DE102016110865A1

DE102016110865A1 - Lauf- oder Leitvorrichtung für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102016110865A1
Application number: DE102016110865.0A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Morgenstern
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-06-15
Also published as: DE102016110865B4

Abstract

Lauf- oder Leitvorrichtung 1 einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine, mit einem Lauf- oder Leitschaufelträger 10 und mehreren über den Umfang des Lauf- oder Leitschaufelträgers 10 verteilt angeordneten Lauf- oder Leitschaufeln 11, die mit dem einem ihrer radialen Enden an den Lauf- oder Leitschaufelträger 10 angrenzen, wobei die Lauf- oder Leitschaufeln 11 mit dem anderen ihrer radialen Enden an ein Außen- oder Innendeckband 12 der Lauf- oder Leitvorrichtung 1 angrenzen, wobei die Lauf- oder Leitschaufeln 11 mit dem Außen- oder Innendeckband 12 über Verbindungselemente 13 verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente 13 im Montagezustand der Lauf- und Leitvorrichtung 1 einen Kraftflussabschnitt 15 und einen Betätigungsabschnitt 14 aufweisen, zwischen denen eine Sollbruchstelle 16 ausgebildet ist, wobei sich bei der Montage der Kraftflussabschnitt 15 mit den Lauf- oder Leitschaufeln 11 sowie dem Außen- oder Innendeckband 12 in Eingriff befindet und somit die Lauf- oder Leitschaufeln 11 im Bereich eines ihrer radialen Enden mit der radial äußeren oder inneren Seite des Außen- oder Innendeckbands 12 kraft- und formschlüssig miteinander verbunden sind, wobei sich der Betätigungsabschnitt 14 sowie die Sollbruchstelle 16 im Montagezustand, in Bezug auf den Kraftflussabschnitt 15, an der radial gegenüberliegenden Seite des Außen- oder Innendeckbands 12 befinden, wobei die Sollbruchstelle 16 derart ausgebildet ist, dass bei einer vordefinierten Größe der Anpresskräfte zwischen Außen- oder Innendeckband 12 und Lauf- oder Leitschaufel 11 ein Bruch der Sollbruchstelle 16 während der Montage erfolgt und die Verbindung unlösbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lauf- oder Leitvorrichtung für eine Strömungsmaschine, die in ein Gehäuse, vorzugsweise das Gehäuse einer Dampfturbine, eingebaut wird, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Lauf- oder Leitvorrichtungen werden beispielsweise in Dampfturbinen eingebaut und diese werden im Turbinenbetrieb durch Schwingungen belastet, wobei diese verursacht werden durch

– Strömungsimpulse von benachbarten Gittern (Nachlaufdellen, Stauwirkungen etc.)
– abgerissene Strömungen; umlaufendes Abreissen
– Konstruktionseinflüsse (Unsymmetrien: Rippen, Teilfugen, Abblasöffnungen etc.)
– störende Einbauten
– kritische Drehzahlen des Rotors; Kurzschluss des Generators etc.

Daraus resultierende unkontrollierte Schaufelschwingungen der Lauf- oder Leitvorrichtung werden als funktionskritisch und wirkungsgradmindernd für den Turbinenbetrieb angesehen, wobei unterschiedliche technische Lösungen zur Minimierung dieser Nachteile bekannt sind.
Bevorzugte Lösungen sind Deckbänder und Deckplatten zum Verbinden einzelner Schaufeln zu Gruppen, bekannt dazu sind die Patentdokumente DE 928 347 oder die US 2 277 484 . Diese Bindeelemente werden auf den Schaufelblattspitzen mit den Schaufelblättern befestigt und erfahren bei Betrieb der Turbine eine Biegebeanspruchung, die durch geeignete Befestigungsverfahren funktionssicher aufzunehmen ist. Bekannte Lösungen sind Schweißverbindungen und Nietverbindungen, wobei für die Ausführung von Schweißverbindungen zwischen Schaufeln und Deckbändern spezielle Herstellervorschriften gelten. Die bekannten Verfahrenstechniken zur Verbindungsausführung weisen eine hohe Kompliziertheit auf, was zur qualitativ sicheren Ausführung spezieller Maschinen bedarf, sowie handwerklicher Qualifikation des Ausführpersonals und Funktionsnachweisen für Schweißtechnologien mittels Verfahrensprüfungen.
Für entsprechende Nietverbindungen zwischen Deckband und Schaufeln sind verschiedene Verfahren bekannt. In der DE 12 649 050 ist eine Vorrichtung zum Verbinden eines Deckbandes mit den Leitschaufeln einer Turbomaschine beschrieben, mit welcher maschinell eine Nietverbindung zwischen Schaufeln und Deckband nach dem Radial-Kaltnietverfahren hergestellt werden kann. Die durch das Deckband hindurchreichenden Zapfen an den Schaufelspitzen werden dabei durch eine elektrohydraulisch angetriebene Nietvorrichtung kalt verformt. Das Kaltnieten kann wegen der hohen Belastung jedoch leicht zu Rissen im Material führen, die im Betrieb Schäden an der Turbine zur Folge haben.
Aus der GB 425 084 ist ein Warmnietverfahren für die Verbindung zwischen Schaufeln und Deckband bekannt, bei dem die Zapfen auf den Schaufelspitzen für die Verformung durch einen Strom aufgeheizt werden, der fließt, wenn ein Stromkreis durch Aufsetzen eines Nietwerkzeugs auf die Zapfen geschlossen wird. Die dafür notwendigen hohen Ströme müssen in aufwändiger Weise mit entsprechenden Querschnitten und geringen Kontaktwiderständen durch die Apparatur zum Zapfen geführt werden, damit nur dort die Erwärmung stattfindet.
Weiterhin ist aus der GM 7633961 ist eine Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden eines halbringförmigen Deckbandes mit den Leitschaufeln einer beschaufelten Zylinderhälfte einer Turbomaschine axialer Bauart bekannt, wobei die dauerhafte Verbindung von Deckband und Leitschaufeln über das Radial-Kaltnietverfahren erzielt wird.
Eine derartige Befestigung der Leitschaufeln mit dem Deckband erfordert eine genau auf das Anforderungsprofil der Leitvorrichtung ausgelegte Vorrichtung zur maschinellen Herstellung der Nietverbindungen, wobei die Vorrichtung insbesondere genau definierte Anpresskräfte zwischen der Leitschaufel und dem Deckband gewährleisten muss.
Aufgrund der Vielzahl von geometrischen Anordnungsmöglichkeiten von Leitschaufeln, Deckband und Niet sowie der zugehörigen Materialien und dadurch notwendigen Kräfteverhältnissen, muss eine solche Vorrichtung, um effizient betrieben zu werden, sehr komplexe Montageabfolgen sowie Montageparameter bereitstellen und verarbeiten können.
Hierbei stellt sich somit das Problem, dass dieser sehr spezielle Fertigungsprozess nicht von vielen Lieferanten effizient, kostengünstig und prozesssicher angeboten werden kann, und hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, eine einfachere Lauf- oder auch Leitvorrichtung für eine Strömungsmaschine zu schaffen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Lauf- oder Leitvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die sich einfacher sowie kostengünstiger herstellen lässt, sich durch hohe Zuverlässigkeit und Qualität auszeichnet und die prozesssicherere Montageabläufe gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.
Erfindungsgemäß umfasst die Lauf- oder Leitvorrichtung im Wesentlichen einen Lauf- oder Leitschaufelträger und mehrere über den Umfang des Lauf- oder Leitschaufelträgers verteilt angeordnete Lauf- oder Leitschaufeln, wobei die Lauf- oder Leitschaufeln mit einem ihrer radial innenliegenden Enden an ein Außen- oder Innendeckband der Lauf- oder Leitvorrichtung angrenzen.
Um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Lauf- oder Leitvorrichtung im Gehäuse einer Turbomaschine zu gewährleisten, sind die Lauf- oder Leitschaufeln mit dem Außen- oder Innendeckband über Verbindungselemente kraft- und formschlüssig sowie unlösbar verbunden.
Anders als im zitierten Stand der Technik, wird erfindungsgemäß die kraft- und formschlüssige sowie unlösbare Verbindung zwischen Außen- oder Innendeckband und Leit- oder Laufschaufel durch ein Verbindungselement erzielt, wodurch das Außen- oder Innendeckband und die Lauf- oder Leitschaufel durch das bestimmungsgemäße Betätigen des Verbindungselements derart verbunden wird, dass bei Erreichen einer definierten Anpresskraft zwischen Außen- oder Innendeckband und Lauf- oder Leitschaufel eine weitere Betätigung des Verbindungselements nicht mehr möglich ist und gleichzeitig die kraft- und formschlüssige sowie unlösbare Verbindung des Außen- oder Innendeckbands mit der Lauf- oder Leitschaufel gewährleistet ist.
Das Verbindungselement umfasst einen Betätigungsabschnitt und einen Kraftflussabschnitt, wobei zwischen diesen Abschnitten eine Sollbruchstelle angeordnet ist, die derart ausgelegt ist, dass bei Erreichen einer vordefinierten Größe der Anpresskräfte zwischen Außen- oder Innendeckband und Lauf- oder Leitschaufel die Sollbruchstelle bricht und somit die erwünschte kraft- und formschlüssige sowie unlösbare Verbindung erzielt wird.
Da die erfindungsgemäße Anordnung auf das Verfahren „Nieten“ verzichtet, sind an den Lauf- oder Leitschaufeln keine Nietzapfen mehr vorhanden und somit kann die Stirnfläche der Lauf- oder Leitschaufeln mit geringerem Aufwand zylindrisch gefräst werden, wobei dadurch das Außen- oder Innendeckband schon zu Beginn der Montage im wesentlichen spaltfrei an der Lauf- oder Leitschaufel anliegt.
1: zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Leitvorrichtung einer Strömungsmaschine, insbesondere im Bereich des Deckbandes einer Leitschaufel
1 zeigt einen Querschnitt aus einer erfindungsgemäßen Leitvorrichtung 1 einer Strömungsmaschine im Bereich eines Leitschaufelträgers 10 sowie einer am Leitschaufelträger 10 befestigten Leitschaufel 11, die mit dem einen ihrer radialen Enden an den Leitschaufelträger 10 angrenzt, wobei die Leitschaufel 11 mit dem anderen ihrer radialen Enden an ein Innendeckband 12 der Leitvorrichtung 1 angrenzt.
Über das Verbindungselement 13 ist die Leitschaufel 11 mit dem Innendeckband 12 verbunden.
Im Montagezustand weist das Verbindungselement 13 der Leitvorrichtung einen Kraftflussabschnitt 15 und einen Betätigungsabschnitt 14 auf, zwischen denen eine Sollbruchstelle 16 ausgebildet ist. Bei der Montage befindet sich der Kraftflussabschnitt 15 mit den Leitschaufeln 11 sowie dem Innendeckband in Eingriff und somit ist die Leitschaufeln 11 im Bereich eines ihrer radialen Enden mit der radial inneren Seite des Innendeckbands 12 kraft- und formschlüssig miteinander verbunden.
Der Betätigungsabschnitt 14 sowie die Sollbruchstelle 16 befinden sich im Montagezustand, in Bezug auf den Kraftflussabschnitt 15, an der radial gegenüberliegenden Seite des Innendeckbands 12, wobei die Sollbruchstelle 16 derart ausgelegt ist, dass bei einer vordefinierten Größe der Anpresskräfte zwischen Innendeckband 12 und Leitschaufel 11 ein Bruch der Sollbruchstelle 16 während der Montage erfolgt und die Verbindung somit unlösbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Leitvorrichtung
10: Lauf- oder Leitschaufelträger
11: Lauf- oder Leitschaufel
12: Außen- oder Innendeckband
13: Verbindungselement
14: Betätigungsabschnitt
15: Kraftflussabschnitt
16: Sollbruchstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 928347 [0004]
US 2277484 [0004]
DE 12649050 [0005]
GB 425084 [0006]
GM 7633961 [0007]

Claims

Lauf- oder Leitvorrichtung (1) einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine, mit einem Lauf- oder Leitschaufelträger (10) und mehreren über den Umfang des Lauf- oder Leitschaufelträgers (10) verteilt angeordneten Lauf- oder Leitschaufeln (11), die mit dem einem ihrer radialen Enden an den Lauf- oder Leitschaufelträger (10) angrenzen, wobei die Lauf- oder Leitschaufeln (11) mit dem anderen ihrer radialen Enden an ein Außen- oder Innendeckband (12) der Lauf- oder Leitvorrichtung (1) angrenzen, wobei die Lauf- oder Leitschaufeln (11) mit dem Außen- oder Innendeckband (12) über Verbindungselemente (13) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (13) im Montagezustand der Lauf- und Leitvorrichtung (1) einen Kraftflussabschnitt (15) und einen Betätigungsabschnitt (14) aufweisen, zwischen denen eine Sollbruchstelle (16) ausgebildet ist, wobei sich bei der Montage der Kraftflussabschnitt (15) mit den Lauf- oder Leitschaufeln (11) sowie dem Außen- oder Innendeckband (12) in Eingriff befindet und somit die Lauf- oder Leitschaufeln (11) im Bereich eines ihrer radialen Enden mit der radial äußeren oder inneren Seite des Außen- oder Innendeckbands (12) kraft- und formschlüssig miteinander verbunden sind, wobei sich der Betätigungsabschnitt (14) sowie die Sollbruchstelle (16) im Montagezustand, in Bezug auf den Kraftflussabschnitt (15), an der radial gegenüberliegenden Seite des Außen- oder Innendeckbands (12) befinden, wobei die Sollbruchstelle (16) derart ausgebildet ist, dass bei einer vordefinierten Größe der Anpresskräfte zwischen Außen- oder Innendeckband (12) und Lauf- oder Leitschaufel (11) ein Bruch der Sollbruchstelle (16) während der Montage erfolgt und die Verbindung unlösbar ist.
Lauf- oder Leitvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftflussabschnitt (15) ein Außengewinde umfasst, so dass der Formschluss zwischen Lauf- oder Leitschaufeln (11) und Außen- oder Innendeckband (12) durch Verschraubung erfolgt.
Lauf- oder Leitvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsabschnitt (14) ein Element zur Aufnahme eines Werkzeugs umfasst, so dass die zur Verschraubung notwendige Kraft auf den Betätigungsabschnitt (14) ausgeübt wird.
Lauf- oder Leitvorrichtung (1) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauf- oder Leitschaufeln (41) vor der Montage im Wesentlichen spaltfrei am Außen- oder Innendeckband anliegen.