DE102009010185A1

DE102009010185A1 - Gasturbinenmaschine

Info

Publication number: DE102009010185A1
Application number: DE200910010185
Authority: DE
Inventors: Andreas Hartung
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-08-26
Also published as: WO2010094277A3; WO2010094277A2

Abstract

Eine Gasturbinenmaschine umfasst mindestens einen Schaufelcluster (10), in dem mehrere Schaufelblätter (12) an einem gemeinsamen Innenring (14) und/oder Außenring (16) angeordnet sind. Der Schaufelcluster (10) weist wenigstens einen Hohlraum (18) auf, wobei im Inneren des Hohlraums (18) mehrere Dämpfungskörper (20, 22, 24) vorgesehen sind, die sich unabhängig voneinander relativ zu den Wänden des Hohlraums (18) und relativ zueinander bewegen können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenmaschine mit mindestens einem Schaufelcluster, in dem mehrere Schaufelblätter an einem gemeinsamen Innen- und/oder Außenring angeordnet sind.
Es sind Gasturbinenmaschinen bekannt, bei denen in den Laufschaufeln Dämpfungssysteme vorgesehen sind, um Schwingungen der Laufschaufeln zu dämpfen. Ein solches Dämpfungssystem besteht beispielsweise aus einem einzelnen kugelförmigen Dämpfungskörper, der in einem Hohlraum in einer Laufschaufel eines Gasturbinenrotors angeordnet ist. Dämpfungskörper und Hohlraum sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass sich das Dämpfungssystem selbst regelt. Die Dämpfung erfolgt durch Stöße des Dämpfungskörpers gegen die Wände des Hohlraums und durch Stöße der Körper untereinander.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstig herstellbare Gasturbinenmaschine mit verbesserter Schwingungsdämpfung zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine erfindungsgemäße Gasturbinenmaschine mit mindestens einem Schaufelcluster gelöst, wobei im Schaufelcluster mehrere Schaufelblätter an einem gemeinsamen Innen- und/oder Außenring angeordnet sind. Der Schaufelcluster weist mindestens einen Hohlraum auf, wobei im Inneren des Hohlraums mehrere Dämpfungskörper vorgesehen sind, die sich unabhängig voneinander relativ zu den Wänden des Hohlraums und relativ zueinander bewegen können. Auf diese Weise können Schwingungen des Schaufelclusters durch Stöße der Dämpfungskörper gegen die Wände des Hohlraums und der Dämpfungskörper gegeneinander sowie durch Energiedissipation bei Reibung der Dämpfungskörper gegen die Wände des Hohlraums und Reibung der Dämpfungskörper gegeneinander gedämpft werden. Die Anordnung des Hohlraums mit Dämpfungskörpern in einem Schaufelcluster ermöglicht eine gekoppelte Dämpfung von Clusterschwingungsformen.
Vorzugsweise ist der Schaufelcluster ein Leitschaufelcluster. Dies ermöglicht neben der Dämpfung von Laufschaufeln auch eine Dämpfung von Leitschaufeln.
Der Hohlraum kann zur Kühlung des Schaufelclusters dienen. Dies erlaubt eine Kombination von Kühlungs- und Dämpfungsfunktionen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Konstruktion des Hohlraums in Bezug auf Form, Volumen und Material zur Dämpfung bestimmter Schwingungen ausgelegt. Auf diese Weise kann jeder Schaufelcluster der Gasturbinenmaschine auf die Dämpfung bestimmter Schwingungen, in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung, optimiert werden.
Es ist möglich, dass mehrere Hohlräume mit Dämpfungskörpern in dem Schaufelcluster vorgesehen sind. Auf diese Weise wird die Flexibilität der Konstruktion des Schaufelclusters erhöht.
Die mehreren Hohlräume können miteinander verbunden sein, wobei die Verbindung der Hohlräume so ausgebildet ist, dass die Dämpfungskörper nicht von einem Hohlraum in den anderen Hohlraum gelangen können. Somit wird beispielsweise eine Verbindung der Hohlräume zur Kühlung ermöglicht, während die Dämpfungskörper in ihren jeweiligen Hohlräumen bleiben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind in verschiedenen Hohlräumen verschiedene Dämpfungskörper in Bezug auf Material, Form, Masse und/oder Anzahl vorgesehen. Dies ermöglicht eine optimale Auslegung der Dämpfungskörper für jeden Hohlraum.
Es ist möglich, dass unterschiedliche Dämpfungskörper vorgesehen sind, die sich in Bezug auf Material, Form, Masse und/oder Anzahl unterscheiden. Durch die Verwendung unterschiedlicher Dämpfungskörper können auf einfache Weise mehrere Schwingungsfrequenzen gedämpft werden.
Alternativ ist es möglich, dass alle Dämpfungskörper in Bezug auf Material, Form und Masse gleich sind. Dies vereinfacht die Herstellung der Dämpfungskörper sowie die mathematische Berechnung/Modellierung des Dämpfungssystems.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Hohlraum mit Dämpfungskörpern im Innen- und/oder Außenring vorgesehen, insbesondere in einem Bereich, der sich über mehrere Schaufelblätter erstreckt. Dies ermöglicht die gemeinsame Dämpfung mehrerer Schaufelblätter.
Es kann ein Hohlraum mit Dämpfungskörpern in wenigstens einem Schaufelblatt vorgesehen sein. Auf diese Weise wird eine Dämpfung direkt im Schaufelblatt ermöglicht.
Vorzugsweise sind die Form, Masse und/oder Anzahl der Dämpfungskörper zur Dämpfung bestimmter Schwingungsfrequenzen, insbesondere höherer Eigenfrequenzen, ausgelegt. Somit wird eine optimale Dämpfung spezifischer Schwingungsfrequenzen durch mathematische Modellierung der Schwingungsverhältnisse in der Gasturbinenmaschine ermöglicht.
Die Dämpfungskörper sind vorzugsweise aus temperaturbeständigem Material, insbesondere Nickel- und/oder Titan-Legierungen gefertigt. Dies ermöglicht eine Anwendung der Dämpfungskörper insbesondere auch in Gasturbinenmaschinen, die von Heißgasen durchströmt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Schaufelcluster einer Gasturbinenmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
2 ein Schaufelcluster einer Gasturbinenmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt einen Schaufelcluster 10 gemäß einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbinenmaschine. Die Erfindung wird am Beispiel eines Leitschaufelclusters beschrieben. Der Schaufelcluster 10 umfasst mehrere Schaufelblätter 12, die zwischen einem Innenring 14 und einem Außenring 16 angeordnet sind, genauer gesagt einem Innen- und einem Außenringsegment.
Im Innenring 14 ist ein Hohlraum 18 vorgesehen, der sich in Umfangsrichtung über einen Bereich aller vier Schaufelblätter 12 erstreckt. Im Inneren des Hohlraums 18 sind mehrere Dämpfungskörper 20 angeordnet.
Die Konstruktion des Hohlraums 18 und die Dämpfungskörper 20 sind zur Dämpfung bestimmter Schwingungen des Schaufelclusters 10 ausgelegt. Hierzu sind Form, Volumen und Wandmaterial des Hohlraums 18 sowie Form, Masse und Anzahl der Dämpfungskörper 20 zur optimalen Dämpfung höherer Eigenfrequenzen des Schaufelclusters 10 durch mathematische Berechnung und Modellierung ausgelegt.
Die Dämpfungskörper 20 haben in der gezeigten Ausführungsform die Form von zylinderförmigen Scheiben. Die Form der Dämpfungskörper 20 kann auch ein langgestreckter Zylinder, eine Kugel oder ein Ellipsoid sein.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind alle Dämpfungskörper 20 in Bezug auf Material, Form und Masse gleich.
Es ist natürlich auch möglich, dass sich die Dämpfungskörper 20 in Bezug auf Material, Form, Masse und/oder Anzahl unterscheiden. Dabei können auch jeweils mehrere Dämpfungskörper 20 einer Art im Hohlraum 18 vorgesehen sein.
Die Dämpfungskörper 20 sind aus temperaturbeständigem Material, vorzugsweise Nickel- oder Titan-Legierungen gefertigt. Wichtig ist dabei auch ein ausreichend hoher Reibkoeffizient in den Paarungen der Dämpfungskörper 20 mit den Wänden des Hohlraums 18 sowie mit den anderen Dämpfungskörpers 20.
Die Dämpfungskörper 20 können sich unabhängig voneinander relativ zu den Wanden des Hohlraums 18 und relativ zueinander bewegen und dabei gegen die Wände des Hohlraums 18 und gegeneinander stoßen, wobei durch Reibung der Dämpfungskörper 20 gegen die Wände des Hohlraums 18 und Reibung der Dämpfungskörper 20 untereinander dissipiert wird und somit Schwingungen des Schaufelclusters 10 gedämpft werden.
2 zeigt einen Schaufelcluster 10 einer zweiten Ausführungsform der Gasturbinenmaschine. In dieser Ausführungsform sind mehrere Hohlräume 18 vorgesehen, wobei ein erster Hohlraum 18 im Innenring 14 und ein zweiter Hohlraum 18 im Außenring 16 liegt. Beide Hohlräume 18 erstrecken sich in Umfangsrichtung über den gesamten Bereich des Schaufelclusters 10.
Weitere Hohlräume 18 sind im Bereich der Schaufelblätter 12 vorgesehen, wobei die Hohlräume 18 im Innenring 14 und Außenring 16 jeweils mit dem Hohlraum 18 im Schaufelblatt 12 über eine Verbindung 26 gekoppelt werden.
Im Hohlraum 18 im Außenring 16 sind erste Dämpfungskörper 20 und im Innenring 14 zweite Dämpfungskörper 22 vorgesehen. Die ersten und zweiten Dämpfungskörper 20, 22 unterscheiden sich in ihrer Form und ihrer Masse sowie in der Anzahl der Dämpfungskörper 20, 22, die in dem jeweiligen Hohlraum 18 angeordnet sind.
In den Hohlräumen 18 der Schaufelblätter 12 sind z. B. dritte Dämpfungskörper 24 in langgestreckter Zylinderform untergebracht. Es ist natürlich auch möglich, dass in einem Hohlraum 18 unterschiedliche Dämpfungskörper 20, 22 liegen, wobei insbesondere in verschiedenen Hohlräumen unterschiedliche Kombinationen von Dämpfungskörpers 20, 22 vorgesehen sind.
Die Verbindung 26 der Hohlräume 18 ist so ausgebildet, dass die Dämpfungskörper 20, 22, 24 nicht von einem Hohlraum 18 in den anderen Hohlraum 18 gelangen können. Auf diese Weise wird die Art und die Anzahl der Dämpfungskörper 20, 22, 24 in jedem Hohlraum 18 auch bei einer Verbindung der Hohlräume beibehalten.
Die Hohlräume 18 dienen optional zur Kühlung des Schaufelclusters 10 und werden von Kühlfluid durchströmt. Die Verbindung 26 der unterschiedlichen Hohlräume 18 ermöglicht einen Fluss von Kühlfluid durch sämtliche Hohlräume 18 des Schaufelclusters 10. Vorzugsweise wird die Viskosität des Kühlfluids bei der Auslegung der Hohlräume 18 und Dämpfungskörper 20, 22, 24 berücksichtigt.

10: Schaufelcluster
12: Schaufelblatt
14: Innenring
16: Außenring
18: Hohlraum
20: (erster) Dämpfungskörper
22: zweiter Dämpfungskörper
24: dritter Dämpfungskörper
26: Verbindung

Claims

Gasturbinenmaschine mit mindestens einem Schaufelcluster (10), in dem mehrere Schaufelblätter (12) an einem gemeinsamen Innenring (14) und/oder Außenring (16) angeordnet sind, wobei der Schaufelcluster (10) wenigstens einen Hohlraum (18) aufweist und im Inneren des Hohlraums (18) mehrere Dämpfungskörper (20, 22, 24) vorgesehen sind, die sich unabhängig von einander relativ zu den Wänden des Hohlraums (18) und relativ zu einander bewegen können
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelcluster (10) ein Leitschaufelcluster ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (18) zur Kühlung des Schaufelclusters (10) dient.
Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion des Hohlraums (18) in Bezug auf Form, Volumen und Material zur Dämpfung bestimmter Schwingungen ausgelegt ist.
Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hohlräume (18) mit Dämpfungskörpern (20, 22, 24) in dem Schaufelcluster (10) vorgesehen sind.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Hohlräume (18) miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung (26) der Hohlräume (18) so ausgebildet ist, dass die Dämpfungskörper (20, 22, 24) nicht von einem Hohlraum (18) in den anderen Hohlraum (18) gelangen können.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in verschiedenen Hohlräumen (18) verschiedene Dämpfungskörper (20, 22, 24) in Bezug auf Material, Form, Masse und/oder Anzahl vorgesehen sind.
Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Dämpfungskörper (20, 22, 24) vorgesehen sind, die sich in Bezug auf Material, Form, Masse und/oder Anzahl unterscheiden.
Gasturbinenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Dämpfungskörper (20, 22, 24) in Bezug auf Material, Form und Masse gleich sind.
Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlraum (18) mit Dämpfungskörpern (20, 22, 24) im Innenring (14) und/oder im Außenring (16) vorgesehen ist, insbesondere in einem Bereich, der sich über mehrere Schaufelblätter (12) erstreckt.
Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlraum (18) mit Dämpfungskörpern (20, 22, 24) in wenigstens einem Schaufelblatt (12) vorgesehen ist.
Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form, Masse und/oder Anzahl der Dämpfungskörper (20, 22, 24) zur Dämpfung bestimmter Schwingungsfrequenzen, insbesondere höherer Eigenfrequenzen, ausgelegt sind.
Gasturbinenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskörper (20, 22, 24) aus temperaturbeständigem Material, insbesondere Nickel- und/oder Titan-Legierungen gefertigt sind.