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Die Erfindung betrifft eine Axialturbine,
insbesondere Dampf- oder Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Axial durchströmte Turbinen, insbesondere Dampf-
oder Gasturbinen, weisen eine drehbar gelagerte Welle auf, an der
mindestens ein Schaufelkranz angeordnet ist. Bei diesen Turbinen
werden zur Stabilisierung der Schaufeln gegen Schaufelschwingungen
bei Bedarf im radialen Außenbereich
der Schaufeln Dämpfungseinrichtungen
eingesetzt. Die Wirkung dieser Dämpfungseinrichtungen
beruht darauf, daß die
einzelnen Schaufeln nicht mehr frei stehen und (beispielsweise infolge
strömungsinduzierter
Anregung) einzeln frei schwingen können, sondern daß mehrere
Schaufeln miteinander verbunden werden und so die Eigenfrequenz
des Schaufelpaketes gegenüber
den Eigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln deutlich verändert ist.
Durch die fertigungsbedingt leicht unterschiedlichen Eigenfrequenzen
der Schaufeln in einem Schaufelpaket findet darüber hinaus eine Dämpfung der
Anregung statt. Je nach Art der Dämpfungseinrichtung wird außerdem das
Widerstandsmoment des Schaufelpaketes erheblich gegenüber dem
Widerstandsmoment der einzelnen Schaufel erhöht.
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Typische Dämpfungseinrichtungen dieser Art
sind Dämpfungsdrähte, Dämpfungsstäbe, Klemmkörper (beispielsweise
Kugeln), welche im radialen Außenbereich
in entsprechenden Aufnahmen der einzelnen Schaufeln ruhen und im
Betrieb durch die Fliehkraft die Schaufeln gegeneinander verklemmen,
sowie aufgenietete oder an den Schaufelenden angefräste Deckbänder. Allen
diesen Dämpfungseinrichtungen
ist gemeinsam, daß eine
zusätzliche
Masse im radialen Außenbereich
an den Schaufeln angeordnet wird, was die Fliehkraftbeanspruchung
der Schaufeln, insbesondere des Schaufelfußes erhöht. Wegen dieser zusätzlichen
Fliehkraftbeanspruchung werden bei den am Turbinenende (im Niederdruckbereich
der Turbinen) generell längeren
Schaufeln die Dämpfungseinrichtungen
in der Regel sehr massearm und damit weniger stabil ausgeführt oder
sogar ganz weggelassen, was dazu führt, daß schwingungsinduzierte Schaufelschäden vorwiegend
in diesem Bereich auftreten, wo die Schaufeln nur schwach oder gar
nicht mit Dämpfungseinrichtungen versehen
werden bzw. versehen werden können.
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Die
DE 23 04 043 A1 zeigt in
4 eine
Axialturbine der eingangs angegebenen Art. Dabei sind auf einem
Laufrad in radialer Richtung sich erstreckende Schaufeln angeordnet.
Auf den radial äußeren Enden
dieser Schaufeln ist ein Deckring aufgeschrumpft. Dieser Deckring
besteht aus einem Grundkörper
sowie aus im Material dieses Grundkörpers eingelagerten parallelen
Elementen. Die Breite des Deckringes entspricht dabei in etwa der
Breite der Schaufeln. – Das
Problem bei dieser bekannten Axialturbine besteht in der exakten
axialen Lage des aufgeschrumpften Deckringes. So kann es sehr leicht
zu Positionsabweichungen in axialer Richtung geben.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, bei einer Axialturbine, insbesondere Dampf-
oder Gasturbine, der eingangs angegebenen Art die axiale Lage des
Ringes zu verbessern.
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Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß wird eine Stabilisierung der
Turbinenschaufeln dadurch erreicht, daß alle Schaufeln einer Turbinenstufe
durch einen separaten, bezogen auf seinen Durchmesser sehr dünnen Ring
mechanisch miteinander verbunden werden. Dadurch ergibt sich eine
hohe Stabilität
verbunden mit einer geringen zusätzlichen
Masse, so daß die zusätzlichen
Fliehkräfte
nur gering sind. Darüber
hinaus werden diese zusätzlichen
Fliehkräfte
nicht von den Schaufeln, sondern vom Ring selbst aufgenommen. Der
Ring kann dabei jede beliebige Querschnittsform sowie Ausgestaltung
aufweisen. Die exakte axiale Lage des Ringes wird durch entsprechende
Absätze
an den radialen Außenenden
der Turbinenschaufeln sichergestell. Dabei können diese Absätze in Strömungsrichtung
gesehen vorne liegen.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch
2 schlägt
vor, daß der
Ring auf die radial äußeren Enden
der Schaufeln aufgeschrumpft ist. Die Grundidee besteht darin, daß der Ring
(vorzugsweise aus Metall) im kalten Ausgangszustand mit seinem Innendurchmesser
geringfügig
kleiner als der äußere Durchmesser
des Schaufelkranzes ist. Die Verbindung des Ringes mit dem Schaufelkranz
erfolgt durch Aufschrumpfen, indem der Ring zunächst erwärmt wird. Dadurch vergrößert sich
dessen Innendurchmesser, so daß dieser
größer wird
als der Außendurchmesser
des Schaufelkranzes. Nach dem Abkühlen verringert sich wieder
der Innendurchmesser des Ringes und kommt somit fest an die radialen Außenenden
des Schaufelkranzes zur Anlage. Nach dem Aufschrumpfen steht der
Schrumpfring unter tangentialer Zugspannung, wodurch eine radiale Druckspannung
auf die Turbinenschaufeln ausgeübt wird.
Diese radiale Druckspannung wirkt der im Betrieb auftretenden, durch
die Fliehkraft bedingten Zugspannung entgegen. Dadurch wird die
Schaufel und damit der Schaufelfuß entlastet. Der Schrumpfring
selbst wird neben der Schrumpfspannung durch seine eigene Fliehkraftbeanspruchung
zusätzlich
auf Zug beansprucht. Die auftretende Zugspannung hält sich
jedoch bei Wahl eines geeigneten Schrumpfmaßes in zulässigen Grenzen. Durch diesen
Schrumpfring wird somit eine Stabilisierung der Schaufeln, insbesondere
der langen Schaufeln im Niederdruckbereich der Turbinen bei gleichzeitiger
Verminderung der Fliehkraftbeanspruchung der Schaufeln, insbesondere
des Schaufelfußes
erreicht.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialturbine
wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
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1 ein
Ausschnitt aus der Axialturbine in Anströmrichtung gesehen;
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2 eine
teilweise geschnittene Queransicht der Turbine.
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Die Axialturbine weist eine drehbar
gelagerte Welle 1 auf. An dieser ist ein Kranz von Schaufeln 2 jeweils über einen
Schaufelfuß 3 angeordnet.
Zur Stabilisierung des Schaufelkranzes dient ein umfänglicher
Ring 4 in Form eines Deckbandes, wie er vom Querschnitt
her insbesondere in 2 erkennbar
ist. Zum Definieren einer exakten axialen Lage für den Ring 4 dient
ein Absatz 5.
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Die Befestigung des Ringes 4 auf
den radialen äußeren Enden
der Schaufeln 2 des Schaufelkranzes geschieht folgendermaßen:
Der
Ring 4 aus Metall besitzt im kalten Ausgangszustand einen
Innendurchmesser, welcher geringfügig kleiner ist als der Außendurchmesser
des Schaufelkranzes. Durch Erwärmen
des Ringes 4 vergrößert sich
sein Innendurchmesser, so daß dieser
etwas größer wird
als der Außendurchmesser
des Schaufelkranzes. In diesem Zustand des Ringes 4 kann dieser
auf den Schaufelkranz aufgeschoben werden. Durch das Abkühlen des
Ringes 4 verringert sich wieder dessen Innendurchmesser,
d.h. er schrumpft, so daß er
in fester Anlage an den Schaufelkranz gelangt.
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Nach diesem Aufschrumpfen des Ringes 4 steht
dieser unter tangentialer Zugspannung, wodurch eine radiale, d.h.
nach innen gerichtete Druckspannung auf die Schaufeln 2 ausgeübt wird.
Diese Druckspannung wirkt der im Betrieb auftretenden, durch die
Fliehkraft bedingten Zugspannung entgegen, so daß die Schaufeln 2 und
damit die Schaufelfüße 3 entlastet
werden. Der Ring 4 selbst wird neben der Schrumpfspannung
durch seine eigene Fliehkraftbeanspruchung zusätzlich auf Zug beansprucht. Die
auftretende Zugspannung hält
sich jedoch bei Wahl eines geeigneten Schrumpfmaßes in zulässigen Grenzen.
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- 1
- Welle
- 2
- Schaufel
- 3
- Schaufelfuß
- 4
- Ring
- 5
- Absatz