DE69936176T2

DE69936176T2 - Berstschutzring für Turbinen

Info

Publication number: DE69936176T2
Application number: DE69936176T
Authority: DE
Inventors: Michael Todd Cincinnati Bonnoitt; Robert Paul Cincinnati Czachor
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: US6468026B1; JP4495283B2; EP1001140A2; US6120242A; EP1001140A3; JP2000257402A; EP1001140B1; DE69936176D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere die Schaufelsicherung in diesen.
In einem typischen Gasturbinentriebwerk sind in Strömungsrichtung hintereinander ein Bläser, ein mehrstufiger Axialverdichter, eine Brennkammer sowie eine Hoch- und eine Niederdruckturbine angeordnet. Während des Betriebs wird Luft im Verdichter mit Druck beaufschlagt und in der Brennkammer mit Brennstoff vermischt und zur Erzeugung von Verbrennungsgasen gezündet, die stromabwärts durch die Hoch- und die Niederdruckturbine strömen, die ihnen Energie entziehen, um den Verdichter bzw. den Bläser durch entsprechende Antriebswellen anzutreiben.
Der Bläser, der Verdichter und die Turbinen weisen jeweils unterschiedlich konfigurierte Rotorschaufeln auf, die sich von entsprechenden Rotoren oder Laufrädern radial nach außen erstrecken, die während des Betriebs rotieren. Aus verschiedenen Gründen kann eine Rotorschaufel während der Nutzlebensdauer ausfallen und sich von ihrem entsprechenden Laufrad abtrennen. Die Zentrifugalkraft treibt oder wirft dann die losgelöste Schaufel radial nach außen in das sie umschließende Statorgehäuse aus. Die verschiedenen Statorgehäuse sind auf unterschiedliche Weise konfiguriert, um zur Sicherung der Schaufel und zur Vermeidung ihrer Loslösung aus dem Triebwerk Schaufelauswurfenergie aufzunehmen.
Die verschiedenen Rotorschaufeln sind unterschiedlich groß und werden mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben, so dass sie bei ihrer Loslösung unterschiedliche Mengen an Auswurfenergie aufweisen. Die verschiedenen Rotorschaufeln benötigen zudem verschiedene sie umschließende Statorgehäuse, die von den relativ kühlen Umgebungen im Bläser, im Verdichter und in der Niederdruckturbine bis zur heißesten Umgebung in der Hochdruckturbine unterschiedlichen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind.
Da der Wirkungsgrad des Triebwerks maximiert wird, indem der radiale Zwischenraum oder Spalt zwischen den radialen Außenspitzen der entsprechenden Schaufeln in ihren Gehäusen minimiert wird, weisen die Gehäuse verschiedene Formen von Schaufeldeckbändern auf, die die Schaufelspitzen umschließen, um den mit diesen gebildeten Zwischenraum zu minimieren und gleichzeitig auch gelegentliches Anlaufen von diesen zu gestatten, ohne dass die Schaufeln beschädigt werden. Bei einem Anlaufen der Spitzen werden die Schaufeldeckbänder beschädigt, und wenn sich diese Beschädigung häuft, werden die Schaufeldeckbänder in einem periodischen Wartungsausfall ersetzt.
Bei der Turbinenschaufelsicherung werden entsprechenden Turbinengehäuse zum Dissipieren der Auswurfenergie hinsichtlich der Stärke entsprechend dimensioniert. In der Hochdruckturbine leisten die Schaufeldeckbänder einen bedeutenden Beitrag zur Schaufelsicherung, da es sich bei ihnen üblicherweise um relativ dicke, gegossene Metallstrukturen mit einer beträchtlichen Festigkeit handelt.
Bei den Schaufeldeckbändern der Niederdruckturbine handelt es sich in der Regel jedoch um ungekühlte, leichtgewichtige Blechkonstruktionen, die, wenn überhaupt, eine schwach ausgeprägte Fähigkeit zum Dissipieren von Auswurfenergie besitzen. Ein typisches Niederdruckturbinen-Schaufeldeckband ist eine Anordnung eines rückseitigen Blechs, an dem ein leichtgewichtiger, wabenförmiger Reib streifen befestigt ist. Das rückseitige Blech weist vordere und hintere Schienen auf, die auf geeignete Weise an entsprechende vordere und hintere Befestigungshaken montiert sind, die sich von dem Gehäuse radial nach innen erstrecken. Das rückseitige Blech besteht aus dünnem Blech, beispielsweise mit einer Stärke von etwa 0,0508 cm (20 mils), um das Gewicht des Deckbands zu minimieren und dennoch für eine ausreichende Steifigkeit im Hinblick auf die Montage an dem Gehäuse und die Beibehaltung eines bevorzugten Zwischenraums zu den Schaufelspitzen zu sorgen. Das Blech kann lokal an einer oder an beiden der Schienen verstärkt werden, um im Hinblick auf die Befestigung an den entsprechenden Haken für eine ausreichende Festigkeit zu sorgen. Andere Beispiele sind in den Anmeldungen FR-A-1223925 und US-A-5791871 enthalten.
In einigen Konfigurationen kann das rückseitige Blech zwischen seinen axial voneinander getrennten Schienen zu dünn sein und wird mithilfe eines Verstärkungsblechs verstärkt, bei dem es sich in der Regel um ein anderes dünnes Blechstück handelt, das durch Hartlöten oder auf andere Weise fest an der Außenseite des rückseitigen Blechs angebracht wird.
In beiden Konfigurationen des Niederdruckturbinen-Deckbands – mit oder ohne das Verstärkungsblech – ist dessen Schaufelsicherungsfunktion vernachlässigbar. Da das Verstärkungsblech beispielsweise an das rückseitige Blech hartgelötet wird, ist der Hartlötzusatzwerkstoff relativ spröde, und bei einem Schaufelauswurfereignis ist der Zusatzwerkstoff Sprödbruch ausgesetzt und mindert die Festigkeit des Deckbands.
Daher ist es erwünscht, ein Niederdruckturbinen-Deckband mit einer Schaufelsicherungsfunktion bereitzustellen.
Gemäß Anspruch 1 der Erfindung wird ein an ein ringförmiges Gehäuse montierbares Niederdruckturbinen-Deckband zum Umschließen einer Reihe von Rotorschaufeln bereitgestellt.
Folglich weist das Niederdruckturbinendeckband ein gewölbtes rückseitiges Blech mit sich gegenüberliegenden Montageschienen zum Einfassen eines umschließenden, ringförmigen Gehäuses auf. Das rückseitige Blech weist einen dickeren Schaufelsicherungsschild auf, der sich als einteilige Konstruktion zwischen den Schienen erstreckt. Außerdem ist ein wabenförmiger Reibungsstreifen zwischen den Schienen fest mit dem rückseitigen Blech verbunden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels detaillierter beschrieben, wobei auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen wird:
1 ist eine teilweise schematische Schnittansicht von vorn durch ein exemplarisches Gasturbinentriebwerk mit einer Niederdruckturbine, die ein Schaufeldeckband gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Niederdruckturbinen-Schaufeldeckbands, der in 1 in dem mit 2 beschrifteten gestrichelten Kreis dargestellt ist.
3 ist eine isometrische Ansicht eines von mehreren gewölbten Segmenten des in 2 dargestellten Deckbands in einer exemplarischen Ausführungsform.
In 1 ist ein exemplarisches Gasturbinentriebwerk 10 schematisch dargestellt, das achsensymmetrisch um eine Längs- oder axiale Mittelachse 12 angeordnet ist. In dem Triebwerk sind in Strömungsrichtung hintereinander ein Bläser 14, ein mehrstufiger Axialverdichter 16, eine Brennkammer 18, eine Hochdruckturbine 20 und eine Niederdruckturbine 22 angeordnet.
Während des Betriebs wird Luft 24 im Verdichter mit Druck beaufschlagt, in der Brennkammer mit Brennstoff vermischt und zur Erzeugung von heißen Verbrennungsgasen 26 gezündet, die wiederum stromabwärts durch die Hochdruckturbine 20 und die Niederdruckturbine 22 strömen, die ihnen Energie entziehen, um den Verdichter 16 bzw. den Bläser 14 anzutreiben. Da die Verbrennungsgase 26 ihre höchste Temperatur beim Austreten aus der Brennkammer aufweisen, wird die Hochdruckturbine einschließlich ihrer Rotorschaufeln, Leitschaufeln und Schaufeldeckbänder mit einem Teil der verdichteten Luft 24 gekühlt, die während des Betriebs aus dem Verdichter abgeführt wird. Beim Erreichen der Niederdruckturbine 22 weisen die Verbrennungsgase 26 eine niedrigere Temperatur auf, und die Niederdruckturbine bleibt daher in der Regel ungekühlt.
Die in 1 dargestellte exemplarische Niederdruckturbine 22 enthält mehrere Reihen Rotorschaufeln 28, die sich von entsprechenden Laufrädern 30 radial nach außen erstrecken, die miteinander verbunden und zu einer gemeinsamen Antriebswelle zusammengefügt sind, um während des Betriebs den Bläser 14 anzutreiben.
Die Niederdruckturbine weist außerdem ein ringförmiges Gehäuse 32 auf, von dem sich radial nach innen entsprechende Leiträder in Form von Reihen aus Leitschaufeln 34 erstrecken, die zum Durchleiten der Verbrennungsgase mit entsprechenden der Schaufelreihen zusammenwirken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind zum Umschließen einer entsprechenden Reihe von Rotorschaufeln 28 eine oder mehrere Reihen von Niederdruckturbinen-Schaufeldeckbändern 36 ebenfalls an das Gehäuse 32 montiert, um bei einem Schaufelauswurfereignis für die Schaufelsicherung verwendet zu werden. Wie in 1 dargestellt, kann eine exemplarische der Rotorschaufeln 28 während des Betriebs abfallen und sich von dem sie tragenden Laufrad 30 abtrennen, wobei die Zentrifugalkraft F die losgelöste Schaufel radial nach außen treibt oder auswirft, was sich zuerst auf das umschließende Schaufeldeckband 36 und anschließend auf das umschließende Gehäuse 32 auswirkt.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, wird jedes Schaufeldeckband 36 aus mehreren in Umfangsrichtung aneinander grenzenden, gewölbten Segmenten gebildet, die gemeinsam einen geschlossenen Ring um die radialen äußeren Spitzen einer Schaufelreihe bilden. Das Deckband weist ein gewölbtes rückseitiges Blech 38 mit einer ersten oder vorderen Montageschiene 40 und einer zweiten oder hinteren Montageschiene 42 auf, die an dessen sich axial gegenüberliegenden Enden zum Einfassen des Gehäuses 32 angeordnet sind. Das rückseitige Blech weist außerdem einen integral mit diesem ausgeformten Schaufelsicherungsschild 44 auf, der sich in einem unitären oder einteiligen Aufbau in Axialrichtung zwischen den zwei Schienen 40, 42 erstreckt. Der Schildbereich des rückseitigen Blechs ist wahlweise dicker als jede der Schienen, um durch das Dissipieren von Schaufelauswurfenergie zusammen mit dem Gehäuse an der Schau felsicherung der ausgeworfenen Schaufel mitzuwirken.
Das Schaufeldeckband 36 weist auch einen wabenförmigen Reibungsstreifen 46 auf, der axial zwischen den zwei Schienen 40, 42 direkt mit der radialen Innenfläche des rückseitigen Blechs 38 fest verbunden oder verklebt ist. Der Reibungsstreifen kann eine beliebige herkömmliche Form aufweisen und erstreckt sich über die gesamte Umfangslänge jedes der Segmente des rückseitigen Blechs. Der Reibungsstreifen 46 weist eine geeignete Höhe auf, sodass seine radiale Innenfläche auf geeignete Weise zu den Schaufelspitzen beabstandet werden kann, um dazwischen einen Zwischenraum oder Spalt zu schaffen.
Wie in 3 dargestellt, erstreckt sich der Schild 44 sowohl in Axialrichtung zwischen den zwei Schienen 40, 42 als auch in Umfangsrichtung an diesen entlang über die gesamte gewölbte Ausdehnung des Segments, um direkt über den in 2 dargestellten Schaufelspitzen ausgerichtet zu werden. Der Schild ist hinsichtlich der Stärke so dimensioniert, dass beim Auswurf einer der Schaufeln 28 bei einem Ausfallereignis Energie gegen diese dissipiert wird.
In der in 3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform verläuft der Schild mit einer im Wesentlichen konstanten Stärke A vorzugsweise kontinuierlich in Axialrichtung längs der Schienen 40, 42 und in Umfangsrichtung an diesen entlang. Als Alternative kann der Schild von mehreren in Axialrichtung voneinander beabstandeten, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rippen gebildet werden, die ein reduziertes Gewicht aufweisen und gleichzeitig eine Schaufelsicherungsfunktion bieten.
Da es wünschenswert ist, neben der von dem Gehäuse 32 selbst gebotenen Funktion eine zusätzliche Schaufelsicherungsfunktion einzuführen, wird der Sicherungsschild 44 in Bezug zum übrigen rückseitigen Blech 38 selektiv verstärkt, damit auch das Gesamtgewicht reduziert wird und gleichzeitig Schaufelsicherungsmaterial effektiv lokalisiert werden kann. Beispielsweise erstreckt sich der Sicherungsschild 44 von beiden Schienen 40, 42 radial nach außen, damit ein Ändern der Stärke des Reibungsstreifens 46 vermieden wird. Außerdem ist die radiale Innenfläche des rückseitigen Blechs 38 vorzugsweise ab mindestens einer der zwei Schienen, z. B. der hinteren Schiene 42, radial nach außen ausgespart.
In der in 2 dargestellten exemplarischen Ausführungsform schließt die vordere Schiene 40 mit der ausgesparten Innenfläche des Schilds 44 bündig ab und weist eine Mindeststärke B auf, die für die Montage des vorderen Deckbandendes an das Gehäuse geeignet ist. Dementsprechend weist die hintere Schiene 42 eine größere Stärke C auf, die zur Befestigung des hinteren Deckbandendes an dem Gehäuse 32 gewählt wird.
In einer konventionellen Montagekonfiguration weist das Gehäuse 32 integral mit diesem ausgeformte vordere und hintere Haken 48, 50 auf, die sich radial nach innen erstrecken und in Axialrichtung voneinander beabstandet sind, um in die vordere bzw. hintere Schiene 40, 42 einzugreifen. Es werden geeignete Mittel bereitgestellt, um die Schienen in einer Arretieranordnung an den Haken zu sichern. Beispielsweise wird ein im Wesentlichen U-förmiger, vorderer Blechclip 52 z. B. durch Hartlöten an der Oberseite der vorderen Schiene 40 befestigt, um in Axialrichtung in das Spitzenende des vorderen Hakens 48 ein zugreifen. Außerdem wird die hintere Schiene 42 durch einen entsprechenden, im Wesentlichen U-förmigen hinteren Clip 54, der am vorderen Ende des radialen äußeren Deckbands der benachbarten Leitschaufeln 34 ausgebildet ist, in radialem Anschlag an dem hinteren Haken befestigt.
In dieser exemplarischen Konfiguration ist die hintere Schiene 42 dicker als die vordere Schiene 40, und der Schild 44 ist sowohl dicker als die hintere Schiene 42 als auch dicker als die vordere Schiene 40. Diese Konfiguration minimiert selektiv die Stärken B, C der vorderen und der hinteren Schiene 40, 42, was zur Montage des Deckbands 36 an den entsprechenden Gehäusehaken 48, 50 erforderlich ist, während dazwischen, in Form des einteiligen Sicherungsschildbereichs, gleichzeitig ein selektiv verstärkter mittlerer Bereich geschaffen wird.
In der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist das rückseitige Blech 38 eine unitäre oder einteilige Blechkonstruktion aus einem beliebigen, für die Niederdruckturbinenumgebung geeigneten Metall, wie z. B. konventionellem HS 188, bei dem es sich um eine Kobaltlegierung handelt. Der Sicherungsschild 44 ist vorzugsweise mindestens dreimal so dick wie die vordere Schiene 40, wobei in einem Beispiel die vordere Schiene etwa 0,508 cm (20 mils), die hintere Schiene 42 etwa 0,1016 cm (40 mils) und der Sicherungsschild 44 etwa 0,1524 cm (60 mils) dick ist.
Obwohl die Schienen dünner als der zentrale Schildbereich des rückseitigen Blechs 38 sind, ist nur der Schildbereich radial außerhalb der Rotorschaufeln 28 und zwischen dem Gehäuse 32 angeordnet, um für eine zusätzliche Schau felsicherungsfunktion zu sorgen.
Die verbesserten Schaufelsicherungsdeckbänder 36 wirken mit dem umschließenden Gehäuse 32 zusammen, um gemeinsam eine Schaufelsicherungsfunktion bereitzustellen. Im Besonderen weist das Gehäuse 32 zwischen den Haken 48, 50 eine Stärke D auf und ist radial außerhalb von der Innenseite des Schilds 44 angeordnet, der selbst eine Stärke A aufweist. Das Material des Schilds 44 und des Gehäuses 32 radial außerhalb der Schaufel 28 ermöglichen in Kombination gemeinsam die Energiedissipation an einer ausgeworfenen Schaufel zu deren Sicherung, und verhindern die Loslösung des größten Teils, wenn nicht sogar der gesamten losgelösten Schaufel, von dem Gehäuse.
Wie in 2 dargestellt, ist in dem freien Raum zwischen dem Gehäuse 32 und dem Schild 44 eine ringförmige Wärmeisolierung 56 zur Steuerung der in diesem Abschnitt auftretenden Wärmeausdehnung und Kontraktion angeordnet, um während des Betriebs die Größenschwankung des Schaufelspitzenspalts zu minimieren. Die Isolierung hat jedoch eine vernachlässigbare Schaufelsicherungsfunktion, denn die Schaufelsicherung wird primär von dem relativ dicken Gehäuse 32 und dem entsprechenden Sicherungsschild 44 geleistet.
Ein besonderer Vorteil der Schaufelsicherungsdeckbänder 36 ist, dass sie abgesehen von der Einführung des selektiv verstärkten rückseitigen Blechs 38 zum Erzielen der Schaufelsicherungsfunktion sonst in konventioneller Weise konfiguriert werden können.
Diese Konfiguration ermöglicht somit die nachträgliche Umrüstung der Niederdruckturbine 22, um deren Schaufelsiche rungsfunktion oder Festigkeit durch das Austauschen oder Ersetzen des dickeren Deckbands 36 gegen ein dünneres, konventionelles Deckband zu verbessern, ohne die Stärke des Gehäuses 32 zu ändern und, außer für den Schild 44, ohne die Geometrie der Traghaken und der übrigen einzelnen Deckbänder 36 zu ändern. Da die Turbinendeckbänder normalerweise wegen der normalen Schaufelspitzenreibungen routinemäßig ersetzt werden, können Turbinendeckbänder alter Bauart in dem verfügbaren Raum und ohne andere Änderungen an der Deckbandkonstruktion einfach durch die verbesserten Schaufelsicherungsdeckbänder 36 ersetzt werden.
In Anbetracht des selektiv dickeren rückseitigen Blechs 38 ist die Verwendung eines konventionellen Verstärkungsblechs nicht länger erforderlich. Der dickere Sicherungsschildbereich des rückseitigen Blechs 38 ist ein einteiliges Blech, das ohne Hartlöten oder eine andere Befestigung die größere Stärke erreicht, um die Schaufelsicherungsfestigkeit zu maximieren, ohne dass dies zu unerwünschter Sprödigkeit oder Rissbildungsstellen führt.
Darüber hinaus führt die größere Stärke des rückseitigen Blechs 38 während des Betriebs nicht zu unerwünschten Temperaturgefällen, die sich durch das Variieren des gewünschten radialen Spitzenzwischenraums nachteilig auf den aerodynamischen Wirkungsgrad auswirken oder zu unerwünschten Wärmespannungen führen könnten, die die Ermüdungslebensdauer beeinträchtigen könnten.

Claims

An ein ringförmiges Gehäuse (32) montierbares Niederdruckturbinen-Deckband (36) zum Umschließen einer Reihe von Rotorschaufeln (28), das Folgendes umfasst: ein gewölbtes rückseitiges Blech (38), das an sich axial gegenüberliegenden Enden eine vordere und eine hintere Montageschiene (40, 42) zum Einfassen des Gehäuses (32) aufweist, und einen sich in einem einteiligen Aufbau in Axialrichtung dazwischen erstreckenden Schaufelsicherungsschild (44), wobei der Schild (44) dicker als die vordere und die hintere Montageschiene (40, 42) ist; dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schild (44) von den Schienen radial nach außen erstreckt; und einen Reibungsstreifen (46), der zwischen den Schienen fest mit einer radialen Innenfläche des rückseitigen Blechs verbunden ist.
Deckband nach Anspruch 1, wobei sich der Schild (44) sowohl in Axialrichtung zwischen den Schienen (40, 42) als auch in Umfangsrichtung an diesen entlang erstreckt und hinsichtlich der Stärke so dimensioniert ist, dass beim Auswurf einer der Schaufeln (28) Energie gegen diese dissipiert wird.
Deckband nach Anspruch 2, wobei der Schild (44) mit konstanter Stärke durchgängig in Axialrichtung zwischen den Schienen (40, 42) and in Umfangsrichtung an diesen entlang angeordnet ist.
Deckband nach einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, wobei die Innenfläche des rückseitigen Blechs ab mindestens einer der Schienen (42) ausgespart ist.
Deckband nach einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, wobei die hintere Schiene (42) dicker als die vordere Schiene (40) ist.
Deckband nach einem beliebigen der vorherigen Ansprüche in Kombination mit dem Gehäuse (32), wobei das Gehäuse hinsichtlich seiner Stärke so dimensioniert ist, dass es von dem Schild (44) radial nach außen ragt, um gemeinsam mit diesem die Energiedissipation an der ausgeworfenen Schaufel zu deren Sicherung zu ermöglichen.
Kombination nach Anspruch 6, wobei das Gehäuse (32) sich radial nach innen erstreckende vordere und hintere Haken (48, 50) zum Eingreifen in die vordere bzw. hintere Schiene (40, 42) aufweist und ferner Mittel (52, 54) zum Sichern der Schienen (40, 42) an den Haken umfasst.
Kombination nach Anspruch 6 oder 7, wobei das rückseitige Blech (38) ein einheitliches Blech ist, und der Schild (44) mindestens dreimal so dick wie die vordere Schiene (40) ist.
Verfahren zum Nachrüsten einer Niederdruckturbine (22), um deren Schaufelsicherungsvermögen zu erhöhen, indem in ihr das dickere Deckband (36) nach Anspruch 5 durch ein dünneres Deckband ersetzt wird, ohne dass die Stärke des Gehäuses (32) geändert wird.