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DE102009026279A1 - Turbomaschinenkomponenten-Dämpfungsstruktur und Verfahren zur Schwingungsdämpfung einer Turbomaschinenkomponente - Google Patents

Turbomaschinenkomponenten-Dämpfungsstruktur und Verfahren zur Schwingungsdämpfung einer Turbomaschinenkomponente Download PDF

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DE102009026279A1
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John Mcconnell Delvaux
James Wiliam Vehr
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General Electric Co
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Abstract

Eine Turbomaschine (2) enthält einen Hauptkörper (10) mit einer Oberfläche (18, 20) und eine auf der Oberfläche (18, 20) des Hauptkörpers (10) angebrachte Dämpfungsstruktur (60). Die Dämpfungsstruktur (60) ist aus einem Material mit einer temperaturabhängigen Dämpfungseigenschaft ausgebildet.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf das Fachgebiet von Turbomaschinen, und insbesondere auf eine Dämpfungsstruktur für eine Turbomaschinenkomponente.
  • Turbomaschinen enthalten eine Vielzahl von Komponenten, wovon viele während des Betriebs mit hoher Drehzahl rotieren. Der Betrieb der Turbomaschine unterwirft viele von den Turbomaschinenkomponenten sich aus der Schwingung ergebenden Belastungen. Diese umfassen Verdichterkomponenten, Heißgaspfad(HGP)-Komponenten, Brennkammerabschnitte und Turbinenkomponenten. Die sich aus Schwingungen ergebenden Belastungen bewirken eine Ermüdung, die die Betriebslebensdauer der Turbomaschinenkomponenten verkürzt.
  • KURZBESCHREIBUNG
  • Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung enthält eine Turbomaschinenkomponente einen Hauptkörper mit einer Oberfläche und eine auf der Oberfläche des Hauptkörpers angebrachte Dämpfungsstruktur. Die Dämpfungsstruktur besteht aus einem Material mit einer temperaturabhängigen Dämpfungseigenschaft.
  • Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung ei ner Turbomaschinenkomponente die Anbringung einer Dämpfungsstruktur auf einer Oberfläche der Turbomaschinenkomponente. Die Dämpfungsstruktur ist aus einem Material mit einer temperaturabhängigen Dämpfungseigenschaft ausgebildet.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein Beispiel einer Turbinenschaufel, die eine Dämpfungsstruktur gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung enthält.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In 1 ist eine in der Form einer Turbinenschaufel dargestellte Turbinenkomponente, die gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung aufgebaut ist, insgesamt bei 2 dargestellt. Die Turbinenschaufel 2 besteht aus einer Hochtemperaturlegierung, wie z. B. jedoch nicht darauf beschränkt, Legierungen von Nickel und enthält einen Schaufelblatt- oder Laufschaufelabschnitt 4 und einen Basisabschnitt 6. Der Laufschaufelabschnitt 4 enthält einen Hauptkörper 10 mit einem ersten Endabschnitt 12, der sich zu einem zweiten Endabschnitt 14 über einen Mitten- oder Schaufelblattabschnitt 16 erstreckt. Der Schaufelblattabschnitt 16 enthält eine Saugseitenoberfläche 18 und eine Druckseitenoberfläche 20. Der Basisabschnitt 6 enthält ein Hauptkörperelement 30 mit einem ersten Endabschnitt 32, der sich zu einem zweiten Endabschnitt 34 über einen Zwischenabschnitt 36 erstreckt. Der Zwischenabschnitt 36 enthält einen ersten Engelsflügel 40, der einen ersten Nuthohlraumraum 42 definiert und einen zweiten, gegenüberliegenden Engelsflügel 44, der einen zweiten Nuthohlraumraum 46 definiert. Die Turbinenschaufel 2 ist für eine Anbringung auf einer (nicht dargestellten) Rotorscheibe angrenzend an mehrere zusätzliche Turbinenschaufeln zur Ausbildung eines Turbinenabschnittes konfiguriert.
  • Gemäß der dargestellten exemplarischen Ausführungsform enthält die Turbinenschaufel 2 eine Dämpfungsstruktur 60, die an der Druckseitenoberfläche 20 des Schaufelblattabschnittes 16 befestigt ist. Wie es nachstehend vollständig ersichtlich wird, stellt die Dämpfungsstruktur 60 Schwingungsdämpfungseigenschaften bereit, wenn sie auf den Schaufelblattabschnitt 16 aufgebracht ist. Gemäß der exemplarischen Ausführungsform ist die Dämpfungsstruktur 60 aus einem Material mit temperaturabhängigen Schwingungsdämpfungseigenschaften aufgebaut. Insbesondere enthält die Dämpfungsstruktur 60 eine erste Dämpfungseigenschaft bei einer ersten Temperatur und eine zweite Dämpfungseigenschaft bei einer zweiten Temperatur. Die erste Dämpfungseigenschaft geht bei einer Dämpfungsübergangstemperatur auf die zweite Dämpfungseigenschaft über. Auf diese Weise ist die Turbinenschaufel 2 mit einem ersten Dämpfungsgrad während des Startvorgangs versehen und mit steigenden Betriebstemperaturen und steigenden Drehzahlen durchläuft die Dämpfungsstruktur 60 die Übergangstemperatur, um einen höheren Schwingungsdämpfungsgrad bereitzustellen.
  • Gemäß einem Aspekt der exemplarischen Ausführungsform ist die Dämpfungsstruktur 60 aus einer rostfreien Stahllegierung mit einer Dämpfungsübergangstemperatur von etwa 482,2°C (900°F) ausgebildet. Die Dämpfungsstruktur 60 ist beispielsweise an einer Oberfläche des Schaufelblattabschnittes 16 befestigt. Der Grad der von der Dämpfungsstruktur 60 bereitgestellten Dämpfung ist von der Temperatur abhängig, bei welcher die Schwingungsreaktion auftritt. D. h., unter etwa 482°C (900°F) befindet sich die Dämpfung bei einem ersten Grad und über 482,2°C (900°F) befindet sich die Dämpfung bei einem zweiten, höheren Grad. Das vorstehend beschriebene System stellt eine 2 bis 14-fache Erhöhung der Dämpfung für die Turbinenschaufel 2 bereit. Natürlich dürfte man erkennen, dass der vorstehend beschriebene Bereich nur eine exemplarische Ausführungsform der Erfindung ist. Weitere Materialien mit ähnlichen oder unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften können ebenfalls verwendet werden. Die verwendeten speziellen Materialien hängen von den gewünschten Dämpfungseigenschaften bei speziellen Betriebsparametern/Temperaturen der Turbomaschine ab.
  • An diesem Punkt dürfte es sich verstehen, dass, obwohl die Dämpfungsstruktur 60 als aus einem rostfreien Stahl ausgebildet beschrieben wird, weitere Legierungen, einschließlich Glaslegierungen, die eine Übergangstemperatur in dem Bereich von 426,6°C bis 760°C (800°F bis 1400°F) haben, ebenfalls verwendet werden können. Es dürfte sich auch verstehen, dass die spezielle Anbringungsstelle der Dämpfungsstruktur 60 ebenfalls variieren kann. D. h., statt der Abdeckung eines gesamten Schaufelblattabschnittes kann die Dämpfungsstruktur 60 selektiv auf Bereichen hoher Verformung für eine maximale Belastungsreduzierung aufgebracht werden. Zusätzlich kann eine Wärmebarrierenbeschichtung 70 über einer Schnittstelle zwischen der Dämpfungsstruktur 60 und dem Schaufelblattabschnitt 16 aufgebracht werden, um einen Schutz vor Abplatzen und Oxidation bereitzustellen.
  • Die Dämpfungsstruktur 60 kann auf die gewünschte Turbomaschinenkomponente mittels einer Anzahl geeigneter Verbindungstechniken abhängig von den zu verbindenden Materialien aufgebracht werden. Beispielsweise kann die Dämpfungsstruktur 60 auf den Schaufelblattabschnitt 16 unter Verwendung von Schweiß-, Hartlöt- oder Plasmaspritz-Techniken aufgebracht werden. Ferner die Dämpfungsstruktur 60 in nur einlagig, mehrerlagig oder kombiniert mit einer Dämpfungsstruktur mit Dämpfungseigenschaften aufgebracht werden, die mit Struktureigen schaften des Dämpfungsmaterials verbunden sind, wie sie durch die gleichzeitig anhängige U. S. Patentanmeldung Serien-Nr. 11/844,462 mit dem Titel ”Stuctures for Damping of Turbine Components”, eingereicht am 24. August 2007 und hierin durch Bezugnahme in seiner Gänze beinhaltet, gelehrt werden.
  • Im Wesentlichen verwendet diese Beschreibung Beispiele zum Offenlegen der Erfindung einschließlich der besten Ausführungsart, und auch, um einem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis, einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Vorrichtungen oder Systeme und Durchführung aller dazugehörigen Verfahren umzusetzen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sein, wenn sie Strukturelemente besitzen, die sich nicht von der wörtlichen Beschreibung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber der wörtlichen Beschreibung der Ansprüche enthalten.
  • Eine Turbomaschine 2 enthält einen Hauptkörper 10 mit einer Oberfläche 18, 20, und eine auf der Oberfläche 18, 20 des Hauptkörpers 10 angebrachte Dämpfungsstruktur 60. Die Dämpfungsstruktur 60 ist aus einem Material mit einer temperaturabhängigen Dämpfungseigenschaft ausgebildet.
    • 2
    Turbinenkomponente
    4
    Laufschaufel
    6
    Basisabschnitt
    10
    Hauptkörper (4)
    12
    Erster Endabschnitt (10)
    14
    Zweiter Endabschnitt (10)
    16
    Zwischen/Schaufelblatt-Abschnitt
    18
    Saugseitenoberfläche
    20
    Druckseitenoberfläche
    30
    Hauptkörperelement (6)
    32
    Erster Endabschnitt (30)
    34
    Zweiter Endabschnitt (30)
    36
    Zwischenabschnitt (30)
    40
    Erster Engelsflügel
    42
    Erster Nuthohlraumraum
    44
    Zweiter Engelsflügel
    46
    Zweiter Nuthohlraumraum
    60
    Dämpfungsstruktur

Claims (9)

  1. Turbomaschinenkomponente (2), aufweisend: einen Hauptkörper (10) mit einer Oberfläche (18, 20); und eine Dämpfungsstruktur (60), die auf der Oberfläche 18, 20) des Hauptkörpers (10) angebracht ist, wobei die Dämpfungsstruktur (60) aus einem Material mit einer temperaturabhängigen Dämpfungseigenschaft ausgebildet ist.
  2. Turbomaschinenkomponente (2) nach Anspruch 1, wobei die Dämpfungsstruktur (60) eine erste Dämpfungseigenschaft bei einer ersten Temperatur und eine zweite Dämpfungseigenschaft bei einer zweiten Temperatur enthält, wobei sich die zweite Temperatur von der ersten Temperatur unterscheidet.
  3. Turbomaschinenkomponente (2) nach Anspruch 2, wobei die Dämpfungsstruktur (60) eine Dämpfungsübergangstemperatur enthält, wobei die Dämpfungsübergangstemperatur zwischen den ersten und zweiten Temperaturen liegt.
  4. Turbomaschinenkomponente (2) nach Anspruch 3, wobei die Dämpfungsübergangstemperatur in einem Bereich zwischen etwa 426,6°C (800°F) bis etwa 760°C (1400°F) liegt.
  5. Turbomaschinenkomponente (2) nach Anspruch 4, wobei die Dämpfungsübergangstemperatur etwa 482,2°C (900°F) ist.
  6. Turbomaschinenkomponente (2) nach Anspruch 1, wobei die Dämpfungsstruktur (60) rostfreien Stahl aufweist.
  7. Turbomaschinenkomponente (2) nach Anspruch 1, wobei die Turbomaschinenkomponente (2) wenigstens eine Turbinen schaufel (60) beinhaltet, und wobei die Dämpfungsstruktur auf einer Oberfläche (18, 20) der wenigstens einen Turbinenschaufel (2) angebracht ist.
  8. Turbomaschinenkomponente (2) nach Anspruch 1, wobei die Dämpfungsstruktur (60) auf einen Abschnitt der Oberfläche (18, 20) der wenigstens einen Turbinenschaufel (2) angebracht ist.
  9. Turbomaschinenkomponente (2) nach Anspruch 1, wobei die Dämpfungsstruktur (60) an der Oberfläche (18, 20) der Turbomaschinenkomponente mittels einem von Schweißen, Hartlöten und Plasmaspritzen angebracht ist.
DE102009026279A 2008-07-30 2009-07-29 Turbomaschinenkomponenten-Dämpfungsstruktur und Verfahren zur Schwingungsdämpfung einer Turbomaschinenkomponente Withdrawn DE102009026279A1 (de)

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