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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, sie 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 Reibdampfer, 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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Aus der
EP 1 452 694 B1 ist es zur Verhinderung einer Überhitzung und einer daraus resultierenden Rissbildung im Bereich der Plattformen bekannt, bei Dämpfungs- und Dichtungselementen zwischen benachbarten Plattformen von Turbinenlaufschaufeln Kühlluftkanäle an deren Berührungsflächen mit den Plattformen anzuordnen.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2005 054 823 A1 ein Dichtungsstift mit kontrollierter Leckage und Schwingungsdämpfer für aktive Kühlung und Spülung von Schaufelblattschlitzflächen bekannt, welcher an gegenüberliegenden Seiten zueinander versetzt angeordnete, ringsegmentförmige Vertiefungen bzw. Kanäle zur Förderung eines Kühlluftstroms aufweist.
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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 Reibdampfer und der Schaufelplattform in radialer Richtung verlaufende Staubkanäle im Reibdämpfer angeordnet sind. Die Staubkanäle sind Vertiefungen zwischen den Reibungsflächen des Reibdämpfers und bilden bei planmäßigem Kontakt des Reibdämpfers mit den Plattformen der Laufschaufeln mehrere durchgehende radiale Staubkanale 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 Eintritte- und Austritisöffnungen, 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 soch in Strömungsrichtung konisch verjüngende Querschnitt der Staubkanäle, der bei konstanter Durchflussmenge zu einer Beschleunigung der Kühlluft und der mitgeführten Abras:v-teilchen führt. Dies verhindert ein Blockieren der Staubkanale 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:
- 1 einen prinzipiellen Längsschnitt durch ein Dreiwellentriebwerk,
- 2 einen partiellen Querschnitt durch das Triebwerks mit der Anordnung der Reibdämpfer im Zwischenra im zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln gemäß Detail X in 1,
- 3 einen partiellen Längsschnitt durch das Scheibenrad und eine daran befestigte Laufschaufel des Triebwerkes gemäß Detail X in 1,
- 4 eine 3D-Ansicht eines Reibdämpfers mit Staubkanälen unterhalb der Schaufelplattform und
- 5 a, 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 bekannt er Weise in das Scheibenrad 5 eingesetzt sind. Zwischen :en Schaufelfüßen 9 und den Schaufelplattformen 6 sind im Bereich der Schaufelhälse 7 Zwischenräume 8 gebildet, in deren Reibdämpfer 10 angeordnet sind, die auch der Abdichtung :er Spalten 19 zwischen den Schaufelplattformen 6 dienen. :ie 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 anströmerde 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 Laufschaufelin 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 Sekundarluftsystem 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 gepunkte:en 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 nur Rissausbreitung im Grundwerkstoff der Lauf schaufeln 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 geschlsudert werden.
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Die 5 a, 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 Längssente 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 Reibungsflä:he 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 hinsichtl .ch des Strömungsverhaltens zu optimieren. Grundsätzlich wezden 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 Strömungserichtung 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 Korrosionsangriftes 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 auf ruheben 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 kontinuierl: ch abgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Flugzeugtriebwerk
- 02
- Kompressor
- 03
- Brennkammer
- 04
- Laufschaufel
- 05
- Scheibenrad
- 06
- Schaufelplattform
- 07
- Schaufelhals
- 08
- Zwischenraum
- 09
- 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
