CH664602A5 - Axiallaufrad. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Axiallaufrad gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Axialströmungsverdichtern und Turbinen ist es üblich, s eine einheitliche Anordnung zu bilden, die aus einer Laufschaufel mit einem Schwalbenschwanzfuss, der in eine schwalbenschwanzförmige Nut des Axiallaufrades eingepasst ist, und einem am Rad radial nach aussen hin auskragend befestigten Profilabschnitt besteht. An der Verbindung io des auskragenden Profilabschnitts mit dem Schwalbenschwanzfuss können Beanspruchungskonzentrationen auftreten, die zur Rissbildung und im äussersten Fall zum Bruch der Anordnung führen können. Derartige Beanspruchungskonzentrationen können der starren Befestigung des Schwalls benschwanzfusses im Axiallaufrad in Verbindung mit der Biegung der in einer ihrer Schwingungsmodi, beispielsweise im Grundmodus schwingenden Laufschaufel zugerechnet werden.

Bei einigen derartigen Axiallaufrädern ist es üblich, mit-20 einander verbundene Spitzen, Verbindungsdrähte oder in der Schaufelmitte angebrachte Mäntel bei grossen Laufschaufeln zu verwenden und zu versuchen, die Laufschaufeln zu verriegeln und entweder ihre Resonanzfrequenz zu verändern oder Schwingungen zu dämpfen. 25 Die Voraussage von Schwingungsproblemen ist im Entwicklungsstadium äusserst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, weil die dynamischen Eigenschaften einer Laufschaufel in vielen Fällen erst spezifiziert werden können, wenn ein funktionierender Prototyp in voller Grösse gebaut 30 und getestet worden ist. Eine Korrektur der Schwingungsprobleme ist in dieser Stufe äusserst kostspielig. Weiterhin ist ein drohender Bruch einer Laufschaufel üblicherweise ein Dauerbruchereignis, das nicht deutlich wird, bevor das Axiallaufrad für eine längere Zeitperiode in Betrieb gewesen 35 ist. Möglicherweise wird ein drohendes Rissproblem in der Laufschaufel erst nach einigen Betriebsjahren entdeckt.

Einige der möglichen Befestigungen, wozu die Spitzenverriegelungen, Drähte, Mäntel und andere Techniken gehören, sind nicht nur teuer und Ursache von Verzögerungen, sie 40 können auch zu Nachteilen und Verlusten in der Ausgangsleistung führen, die den definierten aerodynamischen Eigenschaften des die Laufschaufel enthaltenden Axiallaufrades entgegenstehen.

4s Zu solchen anderen Lösungen können beispielsweise auswechselbare Laufschaufeln gehören, die eine ungleichförmige Belastung des befestigten Schwalbenschwanzfusses trotz Präzisionsbearbeitung der bogenförmigen Segmente erzeugen können. Auswechselbare Laufschaufeln können auch zu Problemen bei der Abdichtung zwischen verlängerten Abstützbereichen der Laufschaufel führen, die den Wirkungsgrad des Verdichters verringern können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Axiallaufrad der eingangs genannten Art zu schaffen, das die beim Stand der 55 Technik auftretenden Nachteile beseitigt. Insbesondere soll eine Laufschaufel und deren Schwalbenschwanzfuss mit wählbarer Flexibilität im Schwalbenschwanzbereich geschaffen werden, um durch Schwingungen hervorgerufene Beanspruchungen und/oder die Verschiebung der Modi und 60 Eigenfrequenzen der Schwingungen zu vermindern. Dabei soll die Möglichkeit einer drohenden Rissbildung an der relativ starren Verbindung des Schwalbenschwanzfusses mit der in einer Oberfläche des Radumfangs vorgesehenen schwalbenschwanzförmigen Nut vermindert werden, indem 65 die mechanische Halterung des Schwalbenschwanzfusses durch die schwalbenschwanzförmige Nut selektiv verkleinert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Axiallaufrad mit der

3

664602

im Anspruch 1 angegebenen Kombination von Merkmalen. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht von einer teilweise auseinandergebauten bekannten Verdichterstufe.

Fig. 2 ist ein Schnittbild nach einem Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 und soll das Problem darstellen, das erfindungsgemäss gelöst wird.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht von einem Teil einer Rotorschaufel mit einem erfindungsgemäss veränderten Schwalbenschwanzfuss.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht von einem Teil einer weiteren Rotorschaufel und ihren zugehörigen Abstandshaltern gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht von einem abgewandelten Schwalbenschwanz mit zwei Dämpfungsmassen gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 6 ist eine Seitenansicht von einer Rotorschaufel mit Dämpfungsmassen in einer Mittellage.

Fig. 7 ist eine Seitenansicht von einer Rotorschaufel mit Dämpfungsmassen in Endlagen.

Fig. 8 ist eine Schnittansicht von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung und zeigt eine einstückige Dämpfungsmasse.

Fig. 9 ist eine Schnittansicht von einem abgewandelten Schwalbenschwanz und einer einzelnen Dämpfungsmasse, die für eine asymmetrische Dämpfung und Halterung für einen aerodynamischen Abschnitt sorgt.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das für eine asymmetrische Halterung und Dämpfung sorgt.

Auch wenn die Erfindung bei irgendeiner geeigneten Einrichtung angewendet werden kann, bei der eine auskragende Schaufel auf einem Rad durch einen Schwalbenschwanz gehaltert wird, wird im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine der Stufen in einem Axialströmungsverdichter einer Gasturbine gezeigt. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auf andere Vorrichtungen dieser allgemeinen Art anwendbar.

In Fig. 1 ist ein Teil einer bekannten Verdichterstufe 10 gezeigt, in der ein Rad 12 schwalbenschwanzförmige Nuten 14 aufweist, die in dem Radumfang ausgebildet sind. Mehrere Rotorschaufeln 16 mit einem Schwalbenschwanzfuss 18 sind in eine entsprechende schwalbenschwanzförmige Nut 14 genau einpassbar. Mit dem Schwalbenschwanzfuss 18 ist ein aerodynamischer bzw. stromlinienförmiger Abschnitt 20 im allgemeinen einstückig ausgebildet.

Üblicherweise ist der Schwalbenschwanzfuss 18 kürzer als die schwalbenschwanzförmige Nut 14. Abstandshalter 22 und 24 mit einem dem Schwalbenschanz entsprechenden Querschnitt sind an gegenüberliegenden Enden des Schwalbenschwanzes 18 in die Nut 14 eingesetzt. Die Abstandshalter 22 und 24 sind in der Nut 14 durch übliche Mittel befestigt, beispielsweise durch Stollen (nicht gezeigt), um dadurch den Schwalbenschwanz 18 in der Längsrichtung festzulegen.

In Fig. 2 ist eine Rotorschaufel 16 gezeigt, deren aerodynamischer Abschnitt in seinem Grundschwingungstyp zwischen einer Gleichgewichtslage, die in ausgezogenen Linien gezeigt ist, und Extrempositionen schwingt, die stark vergrös-sert in gestrichelten Linien dargestellt sind. Der Schwalbenschwanz 18 bleibt relativ starr an dem Rad 12 durch seine Einpassung in die Nut 14 fixiert. Somit haben Beanspruchungen aufgrund der Schwingung des stromlinienförmigen Abschnitts 20 die Neigung, sich an einem Ansatz 26 zu konzentrieren, wo der stromlinienförmige Abschnitt 20 mit dem Schwalbenschwanz 18 verbunden ist. Der Ansatz 26 stellt somit einen Punkt dar, von dem mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Rissbildung ausgeht, die sich dann in einen Riss 28 ausbreiten kann.

Analysen und Erfahrungen verdeutlichen, dass eine Rissbildung mit hoher Wahrscheinlichkeit in der Nähe des Mittelteils 30 oder an einem oder beiden Enden 32 des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes 20 beginnen, wo dieser mit dem Schwalbenschwanz 18 verbunden ist.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das auf die Entspannung von Beanspruchungskonzentrationen am Mittelteil 30 gerichtet ist. Ein stromlinienförmiger Schaufelabschnitt 20 ist mit einem veränderten Schwalbenschwanz 34 verbunden, der einen weggeschnittenen Teil 36 aufweist, wo die Endabschnitte 38 und 40 verbunden sind. Der weggeschnittene Abschnitt 36 vermindert die Abstüt-zung des aerodynamischen Abschnitts 20, so dass ein Plattformabschnitt 42 eine wesentlich kleinere Stützung von der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 erhält im Vergleich zu den Endabschnitten 38 und 14, die eine volle Stützung empfangen. Durch Verminderung der Abstützung des Mittelteils 30 eines stromlinienförmigen Abschnittes 20 können die Beanspruchsverteilung in dem Ansatz 26 und das dynamische Anprechverhalten des aerodynamischen Abschnitts 20 einschliesslich seiner Typen, Resonanzstellen und Eigenfrequenzen verändert werden. Durch selektives Auswählen der Lage und der Menge an Material, das in dem ausgeschnittenen Abschnitt 36 weggenommen wird, kann das Beanspru-chungsverteilungsmuster im Ansatz 26 angepasst werden, um das Beanspruchungsmuster zu vergleichmässigen und dadurch die Möglichkeit einer Rissbildung zu verkleinern. Die erfindungsgemäss geschaffene Fähigkeit, das dynamische Verhalten der Rotorschaufel zu verändern oder anzupassen, gestattet, die Stellen, an denen Punkte maximaler Beanspruchung auftreten können, in Bereiche zu verschieben, wo deren Wirkungen toleriert werden können. Indem zusätzlich eine Änderung der dynamischen Ansprechfrequenzen der Schaufel gestattet wird, können erfindungsgemäss mechanische Resonanzen verhindert werden, die anderenfalls die Rotorschaufel 16 erregen.

Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung kann dazu verwendet werden, die Beanspruchungen in einer Rotorschaufel 16' anzupassen, wo übermässige Beanspruchungen an der Verbindungsstelle der Enden 32 des aerodynamischen Abschnitts 20 mit einem abgewandelten Schwalbenschwanz 44 gefunden werden können. In diesem Ausführungsbeispiel vermindern erste und zweite weggeschnittene Abschnitte 46 und 48 die Halterung für den aerodynamischen Abschnitt 20 unter Enden 32 des aerodynamischen Abschnitts 20. Wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann diese Verminderung der Abstützung an einer oder mehreren speziellen Stellen die Beanspruchungsverteilung in eine verbesserte Gleichförmigkeit anpassen.

Die Ausführungsbeispiele gemäss den Fig. 3 und 4 können selbstverständlich in speziellen Fällen kombiniert werden. Zu diesem Zweck kann ein am Ende entfernter Abschnitt an dem einen Ende eines Schwalbenschwanzes verwendet werden, und ein in der Mitte weggenommener Teil kann in dem gleichen Schwalbenschwanz verwendet werden, ohne dass ein entfernter Abschnitt an dem anderen Ende verwendet wird.

In Fig. 5 ist eine weitere Einrichtung gezeigt, um Schwingungen zu vermindern und die Spannungsverteilung in dem Ansatz eines aerodynamischen Abschnitts 20 zu verändern. Erste und zweite Dämpfungsmassen 50 und 52 sind in der

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

664602

schwalbenschwanzförmigen Nut 14 in dem ausgehöhlten Bereich gemäss Fig. 3 oder 4 angeordnet. Die Dämpfungsmassen 50 und 52 sind durch Zentrifugalkraft radial nach aussen gedrückt in einen Reibungseingriff mit Oberflächen 54 und 56 auf dem Umfang der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 und in einen Reibungseingriff mit Oberflächen 58 und 60 des Plattformbereiches 42. Wenn der Plattformabschnitt 42 durch Schwingung des aerodynamischen Abschnitts 20 gedreht wird, werden Reibungsverluste im Plattformbereich 42 durch dessen Reibungskontakt mit Oberflächen 58 und 60 hervorgerufen. Zusätzlich werden weitere Reibungsverluste erhalten durch den Reibungskontakt zwischen Oberflächen ,54 und 56 und anliegenden Bereichen der schwalbenschwanzförmign Nut 14. Dabei können Dämpfungsmassen 50 und 52 in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 verwendet werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, und auch in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4, wie es in Fig. 7 gezeigt ist.

In Fig. 8 ist eine einstückige Dämpfungsmasse 62 für einige Situationen angegeben, um für den gewünschten Verlust kinetischer Energie aus dem aerodynamischen Abschnitt 20 zu sorgen.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das für asymmetrische Dämpfungseigenschaften sorgt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein veränderter Schwalbenschwanz 64 nur teilweise beseitigt, um ein einzelnes Dämp-s fungsgewicht 66 aufzunehmen, das gegen eine Oberfläche 68 eines abgewandelten Schwalbenschwanzes 64 und gegen eine Oberfläche 70 der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 durch Zentrifugalkraft gedrückt ist. Es wird deutlich, dass die Steifigkeit, die dem aerodynamischen Abschnitt durch den abge-lo wandelten Schwalbenschwanz 64 gegeben ist, sich in den zwei seitlichen Bewegungsrichtungen des aerodynamischen Abschnitts 20 unterscheidet. Wo also eine derartige asymmetrische Dämpfung wünschenswert ist, kann das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 9 verwendet werden.

15 In Fig. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem ein abgeänderter Schwalbenschwanz 72 einen weggenommenen Abschnitt aufweist, der ein Dämpfungsgewicht 74 aufnimmt.

20 Andere Formen und Grenzflächen zwischen Dämpfungsgewichten und dem Rest der Einrichtungen sind selbstverständlich möglich.

B

3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

664 602

1. Axiallaufrad (12) mit in einer Oberfläche des Radum-fangs vorgesehenen schwalbenschwanzförmigen Nuten (14) und mit Laufschaufeln (16; 16'), die jeweils einen Schwalbenschwanzfuss (34; 44) und einen Profilabschnitt (20) aufweisen, wobei zur auskragenden Halterung des jeweiligen Profilabschnitts vom Rad radial nach aussen hin der jeweilige Schwalbenschwanzfuss in die jeweilige schwalben-schwanzförmige Nut eingepasst ist, gekennzeichnet durch eine im Schwalbenschwanzfuss im Bereich der schwalbenschwanzförmigen Nut vorgesehene Ausnehmung (36; 46, 48), die am Schwalbenschwanzfuss einen Abstützbereich (42) bildet, der einem Sockelteil (26,30,32) des Profilabschnitts benachbart und nicht an der schwalbenschwanzförmigen Nut abgestützt ist, und durch mindestens eine Dämpfungsmasse (50, 52), die in den Schwalbenschwanzfuss anschliessend an den Abstützbereich lose eingepasst ist.

2. Axiallaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmasse Mittel zur Reibungsdämpfung (58,60) der Bewegung von wenigstens einem Teil der Laufschaufel aufweist (Fig. 5).

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Axiallaufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste (50) und eine zweite (52) Dämpfungsmasse vorgesehen und in der in der schwalbenschwanzförmigen Nut vorgesehenen Ausnehmung symmetrisch angeordnet sind (Fig. 5).

4. Axiallaufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur unterschiedlichen Reibungsdämpfung der Bewegung der Laufschaufel in einer ersten und in einer zweiten Bewegungsrichtung die Ausnehmung in bezug auf eine Längsachse des Schwalbenschwanzfusses asymmetrisch ist und dass eine einzige Dämpfungsmasse vorgesehen und in der in der schwalbenschwanzförmigen Nut vorgesehenen Ausnehmung asymmetrisch angeordnet ist (Fig. 9, Fig. 10).

5. Axiallaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmasse, die schwalbenschwanz-förmige Nut und die Ausnehmung Mittel zur Reibungsdämpfung der Bewegung der Laufschaufel durch radial nach aussen gerichtetes Andrücken der Dämpfungsmasse durch Zentrifugalkraft sowohl auf die Laufschaufel (58,60) als auch auf die schwalbenschwanzförmige Nut (54,56) aufweisen (Fig. 5).

6. Axiallaufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste (50) und eine zweite (52) Dämpfungsmasse vorgesehen und in der Ausnehmung symmetrisch angeordnet sind (Fig. 5).

7. Axiallaufrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel, die Ausnehmung, die schwalbenschwanzförmige Nut, die erste und die zweite Dämpfungsmasse Mittel zum Andrücken der ersten und der zweiten Dämpfungsmasse durch Zentrifugalkraft zur zusätzlichen Reibungsdämpfung (54,56) der Bewegung der Laufschaufel aufweisen (Fig. 5).

8. Axiallaufrad nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Dämpfungsmasse (62) vorgesehen und in der in der schwalbenschwanzförmigen Nut vorgesehenen Ausnehmung symmetrisch angeordnet ist (Fig. 8).

9. Axiallaufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur unterschiedlichen Reibungsdämpfung der Bewegung der Laufschaufel in einer ersten und in einer zweiten Bewegungsrichtung die Ausnehmung in bezug auf eine Längsachse des Schwalbenschwanzfusses asymmetrisch ist und dass eine einzige Dämpfungsmasse vorgesehen und in der Ausnehmung asymmetrisch angeordnet ist (Fig. 9,

Fig.

10).