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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. Eine derartige Ausgestaltung eines Turbinenschaufelblattes ist beispielsweise in der
DE 698 17 257 T2 bekannt. 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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Aus der
DE 698 17 257 T2 ist zur Dämpfung der Vibrationen von sich bewegenden Blättern von axialen Turbinen ferner bekannt, dass im Fußbereich eines Blattes zusätzlich an den Seiten eines Durchgangsloches rechts und links des Fußes des Blattes Verlängerungen vorgesehen sind. Nachteiligerweise sind diese außen den Füßen des Blattes angeordnet, wodurch die aerodynamischen Eigenschaften der Turbine deutlich verschlechtert werden. Die zusätzlich vorgesehenen Verlängerungen verringern die Fläche der Gaspassage und erhöhen den Widerstand der Gaspassage zusätzlich zu dem Draht.
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Aus der
US 2,771,267 A ist ein Rohr bekannt, dass in einem Schaufelauge eines Turbinenschaufelblattes fest einsitzt. In dem Rohr ist ein elastisches Dämpfungsmaterial vorgesehen, welches den durch das Rohr geführten Draht umgibt. Der Draht ist in dem Rohr durch ein integrales Kolbenelement, sogenanntes „piston element”, lose gehalten. Damit das elastische Dämpfungsmaterial nicht aus dem Rohr entweicht ist dieses an den beiden Enden gequetscht ausgebildet. Diese Art der Dämpfung der Vibrationen von Turbinenschaufelblättern hat ebenfalls den Nachteil, dass die Dämpfungsrohre die aerodynamischen Eigenschaften der Turbine verschlechtern, da die Rohre außen an den Turbinenschaufelblättern hervorstehen.
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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 angeregt wird. Insbesondere sollen die Eigenfrequenzen der Turbinenschaufelblätter derart verlagert werden, dass kritische Eigenfrequenzen beim Betrieb der Turbine 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 und wobei die wenigstens zwei Vorsprünge derart in Form und Größe ausgestaltet sind, dass eine Verlagerung der kritischen Eigenfrequenz der Turbinenblattes erreicht wird, 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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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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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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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 Turbine 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 geringe 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 Turbinenschaufel, 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.
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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.
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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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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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14 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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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 erfindungsgemälen 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 Turbinenschaufelblätter 1 im Betrieb der Turbine nicht bzw. nur sehr schwer angeregt wird.
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Die 14 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 Schnittansicht 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 Vorgleich 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, insbesondere 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.
