DE102008037554A1

DE102008037554A1 - Schwalbenschwanzbefestigung zur Verwendung mit Turbinenanordnungen und Verfahren zur Montage von Turbinenanordnungen

Info

Publication number: DE102008037554A1
Application number: DE102008037554A
Authority: DE
Inventors: Muhammad Riaz; Dimitrios Stathopoulos; Vyacheslav Greenbank Filyaev
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2009-05-20
Also published as: US20090129932A1; RU2008145029A; JP2009121478A; FR2923856A1; US8047796B2

Abstract

Es ist eine Schwalbenschwanzanordnung (600) für eine Turbine (10) geschaffen. Die Schwalbenschwanzanordnung (600) enthält einen Schaufelschwalbenschwanz (400) und einen Radschwalbenschwanzschlitz (500), der bemessen ist, um den Schaufelschwalbenschwanz aufzunehmen, wobei der Schaufelschwalbenschwanz und der Radschwalbenschwanzschlitz jeweils mehrere Stoßflächen (440, 538), mehrere Nichtkontaktflächen (442, 540) und mehrere Hälse enthalten, die durch einen Übergang von einer Stoßfläche zu einer Nichtkontaktfläche definiert sind, wobei jeder Hals einen Schrägwinkel (444, 542) enthält, der eine Verteilung einer im Wesentlichen gleichen Last zwischen dem Schaufelschwalbenschwanz und dem Radschwalbenschwanzschlitz ermöglicht.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Dampfturbinen und insbesondere die Befestigung von Dampfturbinenlaufschaufeln an Dampfturbinenlaufrädern.
Wenigstens einige bekannte Dampfturbinenlaufschaufeln werden hohen Fliehkräften ausgegesetzt. Insbesondere können Laufschaufeln, die in den letzten wenigen Stufen von Niederdrucklaufrädern angeordnet sind, aufgrund der Fliehkräfte, die durch die Rotation der Dampfturbinenlaufräder verursacht sind, mehr beansprucht sein als Laufschaufeln in anderen Stufen. Derartige Belastungen rufen höhere mittlere und lokale Spannungen in den Verbindungsschwalbenschwänzen hervor. Spannungsrisskorrosion (SRK) in den Niederdruck-Laufschaufeln stellt ein ernstes Problem dar und wird zum großen Teil durch lokale Spannungen herbeigeführt. An sich können höhere lokale Spannung zu geringerer Dauerfestigkeit von Laufrad- und Laufschaufelschwalbenschwänzen führen. Mit steigender Nachfrage nach immer längeren Laufschaufeln müssen die Schwalbenschwänze unter höheren Lasten funktionieren.
Bei wenigstens einigen bekannten Niederdruckturbinen kann das Rotorlaufrad eine größere Beschränkung darstellen als die Laufschaufel. Insbesondere ist das Material, das zur Herstellung wenigstens einiger bekannter Laufschaufeln verwendet wird, hinsichtlich der Spannungsrisskorrosion beständiger als das für Laufräder verwendete Material. Es kann ein effektives Mittel zur Vermeidung eines SRK-Defektes in Niederdruck- Laufrädern darstellen, die lokalen Spannungen in dem Laufradschwalbenschwanz zu reduzieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt ist ein Verfahren zur Montage einer Dampfturbine, einschließlich einer Rotoranordnung, geschaffen. Das Verfahren enthält die Bereitstellung wenigstens einer Turbinenlaufschaufel, die einen Schwalbenschwanz enthält, der mehrere Druck- bzw. Stoßflächen, mehrere berührungsfreie bzw. Nichtkontaktflächen und wenigstens einen Hals enthält, der zwischen einer der Stoßflächen und einer der Nichtkontaktflächen definiert ist. Das Verfahren enthält ferner die Bereitstellung eines Turbinenlaufrads, das wenigstens einen in diesem ausgebildeten Schwalbenschwanzschlitz enthält, der durch mehrere Stoßflächen und mehrere Nichtkontaktflächen definiert ist, und eine Kopplung des Schwalbenschwanzes der wenigstens einen Turbinenlaufschaufel in dem Turbinenlaufradschlitz in einer derartigen Weise, dass ein Schrägenwinkel des wenigstens einen Halses eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung der Last zwischen dem Schwalbenschwanz und dem wenigstens einen Schlitz ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Schwalbenschwanzanordnung für eine Turbine geschaffen. Die Schwalbenschwanzanordnung enthält einen Laufschaufelschwalbenschwanz und einen Laufradschwalbenschwanzschlitz, der bemessen ist, um den Schaufelschwalbenschwanz aufzunehmen. Der Schaufelschwalbenschwanz und der Radschwalbenschwanzschlitz enthalten jeweils mehrere Stoß- bzw. Druckflächen, mehrere berührungsfreie Flächen bzw. Nichtkontaktflächen und mehrere Hälse, die durch einen Übergang von einer Stoßfläche zu einer Nichtkontaktfläche definiert sind. Jeder Hals enthält einen Schrägflächenwinkel, der die Verteilung einer im Wesentlichen gleichmäßig verteil ten Last zwischen dem Schaufelschwalbenschwanz und dem Radschwalbenschwanzschlitz ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt enthält eine Dampfturbine eine Rotoranordnung mit mehreren Turbinenlaufschaufeln, die an ein Turbinenlaufrad angekoppelt sind. Jede Turbinenschaufel enthält ein Schaufelblatt und einen Schwalbenschwanz, und jedes Turbinenrad enthält mehrere Schwalbenschwanzschlitze, die bemessen sind, um die mehreren Turbinenschaufelschwalbenschwänze aufzunehmen. Jeder Schaufelschwalbenschwanz und jeder Schwalbenschwanzschlitz enthalten mehrere Druck- bzw. Stoßflächen, mehrere berührungsfreie bzw. Nichtkontaktflächen und mehrere Hälse, die durch einen Übergang von einer Stoßfläche zu einer Nichtkontaktfläche gebildet sind, wobei jeder Hals einen Schrägflächenwinkel enthält, der es ermöglicht, eine im Wesentlichen gleichmäßig verteilte Last zwischen einem Schaufelschwalbenschwanz und einem zugehörigen Radschwalbenschwanzschlitz zu verteilen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften Doppelstrom-Dampfturbinenmaschine;
2 zeigt eine Darstellung einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel, die mit der in 1 veranschaulichten Dampfturbine verwendet werden kann;
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts eines beispielhaften Turbinenlaufrads, das mit der in 2 veranschaulichten Laufschaufel verwendet werden kann;
4 zeigt eine schematisierte Darstellung eines beispielhaften Turbinenschaufelschwalbenschwanzes, der mit der in 2 veranschaulichten Schaufel verwendet werden kann;
5 zeigt eine schematisierte Darstellung eines beispielhaften Turbinenradschwalbenschwanzschlitzes, der mit dem in 3 veranschaulichten Laufrad verwendet werden kann; und
6 zeigt eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften Schwalbenschwanzanordnung, die den in 4 veranschaulichten Schwalbenschwanz und den in 5 veranschaulichten Schwalbenschwanzschlitz enthält.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wenigstens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf ihre Anwendung in Verbindung mit einer Dampfturbinenmaschine und den Betrieb einer Dampfturbine beschrieben. Ferner ist wenigstens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachstehend beschrieben, indem auf eine nominale Größe, einschließlich eines Satzes nominaler Abmessungen, Bezug genommen wird. Jedoch sollte es für einen Fachmann, der Fachkenntnisse in der Technik besitzt und durch die hier angegebene Lehre geleitet ist, offensichtlich sein, dass die Erfindung in gleicher Weise auf jede beliebige geeignete Turbine und/oder Maschine bzw. ein Triebwerk oder dergleichen anwendbar ist. Ferner sollte es für einen Fachmann, der Fachkenntnisse in der Technik besitzt und durch die hier angegebene Lehre geführt ist, offensichtlich sein, dass die Erfindung in gleicher Weise auf verschiedene Maßstäbe der nominalen Größe und/oder nominalen Abmessungen anwendbar ist.
1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften Doppelstrom-Dampfturbine 10. Die Turbine 10 enthält einen ersten und einen zweiten Niederdruck(ND)-Abschnitt 12 und 14. Wie in der Technik bekannt, enthält jeder Turbinenabschnitt 12 und 14 mehrere Stufen von (in 1 nicht veranschaulichten) Leitapparaten. Durch die Abschnitte 12 und 14 erstreckt sich eine Rotorwelle 16 hindurch. Jeder ND-Abschnitt 12 und 14 enthält eine Düse bzw. Leiteinrichtung 18 und 20. Ein einzelner äußerer Mantel oder ein einzelnes äußeres Gehäuse 22 ist entlang einer horizontalen Ebene und in Axialrichtung in einen oberen und einen unteren Teilabschnitt 24 bzw. 26 unterteilt und umspannt beide ND-Abschnitte 12 und 14. Ein zentraler Abschnitt 28 des Mantels 22 enthält einen Niederdruck-Dampfeinlass 30. In dem äußeren Mantel oder Gehäuse 22 sind die ND-Abschnitte 12 und 14 in einer einzigen Lagerauf spannung angeordnet, die durch Achslager 32 und 34 gelagert ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Turbinenabschnitt 12 und 14 erstreckt sich ein Strömungsverteiler 40.
Im Betrieb nimmt der Niederdruck-Dampfeinlass 30 Niederdruck/Mitteltemperatur-Dampf 50 von einer Quelle, wie beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, einer HD-Turbine oder einer MD-Turbine, über eine (nicht veranschaulichte) Querleitung entgegen. Der Dampf 50 wird durch den Einlass 30 geleitet, wobei der Strömungsverteiler 40 den Dampfstrom in zwei entgegengesetzt gerichtete Strömungspfade 52 und 54 aufteilt. Insbesondere wird der Dampf 50 in der beispielhaften Ausführungsform durch die ND-Abschnitte 12 und 14 befördert, in denen dem Dampf Arbeit entzogen wird, um die Rotorwelle 16 zu drehen. Der Dampf verlässt die ND-Abschnitte 12 und 14 und wird beispielsweise zu einem Kondensator geleitet.
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl 1 eine Doppelstrom- bzw. Gegenstrom-Niederdruckturbine veranschaulicht, der Fachmann ohne weiteres erkennen wird, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, nur im Zusammenhang mit Niederdruckturbinen verwendet zu werden, und dass sie auch im Zusammenhang mit einer beliebigen Doppelstromturbine, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich Mitteldruck(MD)-Turbinen und/oder Hochdruck(HD)-Turbinen, eingesetzt werden kann. Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, nur im Zusammenhang mit Doppelstrom- bzw. Gegenstormturbinen eingesetzt zu werden, so dass sie vielmehr auch zum Beispiel mit Einzelstrom-Dampfturbinen genauso verwendet werden kann.
2 veranschaulicht eine beispielhafte Turbinenschaufel 200, die im Zusammenhang mit der (in 1 veranschaulichten) Dampfturbine 10 verwendet werden kann. Die Turbinenschaufel 200 enthält eine Druckseite 202 und eine Saugseite 204, die an einer Vorderkante 206 und einer Hinterkante 208 miteinander verbunden sind. Die Druckseite 202 ist im Wesentlichen konkav, während die Saugseite 204 im Wesentlichen konvex gestaltet ist. Die Turbinenschaufel 200 ist gemeinsam mit einem Schwalbenschwanz 400, einem Schaufelblattabschnitt 210 und einem sich dazwischen erstreckenden Fuß 212 ausgebildet. Der Schaufelblattabschnitt 210 erstreckt sich in radialer Richtung nach außen von dem Fuß 212 aus und nimmt hinsichtlich seiner Länge bis zu einer Spitze 220 der Laufschaufel 200 zu. In der beispielhaften Ausführungsform sind der Schaufelblattabschnitt 210, der Fuß 212 und der Schwalbenschwanz 400 alle in Form einer einzelnen, einstückigen Komponente gefertigt. In einer alternativen Ausführungsform können der Schaufelblattabschnitt 210 und der Fuß 212 aus einem Einzelstück gefertigt sein und anschließend mit dem Schwalbenschwanz 400 gekoppelt werden. In der beispielhaften Ausführungsform wird die Laufschaufel 200 mit der Rotorwelle 140 (wie sie in 1 veranschaulicht ist) über eine Schwalbenschwanzanordnung 600 gekoppelt, die nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben ist und die sich von der Rotorwelle 140 aus radial nach außen erstreckt.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts eines beispielhaften Turbinenlaufrads 300, das im Zusammenhang mit der (in 2 veranschaulichten) Laufschaufel 200 verwendet werden kann. Das Laufrad 300 enthält mehrere längs des Umfangs angeordnete Schwalbenschwanzschlitze 500, die nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben sind. Insbesondere sind die Schlitze 500 in Umfangsrichtung rings um einen radialen Außenumfang des Laufrads 300 im Abstand zueinander angeordnet, und sie sind geformt und bemessen, um in sich einen Befestigungsabschnitt, wie beispielsweise den (in 2 veranschaulichten) Schaufelschwalbenschwanz 400 der Schaufel 200, aufzunehmen. Insbesondere sind die Laufschaufeln 200 in jedem Schwalbenschwanzschlitz 500 durch jeden zugehörigen Schaufelschwalbenschwanz 400 in lösbarer Weise eingekoppelt. An sich sind die Schaufeln 200 mit der (in 1 veranschaulichten) Welle 16 über das Rad 300 betriebsmäßig gekoppelt.
4 zeigt eine schematisierte Ansicht eines Schaufelschwalbenschwanzes 400, der im Zusammenhang mit der (in 2 veranschaulichten) Laufschaufel 200 verwendet werden kann. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Schwalbenschwanz 400 in Bezug auf eine radiale Mittellinie 402 symmetrisch. In modifizierten Ausführungsformen kann die Lage jedes nachstehend beschriebenen Elementes in Bezug auf die Mittellinie 402 verändert sein. Der Schwalbenschwanz 400 enthält mehrere Halsübergangsstücke 404, 406 und 408. Insbesondere enthält der Schwalbenschwanz 400 in der beispielhaften Ausführungsform einen oberen Halsübergangsabschnitt 404, einen mittleren Halsübergangsabschnitt 406 und einen unteren Halsübergangsabschnitt 408. Der mittlere Hals 406 ist mit einem Radius 410 ausgebildet. In ähnlicher Weise ist der untere Hals 408 ebenfalls mit einem Radius 412 geformt. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Radien 410 und 412 identisch, und jeder beträgt zwischen 1,396 Millimeter (mm) und 2,412 mm oder insbesondere etwa 1,904 mm. In alternativen Ausführungsformen kann der Radius jedes Halsstück entweder einzeln oder gemeinsam mit den anderen variieren. Der obere Hals 404 ist mit einem Radius 414 ausgebildet, der in der beispielhaften Ausführungsform zwischen 1,014 Millimeter (mm) und 5,586 mm oder insbesondere etwa 3,300 mm beträgt. Alternative Ausführungsformen können einen anderen Radius für das obere Halsstück benutzen. Die Radien 410, 412 und 414 sind ausgewählt, um eine Reduktion lokaler Spannungskonzentrationen in dem Schwalbenschwanz 400 zu ermöglichen. Der Radius 414 ist ferner optimiert, um einen sanften Übergang zwischen dem Schwalbenschwanz 400 und einer Schaufelschwalbenschwanzplattform 416 zu unterstützen.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Schwalbenschwanz 400 ferner mehrere Hakenübergangsstücke 418, 420 und 422. Insbesondere enthält der Schwalbenschwanz 400 einen oberen Hakenübergangsabschnitt 418, einen mittleren Hakenübergangsabschnitt 420 und einen unteren Hakenübergangsabschnitt 422. Der obere Haken 418 ist mit zwei identischen Radien 424 und einer sich dazwischen erstreckenden ebenen Fläche 426 ausgebildet. Der mittlere Haken 420 ist ebenfalls mit zwei identischen Radien 428 und einer sich dazwischen erstreckenden ebenen Fläche 430 ausgebildet. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Radien 424 und 428 identisch, und jeder beträgt zwischen 0,425 Millimeter (mm) und 1,441 mm oder insbesondere etwa 0,933 mm. In alternativen Ausführungsformen kann der Radius jedes Hakens entweder einzeln oder gemeinsam mit den anderen variieren. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt die Größe der ebenen Flächen 426 und 430 jeweils zwischen 1,000 Millimeter (mm) und 3,952 mm oder insbesondere etwa 1,412 mm. Alternative Ausführungsformen können eine oder mehrere ebene Flächen verwenden, die jeweils eine andere Länge haben.
Der untere Haken 422 ist mit einem zusammengesetzten Radius 432 und einer ebenen Fläche 434 ausgebildet, die die untere Begrenzungsfläche des Schwalbenschwanzes 400 definiert. In der beispielhaften Ausführungsform enthält der zusammengesetzte Radius 432 zwei Radien 436 und 438. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt der Radius 436 zwischen 1,344 Millimeter (mm) und 2,36 mm oder insbesondere etwa 1,852 mm. Der Radius 438 beträgt zwischen 3,617 Millimeter (mm) und 8,189 mm oder insbesondere ungefähr 5,903 mm. Alternative Ausführungsformen können andere Radiusmaße enthalten und/oder können einen unte ren Haken 422 enthalten, der lediglich einen einzelnen Radius beinhaltet. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt die Länge der ebenen Fläche 434 zwischen 2,974 Millimeter (mm) und 8,054 mm oder insbesondere etwa 5,514 mm. Alternative Ausführungsformen können eine ebene Fläche mit einer anderen Länge enthalten.
5 zeigt eine schematisierte Ansicht eines beispielhaften Radschwalbenschwanzschlitzes 500, der in dem Laufrad 300 definiert sein kann. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Schlitz 500 in Bezug auf die Mittellinie 402 symmetrisch und zu dem (in 4 veranschaulichten) Schaufelschwalbenschwanz 400 komplementär gestaltet. In alternativen Ausführungsformen kann die Lage jedes nachstehend beschriebenen Elementes in Bezug auf die Mittellinie 402 verändert sein. Der Schlitz 500 enthält mehrere Halsübergangsstücke 502, 504 und 506. Insbesondere enthält der Schlitz 500 in der beispielhaften Ausführungsform einen oberen Halsübergangsabschnitt 502, einen mittleren Halsübergangsabschnitt 504 und einen unteren Halsübergangsabschnitt 506. Der obere Hals 502 ist mit einem Radius 508 ausgebildet, und der mittlere Hals 504 ist mit einem Radius 510 ausgebildet. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Radien 508 und 510 identisch, und jeder beträgt zwischen 1,690 Millimeter (mm) und 2,706 mm oder insbesondere etwa 2,198 mm. In alternativen Ausführungsformen kann der Radius jedes Halses 502 und/oder 504 variieren. Der untere Hals 506 ist mit einem zusammengesetzten Radius 512 und einer ebenen Fläche 514 ausgebildet, die die Unterseite des Schlitzes 500 definiert. In der beispielhaften Ausführungsform enthält der zusammengesetzte Radius 512 zwei Radien 516 und 518. Insbesondere beträgt der Radius 516 in der beispielhaften Ausführungsform zwischen 1,69 Millimeter (mm) und 2,706 mm oder insbesondere etwa 2,198 mm. Der Radius 518 beträgt zwischen 5,776 Millimeter (mm) und 10,348 mm oder insbesondere etwa 8,062 mm.
Alternative Ausführungsformen können andere Radiusmaße enthalten oder einen unteren Hals 506 enthalten, der lediglich einen einzelnen Radius enthält.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Schlitz 500 ferner mehrere Hakenübergangsstücke 520, 522 und 524. Insbesondere enthält der Schlitz 500 in der beispielhaften Ausführungsform einen oberen Haken 520, einen mittleren Haken 522 und einen unteren Haken 524. Der mittlere Haken 522 ist mit zwei identischen Radien 526 und einer sich dazwischen erstreckenden ebenen Fläche 528 ausgebildet. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt jeder Radius 526 zwischen 1,604 Millimeter (mm) und 2,62 mm oder insbesondere etwa 2,112 mm. Die ebene Fläche 528 beträgt zwischen 0,250 Millimeter (mm) und 3,393 mm oder insbesondere etwa 0,853 mm. Alternative Ausführungsformen können eine oder mehrere ebene Flächen mit einer anderen Länge verwenden. Ferner können alternative Ausführungsformen einen anderen Radius verwenden, oder sie können zwei unterschiedliche Radien verwenden.
Der untere Haken 524 ist mit zwei identischen Radien 530 und einer sich zwischen diesen erstreckenden ebenen Fläche 532 ausgebildet. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt jeder Radius 530 zwischen 0,425 Millimeter (mm) und 1,441 mm oder insbesondere etwa 0,933 mm. Die ebene Fläche 532 beträgt zwischen 0,500 Millimeter (mm) und 3,707 mm oder insbesondere etwa 0,663 mm. Alternative Ausführungsformen können eine oder mehrere ebene Flächen mit einer anderen Länge verwenden. Ferner können alternative Ausführungsformen einen anderen Radius verwenden oder können zwei unterschiedliche Radien verwenden. Der mittlere Haken 522 und der untere Haken 524 sind jeweils derart geformt, dass sie es ermöglichen, ungefähr gleichmäßig Last aufzunehmen. Der obere Haken 520 enthält einen Radius 534, der in der beispielhaften Ausführungsform zwischen 1,255 Millimeter (mm) und 5,827 mm oder insbesondere etwa 3,541 mm beträgt. Alternative Ausführungsformen können einen anderen Radius für den oberen Haken 520 verwenden. Der Radius 534 ist ausgewählt, um einen sanften Übergang zwischen dem Schlitz 500 und einer oberen Radoberfläche 536 zu unterstützen.
In der beispielhaften Ausführungsform, und wie dies in den 4 und 5 veranschaulicht ist, enthalten der Schwalbenschwanz 400 und der Schlitz 500 ferner jeweils mehrere Druck- bzw. Stoßflächen 440 und 538 sowie berührungsfreie bzw. Nichtkontaktflächen 442 und 540. Insbesondere enthält der Schwalbenschwanz 400 in der beispielhaften Ausführungsform mehrere Stoßflächen 440 und mehrere Nichtkontaktflächen 442. Insbesondere ist jede Stoßfläche 440 auf einer axial und in Umfangsrichtung verlaufenden Ebene orientiert und durch einen Übergang definiert, der zwischen einem Hals 404, 406 und/oder 408 und einem jeweiligen Haken 418, 420 und/oder 422 definiert ist. Jede Nichtkontaktfläche 442 ist durch einen Übergang definiert, der zwischen einem Haken 418, 420 und/oder 422 und einem jeweiligen Hals 404, 406 und/oder 408 definiert ist. Der Schlitz 500 ist ebenfalls mit mehreren Stoßflächen 538 und mehreren Nichtkontaktflächen 540 ausgebildet. Insbesondere ist jede Stoßfläche 538 auf einer axial und in Umfangsrichtung ausgerichteten Ebene orientiert und durch einen Übergang definiert, der zwischen einem Haken 520, 522 und/oder 524 und einem Hals 502, 504 und/oder 506 definiert ist. Jede Nichtkontaktfläche 540 ist durch einen Übergang definiert, der zwischen einem Hals 502, 504 und/oder 506 und einem jeweiligen Haken 520, 522 und/oder 524 definiert ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist jede Stoßfläche 440 und 538 derart orientiert, dass ein Übergangswinkel 444 und 542, der zwischen einer Stoßfläche 440 und 538 sowie einer Nichtkontaktfläche 442 und 540 definiert ist, zwischen 50,0° und 90,0° und insbesondere etwa 70,6° beträgt. Ein derartiger Übergangswinkel wird als der Schrägenwinkel bzw. Schrägflächenwinkel bezeichnet. Alternative Ausführungsformen können eine andere Winkelgröße enthalten.
6 zeigt eine schematisierte Ansicht einer beispielhaften Schwalbenschwanzanordnung 600, die mit der Schaufel 200 und dem Rad 300 verwendet werden kann. Insbesondere veranschaulicht 6 die Beziehung zwischen den Stoßflächen 440 und 538 des Schaufelschwalbenschwanzes 400 und des Radschwalbenschwanzschlitzes 500. Außerdem veranschaulicht 6 die Beziehung zwischen den Nichtkontaktflächen 442 und 540 des Schwalbenschwanzes 400 bzw. des Schlitzes 500.
Im Betrieb führt die Rotation des Laufrads 300 dazu, dass in den Laufschaufeln 200 Fliehkräfte erzeugt werden, die anschließend durch die Stoßflächen 440 und 538 zu jeder Schwalbenschwanzanordnung 600 übertragen werden. Derartige Kräfte rufen Spannungen in jeder Schwalbenschwanzanordnung 600 hervor. Es ergibt sich eine konzentrierte Spannungsbelastung, wenn Lastpfade gezwungen sind, ihre Richtung zu ändern. An sich ist bei einer schräg gestellten Stoßfläche, wie beispielweise bei den Stoßflächen 440 und 538, die Richtungsänderung weniger schwerwiegend, so dass an sich die resultierende Spannungskonzentration reduziert ist. Zusätzlich ruft ein Schrägenwinkel, wie beispielsweise der Schrägflächenwinkel 444 und 542, eine Komponente der Kräfte in einer axialen Richtung hervor, die ein Durchbiegen der Laufschaufelplattform 416 verursacht, was eine Spannungskonzentration weiter reduziert. Vorbestimmte Radiuswerte in den Hakenübergangsstücken 418, 420, 422, 520, 522 und/oder 524 und den Halsübergangsstücken 404, 406, 408, 502, 504 und/oder 506 mindern weiter Spannungen, die von den durch das Laufrad 300 erzeugten Fliehkräften hervorgerufen werden, indem die Spannungen gleichmäßiger auf jeden der Haken- und Halsübergänge verteilt werden.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen es, lokale Spannungen in Schaufel- und Radhalsübergangsabschnitten, die durch in den Laufschaufeln hervorgerufene hohe Fliehkräfte verursacht werden, auf ein Minimum zu reduzieren. Ein optimierter Schrägenwinkel und optimierte Übergangsradien ermöglichen eine gleichmäßige Verteilung der Last auf die Schwalbenschwanzanordnung, wodurch sich geringere lokale und mittlere Spannungen sowohl in dem Schaufelschwalbenschwanz als auch in dem Radschwalbenschwanzschlitz ergeben. Eine derartige Reduktion der Spannungskonzentration ermöglicht die Aufnahme höherer Fliehkräfte und ergibt eine verbesserte Leistungsabgabe.
Vorstehend sind beispielhafte Ausführungsformen von Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, die eine Minimierung lokaler Spannungen in einer Schwalbenschwanzanordnung ermöglichen. Die Verfahren und Vorrichtungen sind nicht auf die hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten der Verfahren und Vorrichtungen unabhängig und gesondert von den anderen Komponenten, wie sie hier beschrieben sind, genutzt werden können. Beispielsweise kann die Schwalbenschwanzanordnung, wie sie hier zur Verwendung in einem Kraftwerk beschrieben ist, auch in Kombination mit dem Entwurf anderer industrieller Anlagen oder Bauteile und/oder anderen Überwachungssystemen und -verfahren gefertigt und/oder genutzt werden, und sie ist nicht darauf beschränkt, nur im Zusammenhang mit Energieerzeugungsanlagen allgemein oder im speziellen mit Dampfturbinenmaschinen, wie hier beschrieben, ausgeführt zu werden. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit vielen weiteren Bauteil- oder Anlagengestaltungen und/oder Systemen eingesetzt werden.
Während die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung in dem Rahmen und Schutzumfang der Ansprüche mit Modifikationen ausgeführt werden kann.
Es ist eine Schwalbenschwanzanordnung 600 für eine Turbine 10 geschaffen. Die Schwalbenschwanzanordnung 600 enthält einen Schaufelschwalbenschwanz 400 und einen Radschwalbenschwanzschlitz 500, der bemessen ist, um den Schaufelschwalbenschwanz aufzunehmen, wobei der Schaufelschwalbenschwanz und der Radschwalbenschwanzschlitz jeweils mehrere Stoßflächen 440, 538, mehrere Nichtkontaktflächen 442, 540 und mehrere Hälse enthalten, die durch einen Übergang von einer Stoßfläche zu einer Nichtkontaktfläche definiert sind, wobei jeder Hals einen Schrägenwinkel 444, 542 enthält, der eine Verteilung einer im Wesentlichen gleichen Last zwischen dem Schaufelschwalbenschwanz und dem Radschwalbenschwanzschlitz ermöglicht.

10: Dampfturbine
12: Niederdruckabschnitt
14: ND-Abschnitt
16: Rotorwelle
18: Düse
20: Düse
22: Äußerer Mantel oder äußeres Gehäuse
24: Unterer Teilabschnitt
26: Teilabschnitt
28: Zentraler Abschnitt
30: Niederdruck-Dampfeinlass
32: Achslager
34: Achslager
40: Strömungsverteiler
50: Dampf
52: Strömungspfad
54: Strömungspfad
140: Rotorwelle
200: Turbinenschaufel
202: Druckseite
204: Saugseite
206: Vorderkante
208: Hinterkante
210: Schaufelblattabschnitt
212: Fuß
220: Spitze
300: Turbinenlaufrad
400: Schwalbenschwanz
402: Radiale Mittellinie
404: Halsübergangsstücke bzw. -abschnitte
406: Mittlerer Halsübergang
408: Unterer Halsübergang
410: Radius
412: Radius
414: Radius
416: Schaufelschwalbenschwanzplattform
418: Oberer Hakenübergang
420: Mittlerer Haken
422: Unterer Haken
424: Zwei identische Radien
426: Ebene Fläche
428: Zwei identische Radien
430: Ebene Fläche
432: Zusammengesetzter Radius
434: Ebene Fläche
436: Zwei Radien
438: Radius
440: Stoßfläche, Druckfläche
442: Berührungsfreie Flächen, Nichtkontaktflächen
444: Schrägenwinkel, Schrägflächenwinkel
500: Schwalbenschwanzschlitz
502: Oberer Halsübergang
504: Mittlerer Halsübergang
506: Unterer Hals
508: Radius
510: Radius
512: Zusammengesetzter Radius
514: Ebene Fläche
516: Radius
518: Radius
520: Oberer Haken
522: Mittlerer Haken
524: Unterer Haken
526: Radius
528: Ebene Fläche
530: Radius
532: Ebene Fläche
534: Radius
536: Obere Radfläche
538: Stoßfläche, Druckfläche
540: Berührungsfreie Fläche, Nichtkontaktfläche
542: Schrägflächenwinkel, Schrägenwinkel
600: Schwalbenschwanzanordnung

Claims

Schwalbenschwanzanordnung (600) für eine Turbine (10), wobei die Schwalbenschwanzanordnung einen Schaufelschwalbenschwanz (400) und einen Radschwalbenschwanzschlitz (500) aufweist, der bemessen ist, um den Schaufelschwalbenschwanz aufzunehmen, wobei der Schaufelschwalbenschwanz und der Radschwalbenschwanzschlitz jeweils mehrere Stoßflächen (440, 538), mehrere Nichtkontaktflächen (442, 540) und mehrere Hälse aufweisen, die durch einen Übergang von einer Stoßfläche zu einer Nichtkontaktfläche definiert sind, wobei jeder Hals einen Schrägflächenwinkel (444, 542) aufweist, der die Verteilung einer im Wesentlichen gleichmäßig verteilten Last zwischen dem Schaufelschwalbenschwanz und dem Radschwalbenschwanzschlitz unterstützt.
Schwalbenschwanzanordnung (600) nach Anspruch 1, wobei der Schaufelschwalbenschwanz (400) ferner aufweist: einen oberen Schaufelhaken (418), der wenigstens zwei Radien (436, 438) und wenigstens eine sich dazwischen erstreckende ebene Fläche (430) aufweist; einen mittleren Schaufelhaken (420), der wenigstens zwei Radien (428) und wenigstens eine sich dazwischen erstreckende ebene Fläche (430) aufweist; und einen unteren Haken (422), der einen zusammengesetzten Radius (432) aufweist.
Schwalbenschwanzanordnung (600) nach Anspruch 1, wobei der Schwalbenschwanzschlitz (500) ferner aufweist: einen oberen Radhaken (520), der einen Radius (526) aufweist; einen mittleren Radhaken (522), der wenigstens zwei Radien (520) und wenigstens eine sich dazwischen erstreckende ebene Fläche (528) aufweist; und einen unteren Radhaken (524), der wenigstens zwei Radien (530) und wenigstens eine sich dazwischen erstreckende ebene Fläche (532) aufweist.
Schwalbenschwanzanordnung (600) nach Anspruch 2, wobei jeder Schaufelschwalbenschwanz (400) ferner wenigstens einen Schrägflächenwinkel (444, 542) aufweist, der zwischen einer Stoßfläche (440, 538) der mehreren Stoßflächen und einer Nichtkontaktfläche (442, 540) der mehreren Nichtkontaktflächen definiert ist, wobei der Schrägflächenwinkel ungefähr 70,6° beträgt.
Schwalbenschwanzanordnung (600) nach Anspruch 2, wobei jeder derartige Schwalbenschwanzschlitz (500) ferner einen Schrägflächenwinkel (444, 542) aufweist, der zwischen einer Stoßfläche (440, 538) der mehreren Stoßflächen und einer Nichtkontaktfläche (442, 540) der mehreren Nichtkontaktflächen definiert ist, wobei der Schrägflächenwinkel ungefähr 70,6° beträgt.
Schwalbenschwanzanordnung (600) nach Anspruch 1, wobei jeder Hals im Hinblick auf eine verbesserte Scherfestigkeit optimiert ist.
Dampfturbine (10), die eine Rotoranordnung aufweist, die mehrere Turbinenschaufeln (200) aufweist, die an ein Turbinenrad (300) angekoppelt sind, wobei die mehreren Turbinen schaufeln jeweils ein Schaufelblatt (210) und einen Schwalbenschwanz (400) aufweisen, wobei das Turbinenrad mehrere Schwalbenschwanzschlitze (500) aufweist, die bemessen sind, um die mehreren Turbinenschaufelschwalbenschwänze aufzunehmen, wobei jeder Schaufelschwalbenschwanz und jeder Schwalbenschwanzschlitz mehrere Stoßflächen (440, 538), mehrere Nichtkontaktflächen (442, 540) und mehrere Hälse aufweist, die durch einen Übergang von einer Stoßfläche zu einer Nichtkontaktfläche definiert sind, wobei jeder Hals einen Schrägflächenwinkel (444, 542) aufweist, der eine Verteilung einer im Wesentlichen gleichmäßig verteilten Last zwischen dem Schaufelschwalbenschwanz und dem Radschwalbenschwanzschlitz ermöglicht.
Dampfturbine (10) nach Anspruch 7, wobei jeder Turbinenschaufelschwalbenschwanz (400) ferner aufweist: einen oberen Schaufelhaken (520), der wenigstens zwei Radien (526) und eine sich zwischen diesen erstreckende ebene Fläche (528) aufweist; einen mittleren Schaufelhaken (522), der wenigstens zwei Radien und eine sich zwischen diesen erstreckende ebene Fläche aufweist; und einen unteren Haken (524), der einen zusammengesetzten Radius (512) aufweist.
Dampfturbine (10) nach Anspruch 7, wobei jeder Schwalbenschwanzschlitz ferner aufweist: einen oberen Radhaken (418), der einen Radius (424) aufweist; einen mittleren Radhaken (420), der wenigstens zwei Radien (428) und eine sich zwischen diesen erstreckende ebene Fläche (430) aufweist; und einen unteren Radhaken (422) der wenigstens zwei Radien und eine sich zwischen diesen erstreckende ebene Fläche (434) aufweist.
Dampfturbine (10) nach Anspruch 8, wobei jede Turbinenschaufel (200) ferner wenigstens einen Schrägflächenwinkel (444, 542) aufweist, der zwischen einer Stoßfläche (440, 538) der mehreren Stoßflächen und einer Nichtkontaktfläche (442, 540) der mehreren Nichtkontaktflächen definiert ist, wobei der Schrägflächenwinkel ungefähr 70,6° beträgt.