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Die
Erfindung betrifft eine Axialturbine mit einem Laufschaufelkranz,
der von einer Mehrzahl von Laufschaufeln gebildet ist, die jeweils
ein Schaufelblatt aufweisen, und einer Dämpfungseinrichtung, durch die
Schaufelblattschwingungen der Schaufelblätter vermindert sind.
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Eine
Axialturbine ist beispielsweise eine Dampfturbine mit einem Rotor,
der eine Mehrzahl von auf dem Rotor aufgereihten Laufschaufelkränzen aufweist.
Die Laufschaufelkränze
sind jeweils von einer Mehrzahl von Laufschaufeln gebildet, die
jeweils ein Schaufelblatt aufweisen. In Durchströmungsrichtung der Dampfturbine
nimmt allgemein die Länge der
Schaufelblätter
zu, so dass im Hochdruckbereich der Dampfturbine die kürzesten
Laufschaufeln und im Niederdruckbereich der Dampfturbine die längsten Laufschaufeln
angeordnet sind. Die Niederdrucklaufschaufeln sind beim Betrieb
der Dampfturbine mechanisch durch Fliehkräfte und Schwingungsanregung
hoch beanspruchte Bauteile, wobei sie in Abhängigkeit von den jeweils zu
erwartenden Randbedingungen beim Betrieb der Dampfturbine angepasst ausgeführt sind.
Hierbei werden als Maß für die zu
erwartende Schwingungsanregung der Laufschaufeln die Höhe des zu
erwartenden Abdampfdrucks und der Betrieb der Dampfturbine bei konstanter
oder variabler Drehzahl herangezogen. Als Maß für das Beanspruchungsniveau
und als Auswahlkriterium für die
zu wählenden
Laufschaufelwerkstoffe werden die Größe der erforderlichen Abströmfläche und
die vorgesehene maximale Drehzahl des Rotors genommen.
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Herkömmlich finden
bei konstanten Drehzahlen und moderaten Abdampfdrücken freistehende
Niederdrucklaufschaufeln aus Stahl Anwendung. In der Dampfturbine,
die für
den Betrieb mit variabler Drehzahl und/oder erhöhtem Abdampfdruck ausgelegt
ist, wird herkömmlich
eine zusätzliche
Dämpfung der
Schaufel blätter
gegen übermäßige Schwingungsanregung
vorgesehen. Dies wird typischerweise durch eine dämpfend wirkende
Verbindung zwischen den Schaufelblättern eines Laufschaufelkranzes
realisiert. Diese Verbindung sind herkömmlich ein Dämpferdraht,
zwischen den Schaufelblätter
eingelegte Kopplungselemente, integrale Kopplungselemente der Laufschaufeln
(engl.: ”snubber”) oder Deckplatten.
Beim Betrieb der Dampfturbine bei einem hohen Abdampfdruck sind
die Niederdrucklaufschaufeln einer erhöhten Schwingungsbeanspruchung
durch eine verstärkte
Anregung ausgesetzt, der durch das Vorsehen der dämpfend wirkenden Verbindungselementen
entgegengewirkt wird. Ferner kann beim drehzahlvariablen Betrieb
der Dampfturbine eine Anregung in Resonanz oder zumindest in Resonanznähe der Schaufelblätter der
Niederdrucklaufschaufeln auftreten, wobei dieser Anregung mit den dämpfend wirkenden
Verbindungselementen entgegengewirkt wird.
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Ist
der Niederdrucklaufschaufelkranz mit einer hohen Abströmfläche versehen
oder wird die Dampfturbine bei hohen Drehzahlen betrieben, sind insbesondere
die Schaufeln des Niederdrucklaufschaufelkranzes aus Leichtmetallwerkstoffen,
insbesondere Titan, hergestellt. Aufgrund der schlechten Dämpfungseigenschaften
der Leichtmetallwerkstoffe sind die dämpfend wirkenden Verbindungselemente unerlässlich.
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Der
Einsatz der dämpfend
wirkenden Verbindungselemente führt
insbesondere an den Laufschaufeln aus Leichtmetall zu reibungsbedingten Schädigungen,
beispielsweise Scheuern. Abhilfe könnte hier eine Beschichtung
der Kontaktflächen der
Schaufelblätter,
an denen die Dämpfungselemente
anliegen, schaffen. Derartige Beschichtungen können die Dauerhaltbarkeit der
Niederdrucklaufschaufeln beeinträchtigen,
da beispielsweise das Beschichtungsmaterial einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat als das Schaufelmaterial, wodurch in der Laufschaufel beim Betrieb
der Dampfturbine Eigenspannungen auftreten können. Daraus ergibt sich eine
begrenzte Verschleißsicherheit
der Niederdrucklaufschaufeln, wodurch deren Dauer haltbarkeit reduziert
ist. Auch kann der Beschichtungsvorgang Eigenspannungen oder Gefügeänderungen verursachen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es eine Axialturbine mit einem Laufschaufelkranz,
der von einer Mehrzahl von Laufschaufeln gebildet ist, zu schaffen,
bei der die Laufschaufeln effektiv und nur mit geringen Verschleißerscheinungen
beim Betrieb der Axialturbine gedämpft sind.
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Die
erfindungsgemäße Axialturbine
weist einen Laufschaufelkranz, der von einer Mehrzahl von Laufschaufeln
gebildet ist, die jeweils ein Schaufelblatt aufweisen, und eine
Dämpfungseinrichtung
auf, die eine Kopplungseinrichtung und für jedes Schaufelblatt ein an
diesem befestigtes Kontaktelement aufweist, via das das entsprechende
Schaufelblatt an der Kopplungseinrichtung festgelegt ist, so dass
in Umfangsrichtung des Laufschaufelkranzes die Schaufelblätter miteinander
mechanisch durch die Kopplungseinrichtung gekoppelt sind, wodurch Schaufelblattschwingungen
der Schaufelblätter
vermindert sind.
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Somit
ist zwischen der Kopplungseinrichtung und jedem Schaufelblatt jeweils
ein separates Kontaktelement vorgesehen, an dem die Kopplungseinrichtung
angreift. Dadurch, dass das Kontaktelement an dem entsprechenden
Schaufelblatt befestigt ist, können
Kräfte
von der Kopplungseinrichtung auf das entsprechende Schaufelblatt
via das Kontaktelement übertragen
werden. Dabei ist ein Berührungskontakt an
einer Anlagefläche
des Kontaktelements mit der Kopplungseinrichtung ausgebildet, an
der beim Betrieb der Axialturbine eine Relativbewegung zwischen
der Kopplungseinrichtung und dem Kontaktelement auftreten kann,
wodurch die Kopplungseinrichtung bei entsprechender Druckkraft auf
das Kontaktelement an der Anlagefläche des Kontaktelements scheuern
kann. Durch das Vorsehen des Kontaktelements auf dem jeweiligen
Schaufelblatt ist dieses dem Scheuern nicht unmittelbar ausgesetzt,
so dass eine mechanische Beschädigung
hervorgerufen durch das Scheuern an dem Schaufelblatt unterbunden
ist. Ferner können
an dem Schaufelblatt eventuell vorzusehende Maßnahmen, wie zum Beispiel eine
Beschichtung des Schaufelblatts im Bereich der Anlagefläche zur
Verminderung des Verschleißes
hervorgerufen durch das Scheuern entfallen. Somit bleibt der Grundwerkstoff
der Schaufelblätter
vor den reibungsbedingten Schädigungsmechanismen,
wie beispielsweise dem Scheuern, geschützt.
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Das
Kontaktelement ist typischerweise aus einem Werkstoff hergestellt,
der nach seiner Art oder seiner Beschaffenheit ausreichend den reibungsbedingten
Schädigungsmechanismen
standhalten kann. Hierbei kann das Kontaktelement einer entsprechenden
Behandlung oder einer entsprechenden Oberflächenbehandlung unterworfen
worden sein.
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Bevorzugt
ist es, dass an gleicher Stelle jedes Schaufelblatt ein Durchgangsloch
aufweist, in das jeweils als das Kontaktelement ausgebildet eine Kontaktbuchse
eingesetzt ist, durch die als die Kopplungseinrichtung ausgebildet
ein Dämpferdraht
geführt
ist. Hierbei ist ferner bevorzugt, dass an dem Durchgangsloch das
Schaufelblatt als ein Auge ausgebildet ist, das eine Verdickung
des Schaufelblatts aufweist, durch die das Durchgangsloch sich erstreckt.
Dadurch ist das Schaufelblatt in seiner Struktur angepasst an die
Kräfte
ausgebildet, die von dem Dämpferdraht
auf das Schaufelblatt beim Betrieb der Axialturbine übertragen
werden.
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Bevorzugt
ist an der Verdickung die Kontaktbuchse in Längsrichtung des Durchgangslochs
festgelegt. Dadurch ist es vorteilhaft unterbunden, dass die Kontaktbuchse
sich in Längsrichtung
des Dämpferdrahts
bewegen kann.
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Vorzugsweise
weist die Verdickung eine erste Ringfläche und eine zweite Ringfläche auf,
die von dem Schaufelblatt erhaben sich einander abgewandt sowie
senkrecht zur Längsrichtung
des Durchgangslochs angeordnet sind, wobei die Kontaktbuchse an den
Ringflächen
abgestützt
ist, so dass die Kontaktbuchse in Längsrichtung des Durchgangslochs
festgelegt ist.
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Ferner
ist bevorzugt, dass die Kontaktbuchse an ihren stirnseitigen Längsenden
jeweils einen ersten Abstützvorsprung
und einen zweiten Abstützvorsprung
aufweist, wobei der erste Abstützvorsprung
an die erste Ringfläche
und der zweite Abstützvorsprung
an die zweite Ringfläche
anstößt. Dadurch
ist die Kontaktbuchse in Längsrichtung
des Dämpferdrahts
festgelegt und somit stabil in das Auge des Schaufelblatts eingesetzt.
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Es
ist bevorzugt, dass der erste und der zweite Abstützvorsprung
jeweils an einer Stelle der ersten Ringfläche und der zweiten Ringfläche abgestützt sind,
wobei die Stelle von dem Durchgangsloch im Abstand angeordnet ist.
Dadurch ist vorteilhaft die Stelle nicht unmittelbar an dem Durchgangsloch
der Verdickung angeordnet, wobei das Auftreten von Spannungsspitzen
in der Verdickung hervorgerufen durch eine Belastung der Kontaktbuchse
in Längsrichtung
des Dämpferdrahts
im Betrieb der Axialturbine unterbunden ist.
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Vorzugsweise
sind die Abstützvorsprünge und/oder
der zylindrische Abschnitt der Kontaktbuchse geschlitzt ausgeführt. Dadurch
kann vorteilhaft die Montage der Kontaktbuchse analog zu einer Montage
eines Blindniets erfolgen, wobei die Kontaktbuchse in das Durchgangsloch
eingesteckt und so umgeformt wird, dass die Kontaktbuchse an den
Ringflächen
fixiert ist. Bevorzugt ist der Schlitz eng ausgeführt, so
dass in Radialrichtung der Kontaktbuchse keine wesentlichen Bewegungen
zwischen der Kontaktbuchse und dem Schaufelblatt auftreten können. Ferner
ist es ermöglicht,
dass die mit den geschlitzten Abstützvorsprüngen versehene Kontaktbuchse thermischen
Ausdehnungen des Schaufelblatts nachgeben kann.
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Alternativ
ist es bevorzugt, dass an gleicher Stelle jedes Schaufelblatt an
seiner Druckseite eine erste Aussparung und an seiner Saugseite
eine zweite Aussparung aufweist, wobei in die erste Aussparung ein
als das Kontaktelement ausgebildeter, mit einer Aufnahmemulde versehener,
erster Kontaktsockel und in die zweite Aussparung ein als das Kontaktelement
aus gebildeter, mit einer Aufnahmemulde versehener, zweiter Kontaktsockel
eingreift sowie als die Kopplungseinrichtung ausgebildet ein Dämpferstab
mit seinem einen Längsende
in die Aufnahmemulde des ersten Kontaktsockels des einen Schaufelblatts
und mit seinem anderen Längsende
in die Aufnahmemulde des zweiten Kontaktsockels des dem einen Schaufelblatt
benachbarten anderen Schaufelblatts eingreift. Die Aufnahmemulde
kann beispielsweise als eine Einsenkung, eine Hohlkugel oder als
ein Sackloch ausgebildet sein.
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Bevorzugt
ist es, dass zwischen den beiden Aussparungen das Schaufelblatt
als ein Steg ausgebildet ist. Dadurch sind die beiden Kontaktsockel
stabil an dem Schaufelblatt abgestützt, wobei das Schaufelblatt
eine Struktur mit hoher Festigkeit hat.
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Ferner
ist es bevorzugt, dass der Steg eine erste Abstützfläche, an der der erste Kontaktsockel senkrecht
zur Druckseite abgestützt
ist, und eine der ersten Abstützfläche abgewandte,
zweite Abstützfläche aufweist,
an der der zweite Kontaktsockel senkrecht zur Saugseite abgestützt ist.
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Es
ist bevorzugt, dass die Kontaktsockel in den Aussparungen eingelötet, eingeklinkt
und/oder eingeschraubt sind. Dadurch sind die Kontaktsockel mit
den Schaufelblättern
derart verbunden, dass der überwiegende
Anteil der Relativbewegungen direkt an den Kontaktsockeln auftritt.
Somit sind die Abstützflächen allenfalls
minimalen Relativbewegungen ausgesetzt.
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Bevorzugt
ist in den Aussparungen jeweils ein Innengewinde vorgesehen, in
das jeweils der Kontaktsockel eingeschraubt ist. Ferner ist bevorzugt der
Kontaktsockel mit einer Verdrehsicherung ausgestattet. Außerdem ist
es bevorzugt, dass das Innengewinde kerbgerecht gestaltet ist, wobei
beispielsweise die Platzierung des Innengewindes außerhalb der
Zone mit der maximalen Beanspruchung liegt.
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Bevorzugt
ist es außerdem,
dass die Laufschaufeln aus einem Leichtmetall hergestellt sind. Betroffen
sind hierbei insbesondere Niederdruckturbinenlaufschaufeln, Endstufenschaufeln
und den Endstufen vorgeschaltete Schaufelreihen, sogenannte Vorstufen.
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Bevorzugt
ist das Kontaktelement aus einem Stahl hergestellt, wobei bevorzugterweise
der Stahl gehärtet
ist. Dadurch ist das Kontaktelement ausreichend beständig gegen
den von der Kopplungseinrichtung hervorgerufenen reibungsbedingten
Schädigungsmechanismen.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Axialturbine anhand
der beigefügten
schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Ausschnitt des Querschnitts eines Schaufelblatts einer Laufschaufel
einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Axialturbine
und
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2 einen
Ausschnitt des Querschnitts eines Schaufelblatts einer Laufschaufel
einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Axialturbine.
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Eine
in 1 und 2 gezeigte Axialturbine weist
einen Laufschaufelkranz auf mit einer über dem Umfang aneinandergereihten
Laufschaufeln auf, die ein Schaufelgitter bilden. Jede Laufschaufel weist
ein Schaufelblatt 2 auf, das zusammen mit den Schaufelblättern der
anderen Laufschaufeln in dem Laufschaufelkranz 1 beim Betrieb
der Axialturbine aerodynamisch wirksam ist. In den 1 und 2 ist
ein Längsquerschnitt 3 des
Schaufelblatts 2 gezeigt.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
gemäß 1 weist
das Schaufelblatt 2 ein Auge 4 auf. Das Auge 4 ist
gebildet von einer Verdickung 5 des Schaufelblatts 2,
die nach jeder Seite des Schaufelblatts 2 sich erstreckt,
wobei in Umfangsrichtung ein Durchgangsloch 8 durch die
Verdickung 5 sich erstreckt.
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Die
Verdickung 5 ist stirnseitig an beiden Seiten des Schaufelblatts 2 flach
ausgebildet, so dass an jeder Seite des Schaufelblatts 2 an
der Verdickung 5 eine erste Ringfläche 6 und eine zweite
Ringfläche 7,
die der ersten Ringfläche 6 abgewandt
ist, ausgebildet ist, wobei die Ringflächen 6 und 7 im
Wesentlichen senkrecht zu dem Durchgangsloch 8 angeordnet
sind. Das Durchgangsloch 8 befindet sich in etwa in der
Mitte der Verdickung 5, so dass die Ringflächen 6 und 7 rotationssymmetrisch
ausgebildet sind.
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Ferner
weist der Laufschaufelkranz 1 einen Dämpferdraht 9 auf,
der in Umfangsrichtung des Laufschaufelkranzes 1 verläuft und
durch die Durchgangslöcher 8 der
einzelnen Schaufelblätter 2 der Laufschaufeln
des Laufschaufelkranzes 1 sich erstreckt. Ferner weist
der Laufschaufelkranz 1 in jedem Auge 4 jeweils
eine Kontaktbuchse 10 auf, mit der der Dämpferdraht 9 in
dem Durchgangsloch 8 gelagert ist.
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Die
Kontaktbuchse 10 weist einen zylindrischen Abschnitt 11 auf,
der den Dämpferdraht 9 umhüllt und
in dem Durchgangsloch 8 angeordnet ist, so dass der Dämpferdraht 9 nur
einen indirekten Kontakt mit dem Schaufelblatt 2 an der
Innenseite des Durchgangslochs 8 hat. Die Kontaktbuchse 10 weist an
ihrer einen Längsseite
einen ersten Kragen 12 und an ihrer anderen Längsseite
einen zweiten Kragen 13 auf, der dem ersten Kragen 12 abgewandt
ist. Die Krägen 12 und 13 sind
außerhalb
des Auges 4 angeordnet, so dass der erste Kragen 12 von
der ersten Ringfläche 6 und
der zweite Kragen 13 von der zweiten Ringfläche 7 vorsteht.
Am radial außen
liegenden Ende weisen sowohl der erste Kragen 12 als auch
der zweite Kragen 13 einen ersten Abstützvorsprung 14 auf,
der jeweils mit seinem freien Längsende
die entsprechende Ringfläche 6 bzw. 7 berührt. Der
erste Kragen 12 und der zweite Kragen 13 sind in
ihrem Querschnitt halbkreisförmig
ausgeführt,
so dass im Bereich des zylindrischen Abschnitts 11 der Kontaktbuchse 10 sowohl
der erste Kragen 12 als auch der zweite Kragen 13 an
den Ringflächen 6 bzw. 7 vorstehen
und von dem Durchgangsloch 8 aus gesehen radial nach außen sich
erstrecken, wobei der erste Ab stützvorsprung 14 des
ersten Kragens 12 an der ersten Ringfläche 6 und der zweite
Abstützvorsprung 15 des
zweiten Kragens 13 an der zweiten Ringfläche 7 in
Axialrichtung des Durchgangslochs 8 abgestützt ist.
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Der
erste Abstützvorsprung 14 liegt
spielfrei an der ersten Ringfläche 6 an
und der zweite Abstützvorsprung 15 liegt
spielfrei an der zweiten Ringfläche 7 an,
so dass in Axialrichtung des Durchgangslochs 8 die Kontaktbuchse 10 an
der Verdickung 5 des Auges 4 spielfrei festgelegt
ist.
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Die
Wandstärke
der Kontaktbuchse 10 ist an dem zylindrischen Abschnitt 11 derart
gewählt,
dass der Dämpferdraht 9 mit
seinem vorgegebenen Außendurchmesser
in dem zylindrischen Abschnitt 11 eine entsprechende Spielpassung
hat. Ferner ist die Kontaktbuchse 10 an ihrem zylindrischen
Abschnitt 11 und an ihren Krägen 12, 13 mit
einem Längsschlitz ausgeführt, der
bei eventuellem Klemmen des Dämpferdrahts 9 in
der Kontaktbuchse 9 nachgeben kann. Bei Rotation des Laufschaufelkranzes 1 legt sich
der Dämpferdraht 9 durch
Einwirkung der Fliehkraft an die Kontaktbuchse 10 an, so
dass, wenn eine Relativbewegung des Dämpferdrahts 9 und
des Schaufelblatts 2 beim Betrieb der Axialturbine auftritt, diese
nur unter einem Reibungswiderstand vollzogen werden kann.
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Das
in 2 gezeigte Schaufelblatt 2 mit seinem
Längsschnitt 3 weist
ebenfalls ein Auge 4 auf, das von einer Verdickung 5 mit
einer ersten Ringfläche 6 und
einer zweiten Ringfläche 7 gebildet
ist.
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Die
in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich
von der in 1 gezeigten Ausführungsform
darin, dass in dem Durchgangsloch 8 in 1 ein
Steg 24 vorgesehen ist, der den Längsquerschnitt 3 des
Schaufelblatts 2 in dem Auge 4 fortführt, so
dass an dem Schaufelblatt 2 zwei sich einander abgewandte
Aussparungen 16 und 17 ausgebildet sind. Die Aussparungen 16 und 17 sind
als zylindrische Sacklöcher
ausgebildet, wobei in der ersten Aussparung 16 ein erster
Kontakt sockel 18 und in der zweiten Aussparung 17 ein
zweiter Kontaktsockel 19 eingesetzt ist.
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Der
Laufschaufelkranz 1 gemäß 2 weist zwischen
seinen Laufschaufeln Dämpferstäbe auf, mit
denen die einzelnen Laufschaufeln mechanisch gekoppelt sind. Ein
erster Dämpferstab 20 ist
mit seinem als abgerundete Spitze ausgeführten Längsende in eine erste Aufnahmemulde 22 des
ersten Kontaktsockels 18 eingesetzt. Ein zweiter Dämpferstab 21,
der auf der anderen Seite des Schaufelblatts 2 des ersten
Dämpferstabs 20 liegt,
ist mit seinem ebenfalls als abgerundete Spitze ausgeführten Längsende
in eine zweite Aufnahmemulde 23 des zweiten Kontaktsockels 18 eingesetzt.
Die Dämpferstäbe 20, 21 sind über dem
Umfang des Laufschaufelkranzes 1 angeordnet, so dass zwischen
den Schaufelblättern 2 des
Laufschaufelkranzes 1 immer jeweils ein Dämpferstab 20, 21 angeordnet
ist.
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Die
Kontaktsockel 18, 19 sind an ihrer zylindrischen
Außenwandung
mit einem Gewinde 27 versehen, das in ein in der zylindrischen
Innenwandung der Aussparungen 16, 17 versehenes
Gewinde 27 eingreift.
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Die
erste Aussparung 16 ist an ihrem Grund mit einer ersten
Abstützfläche 25 und
die zweite Aussparung 17 an ihrem Grund mit einer zweiten
Abstützfläche 26 ausgebildet,
wobei die Abstützflächen 25, 26 von
dem Steg 24 gebildet sind. Die Kontaktsockel 18 und 19 sind
mit ihren Gewinden 27 derart in die Aussparungen 16, 17 eingeschraubt,
dass die Kontaktsockel 18, 19 an den Abstützflächen 25, 26 abgestützt sind.
Dadurch wird eine Längskraft,
die von den Dämpferstäben 20, 21 auf
die Kontaktsockel 18, 19 in Richtung zu dem Schaufelblatt 2 übertragen wird,
von dem Steg 24 aufgenommen.