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Die Erfindung betrifft einen Koppelbolzen zum Koppeln von zwei oder mehr Turbinenschaufeln, sowie eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, mit wenigstens einer Turbinenstufe, die eine Vielzahl von Turbinenschaufeln aufweist.
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Aufgrund von Geschwindigkeits- und/oder Druckänderungen kommt es an den Axialbeschaufelungen von Turbinen zu einer Schwingungsanregung. Um den an den Turbinenschaufeln durch die zusätzliche Schwingung hervorgerufenen Belastungen gerecht zu werden und so Schaufelbrüche zu vermeiden, müssen Schaufelwerkstoffe mit hohen Festigkeitswerten verwendet werden. Hier werden in den letzten Jahren zunehmend Turbinenschaufeln aus Titan eingesetzt. Titanschaufeln haben jedoch den Nachteil, dass sie sehr teuer sind. Um die hohen Kosten zu vermeiden werden deshalb andere geeignete Maßnahmen ergriffen. Zur Vermeidung von Schaufelschwingungen können die Schaufeln vorteilhaft über ein Deckband miteinander verbunden werden oder bei zu hohen mechanischen Belastungen, mittels eines Koppeldrahtes oder durch lose eingelegte Koppelstifte miteinander verkoppelt werden. Durch die Koppelung von zwei oder mehreren Turbinenschaufeln wird die Schwingung der einzelnen Schaufeln deutlich reduziert und dadurch die Schwingungsbelastung in den einzelnen Schaufeln reduziert, so dass Schwingungsbrüche der Turbinenschaufeln vermieden werden können. Nachteilig an den Koppeldrähten und auch an den Koppelbolzen ist ihr zusätzliches Gewicht, welches sich negativ auf die Rotordynamik auswirkt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Koppelbolzen zum Koppeln von zwei oder mehr Turbinenschaufeln bereit zu stellen, welcher gegenüber den bisher verwendeten Koppelbolzen bzw. Koppeldrähten ein vermindertes Gewicht aufweist, und so für eine günstigere Rotordynamik sorgt. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Turbine, insbesondere Dampfturbine, bereitzustellen mit wenigstens einer Turbinenstufe, die eine Vielzahl von Turbinenschaufeln aufweist, die eine verbesserte Rotordynamik gegenüber dem Stand der Technik besitzt.
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Die Erfindung wird hinsichtlich des Koppelbolzens durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Turbine wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 4 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Koppelbolzen, zum Koppeln von zwei oder mehr Turbinenschaufeln, zeichnet sich dadurch aus, dass der Koppelbolzen zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoff besteht. Durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoff kann das Gewicht des Koppelbolzens gegenüber den bislang im Stand der Technik verwendeten Koppelbolzen aus Stahl oder Titan deutlich reduziert werden. Durch eine geeignete Ausrichtung der Fasern im Faserverbundwerkstoff wird die Festigkeit des Koppelbolzens dabei zusätzlich erhöht. Durch das geringere Gewicht des Koppelbolzens gegenüber dem bislang verwendeten Koppelbolzen nimmt die Fliehkraftbelastung durch den Koppelbolzen im Turbinenbetrieb ab, wodurch sich eine verbesserte Rotordynamik ergibt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Koppelbolzen als Hohlprofil ausgebildet ist. Durch die Ausbildung als Hohlprofil kann gegenüber einem Koppelbolzen, welcher im Vollprofil hergestellt ist, weiter Gewicht eingespart werden und dadurch die Rotordynamik weiter vorteilhaft beeinflusst werden. Da die Koppelbolzen im Betrieb teilweise auf Biegung beansprucht sind ist die Ausbildung als Hohlprofil zusätzlich von Vorteil, da Hohlkörper grundsätzlich eine höhere Biegefestigkeit aufweisen als Vollprofile. Die Herstellung eines Koppelbolzens aus Hohlprofil gestaltet sich sehr einfach, da das Faserverbundmaterial zunächst auf einen Kern aufgebracht bzw. aufgewickelt werden kann und dann nach Aushärten des Faserverbundmaterials der Kern einfach entnommen werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Koppelbolzen ein doppelkonisches Profil oder konische Enden aufweist. Durch die konischen Enden kann sich der Koppelbolzen in den Aufnahmebohrungen der Turbinenschaufel selbstständig zentrieren. Zudem wird durch den größeren Durchmesser des Koppelbolzens im mittleren Teil des Koppelbolzens die Biegefestigkeit im besonders beanspruchten Bereich des Koppelbolzens erhöht.
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Bezüglich der Turbine, insbesondere Dampfturbine, mit wenigstens einer Turbinenstufe, die eine Vielzahl von Turbinenschaufeln aufweist, zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass jeweils zwei benachbarte Turbinenschaufeln der wenigstens einen Turbinenstufe mittels Koppelbolzen nach einem der vorherigen Ansprüche gekoppelt sind. Durch die Koppelung zweier benachbarter Turbinenschaufeln werden diese gegeneinander stabilisiert, so dass Schwingungen der einzelnen Schaufeln wirkungsvoll gemindert werden. Hierdurch wird die Schwingungsbelastung der einzelnen Turbinenschaufeln reduziert, wodurch ein Bruch der Turbinenschaufeln aufgrund von Schwingungen weitgehend vermieden wird. Hierdurch kann zum einen ein günstigerer Werkstoff für die Turbinenschaufel verwendet werden, zum anderen kann die Schaufellänge und damit die Abströmfläche der Turbine erhöht werden, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine führt. Dieses ist insbesondere für den Abströmbereich von Dampfturbinen interessant, da hierdurch eine Entspannung des Dampfes zu niedereren Dampfbrücken hin ermöglicht wird, was unmittelbar Wirkung auf den Wirkungsgrad der Turbine hat.
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Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigt dabei schematisch:
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1 Einen erfindungsgemäßen Koppelbolzen, welcher in einer Turbinenschaufel angeordnet ist;
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2 Eine Abwicklung, entlang des Schnittes A-A;
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3 Einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Koppelbolzen.
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Die Figuren zeigen dabei jeweils stark vereinfachte Abbildungen, die jeweils nur die für die Erfindung wesentlichen Bauteile zeigen. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Koppelbolzen 1 zum Koppeln von zwei oder mehreren Turbinenschaufeln 2, von denen in der Abbildung nur die hintere Turbinenschaufel 2 dargestellt ist. Zur Aufnahme des Koppelbolzen 1 in der Turbinenschaufel 2 ist in der Turbinenschaufel 2 eine Aufnahmebohrung 4 ausgebildet. Die Aufnahmebohrung 4 kann dabei als durchgehende Bohrung oder auch als Sacklochbohrung ausgebildet sein. Zur Ausbildung der Aufnahmebohrung 4 kann die Turbinenschaufel 2 mit einer Verdickung 5 ausgebildet werden. Dies bietet sich dann an, wenn die Wanddicke der Turbinenschaufel 2 im Bereich der Aufnahmebohrung 4 keine ausreichende Wandstärke aufweist. Bei Verwendung von leichten Koppelbolzen 1 aus Faserverbundwerkstoff kann die Verdickung 5 jedoch deutlich schlanker ausfallen als dies bei den üblichen im Stand der Technik beschriebenen Koppelbolzen aus Stahl oder Titan der Fall ist. Unter Umständen kann auf eine Verdickung 5 im Bereich der Aufnahmebohrung 4 auch vollständig verzichtet werden. Hierdurch wird das Gewicht der Turbinenschaufel 2 gesenkt und die Rotordynamik verbessert.
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2 zeigt eine Abwicklung der in 1 gezeigten Turbinenschaufelanordnung entlang des Schnitts A-A. In dieser Ansicht ist gut die Koppelung der Turbinenschaufel 2 über den Koppelbolzen 1 zu erkennen. Der Koppelbolzen 1 ist dabei rotationssymmetrisch ausgebildet und weist zwei konische Enden 3 auf. Die konischen Enden 3 sind in den Aufnahmebohrung 4 der Turbinenschaufel 2 angeordnet und sorgen so für eine Koppelung der zwei benachbarten Turbinenschaufeln 2. Die Aufnahmebohrung 4 ist in 1 als Sacklochbohrung ausgebildet. Die Aufnahmebohrung 4 könnte ebenso als Durchgangsbohrung ausgebildet sein. Durch die konischen Enden 3 des Koppelbolzen 1 wird dieser automatisch in der Aufnahmebohrung 4 zentriert.
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3 zeigt einen Radialschnitt durch einen Koppelbolzen 1. Im Gegensatz zu dem in 2 dargestellten Koppelbolzen 1 weist der Koppelbolzen 1 in 3 ein doppelkonisches Profil auf, d. h. er besitzt keinen zylindrischen Mittelteil. Die Funktion des Koppelbolzens 1 ist aber ansonsten identisch mit der aus 2 bzw. 1. Der Koppelbolzen 1 ist dabei rotationssymmetrisch ausgebildet und weist ein Hohlprofil auf. Der Koppelbolzen 1 ist vollständig aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet, so dass er gegenüber dem bislang verwendeten Koppelbolzen, welcher aus Stahl bzw. Titan gefertigt sind, deutlich leichter ist. Durch das geringere Gewicht des Koppelbolzens 1 wird die Fliehkraftbeanspruchung an den Turbinenschaufeln 1 reduziert, so dass die Rotordynamik günstig beeinflusst wird. Durch die geringere Fliehkraftbelastung im Bereich der Aufnahmebohrung 4 der Turbinenschaufeln 2 kann zudem die Verdickung 5 der Turbinenschaufel 2 im Bereich der Aufnahmebohrung 4 reduziert werden bzw. es kann ganz auf sie verzichtet werden. Hierdurch wird das Gewicht der Turbinenschaufel 2 ebenfalls reduziert, was wiederum zu einer verbesserten Rotordynamik führt. Aufgrund der geringeren Gewichte von Koppelbolzen 1 und Turbinenschaufeln 2 nimmt die Zugkraftbelastung der Turbinenschaufel 1 ab, wodurch bei gleicher Werkstoffauswahl der Turbinenschaufel 2 eine größere Gesamtlänge der Turbinenschaufeln 2 möglich wird. Hierdurch nimmt die Querschnittsfläche des Abströmkanals in dem die Turbinenschaufels angeordnet sind zu, was wiederum zu einem erhöhten Wirkungsgrad der Turbine führt.
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Neben einer vollständigen Ausbildung des Koppelbolzens 1 aus Faserverbundwerkstoff ist auch ein nur teilweise aus Faserverbundwerkstoff hergestellter Koppelbolzen 1 von der Erfindung umfasst. Der Koppelbolzen 1 muss auch nicht zwingend als Hohlprofil ausgebildet werden. Vielmehr ist auch eine Konstruktion denkbar, bei dem der Faserverbundwerkstoff um einen Kern herum angeordnet ist. Ein Hohlprofil hat allerdings den Vorteil, dass die Biegefestigkeit des Koppelbolzens 1 höher ist als dies bei einem Vollmaterial der Fall ist. Da die Koppelbolzen 1 im Betrieb durch Verschieben bzw. Bewegung der Turbinenschaufeln 2 zueinander auf Biegung beansprucht werden, ist somit die Ausführung als Hohlprofil vorteilhaft. Der Koppelbolzen 1 kann vorteilhaft als Wickel/oder Flechtbauteil ausgebildet werden.
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Der Einsatz von Koppelbolzen 1, welche zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, lohnt sich insbesondere im Niederdruckteil von Dampfturbinen. Dampfturbinen haben konstruktionsbedingt eine sehr große Abströmfläche um den Dampfdruck auf einen besonders niedrigen Druck expandieren zu können. Hierdurch müssen die Turbinenschaufeln im Niederdruckbereich besonders groß ausgebildet sein, was zu besonders großen Schwierigkeiten bei der Festigkeit und der Schwingungsfestigkeit der Turbinenschaufel führt. Große Turbinenschaufeln neigen insbesondere bei freistehenden Enden zur Schwingungsanregung. Diese muss unter allen Umständen vermieden werden.
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Der erfindungsgemäße Koppelbolzen 1 zum Koppeln von zwei oder mehr Turbinenschaufeln 2, der zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, führt somit zu einer Verringerung der rotierenden Masse. Die Verringerung der rotierenden Masse sorgt für eine deutlich bessere Rotordynamik und aufgrund der geringeren Maße der Turbinenschaufeln nimmt die Zugkraftbeanspruchung der Turbinenschaufeln, insbesondere im besonders gefährdeten Fußbereich deutlich ab. Der erfindungsgemäße Koppelbolzen sorgt somit zum einen für eine erhöhte Betriebssicherheit als auch für eine höhere Rotordynamik und für einen verbesserten Wirkungsgrad der Turbine. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Koppelbolzens, welcher zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, eignet sich insbesondere für den Niederdruckteil von Dampfturbinen, da diese eine besonders große Turbinenlänge aufweisen und daher sich eine Verringerung des Gewichts hier besonders positiv bemerkbar macht.
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Die Erfindung ist nicht auf die Koppelung zweier benachbarter Turbinenschaufeln beschränkt. Vielmehr kann der Koppelbolzen auch so ausgebildet werden, dass er mehr als zwei, beispielsweise drei zueinander benachbarte Turbinenschaufeln miteinander koppelt.
