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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Dämpfungselement (Reibdämpfer)
mit Dichtungsfunktion für Turbinenlaufschaufeln.
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Aus
EP 0 774 048 B1 und
US 4,765,436 B sind
Dämpfungselemente für Turbinenlaufschaufeln bekannt,
die unterhalb der Plattformen zweier angrenzender Laufschaufeln
angeordnet sind, die mit je einem Schaufelfuß im Scheibenrad
der Turbine gesichert sind.
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Die
Konstruktion dieser, auch Reibdämpfer genannten Dämpfungselemente
(cottage-roof-damper) für Turbinenlaufschaufeln erfolgt
bisher unter Berücksichtigung der Reibkräfte sowie
der Abdichtung gegen Heißgaseintritt aus dem Bereich oberhalb
der Plattformen in das mit Kühlluft betriebene Sekundärluftsystem
unterhalb der Plattformen. Die Reibdämpfer sind üblicherweise
im Zwischenraum zwischen den Schaufelhälsen unter den Plattformen zweier
benachbarter Laufschaufeln angeordnet. Es gibt unterschiedliche
Ausführungsformen des Querschnitts der Reibdämpfer,
da der Querschnitt an die jeweilige Schaufelgeometrie angepasst
sein muss. So gibt es symmetrische und auch unsymmetrische Querschnittsformen
von Reibdämpfern. Die Wirkungsweise der Reibdämpfer
basiert auf einem weitestgehend vollflächigen oder durchgehend
linienförmigen Kontakt (
US 4,765,436 B oder
US 5,228,835 A ) mit den Plattformen
der Laufschaufeln. Zur Vermeidung des Eindringens von Heißgas
vom Hauptkanal oberhalb der Plattformen in das Sekundärluftsystem
unterhalb der Plattformen, strömt die Kühlluft unter
einem gegenüber dem Druck des Heißgases im Hauptkanal
höherem Druck in den Zwischenraum, der von den beiden benachbarten
Schaufelhälsen begrenzt ist und sich unter dem Reibdämpfer
befindet.
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Zum
einen wird die Luft in radialer Richtung durch die Schaufelblätter
abgeleitet, um diese von innen zu kühlen. Die anströmende
Kühlluft wird zum anderen zur Kühlung der Schaufel-
und Scheibenoberflächen in dem Zwischenraum unterhalb der Schaufelplattformen
genutzt. Während der Kühlluftstrom dort durch
den kleinen Spalt zweier benachbarter Laufschaufeln entweicht, wird
er abgebremst.
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Da
die Strömung an den Rändern des Zwischenraumes
stagniert, kommt es zu Ablagerungen von in der Kühlluft
mitgeführten Staub- oder Abrasivteilchen an den Oberflächen
des Schaufelhalses unterhalb der Schaufelplattformen. Durch vermehrte Ablagerung
dieser fremden Teilchen, auch schädlichen Chemiepartikeln,
und im Zusammenwirken mit den Materialien der eventuell auf den
Schaufelgrundwerkstoff aufgebrachten Schutzschicht, verringert sich
die Lebensdauer dieser Schutzschicht erheblich und führt
anschließend zu überdurchschnittlicher Korrosion
des Schaufelgrundwerkstoffes. Infolge dessen kommt es an dieser
Stelle zum Anriss und zur Rissausbreitung im Grundwerkstoff unter
den hohen Fliehkräften, denen die Laufschaufeln im Betrieb ausgesetzt
sind, wodurch es zum Schaufelbruch kommen kann. Ein Schaufelbruch
an dieser Stelle verursacht aufgrund der hohen kinetischen Energie meistens
auch einen Kettenbruch aller anderen Laufschaufeln.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ablagerung von Staub-
oder Abrasivteilchen auf den Oberflächen des Schaufelhalses
unter der Plattform der Turbinenlaufschaufeln zu verringern.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass in
den Reibungsflächen zwischen dem Reibdämpfer und
der Schaufelplattform in radialer Richtung verlaufende Staubkanäle
im Reibdämpfer angeordnet sind. Die Staubkanäle
sind Vertiefungen zwischen den Reibungsflächen des im Reibdämpfers
und bilden bei planmäßigem Kontakt des Reibdämpfers
mit den Plattformen der Laufschaufeln mehrere durchgehende radiale
Staubkanäle entlang der Unterseite der Schaufelplattformen und
entlang des Reibdämpfers, womit die Staub- und Abrasivteilchen
bzw. die schädlichen Chemiepartikel aus dem Zwischenraum
unter den Schaufelplattformen unter Fliehkräften und der
Druckdifferenz in radialer Richtung in den Heißgaskanal
oberhalb der Schaufelplattformen geschleudert werden. Der Querschnitt
der Staubkanäle, insbesondere die Geometrie der von Schaufelplattform
und Reibdämpfer gebildeten Eintritts- und Austrittsöffnungen,
und der Abstand zwischen den Staubkanälen werden unter
Berücksichtigung der Wirkung der Fliehkräfte,
der Dichtung gegen Heißgaseintritt und des Einflusses auf
das Luftsystem zweckmäßig ausgebildet. Die Ausbildung der
Konturen und die Anzahl der Staubkanäle werden hinsichtlich
des Strömungsverhaltens und der Geometrie des Schaufelhalses
optimiert. Grundsätzlich können gerade Kanten
für die Staubkanäle gewählt werden, weil
dies fertigungstechnisch einfacher herzustellen ist. Bei gegossenen
Reibelementen sind auch geschwungene Konturen fertigungstechnisch einfach
ausführbar. Wesentlich für die Konstruktion der
Reibdämpfer ist der sich in Strömungsrichtung konisch
verjüngende Querschnitt der Staubkanäle, der bei
konstanter Durchflussmenge zu einer Beschleunigung der Kühlluft
und der mitgeführten Abrasivteilchen führt. Dies
verhindert ein Blockieren der Staubkanäle und minimiert
zugleich das Risiko eines Heißgaseintrittes. Durch eine
solche Konstruktion des Reibelementes bleibt die Dämpfungs-
und Dichtungswirkung weitestgehend unbeeinflusst.
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Die
Verringerung von Ablagerungen der fremden, schädlichen
Chemiepartikel am Schaufelhals im Bereich unterhalb der Plattform
und des Reibdämpfers vermindert die Intensität
des Korrosionsangriffes in Zusammenwirkung mit der Schutzschicht der
Laufschaufel und verzögert den Beginn des korrosiven Angriffes
auf den Grundwerkstoff der Laufschaufel. Damit sind eine Erhöhung
der Lebensdauer einer vorhandenen Korrosionsschutzschicht und des Materials
der Laufschaufel verbunden. Weiterhin kann lokal eine dünnere
Korrosionsschutzschicht akzeptiert werden, wodurch prozesstechnische
Erleichterungen und Kostenreduktionen beim Aufbringen der Korrosionsschutzschicht
bewirkt werden.
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Mit
der Erfindung wird das Luftsystem dahingehend genutzt, um eine Stagnation
der Sekundärluft unter dem Reibelement aufzuheben und die
Sekundärluft durch die Staubkanäle abzuführen.
Damit werden eine Ansammlung des Staubes und dessen Ablagerung vermieden.
Der Staub und insbesondere schädliche Chemiepartikel, wie
z. B. Schwefel, werden kontinuierlich abgeführt.
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Das
erfindungsgemäße Dämpfungselement (Reibdämpfer)
mit Dichtungsfunktion für Turbinenlaufschaufeln wird in
den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
prinzipiellen Längsschnitt durch ein Dreiwellentriebwerk,
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2 einen
partiellen Querschnitt durch das Triebwerk mit der Anordnung der
Reibdämpfer im Zwischenraum zwischen zwei benachbarten
Laufschaufeln gemäß Detail X in 1,
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3 einen
partiellen Längsschnitt durch das Scheibenrad und eine
daran befestigte Laufschaufel des Triebwerkes gemäß Detail
X in 1,
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4 eine
3D-Ansicht eines Reibdämpfers mit Staubkanälen
unterhalb der Schaufelplattform und
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5a,
b Konstruktionszeichnungen von Reibdämpfern mit Staubkanälen
a) mit symmetrischem und b) mit unsymmetrischem Querschnitt.
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Die 1 zeigt
in einem prinzipiellen Längsschnitt durch ein Dreiwellentriebwerk
eines Flugzeugtriebwerkes 1 mit Kompressor 2,
Brennkammer 3, Laufschaufeln 4 und Scheibenrad 5.
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Die 2 zeigt
in einem partiellen Querschnitt durch das Scheibenrad 5 des
Triebwerks gemäß Detail X in 1 drei
nebeneinander angeordnete Laufschaufeln 4, die jeweils
mit einer Schaufelplattform 6, einem Schaufelhals 7 und
einem tannenbaumförmigen Schaufelfuß 9 versehen
und die in bekannter Weise in das Scheibenrad 5 eingesetzt
sind. Zwischen den Schaufelfüßen 9 und
den Schaufelplattformen 6 sind im Bereich der Schaufelhälse 7 Zwischenräume 8 gebildet,
in denen Reibdämpfer 10 angeordnet sind, die auch
der Abdichtung der Spalten 19 zwischen den Schaufelplattformen 6 dienen. Die
Schaufelblätter 20 der Laufschaufeln 4 können radial
außen von Deckbändern 18 umgeben sein.
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Die 3 zeigt
in einem partiellen Längsschnitt durch das Scheibenrad 5 und
eine daran befestigte, im Heißgaskanal 11 angeordnete
Laufschaufel 4 des Triebwerkes gemäß dem
Detail X in 1, dass Kühlluft 12 als
Sekundärluft unter hohem Druck vom Scheibenrad 5 her
anströmt. Zum einen wird die anströmende Kühlluft 12 als
Kühlluftstrom 14 zur internen Kühlung
des Schaufelblattes 20 genutzt und in radialer Richtung
innerhalb der Schaufelblätter 20 abgeleitet. Die
anströmende Kühlluft 12 wird zum anderen
zur Kühlung der Oberflächen der Laufschaufeln 4 und
des Scheibenrades 5 unterhalb der Schaufelplattformen 6 im
Zwischenraum 8 genutzt. Der wesentliche Strömungspfad
ist als verwirbelter Kühlluftstrom 13 im Zwischenraum 8 dargestellt.
Zur Vermeidung des Eindringens von Heißgas vom Heißgaskanal 11 oberhalb
der Schaufelplattformen 6 ins Sekundär luftsystem
unterhalb der Schaufelplattformen 6 strömt die
zugeführte Kühlluft unter einem höheren
Druck ein, als der Druck des Heißgases im Heißgaskanal 11,
was als Dichtung dient. Im Zwischenraum 8 wird der strömende
Kühlluftstrom 13 abgebremst, wie es durch den
kreisförmigen Pfeil des Kühlluftstromes 13 dargestellt
ist, bevor dieser durch den Spalt 19 in den Heißgaskanal 11 entweicht.
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Da
die Strömung des Kühlluftstromes 13 im Zwischenraum 8 an
dessen Raumrändern stagniert, kommt es im Zwischenraum 8 zu
Ablagerungen 15 von in der Kühlluft 12 mitgeführten
Staub- oder Abrasivteilchen. Dies ist in 3 durch
den gepunkteten Bereich unterhalb der Schaufelplattform 6 dargestellt.
Durch vermehrte Ablagerungen der fremden, teilweise schädlichen
Chemiepartikel und im Zusammenwirken mit den Materialien einer eventuell
auf dem Grundwerkstoff der Laufschaufel 4 aufgebrachten
Schutzschicht verringert sich die Lebensdauer der Schutzschicht
erheblich. Auch führt dies zu überdurchschnittlicher
Korrosion des Grundwerkstoffes der Laufschaufeln 4. Infolgedessen
kann es an dieser Stelle zum Anriss und zur Rissausbreitung im Grundwerkstoff
der Laufschaufeln 4 unter dem Einfluss hoher, auf diese
einwirkender Fliehkräfte kommen. Die Folge ist ein Bruch
der Laufschaufeln 4 an dieser beanspruchten Stelle. Ein
Schaufelbruch an dieser Stelle verursacht aufgrund der hohen kinetischen
Energie meistens einen Kettenbruch aller anderen Laufschaufeln 4.
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Um
die Ablagerungen 15 auf der Oberfläche des Schaufelhalses 7 im
Zwischenraum 8 unterhalb des Reibdämpfers 10 zu
vermeiden, sind gemäß 4 an den
Reibungsflächen 22 des Reibdämpfers 10 in
radialer Richtung zur Laufschaufel 4 verlaufende Staubkanäle 16 angeordnet.
Die Staubkanäle 16 sind als Vertiefungen in der
Reibungsfläche 22 des Reibdämpfers 10 in
Strömungsrichtung der aus dem Zwischenraum 8 entweichenden
Kühlluft konisch ausgebildet und bilden bei planmäßigem Kontakt
des Reibdämpfers 10 mit den Schaufelplattformen 6 der beiden
zugeordneten Laufschaufeln 4 mehrere durchgehende radiale
Staubkanäle 16 entlang der Unterseite der Schaufelplattformen 6 und
entlang des Reibdämpfers 10, womit die Ablagerungen 15,
d. h. die Staub- und Abrasivteilchen bzw. die schädlichen
Chemiepartikel aus dem Zwischenraum 8 unter den Schaufelplattformen 6 unter
Fliehkräften und unter der Druckdifferenz in radialer Richtung
durch die Spalte 19 zwischen den Schaufelplattformen 6 benachbarter
Laufschaufeln 4 in den Heißgaskanal 11 oberhalb
der Schaufelplattformen 6 geschleudert werden.
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Die 5a,
b zeigt Konstruktionszeichnungen von Reibdämpfern 10 mit
Staubkanälen 16 mit symmetrischem Querschnitt
bzw. mit unsymmetrischem Querschnitt.
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Die 5a zeigt
eine Ansicht auf die Längsseite des symmetrischen Reibdämpfers 10 mit
neun dachförmigen Reibungsflächen 22,
die durch jeweils einen konisch verlaufenden Staubkanal 16 (insgesamt
acht) gebildet werden. Die Querschnitte AA in der Reibungsfläche 22 und
die Querschnitte BB in den Staubkanälen 16 sind
darunter dargestellt. Der Querschnitt AA zeigt die Breite k1 der
Basis, die Höhe h1 und den Schrägungswinkel γ1
im Bereich der Reibungsflächen 22 des Reibdämpfers 10 sowie in
gestrichelten Linien die Kontur des Staubkanals 16. Der
Querschnitt BB zeigt die verminderte Breite k2 der Basis im Bereich
des Staubkanals 16, die verminderte Höhe h2 und
den steileren Schrägungswinkel γ2 im Bereich des
Staubkanals 16. Die Teilung g zeigt den Teilungsabstand
von Reibungsflächen 22 und Staubkanälen 16 an.
Diese haben im Bereich der Basis einen Neigungswinkel α gegen
die Vertikale und im oberen, die Austrittsöffnungen 17 bildenden Bereich
einen Neigungswinkel β. Wie es aus der Ansicht und den
beiden Querschnitten AA, BB gemäß 5a ersichtlich
ist, sind die Kanten der Staubkanäle 16 gerade
und der Reibdämpfer 10 symmetrisch ausgebildet.
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Die 5b zeigt
eine Ansicht auf die rückwärtige Längsseite
des unsymmetrischen Reibdämpfers 10 mit neun rückwärtigen
Reibungsflächen 21, die durch jeweils einen konisch
verlaufenden Staubkanal 16 (insgesamt acht) gebildet werden.
Die Querschnitte CC in den Reibungsflächen 21 und
die Querschnitte DD in den Staubkanälen 16 sind
darunter dargestellt. Der Querschnitt CC zeigt die Breite k1 der
Basis, die Höhe h1 und den Schrägungswinkel γ1 im
Bereich der rückwärtigen Reibungsflächen 21 sowie
in gestrichelten Linien die Kontur des Staubkanals 16.
Wie es ein Vergleich der beiden Querschnitte CC und DD aufzeigt,
ist die rückwärtige Reibungsfläche 21 des
unsymmetrischen Reibdämpfers 10 rechtwinklig zur
Basis mit der Breite k1 ausgerichtet, wohingegen die vordere Reibungsfläche 22 gemäß Querschnitt
CC ähnlich wie die Reibungsflächen 22 des
symmetrischen Reibdämpfers 10 nach 5a ausgebildet
ist. Der Querschnitt DD zeigt die verminderte Breite k2 der Basis
im Bereich des Staubkanals 16. Dieser ist auf der rückwärtigen
Reibungsfläche 21 unter dem Winkel γ3
angeschrägt. Auf der vorderen Reibungsfläche 22 ist
die Tiefe k3 des Staubkanals 16 angegeben. Die Teilung
g zeigt den Teilungsabstand von benachbarten Reibungsflächen 21 und 22 bzw.
Staubkanälen 16 an. Diese haben auf der rückwärtigen
Reibungsfläche 21, ausgehend vom Bereich der Basis,
einen bis zu den Austrittsöffnungen 17 durchgehenden
Neigungswinkel α gegen die Vertikale. Wie es die Ansicht
und die beiden Querschnitte CC und DD gemäß 5b zeigen,
sind die Kanten der Staubkanäle 16 gerade und
der Reibdämpfer 10 unsymmetrisch ausgebildet.
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Der
Querschnitt der konischen Staubkanäle 16, insbesondere
die Geometrie der von der Schaufelplattform 6 und dem Reibdämpfer 10 gebildeten Austrittsöffnungen 17 und
der Abstand zwischen den Staubkanälen 16 bzw.
deren Teilungsabstand, werden unter Berücksichtigung der
Wirkung der Fliehkräfte, der Dichtung gegen Heißgaseintritt
und des Einflusses auf das Luftsystem zweckmäßig
ausgebildet. Die in 5 dargestellte
Ausbildung der Konturen und Anzahl der Staubkanäle 16 sind
hinsichtlich des Strömungsverhaltens zu optimieren. Grundsätzlich
werden gerade Kanten für die Staubkanäle 16 gewählt,
weil diese fertigungstechnisch einfacher herzustellen sind. Bei
gegossenen Reibdämpfern 10 sind auch geschwungene
Konturen fertigungstechnisch einfach ausführbar. Wesentlich
für die Konstruktion der Reibdämpfer 10 ist
der sich in Strömungsrichtung verjüngende, konische
Querschnitt der Staubkanäle 16, der bei konstanter
Durchflussmenge zu einer Beschleunigung der Luft und der mitgeführten
Abrasivteilchen führt. Dies verhindert ein Blockieren der
Staubkanäle 16 und minimiert zugleich das Risiko
eines Heißgaseintrittes in den Zwischenraum 8.
Durch eine solche Konstruktion des Reibdämpfers 10 bleibt
die Dämpfungs- und Dichtungswirkung weitestgehend unbeeinflusst.
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Die
Verringerung von Ablagerungen 15 der fremden, schädlichen
Chemiepartikel am Schaufelhals 7 im Bereich unterhalb der
Plattform 6 vermindert die Intensität des Korrosionsangriffes
in Zusammenwirkung mit der Schutzschicht der Laufschaufel 4 und
verzögert den Beginn des korrosiven Angriffes auf den Grundwerkstoff
der Laufschaufel 4. Damit ist eine Erhöhung der
Lebensdauer einer vorhandenen Korrosionsschutzschicht und des Materials
der Laufschaufel 4 verbunden. Weiterhin kann lokal eine
dünnere Korrosionsschutzschicht akzeptiert werden, wodurch
prozesstechnische Erleichterungen beim Aufbringen der Korrosionsschutzschicht
bewirkt werden.
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Mit
der Erfindung wird das Luftsystem genutzt, um eine Stagnation der
Sekundärluft unter dem Reibdämpfer 10 aufzuheben
und die Sekundärluft durch die Staubkanäle 16 abzuführen.
Damit werden eine Ansammlung des Staubes und dessen Ablagerung verringert.
Der Staub und insbesondere schädliche Chemiepartikel, wie
z. B. Schwefel, werden kontinuierlich abgeführt.
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- 1
- Flugzeugtriebwerk
- 2
- Kompressor
- 3
- Brennkammer
- 4
- Laufschaufel
- 5
- Scheibenrad
- 6
- Schaufelplattform
- 7
- Schaufelhals
- 8
- Zwischenraum
- 9
- Schaufelfuß
- 10
- Reibdämpfer
- 11
- Heißgaskanal
- 12
- Kühlluft
- 13
- Kühlluftstrom
(um den Schaufelhals 7)
- 14
- Kühlluftstrom
(durch die Laufschaufel 4)
- 15
- Ablagerungen
- 16
- Staubkanal
- 17
- Austrittsöffnung
- 18
- Deckband
- 19
- Spalt
- 20
- Schaufelblatt
- 21
- rückwärtige
Reibungsfläche
- 22
- Reibungsfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0774048
B1 [0002]
- - US 4765436 B [0002, 0003]
- - US 5228835 A [0003]