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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Unwuchtkompensation für ein Außendeckband
aufweisende Laufschaufeln von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinen,
gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Gasturbinen,
insbesondere Flugtriebwerke, umfassen als Baugruppen unter anderem
mindestens einen Verdichter, mindestens eine Brennkammer sowie mindestens
eine Turbine. Der oder jeder Verdichter sowie die oder jede Turbine
umfassen vorzugsweise mehrere in axialer Richtung hintereinander
angeordnete Stufen, wobei jede der Stufen vorzugsweise von einem
rotierenden Laufschaufelkranz und einem feststehenden Leitschaufelkranz
gebildet wird. Die Laufschaufelkränze verfügen über mehrere Laufschaufeln,
die zusammen mit einem Rotor des Verdichters bzw. der Turbine rotieren.
Die Laufschaufeln rotieren zusammen mit dem Rotor gegenüber einem
feststehenden Gehäuse
sowie ebenfalls feststehend ausgebildeten Leitschaufeln des oder
jeden Leitschaufelkranzes.
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Aus
fertigungstechnischen Toleranzgründen ist
es nahezu unmöglich
alle Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes 100 % identisch auszubilden. Weiterhin
unterliegen die Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes während des
Betriebs einem Verschleiß,
wodurch weitere Unterschiede insbesondere im Gewicht der rotierenden
Laufschaufeln eines Laufschaufelkranzes entstehen können. Hieraus folgt,
dass sich innerhalb eines Laufschaufelkranzes Unwuchten ausbilden
können.
Zur Gewährleistung eines
ordnungsgemäßen Betriebs
der Gasturbine ist es erforderlich, solche Unwuchten auszugleichen bzw.
zu kompensieren. Hierzu finden Einrichtungen zur Unwuchtkompensation
Verwendung. Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Unwuchtkompensation für
ein Außendeckband
aufweisende Laufschaufeln von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinen.
Insbesondere die Turbinenlaufschaufeln von Gasturbinen verfügen über ein solches
Außendeckband.
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Nach
dem Stand der Technik kommen an Laufschaufeln mit Außendeckband
zur Unwuchtkompensation Wuchtgewichte zum Einsatz, die durch Laserbrennschneiden
aus einem blechförmigen
Material hergestellt werden. Derartige Wuchtgewichte aus Blech verfügen über eine
Vielzahl von Nachteilen. Zum ersten ist die Herstellung derartiger
Wuchtgewichte aus Blech aufwendig und teuer. Zur Montage solcher
Wuchtgewichte an den Laufschaufeln im Bereich des Außendeckbands
ist ein spezielles Werkzeug erforderlich. Ein Hauptnachteil der
aus dem Stand der Technik bekannten Wuchtgewichte aus Blech liegt
darin, dass dieselben aufgrund des Übergangsradius zwischen Schaufelblatt
und Außendeckband,
der auch als Filletradius bezeichnet wird, bei der Montage nicht
vollständig
nach außen
geschoben werden können.
Im Betrieb der Gasturbine wirken auf diese Wuchtgewichte hohe drehzahlbedingte Zentrifugalkräfte und
hohe Temperaturen ein, wodurch die Wuchtgewichte unter Aufbiegung
von Laschen radial weiter nach außen gedrückt werden. Hierdurch nehmen
die Wuchtgewichte dann eine aerodynamisch ungünstige Position an der rotierenden Laufschaufel
ein. Im Extremfall können
sich die Wuchtgewichte dann auch von der Laufschaufel lösen.
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Aus
der Patentschrift
US 5 011 374 ist
eine Einrichtung zur Unwuchtkompensation für ein Außendeckband aufweisende Laufschaufeln
von Turbomaschinen bekannt, welche ebenfalls in Blechbauweise ausgeführt ist,
aber nicht das Schaufelblatt sondern nur das Außendeckband von innen umgreift. Somit
liegt diese Einrichtung zwischen zwei Schaufelblättern radial von Innen am Außendeckband
an und umgreift – nach
Montage – die
stromaufwärtige und
die stromabwärtige
Deckbandkante. Bei den meisten Turbinen-Laufschaufelkränzen ist das Außendeckband
jeweils zwischen zwei Schaufelblättern unterbrochen,
so dass hier eine Stoßstelle
mit thermisch und belastungstechnisch bedingten Relativbewegungen
zwischen den Deckbandsegmenten vorhanden ist. Diese Stoßstelle
ist auch in der US-Patentschrift zu erkennen. Ein Wuchtgewicht an
dieser Stelle ist problematisch, da es entweder die Relativbewegung
behindert oder durch diese gelockert wird bzw. verschleißt.
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Die
Offenlegungsschrift
FR 2 655
400 betrifft eine Einrichtung zur Unwuchtkompensation an
Ventilatorflügeln,
welche als drahtförmiges,
büroklammerähnliches
Bauteil ausgeführt
ist. Dieses weist eine Spitze auf, mit der es sich an dem in der
Regel weicheren, häufig
aus Kunststoff bestehenden Flügel festkrallt.
Bei den relativ geringen Fliehkräften
und Strömungsgeschwindigkeiten
an einem Ventilator mag diese Art der Befestigung ausreichend sein, trotz
eines fehlenden Außendeckbandes.
Auf Turbomaschinen ist die Befestigung so nicht übertragbar.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
eine neuartige Einrichtung zur Unwuchtkompensation für ein Außendeckband
aufweisende Laufschaufeln von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinen,
zu schaffen.
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Dieses
Problem wird durch eine Einrichtung zur Unwuchtkompensation für ein Außendeckband aufweisende
Laufschaufeln von Turbomaschinen, insbeson dere von Gasturbinen,
im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die
Einrichtung zur Unwuchtkompensation aus einem drahtförmigen Element
hergestellt. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Unwuchtkompensation
kann bei einem montierten Triebwerk der komplette Rotor aus Welle,
Rotorscheibe und Laufschaufelkranz ausgewuchtet bzw. feingewuchtet
werden.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, eine Einrichtung
zur Umwuchtkompensation bzw. ein Wuchtgewicht für ein Außendeckband aufweisende Laufschaufeln
von Turbomaschinen aus einem drahtförmigen Element herzustellen,
wobei ein Querschnitt des drahtförmigen
Elements eine runde Form aufweist. Aufgrund der runden Querschnittsform
des drahtförmigen
Elements kann sich die erfindungsgemäße Einrichtung aerodynamisch
günstig
an den Übergangsradius
zwischen Schaufelblatt und Außendeckband,
also an den Filletradius am Außendeckband,
anschmiegen. Bereits bei der Montage der erfindungsgemäßen Einrichtung kann
dieselbe demnach unter zumindest bereichsweiser Anlage an das Außendeckband
radial ganz nach außen
in Richtung auf das Außendeckband
geschoben werden, sodass während
des Betriebs Fliehkräfte
die erfindungsgemäße Einrichtung
zur Unwuchtkompensation nicht mehr verformen. Nach der Montage und
im Betrieb liegt demnach die erfindungsgemäße Einrichtung zur Unwuchtkompensation
bündig
an einer radial innenliegenden, strömungskanalrelevanten Fläche des
Außendeckbands
an. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Unwuchtkompensation
liegen in einer leichten Montage sowie Demontage der Einrichtung,
die ohne spezielle Werkzeuge möglich
sind.
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Nach
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Einrichtung
zur Unwuchtkompensation derart aus einem plastisch umgeformten,
drahtförmigen
Element hergestellt, dass die Einrichtung eine an eine Montageendform derselben
weitestgehend angepasste Kontur aufweist.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtung zur Unwuchtkompensation
mit einer ein Außendeckband
aufweisenden Laufschaufel einer Gasturbine in einer perspektivischen
Seitenansicht von unten auf das Außendeckband der Laufschaufel;
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2 die
Anordnung gemäß 1 in
einer gegenüber 1 um
in etwa 90° nach
links gedrehten, perspektivischen Seitenansicht von unten;
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3 eine
erfindungsgemäße Einrichtung zur
Unwuchtkompensation mit einer ein Außendeckband aufweisenden Laufschaufel
einer Gasturbine in einer perspektivischen Seitenansicht von unten
auf das Außendeckband
der Laufschaufel;
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4 die
Anordnung gemäß 3 in
einer gegenüber 3 um
in etwa 30° nach
rechts gedrehten, perspektivischen Seitenansicht von unten;
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5 die
Anordnung gemäß 3 und 4 in
einer gegenüber 3 um
in etwa 180° nach
links gedrehten, perspektivischen Seitenansicht von unten;
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6 die
Anordnung gemäß 3 bis 5 in
einer gegenüber 3 um
in etwa 90° nach links
gedrehten, perspektivischen Seitenansicht von unten;
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7 die
Anordnung der 3 bis 6 mit zwei
unterschiedlichen Positionen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Unwuchtkompensation
in einer Ansicht analog zu 6; und
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8 die
Anordnung gemäß 3 bis 7 in
einer perspektivischen Seitenansicht von oben.
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Bevor
nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 bis 8 die
erfindungsgemäße Einrichtung zur
Unwuchtkompensation für
ein Außendeckband aufweisende
Laufschaufeln von Turbomaschinen im Detail beschrieben wird, soll
vorab unter Bezugsnahme auf 1 und 2 ein
aus dem Stand der Technik bekanntes Wuchtgewicht beschrieben werden.
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1 und 2 zeigen
eine aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtung 10 zur
Unwuchtkompensation zusammen mit einer ein Außendeckband 11 aufweisenden
Laufschaufel 12 einer Gasturbine, wobei die Laufschaufel 12 als
Turbinenlaufschaufel eines Flugtriebwerks ausgebildet ist. Wie 1 und 2 entnommen
werden kann, ist von der Laufschaufel 12 das radial außenliegende
Ende eines Schaufelblatts 13 sowie das Außendeckband 11 dargestellt. 1 und 2 zeigen
die Anordnung aus der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 zur Unwuchtkompensation
zusammen mit der Laufschaufel 12 in zwei unterschiedlichen
perspektivischen Ansichten von unten, wobei 1 eine Ansicht
auf eine Druckseite 14 und 2 eine Ansicht auf
eine Saugseite 15 des Schaufelblatts 13 der Laufschaufel 12 zeigt.
Das Schaufelblatt 13 der Laufschaufel 12 der 1 und 2 wird
durch die Druckseite 14 sowie die Saugseite 15 begrenzt, ebenso
wie durch eine Strömungseintrittskante 16 sowie
Strömungsaustrittskante 17.
Weiterhin zeigt insbesondere 1 einen Übergangsbereich 18 zwischen
dem radial außenliegenden
Ende des Schaufelblatts 13 und dem Außendeckband 11, wobei
in diesem Übergangsbereich 18 der
Filletradius ausgebildet ist.
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Die
in 1 und 2 dargestellte, aus dem Stand
der Technik bekannte Einrichtung 10 zur Unwuchtkompensation
ist aus einem blechförmigen
Material durch Laserbrennschneiden hergestellt. Die Einrichtung 10 nach
dem Stand der Technik verfügt über eine
bereits vorgeformte Lasche 19, mithilfe derer die Einrichtung 10 an
der Strömungseintrittskante 16 des
Schaufelblatts 13 eingehakt wird. Zur Montage müssen bei
der aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtung 10 laschenförmige Abschnitte 20 und 21 unter
Verwendung eines Spezialwerkzeugs umgebogen werden. Daraus folgt,
dass bei der Montage der aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtung 10 zur
Unwuchtkompensation an der Laufschaufel 12 zwei plastische
Umformschritte im Bereich der laschenförmigen Abschnitte 20 und 21 durchgeführt werden
müssen.
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Wie 1 weiterhin
entnommen werden kann, lässt
sich bei der Montage der aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtung 10 dieselbe
aufgrund der blechstreifenförmigen
Kontur und des Filletradius im Übergangsbereich 18 zwischen
Schaufelblatt 13 und Außendeckband 11 nicht
vollständig
radial nach außen
schieben. Erst im Betrieb der Gasturbine mit rotierenden Laufschaufeln
unter Einwirkung der sich dann einstellenden hohen Zentrifugalkräfte und
hohen Temperaturen wird die Einrichtung 10 nach dem Stand
der Technik unter Aufbiegung der Laschen 19, 20 bzw. 21 radial
nach außen
gedrückt, wodurch
während
des Betriebs die aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtung 10 zur
Unwuchtkompensation eine aerodynamisch ungünstige Position einnehmen kann.
Im Extremfall kann es sogar zu einem Ablösen der Einrichtung 10 vom
Schaufelblatt 13 kommen.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 3 bis 8 eine
erfindungsgemäße Einrichtung 22 zur
Unwuchtkompensation beschrieben, wobei 3 bis 8 die
erfindungsgemäße Einrichtung 22 zur
Unwuchtkompensation in Verbindung mit einer ein Außendeckband 23 aufweisenden
Laufschaufel 24 zeigen. Die Laufschaufel 24 ist
als Turbinenlaufschaufel einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks
ausgebildet, wobei die Laufschaufel 24 neben dem Außendeckband 23 weiterhin ein
Schaufelblatt 25 umfasst. Das Schaufelblatt 25 verfügt über eine
Strömungseintrittskante 26 sowie eine
Strömungsaustrittskante 27,
wobei sich zwischen der Strömungseintrittskante 26 sowie
der Strömungsauntrittskante 27 einerseits
eine Druckseite 28 und andererseits eine Saugseite 29 des
Schaufelblatts 25 erstreckt.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Einrichtung 22 zur
Unwuchtkompensation an der das Außendeckband 23 aufweisenden
Turbinenlaufschaufel 24 aus einem drahtförmigen Element
gebildet. Das drahtförmige
Element verfügt über einen
runden bzw. kreisförmigen Querschnitt.
Dieser runde bzw. kreisförmige
Querschnitt des drahtförmigen
Elements, aus welchem die erfindungsgemäße Einrichtung 22 zur
Unwuchtkompensation gebildet ist, verfügt vorzugsweise über einen
Radius, der an den Filletradius im Übergangsbereich 30 zwischen
Außendeckband 23 und
Schaufelblatt 25 angepasst ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass
die erfindungsgemäße Einrichtung 22 zur
Unwuchtkompensation bereits bei der Montage unter zumindest teilweiser
Anlage an eine radial innenliegende, strömungskanalrelevante Fläche 31 des
Außendeckbands 23 weit
nach radial außen
geschoben werden kann, sodass sich die erfindungsgemäße Einrichtung 22 an
die Fläche 31 sowie
den Filletradius im Übergangsbereich 30 anschmiegt.
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Während des
Betriebs der Gasturbine wirkende, hohe Fliehkräfte und hohe Temperaturen verformen
demnach die erfindungsgemäße Einrichtung 22 nicht
mehr, da dieselbe bereits bündig
an der Fläche 31 des
Außendeckbands 23 anliegt.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung verfügt die erfindungsgemäße Einrichtung 22 zur
Unwuchtkompensation vorzugsweise über die gesamte Länge bzw.
Kontur derselben über
einen gleichförmigen,
kreisrunden Querschnitt. Es ist auch möglich, die Querschnittsfläche des
drahtförmigen
Elements über
die Länge
der erfindungsgemäßen Einrichtung zu
variieren. Fertigungstechnisch einfacher und daher bevorzugt ist
jedoch eine Einrichtung 22 zur Unwuchtkompensation mit
einem über
die gesamte Länge
gleichförmigen,
runden bzw. kreisrunden Querschnitt.
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Durch
Anpassung der Querschnittsfläche und
Länge des
drahtförmigen
Elements ist das Gewicht der Einrichtung 22 zur Unwuchtkompensation und
damit das Maß der
mit derselben erzielbaren Unwuchtkompensation einstellbar. Hierdurch
ist eine Gewichtsabstufung der Einrichtung 22 zur Unwuchtkompensation
realisierbar.
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Nach
einem weiteren Aspekt der hier vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Einrichtung
zur Unwuchtkompensation aus dem drahtförmigen Element derart hergestellt,
dass die Einrichtung 22 eine an ihre Montageendform weitestgehend
angepasste Kontur aufweist. Bereits vor der Montage ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 22 durch
plastisches Umformen des drahtförmigen
Elements demnach derart ausgebildet, dass bei der Montage derselben
an der Laufschaufel 24 entweder keine oder nur so wenig
wie nötig
plastische Umformschritte vorgenommen werden müssen.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
verfügt die
erfindungsgemäße Einrichtung 22 zur
Unwuchtkompensation über
zwei, durch plastisches Umformen des drahtförmigen Elements vorgeformte,
laschenförmige
Abschnitte. Ein erster laschenförmiger Abschnitt 32 dient
dem Einhaken der Einrichtung 22 an einem radial außenliegenden,
außendeckbandnahen
Abschnitt der Strömungseintrittskante 26 des Schaufelblatts 25.
Mit einem zweiten laschenförmigen
Abschnitt 33 ist die erfindungsgemäße Einrichtung 22 im
Bereich der Strömungsaustrittskante 27 am
Außendeckband 23 einhakbar.
Hierdurch wird dann sichergestellt, dass die Einrichtung 22 bei
der weiteren Montage nicht mehr herunterfallen kann. Der erste laschenförmige Abschnitt 32 sowie
der zweite laschenförmige
Abschnitt 33 verfügen
bereits über
eine an die Montageendform der Einrichtung 22 vorgeformte
Kontur. Im Bereich dieser beiden laschenförmigen Abschnitte 32 und 33 sind
demnach keine plastischen Umformarbeiten bei der Montage der erfindungsgemäßen Einrichtung 22 an
der Laufschaufel 24 erforderlich.
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Neben
diesen beiden laschenförmigen
Abschnitten 32 und 33 verfügt die erfindungsgemäße Einrichtung 22 über einen
dritten laschenförmigen Abschnitt 34,
der benachbart zum zweiten laschenförmigen Abschnitt 33 im
Bereich der Strömungsaustrittskante 27 am
Außendeckband 23 der
Laufschaufel 24 einhakbar ist. In einem Endbereich 35 (siehe insbesondere 3 und 4)
ist der dritte Abschnitt 34 U-förmig umgebogen, um so in Anströmrichtung
aerodynamisch günstig
unter Vermeidung sogenannter Basisflächen ausgebildet zu sein und um
eine Angriffsfläche
für ein
gegebenenfalls bei der Montage benötigtes Werkzeug zu bilden.
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Zur
Montage der erfindungsgemäßen Einrichtung 22 an
der Turbinenlaufschaufel 24 wird, wie in 7 dargestellt,
vorgegangen. 7 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung 22 mit
durchgezogenen Linien in fertig montierter Position, mit gestrichelten Linien
in einer bei der Montage eingenommenen Zwischenposition. So kann 7 entnommen
werden, dass zur Montage der erfindungsgemäßen Einrichtung 22 dieselbe
mit dem ersten laschenförmigen
Abschnitt 32 bzw. 32' an der Strömungseintrittskante 26,
nämlich
an einem radial außenliegenden
Endabschnitt derselben, eingehakt wird und dann durch Einschwenken
bzw. Verschwenken derselben im Sinne des Pfeils 36 der
zweite laschenförmige
Abschnitt 33 bzw. 33' der erfindungsgemäßen Einrichtung 22 an
einer radial außenliegenden
Fläche 37 des
Außendeckbands 23 eingehakt
wird. Nachdem die erfindungsgemäße Einrichtung 22 in
diese Position verschwenkt worden ist, liegt ein zwischen dem ersten
laschenförmigen
Abschnitt 32 und dem zweiten laschenförmigen Abschnitt 33 verlaufender
Abschnitt 38 bzw. 38' der erfindungsgemäßen Einrichtung 22 zur
Unwuchtkompensation auf der Saugseite 29 des Schaufelblatts 25 an.
Im Ausführungsbeispiel
der 7 wird dann lediglich in dieser Position der erfindungsgemäßen Einrichtung 22 der
dritte laschenförmige
Abschnitt 34 unter Verwendung eines einfachen Werkzeugs
durch Verschwenken im Sinne des Pfeils 39 plastisch in
die Montageendform verformt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 7 ist
dies erforderlich, da bei der Montage der erfindungsgemäßen Einrichtung 22 an
der Laufschaufel 24 ansonsten der dritte laschenförmige Abschnitt 34 nicht
an der Strömungsantrittskante 27 des
Schaufelblatts 25 vorbeibewegt werden könnte.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch
bei Laufschaufeln mit entsprechend konturierten Schaufelblättern der
dritte laschenförmige
Abschnitt 34 bereits eine an die Montageendform der Ein richtung 22 vorgeformte
Kontur aufweisen kann. In diesem Fall wird dann die gesamte erfindungsgemäße Einrichtung 22 ohne
plastische Umformschritte bei der Montage durch Aufclipsen im Bereich
des Außendeckbands 23 montiert.
Jedoch auch dann, wenn im Bereich des dritten laschenförmigen Abschnitts 34 bei
der Montage noch ein plastischer Umformschritt ausgeführt werden
muss, zeichnet sich die erfindungsgemäße Einrichtung 22 gegenüber der
aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtung 10 durch
eine deutlich einfachere Montage sowie Demontage aus. Weiterhin
ist die erfindungsgemäße Einrichtung 22 zur
Unwuchtkompensation mit geringerem Fertigungsaufwand herstellbar.
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- 10
- Einrichtung
- 11
- Außendeckband
- 12
- Laufschaufel
- 13
- Schaufelblatt
- 14
- Druckseite
- 15
- Saugseite
- 16
- Strömungseintrittskante
- 17
- Strömungsaustrittskante
- 18
- Übergangsbereich
- 19
- Lasche
- 20
- Abschnitt
- 21
- Abschnitt
- 22
- Einrichtung
- 23
- Außendeckband
- 24
- Laufschaufel
- 25
- Schaufelblatt
- 26
- Strömungseintrittskante
- 27
- Strömungsaustrittskante
- 28
- Druckseite
- 29
- Saugseite
- 30
- Übergangsbereich
- 31
- Fläche
- 32,
32'
- Abschnitt
- 33,
33'
- Abschnitt
- 34;
34'
- Abschnitt
- 35
- Endbereich
- 36
- Pfeil
- 37
- Fläche
- 38
- Abschnitt
- 39
- Pfeil