DE102017202784A1

DE102017202784A1 - Laufschaufelmodul für Dampfturbine und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102017202784A1
Application number: DE102017202784.3A
Authority: DE
Inventors: Inka Beyer; Martin Schubert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-08-23
Also published as: WO2018153529A1; PL3568573T3; EP3568573A1; EP3568573B1

Abstract

Es wird ein Laufschaufelmodul (11) zur Befestigung auf einem Rotorteil zur Bildung eines Laufschaufelkranzes in einer Dampfturbine beschrieben. Das Laufschaufelmodul (11) weist (a) eine Fußplatte (13), (b) ein Schaufelblatt (12), das sich von einer Seite der Fußplatte (13) erstreckt, und (c) ein Befestigungsmittel auf, das sich von der anderen Seite der Fußplatte (13) erstreckt, wobei eine Projektion des Schaufelblattes (12) auf eine die Fußplatte (13) beinhaltende Ebene von der Fußplatte (13) vollständig überdeckt wird. Des Weiteren werden eine Dampfturbine mit einem solchen Laufschaufelmodul (11) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laufschaufelmoduls (11) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Dampfturbinen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Laufschaufelmodul zur Befestigung an einem Laufschaufelkranz einer Dampfturbine, eine Dampfturbine mit mehreren solchen Laufschaufelmodulen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laufschaufelmoduls.
Eine Dampfturbine weist generell eine Reihe von Laufschaufelkränzen auf, die nebeneinander auf einer Drehachse angebracht sind. Jeder Laufschaufelkranz weist mehrere Laufschaufeln auf, die eine in fluiddynamischer Hinsicht optimierte Form aufweisen. Die Laufschaufeln können modular aufgebaut sein, wobei jedes Modul eine Fußplatte, ein Schaufelblatt und ein Befestigungsmittel aufweist. Die Fußplatten und Befestigungsmittel für die Schaufelblätter müssen u.a. so gestaltet sein, dass die designmäßig vorgegebene Anzahl von Schaufelblättern auf dem Laufschaufelkranz nebeneinander passen und so dass ein vorgegebener maximaler Abstand zu einem benachbarten Laufschaufelkranz eingehalten werden kann. Aufgrund dieser Restriktionen hinsichtlich Form und Größe der einzelnen Teile können ungewünschte Spannungskonzentrationen entstehen, insbesondere im Übergangsbereich zwischen Schaufelblatt und Fußplatte/Befestigungsmittel.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche Spannungskonzentrationen zu reduzieren bzw. zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Laufschaufelmodul zur Befestigung auf einem Rotorteil zur Bildung eines Laufschaufelkranzes in einer Dampfturbine beschrieben. Das beschriebene Laufschaufelmodul weist folgendes auf: (a) eine Fußplatte, (b) ein Schaufelblatt, das sich von einer Seite der Fußplatte erstreckt, und (c) ein Befestigungsmittel, das sich von der anderen Seite der Fußplatte erstreckt, wobei eine Projektion des Schaufelblattes auf eine die Fußplatte beinhaltende Ebene von der Fußplatte vollständig überdeckt wird.
Dem beschriebenen Laufschaufelmodul liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Spannungskonzentrationen deutlich reduziert bzw. ganz vermieden werden können, wenn die Projektion des Schaufelblattes auf die Fußplattenebene von der Fußplatte vollständig überdeckt wird, das heißt, dass das Profil des Schaufelblattes an keiner Stelle über den Rand der Fußplatte hinausragt. Diese Eigenschaft soll insbesondere durch Formgebung der Fußplatte, insbesondere des Randes der Fußplatte erreicht werden, da die Form des Schaufelblattes hauptsächlich fluiddynamisch bedingt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Fußplatte eine viereckige Form mit paarweise parallelen Kanten auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Fußplatte rhomboidförmig bzw. rautenförmig. In diesem Ausführungsbeispiel verlaufen zwei gegenüberstehenden Kanten der Fußplatte zum Beispiel senkrecht zur Drehachse des Rotors während die beiden anderen gegenüberstehenden Kanten nicht parallel zur Drehachse verlaufen. Mit anderen Worten weist die Fußplatte keinen Winkel auf, der 90° beträgt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Befestigungsmittel eine Mehrzahl von Laschen auf, die zum Befestigen des Laufschaufelmoduls auf dem Rotorteil zur Bildung des Laufschaufelkranzes eingerichtet sind.
Die Laschen mögen insbesondere eine viereckige Form aufweisen und parallel zueinander und senkrecht zur Drehachse angeordnet sein. Die Laschen passen in entsprechende Nuten in dem Rotorteil ein und können in diesen befestigt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Laschen eine Durchbohrung zur Aufnahme eines Kegelstiftes auf. Der Kegelstift dient zur Befestigung des Laufschaufelmoduls.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verläuft die Durchbohrung mittig durch jede Lasche und parallel zu einer Kante der Fußplatte, die weder parallel noch senkrecht zu einer Drehachse des Laufschaufelkranzes ist.
Die mittige Durchbohrung ergibt eine möglichst stabile Struktur, wenn das Laufschaufelmodul (zum Beispiel mittels Einführens eines Kegelstiftes in die Durchbohrung) auf dem Rotorteil befestigt ist, da der Spannungsquerschnitt der Laschen (auf Höhe der Bohrung) auf beiden Seiten gleich groß ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Fußplatte, das Schaufelblatt und das Befestigungsmittel einstückig gebildet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Dampfturbine beschrieben. Die beschriebene Dampfturbine weist (a) zumindest ein Rotorteil und (b) eine Mehrzahl von Laufschaufelmodulen gemäß dem ersten Aspekt oder einem der obigen Ausführungsbeispiele auf, wobei die Laufschaufelmodule zur Bildung eines Laufschaufelkranzes auf dem Rotorteil befestigt sind.
Aufgrund der Verwendung der vorteilhaften Laufschaufelmodule profitiert diese Dampfturbine von den oben beschriebenen Vorteilen. Insbesondere ergibt sich in Vergleich mit anderen Dampfturbinen eine längere Lebensdauer und ein geringeres Ausfallrisiko.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Laufschaufelmoduls zur Befestigung auf einem Rotorteil zur Bildung eines Laufschaufelkranzes in einer Dampfturbine beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Bereitstellen einer Fußplatte, (b) Bereitstellen eines Schaufelblattes, das sich von einer Seite der Fußplatte erstreckt, und (c) Bereitstellen eines Befestigungsmittels, das sich von der anderen Seite der Fußplatte erstreckt, wobei eine Projektion des Schaufelblattes auf eine die Fußplatte beinhaltende Ebene von der Fußplatte vollständig überdeckt wird.
Dieser Aspekt betrifft grundsätzlich ein Verfahren zur Herstellung eines Laufschaufelmoduls gemäß dem ersten Aspekt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Fußplatte eine viereckige Form mit paarweise parallelen Kanten auf. Die Fußplatte mag insbesondere rhomboidförmig sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Befestigungsmittel eine Mehrzahl von Laschen auf, die zum Befestigen des Laufschaufelmoduls auf dem Rotorteil eingerichtet sind, und das Verfahren weist ferner ein Bilden einer Durchbohrung durch die Laschen zur Aufnahme eines Kegelstiftes auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Bilden einer Aussparung in einer Oberfläche des Rotorteils, die derart schräg verläuft, dass das Bilden der Durchbohrung senkrecht zu der Oberfläche der Aussparung erfolgen kann, wenn das Laufschaufelmodul auf dem Rotorteil angebracht ist, insbesondere wenn die Laschen in entsprechenden Nuten in dem Rotorteil angebracht sind.
Die Aussparung erleichtert das Durchbohren des Rotorteils und der Laschen und ermöglicht insbesondere, dass die Durchbohrung mit hoher Präzision erstellt werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.

1A zeigt eine erste Seitenansicht eines herkömmlichen Laufschaufelmoduls.
1B zeigt eine zweite Seitenansicht des herkömmlichen Laufschaufelmoduls.
1C zeigt eine Draufsicht des herkömmlichen Laufschaufelmoduls.
2 zeigt eine weitere Ansicht des herkömmlichen Laufschaufelmoduls.
3 zeigt eine Teilansicht eines Rotorteils mit drei herkömmlichen Laufschaufelmodulen.
4 zeigt eine Draufsicht eines Laufschaufelmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Schnittansicht einer Fußlasche eines Laufschaufelmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung.

Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
Die 1A bis 1C zeigen verschiedene Ansichten eines herkömmlichen Laufschaufelmoduls 1. Spezifischer zeigt die 1A eine erste Seitenansicht des Laufschaufelmoduls 1 mit Schaufelblatt 2 und Fußplatte 3. Die 1B zeigt eine zweite Seitenansicht des Laufschaufelmoduls 1, die relativ zu der ersten Seitenansicht in 1A um 90° gedreht ist. In 1B sind Laschen 4 zu sehen. Die Laschen 4 stellen ein Befestigungsmittel zur Befestigung des Laufschaufelmoduls 1 auf einem Rotorteil mit entsprechenden Nuten dar.
Die 1C zeigt eine Draufsicht des Laufschaufelmoduls 1. Wie es dieser Ansicht entnommen werden kann, liegt die Projektion des Schaufelblattes 2 auf die Ebene der Fußplatte 3 in dem Bereich 5 außerhalb der Fußplatte 3. Mit anderen Worten ragt ein Teil des Profils des Schaufelblattes 2 über die Kante der Fußplatte 3 hinaus. Der Pfeil 6 zeigt die Richtung des anströmenden Dampfes.
Der in 1C gezeigte Überhang des Schaufelblattes 2 entsteht aufgrund der vorgegebenen Teilung eines Laufschaufelkranzes und der Profilform im Nabenschnitt, ist aber aus strukturmechanischen Gründen nicht ideal, weil er zu Spannungskonzentration in dem entsprechenden Bereich 5 führt.
Diese Tatsache ist auch in der 2 dargestellt und kann die Lebensdauer beeinträchtigen und zu Ausfällen durch Schaufelverlust führen.
Die 3 zeigt eine Teilansicht eines Rotorteils 7 mit drei herkömmlichen Laufschaufelmodulen 1, die nebeneinander angebracht sind. Spezifischer sind die Laschen 4 jedes Laufschaufelmoduls 1 in entsprechenden Nuten 8 des Rotorteils 7 eingesetzt und zwei Befestigungselemente, insbesondere Kegelstifte 9 (pro Modul) verlaufen durch entsprechende Bohrungen in den Laschen 4 und halten somit die Module 1 auf dem Rotorteil 7 fest.
Die 4 zeigt eine Draufsicht eines Laufschaufelmoduls 11 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Laufschaufelmodul 11 weist ein Schaufelblatt 12 und eine Fußplatte 13 auf. Abweichend von der in der 1C (und in der 4 auch gestrichelt) gezeigten rechteckigen Fußplatte 3, ist die Fußplatte 13 des erfindungsgemäßen Laufschaufelmoduls 11 so gestaltet, dass die Projektion des Schaufelblattes 12 auf deren Ebene komplett innerhalb des Randes der Fußplatte 13 liegt. In der gezeigten Darstellung wird dies dadurch erreicht, dass die Fußplatte rhomboidförmig bzw. rautenförmig ist. Mit anderen Worten ist die Form der Fußplatte zwar viereckig und die gegenüberstehenden Kanten 13a und 13b sind paarweise parallel, aber die Form weist keine rechten Winkel auf. Die 4 zeigt des Weiteren die äußeren Oberflächen 7a, 7b des Rotorteils 7. Das Laufschaufelmodul 11 ist zwischen den äußeren Oberflächen 7a, 7b angebracht.
Das Laufschaufelmodul 11 weist auch (in der 4 nicht sichtbare) Laschen mit einer Durchbohrung auf, deren Achse 14 schematisch gezeigt ist. Diese Achse 14 verläuft parallel zu und in der Mitte zwischen den (in diesem Ausführungsbeispiel) längeren Kanten 13a der Fußplatte 13. Um den entsprechenden Bohrvorgang zu erleichtern, kann eine Aussparung 15 in einer der äußeren Seitenfläche 7a, 7b des Rotorteils 7 vorgesehen werden, die eine Oberfläche senkrecht zu der Richtung der Achse 14 bildet. Der Pfeil 16 zeigt die Turbinenlängsachse.
Die 5 zeigt eine Schnittansicht einer Fußlasche 17 des in der 4 dargestellten Laufschaufelmoduls 11 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Fußlasche 17 hat wie gezeigt eine Querschnittsform entsprechend der Form der Fußplatte 13 und weist eine mittige Durchbohrung 18 auf, in welche ein Befestigungselement, zum Beispiel einen Kegelstift eingeführt werden kann. Dies erfolgt nach dem gleichen Prinzip, das in 3 gezeigt ist, wobei die Befestigungselemente hier nicht parallel zu der Turbinenachse 16 sondern zu den Kanten 13a (vgl. 4) verlaufen.
Mit Bezugnahme auf die Figur 1B, die vier Laschen 4 zeigt, soll es noch erwähnt werden, dass das erfindungsgemäße Laufschaufelmodul 11 auch mehrere Laschen 17 aufweist. Diese sind so angebracht, dass sie der Form der Fußplatte folgen, und so dass die jeweils mittigen Durchbohrungen 18 mit der Achse 14 ausgerichtet sind.
Bezugszeichenliste

1: Laufschaufelmodul
2: Schaufelblatt
3: Fußplatte
4: Lasche
5: Bereich
6: Pfeil
7: Rotorteil
7a: Oberfläche
7b: Oberfläche
8: Nut
9: Befestigungselement
11: Laufschaufelmodul
12: Schaufelblatt
13: Fußplatte
13a: Kante
13b: Kante
14: Achse
15: Aussparung
16: Pfeil
17: Lasche
18: Bohrung

Claims

Laufschaufelmodul (11) zur Befestigung auf einem Rotorteil zur Bildung eines Laufschaufelkranzes in einer Dampfturbine, das Laufschaufelmodul aufweisend eine Fußplatte (13), ein Schaufelblatt (12), das sich von einer Seite der Fußplatte (13) erstreckt, und ein Befestigungsmittel, das sich von der anderen Seite der Fußplatte (13) erstreckt, wobei eine Projektion des Schaufelblattes (12) auf eine die Fußplatte (13) beinhaltende Ebene von der Fußplatte (13) vollständig überdeckt wird.
Laufschaufelmodul gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Fußplatte (13) eine viereckige Form mit paarweise parallelen Kanten (13a, 13b) aufweist.
Laufschaufelmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fußplatte (13) rhomboidförmig ist.
Laufschaufelmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Befestigungsmittel eine Mehrzahl von Laschen (17) aufweist, die zum Befestigen des Laufschaufelmoduls (11) auf dem Rotorteil zur Bildung des Laufschaufelkranzes eingerichtet sind.
Laufschaufelmodul gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Laschen (17) eine Durchbohrung (18) zur Aufnahme eines Kegelstiftes aufweisen.
Laufschaufelmodul gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Durchbohrung (18) mittig durch jede Lasche (17) und parallel zu einer Kante (13a) der Fußplatte verläuft, die weder parallel noch senkrecht zu einer Drehachse des Laufschaufelkranzes ist.
Laufschaufelmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fußplatte (13), das Schaufelblatt (12) und das Befestigungsmittel einstückig gebildet sind.
Dampfturbine aufweisend zumindest ein Rotorteil und eine Mehrzahl von Laufschaufelmodulen (11) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laufschaufelmodule zur Bildung eines Laufschaufelkranzes auf dem Rotorteil befestigt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Laufschaufelmoduls (11) zur Befestigung auf einem Rotorteil zur Bildung eines Laufschaufelkranzes in einer Dampfturbine, das Verfahren aufweisend Bereitstellen einer Fußplatte (13), Bereitstellen eines Schaufelblattes (12), das sich von einer Seite der Fußplatte (13) erstreckt, und Bereitstellen eines Befestigungsmittels, das sich von der anderen Seite der Fußplatte (13) erstreckt, wobei eine Projektion des Schaufelblattes (12) auf eine die Fußplatte (13) beinhaltende Ebene von der Fußplatte (13) vollständig überdeckt wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Fußplatte (13) eine viereckige Form mit paarweise parallelen Kanten (13a, 13b) aufweist, wobei die Fußplatte (13) insbesondere rhomboidförmig ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei das Befestigungsmittel eine Mehrzahl von Laschen (17) aufweist, die zum Befestigen des Laufschaufelmoduls (11) auf dem Rotorteil eingerichtet sind, das Verfahren ferner aufweisend Bilden einer Durchbohrung (18) durch die Laschen zur Aufnahme eines Kegelstiftes.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, ferner aufweisend Bilden einer Aussparung (15) in einer Oberfläche des Rotorteils, die derart schräg verläuft, dass das Bilden der Durchbohrung (18) senkrecht zu der Oberfläche der Aussparung (15) erfolgen kann, wenn das Laufschaufelmodul auf dem Rotorteil angebracht ist.