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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinenschaufelblatt einer Turbinenschaufel
für eine
Turbine, aufweisend ein Schaufelauge zur Hindurchführung eines
Dämpferdrahtes.
Ferner betrifft die Erfindung eine Turbinenschaufel für eine Turbine,
aufweisend mehrere um die Drehachse der Turbinenschaufel angeordnete
Turbinenschaufelblätter,
sowie eine Turbine, aufweisend wenigstens eine Turbinenschaufel.
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Zur
Dämpfung
und Versteifung von Turbinenstufen bzw. -schaufeln in Turbinen,
insbesondere Turboladern, Gas- oder Dampfturbinen, werden außer Deckplatten,
die an den freien Enden der Turbinenschaufelblätter angeordnet sind, häufig Dämpferdrähte eingesetzt.
Dabei sind alle Turbinenschaufelblätter einer Turbinenstufe bzw.
-schaufel mit Schaufelaugen versehen, in die ein ringförmiger Dämpferdraht
mit kreisförmigen
oder elliptischen Querschnitt eingefädelt wird. Im Betrieb der Turbine
wird der Dämpferdraht
durch die Fliehkraft an die Wandungen der Schaufelaugen gepresst.
Bei Schaufelschwingungen kommt es an den Kontaktstellen zwischen den
Wandungen der Schaufelaugen und des Dämpferdrahtes zur Energiedissipation
durch Reibung und damit zur Schwingungsdämpfung.
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In
der 1 ist ein Ausschnitt einer bekannten Turbinenstufe
bzw. einer Turbinenschaufel 2, aufweisend eine Vielzahl
von Turbinenschaufelblättern 1,
dargestellt. Die Turbinenschaufelblätter 1 sind in gleichen
Abständen
nebeneinander an der Radscheibe der 5 Turbinenstufe bzw. der Turbinenschaufel 2 angeordnet.
Die Turbinenschaufelblätter 1 sind identisch
ausgebildet. Jedes Turbinenschaufelblatt 1 weist ein Schaufelauge 10 auf,
siehe 2, durch die ein Dämpferdraht 3 hindurchgeführt ist,
so dass die Turbinenschaufelblätter 1 über den
Dämpferdraht 3 miteinander
verbunden sind. Ein bekannter Dämpferdraht 3 ist
in 3 abgebildet. In dieser Ausführungsform weist der Dämpferdraht 3 einen
kreisrunden Querschnitt auf.
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4 zeigt
schematisch, wie der Dämpferdraht 3 durch
das Schaufelauge 10 eines Turbinenschaufelblattes 1 geführt ist.
Durch die Fliehkraft wird der Dämpferdraht 3 bei
einer Drehung der Turbinenschaufelblätter 1 an die zur
Drehachse 4 der Turbinenstufe bzw. der Turbinenschaufel 2 zugewandte Seite 16 der
Wandung 11 des Schaufelauges 10 gepresst. Bekannt
ist, dass das Schaufelauge 10 als zylindrische Bohrung
ausgebildet ist. Durch die Fliehkraft, die auf den Dämpferdraht 3 bei
einer Drehung der Turbinenschaufel 2 wirkt, kommt es an
einem Punkt P zu einem elliptischen Kontakt mit den Hauptachsen
a und b zwischen dem Dämpferdraht 3 und einem
Bereich der Wandung 11 des Schaufelauges 10, siehe 5 und 6.
D. h., durch die Geometrie des zylindrischen Schaufelauges 10 prägt sich zwischen
dem Dämpferdraht 3 und
dem Schaufelauge 10 eine elliptische Kontaktfläche 15 aus.
Die Größe der Hauptachsen
a und b der elliptischen Kontaktfläche 15, siehe 6,
kann anhand der Hertz'schen Formeln
bestimmt werden.
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Oft
kommt es vor, dass es im Betrieb einer Turbine zu einer unerwünschten
Anregung einer Turbinenstufe bzw. Turbinenschaufel kommt. Nachteilig bei
den bekannten Turbinenstufen bzw. Turbinenschaufeln ist, dass der
durch die zylindrischen Bohrungen der Turbinenschaufelblätter geführte Dämpferdraht
bei der Drehung der Turbinenschaufel und damit der Turbinenschaufelblätter, die
Turbinenschaufelblätter
nicht ausreichend steif miteinander koppelt, so dass die Eigenfrequenzen
der Turbinenschaufelblätter
zu unerwünschten
Schwingungen der Turbinenschaufelblätter bzw. der Turbinenschaufel führten können. Wird
eine kritische Eigenfrequenz der Turbinenschaufelblätter im
Betrieb der Turbine angeregt, kann es zu Problemen an der Turbinenstufe
bzw. der Turbinenschaufel kommen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher Turbinenschaufelblätter, eine Turbinenschaufel
und eine Turbine zu schaffen, die es ermöglichen, dass die Turbinenschaufelblätter im
Betrieb der Turbine steifer miteinander gekoppelt sind, und zu vermeiden,
dass die kritische Eigenfrequenz der Turbinenschaufelblätter im
Betrieb der Turbine nicht angeregt wird. Insbesondere sollen die
Eigenfrequenzen der Turbinenschaufelblätter derart verlagert werden,
dass kritische Eigenfrequenzen beim Betrieb der nicht erreicht werden.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
ein Turbinenschaufelblatt mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, durch eine
Turbinenschaufel mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8 sowie
durch eine Turbine mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 9 gelöst. Weitere
Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der
Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Turbinenschaufelblatt beschrieben
sind, selbstverständlich
auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel sowie
der erfindungsgemäßen Turbine,
und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den
einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen
wird.
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Gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Turbinenschaufelblatt
einer Turbinenschaufel für
eine Turbine, aufweisend ein Schaufelauge zur Hindurchführung eines
Dämpferdrahtes,
bei der an der zur Drehachse der Turbinenschaufel zugewandten Seite
der Wandung des Schaufelauges wenigstens zwei nebeneinander angeordnete
Vorsprünge
zur Anlage des Dämpferdrahtes
vorgesehen sind, wobei die wenigstens zwei Vorsprünge zur
Längsachse
des Schaufelauges gerichtet sind, gelöst.
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Kern
der Erfindung ist, dass an der Wandung des Schaufelauges wenigstens
zwei Vorsprünge
zur Anlage des Dämpferdrahtes
vorgesehen sind. Die wenigstens beiden Vorsprünge dienen zur Vermeidung der
Anregung der kritischen Eigenfrequenz der Turbinenschaufelblätter. Die
Vorsprünge
koppeln den Dämpferdraht
und die Turbinenschaufelblätter
in einer vorbestimmten Art und Weise miteinander, so dass sich wenigstens
zwei Kontaktflächen
zwischen dem Dämpferdraht
und den Vorsprüngen
an der Wandung des Schaufelauges des Turbinenschaufelblattes ausprägen. Dabei
sind die Vorsprünge
an der zur Drehachse der Turbinenschaufel zugewandten Seite der
Wandung des Schaufelauges angeordnet, so dass sich der Dämpferdraht
aufgrund der Fliehkraft bei einer Drehung der Turbinenschaufelblätter an
die Vorsprünge
anlegen kann. Die Vorsprünge sind
dabei in einem bestimmbaren Abstand nebeneinander angeordnet und
die freien Enden der Vorsprünge
sind zur Längsachse
bzw. zur Mittelachse des Schaufelauges gerichtet.
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Ein
Schaufelauge im Sinne der Erfindung ist eine Durchführung bzw.
ein Loch zum Durchführen des
Dämpferdrahtes
durch das Turbinenschaufelblatt. D. h., die Durchführung ist
so in dem Turbinenschaufelblatt angeordnet, dass sie von einer Seite zur
anderen Seite des Turbinenschaufelblattes verläuft. In einer einfachen Ausführungsform
des Schaufelauges ist die Durchführung
als eine zylindrische Bohrung ausgebildet. Das Schaufelauge bzw.
die Durchführung
kann aber auch eine leicht gebogene Form aufweisen. An der zur Drehachse
der Turbinenschaufel zugewandten Seite der Wandung des Schaufelauges
sind die wenigstens zwei Vorsprünge angeordnet.
Gemäß der Erfindung
ist die zur Drehachse der Turbinenschaufel zugewandte Seite der Wandung
des Schaufelauges weiter entfernt als die zur Drehachse der Turbinenschaufel
abgewandte Seite der Wandung des Schaufelauges. D. h., der Bereich
der Wandung des Schaufelauges, an dem die Vorsprünge sitzen, ist der Bereich
der Wandung der näher
an dem freien Ende des Turbinenschaufelblattes liegt. Bei der Drehung
des Turbinenschaufelblattes legt sich der Dämpferdraht aufgrund der Fliehkraft an
die wenigstens zwei Vorsprünge
an. Dabei bilden sich vorteilhafterweise elliptische Anlageflächen zwischen
dem Dämpferdraht
und jedem Vorsprung. Durch diese sogenannte Zweipunktkopplung, d.
h. zwei Kontaktflächen,
werden das Turbinenschaufelblatt und damit die Turbinenschaufel
steifer gekoppelt und ihre Eigenfrequenzen steigen. Durch dieses Verlagern
bzw. Erhöhen
der Eigenfrequenzen wird sichergestellt, dass die kritische Eigenfrequenz
der Turbinenschaufelblätter
im Betrieb der Turbine nicht bzw. nur sehr schwer angeregt wird.
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Durch
die wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Vorsprünge innerhalb
des Schaufelauges kann eine Versteifung des Schwingungssystems Turbinenschaufel-Dämpfungsdraht
erreicht bzw. eine gezielte Einstellung von Steifigkeiten und damit
Eigenfrequenzen durchgeführt
werden. Ferner bewirken die wenigstens zwei nebeneinander angeordneten
Vorsprünge
innerhalb des Schaufelauges eine größere Energiedissipation und
damit eine verbesserte Dämpfungsperformance
sowie die Möglichkeit einer
kontrollierten Einstellung der erforderlichen Dämpfung. Beide Vorteile prägen sich
bei den Schaufelschwingungen, insbesondere in Bezug auf die Torsionsanteile
der Eigenformen, aus. Grundsätzlich
kann damit insbesondere die Auslegung von resonanzfesten Beschaufelungen
für einen
drehzahlvariablen Betrieb verbessert werden und die Gefahr von Schaufelschäden durch
Schwingungsbrüche deutlich
reduziert werden.
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Je
nach der Form und der Größe der Vorsprünge kann
die Kontaktkraft, die zwischen dem Dämpferdraht und einem Vorsprung
wirkt, verändert werden.
So kann durch die Ausgestaltung der Form und der Größe eines
jeden Vorsprunges für
jedes beliebige Turbinenschaufelblatt eine Verlagerung der kritischen
Eigenfrequenz erreicht werden. Die Vorsprünge sind dabei nicht spitz,
sondern eher rund bzw. gewölbt
zulaufend. Dies gewährleistet,
dass die Vorsprünge
eine genügend
große
Kontaktfläche
zur Anlage des Dämpferdrahtes
bilden. Außerdem schneiden
die Vorsprünge
dadurch nicht in den Dämpferdraht
ein, so dass diese einreißt
bzw. zerstört
wird. Bevorzug weisen die Vorsprünge
eine konvexe Form auf.
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Eine
Turbinenschaufel in Sinne der Erfindung ist nicht ein einziges Schaufelblatt,
sondern ein geschlossener Kranz von nebeneinander angeordneten Schaufelblättern. D.
h., eine Turbinenschaufel weist eine Vielzahl nebeneinander angeordneter
Turbinenschaufelblätter
auf. Die Turbinenschaufelblätter sind
in der Regel an einer Radscheibe, die an dem Rotor der Turbi ne sitzt,
befestigt. Der Abstand zweier benachbarter Turbinenschaufelblätter ist
in der Regel immer gleich.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Turbinenschaufelblattes ist vorgesehen, dass die wenigstens
zwei Vorsprünge
länglich
ausgebildet sind und die Längsachsen
der wenigstens zwei Vorsprünge
jeweils in einer Ebene verlaufen, die senkrecht bzw. annähernd senkrecht
zur Längsachse
des Schaufelauges verlaufen. Hierdurch verlaufen die länglich ausgebildeten
Vorsprünge,
die auch als Wülste
bezeichnet werden können,
senkrecht bzw. annähernd
senkrecht zu dem durch das Schaufelauge durchgeführten Dämpferdraht. Dabei können die Vorsprünge radial
umlaufend ausgebildet sein. Bevorzugt ist aber, dass die Vorsprünge an der
der Drehachse der Turbinenschaufel zugewandten Seite der Wandung
des Schaufelauges angeordnet sind, da bei der Drehung der Turbinenschaufel
der Dämpferdraht
aufgrund der Fliehkraft gegen diesen Bereich gepresst werden. Der
Dämpferdraht
wird durch die wenigstens zwei Vorsprünge zumindest an diesen zwei
Stellen kontaktiert, so dass eine bessere und gerichtete Verbindung
zwischen dem Dämpferdraht
und dem Turbinenschaufelblatt entsteht. Diese gerichtete Kontaktierung
ermöglicht,
dass es an den Kontaktflächen
zur einer erhöhten
Energiedissipation durch Reibung kommt und damit die Schwingungsdämpfung verbessert
wird. D. h. durch die mehrfache Kontaktierung des Dämpferdrahtes
innerhalb eines Schaufelauges eines Turbinenschaufelblattes werden
das Turbinenschaufelblatt und damit die gesamte Turbinenschaufel
steifer mit dem Dämpferdraht gekoppelt.
Hierdurch wird ermöglicht,
dass die kritischen Eigenfrequenzen der Turbinenschaufelblätter später angeregt
werden, als bei der bekannten Einzelpunktkontaktierung.
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Bevorzugt
ist, wie bereits erwähnt,
ein Turbinenschaufelblatt, bei dem die zumindest zwei Vorsprünge radial
zur Längsachse
des Schaufelauges verlaufen. Dies gewährleistet eine gute und sichere Kontaktierung
zwischen dem Dämpferdraht
und den Vorsprüngen.
Im Gegensatz zu einem hügelförmig ausgebildeten
Vorsprung verhindert ein radial zur Längsachse des Schaufelauges
verlaufender Vorsprung ein mögliches
Abrutschen des Dämpferdrahtes.
Dies kann dann der Fall sein, wenn der Durchmesser des Schaufelauges
zu groß für den Dämpferdraht
ist bzw. wenn der Dämpferdraht
zu klein für
den Durchmesser des Schaufelauges ausgebildet ist.
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Besonders
bevorzugt ist ein Turbinenschaufelblatt, bei dem die zumindest zwei
Vorsprünge
unterschiedlich ausgeprägt
sind. D. h., die Form oder die Größe der Vorsprünge können unterschiedlich ausgeprägt sein.
So kann beispielsweise der Radius der Wölbung der Vorsprünge unterschiedlich
ausgeprägt
sein. Ferner kann ein Vorsprung höher als der andere Vorsprung
ausgebildet sein.
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So
ist beispielsweise eine Turbinenschaufelblatt bevorzugt, bei dem
der Abstand des hervorstehenden freien Endes eines ersten Vorsprungs
zu der Längsachse
des Schaufelauges größer ist,
als der Abstand des hervorstehenden freien Endes des wenigstens
einen zweiten Vorsprunges. Hierdurch kann erreicht werden, dass
an den wenigstens zwei Kontaktflächen
unterschiedliche Kräfte
auf den Dämpferdraht
wirken. D. h., der Kopplungsgrad zwischen dem Dämpferdraht und den Turbinenschaufelblättern kann
auf einen beliebigen Zustand zwischen den Koppeleigenschaften eines
Einzelpunkt- und eines Zweipunktkontaktes bzw. eines Mehrpunktkontaktes justiert
werden. Durch ein radiales Verschieben eines der Vorsprünge um einen
bestimmten Abstand zur Längsachse
des Schaufelauges wird erreicht, das sich beim Aufbau der Fliehkraft
an beiden Vorsprüngen
unterschiedliche Kontaktkräfte
einstellen. Auf diese Weise können
verschiedenen Schwingungsdämpfungen
eingestellt werden und Resonanzfrequenzen nach Bedarf angepasst
werden. Beispielsweise erfährt
beim Aufbringen der Fliehkraft der radial außen sitzende Vorsprung eine
geringe Kontaktkraft als der radial innen sitzende und die Steifigkeit des
Systems Turbinenschaufelblatt-Dämpferdraht wird
verringert. Der unterschiedliche Abstand zu der Längsachse
des Schaufelauges kann dadurch erreicht werden, dass die Vorsprünge unterschiedlich ausgebildet
sind. So kann ein Vorsprung eine ge ringe Höhe aufweisen, als der andere
Vorsprung. Andererseits können
die Vorsprünge
gleich ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Wandung bereichsweise
weiter entfernt von der Längsachse
des Schaufelauges. D. h., das Schaufelauge kann beispielsweise bereichsweise
unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Hierdurch kann ein Vorsprung
gegenüber
einem anderen Vorsprung nach hinten oder nach vorne versetzt angeordnet
sein.
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Wie
bereits erwähnt
können
die Form und die Größe eines
jeden Vorsprungs unterschiedlich ausgebildet sein. Bevorzugt ist
jedoch ein Turbinenschaufelblatt, bei dem die wenigstens zwei Vorsprünge gewölbt ausgebildet
sind. Durch eine derartige Ausgestaltung der Vorsprünge wird
erreicht, dass sich eine ausreichend große Kontaktfläche zwischen dem
freien Ende eines Vorsprunges und dem Dämpferdraht bildet. Die der
Drehachse der Turbinenschaufel bzw. dem Turbinenschaufelfuß zugewandte Seite
der Wandung des Schaufelauges kann beispielsweise gewölbt ausgebildet
sein, so dass sich an einigen Bereichen hervorstehende Vorsprünge bilden.
Hierdurch wird erreicht, dass sich der Dämpferdraht an den Vorsprüngen gezielt
anlegt, was dazu führt,
dass die Schwingungen eines jeden Turbinenschaufelblattes besser
gedämpft
werden können,
als wenn sich der Dämpferdraht
nur einer Stelle an die Wandung des Schaufelauges anlegt.
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Ferner
ist ein Turbinenschaufelrad bevorzugt, bei dem die wenigstens zwei
Vorsprünge
zur Bildung einer elliptischen Kontaktfläche mit dem Dämpferdraht
ausgebildet sind.
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Gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Turbinenschaufel
für eine
Turbine, aufweisend mehrere um die Drehachse der Turbinenschaufel
angeordnete Turbinenschaufelblätter,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass die gemäß des ersten Aspektes der Erfindung
ausgebildet sind, gelöst.
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Eine
derartig ausgebildete Turbinenschaufel ermöglicht, dass die Turbinenschaufelblätter bei
einer Drehung der Turbinen schaufel, d. h. im Betrieb der Turbine,
steifer miteinander gekoppelt sind. Durch eine derartige Turbinenschaufel
wird verhindert, dass die kritischen Eigenfrequenzen der Turbinenschaufelblätter im
Betrieb der Turbine angeregt werden. Durch die spezielle Ausgestaltung
der Turbinenschaufelblätter
der Turbinenschaufel, kann die Schwingung der Turbinenschaufel bei
einer Drehung derselben besser gedämpft werden, da der Dämpferdraht
effektiver und zielgerichteter mit den Turbinenschaufelblättern der
Turbinenschaufel verbunden werden kann. Durch die wenigstens zwei
Vorsprünge innerhalb
des Schaufelauges eines jeden Turbinenschaufelblattes kann die Eigenfrequenz
der Turbinenschaufelblätter
der Turbinenschaufel derart verlagert werden, dass kritische Eigenfrequenzen
beim Betrieb der Turbine nicht erreicht werden.
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Gemäß des dritten
Aspektes der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Turbine, aufweisend
wenigstens eine Turbinenschaufel, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass sie gemäß des zweiten
Aspektes der Erfindung ausgebildet ist, gelöst. Durch die verbesserte Schwingungsdämpfung der
einzelnen Turbinenschaufelblätter
und damit der Turbinenschaufel aufgrund der wenigstens zwei Vorsprünge an der Wandung
des Schaufelauges wird erreicht, dass der Rotor die Turbine gleichmäßiger läuft.
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Durch
die wenigstens zwei Vorsprünge
an der Innenwandung der Schaufelaugen der Turbinenschaufelblätter und
durch den durch die Schaufelaugen der Turbinenschaufelblätter durchgeführten Dämpferdraht
kann bei dem Betrieb der Turbine, an dessen Rotor eine Turbinenschaufel
mit den Turbinenschaufelblättern
angeordnet ist, die Schwingung eines jeden Turbinenschaufelblattes
reduziert werden. Als Folge dessen kann die Schwingung der gesamten
Turbinenschaufel und dadurch die der Turbine gedämpft werden. Die Vorsprünge verhindern
im Zusammenspiel mit dem Dämpferdraht,
dass die kritischen Eigenfrequenzen der Turbinenschaufelblätter bzw.
die kritische Eigenfrequenz der Turbinenschaufel angeregt werden.
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Bevorzugt
ist die Turbine eine Dampfturbine, eine Gasturbine oder ein Turbolader.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Ausschnitt eines Rotors einer Turbine, an dem eine Turbinenschaufel
mit bekannten Turbinenschaufelblättern
angeordnet ist, wobei die Turbinenschaufelblätter durch einen Dämpferdraht
miteinander verbunden sind;
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2 ein
bekanntes Schaufelauge eines Turbinenschaufelblattes;
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3 einen
Abschnitt eines Dämpferdrahtes;
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4 einen
Längsschnitt
durch einen Abschnitt eines bekannten Turbinenschaufelblattes mit einem
zylinderförmig
ausgebildeten Schaufelauge und einem anliegenden Dämpferdraht;
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5 eine
perspektivische Ansicht auf einen Dämpferdraht, der an der Wandung
des Schaufelauges eines Turbinenschaufelblattes anliegt;
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6 die
Kontaktfläche
zwischen einem Dämpferdraht
und der Wandung eines bekannten Schaufelauges eines Turbinenschaufelblattes;
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7 einen
Längsschnitt
durch einen Abschnitt eines Turbinenschaufelblattes mit einem Schaufelauge
mit zwei Vorsprüngen
und einem anliegenden Dämpferdraht;
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8 eine
perspektivische Ansicht auf einen Dämpferdraht, der an zwei Vorsprüngen des
Schaufelauges eines Turbinenschaufelblattes anliegt;
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9 die
zwei Kontaktflächen
zwischen einem Dämpferdraht
und den Vorsprüngen
an der Wandung eines Schaufelauges eines Turbinenschaufelblattes;
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Diagramm
1 ein bezüglich
der Frequenz f0 der Schirmschwingung normiertes
Dispersions- oder Knotendurchmesserdiagramm einer Dampfturbinenstufe
mit Dämpferdraht
für einen
Einzelpunktkontakt und einen Zweipunktkontakt;
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10 einen
Längsschnitt
durch einen Abschnitt eines Turbinenschaufelblattes mit einem Schaufelauge
mit zwei Vorsprüngen,
die versetzt zueinander angeordnet sind, und einem anliegenden Dämpferdraht;
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11 einen
Längsschnitt
durch einen Abschnitt eines Turbinenschaufelblattes mit einem Schaufelauge
mit zwei Vorsprüngen,
die versetzt zueinander angeordnet sind, und einem anliegenden Dämpferdraht;
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12 eine
Schnittansicht durch ein bekanntes Turbinenschaufelblatt mit Darstellung
der Kontaktfläche
zwischen einem Dämpferdraht
und der Wandung des Schaufelauges des Turbinenschaufelblattes;
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13 eine
Schnittansicht durch ein Turbinenschaufelblatt mit Darstellung von
zwei Kontaktflächen
zwischen einem Dämpferdraht
und der Wandung des Schaufelauges des Turbinenschaufelblattes.
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Die 1 bis 6 zeigen
bekannte Ausgestaltungen einer Turbinenschaufel 2, eines
Schaufelauges 10 eines Turbinenschaufelblattes 1 einer
Turbinenschaufel 2 sowie eines Dämpferdrahtes 3. Hierzu
sind in der Beschreibungseinleitung detaillierter Angaben getätigt worden.
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In
der 7 ist ein Längsschnitt
durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Turbinenschaufelblattes 1 mit
einem Schaufelauge 10 mit zwei Vorsprüngen 12, 22 und
einem anliegenden Dämpferdraht 3 gezeigt.
Die zwei Vorsprünge 12, 22 dienen zur
Vermeidung der Anregung der kritischen Eigenfrequenz des Turbinenschaufelblattes 1.
Die Vorsprünge 12, 22 sind
an der zur Drehachse 4 der Turbinenschaufel 2 zugewandten
Seite 16 der Wandung 11 des Schaufelauges 10 angeordnet,
so dass sich der Dämpferdraht 3 aufgrund
der Fliehkraft bei einer Drehung der Turbinenschaufelblätter 1 an
die Vorsprünge 12, 22 anlegt.
D. h., die Vorsprünge 12, 22 koppeln
den Dämpferdraht 3 und
die Turbinenschaufelblätter 1 derart
miteinander, dass sich vorteilhafterweise zwei ellipsenförmige Kontaktflächen 15, 25 zwischen
dem Dämpferdraht 3 und
den Vorsprüngen 12, 22 an
der Wandung 16 des Schaufelauges 10 des Turbinenschaufelblattes 1 ausprägen, wie
in 9 dargestellt. Die Vorsprünge 12, 25 sind
dabei in einem bestimmbaren Abstand d nebeneinander angeordnet und
die freien Enden 14, 24 der Vorsprünge 12, 22 sind
zur Längsachse 13 bzw.
zur Mittelachse des Schaufelauges 10 gerichtet.
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Das
Schaufelauge 10 bildet eine Durchführung für den Dämpferdraht 3. Dabei
ist das Schaufelauge 10 nicht als zylinderförmige Bohrung
ausgebildet, da der obere Bereich 16 der Wandung 11 durch die
Vorsprünge 12, 22 wellenförmig ausgebildet
ist. Dies wird insbesondere in 8 nochmals
verdeutlicht. Der Dämpferdraht 3 liegt
an den die Vorsprünge 12, 22 des
Schaufelauges 10 an. Die Seite 16 der Wandung 11 des
Schaufelauges 10, an dem die Vorsprünge 12, 22 sitzen,
ist der Bereich der Wandung 11 der weiter entfernt zu der
Drehachse 4 der Turbinenschaufel 2 liegt. Durch
diese sogenannte Zweipunktkopplung, d. h. durch die zwei Kontaktflächen 15, 25,
werden das Turbinenschaufelblatt 1 und damit die Turbinenschaufel 2 steifer
gekoppelt und ihre Eigenfrequenzen steigen. Durch dieses Verlagern bzw.
Erhöhen
der Eigenfrequenzen wird sichergestellt, dass die kritische Eigenfrequenz
der Turbinen schaufelblätter 1 im
Betrieb der Turbine nicht bzw. nur sehr schwer angeregt wird.
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Das
Diagramm 1 zeigt ein bezüglich
der Frequenz f0 der Schirmschwingung normiertes
Dispersions- oder Knotendurchmesserdiagramm einer Dampfturbinenstufe
mit einem Dämpferdraht 3 für einen
Einzelpunktkontakt K1 und einen Zweipunktkontakt K2, bei dem die
Eigenfrequenz über
der Knotendurchmesserzahl des Koppelmodus, d. h. der Kopplung durch
den Dämpferdraht 3,
aufgetragen ist. Wenn, wie bei der unteren Kurve des Einzelpunktkontaktes
K1 dargestellt, die Dispersionskurve die gestrichelte Erregerordnungslinie
E an einem ganzen Knotendurchmesser schneidet, dann kommt es zur Anregung
des entsprechenden Modes.
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Der
Kopplungsgrad zwischen dem Dämpferdraht 3 und
den Turbinenschaufelblättern 1 kann
auf einen beliebigen Zustand zwischen den Koppeleigenschaften des
Einzelpunktkontaktes K1 und des Zweipunktkontaktes K2 justiert werden.
Durch radiales Verschieben eines der Vorsprünge 12 um einen Abstand
h, wie in 10 und 11 dargestellt,
wird erreicht, dass sich beim Aufbau der Fliehkraft an beiden Vorsprünge 12, 22 unterschiedliche
Kontaktkräfte
F1 und F2 einstellen. Auf diese Weise kann jeder Zustand zwischen
der oberen Zweipunktkontaktkurve K2 und der unteren Einpunktkontaktkurve
K1, wie in Diagr. 4 gezeigt, eingestellt werden und die Resonanzfrequenzen
nach Bedarf angepasst werden.
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Bei
der Ausgestaltung des Schaufelauges 10 bzw. der Vorsprünge 12, 22,
wie in 11 dargestellt, erfährt beim
Aufbringen der Fliehkraft der radial außen sitzende Vorsprung 12 eine
geringer Kontaktkraft F1, als der radial innen sitzende Vorsprung 22 und
die Steifigkeit des Systems Turbinenschaufelblatt-Dämpferdraht
wird verringert.
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In
der 12 ist eine Schnittansicht durch ein bekanntes
Turbinenschaufelblatt und in der 13 ist
eine Schnittan sicht durch ein erfindungsgemäßes Turbinenschaufelblatt dargestellt.
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Neben
der verbesserten Steifigkeit zwischen dem Schwingungssystem Turbinenschaufel-Dämpferdraht
ermöglicht
die sogenannte Mehrfachkopplung des Dämpferdrahtes 3 an
der Wandung 11 des Schaufelauges 10 eine höhere Dämpfungsperformance.
Insbesondere ist die Reibungsdämpfung durch
die Erzielung von zwei oder mehr Kontaktzonen 15, 25,
wie in 13 dargestellt, mehr kontrollierbar
im Vergleich zu der Anordnung einer zentralen Kontaktfläche 15,
wie in 12 gezeigt.
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Die
Möglichkeit
zur Kontrolle der Dämpfung wird
insbesondere dadurch erreicht, dass die Vorsprünge 12, 22 verschiedene
Höhen aufweisen.
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Ferner
gewährleistet
die Kopplung eines Turbinenschaufelblattes 1 und eines
Dämpferdrahtes 3 durch
wenigstens zwei Kontaktflächen 15, 25 innerhalb
eines Schaufelauges 10 des Turbinenschaufelblattes 1 eine
verbesserte Dämpfungsperformance hinsichtlich
der Torsionsschwingungen, d. h. der elastischen Schwingungen, die
durch Torsion entstehen, im Vergleich zu nur einer Kontaktfläche 15.
Die gekoppelte Biege- und Torsionsschwingungsdämpfung eines jeden Turbinenschaufelblattes
hängt von der
relativen Position zwischen dem Schwerpunkt G und dem Schubspannungsmittelpunkt
S des Turbinenschaufelblattprofils ab. Bei nur einer Kontaktfläche 15,
die sich bei einer Anordnung des Dämpferdrahtes 3 in
einem Schaltauge 10 gemäß der 12 ergibt,
wird das Erregungstorsionsmoment durch den Hebelarm d0,
der durch die Strecke zwischen dem Mittelpunkt der Kontaktfläche 15 und
dem Schwerpunkt G gebildet ist, bestimmt. Bei zwei Kontaktflächen 15, 25,
die insbesondere nahe den Turbinenschaufelblattseiten angeordnet
sind, innerhalb des Schaufelauges 10 des Turbinenschaufelblattes 1 wird
das Torsionsmoment auf die beiden Kontaktflächen 15, 25 verteilt,
wodurch sich eine bessere Kontaktierung zwischen dem Dämpferdraht 3 und
einem Turbinenschaufelblatt 1 ergibt und eine höhere Torsionsdämpfung ermöglicht wird,
insbesonde re durch das Verteilen der Spannungen auf verschiedene Punkte
Bereiche, wie in 13 verdeutlicht. Der Abstand
zwischen der ersten Kontaktfläche 15 und
dem Schubspannungsmittelpunkt S beträgt die Strecke d2 und
der Abstand zwischen der zweiten Kontaktfläche 25 und dem Schubspannungsmittelpunkt
S beträgt die
Strecke d1. Der Schubspannungsmittelpunkt
S kann durch die Ausgestaltung der Vorsprünge 12, 22, insbesondere
durch die Höhe
der Vorsprünge 12, 22 variiert
werden. Durch die doppelte Kontaktierung des Dämpferdrahtes 3 in
einem Schaufelauge 10 eines Turbinenschaufelblattes 1 und
die damit verbunden größere Energiedissipation
wird eine verbesserte Dämpfungsperformance
erreicht, insbesondere ist eine Einstellung der erforderlichen Dämpfung möglich. Insbesondere
die Torsionsanteile der Schwingungen können durch die mehrfache Kontaktierung der
Wandung 11 des Schaufelauges 10 durch den Dämpferdraht 3 gedämpft werden.
Durch die Form der Vorsprünge 12, 22 kann
die Energiedissipation, d. h. die Reibung, zwischen einem Turbinenschaufelblatt 1 und
dem Dämpferdraht 3 eingestellt
werden, wodurch eine größtmögliche Dämpfung je
nach Einsatzgebiet der Turbinenschaufel 2 erlangt werden kann.
Durch die mehrfache Kontaktierung der Wandung 11 des Schaufelauges 10 durch
den Dämpferdraht 3 wird
die Gefahr von Schaufelschäden
durch Schwingungsbrüche
deutlich reduziert.