DE2503513C2

DE2503513C2 - Schwingungsdämpfungseinrichtung für eine Turbomaschine

Info

Publication number: DE2503513C2
Application number: DE2503513A
Authority: DE
Inventors: Richard Loveland Ohio Beal; John Donald West Chester Ohio Hennessey
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-05-28
Filing date: 1975-01-29
Publication date: 1983-09-22
Also published as: JPS50153305A; DE2503513A1; CA1013259A; US3881844A; GB1491557A; FR2275641A1; JPS5855360B2; IT1031364B; FR2275641B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwingungsdämpfungseinrichtung für eine Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Schwingungsdämpfungseinrichtung ist in der US-PS 28 73 088 beschrieben.

Die Hersteller von Gasturbinentriebwerken suchen fortwährend nach Lösungen für Schaufelschwingungsprobleme, insbesondere wenn die Schaufeln mit integralen Plattformen versehen sind. Beträchtliche Plattformresonanzen können über dem normalen

ίο Betriebsbereich eines Gasturbinentriebwerkes teilweise aufgrund von Schwingungsenergie auftreten, die von der Schaufel auf die Plattform übertragen wird. Versuche zur Verhinderung dieser Resonanzen können zu Kompromissen führen, die nicht akzeptabel sind.

ι - Beispielsweise könnte die Vergrößerung der Masse der Plattform das Gewicht der Turbomaschine nachteilig beeinflussen. Das Beseitigen einer Ecke der Plattform, um eine besonders kritische Resonanzstelle durch Abstimmung zu beseitigen, könnte Störstellen in der Strömungsbahn herbeiführen. Eine integrale Verriegelung benachbarter Schaufelplattformen untereinander könnte die Einfachheit der Montage und Demontage vermindern.

Diese Kompromisse leiden unter dem zusätzlichen

-5 Nachteil, daß die Plattformschwingungen eine Funktion der Schaufeldrehzahl, der aerodynamischen Schaufelbelastung, der relativen Geschwindigkeit des Arbeitsmediums in bezug auf die Schaufel und der Masse und der Federkonstante der Plattform sind, so daß eine Lösung.

die zwar eine bestimmte Resonanzfrequenz eliminiert, nicht die Resonanz bei anderen Betriebszuständen des Triebwerkes eliminieren würde. Tatsächlich können dadurch andere, an sich zulässige Schwingungswerte verschlechtert werden. Eine bekannte Lösung für dieses Problem besteht darin, daß mehrere Stifte in Öffnungen in der Rotorscheibe eingepaßt werden und unter der Wirkung der Zentrifugalkraft in einen Reibkontakt mit den überhängenden Schaufelplattformen drücken. Diese Lösung hat jedoch den von N^.tur aus bestehenden

•to Nachteil, daß sie eine Abnutzung an der Reibgrenzfläche zwischen der Plattform und den Stiften aufgrund der begrenzten Berührungsfläche erzeugt, die von den Stiften gebildet wird. Eine andere Lösung gemäß der eingangs genannten US-PS 28 73 088 benutzt elastische Streifen, die zwischen die Plattform und die Scheibe gedrückt werden. Diesen Streifen fehlte aber die erforderliche Steifigkeit, um für eine effektive Dämpfung zu sorgen, sie wurden zerstört aufgrund der hohen Temperaturen oder sie haben sich deformiert.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine wirksame und betriebssichere Schaufelplattform-Schwingungsdämpfungseinrichtung zu schaffen, die die Schwingungsenergie in der Schaufelplattform absorbiert und dadurch die Plattformbewegung dämpft.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch I gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen

f>o insbesondere darin, daß die Dämpfungseinrichtung in einen Reibkontakt mit der Schaufelplattform kommt,

(;;_;Ä\ypdurch die Schwihgungsenergie inider Plattform auf

*:die Dämpfungseinrichtung übertragen wird. Durch das Reibungs-Zwischenspiel zwischen benachbarten Umhüliungsteilen und zwischen den Teilen und dem Kernelement v/ird die Schwingungsenergie als Wärme abgeführt. Die Flexibilität des Kernelementes gestattet, daß die Dämpfungseinrichtung mit der räumlichen

Anordnung der Plattform übereinstimmt, wodurch ein maximaler Kontakt zwischen der Plattform und dem Dämpfer sichergestellt wird. Eine erhöhte Drehgeschwindigkeit vergrößert die Kraft, die durch die Dämpfungseiririchtung auf die Plattform ausgeübt wird. Obwohl aneinanderstoßende Ecken benachbarter Plattformen normalerweise die Tendenz haben, bei verschiedenen Frequenzen und Amplituden zu schwingen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Relativbewegung der Plattform in bezug auf eine benachbarte Plattform verringert, weil alle Plattformen in Reibkontakt mit einer gemeinsamen Dämpfungseinrichtung stehen. Weiterhin hat die Anordnung eines in Umfangsrichtung verlaufenden Schwingungsdämpfers zwischen der Plattform und der Scheibe den natürlichen Vorteil, daß das Leistungsvermögen der Turbomaschine verbessert wird, indem ein Labyrinthströmungspfad unter der Plattform gebildet wird, um eine Strömung von der Hochdruck- zur Niederdruckseite der Schaufel unter der Plattform hindurch zu verhindern.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispieien näher eriäutea.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht von einer Turbinenscheibe mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 2 ist eine Schnittansicht der Scheibe gemäß der Fig. 1.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht von einem Ausführungsbeispiel der Schwingungsdämpfungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 4-4 in F i g. 3.

F i g. 5 ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich wie F i g. 3 von einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 6 ist eine S hnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie b-b in F i g. 5.

Fig. 7 ist eine Schnittansicht von einer Turbinenscheibe mit einem alternativen Einbau der Dämpfungseinrichtung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Turbomaschineneinrichtung 10 mit einer Scheibe 12 gezeigt, die eine in Umfangsrichtung verlaufende Befestigungsnut 14. Stege 10, 18. in Umfangsrichtung verlaufende Ausnehmungen 20, 22 und Dichtungszähne 24, 26 aufweist. Die in Umfangsrichtung verlaufenden Ausnehmungen 20, 22 sind durch Umfangsfiächen 28, 30 bzw. radiale Oberflächen 32, 34 gebildet. Die Schaufeln 36 weisen stromlinienförmige Abschnitte 38, eine Plattform 40 und Befestigungs-Schwalbenschwänze 42 auf. die durch Einführungsschlitze 44 der Stege 16, 18 (siehe F i g. 2) in bekannter Weise eingeführt werden, um eine Ringkaskade aus Schaufeln zu bilden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Plattformen 40 mit radial nach innen verlaufenden Flanschen 46, 48 auf axial vorderen und hinteren Kanten 50, 52 jeder Plattform 40 versehen. Im eingebauten Zustand arbeiten die Umfangsfläche 28, die radiale Oberfläche 32. der Plattformflansch 46 und die untere Oberfläche der Plattform 40 zusammen, um einen in Umfangsrichtung verlaufenden Durchlaß oder Kanal 54 mit im allgemeinen rechtwinkligem Quer-•schnitt zu bilden. Ein ähnlicher Durchlaß 56 ist unter * dem axial· hinteren Ende d^r Plattform 40 angeordnet, der durch die Oberflächen 30, 34, die Plattform 40 und den Flansch 48 umgrenzt ist·

Ein Schwingungädämpffir 58 ist innerhalb des Durchlasses 54 um den Urnfang der Scheibe 12 herum eingesetzt. Wenn er nicht arbeitet, ist der Dämpfer 58

lose in dem Durchlaß 54 in einer speziellen Relation zur Plattform 40 gehalten. Der Schwingungsdämpfer 58 umfaßt in dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Umhüllung 60, die eine flexible Spule 62 aufweist, die spiralförmig um das flexible Kernelement 64 wie bei einer Klavier- oder Gitarrensaite herumgewickelt ist. Die Windungen der flexiblen Spulenumhüllung 60 stehen in Reibkontakt mit benachbarten Windungen an Grenzflächen 66 und ferner mit der äußeren Oberfläche des flexiblen Kernelementes 64 an der Grenzfläche 68, wie es in F i g. 4 gezeigt ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 ist der Schwingungsdämpfer 58 in Umfangsrichtung segmentiert und jedes Segment ist gegenüber einer wesentlichen Umfangsbewegung dadurch festgehalten, daß das eine Ende mit einer rechtwinkligen Biegung 70 versehen ist, die in einen Schiit? 72 in der Scheibe 12 eingreift (Fig. 2). Dieses Ausführungsbeispid sorgt für eine einfache Montage. Ein in gleicher Weise effektives Ausführunesbeispiei könnte einen zusammenhängenden kreisförmigen Schwingungsdänv er mit ähnlichen Charakteristiken ν ei'wenden.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist. sind die meisten stromlinienförmigen Schaufelabschnitte 38 diagonal auf ihren entsprechenden Plattformen 40 angebracht. Somit sind zwt'i Plattformecken 74, 76, die relativ nahe am Abschnitt 38 sind, und zwei Ecken 78, 80 gebildet, die relativ entfernt sind. Als eine Folge der diagonalen Schaufelanordnung ändert sich die Steifigkeit der Plattform, und die nahen (steiferen) Ecken 74, 76 schwingen mit einer kleineren Amplitude, wogegen die entfernten (weniger steifen) Ecken 78, 80 mit größeren Amplituden schwingen.

Im Betrieb dreht sich die Scheibe 12 um ihre Achse (nicht gezeigt), und d>e Drehung der Schaufeln 36 pumpt Luft von links nach rechts (Fig. 1). Aufgrund der Pumpwirkung entstehen aerodynamische Erregungskräfte sowohl transienter als auch stationärer Art. wodurch in den Plattformen 40 Schwingungen h.rvorgerufen werden. Zusätzliche Schwingungskräfte können in der Plattform durch direkte mechanische Kopplung mit !.em Schaufelabschnitt 38 hervorgerufen werden. Unkontrolliert können diese Schwingungen wenigstens teilweise zur Rißbildung in der Schaufel und in der Plattform führen.

Die Zentrifugalkräfte, die durch die Rotation der Scheibe 12 hervorgerufen werden, drücken den Schwingungsdämpfer 58 in einen Reibkontakt mit der Unterseite der Plattform 40. Der Grad b/w. die Größe der Kraft ist direkt proportional /um Quadrat der Drehgeschwindigkeit. Da die Zentrifugalkräfte den Schwingungsdämpfer 58 in einen Kontakt mit den Plattformen 40 drücken, erfahren benachbarte Abschnitt ■· des Schwingungsdärr.pfers 58 gleichzeitig Schwingungen mit großer und kleiner Amplitude, die den Schwingungsari ·η der nahen b/w. entfernten Ecken 74, 80 bzw. 76, 78 entsprechen. Dies induziert eine Relativbewegung zwischen benachbarten Spiralen der flexiblen Spule und der Umhüllungsmittel 60 und zwischen der flexulen Spule 62 und dem flexiblen Kernelemeni 64: Die Schwingungsenergie der Plattformen wird so auf den Schwingungsdämpfer 58 übertragen und an den Reibflächen 66, 68 in Form von Wärme abgeführt. Diese Dämpfung zusammen mit der Wirkung des Dämpfers 58 unter Zentrifugalbelastung begrenzt die Schwingungsamplitüde der Schaufelpiattform.

Der Dämofuneserad kann durch die Auswahl der

Materialien gesteuert werden, die für die Umhüllungsmittel 60 und das flexible Kernelement 64 verwendet werden, die die Masse und die Federkonstante der Schwingungsdämpfungseinrichtung 58 beeinflussen.

Zusätzlich hat die Anordnung eines in Umfangsrichlung verlaufenden Schwingungsdämpfers 58 zwischen der Plattform 40 und der Scheibe 12 den natürlichen Vorteil, daß die Leistungsfähigkeit der Turbomaschine verbessert wird, indem ein Labyrinth-Strömungspfad unter der Plattform 40 gebildet wird, um eine unerwünschte Strömung zu verhindern. Bisher konnte das Strömungsmittel frei von dem einen relativ hohen Druck aufweisenden Bereich am hinteren Plattformrand 52, zwischen der Plattform 40 und den Stegen 16, 18 zu der einen relativ niedrigen Druck aufweisenden Zone am unteren Plattformrand 50 strömen. Durch Einfügung der Schwingungsdämpfungseinrichtung gemäß der Erfindung macht es~der unterhalb der Plattform 40 gebildete Labyrinth-Strömungspfad erforderlich, daß die Strömung zusätzlich die Flansche 46 und 48 und weiterhin die Schwingungsdämpfungseinrichtung 58 umgehen muß, um die Plattform zu überqueren.

Gegenüber dem vorstehend beschriebenen Ausfiihrungsbeispiel können selbstverständlich gewisse Änderungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann bei gewissen Applikationen die Umhüllung 60 eine Reihe ringähnlicher Scheiben 84 bilden, die auf dem flexiblen Kernelement 64 angeordnet sind, wie es in Fig.5 gezeigt ist. Diese Scheiben 84 können in einem gewissen, von 90° abweichenden Winkel zur Scheibenfläche 86 durchbohrt sein, oder der Innendurchmesser D\ kann größer sein als der Durchmesser Di des flexiblen Kernelementes 64 (siehe Fig.6), so daß die Scheiben 84 unter einem gewissen Winkel Θ, der keine 90° beträgt, in bezug auf die Längsachse des flexiblicn Kernelementes 64 angeordnet werden. Die Arbeitsweise eines derartigen Dämpfers ist im wesentlichen die gleiche wie in dem vorher beschriebenen Aiisführungsbeispieh Zusätzlich kann es bei einigen Anwendungsfällen vorteilhaft sein, daß die Dämpfungseinrichtung 58 in einem Umfangsschlitz 88 um den Umfang einer etwas modifizierten Scheibe 90 (siehe F i g. 7) herum angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwingungsdämpfungseinrichtung für eine Turbomaschine mit einer im allgemeinen zylindrischen Turbinenscheibe, an der Schaufeln befestigt sind, mit Plattformen, die im Abstand zur Turbinenscheibe und zwischen den stromlinienförmigen Schaufelabschnitten und der Schaufelbefestigung angeordnet sind und die die Strömungsbahn teilweise begrenzen und mit Umhüllungsmitteln, die zwischen der Turbinenscheibe und der Schaufelplattform angeordnet sind und während des Betriebes mit den Schaufelplattformen in Berührung stehen und einen radialen Druck auf diese ausüben zum Dämpfen der Schaufelplattformbewegung. dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllungsmittel (60) ein flexibles Kernelement (64) aufweisen, das von einer Vielzahl von Teilen (62; 84) umgeben ist. die relativ zueinander und zum Kernelement (64) bewegbar sind und wenigstens teilweise in Reibkontakt miteinander stehen.

2. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kernelement (64) segmentiert ist. jedes Segment im allgemeinen um einen Teil des Umfanges der Turbinenscheibe (12) herum angeordnet ist und die Segmente (34) Hemmittel ·_ν70, 72) aufweisen zur Unterbindung einer wesentlichen Umfangsbewegung der Kernelementsegmente in bezug auf die Turbinenscheibe (12).

3. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach Anspruch 1 OQt-r 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Hemmittel (70) eine,, Schiit (72) in der Turbinenscheibe (12) umfassen und ein vorbestimmter Teil von jedem Segment unter eii> η Winkel zum Rest des Segmentes angeordnet ist und in dem Schlitz (72) verkeilt ist.

4. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Teilen (62) durch eine flexible Spirale gebildet sind, von der vorbestimmte Windungen in Reibkontakt miteinander stehen.

5. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die zahlreichen Teile (62; 84), welche das Kernelement (64) umgeben, in einem anderen Winkel als 90° zur Längsachse des Kernelementes (64) angeordnet sind.

6. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die das Kernelement (64) umgebenden Teile (84) diskrete Ringe sind.

7. Schwingungsdämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenscheibe (12; 90) eine in Umfangsrichtung verlaufende Ausnehmung (54; 88) aufweist, in der die Schwingungsdämpfungseinrichtung (58) angeordnet ist.

8. Schwingiingsdiimpfungseinrichtung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß das Kernelement (b4) cm aufgeschnittener Ring ist, der in

^Umfangsrichtung zwischen der Turbinenscheibe (12; 90) und der Schaufclplattform (40) angeordnet ist.