DE102004018486A1

DE102004018486A1 - Hybridlaufschaufel mit Mischabstimmung und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102004018486A1
Application number: DE102004018486A
Authority: DE
Inventors: Kevin Joseph Barb
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2004-11-18
Also published as: US20040208741A1; US6854959B2; JP2004316657A

Abstract

Ein Dampfturbinenlaufrad weist eine Anzahl Laufschaufeln (10, 34) auf, die an dem Umfang des Laufrads angeordnet sind und von denen jede Laufschaufel ein Fußteil (12) und einen Schaufelblattteil (14) aufweist, wobei die Menge der Schaufeln zwei Gruppen von Schaufeln (10, 34) mit voneinander verschiedenen vorbestimmten Resonanzfrequenzen beinhaltet. Ein Verfahren zur Schwingungsverringerung in einer Laufschaufelreihe auf einem Dampfturbinenlaufrad beinhaltet: a) das Bereitstellen einer ersten Gruppe von Laufschaufeln (10) mit einem ersten vorbestimmten Eigenfrequenzbereich; b) Bereitstellen einer zweiten Gruppe von Laufschaufeln (34) mit einem zweiten vorbestimmten Eigenfrequenzbereich, der von dem ersten vorbestimmten Eigenfrequenzbereich verschieden ist; und c) das Einbauen der Laufschaufeln der ersten und der zweiten Laufschaufelgruppe in einander abwechselnder Weise in das Laufrad.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Dampfturbinenlaufschaufeln (oder Schaufeln) und mehr im einzelnen zusammengesetzte Laufschaufeln, die speziell so abgestimmt sind, dass sie verschiedene vorbestimmte Frequenzdämpfungseigenschaften und eine verbesserte Systemdämpfung ergeben.

Dampfturbinenlaufschaufeln arbeiten in einer Umgebung, in der sie hohen Zentrifugalbelastungen und Schwingungsbeanspruchungen ausgesetzt sind. Die Schwingungsbeanspruchungen nehmen zu, wenn die Eigenfrequenzen der Schaufeln in den Resonanzbereich kommen. Die Größe der Schwingungsbeanspruchungen einer in Resonanz schwingenden Laufschaufel ist proportional sowohl zu der in dem System vorhandenen Dämpfung (die Dämpfung setzt sich aus Material-, aerodynamischen und mechanischen Komponenten zusammen) als auch von dem Schwingungsanregungspegel. Bei durchgehend miteinander gekuppelten Laufschaufeln ist die Schwingungsfrequenz eine Funktion des ganzen Schaufelsystems eines Kranzes (Reihe) und nicht notwendigerweise von einzelnen Schaufeln in dem Kranz.

Die Zentrifugalbelastung ist gleichzeitig eine Funktion der Betriebsdrehzahl, der Masse der Schaufel und des Radius von der Maschinenmittellinie aus, auf dem die Masse angeordnet ist. Mit zunehmender Beanspruchung (Masse) der Laufschaufel muss die physikalische Fläche oder Querschnittsfläche auf geringerem Radialabstand größer werden, um die darüber liegende Masse tragen zu können, ohne die zulässigen Beanspruchungen des gegebenen Materials zu überschreiten. Diese zunehmende Querschnittsfläche der Laufschaufel bei kleineren Einspannlängen trägt zu einer übermäßigen Strömungsbehinderung am Fuß und damit zu einem niedrigeren Gesamtwirkungsgrad bei. Das Gewicht der Laufschaufel führt zu einer erhöhten Beanspruchung der Rotorscheibe und damit zu einer möglicherweise beeinträchtigten Zuverlässigkeit.

Mehrere vorveröffentlichte US-Patentschriften beziehen sich auf sogenannte „Hybrid"-Laufschaufelkonstruktionen, bei denen Abschnitte des Schaufelblattteils aus einer Kombination eines Metalls und eines Polymeren Füllmaterials zusammengesetzt sind. Zu diesen Patentschriften gehören die US-Patentschriften 6,139,278; 6,042,388; 5,931,641 und 5,720,597.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung schafft ein Mittel zur Unterdrückung des aeroelastischen Ansprechverhaltens einer Schaufel oder einer Schaufelreihe (durchgehend miteinander verbunden oder freistehend)) durch eine Mischabstimmung der Eigenfrequenzen der Schaufeln oder Laufschaufeln in der Reihe (oder dem Kranz). Die Patentanmeldung verwendet speziell das in der US-Patentschrift 5,931,641 beschriebene Konzept einer Hybridlaufschaufel, erweitert aber dieses Konzept in der Weise, dass es eine Optimierung der Innentaschenausbildung in den Schaufelblattteilen der Laufschaufeln beinhaltet, derart, dass bei der beispielhaften Ausführungsform zwei Gruppen oder Kränze von Laufschaufeln erzeugt werden, von denen jede die gleiche äußere aerodynamische Gestalt und das gleiche äußere aerodynamische Profil aufweist, aber über eine jeweils unterschiedliche Geometrie der inneren Rippen und/oder Taschen verfügt, die damit unterschiedliche Laufschaufelresonanzfrequenzen erzeugen. Die Taschen in den Schaufelblattteilen der Laufschaufeln sind vorzugsweise mit einem polymeren Füllmaterial gefüllt, dass auch eine Oberfläche des Schaufelblattteils der Laufschaufel bildet. Dadurch dass die Eigenfrequenzen der zwei Laufschaufelgruppen absichtlich verändert werden, können die Laufschaufeln zweckentsprechend und logisch so zusammengestellt werden, dass dieser inherente Unterschied in den Eigenfrequenzen als Mittel zur Dämpfung des Systemansprechverhaltens auf synchrone und nicht synchrone Schwingungen benutzt wird, ohne dass die aerodynamischen Eigenschaften der Laufschaufeln beeinträchtigt würden.

Bei der beispielhaften Ausführungsform sind zwei Gruppen oder Sätze von Laufschaufeln mit jeweils verschiedener Innentaschenausbildung längs der jeweiligen Druckseite der Laufschaufeln in einer einzigen Schaufelreihe auf einer Rotorscheibe einer Dampfturbine montiert. Eine Laufschaufelgruppe ist so ausgelegt, dass sie höhere Resonanzfrequenzen als die andere Gruppe aufweist. Nachdem der jeweilige Laufschaufelaufbau festgelegt ist, werden die Laufschaufeln auf der Scheibe in einem Muster zusammengestellt, das das Ziel einer Schwingungsunterdrückung in bestmöglicher Weise erreicht. Bei der beispielhaften Ausführungsform sind die Laufschaufeln jeder Gruppe auf der Scheibe in alternierender Weise zusammengestellt, d.h. jede Laufschaufel einer Gruppe steht neben einer Laufschaufel der anderen Gruppe. Andere Anordnungen sollen aber auch im Schutzbereich der Erfindung liegen.

Da mit Hybridlaufschaufeln eine Gesamtgewichtsreduzierung von etwa 30% an der Laufschaufel erreicht werden kann, können die Beanspruchungen der Befestigungsstelle verringert und die Zuverlässigkeit erhöht werden, ohne dass die aerodynamischen Eigenschaften des Schaufelblattteils verändert würden. Demgemäß betrifft die Erfindung in ihren breiteren Aspekten eine Dampfturbinenläuferscheibe, die eine Anzahl am Umfang der Scheibe befestigter Laufschaufeln trägt, wobei jede Schaufel einen Fußteil und einen Schaufelblattteil aufweist und die Schaufelblattmenge zwei Gruppen von Laufschaufeln mit jeweils verschiedenen vorbestimmten Eigenresonanzfrequenzen aufweist.

Unter einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung einen Dampfturbinenläufer, der eine Reihe am Umfang des Läufers befestigter Laufschaufeln trägt, wobei die Laufschaufelreihe zwei Gruppen von Laufschaufeln beinhaltet, die in einem über den Umfang des Läufers abwechselnden Muster angeordnet sind, wobei jede Gruppe diskrete Mittel zur Verkleinerung der Schwingungsamplitude in der Laufschaufelreihe aufweist. Unter einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Schwingungsreduzierung in einer Laufschaufelreihe auf einem Dampfturbinenläufer, das beinhaltet: a) Bereitstellen einer ersten Gruppe von Laufschaufeln mit einem ersten vorbestimmten Eigenfrequenzbereich; b) Bereitstellen einer zweiten Laufschaufelgruppe mit einem zweiten vorbestimmten Eigenfrequenzbereich, der von dem ersten vorbestimmten Eigenfrequenzbereich verschieden ist; und c) Zusammenstellen der Laufschaufeln der ersten und der zweiten Laufschaufelgruppe in einer einander abwechselnden Weise auf dem Laufrad.

Die Erfindung wird nun in ihrem Einzelheiten im Zusammenhang mit der unten erwähnten Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Ansicht einer teilweise fertig gestellten erfindungsgemäßen Laufschaufel;
2 ist eine perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten Laufschaufel, wobei aber das polymere Füllmaterial in die Laufschaufel eingefügt ist;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen fertigen Laufschaufel unter Veranschaulichung einer anderen Ausbildung;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer teilweise fertig gestellten erfindungsgemäßen Laufschaufel unter Veranschaulichung einer weitere Ausbildungsform und
5 ist eine schematische axiale Seitenansicht eines Turbinenläufers mit darauf montierten Laufschaufeln.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezugnehmend auf 1 ist dort eine teilweise fertig gestellte Dampfturbinenlaufschaufel 10 veranschaulicht. Die Laufschaufel 10 weist einen Schaft- oder Fußteil 12 und einen Schaufelblattteil 14 auf. Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Schaufelblattteil, der vorzugsweise aus Stahl oder Titan hergestellt ist, wobei aber zu anderen geeigneten Materialien Aluminium, Kobalt oder Nickel zählen.
An dem Schaufelblattteil sind Rippen 16, 18 einstückig angegossen, die diskrete Taschen 20, 22, 24 bilden. Zu bemerken ist jedoch, dass die Rippen nicht eben mit den Sei tenkanten 26, 28 des Schaufelblattteils verlaufen. Die Rippenhöhe kann sich in der Tat gemäß der jeweiligen speziellen Anwendung ändern. Füllmaterial 30 auf Polymerenbasis ist, wie in der US-Patentschrift 5,931,641 beschrieben, auf die Druckseite des Schaufelblattteils aufgegossen, wobei es die Taschen 20, 22, 24 ausfüllt und die Rippen abdeckt, so dass auf der Druckseite der Laufschaufel eine glatte Oberfläche 32 ausgebildet ist, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Das Füllmaterial 30 kann im Einzelnen im Wesentlichen aus einem Elastomeren, wie Poly(dimethylsiloxan) bestehen. Andere geeignete Wahlmöglichkeiten für das Elastomere beinhalten, jedoch ohne Beschränkung, Poly (diphenyldimethylsiloxan) , Poly(fluorsiloxan) , Viton^TM, Polysulfid, Po-ly (thioläther) und Poly (phosphazene).
Die Auswahlmöglichkeit zum Verankern des Füllmaterials 30 auf der metallischen Oberfläche des Schaufelblattteils beinhaltet, ohne Beschränkung darauf, Selbsthaft- oder – klebewirkung, Haft- oder Klebewirkung zwischen dem Füllmaterial 30 und der Metalloberfläche des Schaufelblattteils, Klebeverbindung (Klebstofffilm oder -paste) und Fusions- und Schmelzverbindung (Fusion bonding).
Zu bemerken ist außerdem, dass bei Verwendung eines Elastomeren als Füllmaterial, das Elastomere in dem Betriebstemperarturbereich vorzugsweise einen mittleren Elastizitätsmodul von zwischen ca. 250 pds/sq inch (psi) und ca. 50.000 per sq.inch (psi) (und noch mehr bevorzugt zwischen ca. 250 psi und ca 20.000 psi) aufweist. Ein zu weiches Elastomere (d.h. mit einem mittleren Elastizitätsmodul von weniger als ca. 250 psi) kann ggfs. nicht im Stande sein, strukturell die jeweils erforderliche Schaufelblattgestalt zu liefern, während ein zu hartes Elastomeres (d.h. mit einem mittleren Elastizitätsmodul von mehr als ca. 50.000 psi) ggfs. nicht mit den erforderlichen engen Toleranzen bearbeitet werden kann. Ein bevorzugterer Bereich des mittleren Elastizitätsmoduls liegt zwischen ca. 500 psi und ca. 15.000 psi. Bei einigen Anwendungen können eine gebräuchliche (nicht dargestellte) Außenhaut und eine gebräuchliche (nicht dargestellte) Erosionsbeschichtung die freiliegenden Oberflächen des Schaufelblattteils 14 der Laufschaufel abdecken. Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Rippen 16, 18 so dargestellt, dass sie entlang der Länge des Schaufelblattteils 14 in einander entgegen weisenden Richtungen schräg verlaufen, doch liegen auch andere Ausführungsformen in dem Schutzbereich der Erfindung.
Bezugnehmend nun auf 3 ist dort eine andere Laufschaufel 34 dargestellt, die einen komplizierteren Satz von Rippen 36, 38, 40, 42, 44, 46 und diese verbindenden Stegabschnitten 48, 50 aufweist. Die Rippen sind nahe dem radialen Mittelpunkt des Schaufelblattteils konzentriert und bilden eine entsprechend größere Zahl von Taschen aus. Vergossen mit dem Füllmaterial 30 hat die Laufschaufel 34 ansonsten aber das gleiche äußere Aussehen wie die in 2 veranschaulichte Laufschaufel 10.
Bezugnehmend nun auf 4 ist dort eine weitere Ausführungsform einer abgestimmten Laufschaufel veranschaulicht. Die Laufschaufel 52 ist hier ohne Rippen, sondern mit einer einzigen großen Tasche 54 ausgebildet, die zur Gänze mit dem Füllmaterial 30 auf Polymerenbasis gefüllt ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform können die oben beschriebenen Laufschaufelkonstruktionen zur Ausbildung einer Laufschaufelreihe (Laufschaufelkranz) auf einem Dampfturbinenlaufrad 56 verwendet werden, wie dies in 5 dargestellt werden. Im Einzelnen können Gruppen A, B (die jeweils aus den Laufschaufeln 10 bzw. 30 bestehen) auf dem Turbinenlaufrad 56 in alternierende Weise, d.h. in dem Muster ABAB ... zusammengestellt werden, so dass eine Lauf schaufel einer Gruppe immer neben einer Laufschaufel der anderen Gruppe steht. Die Laufschaufeln A, B können eine andere Ausbildung der Innentasche wie hier beschrieben aufweisen, so dass sich eben der jeweils gewünschte Schwingungsfrequenzunterschied ergibt. Es ist auch möglich, das Muster der Laufschaufelgruppenverteilung zu verändern, wiederum so, dass die jeweils gewünschten Frequenzendämpfungseigenschaften erzielt werden. So könnte z.B. auch ein Muster AABBAA ... etc. verwendet werden.
Insbesondere besteht bei dieser Erfindung die Möglichkeit eine Laufschaufelgruppe so auszulegen, dass die Eigenfrequenz gleichmäßig zwischen 2 „pro Umdrehung" Kriterien liegt (z.B. aufgeteilt zwischen 4 pro Umdrehung und 5 pro Umdrehung) und die andere Laufschaufelgruppe mit einer verschiedenen Rippen- oder Taschenausbildung zu versehen, so dass sie gleichmäßig um einen anderen Satz von „pro Umdrehung"-Anregungen verteilt ist (wie etwa aufgeteilt zwischen 3 pro Umdrehung und 4 pro Umdrehung). Eine Analyse zeigt, dass die Eigenfrequenzen einer Laufschaufel durch Modifizierung der Innenrippenkonfiguration und/oder der Taschengeometrie beträchtlich (± 10% oder mehr) verändert werden können.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es somit, Schaufelblätter speziell so herzustellen, dass verschiedene Eigenfrequenzen erzielt werden und diese nicht auf der Basis von „wie hergestellt" – Eigenfrequenzen ausgewählt werden müssen. Die Mischabstimmung der Eigenfrequenzen der Laufschaufeln verkleinert die Schwingungsamplitude der ganzen Schaufelreihe, indem sie die Systemantwort auf synchrone und nicht synchrone Schwingungen dämpft, ohne die aerodynamischen Eigenschaften des Schaufelblattaufbaus zu beeinträchtigen.
Eine andere wichtige Überlegung liegt in der Verringe rung der Masse, die sich durch die Verwendung des Füllmaterials 30 auf Polymerenbasis erzielen lässt.
Zum Beispiel kann bei einem generell wie in den 1, 3 veranschaulicht ausgebildeten Schaufelblatt eine Gewichtsreduzierung der Laufschaufel um etwa 30% erzielt werden. Eine derartige Gewichtsreduktion ohne Veränderung der aerodynamischen Gestaltung des Schaufelblattteils verringert die Befestigungsbeanspruchungen und erhöht damit die Zuverlässigkeit. Eine niedrige Dauerfestigkeit kann erhöht und die Gefahr von Rissbildung durch Beanspruchung und Korrosion kann verringert werden. Wenngleich die Erfindung im Zusammenhang mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als die beste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, so ist doch darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf die erläuterte Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und äquivalente Ausführungen umfasst, die in dem Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche liegen.

10: Dampfturbinenlaufschaufel
12: Fußteil
14: Schaufelblattteil
16, 18: Rippen
20, 22, 24: diskrete Taschen
26, 28: Seitenkanten
30: Füllmaterial
32: glatte Oberfläche
34: Laufschaufel
36, 38, 40, 42, 44, 46: Rippen
48, 50: Verbindungsstegabschnitte
52: Laufschaufel
54: große Tasche
56: Dampfturbinenlaufrad

Claims

Dampfturbinenlaufrad (56) mit einer rings um den Umfang des Luftrads befestigten Anzahl von Laufschaufeln (10, 34), von denen jede Laufschaufel einen Fußteil (12) und einen Schaufelblattteil (14) aufweist, wobei die Anzahl Lauf schaufeln zwei Gruppen Laufschaufeln (10, 34) mit verschiedenen vorbestimmten Resonanzfrequenzen aufweist.
Dampfturbinenlaufrad nach Anspruch 1, bei dem die Laufschaufeln (10) einer Gruppe mit den Laufschaufeln (34) der anderen Gruppe längs des Umfangs des Laufrads abwechseln, derart, dass jede Laufschaufel einer Gruppe neben einer Laufschaufel der anderen Gruppe steht.
Dampfturbinenlaufrad nach Anspruch 1, bei dem der Laufschaufelblattteil (14) aus Metall und einem polymeren Füllmaterial besteht.
Dampfturbinenlaufrad nach Anspruch 3, bei dem das polymere Füllmaterial (30) aus einer Gruppe ausgewählt, die im Wesentlichen besteht aus: Poly(dimethylsiloxan), Poly(diphenyldimethylsiloxan), Poly(fluorsiloxan), Viton^TM, Polysulfid, Poly(thioläther) und Poly(phosphazene).
Dampfturbinenlaufrad nach Anspruch 3, bei dem das polymere Füllmaterial (30) einen mittleren Elastizitätsmodul zwischen 250 psi und 50.000 psi aufweist.
Dampfturbinenlaufrad nach Anspruch 3, bei dem das polymere Füllmaterial (30) einen mittleren Elastizitätsmodul von zwischen 250 psi und 20.000 psi aufweist.
Dampfturbinenlaufrad nach Anspruch 3, bei dem das polymere Füllmaterial (30) einen mittleren Elastizitätsmodul von zwischen 500 psi und 15.000 psi aufweist.
Verfahren zur Schwingungsverringerung in einer Laufschaufelreihe auf einem Dampfturbinenlaufrad das beinhaltet: a) Bereitstellen einer ersten Gruppe von Laufschaufeln (10) mit einem ersten vorbestimmten Eigenfrequenzbereich; b) Bereitstellen einer zweiten Laufschaufelgruppe (34) mit einem zweiten vorbestimmten Eigenfrequenzbereich, der von dem ersten vorbestimmten Eigenfrequenzbereich verschieden ist; und c) Zusammenbauen der Laufschaufeln der ersten und der zweiten Laufschaufelgruppe in einander abwechselnder Weise auf dem Laufrad.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der erste und der zweite vorbestimmte Eigenfrequenzbereich durch verschiedene Rippenanordnungen (16, 18) (36, 38, 40, 42, 44, 46) in dem jeweiligen Schaufelblattteil der ersten bzw. der zweiten Laufschaufelgruppe (10, 34) erzielt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Rippenanordnungen (16, 18) Taschen (20, 22, 24) in dem jeweiligen Schaufelblattabschnitt ausbilden und bei dem das Verfahren außerdem das Füllen der Taschen mit einem polymeren Füllmaterial (30) beinhaltet.