DE102005014017A1

DE102005014017A1 - Turbine und Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE102005014017A1
Application number: DE102005014017A
Authority: DE
Inventors: Philip David Rugby Hemsley; John Ian Rugby Rogerson; James Rugby Bennett
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2005-03-26
Publication date: 2005-11-10
Also published as: US20050249599A1; GB0406889D0

Abstract

Zur Bereitstellung einer Turbine, bei welcher die Turbinenschaufeln mit Tannenbaum-Schaufelfuß-Turbinenschaufeln oder ähnlichen Turbinenschaufeltypen in die Turbinenwelle, in einem Winkel annähernd der Axialrichtung ohne Reibungsblockierung von Deckbandbereichen, eingesetzt werden können, wobei jede Schaufel einen Schaufelfuß zum Einsetzen in die Welle, entlang einer in einem Winkel von nicht mehr als 30 DEG zur Axialrichtung verlaufenden Einsetzachse, einen Schaufelblattbereich und einen Deckbandbereich aufweist. Dabei weist jedes Deckband Seitenoberflächenbereiche auf, bestehend aus einem Kontaktoberflächenbereich und einem freien Oberflächenbereich. Die Kontaktoberflächenbereiche benachbarter Deckbandbereiche berühren einander und die freien Oberflächenbereiche benachbarter Deckbandbereiche sind beabstandet voneinander angeordnet. Jeder Kontaktoberflächenbereich liegt in einem Winkel zwischen 20 DEG und 50 DEG zur Axialrichtung, und jeder freie Oberflächenbereich liegt in einem Winkel von nicht mehr als 30 DEG in der Axialrichtung. Jeder Kontaktoberflächenbereich liegt in einem größeren Winkel zur Axialrichtung der Welle als der entsprechende freie Oberflächenbereich. Die Kontaktoberflächenbereiche liegen geeigneterweise in einem Winkel von etwa 30 DEG zur Axialrichtung der Welle.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Turbine sowie eine Turbinenschaufel für eine Turbine. Die vorliegende Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren für die Montage einer Turbine.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich hauptsächlich mit Turbinen eines Typs, bei dem die Turbinenschaufeln aus einem Schaufelfuss für den Einbau in eine Turbinenwelle, einem Schaufelblattbereich sowie einem Deckbandbereich am radial äusseren Ende des Schaufelblattbereichs bestehen. Die einzelnen Deckbandbereiche der Turbinenschaufeln liegen nebeneinander und bilden damit innerhalb der vollständigen Turbine ein ringförmiges Deckband, um den Widerstand zu reduzieren, der durch die Wirbeltrennung an den Schaufelspitzen entsteht. Insbesondere wird dieser Schaufeltyp häufig in Dampfturbinen eingesetzt.

Es gibt verschiedene Schaufelfuss-Bauarten, die es ermöglichen, die Turbinenschaufeln an der Turbinenwelle zu befestigen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit Schaufelfuss-Ausgestaltungen, bei denen die Turbinenschaufeln in Arretierstrukturen an der Welle eingesetzt werden, und zwar in einer Richtung, die annähernd parallel zur Welle ist und im Wesentlichen keine radiale Komponente aufweist.

Ein besonders wichtiger Typ von Schaufelfussdesign ist der so genannte Tannenbaum-Schaufelfuss. Dabei handelt es sich um eine Struktur, die ihrer Ähnlichkeit mit einem umgekehrten Tannenbaum nach benannt wurde, und die darauf ausgelegt ist, in eine entsprechende Struktur in der Turbinenwelle einzurasten.

Während der Montage einer Turbine mit diesem Typ Schaufelfuss werden die Turbinenschaufeln in Folge nacheinander in die Turbinenwelle eingesetzt, bis alle Turbinenschaufeln, bis auf eine, eingesetzt wurden. Beim Einsetzen der letzten Turbinenschaufel können spezielle Probleme auftreten. Insbesondere kann eine übermässige Reibungsblockierung an den Deckband-Kontaktoberflächen auftreten, wenn die bereits im Rotor befindlichen Schaufeln gespreizt werden, um die letzte Turbinenschaufel zwischen den beiden benachbarten Schaufeln einzusetzen.

Das kann vor allem dann ein Problem darstellen, wenn die Schaufeln schon vorab gedreht wurden, so dass sie ein Drehmoment besitzen, das der Drehung der verwendeten Schaufeln bei Einwirkung von Zentrifugalkräften widersteht.

Darüber hinaus kann es während des Betriebs der Turbine einen Temperaturunterschied zwischen Deckband und Schaufelfuss geben. Das kann zu hohen Umfangsspannungen im Deckband oder zu einer Blockierung führen, es sei denn, die Deckbandausführung erlaubt ein Gleiten auf der Oberfläche, die die benachbarte Schaufel berührt. Eine thermische Ausdehnung des Deckbandes in tangentialer Richtung kann ebenfalls zu Umfangsspannungen in den Deckbändern führen. Eine Blockierung kann zu Restspannungen beim Verlassen der normalen Betriebsform und demzufolge zu einer natürlichen Schwingungsstreuung führen. Ein Gleiten der Kontaktoberflächen kann nur dann stattfinden, wenn sich der Winkel auf den Kontaktoberflächen ausreichend weit von der Axialrichtung unterscheidet.

Eine Lösung ist, die Einsetzrichtung der Schaufelfüsse in die Turbinenwelle so anzuordnen, dass sie nicht axial sind.

In diesem Fall sind die Seitenoberflächen der Deckbandbereiche der einzelnen Turbinenschaufeln so entworfen, dass sie parallel zur Einsetzrichtung verlaufen.

Wenn der Winkel zwischen der Einsetzachse und der Axialrichtung in der Grössenordnung von 30° oder mehr liegt, kann das Blockierproblem wirksam überwunden werden.

Manchmal ist es jedoch wünschenswert, dass der Winkel zwischen der Einsetzrichtung und der Axialrichtung wesentlich kleiner als 30° und bevorzugt kleiner als 20° ist. Beispielsweise kann es erforderlich sein, dass die Einsetzrichtung, die durch den Winkel der Schaufelfussbefestigung definiert ist, aufgrund der Ausfüh rung des Schaufelfusses sowie einer bestmöglichen Aerodynamik optimiert werden muss. Darüber hinaus kann der Winkel der Befestigungsnut für den Schaufelfuss so ausgewählt werden, um beim Betrieb der Schaufel Bewegungen in tangentialer Richtung zu widerstehen.

In diesen Fällen bleibt das Blockierproblem bestehen.

Die vorliegende Erfindung beschreibt, wie eine Turbine bereitgestellt werden kann, bei der die Turbinenschaufeln so ausgebildet sind, dass sie während der Montage der Turbine effektiv eingesetzt werden können und ein Blockieren während des Turbinenbetriebs vermieden werden kann, selbst wenn die Einsetzrichtung annähernd gleich der Axialrichtung ist.

Die Erfinder haben erkannt, dass eine Turbinenschaufel mit einer Einsetzrichtung erstellt werden kann, die annähernd gleich der Axialrichtung ist, wobei der Deckbandbereich mindestens zwei separate Seitenoberflächenbereiche aufweist, einen Oberflächenbereich für die Berührung benachbarter Kontaktoberflächenbereiche benachbarter Deckbänder und mit einem Winkel zur Axialrichtung von etwa 20° bis 50° konfiguriert, der ein einfaches Einsetzen erlaubt, und einen zweiten Oberflächenbereich aus einer freien Oberfläche bestehend, der beabstandet zu benachbarten freien Oberflächen benachbarter Deckbandbereiche ist. Die freie Oberfläche kann einen Winkel aufweisen, der im Wesentlichen parallel zur Einsetzrichtung ist, und nicht mehr als 30° zur Axialrichtung aufweist, wobei eine Blockierung durch den Abstand zwischen den freien Oberflächen vermieden wird.

Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine Turbine bereit, die eine Turbinenwelle besitzt, welche eine Axialrichtung definiert. Eine Mehrzahl von Schaufeln ist in die Turbinenwelle eingebaut, wobei jede Schaufel einen Schaufelfuss für das Einsetzen in die Turbinenwelle entlang einer Einsetzachse sowie einen Schaufelblattbereich und einem Deckbandbereich aufweist. Die Einsetzachse verläuft bei einem Winkel von nicht mehr als 30° zur Axialrichtung. Jeder Deckbandbereich besitzt Seitenoberflächen, die jeweils aus einem Kontaktoberflä chenbereich und einem freien Oberflächenbereich bestehen. Die Kontaktoberflächenbereiche benachbarter Deckbandbereiche berühren sich. Die freien Oberflächenbereiche benachbarter Deckbandbereiche sind beabstandet voneinander. Jeder Kontaktoberflächenbereich liegt in einem Winkel von 20° bis 50° zur Axialrichtung der Welle. Jeder freie Oberflächenbereich liegt in einem Winkel zur Axialrichtung von nicht mehr als 30°. Jeder Kontaktoberflächenbereich liegt in einem grösseren Winkel zur Axialrichtung der Welle als der entsprechende freie Oberflächenbereich.

Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine Turbinenschaufel bereit, die aus einem Schaufelfuss für das Einsetzen in die Welle einer Turbine besteht, einem Schaufelblattbereich und einem Deckbandbereich. Diese Turbine weist eine Axialrichtung auf, und die Schaufel ist für ein Einsetzen entlang einer Einsetzachse vorgesehen, die mit einem Winkel von nicht mehr als 30° in Axialrichtung verläuft. Jeder Deckbandbereich besitzt Seitenoberflächen, die jeweils aus einem Kontaktoberflächenbereich und einem freien Oberflächenbereich bestehen, wobei die Kontaktoberflächenbereiche für die Berührung benachbarter Kontaktoberflächenbereiche benachbarter Deckbandbereiche vorgesehen sind, wenn sie in die Turbine eingebaut werden, und wobei die freien Oberflächenbereiche einen Zwischenraum zu benachbarten freien Oberflächenbereichen benachbarter Deckbandbereiche erhalten, wenn sie in die Turbine eingebaut werden. Jeder Kontaktoberflächenbereich liegt in einem Winkel zwischen 20° und 50° zur Axialrichtung der Welle, jeder freie Oberflächenbereich liegt in einem Winkel von nicht mehr als 30° zur Axialrichtung, und jeder Kontaktoberflächenbereich in einem grösseren Winkel zur Axialrichtung als der entsprechende freie Oberflächenbereich.

Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Montage einer Turbine zur Verfügung, umfassend die Schritte, eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln in eine Turbinenwelle einzusetzen, wobei die Turbinenwelle eine Axialrichtung definiert, jede Schaufel einen Schaufelfuss sowie einen Schaufelblattbereich und einen Deckbandbereich aufweist. Dabei wird der Schaufelfuss in die Welle entlang einer Einsetzachse eingesetzt, die in einem Winkel von weniger als 30° zur Axialrichtung verläuft. Jeder Deckbandbereich besitzt Seitenoberflächen, die jeweils aus einem Kontaktoberflächenbereich und einem freien Oberflächenbereich bestehen. Jede Kontaktoberfläche liegt in einem Winkel zwischen 20° und 50° zur Axialrichtung. Jeder freie Oberflächenbereich liegt in einem Winkel von nicht mehr als 30° zur Axialrichtung. Jeder Kontaktoberflächenbereich liegt in einem Winkel zur Axialrichtung, der grösser als der des entsprechenden freien Oberflächenbereichs ist. Benachbarte Turbinenschaufeln werden so eingesetzt, dass sich ihre jeweiligen Kontaktbereiche berühren, und dass ihre jeweiligen freien Oberflächenbereiche beabstandet voneinander sind.

Die vorliegende Erfindung kann für jeden Turbinentyp verwendet werden, wie beispielsweise Gasturbinen, Luftturbinen oder Dampfturbinen, ist aber insbesondere für Dampfturbinen geeignet.

Die Turbine kann von Impuls- oder Reaktionsbauart sein oder eine Kombination beider Bauarten darstellen. Der Schaufelblattbereich jeder Turbinenschaufel wird entsprechend dem Stand der Technik ausgebildet.

In einer Turbinenschaufel gemäss der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann die Axialrichtung gemäss der Kenntnis der Turbinenschaufelkonfiguration festlegen. In jedem Fall definiert bei einer Turbinenschaufel gemäss der vorliegenden Erfindung jeder Schaufelfuss eine Einsetzachse, entlang der die Turbinenschaufel in die Turbinenwelle eingesetzt werden kann, wobei die freien Oberflächenbereiche des Deckbandbereichs im Wesentlichen parallel zur Einsetzachse liegen sollen, und der Kontaktoberflächenbereich jedes Deckbandbereichs in einem Winkel zur Einsetzachse verläuft.

In der Praxis sind die Einsetzachse des Schaufelfusses und die Axialrichtung der Welle durch einander nicht schneidende Linien definiert. Der Winkel zwischen den Linien kann jedoch definiert werden als der Winkel zwischen den Projektionen der Linien auf eine gedachte gemeinsame Oberfläche in einer Richtung senkrecht zur gedachten Oberfläche. Gleichermassen kann der Winkel zwischen der Einsetz achse und der Axialrichtung durch eine Referenzebene ermittelt werden, die die Axialrichtung enthält, und der Winkel ist der Winkel zwischen der Axialrichtung und einer Projektion der Einsetzachse auf die Referenzebene in einer Richtung senkrecht zur Referenzebene.

Analog dazu werden die Kontaktoberflächenbereiche und die freien Oberflächenbereiche nicht durch die Axialrichtung geschnitten. Weil die freien Oberflächenbereiche und die Kontaktoberflächenbereiche normalerweise aus im Wesentlichen radial orientierten Oberflächen bestehen, kann der Winkel zwischen diesen Oberflächen und der Axialrichtung als der Winkel zwischen der Projektion der entsprechenden Oberfläche und der Projektion der Axialrichtung auf eine gedachte gemeinsame Oberfläche in einer Richtung senkrecht zur gedachten Oberfläche angenommen werden. Gleichermassen kann der Winkel durch eine Referenzebene festgelegt werden, die die Axialrichtung enthält, und der Winkel ist gleich dem Winkel zwischen einer Projektion des freien Oberflächenbereichs oder des Kontaktoberflächenbereichs auf die Referenzebene in einer Richtung senkrecht zur Referenzebene.

Wenn der Kontaktoberflächenbereich oder freie Oberflächenbereich nicht im Wesentlichen radial angeordnet sind, kann der Winkel durch eine Referenz auf eine Linie festgelegt werden, die von der vorderen zur hinteren Kante der Oberfläche verläuft, und die die Oberfläche halbiert.

Betrachtet man die Winkel zwischen zwei Linien, sind tatsächlich zwei Winkel ausgebildet, wobei ein Winkel grösser und ein Winkel kleiner ist, und wobei sich die Winkel zu 180° addieren. Der in der vorliegenden Anmeldung angesprochene Winkel ist immer der kleinere der beiden Winkel.

Die Bauart des Schaufelfusses und jede zum Einrasten des Schaufelfusses dienende Struktur auf der Welle können von jedem geeigneten bekannten Design sein, bei dem die Einsetzachse parallel, fast parallel, oder in einem Winkel zur Axialrichtung der Welle verläuft, welcher im Wesentlichen keine radiale Kompo nente aufweist. Die vorliegende Erfindung ist zur Anwendung vorgesehen, wenn die Einsetzachse annähernd axial ist und sich in einem Winkel von nicht mehr als 30° zur Axialrichtung befindet, bevorzugt nicht mehr als 20° zur Achse und noch besser weniger als 15°. Ein geeigneter Winkel beträgt 13.5°.

Die vorliegende Erfindung ist vor allem für den Einsatz in Kombination mit dem Design des Schaufelfusses in Form des umgekehrten Tannenbaums geeignet.

Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Kontaktoberflächen benachbarter Turbinenschaufeln klein und klar definiert sind, so dass sie korrekt definiert und entworfen werden können.

Neben den Seitenoberflächen der Deckbandbereiche können auch die anderen Oberflächen der Deckbandbereiche eine beliebige konventionelle Form definieren. Beispielsweise können die vordere Oberfläche, die hintere Oberfläche sowie die untere und obere Oberfläche des Deckbandbereichs eine beliebige konventionelle Bauart aufweisen. Geeigneter Weise ist die untere Oberfläche (die den Schaufelblattbereich berührt) zur Axialrichtung geneigt. Auf diese Weise steigt der Strömungsquerschnitt über das Schaufelblatt in Strömungsrichtung auf konventionelle Weise.

Geeigneter Weise umfasst die obere Oberfläche des Deckbandbereichs (die dem Schaufelblattbereich gegenüberliegende Oberfläche) eine erste Oberfläche, die zur Axialrichtung geneigt ist, und eine zweite Oberfläche, die im Wesentlichen parallel dazu ist.

Unter diesen Umständen kann sich der Kontaktoberflächenbereich der Seitenoberfläche in der ersten oder in der zweiten Oberfläche befinden, bevorzugt in der ersten Oberfläche.

Die Seitenoberflächen können einen ersten, freien Oberflächenbereich aufweisen, gefolgt von einem zweiten Kontaktoberflächenbereich, gefolgt von einem dritten, freien Oberflächenbereich.

Der Deckbandbereich kann beliebige konventionelle Ausmasse aufweisen.

Die freien Oberflächen sind bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Einsetzachse des Schaufelfusses. Die freien Oberflächenbereiche sind bevorzugt so konfiguriert, dass sie voneinander im Bereich zwischen 0.5 und 5.0 mm, bevorzugt 0.5 bis 2 mm, bevorzugt etwa 1 mm beabstandet sind. Bevorzugt wird der Abstand relativ klein gehalten, um eine Leckage des Arbeitsfluids zu vermeiden. Es muss jedoch ausreichend Abstand vorgesehen werden, um die Montage gemäss der Erfindung zu erlauben.

Die Deckbandbereiche haben geeigneter Weise zwei Seitenoberflächen, die sich in der Form entsprechen.

Bevorzugt ist der Kontaktoberflächenbereich kleiner als der freie Oberflächenbereich, wobei der Kontaktoberflächenbereich bevorzugt 50% oder weniger der Länge im Vergleich zum freien Oberflächenbereich aufweist, bevorzugt 40% oder weniger, besonders bevorzugt 25% weniger, ganz besonders bevorzugt 20% oder weniger. Wenn es zwei oder mehr freie Oberflächenbereiche in einer Seitenoberfläche gibt, wird die Gesamtlänge betrachtet.

Die Kontaktoberflächenbereiche und freien Oberflächenbereiche sind bevorzugt stetig und bilden eine glatte Seitenoberfläche ohne Sprünge.

Die Richtung der Kontaktoberfläche bildet bevorzugt einen Winkel zur Axialrichtung zwischen 25° und 40°, bevorzugt etwa 35°.

Bevorzugt werden die Turbinenschaufeln vorab mit einer Drehung versehen. Das bedeutet, sie werden so eingesetzt, dass, wenn die Turbine komplettiert ist, jeder Deckbandbereich gegenüber dem Schaufelfuss gedreht ist, und ein Zurückdrehen durch die Berührung zwischen benachbarten Kontaktoberflächenbereichen behindert wird. Beispielsweise kann die Turbinenschaufel vorab so gedreht werden, dass, wenn die Turbine läuft und die Schaufeln Zentrifugalkräften ausgesetzt sind, die Vorab-Drehung allen durch Zentrifugalkräfte hervorgerufenen Drehungen widersteht. Kontaktoberflächenbereiche werden entsprechend bevorzugt so angeordnet, dass sie den durch die Vorab-Drehung entstehenden Kräften widerstehen.

Um zu ermöglichen, dass die Turbinenschaufeln besonders einfach installiert werden können, und dass sie so ausgelegt werden können, dass sie den durch die Vorab-Drehung entstehenden Kräften (falls vorhanden) widerstehen, werden die Deckbandkanten bevorzugt so angeordnet, dass es im Verlauf vom freien Oberflächenbereich zum entsprechenden Kontaktoberflächenbereich keine Sprünge gibt. In diesem Fall wird ein Sprung erzeugt, wenn der Winkel zwischen der Axialrichtung und dem freien Oberflächenbereich und der Winkel zwischen der Axialrichtung und dem Kontaktoberflächenbereich auf unterschiedlichen Seiten der Axialrichtung liegen. Das bedeutet, ein Sprung entsteht, wenn es effektiv eine Steigungsumkehr der Seitenoberfläche des Deckbandes gibt. Wie oben beschrieben, ist es wünschenswert, einen Sprung zu vermeiden.

Das erfindungsgemässe Verfahren besteht weiterhin in den Schritten, alle bis auf eine Turbinenschaufel in die Turbinenwelle einzusetzen, wobei die Turbinenschaufeln neben der Position der letzten Turbinenschaufel gespreizt werden, die letzte Turbinenschaufel in die Turbinenwelle zwischen den beiden gespreizten Turbinenschaufeln eingesetzt und die Kraft auf die beiden gespreizten Turbinenschaufeln aufgehoben wird. Zum Spreizen der Turbinenschaufeln kann ein Hebel verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung wird weiterhin anhand eines Beispiels beschrieben, mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen:

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine isometrische Ansicht einer Turbine gemäss der vorliegenden Erfindung, betrachtet von der stromabwärtigen Seite.
2 ist eine isometrische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäss der vorliegenden Erfindung, betrachtet von der stromaufwärtigen Seite.
3 ist eine Skizze einer isometrischen Ansicht von drei Turbinenschaufeln gemäss der vorliegenden Erfindung in der Konfiguration, wie sie in eine Turbinenwelle eingebaut würden.
4 ist eine Skizze einer isometrischen Ansicht einer ersten Einbauphase der letzten Turbinenschaufel in eine Turbinenwelle nach dem in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren.
5 ist eine Skizze einer isometrischen Ansicht der vorletzten Einbauphase der letzten Turbinenschaufel in eine Turbinenwelle nach dem in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren
6 ist eine Skizze einer Draufsicht auf eine Seitenoberfläche des Deckbandes 7 von 1, die den Winkel zwischen dem freien Oberflächenbereich und der Axialrichtung zeigt.
7 ist eine Skizze einer Draufsicht der Seitenoberfläche des Deckbandes 7 von 1, die den Winkel zwischen dem Kontaktoberflächenbereich und der Axialrichtung zeigt.
8 ist eine Skizze einer Querschnittansicht eines Teils einer Turbine, die eine Turbinenschaufel gemäss der vorliegenden Erfindung enthält.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine isometrische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäss der vorliegenden Erfindung, im Allgemeinen als 1 beschriftet, betrachtet von der stromabwärtigen Seite.
Sie umfasst einen Schaufelfuss 2 für das Einsetzen in eine Turbinenwelle. Der Schaufelfuss ist von der Art eines umgekehrten Tannenbaums und für das Einset zen in eine entsprechende Struktur in der Turbinenwelle entlang einer Einsetzachse vorgesehen, die sich in einem Winkel von etwa 13.5° zur Axialrichtung der Turbinenwelle erstreckt.
Die Turbinenschaufel umfasst weiterhin einen Schaufelblattbereich 3 in konventioneller Ausführung sowie einen Deckbandbereich 4, der nachfolgend weiter beschrieben wird.
2 zeigt eine weitere Skizze einer isometrischen Ansicht der Turbinenschaufel 1 aus der stromaufwärtigen Richtung.
3 zeigt eine Skizze einer isometrischen Ansicht von drei Turbinenschaufeln gemäss der vorliegenden Erfindung in der Konfiguration so nebeneinander liegend, wie sie in eine Turbinenwelle eingebaut würden. Die eigentliche Turbinenwelle ist der Deutlichkeit halber nicht gezeigt.
Linie A-A zeigt die Axialrichtung der Turbinenwelle.
Linie B-B zeigt die Einsetzrichtung jeder Turbinenschaufel in die Turbinenwelle. Die Einsetzrichtung bildet in diesem Fall einen Winkel von 13.5° zur Axialrichtung AA.
Jede Turbinenschaufel ist identisch mit den benachbarten Turbinenschaufeln.
Eine Turbinenschaufel 1 wird nachfolgend detailliert beschrieben.
Schaufelfuss 2 und Schaufelblattbereich 3 entsprechen Standardausführungen und werden nicht weiter beschrieben.
Der Deckbandbereich 4 ist definiert durch eine untere Oberfläche 5, die sich in Kontakt mit dem Arbeitsfluid befindet, und die in einem dem Stand der Technik entsprechenden Winkel zu Axialrichtung liegt. Die obere Oberfläche des Deck bandbereichs umfasst eine erste Oberflächenkomponente 6 und eine zweite Oberflächenkomponente 7. Die erste Oberflächekomponente 6 hat Seitenoberflächen, umfassend erste und zweite Kontaktoberflächenbereiche 8, 9, die auf beiden Seiten der Oberflächenkomponente 6 angeordnet sind. Wie in 3 gezeigt, stehen diese Kontaktbereiche 8 und 9 nach Montage in engem Kontakt zu den Kontaktbereichen der benachbarten Turbinenschaufeln.
Die Turbinenschaufel 1 kann mit einer Vorab-Drehung in der durch Pfeil D gezeigten Richtung eingesetzt werden, um beim Betrieb der Turbine einer Zentrifugaldrehung in entgegengesetzter Richtung zu widerstehen. Die Kontaktoberflächen 8 und 9 widerstehen der Kraft der Vorab-Drehung.
Die Oberflächenkomponente 6 umfasst weiterhin freie Oberflächenbereiche 10, 11, die benachbart zu den entsprechenden Kontaktoberflächenbereichen 8 und 9 angeordnet sind, und die nach der Montage parallel zu den freien Oberflächenbereichen 10a und 11a der benachbarten Turbinenschaufeln 1b, 1a liegen, und von diesen einen Abstand von 1 mm aufweisen. Es ist erkennbar, dass die freien Oberflächenbereiche 10, 11 parallel zu der Einsetzachse BB sind und in einem Winkel von etwa 13.5° zur Axialrichtung AA der Turbinenwelle liegen. Die Kontaktoberflächenbereiche 8 und 9 bilden jedoch einen sehr viel grösseren Winkel von etwa 35° zur Axialrichtung AA. Dies ist detaillierter in den 6 und 7 gezeigt.
6 ist eine Skizze einer Draufsicht auf einen Seitenoberflächenbereich des Deckbandes 7. Die Linie A' A' bezeichnet die Axialrichtung der Welle. Die Linie C C bezeichnet eine Projektion des freien Oberflächenbereichs 10 auf eine Ebene, die die Axialrichtung A' A' enthält, senkrecht zu dieser Ebene. Der kleinste Winkel ist mit α beschriftet und beträgt 13.5°. 7 zeigt eine Skizze einer Draufsicht auf denselben Bereich der Seitenoberfläche des Deckbandes 7. In diesem Fall bezeichnet die punktierte Linie A' A' die Axialrichtung, und die Linie DD bezeichnet eine Projektion des Kontaktoberflächenbereichs 8 auf eine Referenzebene, die die Axialrichtung A' A' enthält, aus einer Richtung senkrecht zu dieser Ebene. Der kleinste Winkel ist mit β beschriftet und beträgt 25°. Es soll angemerkt werden, dass der Winkel β auf derselben Seite der Axialrichtung A' A' gebildet wird wie der Winkel α. Dementsprechend hat die Seitenoberfläche des Deckbandes 7 eine glatte Form ohne Sprünge, so dass das Einsetzen während der Montage der Turbine vereinfacht wird.
4 ist eine schematische isometrische Ansicht eines Schritts in der Konstruktion einer Turbine gemäss der vorliegenden Erfindung.
In vorhergehenden Schritten (nicht gezeigt) wurden alle Turbinenschaufeln bis auf die letzte in eine Turbinenwelle (der Deutlichkeit halber hier nicht gezeigt) nebeneinander eingesetzt, wobei eine Lücke mit der Breite einer Turbinenschaufel zwischen den Turbinenschaufeln 1a und 1b freigehalten wird. Der Abstand zwischen den Turbinenschaufeln 1a und 1b ist darauf ausgelegt, dass er genau für die letzte Turbinenschaufel 1 ausreichend ist, wobei aber der Deckbandbereich in bezug auf den Schaufelfussabschnitt 2 leicht gedreht ist. 4 zeigt die Drehung für die bereits eingesetzten Schaufeln im Vergleich zur letzten Schaufel. Beim Einsetzen der Turbinenschaufel 1 wird ein Hebel verwendet, um die Turbinenschaufeln 1a und 1b zu spreizen, so dass die Schaufel 1 eingesetzt werden kann. In der Praxis gibt es eine Grenze dafür, wie weit die Spreizung sicher ausgeführt werden kann. Sobald die Hebelkraft freigegeben wird, nimmt die letzte Schaufel dieselbe Drehung wie die bereits eingesetzten Schaufeln an.
In der vorliegenden Erfindung tritt jedoch kein Blockieren und kein Reibungswiderstand beim Einsetzen des Deckbandbereichs 4 zwischen die freien Oberflächenbereiche 10 und 10a und 11 und 11a auf, weil es den kleinen zusätzlichen Abstand zwischen den freien Oberflächenbereichen gibt. Darüber hinaus tritt aufgrund des relativ grossen Winkels zur Axialrichtung dieser Oberflächenbereiche keine Blockierung zwischen den Kontaktoberflächenbereichen 8 und 9 und den entsprechenden Oberflächen 8a und 9a auf. Dementsprechend kann die Turbinenschaufel 1 reibungslos zwischen Turbinenschaufel 1a und 1b an der in 5 gezeigten Position eingesetzt werden. Nachdem sich die Turbinenschaufeln an der in 5 gezeigten Position befinden, kann der Hebel gelöst werden, so dass sich die Turbinenschaufeln 1, 1a und 1b in eine Konfiguration bewegen, bei der die entsprechenden Kontaktoberflächenbereiche 8a, 8, 9, 9a in festem Kontakt zueinander stehen und die freien Oberflächenbereiche 10, 11 in einem Abstand von etwa 1 mm gespreizt werden.
6 ist eine schematische Ansicht eines Teils einer Turbine gemäss der vorliegenden Erfindung. Es ist nur der Teil der Turbine gezeigt, der axial symmetrisch zu ihrer Achse EE' ist. Die Turbine entspricht der üblichen Bauweise und wird hier nicht detailliert beschrieben. Wie in den 1 und 2 gezeigt wird eine Turbinenschaufel 1 in die Welle 12 der Turbine eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung wurde hier nur anhand eines Beispiels beschrieben. Innerhalb des Erfindungsgedankens, der sich auf alle Äquivalente der oben beschriebenen Funktionsmerkmale erstreckt, können Änderungen vorgenommen werden. Die Erfindung besteht ebenso aus allen Einzelmerkmalen, die hier direkt oder implizit beschrieben oder in den Zeichnungen oder einer beliebigen Kombination beliebiger solcher Funktionsmerkmale oder einer beliebigen Verallgemeinerung beliebiger solcher Funktionsmerkmale oder ihrer Kombination direkt oder implizit gezeigt sind.

Claims

Turbinenschaufel, umfassend: einen Schaufelfuss zum Einsetzen entlang einer Einsetzachse in die Welle einer Turbine, wobei die Turbine eine axiale Richtung aufweist, die Einsetzachse einen Winkel von nicht mehr als 30° zur Axialrichtung der Welle besitzt, und die Turbinenschaufel weiter einen Schaufelblattbereich und einem Deckbandbereich umfasst, wobei jeder Deckbandbereich Seitenoberflächen besitzt, die jeweils einen Kontaktoberflächenbereich und einen freien Oberflächenbereich umfassen, wobei der Kontaktoberflächenbereich nach dem Einbau in die Turbine dazu dient, die benachbarten Kontaktoberflächenbereiche benachbarter Deckbandbereiche zu berühren, und wobei die freien Oberflächenbereiche nach dem Einbau in die Turbine beabstandet von benachbarten freien Oberflächenbereichen angeordnet sind, wobei jeder Kontaktoberflächenbereich in einem Winkel von 20° bis 50° zur Axialrichtung liegt, jeder freie Oberflächenbereich in einem Winkel von nicht mehr als 30° zur Axialrichtung liegt und jeder Kontaktoberflächenbereich in einem grösseren Winkel zur Axialrichtung als der entsprechende freie Oberflächenbereich liegt.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei der Schaufelfuss ein Tannenbaum-Schaufelfuss ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die untere Oberfläche des Deckbandbereichs zur Axialrichtung geneigt ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die obere Oberfläche des Deckbandbereichs eine erste, zur Axialrichtung geneigte Oberfläche und eine zweite, im Wesentlichen parallel zur Axialrichtung ausgebildete Oberfläche aufweist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 4, wobei der Kontaktoberflächenbereich der Seitenoberfläche in der ersten Oberfläche angeordnet ist.
Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seitenoberfläche einen ersten, freien Oberflächenbereich umfasst, gefolgt von einem zweiten Kontaktoberflächenbereich, gefolgt von einem dritten freien Oberflächenbereich.
Turbinenschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kontaktoberflächenbereich 50% oder weniger Länge im Vergleich zum freien Oberflächenbereich aufweist, bevorzugt 40% oder weniger, besonders bevorzugt 25% oder weniger.
Turbine mit einer Turbinenwelle, die eine Axialrichtung definiert, und mit einer Mehrzahl von Turbinenschaufeln nach einem der vorherigen Ansprüche, eingesetzt in die Turbinenwelle.
Turbine mit einer Turbinenwelle, die eine Axialrichtung definiert, und mit einer Mehrzahl von Turbinenschaufeln, die in der Welle befestigt sind, jede Schaufel umfassend: einen Schaufelfuss für das Einsetzen in die Welle entlang einer Einsetzachse, die in einem Winkel von weniger als 30° zur Axialrichtung verläuft, einen Schaufelblattbereich, und einen Deckbandbereich, wobei jeder Deckbandbereich Seitenoberflächen besitzt, die jeweils einen Kontaktoberflächenbereich und einen freien Oberflächenbereich umfassen, wobei die Kontaktoberflächenbereiche benachbarter Deckbandbereiche einander berühren, und die freien Oberflächenbereiche benachbarter Deckbandbereiche beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei jeder Kontaktoberflächenbereich in einem Winkel von 20° bis 50° zur Axialrichtung, und jeder freie Oberflächenbereich in einem Winkel von nicht mehr als 30° zur Axialrichtung verläuft, wobei jede Kontaktoberfläche in einem grösseren Winkel zur Axialrichtung der Welles liegt als der entsprechende freie Oberflächenbereich.
Eine Turbine nach Anspruch 6 oder 7, wobei die freien Oberflächenbereiche benachbarter Turbinenschaufeln mit einem Abstand zwischen 0.5 und 5.0 mm voneinander beabstandet sind.
Eine Turbine nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die Turbinenschaufeln mit einer Vorab-Drehung versehen sind.
Verfahren zur Montage einer Turbine, umfassend die Schritte, Einsetzen einer Mehrzahl von Turbinenschaufeln in eine Turbinenwelle, wobei die Turbinenwelle eine Axialrichtung definiert, wobei die Schaufeln entlang einer Einsetzachse eingesetzt werden, die in einem Winkel von weniger als 30° zur Axialrichtung verläuft, wobei jede Schaufel einen in die Welle eingesetzten Schaufelfuss, einen Schaufelblattbereich und einen Deckbandbereich aufweist, wobei jeder Deckbandbereich Seitenoberflächen besitzt, die jeweils einen Kontaktoberflächenbereich und einen freien Oberflächenbereich aufweisen, wobei die Kontaktoberflächenbereiche nach der Montage in einem Winkel zwischen 20° und 50° zur Axialrichtung liegen, und wobei die freien Oberflächenbereiche nach der Montage in einem Winkel zur Axialrichtung von nicht mehr als 30° liegen, wobei der Kontaktoberflächenbereich in einem Winkel zur Axialrichtung liegt, der grösser als der des entsprechenden freien Oberflächenbereichs ist, wobei benachbarte Turbinenschaufeln so eingesetzt werden, dass sich ihre jeweiligen Kontaktbereiche berühren, und dass ihre jeweiligen freien Oberflächenbereiche beabstandet voneinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend die Schritte, bis auf eine, alle Turbinenschaufeln in die Turbinenwelle einzusetzen, wobei die Turbinenschaufeln neben der Position der letzten Turbinenschaufel gespreizt werden, die letzte Turbinenschaufel zwischen die beiden gespreizten Turbinenschaufeln in die Turbinenwelle eingesetzt und die Kraft auf die beiden gespreizten Turbinenschaufeln aufgehoben wird.