somit die Dichtungseffizienz beibehält.
In der bevorzugten Ausführungsform weist die Dichtung zwei Dichtungsbereiche auf, von denen jeder Versatz-Unterbereiche aufweist, so dass die Dichtung sich an gestaffelte benachbarte Laufschaufelplattformen mit zwei Sätzen von Versatzoberflächen anpassen kann, von denen eine an der strömungsaufwärtigen Seite der Plattformen und die andere an der strömungsabwärtigen Seite ist. Der Versatz zwischen den Dichtungs-Unterbereichen ist vorzugsweise erzeugt, indem entweder einer der Unterbereiche dicker als der andere gemacht ist oder indem ein Blech-Abdichtbereich gebogen wird, wodurch beide der Versatz-Unterbereiche im wesentlichen gleiche Dicke haben. Die Dichtung kann mit einem Dämpfer verbunden sein, um eine Kombination aus Dämpfer und Dichtung zu bilden, was eine bessere Positionierung der Dichtung zulässt, aber das Dämpfen nicht negativ beeinflusst, wodurch die Dichtung eine größere radiale Abstützung erhält und eine Abdichtung für einen größeren Bereich des axialen Spalts zwischen den Plattformen schaffen kann.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbinenrotorlaufschaufel und eines Dämpfers und einer ersten Ausführungsform der Dichtung der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Teil-Seitenansicht von Rotorlaufschaufel, Dämpfer und Dichtung von 1;
3 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht von zwei benachbarten Rotorlaufschaufeln in einer gestaffelten Position und dem Dämpfer und der Dichtung von 1;
4 ist eine Schnittansicht in der Richtung von 4-4 der Laufschaufeln von 3 und einem weiteren Paar von benachbarten Rotorlaufschaufeln in einer nicht-gestaffelten Position;
5 ist eine Schnittansicht in der Richtung von 4-4 der Laufschaufeln von 3 und der zwischen diesen installierten Dichtung von 1;
6 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht der Laufschaufeln von 3 mit einer zweiten Ausführungsform der Dichtung der vorliegenden Erfindung, wobei die Dichtung mit einem Dämpfer verbunden ist;
7 ist eine Teilseitenansicht der Laufschaufel von 1 und der Kombination aus Dämpfer und Dichtung von 6;
8 ist eine Schnittansicht in Richtung von 8-8 der Rotorlaufschaufeln von 6 mit der zwischen diesen installierten Kombination aus Dämpfer und Dichtung von 6;
9 ist eine perspektivische Ansicht der Rotorlaufschaufel von 1 und eines Dämpfers und einer dritten Ausführungsform der vorliegende Erfindung;
10 ist eine Teilseitenansicht von Rotorlaufschaufel, Dämpfer und Dichtung von 9;
11 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht der Laufschaufeln von 3 und des Dämpfers und der Dichtung von 9; und
12 ist eine Schnittansicht in der Richtung 12-12 der Laufschaufeln von 11 mit der zwischen diesen installierten Dichtung von 9.
Die Dichtung der vorliegenden Erfindung ist beschrieben mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen zur Verwendung mit einer Hochdruckturbinen-Rotorlaufschaufel der zweiten Stufe des in 1 gezeigten Typs.
Es wird auf 1 Bezug genommen. Eine Turbinenrotorlaufschaufel 13 hat eine strömungsaufwärtige Seite 14, eine strömungsabwärtige Seite 16, eine konkave (Druck-) Seite 18 und eine konvexe (Sog-) Seite 20. Die Laufschaufel 13 hat ein Strömungsprofil 22, welches kinetische Energie von einer Gasströmung 24 erhält. Das Strömungsprofil 22, welches mit einem Kranz versehen sein kann = oder ohne Kranz sein kann, erstreckt sich von einer radial äußeren Oberfläche 26 einer Plattform 28. Die Plattform 28 hat eine radial innere Oberfläche 30, einen Vorderrand 32 und einen Hinterrand 34.
Die Laufschaufel 13 weist ferner ein Paar von Plattformabstützungen 36, 38, eine Hals 40 und eine Wurzel 42 auf. Der Hals 40 ist der Übergang zwischen der Plattform 28 und der Wurzel 42. Die Wurzel 42 ist daran angepasst, in eine Turbinenrotor-Zentralscheibe (nicht gezeigt) eingesetzt zu werden, um die Rotorlaufschaufel an der Scheibe anzubringen. Hier hat die Wurzel 42 einen tannenbaumartige Schnittansicht. Der Hals 40 weist ein Paar von Vorsprüngen 44 (von denen nur einer gezeigt ist) auf, die nachfolgend detaillierter beschrieben und detaillierter gezeigt werden.
Man erkennt, dass die Rotorlaufschaufel 13 eine aus einer Mehrzahl derartiger Laufschaufeln ist, die an der Rotorscheibe (nicht gezeigt) angebracht sind. Die Laufschaufel 13 erstreckt sich radial von der Scheibe, wobei die Wurzel 42 radial innen ist und das Strömungsprofil 22 radial außen ist. Benachbarte Laufschaufelplattformen sind von einem sich axial (in Längsrichtung, d. h. der Rich tung von dem Plattformvorderrand 32 zu dem Plattformhinterrand 34) erstreckenden Spalt getrennt, der die Laufschaufelplattformen davon abhält, einander zu berühren und zu beschädigen. Die Breite dieses Spalts sollte groß genug sein, um die Toleranzen in den körperlichen Abmessungen der Plattformen einschließlich thermischer Ausdehnung aufzunehmen und beträgt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,04 Inch (1 mm).
Unter der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform 28 ist eine Konfiguration aus Dämpfer 46 und Dichtung 48 angeordnet. Der Dämpfer 46 ist ein massives Element, welches daran angepasst ist, eine Laufschaufel-zu-Laufschaufel-Schwingung zu verringern, was folglich individuelle Laufschaufelschwingung verringert. Die Dichtung 48 ist daran angepasst, eine Leckage zu verringern. Der Dämpfer und die Dichtung erstrecken sich über den Spalt zwischen der Plattform 28 und der benachbarten Laufschaufelplattform (nicht gezeigt). Der Dämpfer 46 und die Dichtung 48 sind radial von einem Paar von Vorsprüngen 44 an dem Hals 40 der Laufschaufel 13 abgestützt.
Es wird auf 2 Bezug genommen. Die radial innere Oberfläche 30 der Laufschaufelplattform 28 besitzt einen Dämpfungsbereich 52, einen Übergangsbereich 54 und einen Abdichtbereich 56. Der Dämpfungsbereich 52 besitzt eine im wesentlichen planare Kontur. Der Übergangsbereich 54 weist einen strömungsaufwärtigen und strömungsabwärtigen Ausrundungsausläufer auf und hat im wesentlichen eine gekrümmte Kontur. Der Dichtungsbereich 56 ist generell dort positioniert, wo eine Abdichtung gegen eine Leckage gesucht wird, was für diese Laufschaufel 13 in der Nähe der Plattformabstützungen 36, 38 ist. Bei den meisten Plattformgeometrien ist der Abdichtbereich 56 mit einem Winkel radial nach innen typischerweise mit einem Winkel von etwa 45°, gemessen von der Längsachse, am häufigsten im Bereich von etwa 60° bis 90° angeordnet. Gegen Geometrien am höheren Ende dieses Bereichs, d. h. von etwa 75 bis 90°, ist generell schwieriger abzudichten als gegen die an dem niederen Ende, weil die zur Verfügung stehende Abdichtkraft, d. h. die Komponente der Zentrifugalkraft, die rechtwinklig zu dem Dichtungsbereich gerichtet ist, geringer ist als für Geometrien an dem niedrigen Ende des Bereichs.
Der Dämpfer 46 weist einen Hauptkörper 58 und ein Paar von verlängerten Enden 60 auf. Der Hauptkörper 58 hat eine Dämpfungsoberfläche 62 in Kontakt mit dem Dämpfungsbereich 52 der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform. Die Dämpfungsoberfläche 62 zusammen mit der Zentrifugalkraft und der Masse des Dämpfers 46 und der Dichtung 48 liefern die Reibungskraft, die erforderlich ist, um Schwingung zu dämpfen. Generell bemüht man sich um einen im wesentlichen gleichförmigen Kontakt zwischen den Oberflächen 52, 62.
Die verlängerten Enden 60 haben jeweils ein nahes Ende, welches in den Hauptkörper 58 übergeht, und ein fernes Ende, welches frei ist. Die verlängerten Enden 60, die sich verjüngen, um Spannungen aufzunehmen, verlängern den Dämpfer 60 in die Axialrichtung. Spielräume 64 zwischen den verlängerten Enden 60 und den Übergangsbereichen 54 der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform 28 vermeiden störenden Kontakt zwischen diesen Teilen, um einen gleichförmigen kontinuierlichen Kontakt zwischen der Dämpfungsoberfläche 62 und dem Dämpfungsbereich 52 der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform zu erlauben.
Der Dampfer 46 weist eine radial innere Abstützoberfläche 66 auf, welche sich über die Länge des Dämpfers 46 entgegengesetzt der Dämpfungsoberfläche 62 erstreckt, um für die Dichtung 48 eine Abstützung zu liefern. Der Dämpfer weist ferner ein Paar von Auswüchsen 68 auf, die daran angepasst sind, den Dämpfer 46 relativ zu der benachbarten Rotorlaufschaufel (nicht gezeigt) korrekt positioniert zu halten.
Der Dämpfer sollte ein Material aufweisen und sollte nach einem Verfahren hergestellt sein, was für die hohe Temperatur, den hohen Druck und die hohe Zentrifugalkraft geeignet ist, die in der Turbine angetroffen werden. Es ist ferner wünschenswert, ein Material auszuwählen, welches Kriechen und Korrosion unter derartigen Bedingungen widersteht. Ein Kobaltlegierungsmaterial wie American Metal Specification (AMS) 5382 und eine Herstellung durch Gießen wurden für Hochdruckturbinenbedingungen als geeignet herausgefunden.
Die Dichtung hat einen abgestützten Bereich 70, in körperlichem Kontakt mit der Dämpferabstütztoberfläche 66 und ein Paar von Dichtungsbereichen 72, die daran angepasst sind, gegen den Dichtungsbereich 56 der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform abzudichten. Die Formen der abgestützten und dichtenden Bereiche 70, 72 sind eng an die der Dämpferabstütztoberfläche 66 bzw. des Abdichtbereichs 56 der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform angeformt. Eine gekrümmte Biegung an dem Übergang zwischen dem abgestützten Bereich 70 und dem Dichtungsbereich 72 ist bevorzugt. Vorzugsweise hat die Biegung einen Radius, der größer ist als der des Übergangsbereichs 54 der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform. Um zu den meisten Platfformgeometrien zu passen, erstrecken sich die Dichtungsbereiche 72 typischerweise von dem abgestützten Bereich mit einem Winkel 73 von mindestens 45°, häufiger im Bereich von etwa 60 bis 90°, gemessen von der generellen Ebene 74 des abgestützten Bereichs unter Vernachlässigung jeglicher Biegung an dem Übergang. Die Dichtungsbereiche 72 sind effektiv selbst an dem hohen Ende dieses Bereichs, z. B. von 75 bis 90°, für das Aufnehmen einer generell ähnlich mit einem Winkel angeordneten Plattform.
Jeder der Dichtungsbereiche hat ein nahes Ende, welches in den Abstützbereich 70 übergeht, und ein fernes Ende, welches vorzugsweise frei ist. Die Dichtungsbereiche 72 sind vorzugsweise verjüngt, um Spannung aufzunehmen, und nehmen allmählich in der Dicke von dem nahen Ende zu dem fernen Ende ab. Die fernen Ende der Dichtungsbereiche 72 können abgerundet sein. Man erwartet, dass Zentrifugalkraft die Dichtungsbereiche der Dichtung in engere Nähe zu den Dichtungsoberflächen der Plattform zwingen wird.
Man sollte erkennen, dass die Dicke der Dichtung 48 generell nicht so groß ist wie die des Dämpfers. Das macht die Dichtung flexibler, d. h. weniger steif als den Dämpfer und verstärkt so die Fähigkeit der Dichtung 48, sich an die radial innere Oberfläche der Plattform anzuformen. Jedoch ist in dieser Ausführungsform die Dichtung 48 generell dicker als die traditionellen Dichtungen, die typischerweise aus einem dünnen Metallblech bestehen.
Die Dichtung 48 sollte ein Material aufweisen und sollte mit einem Verfahren hergestellt sein, das geeignet ist für die hohe Temperatur, den hohen Druck und die hohe Zentrifugalkraft, die in der Turbine angetroffen werden. Es ist ferner wünschenswert, ein Material auszuwählen, welches Kriechen und Korrosion unter derartigen Bedingungen widersteht. Die Duktilität oder die Geschmeidigkeit der Dichtung 48 bei erhöhten Temperaturen (etwa 1500° für Hochdruckturbinenanwendungen) nähert sich vorzugsweise der der traditionellen Dichtung, die typischerweise ein Kobaltlegierungsmaterial wie American Metal Specification (AMS) 5608 aufweist und die steifer, weniger geschmeidig bei erhöhten Temperaturen wird. Bei dieser Ausführungsform hat sich ein Kobaltlegierungsmaterial American Metal Specification (AMS) 5382 und eine Herstellung durch Gießen als geeignet herausgestellt. Jedoch kann irgendein anderes geeignetes Material und irgendein anderes geeignetes Herstellungsverfahren, welche dem Fachmann bekannt sind, ebenso verwendet werden.
Es wird auf 3 Bezug genommen. Ein erstes Paar 75 von benachbarten Rotorlaufschaufeln 13 ist gezeigt, von denen jede ein Paar von Vorstehelementen 76 (die man an einer Laufschaufel erkennt) hat, die dazu beitragen, den Dämpfer 46 und die Dichtung 48 in korrekter Position relativ zu der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform und dem Hals 40 zu halten.
Das Paar 75 von Laufschaufeln ist gestaffelt, um die Strömungsprofile 22 relativ zu den Wurzeln 42 optimal zu orientieren. Als Ergebnis des Staffelns sind die Plattformoberflächen an dem Paar 75 von Laufschaufeln voneinander versetzt, was nachfolgend mit Bezugnahme auf die 4 beschrieben wird.
Es wird nun auf 4 Bezug genommen. Ein zweites Paar von Laufschaufeln 77 zeigt die relative Orientierung von benachbarten Laufschaufeln, wie sie anfangs gegossen werden, d. h. ohne Staffeln. Es gibt keinen Versatz zwischen den radial inneren Oberflächen des zweiten Paars 77 von Laufschaufelplattformen, aber die Orientierung der Strömungsprofile 22 (1 bis 3) an dem zweiten Paar 77 relativ zu den Wurzeln 42 (1 bis 3) ist nicht optimal. Das Staffeln des ersten Paar 75 von Laufschaufeln liefert eine optimale Orientierung, führt jedoch zu axialen Versätzen 78, 79 zwischen den radial inneren Oberflächen der Laufschaufelplattformen. Insbesondere kommt es zu einem axialen Versatz 78 zwischen den Dichtungsbereichen 56 der radial inneren Oberflächen 30 ( 1, 2) an der strömungsaufwärtigen Seite 14 (1) der Laufschaufeln 13, und ein weiterer axialer Versatz 79 tritt zwischen den Dichtungsbereichen 56 der radial inneren Oberflächen 30 (1, 2) an der strömungsabwärtigen Seite 16 (1) der Laufschaufeln 13 auf.
Die Größe des Versatzes hängt von der Geometrie und der Größe der Laufschaufeln und dem Maß der Staffelung ab, wobei das Maß der Staffelung typischerweise im Bereich von etwa –4° bis etwa 4° ist. Beispielsweise beträgt, wenn der Laufschaufelhals 40 (1 bis 3) eine axiale Länge von 1,6 Inch (41 mm) hat und das Maß an Staffelung 2° beträgt, die Größe des Versatzes etwa 0,025 Inch (0,64 mm).
Bisher wurden im wesentlichen flache und planare Dichtungen in solchen Situationen verwendet. Man hat jedoch festgestellt, dass die Effizienz von früheren Dichtungen in dem Fall eines Versatzes zwischen den Dichtungsoberflächen von benachbarten Laufschaufelplattformen signifikant verringert ist. Ein derartiger Versatz verringert die Fähigkeit einer planaren Dichtung, sich an die Oberflächen anzuformen und führt zu einer Zunahme der Leckage. Es führt auch zu weniger Abstützung für die Dichtung und macht es wahrscheinlicher, dass die Dichtung eine unerwünschte Verformung erfahren wird, was zu einer noch größeren Leckage führt.
Es wird wieder auf 3 Bezug genommen. Um den Versatz zwischen den Laufschaufeln 75 aufzunehmen, weist jeder Dichtungsbereich 72 zwei axiale Versatz-Unterbereiche 80, 82 auf, von denen jeder eine Abdichtung zu einer zugehörigen radial inneren Oberfläche 30 der benachbarten Plattformen liefert. In dieser Ansicht ist nur einer der Unterbereiche 80, 82 an der Dichtung 48 sichtbar, der andere der Unterbereiche 80, 82 ist vorzugsweise im wesentlichen ähnlich zu den entsprechenden Unterbereichen 80, 82.
Es wird nun auf 5 Bezug genommen. Zum Unterbringen des strömungsaufwärtigen axialen Versatzes 78 (4) erstreckt sich ein Unterbereich 82 an dem strömungsaufwärtigen Dichtungsbereich der Dichtung 48 in die Nähe der strömungsaufwärts am meisten radial inneren Oberfläche. Ähnlich erstreckt sich zum Aufnehmen des strömungsabwärtigen axialen Versatzes 79 (4) ein Unterbereich 82 an dem strömungsabwärtigen Dichtungsbereich der Dichtung 48 in die Nähe der strömungsabwärts am meisten radial inneren Oberfläche. Somit korrespondiert der Versatz zwischen den Dichtungsunterbereichen 80, 82 vorzugsweise mit dem Versatz zwischen dem radial inneren Abdichtbereich 56 der Plattformen. Das wird vorzugsweise bewältigt, indem man den Verlängerten Unterbereiche 82 mit zusätzlicher Dicke vorsieht, verglichen mit den anderen der Unterbereiche 80, so dass die radial äußeren Oberflächen der Unterbereich 80, 82 nicht koplanar sind, d. h. die Dichtungsbereiche 72 sind vorzugsweise konturiert.
Die radial inneren Oberflächen der Unterbereiche 80, 82 sind vorzugsweise im wesentlichen koplanar miteinander gelassen, obwohl ein ähnlicher Versatz zwischen den radial inneren Oberflächen der Unterbereiche 80, 82 die Duktilität der Dichtung erhöhen würde. Wie gezeigt, besitzen die Dichtungsbereiche 72 eine krumm lineare stufenartige Form, jedoch werden andere geeignete Konturen für die Abdichtbereiche 80, 82 dem Fachmann ersichtlich sein. Spielräume 84 zwischen den verlängerten Unterbereichen 82 und der dem anderen der Unterbereiche 80 zugehörigen Plattform vermeiden jeglichen störenden Kontakt zwischen diesen Teilen. Ohne die Spielräume könnte ein störender Kontakt zwischen den verlängerten Unterbereichen 82 und der benachbarten Plattform zur Folge haben, dass die Dichtung relativ zu den radial inneren Oberflächen inkorrekt positioniert wird, und folglich die Dichtungseffizienz verschlechtern.
Der Durchschnittsfachmann sollte erkennen, dass der Dämpfer 46 (1 bis 3) und die Dichtung 48 gekrümmte Gestalt haben, um die Laufschaufel 13 aufzunehmen, Überlegungen, die für die vorliegende Erfindung nicht relevant sind.
Die vorangehend beschriebene Dichtung liefert Dichtungsbereiche, die eine engere Nähe erzielen und die sich viel enger an die Versatzoberflächen der Plattform anformen können. Das verbessert das Abdichten, was Leckage und Verschmutzung verringert und so die Zuverlässigkeit der Turbine erhöht. Das verbessert auch die Abstützung für die Dichtung, was eine unerwünschte Verformung verringert und so die Dichtungseffizienz beibehält.
Es wird auf 6 Bezug genommen. In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht eine Dämpfer- und Dichtungskombination 86 aus einem Dämpferbereich 88 und einem Dichtungsbereich 90, die miteinander auf eine Weise wie beispielsweise durch Hartlöten verbunden sind, oder zur Kostenreduktion integral als ein Stück, beispielsweise durch Gießen, hergestellt sind. Maschinenbearbeiten, Schmieden, Walzen und Pressformen und Kombinationen daraus können ebenso verwendet werden. Die Dämpfungs- und Dichtungs-Bereiche 88, 90 sind ähnlich dem Hauptkörper 58 des Dämpfers 46 bzw. den Dichtungsbereich 72 der Dichtung 48, die vorangehend beschrieben wurden und in den 1 bis 5 gezeigt sind. Jedoch sind, anders die vorangegangenen Konfigurationen, diese Dichtungsbereiche 90 nicht radial innerhalb des Dämpferbereichs 88 angeordnet, sondern erstrecken sich stattdessen radial von den Enden des Dämpferbereichs 88 nach innen. Somit dient der Dämpferbereich als abgeschnittener Bereich für die Dichtungsbereiche 90. Das liefert eine bessere radiale Abstützung für die Dichtung, verglichen mit der durch die erste Ausführungsform gelieferten. Die Dichtungsbereiche 90 weisen axial versetzte Unterbereiche 92, 94 auf, die im wesentlichen ähnlich zu den axial versetzten Unterbereich 80 bzw. 82 (3, 5) sind. Der Dämpferbereich 88 weist eine Dämpferoberfläche 96 und ein erstes Paar von Auswüchsen 98 auf, die ähnlich zu der Dämpfungsoberfläche 62 und dem Paar von Auswüchsen 68 (2, 3) der ersten Ausführungsform sind. Der Dämpfer weist ferner ein zweites Paar von Auswüchsen 100 auf, die dazu beitragen, die Kombination 86 aus Dämpfer und Dichtung in korrekter Position relativ zu der radial inneren Oberfläche 30 und dem Hals 40 der Laufschaufel 13 zu halten.
Es wird nun auf die 7 Bezug genommen. Spielräume 101 zwischen der Kombination 86 und dem Übergangsbereich 54 der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform funktionieren ähnlich denen der, sind aber kleiner als die vorangehenden Spielräume 64 (2) für den Dämpfer 46 (1 bis 5). Kleinere Spielräume erlauben eine bessere radiale Abstützung der Abdichtbereiche 90 und eine effizientere Abdichtung. Wenn die Maschine nicht arbeitet, passt die Kombination aus Dämpfer und Dichtung lose unter die Plattform. Beim Anlassen der Maschine wird eine Berührung zu der radial inneren Oberfläche der Plattform vorzugsweise zuerst durch den Dämpferbereich 88 und dann durch die Dichtungsbereiche 90 realisiert. Die Dichtungsbereiche 90 sollten flexibel genug sein, um eine unerwünschte Wechselwirkung mit den radial inneren Oberflächen 30 zu verhindern, was sonst den Kontakt zwischen der Dämpfungsfläche 96 des Dämpfungsbereichs 88 und dem Dämpfungsbereich 52 der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform stören könnte. Um zu den meisten Plattformgeometrien zu passen, erstrecken sich die Dichtungsbereiche 90 typischerweise von dem Dämpferbereich 88 mit einem Winkel 102 von mindestens 45°, meist im Bereich von etwa 60 bis 90°, gemessen von der generellen Ebene 103 des Dämpferbereichs unter Vernachlässigung irgendwelcher Biegung an dem Übergang. Die Dichtungsbereiche 90 sind selbst an dem hohen Ende dieses Bereichs, d. h. von 75 bis 90°, effizient, um eine generell ähnlich mit einem Winkel angeordnete Plattform aufzunehmen.
Es wird nun auf 8 Bezug genommen. Die Dichtungsunterbereiche 92, 94 nehmen den radialen Versatz 78, 79 (4) zwischen den Dichtungsbereichen 56 der. Laufschaufelplattform auf. Spielräume 84 vermeiden störenden Kontakt, wie vorangehend mit Bezugnahme auf 6 beschrieben. Wie bei der ersten Ausführungsform liefert die Kombination aus Dämpfer und Dichtung Dichtungsbereiche, die eine engere Nähe erzielen und enger an die versetzten Oberflächen der Plattformen anformen können. Das verbessert die Abdichtung, was Leckage und Verschmutzung verringert und so die Zuverlässigkeit der Turbine erhöht. Es verbessert auch die Abstützung für die Dichtung, was eine unerwünschte Verformung verringert und erhält so die Dichtungseffizienz aufrecht.
Es wird nun auf 9 und 10 Bezug genommen. In einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ein Dämpfer 104 und eine Dichtung 106 ähnlich dem Dämpfer 46 und der Dichtung 48 der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass die Dichtung 106 aus einem dünnen Metallblech, vorzugsweise ein Kobaltlegierungsmaterial, beispielsweise American Metal Specification (AMS) 5608 besteht und mit einem Laser zu einem flachen Muster ge schnitten ist. Ein Stempel und eine Form werden dann verwendet, um den Rest der Dichtungsgestalt zu formen.
Die Dichtung 106 hat einen abgestützten Bereich 108 und ein Paar von Dichtbereichen 110. Der Dämpfer 104 hat einen Hauptkörper 112, eine Dämpfungsoberfläche 114, verlängerte Enden 116, eine Abstützoberfläche 117 und ein Paar von Auswüchsen 118. Um zu den meisten Plattformgeometrien zu passen, erstrecken sich die Dichtungsbereiche 110 typischerweise von dem abgestützten Bereich 108 mit einem Winkel 119 von mindestens 45°, am häufigsten im Bereich von etwa 60 bis 90°, gemessen von einer generellen Ebene 120 des abgestützten Bereichs, irgendwelche Biegungen an dem Übergang vernachlässigend. Die Dichtungsbereiche 110 sind effektiv selbst an dem hohen Ende dieses Bereichs, d. h. von 75 bis 90°, um eine generell ähnlich mit einem Winkel angeordnete Plattform aufzunehmen.
Es wird nun auf 11 Bezug genommen. Versetzte Dichtungsunterbereiche 121, 122 sind vorzugsweise durch Biegen geformt und haben eine im wesentlichen gleiche Dicke. Obwohl es für die vorliegende Erfindung nicht relevant ist, liefert ein Vorsprung 124 von dem abgestützten Bereich 108 vorzugsweise eine körperliche Störung, wenn die Dichtung 106 nicht korrekt installiert ist, z. B. wenn die Dichtung 106 zwischen dem Dämpfer 104 und der radial inneren Oberfläche 30 der Plattform installiert ist; wenn jedoch der Dämpfer und die Dichtung korrekt installiert sind, gelangt der Vorsprung 124 nicht an die Dämpfungsfläche 52 und stört somit das Dämpfen nicht. Die Dichtung 106 hat vorzugsweise ein Positionierelement 126, im vorliegenden Fall eine Kerbe oder einen bogenförmigen Ausschnitt, was mit den Vorstehelementen 76 eine Zwischenfläche bildet, um die Dichtung 48 in der gewünschten axialen Position zu halten.
Es wird nun auf 12 Bezug genommen. Die versetzten Dichtungsunterbereiche 121, 122 nehmen den axialen Versatz 78, 79 (4) der Dichtungsbereiche 56 der Plattformen auf. Wie gezeigt, haben die Dichtungsbereiche 110 eine Biegung mit einer krumm linearen stufenartigen Form, jedoch werden dem Fachmann andere geeignete Konturen einschließlich, jedoch nicht beschränkt darauf, einer hakenartigen Gestalt erkenntlich sein. Spielräume 128 zwischen den verlängerten Dichtungsunterbereichen 122 und der dem anderen der Unterbereiche 121 zugehörigen Plattform vermeiden jeglichen störenden Kontakt zwischen diesen Teilen.
Wie bei der ersten und der zweiten Ausführungsform erzielt die Dichtung 106 eine engere Nähe und kann enger an die versetzten Oberflächen der Plattform angeformt sein. Das verbessert das Abdichten, was Leckage und Verschmutzung verringert und so die Zuverlässigkeit der Turbine erhöht. Es verbessert auch die Abstützung für die Dichtung, was unerwünschte Verformung verringert und so die Dichtungseffizienz beibehält.
Obwohl die Dichtung der vorliegenden Erfindung mit zwei ähnlichen Dichtungsbereichen beschrieben ist, von denen jeder voneinander versetzte Unterbereiche aufweist, erfordern manche Anwendungen möglicherweise lediglich einen Dichtungsbereich oder mehr als zwei Dichtungsbereiche. Außerdem müssen die Dichtungsbereiche nicht ähnlich sein, möglicherweise hat z. B. einer der Dichtungsbereiche keine versetzten Unterbereiche, oder er kann mehr versetzte Unterbereiche als der andere haben. Außerdem können die Dichtungsbereiche an einer Dichtung mit irgendeiner geeigneten Gestalt verwendet werden, obwohl die Dichtung der vorliegenden Erfindung mit einem im wesentlichen Planaren abgestützten Bereich gezeigt ist.
Obwohl zusammen mit einem Dämpfer gezeigt, kann die Dichtung der vorliegenden Erfindung mit einem anderen Dämpfer oder sogar ohne Dämpfer verwendet werden, wobei die Dichtung radial von der Laufschaufelplattform abgestützt wäre. Außerdem kann die Dichtung irgendwo positioniert werden und in irgendeiner geeigneten Weise orientiert werden, einschließlich radial außerhalb eines Dämpfers. Irgendeine geeignete Einrichtung kann verwendet werden, um die Dichtung in Position zu halten.
Der Fachmann sollte auch erkennen, das, obwohl die Dichtung zur Verwendung mit gestaffelten radial inneren Oberflächen beschrieben ist, die axial voneinander versetzt sind, andere Typen von geradlinigen und/oder winkelmäßigen Versätzen ebenso durch die vorliegende Erfindung aufgenommen werden können. Derartige Versätze sind nicht auf Versätze beschränkt, die sich aus dem Staffeln der Laufschaufeln ergeben. Außerdem muss der Versatz zwischen den Dichtungsunterbereichen nicht exakt zu dem Versatz zwischen den radial inneren Dichtungsoberflächen der Plattform korrespondieren. Tatsächlich wird, wenn die Dichtung durch Gießen gebildet wird, eine Fehlanpassung von etwa 0,015 Inch (0,375 mm) in Folge der Herstellungsungenauigkeit erwartet. Eine Verbesserung, wenn auch geringe, kann erzielt werden, solange etwas generelle Übereinstimmung bei den Versätzen ist. Abhängig von der Größe des Versatzes und der Anwendung muss die Korrespondenz lediglich 50% oder 25% oder möglicherweise weniger betragen, um eine adäquate Dichtungsleistung zu erzielen.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen zur Verwendung in einer Hochdruckturbinenanwendung der zweiten Stufe beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden. Die vorliegende Erfindung kann passend für andere Anwendungen angepasst werden einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, auf andere Turbinenanwendungen mit anderen Laufschaufel- und Plattformgeometrien, als die beschriebenen. Man erkennt, dass verschiedene Modifikationen der vorangehenden Ausführungsformen sowie zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung den Fachleuten nach Bezugnahme auf die vorliegende Beschreibung ersichtlich werden, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie in den hier angeschlossenen Ansprüchen wiedergegeben ist, abzuweichen.

Claims

Dichtung zum Abdichten zwischen benachbarten Laufschaufelplattformen von Rotorlaufschaufeln in einer Gasturbinenmaschine mit einer Längsachse, wobei jede Laufschaufel eine Plattform (28) mit einer strömungsaufwärtigen Seite und einer strömungsabwärtigen Seite aufweist, wobei die radial innere Oberfläche (30) der Plattform einen Dichtungsbereich (56) aufweist, der nach innen mit einem Winkel angeordnet ist, wobei die Dichtung einen Bereich aufweist, der in einer Ebene liegt, und mindestens einen Dichtungsbereich (72; 90; 110), der sich radial von der Ebene nach innen erstreckt und mindestens zwei Unterbereiche (80, 82; 92, 94; 121, 122) hat, die in Längsrichtung voneinander versetzt sind, zum Aufnehmen mindestens teilweise eines Längsversatzes zwischen den benachbarten Laufschaufelplattformen und zum Abdichten mit dem Dichtungsbereich einer zugehörigen der versetzten benachbarten radial inneren Plattformoberflächen.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei es zwei Dichtungsbereiche (72; 90; 100) gibt, von denen einer ein strömungsaufwärtiger Dichtungsbereich zum Abdichten radial innerer Oberflächen an der strömungsaufwärtigen Seite der benachbarten Plattformen (28) ist, und der andere der zwei Dichtungsbereiche ein strömungsabwärtiger Dichtungsbereich zum Abdichten radial innerer Oberflächen an strömungsabwärtigen Seiten der benachbarten Plattformen (28) ist.
Dichtung nach Anspruch 2, wobei jeder der zwei Dichtungsbereiche (72; 90; 100) zwei Unterbereiche (80, 92; 92, 94; 121, 122) hat.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Dichtungsbereich (72; 90; 110) eine Kontur hat, die im wesentlichen stufenartig ist.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei einer (82; 94) der mindestens zwei Unterbereiche (80, 82; 92, 94) wesentlich dicker als der andere (80; 92) ist.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Unterbereiche (121, 122) im wesentlichen die gleiche Dicke wie der jeweils andere haben und wobei der Dichtungsbereich (110) eine gebogene Kontur zwischen den Unterbereichen hat.
Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend = einen abgestützten Bereich (70; 108), der in der Ebene liegt und wobei der mindestens eine Dichtungsbereich (72; 90; 110) von der Ebene mit einem Winkel von mindestens 45° weg geht.
Dichtung nach Anspruch 7, wobei der Winkel von 60° bis 90° beträgt.
Dichtung nach Anspruch 8, wobei der Winkel von 75° bis 90° beträgt.
Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Versatz zwischen den Unterbereichen (80, 92; 92, 94, 121; 122) im Bereich von etwa 1,010 Inch bis etwa 0,040 Inch (0,25 bis 1 mm) ist.
Dämpfer (46) zum Dämpfen von Schwingung zwischen den Laufschaufeln einer Turbine, aufweisend eine Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Gasturbinenmaschinen-Anordnung, aufweisend benachbarte Rotorlaufschaufeln, wobei jede Laufschaufel eine Plattform (28) mit einer strömungsaufwärtigen Seite und einer strömungsabwärtigen Seite hat, wobei die radial innere Oberfläche (30) der Plattform einen Dichtungsbereich (56) hat, der nach innen mit einem Winkel angeordnet ist, und eine Dichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die angeordnet ist, um mindestens zum Teil einen Längsversatz zwischen den benachbarten Laufschaufelplattformen aufzunehmen und zu dem Dichtungsbereich einer zugehörigen der versetzten benachbarten radial inneren Plattformoberflächen abzudichten.