-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Leitschaufeln in
Verdichtern eines Gasturbinentriebwerks und speziell auf die Dämpfung von Schwingungen,
die vom Triebwerksgehäuse
auf solche Leitschaufeln übertragen
werden.
-
Es
ist festzuhalten, dass das Gehäuse
eines Gasturbinentriebwerks während
des Triebwerksbetriebs in verschiedenen Schwingungsmoden Schwingungen
erzeugt. Diese Schwingungsmoden haben typischerweise ein breites
Spektrum Moden, als auch verschiedene Auslenkungen. Es wird zu berücksichtigen
sein, dass die starren Leitschaufeln für den Niederdruckverdichter
und/oder den Hochdruckverdichter im Allgemeinen an dem Triebwerksgehäuse befestigt
sind. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die
Leitschaufeln in Schienen eingeschoben werden, die auf der Innenfläche des Triebwerksgehäuses dafür vorgesehen
sind, oder durch Einbindung in einen Flansch zwischen einer Vertiefung
im Triebwerksgehäuse.
In beiden Fällen wird
zumindest ein Teil der Schwingungsenergie des Triebwerksgehäuses auf
die Leitschaufeln übertragen.
Da die einzelnen Leitschaufeln und/oder Mantelsysteme für solche
Leitschaufeln auf Frequenzbereichen vibrieren können, die im Wesentlichen synchron
mit den Gehäuseschwingungen
sind, entsteht die Möglichkeit
von Abnutzungsschäden
und/oder kurzfristigen Ermüdungsschäden.
-
Zur
Vermeidung solcher potenzieller Schäden wurden bei herkömmlichen
Gasturbinen verschiedene Lösungen
angewendet. Eine Lösung
war die Veränderung
des Gasturbinengehäuses,
um die potentiell schädlichen
Schwingungsmodi zu beseitigen. Eine andere Lösung war die Veränderung
der der Leitschaufeln und/oder Mantelsysteme, um die Schwingungsmodi
zu beseitigen, die synchron mit den Schwingungsmodi des Gehäuses sind.
Dämpfungsmaterial
und andere Dämpfungsvorrichtungen wurden
außerdem
im Bereich der Mantels/Schaufelspitze angebracht, um die Schwingungen
zu dämpfen,
die solchen Leitschaufeln zugefügt
wurden, wie im
U.S. Patent 4.872.812 von
Hendley et al und im
U.S. Patent
6.343.912 von Manteiga et al nachgewiesen. Noch eine weitere
Lösung
war die Anbringung einer mechanischen Dämpfungsfeder am Rumpf der Leitschaufel,
wie im
U.S. Patent 5.681.142 von
Lewis zu sehen. Keine dieser Lösungen
konnte jedoch eindeutig eine Veränderung
der Schwingungen erreichen, die die Leitschaufeln durch das Triebwerksgehäuse erfahren.
-
U.S Patent 5.429.479 beschreibt
eine Leitschaufelplattform, wobei die Leitschaufeln in einen Ring
eingebettet sind. Die Plattform umfasst ein Umfassungsband, das
mit dem Ring umlaufend einhergeht und eine Vielzahl von Federn haben
kann, die einen Vorwiderstand gegen den Umfassungsring leisten.
-
Es
wäre daher
wünschenswert,
dass eine Leitschaufelanordnung entwickelt wird, die die Schwingungen
des Triebwerksgehäuses
auf die Leitschaufeln des Verdichters dämpft. Es ist außerdem wünschenswert,
dass die Leitschaufelanordnung einfach zusammengesetzt und wieder
auseinander genommen werden kann, um die Fertigung und Reparaturen
zu erleichtern.
-
Dem
ersten Aspekt entsprechend, bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf eine Leitschaufelanordnung wie in Anspruch 1 beschrieben.
-
Dem
zweiten Aspekt entsprechend, bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf ein Verfahren zur Dämpfung
von Schwingungen, wie in Anspruch 7 beschrieben.
-
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft beschrieben, unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, wobei:
-
1 eine
Längsschnittansicht
eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks umfassend einen Verdichter
mit einer Leitschaufelanordnung der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
2 ist
eine Querschnittsteilansicht eines zweiteiligen Verdichters, wie
in 1 beschrieben, wo eine Ausführungsform der Leitschaufelanordnung gemäß dieser
Erfindung gezeigt wird;
-
3 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
der Leitschaufelanordnung, wie in 2 beschrieben,
umfassend ein Dämpfungsbauteil
in einem begrenzten Bereich zwischen der Leitschaufel und dem Triebwerksgehäuse;
-
4 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
der Leitschaufelanordnung, wie in 2 beschrieben,
umfassend ein alternatives Dämpfungsbauteil
in einem begrenzten Bereich zwischen der Leitschaufel und dem Triebwerksgehäuse;
-
5 ist
eine Querschnittsteilansicht eines Triebwerks mit einer alternativen
Gehäusegestaltung,
wobei eine Ausführungsform
der Leitschaufelanordnung gemäß dieser
Erfindung gezeigt wird;
-
6 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
der Leitschaufelanordnung, wie in 5 beschrieben,
umfassend ein Dämpfungsbauteil
in einem begrenzten Bereich zwischen der Leitschaufel und dem Triebwerksgehäuse; und
-
7 ist
eine vergrößerte perspektivische Ansicht
des Dämpfungsbauteils,
wie in 3 und 6 beschrieben.
-
Mit
Bezug auf die Zeichnungen, wobei identische Bezugszeichen durchgängig durch
alle Figuren dieselben Elemente bezeichnen, illustriert 1 eine
beispielhafte Gasturbine, allgemein mit dem Bezugszeichen 10 benannt.
Die Gasturbine 10 wird typischerweise in Marine- und Industrieanwendungen benutzt
und umfasst in serieller Anordnung einen Niederdruckverdichter 12,
einen Hochdruckverdichter 14 einen Boosterverdichter 13,
eine Brennkammer 16, eine Hochdruckturbine 18 und
eine Niederdruckturbine 20. Es wird offenbar, dass eine
erste Läuferwelle 22 die
Hochdruckturbine 18 mit dem Hochdruckverdichter 14 verbindet,
während
eine zweite Läuferwelle 24 die
Niederdruckturbine 20 mit dem Niederdruckverdichter 12 verbindet.
Eine Längsachse 25 ist
in 1 zu Referenzzwecken eingefügt.
-
Wie
in 2 zu sehen ist, umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 ein
Gehäuse 26 mit
einer zweiteiligen Gestaltung auf einer Axialposition, angrenzend
an den Hochdruckverdichter 14. Das ist durch offensichtlich
durch die Verbindung eines ersten ringsum greifenden Flansches 28 mit einem
zweiten ringsum greifenden Flansch 30 in Stoßverbindung mit
einer Vielzahl von ringsum abstehenden Bolzen 32 oder anderen, ähnlichen
solche Flansch verbindenden Vorrichtungen. Es wird zu bemerken sein, dass
eine bestimmte Leitschaufelplattform für Hochdruckverdichter 14 (wovon
eine Leitschaufel 34 gezeigt wird) unmittelbar hinter der
Trennlinie in Gehäuse 26 angebracht
ist. Aufgrund ihres Quasi-Kontakts zu den Flanschen 28 und 30 können die
Leitschaufeln 34 anfälliger
für die
Schwingungen des Gehäuses 26 sein.
Solche Gehäuseschwingungen
haben, wie zuvor beschrieben, ein breites Spektrum von Formenarten
mit verschiedenen Verschiebungsstufen. Um den Einfluss solcher Gehäuseschwingungen
auf die Leitschaufeln 34 zu verringern, ist ein Dämpfungsbauteil 36 vorzugsweise
in einem zwischen einem Außenteil 40 jeder
Leitschaufel 34 und Gehäuse 26 begrenzten
Bereich 38 angebracht.
-
Noch
weiter spezifiziert, wird es aus 2 und 3 ersichtlich,
dass ein Steg 41 eines Innenteils 42 jeder Leitschaufel 34 in
einer Lagerbuchse 44 eingefasst ist, die sich in einem
Mantel 45 befindet, wie herkömmlich bekannt. Das Außenteil 40 jeder Leitschaufel 34 ist
an einer Plattform 47 angebracht, die in Gehäuse 26 eingefasst
ist, wobei die Außenplattform 47 vorzugsweise
ein erstes oder nachgeordnetes Ende 46 mit einer im Wesentlichen
L-förmigen
Gestalt umfasst, das bemessen ist, um in einen entsprechenden Schlitz 48 in
Gehäuse 26 zu
passen. Ein zweites oder vorgeordnetes Ende 50 jeder Außenplattform 47 ist
vorzugsweise ein Flansch, der so bemessen und gestaltet ist, dass
er zwischen den ersten und zweiten ringsum verlaufenden Flanschen 28 und 30 eingefügt wird,
beziehungsweise am Gehäuse 26 in
Stoßverbindung.
Jeder Flansch 50 umfasst außerdem wenigstens eine durch
ihn hindurch führende Öffnung,
um einen oder mehrere Bolzen 32 dort hindurch führen zu
können.
Jede Außenplattform 47 umfasst
weiterhin einen mittleren Bereich 52, der das vorgeordnete
Ende 50 und nachgeordnete Ende 46 verbindet, wobei
der mittlere Bereich 52 sich im Wesentlich parallel zum
Gehäuse 26 erstreckt. Aufgrund
der entsprechenden Gestaltung jeder Außenplattform 47 und
jedes Gehäuses 26 ist
zu erkennen, dass einzelne Öffnungsbereiche 38 dazwischen abgegrenzt
werden. Um die Schwingungen des Gehäuses 26 auf die Außenplattform 47 zu
dämpfen (und
damit jedes Leitschaufelaußenteils 40),
ist ein Dämpfungsbauteil 36 vorzugsweise
in jedem abgegrenzten Öffnungsbereich 38 angebracht.
-
Das
Dämpfungsbauteil 36 ist
vorzugsweise aus elastischem Material aufgebaut, das vorzugsweise
vorgeformt und vernetzt ist, bevor es in jedem begrenzten Bereich 38 eingebracht
wird. Es wird Anerkennung finden, dass jedes Dämpfungsbauteil 36 so bemessen
sein mag, dass es sich nur innerhalb eines Teils jedes begrenzten
Bereichs 38 ausdehnen kann (siehe 3) oder
innerhalb des im Wesentlichen ganzen begrenzten Bereichs 38 (siehe 4).
Es ist zu verstehen, dass das elastische Material vorzugsweise gewissen
vorbestimmten Parametern entspricht, einschließlich der Fähigkeit, seine Eigenschaften
unter hohen Temperaturen beizubehalten. Im Einzelnen behält das elastische
Material jedes Dämpfungsbauteils 36 vorzugsweise
seine Eigenschaften bei Temperaturen von wenigstens etwa 300°F, noch besser
bei Temperaturen von wenigstens etwa 375°F und idealerweise bei Temperaturen von
wenigstens etwa 450°F.
Ein Bespiel solchen elastischen Materials ist bekannt als rotes
Oxid RTV (Raumtemperatur vulkanisiertes Gummi), hergestellt von
GE Plastics in Pittsfield, Massachusetts. Entsprechend ist das Dämpfungsbauteil 36 in
der Lage, ähnliche
Funktionalität für die Leitschaufeln
und ihre Plattformen zu bieten, die innerhalb der Temperaturumgebungen
des Niederdruckverdichters 12 und/oder Schubdruckverdichter 13 angebracht
sind.
-
Wenn
das Dämpfungsbauteil 36 in
dem begrenzten Bereich 38 angebracht wird, ist es wünschenswert,
dass eine Klebeschicht 54 darauf aufgebracht wird, um es
in Position zu halten, während jede
Leitschaufel 34 und seine Plattform 47 am Gehäuse 26 befestigt
wird. Es wird Anerkennung finden, dass die Klebeschicht 54 sich
auflösen
mag oder verbrannt wird, sobald das Gasturbinentriebwerk 10 in Betrieb
ist, wodurch das Dämpfungsbauteil 36 entweder
durch Reibung in den begrenzten Bereich 38 hinein rutscht
oder darin schweben mag. Wie in 7 zu sehen,
ist das Dämpfungsbauteil 36 in
einem vorgeformten und vernetzten Zustand als im Wesentlichen rechteckige
Form zu sehen, obwohl jede Form und Größe verwendet werden kann, vorausgesetzt
es erfüllt
die gewünschte
Dämpfungsfunktion
zwischen Gehäuse 26 und
Leitschaufeln 34. Gleichermaßen ist eine Vielzahl von Nuten 56 vorzugsweise
im Dämpfungsbauteil 36 ausgebildet,
um bessere Flexibilität
und Anordnung zu ermöglichen (siehe 7).
Die Lage des Dämpfungsbauteils 36 und
der Nuten 56 innerhalb jeden begrenzten Bereiches 38 wird
jedoch nicht als einschränkend
auf die vorliegende Erfindung erachtet.
-
Eine
alternative Zusammensetzung der Leitschaufelanordnung wird in 5 und 6 dargelegt,
wo dessen Gehäuse 58 in
fortlaufender axialer Richtung verläuft, aber ein Paar Flansche 60 und 62 hat,
die in einer Muschelschalengestalt an den gegenüberliegenden zentrischen Enden
verbunden sind (wovon eine gezeigt wird). Der Gehäuseaufbau bietet
außerdem
eine Vielzahl von verstreuten Schienenbauteilen 64 entlang
einer Innenfläche
davon, worin eine Vielzahl Leit schaufeln 66 eingefügt und gehalten
werden, vor dem Zusammenbau des Gehäuses 58. Es wird außerdem Anerkennung
finden, dass ein Öffnungsbereich 68 entsprechend
zwischen Gehäuse 58 und
einer Außenplattform 70 für jede Leitschaufel 66 begrenzt
ist. Jede Außenplattform 70 umfasst
außerdem
ein Paar Abschlussbauteile 71 und 73, die innerhalb
der entsprechenden Ausbuchtungen 75 und 77 des
Schienenbauteils 64 eingefügt werden. Ein Dämpfungsbauteil 72 wie
das zuvor erörterte
ist vorzugsweise innerhalb jedes begrenzten Bereichs 68 angebracht,
um die Schwingungen des Gehäuses 58 auf
die Außenplattformen 70 und
Leitschaufeln 66 zu dämpfen.
Selbstverständlich
ist solch ein Dämpfungsbauteil 72 vorzugsweise
von einer Größe und Form,
so dass es in den öffnungsbereich 68 passt
und seine beabsichtigte Funktion erfüllt.
-
Da
die Zugänglichkeit
zu den begrenzten Bereichen 68 zwischen Gehäuse 58 und
jedes Leitschaufelaußenteils 70 nicht
so einfach ist, wie bei der Plattform der Leitschaufeln 34 in
dem zuvor beschriebenen zweiteiligen Gehäuse 26, wird es Anerkennung
finden, dass elastisches Material alternativ in solche Bereiche 68 gepresst
werden kann, oder vor Ort, wo es direkt vernetzen kann und als Dämpfungsbauteil 72 wirken
kann. Durch Anbringung des elastischen Materials auf diese Weise
sind die Dämpfungsbauteile 72 in
der Lage, enger an die Öffnungsbereiche 68 angepasst
zu werden. Dieses Verfahren kann auch bei dem zweiteiligen Gehäuse 26 angewendet
werden, wie in 4 zu sehen.
-
Es
wird Anerkennung finden, dass die Dämpfungsbauteile 36 und 72 vorzugsweise
die Schwingungen reduzieren, die von den Gehäusen 26 und 58 auf
die Außenplattformen 47 und 70 einwirken,
und zwar um wenigstens etwa 10%. Noch wün schenswerter ist es, wenn
die Dämpfungsbauteile 36 und 72 in
der Lage sind, die Schwingungen, die von den Gehäusen 26 und 58 ausgehen,
um wenigstens etwa 20% zu reduzieren und idealerweise um wenigstens etwa
30%.
-
Es
wird außerdem
anerkannt werden, dass ein Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen, die vom
Gehäuse 26 auf
die Leitschaufeln 34 einwirken, vorgestellt wird. Weiter
spezifizierend, umfasst solch ein Verfahren die Schritte der Anbringung
der Außenplattformen 47 der
Leitschaufeln 34 im Hinblick auf das Gehäuse 26,
so dass dazwischen ein Öffnungsbereich 38 begrenzt
wird, für
das Einbringen eines Dämpfungsbauteils 36 aus
elastischem Material innerhalb solcher begrenzter Öffnungsbereiche 38 des Gehäuses 26 und
die Sicherung der Dämpfungsbauteile
darin. Danach werden die Leitschaufeln 34 an dem Gehäuse 26 befestigt,
so dass die Außenplattformen 47 angrenzend
an die Dämpfungsbauteile 36 gehalten
werden und Schwingungen vom Gehäuse 26 gedämpft werden.
Im Vorfeld solcher Schritte, werden die Dämpfungsbauteile vorzugsweise
vorgeformt und vernetzt, einschließlich der darin ausgebildeten
Nuten und eine Klebeschicht 54 wird auf deren Oberfläche aufgetragen.
Die Außenplattformen 47 sind
am Gehäuse 26 befestigt
und werden in Position gehalten durch die Flansche 50,
die von dort abstehen, und zwischen den Flanschen 28 und 30 des
Gehäuses 26 angebracht
sind.
-
Ein
alternatives Verfahren zur Dämpfung
der Schwingungen von dem Gehäuse 58 auf
Leitschaufeln 68 wird ebenfalls demonstriert. Dieses Verfahren umfasst
die Schritte der Anbringung der Außenplattformen 70 der
Leitschaufeln 66 in den Schienenbauteilen 64,
die im Gehäuse 58 eingebunden
sind, so dass dazwischen die Öffnungsbereiche 68 begrenzt werden,
und des Einbringens eines Dämpfungsbauteils 72 aus
elastischem Material innerhalb solcher begrenzter Öffnungsbereiche 68.
Außerdem
können die
Dämpfungsbauteile 72 in
jeden begrenzten Bereich 68 hinein gepresst werden, damit
sie sich vernetzen.
-
Nachdem
die bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung aufgezeigt und beschrieben wurde, können weitere
Adaptationen der Leitschaufelanordnung und deren Dämpfungsbauteil 36 durch
angemessene Veränderungen
erreicht werden, von jemandem mit durchschnittlichen Kenntnissen
des Standes der Technik, ohne von dem Gültigkeitsbereich der Erfindung
abzuweichen. Insbesondere kann das Dämpfungsbauteil 36,
das für
einen Einsatz in einer Leitschaufel des Hochdruckverdichters 14 für das Gasturbinentriebwerk 10 dargestellt wird,
ebenso mit jeder starren oder Leitschaufel jeden Verdichtertyps
verwendet werden. Außerdem kann
die vorliegende Erfindung für
Triebwerksgehäuse
anderer Bauart als hier eröffnet
verwendet werden.