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Die Erfindung betrifft ein Turbinenstufe, umfassend wenigstens einen Turbinenrotor und mehrere über den Umfang des Turbinenrotors angeordnete Turbinenschaufeln, sowie wenigstens ein Koppelelement, wobei in einer ersten Turbinenschaufel und in einer zweiten, zur ersten benachbarten Turbinenschaufeln, Durchgangsbohrungen ausgebildet sind, durch die das Koppelelement hindurchragt und wobei das Koppelelement die Turbinenschaufeln mechanisch miteinander koppelt.
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Aufgrund der auf die Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe wirkenden Kräfte kann es an der Beschaufelung von Turbinen im gesamten Betriebsbereich zu Schwingungsanregung kommen. Die durch die Schwingungsanregung verursachte dynamische Beanspruchung führt zu einer Verringerung der Lebensdauer der Turbinenschaufeln. Aus diesem Grund muss bei der Auslegung einer Turbinenstufe beachtet werden, dass diese in Ihrem Betriebsbereich keine, oder wenn es nicht vermeidbar ist, nur Schwingungsbewegungen mit geringer, d.h. dauerhaft ertragbarer Amplitude ausführt. Aufgrund von gegebenen Designkriterien und der Vielzahl von möglichen Anregungsmechanismen im gesamten Betriebsbereich (drehzahlsynchrone Anregung, Unwuchterregung, instationäre und transiente Strömungsanregung), welche teilweise nicht vorhergesagt werden können, ist dieser Punkt nur schwer zu realisieren. Im Falle von Schwingungsereignissen mit unzulässig großer Amplitude muss daher der dauerhaft fahrbare Betriebsbereich zum Teil wesentlich eingeschränkt werden (z.B. Absenken der Druckschutzkurve), um die mechanische Integrität der Beschaufelung zu gewährleisten und einen Funktionsausfall oder noch schwerwiegendere Folgen durch Schaufelverlust zu vermeiden.
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Eine Möglichkeit Schaufelschwingungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren besteht in der Verwendung von Koppelelementen die zwischen zwei Turbinenschaufel angeordnet werden und diese mechanisch miteinander koppeln. Energie, welche zur Schwingung der Schaufeln führt, wird mittels der Koppelelemente dem System entzogen und durch Reibungseffekte dissipiert. Solche Koppelelemente sind beispielsweise aus der
DE 10 2010 041 702 A1 bekannt. Durch die Kopplung von zwei oder mehreren Turbinenschaufeln mittels Koppelelementen wird die Schwingungsamplitude der einzelnen Schaufeln deutlich reduziert und dadurch die Schwingungsbelastung in den einzelnen Schaufeln vermindert, so dass Ermüdungsbrüche der Turbinenschaufeln wirkungsvoll verhindert werden können.
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Die
DE 10 2017 203 308 A1 offenbart eine Turbinenstufe, bei der die Koppelelemente räumlich so anzuordnen sind, dass sie ohne Demontage der einzelnen Turbinenschaufeln der Turbinenstufe entfernt werden können. Hierzu weist eine Turbinenschaufel eine Durchgangsbohrung und die benachbarte, zu koppelnde Turbinenschaufel eine Sacklochbohrung auf. Das Koppelelement wird durch die Durchgangsbohrung hindurch geschoben, bis es sich mit einem ersten Ende in der Sacklochbohrung befindet. Anschließend wird ein Verschlusselement in die Durchgangsbohrung geschraubt, die das zweite Ende des Koppelelements fixiert. Hierdurch kann das Koppelement im Bedarfsfall leicht ersetzt werden. Durch das Einschrauben des Verschlusselements ergeben sich allerdings auf Grund des Innengewindes Kerbspannungen im Blattbereich, welche zu lokalen Spannungserhöhungen und zum Versagen der Turbinenschaufel führen können.
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Nachteilig an beide Lösungen ist, dass die Turbinenschaufeln für die Aufnahme der Koppelelemente entsprechend ausgebildet sein müssen, so dass die Verwendung bei bestehenden Turbinenstufen nicht ohne weiteres möglich, da das dafür notwendige Material nicht in der Geometrie vorhanden ist.. Außerdem ist für die Aufnahme der Koppelelemente jeweils eine bestimmte Mindestdicke der Turbinenschaufel im Bereich der Aufnahme notwendig.
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Ausgehend vom zuvor beschrieben Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenstufe mit Koppelelementen bereit zu stellen bei dem die Turbinenschaufeln keine spezielle Ausbildung aufweisen müssen, so dass auch Bestandsanlagen leicht nachgerüstet werden können.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Turbinenstufe, umfassend wenigstens einen Turbinenrotor und mehrere über den Umfang des Turbinenrotors angeordnete Turbinenschaufeln, sowie wenigstens ein Koppelelement, wobei in einer ersten Turbinenschaufel und in einer zweiten, zur ersten benachbarten Turbinenschaufeln, Durchgangsbohrungen ausgebildet sind durch die das Koppelelement hindurchragt und wobei das Koppelelement die Turbinenschaufeln mechanisch miteinander koppelt, zeichnet sich dadurch aus, dass
- - das Koppelelement eine Koppelhülse mit einem Innengewinde und einen, an einem Ende der Koppelhülse ausgebildeten ersten Anlagekopf aufweist, wobei der erste Anlagekopf einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der Durchgangsbohrung durch die das Koppelelement hindurchragt und wobei der erste Anlagekopf an der Außenseite der ersten Turbinenschaufel angeordnet ist,
- - das Koppelelement einen Koppelstift mit einem komplementär zum Innengewinde der Koppelhülse ausgebildeten Außengewinde und einem an einem Ende des Koppelstifts ausgebildeten zweiten Anlagekopf aufweist, wobei der zweite Anlagekopf einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der Durchgangsbohrung durch die das Koppelelement hindurchragt und wobei der zweite Anlagekopf an der Außenseite der zweiten Turbinenschaufel angeordnet ist, und
- - die Koppelhülse und der Koppelstift über das Innengewinde und das Außengewinde miteinander verschraubt sind.
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Als Außenseite der jeweiligen Turbinenschaufel wird dabei die Seite des Turbinenblatts (Turbinenprofils) bezeichnet, die der zu koppelnden zweiten Turbinenschaufel abgewandt ist.
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Dadurch, dass die beiden Turbinenschaufeln jeweils nur Durchgangsbohrungen aufweisen und die beiden Bauteile (Koppelstift mit Koppelhülse) des Koppelelement nur mit sich selbst verschraubt sind, ist keine spezielle Ausbildung oder Mindestdicke der Turbinenschaufeln notwendig. Hierdurch lässt sich prinzipielle jede bestehende Turbinenstufe einfach nachrüsten. Dadurch, dass das Koppelelement nur durch die Durchgangsbohrungen in den Turbinenschaufeln hindurch geschoben ist, treten auch keine Kerbspannungen wie bei einer Lösung mit in das Turbinenblatt eingeschraubtem Verschlusselement auf, die zu keiner Schwächung der Turbinenschaufel führen würde.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Koppelhülse durch die Durchgangsbohrung sowohl der ersten als auch der zweiten Turbinenschaufel hindurchragt. Hierbei können die Durchgangsbohrungen in beiden Turbinenschaufeln mit dem gleichen Durchmesser ausgebildet sein, was die Fertigung vereinfacht und Kosten spart. Außerdem vereinfacht sich hierdurch die Montage, da alle Turbinenschaufeln identisch ausgebildet sind und bei der Montage nicht auf eine bestimmte Reihenfolge geachtet werden muss.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das dem zweiten Anlagekopf gegenüberliegende Ende des Koppelstifts plastisch verformt ist, so dass ein Formschluss zwischen dem Koppelstift und der Koppelhülse besteht. Hierdurch wird verhindert, dass sich die Schraubverbindung zwischen dem Koppelstift und der Koppelhülse im Turbinenbetrieb lösen kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und die Montage des Koppelelements beschrieben.
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Es zeigt:
- - 1: Eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Turbinenstufe.
- - 2-7.: Eine Darstellung der einzelnen Montageschritte eines Koppelelements bei einer erfindungsgemäßen Turbinenstufe nach 1.
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Die Figuren stellen jeweils nur eine schematische und nicht detailgetreue Darstellung der Erfindung dar. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenstufe. Die Figur zeigt dabei nicht die komplette Turbinenstufe, sondern nur einen zur Darstellung der Erfindung notwendigen Ausschnitt. Die Figur ist dabei als Abwicklung dargestellt.
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Die Turbinenstufe 1 umfasst einen Turbinenrotor 2 und mehrere über den Umfang des Turbinenrotors 2 angeordnete Turbinenschaufeln 3. Jeweils zwei zueinander benachbarte Turbinenschaufeln 3', 3'' sind mittels eines Koppelelements 4 mechanisch miteinander gekoppelt. Hierzu weist die Turbinenschaufel eine entsprechende Durchgangsbohrung 5 auf, durch die das Koppelelement hindurchragt. Das Koppelelement 4 umfasst eine Koppelhülse 6 und einen Koppelstift 10 die im montierten Zustand miteinander verschraubt sind.
Die mechanische Koppelung sorgt dafür, dass eine Schwingungsanregung der Turbinenschaufeln 3', 3'', die zu einer Beschädigung der Turbinenschaufeln oder einer Reduzierung der Lebensdauer der Bauteile führen kann, vermieden wird. Die Montage des Koppelelements 4 wird nachfolgend anhand der 2-7 erläutert.
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Bei der Montage des Koppelelementes 4 wird zunächst die Koppelhülse 6 durch die Bohrungen 5 der ersten Turbinenschaufel 3'und der zweiten Turbinenschaufel 3'' geschoben. Die Bohrungen 5 weisen bevorzugt in beiden Turbinenschaufeln 3', 3'' den gleichen Durchmesser D auf. Hierdurch können alle Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe identisch ausgebildet werden. Die Koppelhülse 6 weist an einem Ende einen Anlagekopf 8 auf, dessen Durchmesser D1 größer ist als der Durchmesser D der Bohrungen 5 in den Turbinenschaufeln 3', 3''. Hierdurch kann die Koppelhülse 6 beim Einschieben in die Bohrungen 5 nicht durch die Bohrung hindurch geschoben werden.
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Nachdem die Koppelhülse durch die Bohrungen 5 hindurch geschoben wurde (3), wird wie in 4 dargestellt, der Koppelstift 10 in die Koppelhülse 6 eingeschraubt. In der Koppelhülse 6 ist hierzu ein Innengewinde 7 und am Koppelstift 10 ein komplementär ausgebildetes Außengewinde 11 ausgebildet. Der Koppelstift 10 weist an dem, dem Anlagekopf 8 der Koppelhülse 6 gegenüberliegenden Ende einen Anlagekopf 12 auf dessen Durchmesser D2 wiederum größer ist als der Durchmesser D der Bohrungen 5. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Koppelelement 4 nach dem Verschrauben der Koppelhülse 6 mit dem Koppelstift 10 verliersicher zwischen den beiden Turbinenschaufel 3', 3'' montiert ist. Das Koppelelement hat dabei nach der Montage und im Stillstand der Turbinenstufe ein gewisses Spiel und lässt sich dadurch sowohl in axialer als auch in radialer Richtung verschieben. Während des Betriebs der Turbine legt sich das Koppelelement 4 auf Grund der Fliehkraft an die Bohrungen 5 an und sorgt dabei für die mechanische Koppelung der beiden Turbinenschaufeln 3'und 3'' und damit für die Schwingungsdämpfung.
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5 zeigt das Koppelelement 4 im montierten Zustand.
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Damit sich die Verschraubung von Koppelhülse 6 und Koppelstift 10 nicht lösen kann wird das dem Anlagekopf 12 gegenüberliegende Ende des Koppelstifts 6 plastisch verformt.
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Hierzu wird z.B. wie in 6 gezeigt, temporär eine Madenschraube 13 in die Koppelhülse 6 geschraubt, wodurch sich das Ende des Koppelstifts 10 plastisch verformt. Anschließend wird die Madenschraube 13 wieder entfernt und das Koppelelement 4 ist damit vollständig montiert (7).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010041702 A1 [0003]
- DE 102017203308 A1 [0004]
