DE2166499A1

DE2166499A1 - Anordnung zur daempfung von schaufelschwingungen an scheibenfoermigen gasturbinenrotoren

Info

Publication number: DE2166499A1
Application number: DE19712166499
Authority: DE
Inventors: Terence Edward Gouven Gardiner
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1970-12-05
Filing date: 1971-12-02
Publication date: 1974-07-04
Also published as: DE2159857A1; IT945233B; GB1318654A; FR2116522B1; DE2159857B2; FR2116522A1; US3761200A

Description

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty¹s Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London, S.W.I, England,

Anordnung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen an scheibenförmigen Gasturbinenrotoren

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen an scheibenförmigen Gasturbinenrotoren, deren Schaufeln in einer Vielzahl von quer zur Scheibenebene verlaufenden Umfangsschlitzen der Rotorscheibe verankert sind, mit einem der Rotorscheibe zugeordneten, einen inneren Radialflansch aufweisenden, mit quer zur Scheibenebene

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verlaufenden Stegen die Rotorscheibe zwischen den Schaufeln umgreifenden Ring, dessen Stegränder fliehkraftabhängig reibende Berührung mit ihnen zugeordneten Schaufelbereichen haben.

Derartige Anordnungen sind beispielsweise aus der CH-PS 358 286 bekannt.

Bei der bekannten Anordnung ist der die genannten Stege tragende Ring aus Blech gebildet und liegt einerseits mit seinem radial nach innen ragenden Pl.ansch an einer stromauf der Rotorscheibe an der Rotorwelle befestigten Blechscheibe an, die Teil eines Druckluft-Leitsystems ist, welches dem Rotorscheibenumfang Kühlluft zuführt. Die Ringstege ragen andererseits freitragend in zwischen über den Rotorscheibenumfang überstehenden Schaufelfußbereichen befindliche Zwischenräume hinein und liegen mit ihren P Stegkanten an konkav gewölbten achsparallelen Flächen dieser Schaufelfußbereiche an. Dadurch wird einerseits der Blechring gehalten, andererseits infolge der sich durch Pliehkraftwirkung verstärkenden Reibung zwischen den Ringstegkanten und den konkav gewölbten Schaufelfußbereichflächen eine Dämpfung etwa sich aufschaukelnder Schaufels chwingungen angestrebt,

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Von Nachteil ist bei der bekannten Anordnung ₃~ daß infolge der freitragenden Anordnung der Blechstege die fliehkraftabhängige Reibung der Stegkanten in Axialrichtung nicht gleichmäßig ist, sondern von einem Mindestwert stromauf an den Stegwurzeln bis zu einem Höchstwert stromab an den Stegenden ansteigt und folglich auch die Dämpfungswirkung in gleicher Richtung ungleichmäßig auftritt. Weiterhin ist von Nachteil, daß die Stegränder verhältnismäßig scharfkantig sind und folglich praktisch nur Linienberührung zwischen ihnen und den ihnen zugeordneten Schaufelfußbereichen besteht, was im Lauf der Zeit zu Abnutzungserscheinungen führt. Schließlich ist es auch von Nachteil, daß der bewußte Ring mehr oder minder lose im .Schaufelbereich liegt und folglich dazu neigt, im Resonanzbereich in höchst unerwünschte Eigenschwingungen zu geraten, anstatt in der beabsichtigten Weise etwa sich aufschaukelnde Schaufelschwingungen zu dämpfen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei einer Anordnung der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart die Aufschaukelung von Eigenschwingungen des die Dämpfungsglieder haltenden Ringes zu verhindern, außerdem eine sichere Befestigung dieses Ringes am Turbinenrotor zu ermöglichen, weiterhin eine wirksamere Reibungsdämpfung

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zwischen den Dämpfungsgliedern und den ihnen zugeordneten Schaufelbereichen sicherzustellen und außerdem eine gleichmäßige Verteilung der Dämpfungsreibung in Axialrichtung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Anordnung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, ^ daß die Stege des mit seinem Radialflansch an der Rotorscheibe befestigten Ringes einen Käfig bildend an beiden Rotorstirnseiten einstückig miteinander verbunden sind und daß ihre Ränder als Komplementärflächen zu den mit ihnen in Berührung stehenden Schaufelbereichflächen ausgebildet sind.

Eine derartige erfindungsgemäße Ausbildung einer Anordnung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen an scheibenförmigen Gasturbinenrotoren bringt gegenüber Anordnungen

der eingangs dargelegten bekannten Art den technischen Portschritt, daß der die Dämpfungsglieder aufweisende Ring infolge seiner Befestigung an der Rotorscheibe nicht mehr ein gesondertes, mehr oder minder lose im Schaufelbereich der Turbine liegendes Bauteil ist, welches in Resonanzbereichen zur Aufschaukelung von Eigenschwingungen

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neigt, sondern daß dieser Ring sozusagen ein gemeinsames Bauteil mit der Rotorscheibe bildet und folglich weitgehend gegen eine solche Aufschaukelung von Eigenschwingungen gesichert ist, Dies wird außerdem auch noch durch das Merkmal unterstützt , daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Ringstege einen Käfig bildend an beiden Rotorstirnseiten einstückig miteinander verbunden sind. Die Rinpstege sind also bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht freitragend, sondern an ihren Enden einstückig miteinander verbunden, wodurch die Gefahr, daß sie in bestimmten Resonanzbereichen in Eigenschwingungen geraten, wesentlich verringert ist. Die einstückige gegenseitige Verbindung der Ringstegenden hat aber außerdem auch noch den Vorteil, daß sich die Ringstege unter Pliehkraftwirkung über ihre ganze Länge nahezu gleichmäßig nach außen biegen, so daß die Reibung zwischen ihren Anlageflächen und den ihnen zugeordneten Anlageflächen der betreffenden Schaufelfußbereiche in axialer Richtung nahezu gleichmäßig verläuft und folglich auch die Schwingungsdämpfung in axialer Richtung gleichmäßig erfolgt, Da gemäß der Erfindung die Berührungsflächen zwischen den Stegrändern und den ihnen zugeordneten Schaufelbereichflächen nicht kantig, sondern flächig als Komplementärflächen ausgebildet sind, werden gemäß der Erfindung außerdem an diesen Berührungsstellen Abnutzungs-

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erscheinungen vermieden und die Dämpfungswirkung läßt nicht im Laufe der Zeit allmählich nach.

Vorzugsweise sind die Randflächen der Ringstege als achsparallele, in beispielsweise aus der DL-PS 18 882 bekannter Weise radial nach außen konvergierende ebene Flächen ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine mit zunehmender Fliehkraftwirkung zunehmende Reibung und damit bei höheren Drehzahlen sich verstärkende Dämpfungswirkung.

In Abwandlung dessen können die Randflächen der Ringstege als achsparallele, radial nach außen zurückspringende Stufenflächen ausgebildet sein. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß die Reibungskräfte genau in radialer Richtung auf die Gegenflächen der betreffenden Schaufelfußbereiche einwirken und folglich ein guter Kraftangriff der Reibungskräfte sichergestellt ist.

In Weiterbildung der Erfindung können die Ringstege an ihren radial inneren Seiten in Axialrichtung verlaufende Stützrippen aufweisen. Eine derartige Ausbildung der Ringstege erhöht vor allem die Gleichmäßigkeit der radialen Nachaußenbewegung der Ringstege unter Fliehkraftwirkung und damit die Gleichmäßigkeit der Reibungskräfte über die axiale

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Länge der Ringstege bzw. eine gleichmäßige Dämpfungswirkung über die axiale Länge der betreffenden Schaufelfußbereiche. In noch weiterer Ausbildung dieser Ausführungsart der erfindungsgem-äßen Anordnunp· bilden die Ringstege zusammen mit beiderseits in Umfangsrichtung über die Schaufelfüße überstehenden Schaufelfußplatten der Rotorschaufeln ein zusammenhängendes. den Strömungskanal radial innen begrenzendes Pußband und durch die Ringsteg-Stützrippen, die über diese überstehenden Ringstegbereiche, die an sie angrenzenden überstehenden Schaufelfußplattenbereiche, die sich an diese anschließenden, über den Umfang der Rotorscheibe überstehenden Schaufelfußbereiche und die dazwischenliegenden Rotorseheibenumfangsbereiche sind jeweils Hohlräume gebildet, in welchen sich gesonderte Schwingungsdämpfer befinden. Durch eine derartige Anordnung wird eine optimale Dämpfungswirkung bei gleichzeitig großer Stabilität der Gesamtanordnung erzielt.

Die erfindungagemäße Anordnung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen an scheibenförmigen Gasturbinenrotoren wird nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen in ihren Einzelheiten anhand einiger bevorzugter Ausführungsformen beispielsweise beschrieben«, In den Zeichnungen stellen dar:

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Pig_a 1 einen schematischen perspektivischen

Teilschritt durch eine Ausführwngs= form einer Anordnung süp Schwingungsdämpfung ₉

Fig_e 2 einen schematischen Teilschnitt

durch eine der in Fig„ 1 gezeigten Anordnung ähnliche, jedoch weiterentwickelte Anordnung längs der Ebene H-II in Fig. I₃ in Pfeilrichtung gesehen, und

Pig, 3 einen Teilschnitt ähnlich Fig.

durch eine andere Ausfuhrungsform einer Dämpfungsanordnung.

Gleiche Teile sind in den Zeichnungen jeweils mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Am Umfang eines scheibenförmigen Gasturbinenrotors 1 sind etwa achsparallel verlaufende Schwalbenschwanznuten la angeordnet« welche entsprechend komplementär ausgebildete Schaufelfüße 2a von Rotorschaufeln 2 beherbergen. Nahe des Rotorschexbenumfanges sind in gleichen Umfangsabständen

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ORlGiNAl INSPECT^

achsparallel verlaufende Gewindebohrungen Ib angeordnet.

Die Rotorschaufeln 2 weisen Schaufelfußplatten 2b auf, die sowohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung in einem bestimmten Radialabstand vom Rotorumfang über den über den Rotorumfang radial nach außen überstehenden Teil 2c des Schaufelfußes 2a überstehen» Die achsparallelen Kanten 2d der Schaufelfußplatten sind als achsparallele, radial nach innen keilförmig konvergierende ebene Flächen ausgebildet.

Ein den scheibenförmigen Rotor 1 umgreifender Ring 3 ist käfigartig ausgebildet und weist einen nach innen ragenden Radialflansch 3a auf, über welchen er mittels nicht dargestellter, in die Gewindebohrungen Ib des Rotors eingeschraubter Befestigungsschrauben an diesem befestigt ist. Der Radialflansch 3a bildet zusammen mit dem Ringkörper eine Paßnut 3b, die zusammen mit einem Absatz Ic den Ring 3 gegenüber dem scheibenförmigen Rotor 1 zentriert· Die Käfigform des Ringes 3 ist dadurch erzielt, daß ein an einer Stirnseite des scheibenförmigen Rotors 1 anliegender Ringbereich 3c über zwischen die Rotorschaufeln 2 greifende, etwa aehsparallele Ringstege 3d einstückig mit einem auf der entgegengesetzten Seite des Rotors 1 gelegenen Ringbereieh 3e verbunden ist j so daß zu den Fußplatten 2b der Rotorschaufeln

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genau komplementäre Durchtrittsöffnungen für die Rotorschaufeln 2 im Ringkörper gebildet sind. Die achsparallelen Randflächen der Ringstege 3d sind also auch genau komplementär zu den achsparallelen Schrägflächen 2d der Rotorsehauf ein Die Abmessungen sind so gewählt, daß die Fußplatten 2b der Rotorschaufein 2 zusammen mit den Ringstegen 3d ein glattes ₃ zusammenhängendes Fußband bilden, welches den Strömungskanal an seiner radial inneren Seite begrenzt.

Die Schrägflächen 2d der Schaufelfußbänder 2b liegen reibend an den dazu komplementären Randflächen der Ringstege 3d an« Je größer bei Drehung des scheibenförmigen Rotors 1 die auf den Ring 3 wirkenden Fliehkräfte werden, um so größer wird die Flächenpressung zwischen den zueinander komplementären, aneinander anliegenden Schrägfläehen und um so größer wird die D ämpfungs wirkung an diesen Schrägfläehen gegenüber Schaufelschwingungen.

Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform einer Dämpfungsvorrichtung sind die Ringstege 3d an ihren radial inneren Seiten mit etwa mittig etwa achsparallel verlaufenden Stützrippen 3f versehen. Durch derartige Stützrippen wird die Biegungssteifigkeit der Ringstege 3d in Axialrichtung verbessert, so daß sie unter dem Einfluß von Fliehkräften

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über Ihrr-e Längs glsieianäisiger naeli außea drängen und folglich die ar* den Sslirägfläclien Sä übertragenen Eeioungs= und Dämpfuneskräft-e ebenfalls gleichmäßiger über die Stegläriffsriehfrung auf sie Sehaufelfiißplatten. 2b der Rotor= schaufeln 2 wirken_Q

Wie ebenfalls aus Figo 2 ersichtlich ist_s sind durch die Ringsteg-Stützr-ippen 3f _s ^^e über diese überstehenden Ringstegbereiehe ₉ die an sie angrensenden überstehenden Schaufelfußplattenbereiche _s die sich an diese anschließenden _s über den Umfang der Rotorscheibe i überstehenden Schaufelfußbereiche 2c und die dazwischenliegenden Rotorscheiben» Umfangsbereiche jeweils Hohlräume gebildet₉ in welchen sich gesonderte Schwingungsdämpfer 4 befinden«» Diese Anordnung ist in ihrem Gesamtaufbau sehr stabil und bewirkt eine optimale S chwingungs dämp fung.

Gemäß der in Fig, 3 gezeigten Anordnung sind die aneinander anliegenden komplementären Dämpfungsflächen der Ringstege 3d und der Schaufelfußplatten 2b nicht als in Axialrichtung verlaufende ₃ ebene Keilflächen ausgebildet wie bei den Ausfuhrungsformen gemäß den Fig, 1 und 2_S sondern sie' sind als gestufte Komplementärflächen 2a¹ derart ausgebildet, daß die Schaufelfußplatten 2b radial außen liegend die

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radial innen liegenden, dazu komplementären Randbereiche der Ringstege 3d überdecken. Durch eine derartige Gestaltung wird die Dämpfungsreibung in Radialrichtung auf die achsparallelen und in Umfangsrichtung sich erstreckenden Stufenflächen übertragen, so daß der Kraftübergang an diesen Stufenflächen vertikal zur Flächenebene erfolgt.

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Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen an scheibenförmigen Gasturbinenrotoren, deren Schaufeln in einer Vielzahl von quer zur Scheibenebene verlaufenden Umfangsschlitzen der Rotorscheibe verankert sind, mit einem der Rotorscheibe zugeordneten, einen inneren Radialflansch aufweisenden, mit quer zur Scheibenebene verlaufenden Stegen die Rotorscheibe zwischen den Schaufeln umgreifenden Ring, dessen Stegränder fliehkraftabhängig reibende Berührung mit ihnen zugeordneten Schaufelbereichen haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3d) des mit seinem Radialflansch (3a) an der Rotorscheibe (1) befestigten Ringes (3) einen Käfig bildend an beiden Rotorstirnseiten einstückig (3c, 3e) miteinander verbunden sind und daß ihre Ränder als Komplementärflächen zu den mit ihnen in Berührung stehenden Schaufelbereichflächen (2d, 2d') ausgebildet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randflächen der Ringstege (3d) als achsparallele, in an sich bekannter Meise radial nach außen konvergierende ebene Flächen ausgebildet sind (Pig. I und 2).

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3β Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randflächen der Ringstege (3d) als achsparallele, radial nach außen zurückspringende Stufenflächen ausgebildet sind (Fig, 3),

4, Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringstege (3d) an ihren radial inneren Seiten in Axialrichtung verlaufende Stützrippen (3f) aufweisen (Pig, 2 und 3)<>

5, Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringstege (3d) zusammen mit beiderseits in Umfangsrichtung über die Schaufelfüße (2a, 2c) überstehenden Schaufelfußplatten (2b) der Rotorschaufeln (2) ein zusammenhängendes, den Strömungskanal radial innen begrenzendes Fußband bilden und daß durch die Ringsteg-Stützrippen (3f), die über sie überstehenden Ringstegbereiche, die an sie angrenzenden überstehenden Schaufelfußplattenbereiche, die sich an diese anschließenden, über den Umfang der Rotorscheibe (1) überstehenden Schaufelfußbereiche (2c) und die dazwischenliegenden Rotorschexbenumfangsbereiche jeweils Hohlräume gebildet sind, in welchen sich Schwingungsdämpfer (4) befinden (Fig. 2),

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