DE19531561A1 - Versteifungen für Turbinenschaufeln - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versteifung von rotierenden Schaufeln einer axial durchströmten Turbo­ maschine, bei welcher die rotierenden Schaufeln an ihren Enden gegen die strömungsbegrenzende Wand eines Turbinen­ gehäuses dichten.

STAND DER TECHNIK

Bei Turbomaschinen sind die rotierenden Schaufeln für ein be­ stimmtes Feld der Betriebsbedingungen resonanzfrei ausgelegt. Durch variierende Betriebsbedingungen, z. B. Volumenstrom­ änderungen des strömenden Arbeitsfluids oder Gegendruck­ betrieb im Grenzbereich, werden die Schaufeln stochastisch zu Schwingungen angeregt. Im Fall einer auftretenden Schwingungsresonanz können diese mechanischen Beanspruchungen zum Versagen der Schaufeln führen.

Zur Unterdrückung dieser Schwingungsresonanzen sind ver­ schiedene Einrichtungen entwickelt worden, die die Schaufeln aneinanderkoppeln und damit versteifend wirken. Bekannte Konzepte sind beispielsweise Dämpferdrähte, Dämpferbolzen, Schaufeldeckplatten, sowie angeschmiedete Nocken mit Stiften.

Derartige Einrichtungen für die Versteifung von Schaufeln sind beispielsweise bekannt aus DE B 1 299 004 und US 3 185 441.

Dabei sind die Einsatzbereiche der vorgeschlagenen Ver­ steifungs- und Dämpfungsmittel beschränkt. Bohrungen für die Aufnahme von Dämpferdrähten oder Dämpferbolzen beeinträch­ tigen die Festigkeit der Schaufelprofile, wobei die Dämpfer­ drähte und -bolzen selbst die Strömungseigenschaften des strömenden Arbeitsfluids verschlechtern.

Hohe Fliehkräfte treten wegen der Schaufelblattbeanspruchung nachteilig ins Gewicht bei der Versteifung mittels Schaufel­ deckplatten, welche benachbarte Schaufelköpfe zu einem geschlossenen Ring aneinanderkoppeln und durch Reibschluß versteifend wirken. Die Ausführung und Bearbeitung dieser Schaufeldeckplatten, sowie die Schaufelmontage mit diesen Deckplatten ist wegen der geforderten Maßgenauigkeit auf­ wendig und teuer.

Hinzu kommt, daß bei den Versteifungsvorrichtungen, die auf Reibschluß benachbarter Schaufeln basieren, durch eine Ab­ nützung der Kontaktflächen die geforderte Versteifung und Dämpfung beeinträchtigt wird und somit Revisionen nötig sind.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Versteifung für Turbinenschaufeln der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der benachbarte Schaufeln mittelbar an ihren Spitzen aneinanderkoppeln, ohne daß die Schaufeln mit zusätzlicher Hasse der Vorrichtung und den damit verbundenen Fliehkräften belastet werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem in der ver­ gleichsweise geringen Nasse der Vorrichtung und ihrer Festig­ keit zu sehen. Besonders vorteilhaft ist hier die Verwendung einer Titanlegierung für alle metallischen Bestandteile der Vorrichtung.

Zudem ist die Vorrichtung in radialer Richtung nicht an den Schaufeln fixiert. Die Vorrichtung ist selbsttragend, und stellt somit für die Schaufeln keine zusätzlichen Fliehkraft­ belastungen dar.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung zeichnet sich dadurch aus, daß das Versteifungsband durch ein mit Endlosfasern verstärktes Kunststoffband radial gegen die auftretenden Fliehkräfte gestützt wird, wobei das Kunststoffband aus besonders temperaturfesten Thermoplasten mit Kohlenstoffasern als Verstärkung hergestellt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Endstufe einer Dampfturbine vereinfacht darge­ stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Turbinenstufe, bei der die eine Laufschaufeln mit einer Vorrichtung zur Versteifung gegen das Turbinengehäuse dichten;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach der Linie II-II gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach der Linie III-III gemäß Fig. 2.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesent­ lichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt in der Zeichnung ist eine Draufsicht auf die ringförmig um die Laufschaufel­ reihe montierte Versteifungsvorrichtung an dem Turbinenrad.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt einen Schnitt der letzten Stufe einer Turbine, bestehend aus einer Leitreihe mit Leitschaufeln 27 und einer Laufschaufelreihe mit Laufschaufeln 1. Die Laufschaufeln 1 sind an ihrem Schaufelfuß 2 in einem Rotor 3 verankert. Sie dichten an ihrem Schaufelende 4 mit einer Versteifungsvor­ richtung 5 gegen ein Strömungsgehäuse 6, im vorliegenden Fall gegen den Leitschaufelträger. Dabei ist die Versteifungsvor­ richtung 5 ringförmig, und umschließt alle Laufschaufeln 1 einer Turbinenstufe an ihren Schaufelenden 4.

Fig. 2 zeigt in einem Schnitt durch das Schaufelende 4 eine parallel zur Druck- und Saugseite zwischen der Vorderkante 17 und Hinterkante 18 angeordnete Nut 7, die radial vom Schau­ felende 4 in Richtung Schaufelfuß weist.

Ebenfalls zwischen der Vorderkante 17 und Hinterkante 18 ist das Schaufelende 4 auf der Druck- und Saugseite mit einer Verdickung 9 versehen, die in radialer Richtung von dem Schaufelende 4 zum Schaufelfuß eine Bohrung 10 aufweist.

Fig. 3 zeigt im Schnitt durch das Schaufelende 4 die Ver­ steifungsvorrichtung 5 und deren Anordnung an der Lauf­ schaufel 1. Die Versteifungsvorrichtung 5 besteht hier im wesentlichen aus

• - einem metallischen Versteifungsband 14, daß an einem Schaufelenden 4 angeordnet ist und die Laufschaufeln 1 eines Turbinenrades ringförmig umschließt, wobei das Ver­ steifungsband 14 einen U-profilförmigen Querschnitt auf­ weist, und mit seiner offenen Seite der strömungsbe­ grenzenden Wand eines Strömungsgehäuses 6 zugewandt ist;
• - Befestigungsmittel 11, 12, 13, mit denen durch eine Bohrung 23 im Versteifungsband 14, dasselbe an die Schaufelenden 4 gekoppelt ist;
• - einem ringförmigen Metallband 15 und einem ringförmigen Kunststoffband 16, welche beide in das U-Profil des Ver­ steifungsbandes 14 eingelegt sind.

Das U-profilförmige Versteifungsband 14 mit der Grundseite 24 und den Schenkeln 25, 26 hat gegenüber den Schaufelenden 4 jeweils in seiner Grundseite 24 eine Bohrung 23, in der ein einseitig mit einem Flansch 19 verschlossener Hohlzylinder radial angeordnet ist. Der Durchmesser des radial außen liegenden Flansches 19 ist größer als der Durchmesser der Bohrung 23, wodurch das Versteifungsband 14 in der Radialen mittels einem Kragen 20 gehalten wird. Das ringförmige Metallband 15 ist in das U-Profil des Versteifungsbandes 14 eingelegt, und sichert die Hohlzylinder 13 gegen radiales Herausfallen. Das Kunststoffband 16 ist mit Endlosfasern ver­ stärkt, und umgibt das Metallband 15. Hierbei dient das Kunststoffband 16 der Festigkeit der gesamten Versteifungs­ vorrichtung gegen die betriebsbedingt auftretenden Flieh­ kräfte.

In der Nähe der offenen Seite des Hohlzylinders 13 ist seine Mantelfläche von einer ringförmigen Nut 21 umgeben, in der eine Ringfeder 11 angeordnet ist. Diese Ringfeder 11 sitzt mit ihrer äußeren Mantelfläche federnd in der Bohrung 10 des Schaufelendes 4, und zentriert somit den Hohlzylinder 13 in dieser Bohrung. Die radial verlaufende Bohrung 10 in dem Schaufelende 4 ist tiefer als die Tiefe der Nut 7, so daß die in die Bohrung 10 eingesetzte Ringfeder 11 bei ruhender Maschine nicht über den Nutengrund in die Nut 7 hineinragt.

Der Durchmesser des Versteifungsbandes 14 ist größer als der des Turbinenlaufrades. Damit sich das Versteifungsband 14 radial gleichmäßig um ein Turbinenlaufrad legt, ist in jedem Hohlzylinder 13 eine Schraubendruckfeder eingesetzt, die sich zwischen dem Bohrungsgrund der Bohrung 10 und dem Flansch 19 abstützt. Mittels dieser Anordnung ist die radiale Position des Versteifungsbandes 14 definiert, wobei zu berücksichtigen ist, daß sich die Versteifungsvorrichtung 5 aufgrund be­ triebsbedingter Fliehkräfte und Wärmeeinfluß stärker aus­ dehnt als das umschlossene Turbinenrad, und somit ist die Versteifungsvorrichtung 5 in radialer Richtung beweglich mittels der Hohlzylinder 13 gehalten.

Zwischen dem Kragen 20 und der Nut 21, die die Mantelfläche des Hohlzylinders 13 umschließt, ist dieser von einem weiteren Hohlzylinder 22 passend umgeben. An diesem Hohl­ zylinder 22 sind Dichtungen 8a und 8b angeordnet, welche die Nut 7 im Schaufelende 4 zwischen Vorderkante 17 und Hinter­ kante 18 ausfüllen. Diese Dichtungen 8a, 8b dienen der Re­ duktion von Abströmverlusten des strömenden Arbeitsfluids. Wie bereits erwähnt dehnt sich die Versteifungsvorrichtung 5 gegenüber dem umschlossenen Turbinenrad aus, womit der Ab­ stand zwischen dem Versteifungsband 14 und den Schaufelenden 4 wächst. Hierdurch würde sich zusätzlich zum verlustbe­ hafteten Abströmkanal zwischen einem Strömungsgehäuse 6 und einem Turbinenrad ein weiterer Abströmkanal zwischen dem Ver­ steifungsband 14 und den Schaufelenden 4 ausbilden. Die bei Ausdehnung der Versteifungsvorrichtung 5 aus der Nut 7 her­ austretenden Dichtungen 8a, 8b verhindern das ungewollte Ab­ strömen des Arbeitsfluids an dieser Stelle.

In radialer Richtung ist das Versteifungsband 14 nicht fest mit den Schaufelenden 4 verbunden. Es ist begrenzt radial be­ weglich, und dementsprechend selbsttragend. Die Masse der Versteifungsvorrichtung 5 belastet somit nicht die Lauf­ schaufeln 1 mit zusätzlichen Fliehkräften.

In axialer und tangentialer Richtung sind die Schaufelenden 4 mittels Versteifungsvorrichtung 5 federnd aneinander­ gekoppelt. Diese federnde Kopplung der Schaufelenden 4 ver­ stimmt die möglichen Schwingungsresonanzen der Laufschaufeln 1 dahingehend, daß sie im wesentlichen unter Betriebsbe­ dingungen unbeeinflußt bleiben und in einem breiteren Anwendungsbereich hinsichtlich Volumenstromänderungen des strömenden Arbeitsfluids oder Gegendruckbetrieb Verwendung finden, ohne daß schaufelgefährdende Schwingungszustände auftreten.

Um bei möglichst geringer Masse eine hohe Festigkeit der Vor­ richtung zur Versteifung 5 zu erzielen, sind die metallischen Teile wie der Hohlzylinder 13, der Hohlzylinder 22 mit den Dichtungsblättern 8a, 8b, das Versteifungsband 14 und das Metallband 15 aus einer Titanlegierung hergestellt.

Das mit Endlosfasern verstärkte Kunststoffband 16 ist aus einem besonders temperaturfesten Thermoplasten gefertigt, welches Kohlenstoffasern als Verstärkung enthält.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

So ist anstelle einer Titanlegierung für die metallischen Bauteile der Vorrichtung 5 auch ein anderer Werkstoff mit ähnlichen Eigenschaften denkbar im Sinne der Erfindung. Gleiches gilt ebenfalls für das Kunststoffband 16.

Bezugszeichenliste

1 Laufschaufel
2 Schaufelfuß
3 Rotor
4 Schaufelende
5 Versteifungsvorrichtung
6 Strömungsgehäuse
7 Nut
8 Dichtung
9 Verdickung
10 Bohrung
11 Ringfeder
12 Schraubendruckfeder
13 Hohlzylinder
14 Versteifungsband
15 Metallband
16 Kunststoffband
17 Vorderkante
18 Hinterkante
19 Flansch
20 Kragen
21 Nut
22 Hohlzylinder
23 Bohrung
24 Grundseite
25 Schenkel
26 Schenkel
27 Leitschaufel

Claims (3)

1. Vorrichtung (5) zur Versteifung von rotierenden Schaufeln (1) einer axial durchströmten Turbomaschine, bei welcher die rotierenden Schaufeln (1) an ihren Enden (4) gegen die strömungsbegrenzende Wand eines Turbinengehäuses (6) dichten, dadurch gekennzeichnet, daß um die rotierenden Schaufeln (1), an ihren Enden (4) ein selbsttragendes Versteifungsband (14) ringförmig ange­ ordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Versteifungsband (14) einen zur strömungs­ begrenzenden Wand des Turbinengehäuses (6) offenen, U- profilförmigen Querschnitt aufweist,
• - daß das Versteifungsband (14) mit Bohrungen (23) ver­ sehen ist, in denen radial verschiebbare Befestigungs­ mittel (13) angeordnet sind, die das Versteifungsband mit den Enden (4) der rotierenden Schaufeln (1) koppelt, und
• - daß in dem U-profilförmigen Querschnitt des Verstei­ fungsbandes (14) ein Metallband (15) eingelegt ist, welches von einem Kunststoffband (16) umgeben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Versteifungsband (14), das Metallband (15) und die Befestigungsmittel (13) aus einer Titanlegierung, und das Kunststoffband (16) aus einem mit Kohlenstoffasern verstärkten Thermoplasten gefertigt ist.