DE102007037208A1

DE102007037208A1 - Turbinenschaufel mit zumindest einer Einsatzhülse zum Kühlen der Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE102007037208A1
Application number: DE102007037208A
Authority: DE
Inventors: Hernan Victor Arrieta; Hans-Peter Borufka; Andreas Hartung
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-08
Also published as: DE102007037208B4

Abstract

Eine Turbinenschaufel (1) mit zumindest einer Einsatzhülse (2) zum Kühlen der Turbinenschaufel, wobei die Einsatzhülse (2) zumindest einen Einlass für ein Kühlmedium und perforierte Wandabschnitte zum Austritt des Kühlmediums aufweist und wobei zwischen einer Innenwand (10) der Turbinenschaufel (1) und der Einsatzhülse (2) ein Spalt gebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass an definierten Stellen der Außenwand der Einsatzhülse (2) Reibelemente (8) vorgesehen sind, welche die Innenwand (10) der Turbinenschaufel (1) berühren, und/oder dass an der Innenwand (10) der Turbinenschaufel (1) Reibelemente (8) vorgesehen sind, welche die Außenwand der Einsatzhülse (2) berühren. Durch die Erfindung werden die technischen Probleme des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte Turbinenschaufel angegeben, die durch einfache Maßnahmen Kühlung und Dämpfung der Turbinenschaufel erreicht. Insbesondere werden durch die vorliegende Erfindung diese Maßnahmen auch bei Einzelschaufeln mit und ohne Deckband sowie bei fest an einem rotor angeordneten Schaufeln anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit zumindest einer Einsatzhülse zum Kühlen der Turbinenschaufel, wobei die Einsatzhülse zumindest einen Einlass für ein Kühlmedium und perforierte Wandabschnitte zum Austritt des Kühlmediums aufweist, und wobei zwischen einer Innenwand der Turbinenschaufel und der Einsatzhülse ein Spalt gebildet ist.
Derartige Einsätze zum Kühlen von Turbinenschaufeln sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
So beschreibt die EP 1 156 187 B1 eine Turbinenschaufel mit Einsatzhülse, die Bereiche zur Prallkühlung und Bereiche zur Konvektionskühlung aufweist. Dabei werden die beschriebenen Einsatzhülsen in die erste Statorstufe der Turbinenleitschaufeln eingesetzt. Je nach Größe der Turbinenschaufel werden mehrere unterschiedlich geformte Einsatzhülsen pro Turbinenschaufel verwendet. Die Einsatzhülsen sind dabei so gestaltet, dass sie Perforationen bzw. Löcher in ihren Wandungen aufweisen und in entsprechende Hohlräume der einzelnen Schaufelsegment hinein passen. Die Außenwände der Einsatzhülsen sind dabei von den Innenwänden der Turbinenschaufelsegmente beabstandet und bilden eine Spalt. Dadurch kann ein Kühlmedium aus den Löchern in der Wandung der Einsatzhülsen in den zwischen Außenwand der Einsatzhülse und Innenwand des Turbinenschaufelsegments gebildeten Spalt strömen bzw. gegen die Innenwand der Turbinenschaufel prallen und diese dadurch kühlen. Besondere Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung der einzelnen Turbinenschaufeln werden in diesem Stand der Technik nicht angegeben.
Ferner offenbart die EP 1 039 096 A1 eine Turbinenschaufelanordnung, die perforierte mit Löchern versehene Leitschaufelanordnungen aufweist. Auch in diesem Stand der Technik werden keine besonderen Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung der Turbinenschaufeln angegeben.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung von Schaufelschwingungen bei Turbinen bekannt. So werden bei Einzelschaufeln häufig Schwingungsdämpfer zwischen den Schaufelplattformen oder den Deckbändern angeordnet, um gefährliche resonante Schwingungen zu vermeiden.
Eine andere Lösung beschreibt die US 6,375,428 B1 anhand einer Turbinen-Blisk mit daran angeordnetem Reibungsfingerdämpfer. Bei der hier beschriebenen Blisk, d. h. einer Turbinenscheibe mit daran integral angeformten Turbinenschaufeln, sind beidseitig über die Scheibenfläche ringförmige Dämpfungselemente angeordnet, welche durch Reibungsdissipation auftretende Schwingungen dämpfen. Eine Schaufelkühlung der Turbinenschaufeln wird in diesem Stand der Technik nicht beschrieben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten technischen Probleme des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte Turbinenschaufel anzugeben, die durch einfache Maßnahmen Kühlung und Dämpfung der Turbineschaufel erreicht. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Maßnahmen auch bei Einzelschaufeln mit und ohne Deckband sowie bei fest an einem Rotor angeordneten Schaufeln anwenden zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung werden die technischen Probleme des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte Turbinenschaufel angegeben, die durch einfache Maßnahmen Kühlung und Dämpfung der Turbineschaufel erreicht. Insbesondere werden durch die vorliegende Erfindung diese Maßnahmen auch bei Einzelschaufeln mit und ohne Deckband sowie bei fest an einem Rotor angeordneten Schaufeln anwendbar.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel mit zumindest einer Einsatzhülse zum Kühlen der Turbinenschaufel, wobei die Einsatzhülse zumindest einen Einlass für ein Kühlmedium und perforierte Wandabschnitte zum Austritt des Kühlmediums aufweist, und wobei zwischen einer Innenwand der Turbinenschaufel und der Einsatzhülse ein Spalt gebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass an definierten Stellen der Außenwand der Einsatzhülse Reibelemente vorgesehen sind, welche die Innenwand der Turbinenschaufel berühren, und/oder dass an der Innenwand der Turbinenschaufel Reibelemente vorgesehen sind, welche die Außenwand der Einsatzhülse berühren.
Die erfindungsgemäße Lösung ist sehr einfach und dennoch wirkungsvoll, da durch ein einziges Bauteil sowohl die Kühlung als auch die Dämpfung der Turbinenschaufel ermöglicht wird. Neben den hierdurch erzielbaren Kosteneinsparungen führt dies auch zu erheblichen Gewichtseinsparungen. Ferner ist diese Lösung sowohl auf neue Turbinenstufen anwendbar als auch bei bereits existierenden Turbinen nachrüstbar. Die Erfindung ist sowohl auf Laufschaufeln als auch auf Statorschaufeln anwendbar.
Je nach Schaufelgröße werden eine Einsatzhülse pro Schaufel oder bei mehreren Schaufelsegmenten mehrere Einsatzhülsen verwendet. Dabei sind die Einsatzhülsen entsprechend der Hohlraumgeometrie im Schaufelinneren der Turbinenschaufel ausgebildet. Die Kühlung erfolgt vorzugsweise durch Prallkühlung der Schaufel von Innen kombiniert mit entsprechenden Druckverteilungseinrichtungen, die für die erforderliche Druckverteilung sorgen. Durch die Reibelemente können bei entsprechender Anzahl, Geometrie und Anordnung alle fundamentalen Schwingungsfamilien der Schaufelschwingungen beeinflusst werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Reibelemente als zusätzliche Materiallage ausgebildet sind. Diese zusätzliche Materiallage kann beispielsweise durch Auftragschweißen oder andere geeignete Methoden geschaffen werden. Es können bei größeren Reibelementen aber auch Materialstreifen in unterschiedlicher Form und Größe auf die Außenwand der Einsatzhülse und/oder auf die Innenwand der Turbinenschaufel aufgebracht werden. Die Form der Reibelemente kann dabei kreis- oder ellipsenförmig, rechteckig oder tropfenförmig oder jede andere geeignete Form aufweisen. Sofern eine Punktberührung beabsichtigt ist, kann auch ein sphärisch geformtes Reibelement an der Außenwand der Einsatzhülse angebracht sein.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Dicke der Reibelemente etwa der Spaltbreite entspricht. Dabei sollte ein problemloses Einführen der Einsatzhülse möglich sein. Außerdem muss bei der Auslegung des Spiels zwischen Reibelement und Turbinenschaufelinnenwand auch die Verwindung der Turbinenschaufel im Betrieb berücksichtigt werden. Diese Verwindung soll durch die Reibelemente nicht negativ beeinflusst werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Reibelemente aus dem gleichen Material wie die Einsatzhülse hergestellt sind. Hierdurch werden elektrochemische Reaktionen zwischen Einsatzhülse und Reibelement vermieden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zwei bis acht, vorzugsweise vier Reibelemente vorgesehen sind. Die genaue Anzahl und Anordnung der Reibelemente richtet sich nach der Schaufelgröße und den zu dämpfenden Schwingungsmodi.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Turbinenschaufel integraler Bestandteil einer Turbinenblisk ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung können insbesondere bei Turbinenbliskstufen Gewichtseinsparungen von etwa 15% erzielt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Turbinenschaufel als Einzelschaufel mit Deckband oder ohne Deckband ausgebildet ist. Im Falle von Einzelschaufeln mit oder ohne Deckband können die Einsatzhülsen entweder von oben, d. h. von der Schaufelspitze her, eingefügt werden oder aber von unten, d. h. von der Schaufelfußseite.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel mit einer Einsatzhülse und mit Reibelementen weist folgende Schritte auf:

– Öffnen eines Endes einer hohlen Turbinenschaufel;
– Einfügen einer Einsatzhülse in den freigelegten Hohlraum bzw. in die freigelegten Hohlräume der Turbinenschaufel, wobei die Reibelemente an der Innenwand der Turbinenschaufel und/oder an der Außenwand der Einsatzhülse anliegen;
– Wieder verschließen des Hohlraums. Die Einsatzhülsen stützen sich dabei am Schaufelfuß ab. Das angegebene Verfahren eignet sich auch zum Nachrüsten vorhandener Turbinenschaufeln und kann sowohl für Einzelschaufeln als auch für Turbinenblisks verwendet werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Turbinenschaufel mit einer Einsatzhülse sieht vor, dass zum Öffnen der Turbinenschaufel eine Schaufelspitzenkappe abgehoben wird. Das Abheben der Schaufelspitzenkappe erfolgt dabei durch abtrennen der Schaufelspitze und anschließendes wieder Abdecken der Schaufelspitze mit dem abgetrennten Bauteil.
Eine alternative vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Turbinenschaufel mit einer Einsatzhülse sieht vor, dass zum Öffnen der Turbinenschaufel der Schaufelfuß geöffnet wird. Dieses Verfahren lässt sich bei Einzelschaufeln anwenden.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform einer Turbinenschaufel mit Einsatzhülse geschnitten entlang der Profilsehne;
2 eine schematische Darstellung zweier erfindungsgemäßer Turbinenschaufeln auf einem Rotor im Querschnitt.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform einer Turbinenschaufel 1 mit zwei Einsatzhülsen 2 geschnitten entlang der Profilsehne. Die Turbinenschaufel 1 weist einen in ein vorderes und ein hinteres Segment unterteilten Hohlraum auf, der sich über die gesamte Schaufelhöhe erstreckt. Dabei ist eine Einsatzhülse 2 im vorderen Segment der Turbinenschaufel 1, d. h. im Bereich der Profilnase angeordnet, während die zweite Einsatzhülse 2 im hinteren Segment der Turbinenschaufel 1, d. h. im Bereich der Profilhinterkante angeordnet ist. Die Einsatzhülsen 2 sind dabei komplementär zu der Kontur der Turbinenschaufel, weisen jedoch eine geringere Größe auf.
Die beiden Einsatzhülsen 2 weisen dabei perforierte Wandungen auf, durch die Kühlmedium in eine zwischen den Einsatzhülsen und der Innenwand der Turbinenschaufel 1 gebildeten Spalt entweichen kann. Das Kühlmedium prallt auf die Innenwandung der Turbinenschaufel auf und erzeugt so die gewünschte Prallkühlung. Danach tritt das Kühlmedium durch Kühlöffnungen 3 an der Wandung der Turbinenschaufel 1 aus.
Das Kühlmedium, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel Luft ist, wird dabei durch Kühlmediumeinlässe 4 im Schaufelfußbereich zugeführt. Die Strömung des Kühlmediums ist in der 1 durch entsprechende Pfeile angedeutet.
Bei der dargestellten Turbinenschaufel 1 handelt es sich um eine Laufschaufel, die auf einer Turbinenscheibe angeordnet ist. Die Schnittlinie Schaufel/Turbinenscheibe 5 ist dabei nur schematisch angedeutet.
Die Einsatzhülsen 2 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Reibelementen 8 ausgebildet, die durch zusätzlich auf der Außenwand der Einsatzhülse 2 angebrachte Materiallagen gebildet sind. Die Reibelemente haben dabei eine Materialstärke, die etwa der Dicke des zwischen Einsatzhülsenaußenwand und Turbinenschaufelinnenwand gebildeten Spaltes entspricht. Der Dämpfungseffekt wird durch Reibungsdissipation zwischen den Einsatzhülsen und ausgewählten Kontaktstellen erzielt. Die Kontaktstellen sind dabei an der inneren Schaufelgeometrie gemäß den Vibrationsmodi ausgewählt, die gedämpft werden sollen. Ferner ist eine spezielle Geometrie der Reibelemente vorgesehen, wodurch ein geeigneter Anpressdruck entsteht. An dieser Stelle sei nochmals erwähnt, dass die Reibelemente (8) an der Einsatzhülse (2) und/oder an der Turbinenschaufel (1) vorgesehen sein können.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Turbinenschaufel 1 mit gestrichelt dargestelltem Deckband 7 vorgesehen.
Zur Montage der Einsatzhülsen 2 wird die Schaufelspitzenkappe entlang der Trennlinie 6 von der Turbinenschaufel 1 abgetrennt und abgehoben und die Einsatzhülsen werden von der Schaufelspitzenseite in die freigelegten Schaufelhohlräume eingefügt. Dabei berühren die Reibelemente 8 die Innenwand der Turbinenschaufel 1. Das Gewicht der Einsatzhülsen 2 ruht dabei auf der Schaufelwurzel, d. h. die Einsatzhülsen 2 werden am Schaufelfuß im Bereich des Kühlmediumeinlasses verankert. Danach wird die Schaufelspitzenkappe wieder aufgesetzt und die Turbinenschaufel 1 dadurch wieder verschlossen. Dabei ist die Position der Reibelemente so gewählt, dass sie die normale Verwindung der Turbinenschaufel 1 im Betrieb nicht behindern, im Falle unerwünschter Schwingungen jedoch als Dämpfer wirken.
Durch die Reibelemente 8 können im Betrieb alle auftretenden fundamentalen Schwingungsfamilien (1Fi, 1Ti, 1Ci) gedämpft werden. Die Schaufelschwingungen und die Schaufelkühlung können so auf einfache Weise mit einem Bauteil, nämlich einer Einsatzhülse mit Reibelement beeinflusst werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Turbinenblisk mit zwei erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln 1 an einem Rotor im Querschnitt. Darin ist die Schaufel/Scheibentrennebene 5, d. h. die Fügezone schematisch mit einer gestrichelter Linie dargestellt. Die Turbinenschaufeln 1 sind dabei mit Einsatzhülsen 2 vorgesehen, die in einem von den Turbinenschaufelinnenwänden 10 umschlossenen Hohlraum angeordnet sind. Zwischen den Turbinenschaufelinnenwänden 10 und den Einsatzhülsen 2 sind Spalte mit einer Spaltbreite 11 ausgebildet. An den Einsatzhülsen 2 sind Reibelemente 8 angeordnet, die eine Dicke aufweisen, die etwa der Spaltbreite 11 entspricht.
Ferner sind in 2 schematisch die Kühlmediumeinlässe 4 im Schaufelfußbereich dargestellt. Dabei ist auch ein diagonal verlaufender Kühlkanal zum Kühlen der Schaufel/Scheiben Schnittstelle 5 angedeutet. Der Einlass des Kühlmediums in die Turbinenblisk ist oberhalb der Fügezone vorgesehen, sowohl in der Stirnseite, als auch von anderen geeigneten Stellen.
Zwischen den beiden dargestellten Turbinenschaufeln 1 ist außerdem in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Dichtung 9 ein Unterplattformelement vorgesehen, welches sowohl Dichtungs- als auch Dämpfungseigenschaften aufweisen kann.
Die interne Kühlmittelpassage kann dabei durch ein Multi-Pass oder Einsatz-Kühlsystem eingenommen sein.
Der weitere Aufbau und die Funktion entspricht der zu 1 beschriebenen.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Ansprüchen dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

1: Turbinenschaufel
2: Einsatzhülse
3: Kühlöffnung
4: Kühlmedium Einlass
5: Schnittstelle Schaufel/Scheibe
6: Ansatz Schaufelspitzenkappe
7: Deckband
8: Reibelement
9: Dichtung
10: Innenwand Turbinenschaufel
11: Spaltbreite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1156187 B3 [0003]
- EP 1039096 A1 [0004]
- US 6375428 B1 [0006]

Claims

Turbinenschaufel (1) mit zumindest einer Einsatzhülse (2) zum Kühlen der Turbinenschaufel, wobei die Einsatzhülse (2) zumindest einen Einlass für ein Kühlmedium und perforierte Wandabschnitte zum Austritt des Kühlmediums aufweist, und wobei zwischen einer Innenwand (10) der Turbinenschaufel (1) und der Einsatzhülse (2) ein Spalt gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an definierten Stellen der Außenwand der Einsatzhülse (2) Reibelemente (8) vorgesehen sind, welche die Innenwand (10) der Turbinenschaufel (1) berühren, und/oder dass an definierten Stellen der Innenwand (10) der Turbinenschaufel (1) Reibelemente (8) vorgesehen sind, welche die Außenwand der Einsatzhülse (2) berühren.
Turbinenschaufel (1) mit zumindest einer Einsatzhülse (2) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibelemente (8) als zusätzliche Materiallage ausgebildet sind.
Turbinenschaufel (1) mit zumindest einer Einsatzhülse (2) nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Reibelemente (8) etwa der Spaltbreite (11) entspricht.
Turbinenschaufel (1) mit zumindest einer Einsatzhülse (2) nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibelemente (8) aus dem gleichen Material wie die Einsatzhülse (2) und/oder wie die Turbinenschaufel (1) hergestellt sind.
Turbinenschaufel (1) mit zumindest einer Einsatzhülse nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bis acht, vorzugsweise vier Reibelemente (8) vorgesehen sind.
Turbinenschaufel (1) mit zumindest einer Einsatzhülse (2) nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (1) integraler Bestandteil einer Turbinenblisk ist.
Turbinenschaufel (1) mit zumindest einer Einsatzhülse (2) nach einem der Patentansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (1) als Einzelschaufel mit Deckband oder ohne Deckband ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel mit einer Einsatzhülse und mit Reibelementen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Öffnen eines Endes einer hohlen Turbinenschaufel; – Einfügen einer Einsatzhülse in den freigelegten Hohlraum bzw. in die freigelegten Hohlräume der Turbinenschaufel, wobei die Reibelemente an der Innenwand der Turbinenschaufel und/oder an der Außenwand der Einsatzhülse anliegen; – Wieder verschließen des Hohlraums.
Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel mit einer Einsatzhülse nach Patentanspruch 8, wobei zum Öffnen der Turbinenschaufel eine Schaufelspitzenkappe abgehoben wird.
Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel mit einer Einsatzhülse nach Patentanspruch 8, wobei zum Öffnen der Turbinenschaufel der Schaufelfuß geöffnet wird.