DE10256778A1

DE10256778A1 - Oscillation dampers for damping vibrations produced by blades in turbines or compressors are arranged between neighboring blades or a rotor and are made from a light rigid non-metallic material

Info

Publication number: DE10256778A1
Application number: DE2002156778
Authority: DE
Inventors: Jaroslaw Dr. Szwedowicz; Christian Dr. Wüthrich
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-01-08

Abstract

Oscillation dampers are arranged between neighboring blades or a rotor and are made from a light rigid non-metallic material. An independent claim is also included for a rotor with blades (14) and oscillation dampers arranged in the damping hollow chambers (22).

Description

Technisches Gebiettechnical area

Die Erfindung betrifft einen Schaufel-Schwingungsdämpfer zur Dämpfung von Schaufelschwingungen von Laufschaufeln gemäss den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.The invention relates to a blade vibration damper damping of blade vibrations of blades according to the features of the generic term of claim 1.

Um die Schwingungen bzw. Vibrationen von Laufschaufeln in Turbinen oder Verdichtern axialer Bauweise zu dämpfen werden bereits seit längerem Schaufel-Schwingungsdämpfer eingesetzt, deren Dämpfungsprinzip auf der Vernichtung der Schwingungsenergie durch Reibung basiert. Derartige Dämpfer werden beispielsweise in Flugzeugtriebwerken, in Axialturbinen von Gasturbinen, eingesetzt. Beispiele für solche, auf dem Prinzip der Reibung basierende Schaufel-Schwingungsdämpfer sind z. B. aus EP-A-0 918 139 und US-A-3 666 376 bekannt. Die Schaufel-Schwingungsdämpfer werden zwischen benachbarten Laufschaufeln eingebaut und durch die während des Betriebes auftretende Fliehkraft an die Schaufeln angepresst. Werden die Schaufeln zu Schwingungen angeregt, tritt an der Kontaktstelle zwischen Schaufel und Schaufel-Schwingungsdämpfer Gleitreibung auf, die zu einer Dämpfung der Schwingung führt. Eine wesentliche Kenngrösse für einen effizient arbeitenden Dämpfer ist das Produkt aus Normalkraft an der Kontaktstelle und dem Reibungskoeffizienten des Dämpfers. Die Normalkraft ist ihrerseits im wesentlichen durch die Masse des Dämpfers und die Beschleunigung in Richtung der Normalkraft infolge der Rotation bestimmt. Für jeden Anwendungsbereich gibt es einen optimalen Wert für das Produkt aus Normalkraft und Reibungskoeffizient und damit auch für die Masse des Dämpfers. Au sserdem muss der Dämpfer in Richtung der Schwingungsauslenkung eine möglichst hohe Steifigkeit aufweisen, um effizient arbeiten zu können. Um diesen Materialanforderungen gerecht zu werden, werden bisher metallische Werkstoffe wie Stahl oder je nach Einsatztemperatur des Dämpfers auch Nickelbasis-Lagierungen eingesetzt, wie dies beispielsweise auch in US-A-4 101 245 beschrieben ist.In order to dampen the oscillations or vibrations of rotor blades in turbines or compressors of axial design, blade vibration dampers have been used for a long time, the damping principle of which is based on the destruction of the vibration energy by friction. Such dampers are used, for example, in aircraft engines, in axial turbines of gas turbines. Examples of such blade vibration dampers based on the principle of friction are e.g. B. from EP-A-0 918 139 and US-A-3 666 376 known. The blade vibration dampers are installed between adjacent blades and pressed against the blades by the centrifugal force that occurs during operation. If the blades are excited to vibrate, sliding friction occurs at the contact point between the blade and the blade vibration damper, which leads to damping of the vibration. An essential parameter for an efficient damper is the product of normal force at the contact point and the coefficient of friction of the damper. The normal force in turn is essentially determined by the mass of the damper and the acceleration in the direction of the normal force due to the rotation. For every application there is an optimal value for the product of normal force and friction coefficient and thus also for the mass of the damper. In addition, the damper must have the highest possible rigidity in the direction of the vibration deflection in order to work efficiently. In order to meet these material requirements, metallic materials such as steel or, depending on the operating temperature of the damper, also nickel-based alloys have been used, as is the case, for example, in US-A-4 101 245 is described.

Die ständig steigenden Anforderungen für Laufräder in Turbinen und Verdichtern führen zu Konstruktionen, bei denen die Anforderungen an die Steifigkeit der Schaufel-Schwingungsdämpfer steigt, wobei gleichzeitig eine immer geringere Dichte der Dämpfer gefordert wird. Bei sehr steifen Laufschaufeln, bei denen die Schaufel-Schwingungsdämpfer radial innen, unter der Plattform der Laufschaufeln in einem Dämpfungshohlraum angeordnet sind, ist es mit den bekannten Mitteln kaum mehr möglich Dämpfer mit genügender Steifigkeit und genügend kleiner Masse herzustellen.The ever increasing demands for impellers in turbines and compressors to constructions where the requirements for rigidity the blade vibration damper rises, at the same time requiring an ever lower density of the dampers becomes. For very stiff blades, where the blade vibration damper is radial inside, under the platform of the blades in a damping cavity are arranged, it is hardly possible with the known means damper enough Stiffness and enough small mass.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Schaufel-Schwingungsdämpfer der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei hoher Steifigkeit eine geringe Masse aufweisen.It is therefore an object of the invention Blade vibration of the type mentioned at the outset, with high rigidity have a low mass.

Diese Aufgabe löst ein Schaufel-Schwingungsdämpfer mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.This task is solved by a blade vibration damper the features of claim 1.

Der Schaufel-Schwingungsdämpfer ist, wie bekannt, zwischen benachbarten Laufschaufeln des Rotors angeordnet und steht während des Betriebes infolge der auftretenden Fliehkräfte in Reibkontakt mit den Laufschaufeln. Der erfindungsgemässe Schaufel-Schwingungsdämpfer ist im wesentlichen aus einem nichtmetallischen, leichten, steifen Werkstoff hergestellt und ist damit hervorragend geeignet, um Schaufelschwingungen von Laufschaufeln axial überströmter Rotoren zu dämpfen.The blade vibration damper is as is known, arranged between adjacent rotor blades and stands during operation due to the centrifugal forces in frictional contact with the blades. The invention Vane vibration damper is essentially made of a non-metallic, light, rigid material manufactured and is therefore ideally suited to vane vibrations of rotor blades with axial flow to dampen.

Besitzt der nichtmetallische Werkstoff ein Verhältnis von Elastizitätsmodul „E" zur Dichte „p", der grösser ist als 25 × 10⁶ m²/s², so weist er ein Verhältnis von Steifigkeit zu Dichte auf, das bestens geeignet ist, auch bei hohen Anforderungen an den Rotor, eine hohe Lebensdauer und gute Dämpfungseigenschaften zu vereinigen.If the non-metallic material has a ratio of modulus of elasticity “E” to density “p” that is greater than 25 × 10 ⁶ m ² / s ² , then it has a ratio of stiffness to density that is ideally suited, even at high ones Requirements for the rotor, a long service life and good damping properties.

Besonders günstig ist die Wahl eines keramischer Werkstoffes. Dies vor allem dort, wo geringe Reibungskoeffizienten gefragt sind und/oder bei sehr hohen Einsatztemperaturen bis über 700°C. Als besonders vorteilhaft haben sich Schaufel-Schwingungsdämpfer aus Siliziumkarbid bzw. Siliziumnitrid erweisen.The choice of a ceramic is particularly favorable Material. This is especially true where there are low coefficients of friction are in demand and / or at very high operating temperatures up to over 700 ° C. To be particularly advantageous have vane vibration dampers made of silicon carbide or silicon nitride.

Ebenfalls sehr vorteilhaft kann der Schaufel-Schwingungsdämpfer aus einem Fasenverbundwerkstoff hergestellt werden. Als besonders günstig hat sich die Wahl von Kohlefasern und/oder Glasfasern als Faserwerkstoff in dem Verbundwerkstoff herausgestellt. Der Anteil der Verstärkungsfasern am Gesamtvolumen beträgt etwa 30 vol.-%. bis 70 vol.-%. und bewegt sich insbesondere in einem Bereich von 40 vol.-% bis 60 vol.-%. Schaufel-Schwingungsdämpfer aus einem Faserverbundwerkstoff sind günstig in der Herstellung und bestens geeignet für den Einsatz bei mittleren und tiefen Temperaturen.The can also be very advantageous Blade vibration be made from a bevel composite. As special Cheap has the choice of carbon fibers and / or glass fibers as fiber material highlighted in the composite. The proportion of reinforcing fibers of the total volume about 30 vol .-%. up to 70 vol .-%. and moves in particular in one Range from 40 vol .-% to 60 vol .-%. Vane vibration damper made of a fiber composite material are cheap in production and ideally suited for use with medium-sized companies and low temperatures.

Sind die im Faserverbundwerkstoff verwendeten Fasern unidirektional, so lässt sich die Steifigkeit gezielt in der gewünschten Richtung erhöhen. Besonders günstig ist es beispielsweise, wenn die Fasern unidirektional etwa in Reibungsrichtung ausgerichtet sind. Die Fasern liegen dabei vorzugsweise in Form kontinuierlicher Fasern oder in Form eines Gewebes vor.If the fibers used in the fiber composite material are unidirectional, the stiffness can be achieved aims to increase in the desired direction. It is particularly favorable, for example, if the fibers are oriented unidirectionally, for example in the direction of friction. The fibers are preferably in the form of continuous fibers or in the form of a fabric.

Als Matrix des Faserverbundwerkstoffes sind für Temperaturen bis 200°C Epoxidharze besonders gut geeignet oder für Temperaturen bis zu 400°C thermoplastische Materialien, wie insbesondere PEEK.As a matrix of the fiber composite material are for Temperatures up to 200 ° C Epoxy resins are particularly suitable or thermoplastic for temperatures up to 400 ° C Materials such as PEEK in particular.

Ein Rotor, bei dem erfindungsgemässe Schaufel-Schwingungsdämpfer radial innen, unterhalb von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Plattformen der Laufschaufeln angeordnet sind, weist besonders tiefe Schwingungsamplitude der Laufschaufeln und damit eine höhere Lebensdauer derselben auf.A rotor, in the case of the blade vibration damper according to the invention, radially inside, below platforms that extend in the circumferential direction the blades are arranged, has particularly low vibration amplitude the blades and thus a longer life of the same on.

Auch die Schaufeln von Rotoren, bei denen die erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfer in Nuten von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Konsolen angeordnet sind, weisen sehr günstige Schwingungswerte und eine höhere Lebensdauer auf.The blades of rotors, too which the inventive Vane damper in Grooves of consoles extending in the circumferential direction are arranged are very cheap Vibration values and a higher one Lifespan.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer abhängiger Patentansprüche.Further preferred embodiments are subject to more dependent Claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen rein schematisch:The following is the subject of the invention based on preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings. It show purely schematically:

1 einen Teil eines Rotors im Schnitt quer zu seiner Rotationsachse mit erfindungsgemässem Schaufel-Schwingungsdämpfer; 1 a part of a rotor in cross section to its axis of rotation with the inventive blade vibration damper;

2 in Vergrösserung den Bereich mit dem Schaufel-Schwingungsdämpfer aus 1 mit einem Schaufel-Schwingungsdämpfer leicht abgewandelter Geometrie ; 2 enlarged the area with the blade vibration damper 1 with a slightly modified geometry vibration damper;

3 in einer analogen Darstellungsweise zu 1 eine andere Ausführungsform eines Rotors mit einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfers; 3 in an analogous representation 1 another embodiment of a rotor with a further embodiment of the blade vibration damper according to the invention;

4 in Vergrösserung den Bereich mit dem Schaufel-Schwingungsdämpfer aus 3; und 4 enlarged the area with the blade vibration damper 3 ; and

5 ein Beispiel für einen Faserverbundwerkstoff mit unidirektional ausgerichtete Fasern, wie er zur Herstellung eines erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfers verwendet werden kann; 5 an example of a fiber composite material with unidirectionally oriented fibers, as it can be used to produce a blade vibration damper according to the invention;

6 ein Beispiel für einen Faserverbundwerkstoff mit einer Gewebeverstärkung, wie er zur Herstellung eines erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfers verwendet werden kann; und 6 an example of a fiber composite material with a fabric reinforcement, such as can be used for the production of a blade vibration damper according to the invention; and

7a, 7b weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfers. 7a . 7b further embodiments of the blade vibration damper according to the invention.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebene Ausführungsform steht beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und hat keine beschränkende Wirkung.The ones used in the drawings Reference symbols and their meaning are in the list of reference symbols summarized listed. Basically are in the figures Identical parts with the same reference numerals. The one described embodiment is an example of the subject of the invention and has no restrictive effect.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to Execute the invention

Die 1 und 3 zeigen jeweils einen Teil eines Rotors 10, 10' im Schnitt durch seine Drehachse (nicht dargestellt). Der Rotor 10, 10' weist eine Rotorscheibe 12 auf, in der Laufschaufeln 14 befestigt sind. Für die Befestigung sind die Laufschaufeln 14 mit ihren Schaufelfüssen 16 axial in dafür vorgesehenen, sich axial erstreckende Radialnuten 17 der Rotorscheibe 12 eingeschoben. Die Schaufelblätter 18 der Laufschaufeln 14 stehen radial nach aussen von der Rotorscheibe 12 ab. Die Laufschaufeln 14 weisen benachbart zur Oberfläche der Rotorscheibe 12 Plattformen 20 auf, die sich jeweils von den Schaufeln 14 weg in Umfangsrichtung erstrecken.The 1 and 3 each show part of a rotor 10 . 10 ' in section through its axis of rotation (not shown). The rotor 10 . 10 ' has a rotor disc 12 on, in the blades 14 are attached. The blades are for attachment 14 with their shovel feet 16 axially in intended, axially extending radial grooves 17 the rotor disc 12 inserted. The shovel blades 18 the blades 14 stand radially outwards from the rotor disc 12 from. The blades 14 point adjacent to the surface of the rotor disk 12 platforms 20 on, each one from the blades 14 extend away in the circumferential direction.

In 1 begrenzen die Plattformen 20 je zweier benachbarter Laufschaufeln 14 zusammen mit der Rotorscheibe 12 einen Dämpfungshohlraum 22. In anderen Ausführungsformen des Rotors kann der Dämpfungshohlraum 22 ausserdem noch von weiteren Bauelementen, wie beispielsweise den Schaufelfüssen 16 begrenzt sein. Im Dämpfungshohlraum 22 ist radial innen, unterhalb der Plattformen 20 ein erfindungsgemässer Schaufel-Schwingungsdämpfer 24 aus einem keramischem Werkstoff, in diesem speziellen Beispiel aus Siliziumkarbid an geordnet, der zur Dämpfung der während des Betriebes auftretenden Schwingungen der Laufschaufeln 14 dient. Je nach den spezifischen Anforderungen könnte hier als keramischer Werkstoff auch Siliziumnitrid eingesetzt sein, oder aber ein Faserverbundwerkstoff, wie er weiter unten beschrieben ist. Die radial innen liegenden Oberflächen der Plattformen 20 bilden Reibungskontaktflächen 26, die während des Betriebes mit den Reibflächen 27 der erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfer 24 in Reibkontakt stehen. In 2 ist dies deutlich zu erkennen. Durch die Reibung zwischen den Reibflächen 27 der erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfer 24 und den Reibkontaktflächen 26 der Laufschaufeln 14 wird während des Betriebes Schwingungsenergie vernichtet und dadurch die Schwingung der Laufschaufeln gedämpft und so deren Lebensdauer erhöht.In 1 limit the platforms 20 two adjacent blades each 14 together with the rotor disc 12 a damping cavity 22 , In other embodiments of the rotor, the damping cavity 22 also from other components, such as the blade feet 16 be limited. In the damping cavity 22 is radially inside, below the platforms 20 a blade vibration damper according to the invention 24 made of a ceramic material, in this particular example made of silicon carbide, which is used to dampen the vibrations of the rotor blades that occur during operation 14 serves. Depending on the specific requirements, silicon nitride could also be used here as the ceramic material, or a fiber composite material as described below. The radially inner surfaces of the platforms 20 form friction contact surfaces 26 which during operation with the friction surfaces 27 the blade vibration damper according to the invention 24 to be in frictional contact. In 2 this can be clearly seen. Due to the friction between the friction surfaces 27 the blade vibration damper according to the invention 24 and the friction contact surfaces 26 the blades 14 vibration energy is destroyed during operation and the vibration of the rotor blades is thereby damped, thus increasing their service life.

Bei der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform des Rotors 10' ist, im Gegensatz zu der Ausführungsform des Rotors 10 in den 1 und 2 der Dämpfungshohlraum 22 nicht im Bereich zwischen den Plattformen 20 und der Rotorscheibe 12 angeordnet, sondern im Bereich der Schaufelspitzen 28. Die Laufschaufeln 14 weisen im Bereich ihrer Schaufelspitzen 28 sich in Umfangsrichtung erstreckende Konsolen 30, auch Deckplatten genannt, auf, die primär der Strömungsführung im Bereich der Schaufelspitzen 28 dienen sollen. Wie in der vergrösserten Darstellung der 4 deutlich erkennbar, weisen die Konsolen 30 jeweils Konsolennuten 32 auf, die sich ebenfalls in Umfangsrichtung erstrecken und deren Öffnungen aufeinander zu weisen. Die Konsolennuten 32 begrenzen zusammen wiederum einen Dämpfungshohlraum 22, der je einen Schaufel-Schwingungsdämpfer 24^` aufnimmt. Die radial gegen innen ausgerichteten Oberflächen der Konsolennuten 32 dienen als Reibkontaktflächen 26 und stehen während des Betriebes mit den Reibflächen 27 der Schaufel-Schwingungsdämpfer 24' in Reibkontakt. Entsprechend der spezifischen Anforderungen im Bereich der Schaufelspitzen sind die hier eingesetzten Schaufel-Schwingungsdämpfer 24' aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt. Aber auch hier ist es natürlich je nach Anforderungsprofil denkbar keramische Schaufel-Schwingungsdämpfer einzusetzen.In the in the 3 and 4 shown embodiment of the rotor 10 ' is, in contrast to the out leadership of the rotor 10 in the 1 and 2 the damping cavity 22 not in the area between the platforms 20 and the rotor disc 12 arranged, but in the area of the blade tips 28 , The blades 14 point in the area of their blade tips 28 consoles extending in the circumferential direction 30 , also called cover plates, which primarily guide the flow in the area of the blade tips 28 should serve. As in the enlarged representation of the 4 the consoles are clearly recognizable 30 each console slots 32 on, which also extend in the circumferential direction and have their openings facing each other. The console grooves 32 together again limit a damping cavity 22 , each with a blade vibration damper 24 ^` receives. The radially inward facing surfaces of the console grooves 32 serve as friction contact surfaces 26 and stand with the friction surfaces during operation 27 the blade vibration damper 24 ' in frictional contact. The blade vibration dampers used here are in accordance with the specific requirements in the area of the blade tips 24 ' made of a fiber composite material. But of course, depending on the requirement profile, it is also conceivable to use ceramic blade vibration dampers.

Insbesondere bei Laufschaufeln 14 mit einer grossen radialen Länge können Konsolen 30, wie sie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben sind, auch im Bereich zwischen den Schaufelspitzen 28 und den Plattformen 20 ausgebildet sein. Solche Konsolen 30 werden dann nicht Deckplatten genannt und dienen im Gegensatz zu den Deckplatten nicht der Strömungsführung sondern der Stabilisierung der Schaufeln. Aber auch solche Konsolen 30 können zur Aufnahme von Schaufel-Schwingungsdämpfern 24, 24' eine entsprechende in Umfangsrichtung ausgerichtete Nut 32 aufweisen.Especially with blades 14 with a large radial length can consoles 30 , as described in the previous section, also in the area between the blade tips 28 and the platforms 20 be trained. Such consoles 30 are then not called cover plates and, in contrast to the cover plates, do not serve to guide the flow but to stabilize the blades. But also such consoles 30 can be used to accommodate blade vibration dampers 24 . 24 ' a corresponding groove aligned in the circumferential direction 32 exhibit.

Erfindungsgemäss ist der in den 3 und 4 gezeigte Schaufel-Schwingungsdämpfer 24' aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt. Ein Beispiel für einen unbearbeiteten Materialblock, aus dem ein erfindungsgemässer Schaufel-Schwingungsdämpfer 24', beispielsweise durch Fräsen gewonnen werden kann, ist in 5 gezeigt. Als Verstärkungsfasern dienen in diesem Fall kontinuierliche, unidirektional ausgerichtete Kohlefasern 42, die in einer Matrix 44 aus PEEK eingebettet sind und zwar mit einem Volumenanteil von etwa 60 vol.-%. Der Schaufel-Schwingungsdämpfer 24' wird derart aus dem Materialblock herausgearbeitet, dass die Fasern etwa in Reibrichtung ausgerichtet sind. Statt der unidirektionalen Fasern 42 können auch Gewebe 46 in die Matrix 44 eingebettet sein, wie dies in 6 veranschaulicht ist. In beiden Fällen können statt PEEK als Matrix 44 natürlich auch andere thermoplastische Kunststoffe, wie aromatische Polyetherketone und Polyimide, oder aber Epoxidharze verwendet werden. Statt der Kohlefasern 42 können auch Glasfasern und/oder Aramidfasern oder auch ein Gemisch aus diesen Fasern zum Einsatz kommen. Besonders bei Geweben 46 ist es möglich entsprechend der auftretenden Reibrichtungen zwischen den Reibkontaktflächen 26 der Laufschaufeln 14 und den Reibflächen 27 der Schaufel-Schwingungsdämpfer 24' die Fasern der einen Richtung steifer, z. B. in Form von dickeren Faserbündeln, und die der anderen Richtung etwas weniger steif, in Form von dünneren Faserbündeln, auszugestalten. Unterschiedliche Steifigkeiten lassen sich aber z. B. auch durch die Verwendung von Kohlefasern in der einen und von Glasfasern in der anderen Richtung erreichen. Auch Laminate aus mehreren Schichten und somit mit mehr als zwei Richtungen von unidirektionalen Fasern sind für die Schaufel-Schwingungsdämpfer aus Faserverbundwerkstoffen geeignet. Bei in Schichten aufgebauten Schaufel-Schwingungsdämpfern 24, 24' ist es auch denkbar zur Verstärkung dünne Metallschichten zwischen den nichtmetallischen Schichten vorzusehen.According to the invention in the 3 and 4 Shovel vibration damper shown 24 ' made of a fiber-reinforced plastic. An example of an unprocessed block of material, from which a blade vibration damper according to the invention 24 ' , for example, can be obtained by milling, is in 5 shown. In this case, continuous, unidirectionally oriented carbon fibers serve as reinforcing fibers 42 that are in a matrix 44 are embedded from PEEK with a volume fraction of about 60 vol .-%. The blade vibration damper 24 ' is worked out of the material block in such a way that the fibers are aligned approximately in the rubbing direction. Instead of the unidirectional fibers 42 can also tissue 46 into the matrix 44 be embedded like this in 6 is illustrated. In both cases you can use PEEK as a matrix 44 of course, other thermoplastic materials, such as aromatic polyether ketones and polyimides, or epoxy resins can be used. Instead of carbon fibers 42 glass fibers and / or aramid fibers or a mixture of these fibers can also be used. Especially with fabrics 46 it is possible according to the friction directions between the friction contact surfaces 26 the blades 14 and the friction surfaces 27 the blade vibration damper 24 ' the fibers stiffer in one direction, e.g. B. in the form of thicker fiber bundles, and the other direction somewhat less stiff, in the form of thinner fiber bundles. Different stiffness can be z. B. also by using carbon fibers in one direction and glass fibers in the other. Laminates of several layers and thus with more than two directions of unidirectional fibers are also suitable for the blade vibration dampers made of fiber composite materials. In the case of vane vibration dampers built up in layers 24 . 24 ' it is also conceivable to provide thin metal layers between the non-metallic layers for reinforcement.

Bei speziellen Anforderungen an den Reibungskoeffizienten ist es möglich die Reibfläche 27, 27' der Schaufel-Schwingungsdämpfer 24, 24' mittels einer speziellen Reibschicht 29 zu bilden, wie dies in den 7a, 7b gezeigt ist. Als Reibschicht 29 kann eine dünne Metallschicht mit dem Körper 31 des Schaufel-Schwingungsdämpfers 24, 24' verbunden werden (7a). Ebenso kann diese Reibschicht 29 aber auch gebildet werden durch das disperse Einbringen spezieller Komponenten, wie z. B. Blei, PTFE oder ähnlichem zur Minderung des Reibungskoeffizienten oder aber harter Metalle oder Kunststoffe zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten, in die oberste Schicht des Körpers 31 des Schaufel-Schwingungsdämpfers 24, 24' (7b). Dabei spielt es jeweils keine Rolle ob der Körper 31 des Schaufel-Schwingungsdämpfers 24, 24' aus einem keramischen Werkstoff (7a) oder einem Faserverbundwerkstoff (7b) besteht. Eine Verbindung zwischen einer metallischen Reibschicht 29 und a) einem keramischen Körper 31 kann beispielsweise durch Kleben oder Löten, und b) einem Körper aus Faserverbundwerkstoff kann beispielsweise durch Kleben oder Pressschweissen erfolgen.With special requirements on the coefficient of friction, it is possible to use the friction surface 27 . 27 ' the blade vibration damper 24 . 24 ' using a special friction layer 29 to form like this in the 7a . 7b is shown. As a friction layer 29 can have a thin metal layer with the body 31 of the blade vibration damper 24 . 24 ' get connected ( 7a ). This friction layer can also be used 29 but are also formed by the disperse introduction of special components, such as. As lead, PTFE or the like to reduce the coefficient of friction or hard metals or plastics to increase the coefficient of friction, in the top layer of the body 31 of the blade vibration damper 24 . 24 ' ( 7b ). It does not matter whether the body 31 of the blade vibration damper 24 . 24 ' made of a ceramic material ( 7a ) or a fiber composite material ( 7b ) consists. A connection between a metallic friction layer 29 and a) a ceramic body 31 can be done for example by gluing or soldering, and b) a body made of fiber composite material can be done for example by gluing or pressure welding.

Der Vorteil des erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfers 24, 24' aus im wesentlichen einem nicht metallischen Werkstoff liegt in seiner geringen Masse und seiner hohen Steifigkeit, was zu einem idealen Verhältnis von E-Modul und Dichte ρ, führt. Dies gilt selbst bei Wahl einer metallischen Reibschicht 29 oder dünnen metallischen Zwischenschichten im Körper 31 des Schaufel-Schwingungsdämpfer 24, 24', da die Masse eines solchen Schaufel-Schwingungsdämpfer 24, 24' immer noch viel geringer ist als die Masse eines ganz aus Metall gefertigten Schaufel-Schwingungsdämpfers, wie er heute eingesetzt wird. Dass Verhältnis von E-Modul und Dichte ρ ist jeweils grösser als 30∙10⁶ m²/s². Dabei ist durch entsprechende Wahl des nichtmetallischen Materials, d. h. der Keramik oder des Faserverbundwerkstoffes, der Art der Keramik bzw. der Zusammensetzung des Faserverbundwerkstoffes (Kohle- und/oder Glas- und/oder Aramidfaser, Anteil 30–70 vol.-%, Länge, Ausrichtung und Volumenanteil der Fasern, Epoxidharz oder thermoplastisches Kunststoff als Matrix) und der Ausgestaltung der Reibschicht 29 eine individuelle Anpassung auch an sehr hohe Anforderungen, z. B. bezüglich Steifigkeit, Masse, Reibungskoeffizient und Temperaturbeständigkeit möglich.The advantage of the blade vibration damper according to the invention 24 . 24 ' essentially made of a non-metallic material lies in its low mass and high rigidity, which leads to an ideal ratio of modulus of elasticity and density ρ. This applies even when choosing a metallic friction layer 29 or thin metallic interlayers in the body 31 of the blade vibration damper 24 . 24 ' , because the mass of such a blade vibration damper 24 . 24 ' is still much smaller than the mass of an all-metal blade vibration damper as used today. The ratio of modulus of elasticity and density ρ is greater than 30 ∙ 10 ⁶ m ² / s ² . It is by appropriate choice of the non-metallic material, i. H. the ceramic or the fiber composite material, the type of ceramic or the composition of the fiber composite material (carbon and / or glass and / or aramid fiber, proportion 30-70 vol .-%, length, orientation and volume fraction of the fibers, epoxy resin or thermoplastic as a matrix) and the design of the friction layer 29 an individual adaptation to very high requirements, e.g. B. possible with regard to rigidity, mass, coefficient of friction and temperature resistance.

In der unten gezeigten Tabelle 1 sind beispielhaft für erfindungsgemässe nichtmetallische Werkstoffe der E-Modul, die Dichte, und das Verhältnis von E-Modul zu Dichte für einige ausgewählte Materialien im Vergleich mit den typischen Werten für sonst verwendeten Stahl bzw. Nickelbasislegierung angegeben.In Table 1 shown below are exemplary of invention non-metallic materials the modulus of elasticity, the density, and the ratio of Modulus of elasticity for some selected Materials compared to the typical values for otherwise steel or nickel-based alloy used.

Tabelle 1

Table 1

Es ist selbstverständlich, dass die geometrische Form der Schaufel-Schwingungsdämpfer 24, 24' nicht auf die gezeigten Formen beschränkt ist, sondern beliebig ist. So können z. B. Formen, wie sie in US-A-4 101 245 , EP-A-O 918 139 und US-A-3 666 376 beschrieben sind, erfindungsgemäss aus nichtmetallischen Werkstoffen hergestellt sein.It goes without saying that the geometric shape of the blade vibration damper 24 . 24 ' is not limited to the shapes shown, but is arbitrary. So z. B. Shapes as in US-A-4 101 245 . EP-AO 918 139 and US-A-3 666 376 are described, are produced according to the invention from non-metallic materials.

Zur Dämpfung der Schaufelschwingungen werden die erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfer 24, 24' in bekannter Weise während des Betriebes durch die auftretenden Fliehkräfte von radial innen gegen die Reibkontaktflächen 26, 26' der Laufschaufeln 14 gedrückt und stehen so mit diesen in Reibkontakt, so dass sie ihre dämpfende Wirkung entfalten können.For damping the blade vibrations, the blade vibration dampers according to the invention are used 24 . 24 ' in a known manner during operation by the centrifugal forces occurring from the inside radially against the friction contact surfaces 26 . 26 ' the blades 14 pressed and are in frictional contact with them so that they can develop their damping effect.

10, 10'10 10 ': Rotorrotor
1212: Rotorscheiberotor disc
1414: Laufschaufelblade
1616: Schaufelfussblade root
1717: Radialnutradial groove
2020: Schaufelblattairfoil
2020: Plattformplatform
2222: Dämpfungshohlraumdamping cavity
24, 24'24 24 ': Schaufel-SchwingungsdämpferBlade vibration
2626: Reibkontaktflächenfrictional contact surfaces
2727: Reibflächefriction surface
2828: Schaufelspitzeblade tip
2929: Reibschichtfriction
3030: Konsoleconsole
3131: Körperbody
3232: KonsolennutenKonsolennuten
4242: Kohlefasercarbon fiber
4444: Matrixmatrix
4646: Gewebetissue

Claims

Blade vibration damper for damping blade vibrations of rotor blades with axially overflowed rotors, the blade vibration damper being arranged between adjacent rotor blades and having their friction surfaces in frictional contact with the friction contact surfaces of the rotor blades due to the centrifugal forces occurring during operation, characterized in that they are in the are essentially made of a light, rigid, non-metallic material.

Blade vibration damper according to claim 1, characterized in that the blade vibration damper ( 24 . 24 ' ) a body ( 31 ) made of an essentially non-metallic material that has a ratio of elastic modulus "E" to density "ρ" that is greater than 30 x 10 ⁶ m ² / s ² .

Vane vibration damper according to claim 2, characterized in that a friction layer ( 29 ), the surface of which is the friction surface ( 27 ) of the blade vibration damper ( 24 . 24 ' ) forms friction with the body ( 31 ) connected is.

Vane vibration damper according to claim 3, characterized in that the friction layer ( 29 ) is a thin metal layer or a non-metallic edge layer of the body ( 31 ) of the blade vibration damper ( 24 . 24 ' ), which has dispersed inclusions that change the coefficient of friction.

Blade vibration according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the non-metallic material a ceramic material, specifically silicon carbide or silicon nitride.

Blade vibration according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the non-metallic material is a fiber composite material, preferably with a fiber content of 30 vol .-%. up to 70 vol.%, in particular from 40 vol.% to 60 vol .-%.

Vane vibration damper according to claim 6, characterized in that the fiber composite material as fibers ( 42 ) Has carbon fibers and / or glass fibers and / or aramid fibers, the fibers ( 42 ) are preferably unidirectional, approximately aligned in Rei direction.

Vane vibration damper according to claim 6 or 7, characterized in that the fibers used in the fiber composite material ( 42 ) in the form of continuous fibers ( 42 ) unidirectional or in the form of a fabric ( 46 ) are available.

Vane vibration damper according to one of claims 6 to 8, characterized in that the fibers ( 42 ) of the fiber composite material in a matrix ( 44 ) made of thermoplastic material, such as in particular PEEK, or an epoxy resin.

Vane vibration damper according to one of the preceding claims, characterized in that it radially on the inside, below platforms extending in the circumferential direction ( 20 ) of the blades ( 14 ) are arranged or in console grooves ( 32 ) of consoles extending in the circumferential direction ( 30 ) of the blades ( 14 ) whose openings face each other.

Rotor with blades ( 14 ) and with in damping cavities ( 22 ) arranged blade vibration dampers, the damping principle of which is based on friction, characterized in that the blade vibration dampers ( 24 . 24 ' ) are essentially formed from a non-metallic material according to one of the above claims.