DE10340773A1

DE10340773A1 - Rotor einer Dampf- oder Gasturbine

Info

Publication number: DE10340773A1
Application number: DE10340773A
Authority: DE
Inventors: Hans-Egon Brock; Günter Dr. Neumann; Hans- O. Dr. Jeske
Original assignee: MAN Turbomaschinen AG
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24
Also published as: EP1512838A3; RU2347913C2; US20050047917A1; RU2004126590A; EP1512838A2; JP2005076638A; US7104758B2

Abstract

Der Rotor einer Dampf- oder Gasturbine ist mit Laufschaufeln bestückt, die in mehreren radialen Reihen in dem Rotor (6) gehalten sind und die jeweils aus einem in den Rotor (6) eingebauten Schaufelfuß (1), einem Schaufelblatt (2) und einer Deckplatte (3) bestehen. In den einander gegenüberstehenden Neigungsflächen der Deckplatten (3) einer Reihe von Laufschaufeln ist eine offene Tasche (5) eingebracht. Die Taschen (5) zweier benachbarter Deckplatten (3) bilden zusammen einen im wesentlichen geschossenen Hohlraum, der sich in radialer Richtung des Rotors (6) erweitert. In jeden Hohlraum ist ein Stift (4) frei beweglich eingelegt, dessen größter Querschnitt kleiner als der größte Querschnitt des Hohlraumes, aber größer ist als der kleinste Querschnitt des Hohlraumes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Dampf- oder Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die Anwendung der Erfindung in einer Dampfturbine. Die Aussagen gelten analog auch für Gasturbinen.
Dampfturbinen werden hauptsächlich als Kraftwerksturbinen zur Stromerzeugung und als Industrieturbinen zum Antrieb von Generatoren, Pumpen, Gebläsen und Kompressoren angewendet. Die Dampfturbine ist eine Wärmekraftmaschine mit rotierenden Laufteilen, in der das Enthalpiegefälle des stetig strömenden Dampfes in einer oder mehreren Stufen in mechanische Arbeit umgewandelt wird.
Die Beschaufelung des rotierenden Laufteiles der Turbine soll den Wärmeinhalt des Dampfes möglichst verlustlos in Geschwindigkeitsenergie umwandeln und die dabei auftretenden Kräfte auf die Welle und das Gehäuse der Turbine übertragen. Der Dampf strömt dabei aus einem Raum höheren Druckes durch eine Düse in einen Raum geringeren Druckes. Je größer der Druckunterschied ist, desto größer ist die erzielte Dampfgeschwindigkeit. Nach dem Austritt aus der Düse trifft der Dampf auf das gekrümmte Profil der ersten Laufschaufelstufe, der so genannten Regelstufe. Anschließend erfolgt die Umlenkung in der feststehenden Leitschaufelstufe, um dann wieder durch die nächste Laufschaufelstufe zu strömen. Je nach Bauart und Größe der Turbine wiederholt sich der Vorgang mehrfach. Die Profillänge der Lauf- und Leitschaufeln nimmt in Strömungsrichtung zu. Dadurch vergrößert sich der durchströmte Raum mit der Folge, dass sich der Druck und die Temperatur des Dampfes reduzieren. Große Turbinen sind in einen Hoch-, Mittel- und Niederdruckteil unterteilt.
Das Profil jeder Schaufel ist ein Kompromiss zwischen strömungstechnischen, festigkeitsmäßigen, schwingungstechnischen und wirtschaftlichen Forderungen. Die Schaufelprofile stehen mit meist geometrisch abgestuften Sehnenlängen zur Verfügung. Die Schaufeln in einer Turbine werden vielseitig beansprucht und belastet. Um eine lange Betriebsdauer zu gewährleisten und Schadensfälle zu vermeiden, müssen die Schaufeln entsprechend sicher gestaltet und ausgelegt werden. Eine Laufschaufel muss z. B. eine ausreichende Festigkeit besitzen, um die Belastung durch die auftretenden Zentrifugalkräfte sowie die Biegung aufgrund des zu übertragenden Drehmoments aufzunehmen. Weitere Belastungsfaktoren sind die Temperatur am Eintritt von bis maximal 530°C und im Niederdruckbereich die durch Dampfnässe auftretende Erosionskorrosion an den Profileintrittsseiten.
Zusätzlich zu der Beanspruchung durch Zentrifugalkräfte, Temperatur und Erosionskorrosion kommt noch die Schwingbeanspruchung an den Laufschaufeln hinzu. Die Laufschaufeln werden durch den strömenden Dampf in Verbindung mit anderen einwirkenden Kräften zum Schwingen angeregt. Die Schwingbeanspruchung führt längerfristig zu einer Gefügeveränderung des Schaufelmaterials. Es bilden sich zunächst im oberflächennahen Bereich Anrisse in submikroskopischer Größe, die sich im Laufe der Zeit vereinigen. Nach der Schädigungsphase der Rissvereinigung wird schließlich ein technischer Anriss gebildet, der senkrecht zur größten Hauptnormalspannung verläuft und eine beträchtliche Spannungsüberhöhung an den Rissspitzen auslöst. Wird der Riss nicht erkannt oder die Schaufel nicht ersetzt, kommt es am Ende des Vorgangs zum Ermüdungsbruch. In der Werkstofftechnik gehören Schäden durch Schwingbeanspruchung zu den häufigsten Schadensursachen, da einerseits die tatsächlichen Beanspruchungskollektive nicht bekannt sind, und zum anderen infolge der Vielzahl der werkstofftechnischen Einflussfaktoren keine geschlossene Theorie aufgestellt werden kann.
Zur Dämpfung der Schwingungen an Laufschaufeln von Dampfturbinen werden unter anderem folgende Lösungen angewendet.
Bei größeren Endstufenschaufeln im Niederdruckbereich der Turbine dämpft ein in Bohrungen im Profilbereich umlaufender Draht die Schwingungen.
Bei Laufschaufeln, die nur durch eine geringe Umfangsgeschwindigkeit belastet werden, wird ein Deckband mittels Nietzapfen am Profilende der im Turbinenrotor eingebauten Schaufeln segmentweise angenietet. Die Ausführung kam an älteren Turbinen häufig zur Anwendung. Bei heutigen Turbinen mit großen Umfangsgeschwindigkeiten ist die Festigkeit der Nietverbindung nicht ausreichend. Hier scheidet die genietete Ausführung aus.
Im Hoch- und Mitteldruckbereich von Turbinen werden heute fast ausschließlich Deckplattenlaufschaufeln verwendet, die gute Festigkeitseigenschaften mit hohen Wirkungsgraden verbinden. Die Schaufel und das zu ihr gehörende Stück Deckband (Deckplatte) bilden bei dieser Ausführung eine Einheit. Die Deckplatten der einzelnen Laufschaufeln bilden nach ihrem Einbau im Turbinenläufer einen Ring. Die Schwingungsdämpfung erfolgt bei ihnen an den Berührungsflächen zwischen den einzelnen Schaufeln. Der Nachteil der geringen Festigkeit der Nietverbindung wird auf diese Weise vermieden.
Die Ausführung der mit Deckplatten versehenen Laufschaufeln hat jedoch die folgenden Schwachpunkte. In der Praxis ist es nicht immer möglich, aufgrund der an jeder Laufschaufel unterschiedlich vorhandenen Toleranzen in einer Stufe mit z. B. 100 Laufschaufeln diese spielfrei zueinander einzubauen. Ein weiterer Grund sind die großen Zentrifugalkräfte, die im Betriebszustand der Turbine auf jede einzelne Laufschaufel wirken. Die Zentrifugalkräfte führen dazu, dass sich die Schaufeln etwas nach außen versetzen. Da jede Laufschaufel mit ihren Fuß- und Deckplattenflächen einen Keil bildet, kommt es durch die beschriebene Setzbewegung der Schaufeln nach außen zu einer Spaltbildung an den Deckplattenflächen zwischen den einzelnen Laufschaufeln. Infolge der Spaltbildung werden die Schwingungen nicht mehr wie gewünscht gedämpft.
Um den beschriebenen Nachteil durch die Spaltbildung zwischen den Deckplatten der Laufschaufeln zu vermeiden, stehen mehrere bekannte Lösungen zur Verfügung.
In den beiden Planflächen der Deckplatten wird nach dem Einbau der Laufschaufeln in den Turbinenrotor je eine Plannut eingedreht, in der dann ein umlaufender Draht eingebracht wird. Durch den Draht sind die Schaufeln miteinander verbunden, und die Schwingungen werden gedämpft. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass eine ausreichende Deckplattenhöhe zur Verfügung stehen muss, um den Draht einbauen zu können. Ein großes Deckplattengewicht führt aufgrund der zu beachtenden Ergebnisse bei der Festigkeitsberechnung zu einer Reduzierung der möglichen Drehzahl der Turbine.
Bei einer zweiten Ausführung werden die Deckplatten mit einer geringen Winkelverdrehung zum Schaufelfuß gefertigt. Nach ihrem Einbau in den Turbinenrotor stehen die Laufschaufeln unter einer gewissen Torsionsspannung, die die Spaltbildung kompensiert und dadurch die Schwingungsdämpfung gewährleistet. Die Lösung ist jedoch fertigungstechnisch teuer und schwierig auszulegen.
Ferner müssen die Laufschaufeln für ihre Anwendung eine gewisse Mindestlänge haben, um überhaupt eine Torsionsspannung erzeugen zu können. Längerfristig baut sich die Spannung durch Verschleiß an den Berührungsflächen und Materialermüdung ab. Dann ist die Schwingungsdämpfung nicht mehr vorhanden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Laufschaufeln des Turbinenrotors mit einer sicher wirkenden Dämpfung zu versehen, die einfach und mit geringen Kosten zu fertigen ist. Die Erfindung soll auch an Laufschaufeln anwendbar sein, die in Turbinen mit hoher Drehzahl eingebaut werden, sowie an Laufschaufeln, die eine kleine Gesamtlänge und eine kleine Deckplattenhöhe aufweisen.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Rotor erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der Erfindung wird in den beiden Neigungsflächen der Deckplatten je eine keilförmige Tasche eingearbeitet. Beim Einbau der Laufschaufeln bilden jeweils zwei Taschen an den Berührungsflächen der Deckplatten einen im wesentlichen allseitig geschlossenen Hohlraum, der die Form eines Tropfens bzw. einer Birne aufweist. In jedem Hohlraum wird beim Einbau der Laufschaufel an den Rotor ein Stift eingelegt, der in seiner Form und seiner Größe an den Hohlraum angepasst ist. Der Stift kann eine zylindrische oder, ähnlich der Tasche, auch eine profilierte Form haben. Wichtig ist, dass der Stift mit seinem Querschnitt und seiner Länge zwanglos in den Hohlraum passt. Er soll also nach allen Seiten ein Spiel aufweisen, damit die Teilungsflächen der Laufschaufeln bei ihrem Einbau zur Anlage kommen.
Im Betriebszustand der Turbine werden die losen Stifte durch die Zentrifugalkraft im Hohlraum nach außen gedrückt. Sie erzeugen so, unabhängig von der Größe eines eventuell vorhandenen Spaltes zwischen den Deckplattenflächen, eine Verbindung zwischen den Laufschaufeln. Durch die Kontaktflächen zwischen Laufschaufel und Stift werden die Schwingungen innerhalb der Laufschaufelstufe gedämpft. Der Keilwinkel im Hohlraum muss außerhalb der Selbsthemmung für den Stift liegen. Die beiden Stirnseiten im Hohlraum und die Stirnseiten am Stift müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass sich der Stift nicht verklemmt .
Die Werkstoffpaarung zwischen Laufschaufel und Stift wird nach geringem Verschleiß ausgewählt.
Die Erfindung weist folgende Vorteile auf. Jeder Stift passt sich mit gleichmäßiger Anpresskraft individuell dem durch Wärmedehnung und Fliehkraft entstehenden Spalt zwischen den Laufschaufeln an. Im Stillstand kann sich die Stufe zwanglos entspannen. Die Wirkungsweise der Erfindung bleibt über die gesamte Betriebsdauer der eingebauten Stufe der Laufschaufeln sicher erhalten. Die Fertigung ist einfach und kann mit geringen Kosten durchgeführt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 die Vorderansicht einer Laufschaufel,
2 die Seitenansicht von 1,
3 die Draufsicht auf 1,
4 den axialen Schnitt IV – IV nach 5 durch eine in einen Rotor eingebaute Laufschaufel,
5 den radialen Schnitt V – V nach 4,
6 die vergrößerte Vorderansicht auf die Tasche in der Deckplatte mit dem eingelegten Stift,
7 den Schnitt VII – VII durch 6 mit angedeutetem Schaftfräser,
8 die Einzelheit X nach 5 in vergrößertem Maßstab bei einem Stillstand der Turbine,
9 die Einzelheit X nach 5 in vergrößertem Maßstab im Betriebszustand der Turbine,
10 die Kraftdreiecke bezogen auf die Zentrifugalkraft des Stiftes,
11 ein Beispiel für einen profilierten Stift und
12 ein besonderes Beispiel für eine in der Höhe minimierte Ausnehmung für kleinste Deckplattenhöhen.
Die Laufschaufel, die vorzugsweise in dem Hoch- oder Mitteldruckteil einer Turbine eingesetzt ist, besteht aus einem Schaufelfuß 1, der eine konische Form hat und im dargestellten Fall als Steckfuß ausgebildet ist, sowie aus einem stromlinienförmigen Schaufelblatt 2 und aus einer am Profilende des Schaufelblattes 2 angeordneten Deckplatte 3, die mit ihren beiden Teilungsflächen auf der gleichen radialen Ebene mit den beiden geneigten Fußflächen liegt. Der Querschnitt von Schaufelfuß 1 und Deckplatte 3 ist in 3 als Rechteck dargestellt. Die Erfindung ist jedoch auch in gleicher Weise für Laufschaufeln mit einem rhomboidischen Querschnitt anwendbar.
Die Schaufelfüße 1 sind in eine angepasste umlaufende Nut des Rotors 6 der Turbine radial eingesetzt und im dargestellten Fall von 4 durch jeweils zwei Kegelstifte 7 im Rotor 6 gehalten. Die Form der Schaufelfüße 1 kann auch abweichend zur Darstellung z. B. als einfacher oder doppelter Hammerkopf ausgebildet sein. Die Schaufelfüße 1 und die Deckplatten 3 der in einer Reihe angeordneten Laufschaufeln liegen im eingebauten Zustand von 5 dicht aneinander an, wobei ein Spalt A geringer Breite besteht (9).
In die einander gegenüber liegenden Neigungsflächen der Deckplatten 3 zweier benachbarter Laufschaufeln wird mit Hilfe eines Schaftfräsers 8 durch Fräsen eine offene Tasche 5 hergestellt, die sich über den mittleren Bereich in der Höhe der Deckelplatte erstreckt. Je nach Fräserdurchmesser ergeben sich unterschiedliche Profilierungen an den Neigungsflächen der Deckplatte 3. Der Schaftfräser 8 und dessen Arbeitsweise sind in 7 angedeutet.
Die Taschen 5 zweier benachbarter Deckplatten 3 sind im dargestellten Fall spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet und bilden zusammen einen im wesentlichen geschlossenen Hohlraum. Die Funktion der Erfindung bleibt jedoch auch erhalten, wenn die beiden benachbarten Taschen 5 entgegen der Darstellung einen asymmetrischen Hohlraum bilden. Die Asymmetrie kann durch Toleranzen in der Höhe und Tiefe der Taschen 5 bei ihrer Fertigung entstehen. Es können aber auch unterschiedliche Keilwinkel in den beiden benachbarten Taschen 5 gewählt werden. Um die letzte Laufschaufel (Endschaufel) in eine Stufe einzubauen, kann es erforderlich sein, dass die beiden Taschen zur Schaufelprofilseite an dieser Schaufel offen ausgebildet werden müssen, um eine Kollision mit den beiden eingelegten Stiften 4 der Nachbarschaufeln zu vermeiden. Auch dadurch entsteht ein asymmetrischer Hohlraum.
Der durch die Taschen 5 gebildete Hohlraum verengt sich in radialer Richtung des Rotors 6 keilförmig. Wie in 11 und 12 zu erkennen, ist der Hohlraum tropfenförmig ausgebildet, wobei sich der Querschnitt des Hohlraumes zunächst auf einen größten Querschnitt erweitert, um dann wieder keilförmig zusammen zu laufen.
In den durch die Taschen 5 gebildeten Hohlraum ist ein Stift 4 frei beweglich eingelegt, dessen größter Querschnitt kleiner ist als der größte Querschnitt des Hohlraumes, aber größer als dessen kleinster Querschnitt. Der Stift 4 ist an beiden Enden abgeschrägt um eine ungewollte Klemmung in dem Hohlraum in Längsrichtung zu vermeiden. Die Form des Stiftes kann zylindrisch (12) oder profiliert (11) und der Form der Taschen 5 angepasst sein.
In 8 und 9 ist die Funktion der Erfindung dargestellt. Bei einem Maschinenstillstand (8) wird die Lage der Stifte 4 in dem Hohlraum von der Schwerkraft bestimmt, so dass der Stift 4 auf dem Grund des Hohlraumes liegt. Im Betriebszustand (9) werden alle Stifte 4 in dem Hohlraum durch die auf die Stifte 4 wirkende Zentrifugalkraft nach außen gedrückt. Der vorhandene Spalt A zwischen den Deckplatten 3 zweier benachbarter Laufschaufeln wird durch den Stift 4 überbrückt, und die Schwingungen an der Laufschaufel werden durch die Kontakt- oder Reibungsflächen zwischen Deckplatte 3 und Stift 4 gedämpft.
In 10 ist die Kraftverteilung durch die Zentrifugalkraft [Fz] in Abhängigkeit zum Keilwinkel Alpha dargestellt. Ein kleinerer Keilwinkel führt zu einer Erhöhung der Normalkraft [Fn] und der Umfangskraft [Fu].
Die Höhe des Hohlraumes wird durch den Keilwinkel bestimmt, den die Taschen 5 mit einander bilden. In 12 sind Taschen 5 dargestellt, bei denen die beiden Keilflächen kleiner als 90° zueinander angeordnet sind. Die Taschenhöhe ist dadurch minimiert. Diese Ausführungsform kann bei kleinen Deckplattenhöhen eingesetzt werden.

Claims

Rotor einer Dampf- oder Gasturbine mit Laufschaufeln, die in mehreren radialen Reihen in dem Rotor (6) gehalten sind und die jeweils aus einem in den Rotor (6) eingebauten Schaufelfuß 1, einem Schaufelblatt (2) und einer Deckplatte (3) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass in den einander gegenüber stehenden Neigungsflächen der Deckplatten (3) einer Reihe von Laufschaufeln eine offene Tasche (5) eingebracht ist, dass die Taschen (5) zweier benachbarter Deckplatten (3) zusammen einen im wesentlichen geschlossenen Hohlraum bilden, der sich in radialer Richtung des Rotors (6) erweitert, dass in jeden Hohlraum ein Stift (4) frei beweglich eingelegt ist, dessen größter Querschnitt kleiner ist als der größte Querschnitt des Hohlraumes und größer ist als der kleinste Querschnitt des Hohlraumes.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Hohlraum in radialer Richtung der Rotors (6) zunächst auf einen größten Querschnitt erweitert und danach wieder verengt.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus zwei Taschen (5) gebildete Hohlraum tropfenförmig ausgebildet ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (5) zweier benachbarter Deckplatten (3) spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (5) zweier benachbarter Deckplatten (3) asymmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Stiftes (4) der Form des Hohlraumes angepasst ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (4) zylindrisch ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel, den die Innenflächen der Taschen (5) des Hohlraumes miteinander bilden, größer ist als der Winkel, bei dem eine Selbsthemmung des Stiftes (4) in dem Hohlraum eintritt.