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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Spannstifte für Leitschaufeln und insbesondere
verbesserte Spannstiftkonfigurationen, um die Leitschaufeln mit ausreichender
Kraft an den Halteflächen
des Trägers zu
sichern, damit die vorgegebene Verwindung des Blattabschnitts aufrechterhalten
bleibt.
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Bei
herkömmlichem
Turbinenaufbau weist der Rotor eine Anzahl von rotierenden Schaufeln
auf, die an dem Rotor befestigt sind. Die Schaufeln sind so in Reihen
montiert, dass sie von einer Außenfläche des
Rotors radial nach außen
abstehen. Üblicherweise
sind die in einer bestimmten Reihe angeordneten Schaufeln identisch,
aber die rotierenden Schaufeln einer ersten Reihe unterscheiden
sich in Länge
und/oder Form von den Schaufeln der anderen Reihen, die in einem
bestimmten Abstand zu der ersten Reihe angeordnet sind. Jede rotierende Schaufel
weist einen Blattbereich auf, der vom Rotor radial nach außen absteht,
sowie einen Fußbereich, in
dem die Schaufel an den Rotor montiert ist. Zu diesem Zweck enthält der Fußbereich
einen Fuß,
der von einer entsprechend geformten Nut aufgenommen wird.
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Ein
ortsfestes Gehäuse
ist koaxial um den Rotor gelagert und verfügt über eine Anzahl von ortsfesten
Schaufeln (Leitschaufeln), die in Reihen angeordnet sind, die wiederum
im Wechsel mit den Reihen der rotierenden Schaufeln angeordnet sind.
Alle ortsfesten Schaufeln weisen einen Blattbereich auf, der von
der Innenfläche
des ortsfesten Gehäuses
absteht, und einen Fußbereich
mit einem Fuß zur
Aufnahme in einer entsprechenden Nut des ortsfesten Gehäuses.
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Der
Fuß der
ortsfesten Schaufel und/oder die Nut des ortsfesten Gehäuses weist
eine Kerbe oder Aussparung auf, damit ein Raum zwischen dem Fuß der ortsfesten
Schaufel und der Nut gebildet wird.
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Es
ist üblich,
den zur Verbindung des Gehäuses
mit dem Fuß von
der Kerbe und/oder der Aussparung gebildeten Raum durch ein Dichtmaterial oder
einen Spannstift auszufüllen.
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Üblicherweise
wird der Spannstift aus Messing gefertigt und durch das Bearbeiten
einer Fläche eines
Rundmaterialstücks
entlang dessen Achse hergestellt, sodass der Stift über seine
gesamte Länge
einen konstanten, allgemein D-förmigen,
Querschnitt aufweist. Folglich sind herkömmliche Spannstifte gerade
und weisen eine bearbeitete Fläche
auf, die parallel zur Längsachse
des Stifts liegt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Innern des Gehäuses
liegende Leitschaufeln wurden so konzipiert, dass eine bei der Montage realisierte
Vorverwindung aufrechterhalten bleibt, was sich jedoch mit den herkömmlichen,
dem Stand der Technik entsprechenden radialen Spannstiften für Leitschaufeln
nicht erreichen lässt.
Daher schafft die Erfindung einen keilartigen radialen Spannstift
für Leitschaufeln,
der vorzugsweise aus Stahl gefertigt ist und den Boden einer Leitschaufel
entlang einer Übergangsflä che, d.
h. einer geneigten oder abgestuften Fläche, berührt. Dieser Kontakt sichert
mit ausreichender Kraft die Leitschaufel radial nach innen an der
Haltefläche
des Träger-Schwalbenschwanzes,
um die vorgegebene Vorverwindung des Schaufelblatts aufrechtzuerhalten.
Zwei Ausführungsformen
des verbesserten radialen Spannstifts der Erfindung sind in diesem
Dokument nachfolgend exemplarisch beschrieben und veranschaulicht.
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In
einer ersten Ausführungsform
ist die Übergangsfläche als
stetiger Kegel ausgebildet, der erzeugt wird, indem an einem Rundmaterialstück entlang
dessen Achse eine im Wesentlichen kontinuierlich geneigte Fläche so herausgearbeitet
wird, dass der Querschnitt an jeder Stelle des Stifts die Form des
Buchstabens D aufweist. Die Fläche
wird in einem bestimmten Winkel zu der Achse des Stifts bearbeitet,
um eine im Wesentlichen kontinuierlich konisch zulaufende Teilfläche zu erzeugen,
die zu einer allgemein entsprechend konisch zulaufenden Fläche am Boden
der Leitschaufel passt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
umfasst der Spannstift statt einer im Wesentlichen kontinuierlich
geneigten Fläche
eine oder mehrere diskrete Abstufungen. In einer exemplarischen
alternativen Ausführungsform
wird insbesondere jedes Ende des Stifts allgemein parallel zur Stiftmittellinie,
aber in unterschiedlicher Höhe
von der Stiftmittellinie bearbeitet, so dass zwei unterschiedliche
Flächen
erzeugt werden, und es wird ein leicht schräger Abschnitt der bearbeiteten
Fläche
geschaffen, der die zwei abgeflachten Flächen miteinander verbindet.
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Folglich
kann die Erfindung in einem Verfahren zum Installieren von ortsfesten
Schaufeln einer Turbine verwirk licht werden, dass Folgendes umfasst:
Anordnen einer Anzahl von ortsfesten Schaufeln in einer Anzahl von
Reihen, wobei jede ortsfeste Schaufel einer Reihe einen Fuß- und einen
Blattbereich aufweist und wobei die ortsfesten Schaufeln einer Reihe
an den Füßen in einer
ringförmigen
Nut montiert sind, die in das Turbinengehäuse eingelassen ist, wobei
jede ringförmige
Montagenut zwei sich gegenüberliegende
und eine Bodenwand aufweist und wobei mindestens einer der Füße der ortsfesten Schaufeln
und eine Wand der Montagenut eine Aussparung bilden; Einsetzen eines
Spannstifts in die Aussparung zwischen jedem der Füße und der
Nut, um dadurch den Fuß der
ortsfesten Schaufel mit dem Gehäuse
zu verkeilen, wobei der Spannstift einen teilumlaufenden Wandbereich,
dessen Querschnittform allgemein der Querschnittform der Aussparung
entspricht, und einen Übergangswandbereich
umfasst, so dass der Stift allgemein keilförmig ist.
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Die
Erfindung kann auch in einer Turbinenstruktur realisiert werden,
die Folgendes umfasst: einen Rotor mit einer Anzahl rotierender
Schaufeln, die an diesen montiert sind, wobei die Schaufeln so in Reihen
montiert sind, dass sie von einer Außenfläche des Rotors radial nach
außen
abstehen, ein ortsfestes Gehäuse,
das koaxial um den Rotor gelagert ist, und eine Anzahl von ortsfesten
Schaufeln oder Leitschaufeln aufweist, die in Reihen angeordnet
sind, die wiederum im Wechsel mit den Reihen der rotierenden Schaufeln
angeordnet sind, wobei mindestens einige der ortsfesten Schaufeln
einen von einer Innenfläche
des ortsfesten Gehäuses
abstehenden Blattbereich und einen Fußbereich mit einem Fuß zur Aufnahme
in einer entsprechenden Nut des ortsfesten Gehäuses aufweisen; wobei der Fuß der ortsfesten
Schaufel oder/oder die Nut des ortsfesten Gehäuses mit einer Aussparung versehen
ist, die einen Raum zwischen dem Fuß der ortsfesten Schaufel und
der Nut bildet; einen Spannstift, der in den von der Aussparung
gebildeten Raum eingesetzt wird, um das Gehäuse und den Fuß miteinander
zu verbinden, wobei der Spannstift einen teilumlaufenden Mantelflächenbereich,
dessen Querschnittform allgemein der Querschnittform der Aussparung
entspricht, und einen Übergangswandbereich
aufweist, so dass der Stift allgemein keilförmig ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
verständlicher und
nachvollziehbarer durch die sorgfältige Lektüre der folgenden detaillierteren
Beschreibung der zurzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, in
der auf die folgenden beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird:
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1 ist
ein schematischer Längsschnitt durch
die ortsfesten und beweglichen Schaufeln einer Turbine;
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2 ist
eine Vorderansicht eines Spannstifts gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der
Erfindung;
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3 ist
eine Seitenansicht der in 2 dargestellten
rechten Seite;
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4 ist
eine Vorderansicht eines Spannstifts gemäß einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung;
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5 ist
eine Seitenansicht der in 4 dargestellten
rechten Seite;
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6 ist
eine Querschnittansicht entlang der Turbinenmittellinie nach unten,
in welcher der Stift aus 2 zwischen einer Leitschaufel
und dem Gehäuse
eingesetzt ist; und
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7 ist
eine Querschnittansicht entlang der Turbinenmittellinie nach unten,
in welcher der Stift aus 4 zwischen einer Leitschaufel
und dem Gehäuse
eingesetzt ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
kontrollierten Bedingungen elastisch vorgespannte Schaufeln weisen
hervorragende Dämpfungsmerkmale
auf und sind in der Lage, dynamische Beanspruchungen unter allen
Betriebsbedingungen zu absorbieren, ohne dass ihre Langlebigkeit beeinträchtigt wird.
Bei Schaufeln mit ausreichender Vorspannung kommt es weder zu reibungsbedingtem
Verschleiß noch
zu einer Lockerung der Schaufeln. Daher ist es wichtig, die vorgeschriebene
Vorspannung aufrechtzuerhalten.
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Folglich
besteht ein Konstruktionsziel darin, dass alle installierten Schaufeln
in der entsprechenden Nut um einen bestimmten Verwindungsgrad verwunden
werden. Die Konfiguration des Leitschaufelblatts und die Abmessungen
des Fußes
werden so gewählt,
dass die Schaufel die durch die Konstruktionskriterien definierte
Position in der Nut einnehmen kann.
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Bei
einem gemäß der vorliegenden
Erfindung bereitgestellten Spannstift handelt es sich um einen Keilkontakt
zur Ausübung
einer Radialkraft auf die Leitschaufel, der die Leitschaufel mit
ausreichender Kraft radial nach innen an der Haltefläche des Trägerschwalbenschwanzes
sichert, um die vorgegebene Vorverwindung des Schaufelblatts aufrechtzuerhalten.
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1 veranschaulicht
anhand eines schematischen Längsschnitts
zwei Stufen einer Turbinenstruktur. In der dargestellten Struktur
wird an der Basis jedes Leitschaufelfußes 12 eine allgemein
teilzylindrische oder U-förmige
Aussparung 10 ausgebildet, welche die Nut 14 aufnimmt.
Ein Spannstift 16 wird in diese Aussparung zwischen dem
Gehäuse 18 und
der Leitschaufel 20 eingesetzt, um die Teile zu blockieren,
wobei die Leitschaufel ihren vorverwundenen Zustand beibehält. Zur
sicheren Blockierung jeder Leitschaufel und zur Aufrechterhaltung
ihrer Vorverwindung ist in einer Ausführungsform der Erfindung der
Spannstift 16, 116 allgemein keilförmig und
weist einen teilzylindrischen Wandbereich 22, 122, 222 sowie
einen Übergangswandbereich,
d. h. einen geneigten oder abgestuften Wandbereich 24, 124, 224,
auf.
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In
einer ersten Ausführungsform,
die in 2 dargestellt ist, weist der Spannstift 116 einen Wandbereich 124 auf,
der im Wesentlichen von einem ersten Einsetzungsende 126 zu
einem zweiten proximalen Ende 128 kontinuierlich geneigt
ist, um einen allgemein konisch zulaufenden oder keilförmigen Stift 116 zu
bilden. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist die Querschnittsfläche des
Spannstifts am distalen Einsetzungsende kleiner als die Querschnittsfläche des
Spannstifts am proximalen Ende. Obwohl der Wandbereich 124 als
eine kontinuierlich konisch zulaufende Fläche dargestellt ist, wäre demge genüber ein
Wandbereich mit einer Anzahl von Stufen zur Ausbildung einer wirkungsvoll
kontinuierlich geneigten Fläche
funktional gleichwertig.
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Eine
Nut 130 wird optional in Längsrichtung des Spannstifts
eingelassen und bildet eine Aussparung mit halbkreisförmigem Querschnitt,
die sich vom proximalen zum distalen Ende des Stifts erstreckt. Die
Nut ermöglicht
es, dass das Material des Stifts an dessen ursprünglichen Flächen gepresst und gestaucht
werden kann, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Stift und
der Leitschaufel vergrößert wird. Die
Nut ermöglicht
beispielsweise auch das Ansetzen eines Stiftaustreibewerkzeugs (nicht
dargestellt), sodass der Stift in Eingriff gebracht und proximal
versetzt werden kann, auch wenn er vollständig unter eine entsprechende
Leitschaufel 120 eingesetzt wurde. Obwohl eine Nut 130 mit
halbkreisförmigem Querschnitt
dargestellt ist, versteht sich, dass die Querschnittform dieser
Nut nicht entscheidend ist und dass eine V-förmige,
rechteckige oder andere Nutkonfiguration verwendet werden könnte, ohne vom
Geltungsbereich dieser Erfindung abzuweichen.
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Wie
nachzuvollziehen ist, bewirkt das Einsetzen des in 2 dargestellten,
konisch zulaufenden Spannstifts 116 in die Aussparung 110 zwischen
dem Leitschaufelfuß 112 und
der Fußnut
(Schwalbenschwanz) 114 des Gehäuses ein leichtes Abheben der
Leitschaufel vom Nutboden. Dadurch wird die Leitschaufel mit ausreichender
Kraft radial nach innen an der Haltefläche des Schwalbenschwanzes gesichert,
damit die vorgegebene Vorverwindung des Schaufelblatts aufrechterhalten
bleibt. Zum Maximieren des Flächenkontakts
zwischen dem Spannstift und der bzw. den entsprechenden Leitschaufeln(n) wird
in einer exemplarischen Ausführungsform
ein entsprechender Bereich des Leitschaufelfußes 112 so bearbeitet,
dass eine geneigte Fläche 132 entsteht,
die allgemein der Neigung des Wandbereichs 124 des Spannstifts 116 entspricht,
so dass das Einsetzen des Spannstifts eine Keilverschiebung entlang
zweier aneinander grenzender geneigter Flächen ergibt. Damit sichergestellt
ist, dass der Spannstift seine Form beibehält und die entsprechende Blockierung
der Leitschaufel am Gehäuse
aufrechterhält,
ist der Spannstift in einer exemplarischen Ausführungsform aus Stahl gefertigt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung, die in den 4–5 und 7 dargestellt
ist, weist der Wandbereich 224 statt einer konisch zulaufenden
oder im Wesentlichen kontinuierlich geneigten Fläche diskret abgestuften Bereiche auf.
In der dargestellten Ausführungsform
wird über die
gesamte Länge
des Stifts 216 eine einzige Abstufung erzeugt. Hierzu wird
der Stift insbesondere so bearbeitet, dass er in die Leitschaufel
eingreifende ebene Flächen 234, 236 aufweist,
die an die beiden Enden 226, 228 grenzen, wobei
die Flächen
allgemein parallel zur Längsachse
des Ladestifts liegen und der Ladestift 216 so bearbeitet
wird, dass zwischen den parallelen Flächen 226, 228 ein
geneigter Übergang
bzw. eine Abstufung entsteht. Wie durch die gestrichelte Linie 240 dargestellt,
ist der Versatz zwischen den ebenen Flächen 226, 228 begrenzt. Wie
der Darstellung ebenfalls zu entnehmen ist, kann der Leitschaufelfuß einen
Ausschnitt 242 aufweisen, um das Einsetzen des Stifts zu
erleichtern.
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In
Längsrichtung
des Spannstifts wird optional eine Nut
230 als Aussparung
mit halbkreisförmigem
Querschnitt aus gebildet, die sich vom proximalen Ende
228 zum
distalen En
de 226 des Stifts
216 erstreckt.
Wie in der zuerst beschriebenen Ausführungsform ermöglicht die
bereitgestellte Nut
230, dass das Material des Stifts an
dessen ursprünglichen
Flächen
gepresst oder gestaucht werden kann, wodurch die Kontaktfläche zwischen
dem Stift und der Leitschaufel vergrößert wird. Die Nut ermöglicht beispielsweise
auch das Ansetzen eines Stiftaustreibewerkzeugs (nicht dargestellt),
sodass der Stift in Eingriff gebracht und proximal versetzt werden
kann, auch wenn er vollständig
unter eine entsprechende Leitschaufel
212 eingesetzt wurde.
Obwohl, wie oben erwähnt,
für den
Stiftausbau eine Nut
230 mit halbkreisförmigem Querschnitt dargestellt
ist, versteht sich, dass die Querschnittform dieser Nut nicht entscheidend
ist und dass eine V-förmige,
rechteckige oder andere Nutkonfiguration verwendet werden könnte, ohne
vom Geltungsbereich dieser Erfindung abzuweichen.
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Wie
nachzuvollziehen ist, bewirkt das Einsetzen des in 4 dargestellten,
konisch oder keilförmig
zulaufenden Spannstifts 216 in die Aussparung 210 zwischen
dem Leitschaufelfuß 212 und
der Fußnut 214 des
Gehäuses
ein leichtes Abheben der Leitschaufel von dem Boden der Schwalbenschwanznut 214,
damit die Leitschaufel wirkungsvoll in ihrer vorgeschriebenen vorverwundenen
Konfiguration blockiert wird. Damit wiederum sichergestellt ist,
dass der Spannstift seine Form beibehält und die entsprechende Blockierung
der Leitschaufel am Gehäuse aufrechterhält, ist
der Spannstift in einer exemplarischen Ausführungsform aus Stahl gefertigt.
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Wie
oben bereits erwähnt,
versteht es sich, dass die geneigte Fläche nicht kontinuierlich geneigt sein
muss, sondern als eine Abfolge von diskreten Abstufungen ausgebildet
sein kann, obwohl als Ausführungsformen
der Erfindung eine kontinuierlich geneigte Fläche und eine Fläche mit
einer einzigen Abstufung dargestellt sind. Darüber hinaus können die aus
den Abstufungen resultierenden diskreten Abflachungen 226, 228 selbst
wiederum als Flächen
ausgebildet sein, die, wie in 4 dargestellt,
allgemein parallel zur Längsachse
des Stifts liegen, oder selbst geneigt sind. Während in der dargestellten
Ausführungsform
der Übergang 238 zwischen
diskreten Abstufungen als geneigte Fläche ausgebildet ist, versteht
es sich darüber
hinaus, dass in der alternativen Ausführungsform eine Anzahl von
diskreten, allgemein senkrechten radialen Abstufungen bereitgestellt
werden kann, wobei die Querschnittsfläche des Stifts vom distalen
Ende zum proximalen Ende entweder kontinuierlich oder stufenweise
größer wird.
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Keilartiger
radialer Spannstift 16, 116, 216 für Leitschaufeln,
der vorzugsweise aus Stahl gefertigt ist den Boden einer Leitschaufel 12, 112, 212 entlang einer
geneigten oder abgestuften Übergangsfläche 24, 124, 224 berührt. Dieser
Kontakt sichert mit ausreichender Kraft die Leitschaufel radial
nach innen an der Haltefläche
des Trägerschwalbenschwanzes,
um die vorgegebene Vorverwindung des Schaufelblatts aufrechtzuerhalten.
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Während die
Erfindung im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wurde,
die derzeit für
die praktischste und bevorzugte Ausführungsform erachtet wird, versteht
es sich, dass die Erfindung nicht auf die dargelegte Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und gleichwertige
Anordnungen einschließt,
die dem Geist und dem Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche entsprechen.
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- 10
- Aussparun
- 12
- Leitschaufelfuß
- 14
- Nut
- 16,
116, 216
- Spannstift
- 18
- Gehäuse
- 20
- Leitschaufel
- 22,
122, 222
- Zylindrischer
Wandbereich
- 24,
124, 224
- Übergangswandbereich
- 110
- Aussparung
- 112
- Leitschaufelfuß
- 114
- Nut
(Trägerzinke)
- 120
- Leitschaufel
- 126
- Erstes
Einsetzungsende
- 128
- Zweites,
proximales Ende
- 130
- Nut
- 132
- Geneigte
Fläche
- 212
- Leitschaufel
- 214
- Nut
- 226
- Distales
Ende
- 228
- Proximales
Ende
- 230
- Nut
- 234,
236
- In
die Leitschaufel eingreifende ebene Flächen
- 238
- Geneigter Übergang
oder Abstufung
- 240
- Gestrichelte
Linie
- 242
- Ausschnitt