DE102008023326A1

DE102008023326A1 - Deckband für Laufschaufeln einer Strömungsmaschine und Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102008023326A1
Application number: DE102008023326A
Authority: DE
Inventors: Hernan Victor Arrieta; Hans-Peter Borufka; Klemens Dr. Hain
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2009-11-19
Also published as: US8573939B2; EP2294286A2; US20110103956A1; EP2294286B1; WO2009138057A3; ES2715798T3; WO2009138057A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Deckband für Laufschaufeln einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, wobei das Deckband (10) am Umfang einer an einem Rotor (12) angeordneten Laufschaufelreihe mit mehreren Laufschaufeln (14, 50) angeordnet ist und an seinem Umfang mindestens einen Trennspalt (16, 16', 16'') aufweist. Der Trennspalt (16, 16', 16') ist dabei zackenförmig ausgebildet und weist mindestens drei voneinander beabstandete und winkeling zu einer Drehachse (18) des Rotors (12) verlaufende Dämpfungsspalte (20, 22, 24, 26, 28) und sich daran anschließende, die Dämpfungsspalte (20, 22, 24, 26, 28) jeweils verbindende oder in Richtung der Deckbandränder (46, 48) verlängernde Verbindungsspalte (30, 32, 34, 36, 38, 40) auf, wobei die Spaltweite der Dämpfungsspalte (22, 24, 26, 28) bei Drehung des Rotors (12) bis zu einem Aneinanderliegen der die Dämpfungsspalte (20, 22, 24, 26, 28) ausbildenden Spaltwände (42, 44) verringert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, umfassend mindestens einen Rotor (12), der mindestens eine Laufschaufelreihe mit mehreren Laufschaufeln (14, 50) aufweist, wobei am Umfang der Laufschaufelreihe ein erfindungsgemäßes Deckband (10) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Deckband für Laufschaufeln einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, wobei das Deckband am Umfang einer an einem Rotor angeordneten Laufschaufelreihe mit mehreren Laufschaufeln angeordnet ist und an seinem Umfang mindestens einen Trennspalt aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, umfassend mindestens einen Rotor, der mindestens eine Laufschaufelreihe mit mehreren Laufschaufeln aufweist.
Bei Strömungsmaschinen, insbesondere bei Gasturbinen von Turbotriebwerken, stellt der Dichtspalt zwischen rotierenden Schaufeln und dem feststehenden Triebwerksgehäuse eine Einflussgröße dar, die von erheblicher Bedeutung für den Wirkungsgrad des Triebwerks ist. Zur Minimierung dieses Dichtspalts ist es bei Gasturbinen bekannt, diese mit einem Deckband zu versehen, welches an den Schaufelspitzen der Schaufeln angeordnet ist. Aus der DE 40 15 206 C1 ist dabei ein Deckband für ein Integralrad mit mindestens einem am Umfang angeordneten Z-förmigen Trennspalt mit winkelig zur Achsrichtung angeordneten Dämpfungsspalten geringster Spaltweite und sich daran anschließende offene Spaltabschnitte bekannt. Dabei bilden die parallel zueinander liegenden Dämpfungsspalte die beiden Schenkel des Z-förmigen Trennspalts und sind in einem Winkel von 70° bis 90° zur Achsrichtung des Integralrads ausgerichtet. Unter Betriebsbedingungen liegen die Dämpfungsspalte eng aneinander, während der Z-Steg als ein in Richtung der Deckbandränder verlaufender offener Spalt ausgebildet ist. Dadurch wird eine ungehinderte Umfangsverschiebung des Deckbands möglich, um einen spannungsarmen Thermodehnungsausgleich zu gewährleisten. Des Weiteren bieten die beiden Dämpfungsspalte eine Reibungsfläche, die eine entsprechende Reibungsdämpfung der Schwingungen im Betrieb des Integralrads ermöglicht.
Es besteht aber insbesondere aufgrund immer höherer Drehzahlen von Strömungsmaschinen, insbesondere von Gasturbinen eines Flugtriebwerks, weiterhin die Notwendigkeit, die im Hauptbetriebsbereich auftretenden Schwingungen, die insbesondere durch die fundamentalen Eigenfrequenzen der beschaufelten Scheibe, das heißt in dem Gesamtsystem Schaufel/Rotor entstehen, weiter zu vermindern beziehungsweise weiter entgegenzuwirken.
Zudem besteht weiterhin ein Bedarf einer Verbesserung der Koppelungssteifigkeit benachbarter Schaufeln zueinander.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäße Deckband für Laufschaufeln einer Strömungsmaschine und eine gattungsgemäße Strömungsmaschine bereitzustellen, die einen überwiegend resonanzfreien Betrieb von beschaufelten Strömungsmaschinen und eine Verbesserung der Koppelungssteifigkeit benachbarter Schaufeln zueinander gewährleistet.
Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Deckband gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Strömungsmaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Deckband für Laufschaufeln einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, ist am Umfang einer an einem Rotor angeordneten Laufschaufelreihe mit mehreren Laufschaufeln angeordnet und weist an seinem Umfang mindestens einen Trennspalt auf. Dabei ist der Trennspalt zackenförmig ausgebildet und weist mindestens drei voneinander beabstandete und winkelig zu einer Drehachse des Rotors verlaufende Dämpfungsspalte und sich daran anschließende, die Dämpfungsspalte jeweils verbindende oder in Richtung der Deckbandränder verlängernde Verbindungsspalte auf, wobei die Spaltweite der Dämpfungsspalte bei Drehung des Rotors bis zu einem Aneinanderliegen der die Dämpfungsspalte ausbildenden Spaltwände verringert ist. Durch die Ausbildung von mindestens drei voneinander beabstandeten Dämpfungsspalten wird die insgesamt zur Verfügung stehende Kontaktfläche zur Reibungsdämpfung unter Betriebsbedingungen der Strömungsmaschine deutlich erhöht. Dadurch wird ein überwiegend resonanzfreier Betrieb von beschaufelten Strömungsmaschinen und zudem eine Verbesserung der Koppelungssteifigkeit benachbarter Schaufeln zueinander gewährleistet. Es erfolgt eine kontinuierliche Verteilung des Kraftflusses entlang der Dämpfungsspalte beziehungsweise der Kontaktstellen der entsprechenden Spaltwände. Der resonanzfreie Hauptbetriebsbereich ergibt sich durch die Steuerung der fundamentalen Eigenfrequenzen der beschaufelten Scheibe (Gesamtsystem Schaufel/Rotor) durch die Möglichkeit einer individuellen Gestaltung der Abstützungs- und Verspannungskinematik der ausgebildeten Trennspalte.
In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Deckbands sind die Dämpfungsspalte in einem Winkel von 60° bis 90° zur Drehachse des Rotors ausgerichtet. Vorteilhafterweise ist dadurch gewährleistet, dass bei einem Hochfahren der Strömungsmaschine, die sich durch die Fliehkräfte ergebende Umfangsdehnung des Deckbands ungehindert erfolgen kann. Zudem ist es möglich, dass zumindest zwei der Dämpfungsspalte parallel zueinander ausgerichtet sind, so dass ein ungefähr zeitgleicher Kontakt der die Dämpfungsspalte ausbildenden Spaltwände erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Deckbands ist das Deckband in einzelne Deckbandsegmente aufgeteilt, wobei jedes Deckbandsegment einer Laufschaufel zugeordnet und daran angeordnet ist und die einzelnen Deckbandsegmente mit den jeweils benachbarten Deckbandsegmenten in Umfangsrichtung die Trennspalte ausbilden. Es ist aber auch möglich, dass jedes Deckbandsegment einer Gruppe von mindestens zwei Laufschaufeln zugeordnet und daran angeordnet ist und die einzelnen Deckbandsegmente mit den jeweils benachbarten Deckbandsegmenten in Umfangsrichtung die Trennspalte ausbilden. Zudem besteht die Möglichkeit, dass die Laufschaufeln mit den Deckbandsegmenten integral ausgebildet sind. Je nach Anforderungen an die auszubildende Strömungsmaschine kann das erfindungsgemäße Deckband unterschiedliche vorteilhafte Ausgestaltungen und Anordnungen aufweisen. Die Unterteilung des Deckbands in Deckbandsegmente erhöht die Variationsbreite der Anwendungen. Insbesondere ist es auch möglich, die Laufschaufeln mit den Deckbandsegmenten integral, das heißt einstückig auszubilden. Dies führt zu einem vereinfachten Herstellungsprozess und damit zu reduzierten Herstellungskosten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Deckbands ist am Außenumfang des Deckbands mindestens eine Dichtlippe angeordnet. Insbesondere können am Außenumfang zwei voneinander beabstandete und parallel zueinander angeordnete Dichtlippen angeformt sein. Dabei können die Dichtlippen im Bereich der Trennspalte unterbrochen sein. Durch die Anordnung der Dichtlippen erfolgt eine weitere vorteilhafte Reduzierung des Dichtspalts zwischen den rotierenden Schaufeln beziehungsweise dem Deckband und dem feststehenden Triebwerksgehäuse, wobei der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine, insbesondere der Gasturbine deutlich verbessert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kommt das erfindungsgemäße Deckband in einer Niederdruckturbine, insbesondere einer Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks zum Einsatz.
Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, umfasst mindestens einen Rotor, der mindestens eine Laufschaufelreihe mit mehre ren Laufschaufeln aufweist, wobei am Umfang der Laufschaufelreihe ein Deckband gemäß dem im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine gewährleistet aufgrund der Ausgestaltung des Deckbands einen überwiegend resonanzfreien Betrieb und eine Verbesserung der Kopplungssteifigkeit benachbarter Schaufeln zueinander. Dadurch ergibt sich eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads der Strömungsmaschine. Insbesondere kann dabei die Strömungsmaschine eine Niederdruckturbine, insbesondere eine Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks sein. Zudem können die Laufschaufeln Bestandteile einer integralen Rotor-Konstruktion, d. h. BLISK oder BLING, sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Teils einer Strömungsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Deckband; und
2 eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf das erfindungsgemäße Deckband.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Strömungsmaschine bestehend aus einer Laufschaufel 14 mit einem Schaufelfuß 52, wobei der Schaufelfuß 52 an einem Rotor 12 angeordnet ist. Der Rotor 12 ist dabei um eine Achse 18 drehbar. An dem dem Schaufelfuß 52 gegenüberliegenden Ende ist an der Laufschaufel 14 ein Deckband 10 angeordnet. Das Deckband 10 ist dabei am Umfang einer an dem Rotor 12 angeordneten Laufschaufelreihe bestehend aus mehreren Laufschaufeln angeordnet.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf das Deckband 10. Man erkennt, dass das Deckband 10 an seinem Umfang mehrere Trennspalte 16, 16', 16'' aufweist, wobei die Trennspalte 16, 16'', 16'' zackenförmig ausgebildet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Trennspalte 16, 16', 16'' jeweils aus fünf voneinander beabstandeten und winkelig zu der Drehachse 18 des Rotors 12 verlaufenden Dämpfungsspalten 20, 22, 24, 26, 28 und sich an diese anschließende, die Dämpfungsspalte 20, 22, 24, 26, 28 jeweils verbindende oder in Richtung der Deckbandränder 54, 56 verlängernde Verbindungsspalte 30, 32, 34, 36, 38, 40. Aus der in der Figur gezeigten Detaildarstellung X wird zudem deutlich, dass die Spaltweite der Dämpfungsspalte 20, 22, 24, 26, 28 bei Drehung des Rotors 12 bis zu einem Aneinanderliegen der die Dämpfungsspalte 20, 22, 24, 26, 28 ausbildenden Spaltwände 42, 44 verringert ist.
Dagegen bilden die Spaltwände 58, 60 der Verbindungsspalte 30, 32, 34, 36, 38, 40 auch bei Drehung des Rotors weiterhin einen Spalt aus. In der Detaildarstellung X ist nur ein Teilbereich des Trennspalts 16 dargestellt. Des Weiteren wird deutlich, dass in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Deckband 10 in einzelne Deckbandsegmente 46, 48 aufgeteilt ist, wobei jedes Deckband Segmente 46, 48 einer Laufschaufel 14, 50 zugeordnet und daran angeordnet ist. Die einzelnen Deckbandsegmente 46, 48 bilden mit den jeweils benachbarten Deckbandsegmenten in Umfangsrichtung die Trennspalte 16, 16', 16'' aus. Dabei sind die Trennspalte 16, 16', 16'' parallel zueinander ausgebildet, das heißt die einzelnen Dämpfungs- und Verbindungsspalte verlaufen jeweils parallel zueinander.
Des Weiteren wird deutlich, dass die Dämpfungsspalte 20, 22, 24, 26, 28 in einem Winkel von jeweils 60° bis 90° zur Drehachse 18 des Rotors 12 ausgerichtet sind. Dabei sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt vier Dämpfungsspalte 20, 22, 24, 26 zueinander parallel ausgerichtet. Ein weiterer Dämpfungsspalt 28 verläuft in einem spitzen Winkel zu den vorher beschriebenen Dämpfungsspalten 20, 22, 24, 26. Man erkennt zudem, dass die Verbindungsspalte 30, 32, 34, 36, 38, 40 unterschiedliche Winkel in einem Bereich zwischen 0° und 90° bezüglich der Drehachse 18 des Rotors einnehmen können.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind am Außenumfang des Deckbands 10 zwei parallel zueinander verlaufende Dichtlippen 62, 64 angeformt. In dem Bereich der Trennspalte 16, 16', 16'' sind die Dichtlippen unterbrochen. Durch die Dichtlippen 62, 64 ergibt sich eine weitere vorteilhafte Verringerung des Dichtspalts zwischen dem Deckband 10 und einem sich daran anschließenden feststehenden Gehäuse der Strömungsmaschine, insbesondere eines feststehenden Triebwerksgehäuses (nicht dargestellt).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4015206 C1 [0002]

Claims

Deckband für Laufschaufeln einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, wobei das Deckband (10) am Umfang einer an einem Rotor (12) angeordneten Laufschaufelreihe mit mehreren Laufschaufeln (14, 50) angeordnet ist und an seinem Umfang mindestens einen Trennspalt (16, 16', 16'') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennspalt (16, 16', 16'') zackenförmig ausgebildet ist und mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, voneinander beabstandete und winkelig zu einer Drehachse (18) des Rotors (12) verlaufende Dämpfungsspalte (20, 22, 24, 26, 28) und sich daran anschließende, die Dämpfungsspalte (20, 22, 24, 26, 28) jeweils verbindende oder in Richtung der Deckbandränder (54, 56) verlängernde Verbindungsspalte (30, 32, 34, 36, 38, 40) aufweist, wobei die Spaltweite der Dämpfungsspalte (20, 22, 24, 26, 28) bei Drehung des Rotors (12) bis zu einem Aneinanderliegen der die Dämpfungsspalte (20, 22, 24, 26, 28) ausbildenden Spaltwände (42, 44) verringert ist.
Deckband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsspalte (20, 22, 24, 26, 28) in einem Winkel von 60° bis 90° zur Drehachse (18) des Rotors (12) ausgerichtet sind.
Deckband nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Dämpfungsspalte (20, 22, 24, 26, 28) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Deckband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband (10) in einzelne Deckbandsegmente (46, 48) aufgeteilt ist, wobei jedes Deckbandsegment (46, 48) einer Laufschaufel (14, 50) zugeordnet und daran angeordnet ist und die einzelnen Deckbandsegmente (46, 48) mit den jeweils benachbarten Deckbandsegmenten in Umfangrichtung die Trennspalte (16, 16', 16'') ausbilden.
Deckband nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband (10) in einzelne Deckbandsegmente aufgeteilt ist, wobei jedes Deckbandsegment einer Gruppe von mindestens zwei Laufschaufeln zugeordnet und daran angeordnet ist und die einzelnen Deckbandsegmente mit den jeweils benachbarten Deckbandsegmenten in Umfangrichtung die Trennspalte ausbilden.
Deckband nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (14, 50) mit den Deckbandsegmenten (46, 48) integral ausgebildet sind.
Deckband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang des Deckbandes (10) mindestens eine Dichtlippe (62, 64) angeordnet ist.
Deckband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine eine Niederdruckturbine, insbesondere eine Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks ist.
Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, umfassend mindestens einen Rotor (12), der mindestens eine Laufschaufelreihe mit mehreren Laufschaufeln (14, 50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang der Laufschaufelreihe ein Deckband (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 angeordnet ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine eine Niederdruckturbine, insbesondere eine Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (14, 50) Bestandteile einer integralen Rotor-Konstruktion sind.