DE2729340C3

DE2729340C3 - Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung an Turbomaschinenläufern

Info

Publication number: DE2729340C3
Application number: DE2729340A
Authority: DE
Inventors: Bernard Dr.-Ing. 4330 Muelheim Becker
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1977-06-29
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1981-10-08
Also published as: SE7807041L; CH633076A5; DE2729340A1; DE2729340B2; ATA310178A; IN150116B; SE426090B; US4181038A; AT363102B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung an Turbomaschinenläufern, die aus mehreren Läuferscheiben zusammengesetzt und von einem diese zentrisch durchdringenden Zuganker kraftschlüssig verspannt sind und im Ringspalt zwischen dem Zuganker und dem Innenumfang der Läuferscheiben fliehkraftabhängig wirkende Dämpfungselemente aufweisen.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-PS 20 34 088 bereits bekannt. Dabei sind zwischen dem Zuganker und den Läuferscheiben sich bei Fliehkraft aufweitende, axial geteilte Schalen angeordnet, die bei

J5 Betrieb der Maschine einen Kontakt zwischen Zuganker und Läuferscheiben herstellen. Eine derartige kraftschlüssige Verbindung zwischen Zuganker und Läuferscheiben ist erforderlich, da die Scheibe sich unter der Fliehkraftwirkung ausdehnt, der Zuganker-

•»0 durchmesser sich jedoch durch Qterkontraktion vermindert. Da die Temperaturdehnungen von Läuferscheiben, Verbindungselementen und Zuganker nicht gleich sind und zudem axiale Verschiebungen auftreten, muß das Dämpfungselement erhebliche Spaltveränderungen überbrücken, ohne den festen Kontakt mit einem oder beiden Teilen zu verlieren. Bei der bekannten Anordnung wird die Anpreßkraft an mindestens einer Kontaktfläche durch Verformung des Dämpfungselementes unter Fliehkraftwirkung erzielt.

w Da für diese Verformung ein Teil der Fliehkraft verbraucht wird bzw. die zulässige oder mögliche Verformung begrenzt ist, kann die verbleibende Pestanlagekraft bei schnellen Temperaturänderungen oder kleiner Drehzahl vollständig aufgezehrt und die Dämpfung somit zeitweise unwirksam werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung zu schaffen, bei der Kraftwirkungen erzeugt werden, die von Verformungen und Spaltveränderung^n nahezu unabhängig

m> sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Dämpfungselemente aus gleichmäßig am Umfang des Ringspaltes verteilten

*5 Ringsegmenten bestehen und über je eine diskrete, sich in Axialrichtung streifenförmig erstreckende Anlagefläche auf der Innen- bzw. Außenumfangsfläche der Läuferscheibe bzw. des Zugankers anliegen, daß die

Anlageflächen in Längsrichtung der Dämpfungselernente voneinander beabstandet sind und in einem derartigen Bereich der Dämpfungselemente angeordnet sind, daß der Schwerpunkt der Dämpfungselemente außerhalb des Bereiches der Anlageflächen liegt, wobei der Abstand der radial innenliegenden Anlagefläche zum Schwerpunkt größer ist als der der radial außenliegenden Anlagefläche.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn der Abstand der Anlageflächen voneinander kleiner ist als der Abstand der radial außenliegenden Anlagefläche vom Schwerpunkt des Dämpfungselementes. Darüber hinaus können sich die Dämpfungselementc zum freien Ende in der Art verjüngen, daß sich allein auf ihrer Oberseite ein zum freien Ende hin vergrößernder Radialspalt ergibt.

Durch diese Ausgestaltung der Dämpfungselemente wird erreicht, daß die Fliehkraft außerhalb des Bereichs der Anlagefläehen im Schwerpunkt der Dämpfungselemente angreift und diese somit sowohl an die jeweilige Läuferscheibe wie auch an den Zuganker andrücken, wobei die beiden Auflagekräfte größer sind als die Fliehkraft. Da die Zentrifugaibesehieunigung in Turbomaschinen sehr viel größer als die Erdbeschieunigung ist, lassen sich somit sehr große Anpreßkrüfte bei vergleichsweise kleinem Dämpfungselementgewicht erzielen.

Es sind dabei zwei grundsätzlich verschiedene Ausführungsformen bei gleichem Wirkungsprinzip möglich. Einmal können die Anlageflächen durch sich über die Breite des Dämpfungselementes erstreckende, in radialer Richtung vorspringende Ansätze gebildet sein. Zum andern ist es aber auch möglich, daß die Anlageflächen in Umfangsrichtung der Dämpfungselemente verlaufen und auf der Innenseite durch einen im Bereich des einen Endes des Dämpfungselementes anliegenden, umlaufenden und am Zugbolzen und auf der außenliegenden Seite der Dämpfungselemente durch einen in radialer Richtung vorspringenden, in Umfangsrichtung verlaufenden Ansatz gebildet sind.

Zur axialen Festlegung der Dämpfungselemente können diese breiter als die zugehörigen Läuferscheiben sein und an ihren axialen Stirnseiten die Läuferscheibeninnenkante umfassende Ansätze aufweisen. Es ist auch möglich, daß zur axialen Festlegung der Dämpfungselemente beiderseits derselben Wellenbunde am Zuganker vorgesehen sind. Ferner kann die axiale Breite der Dämpfungselemente geringer als die der Läuferscheiben sein, wobei die Läuferscheiben auf ihrem Innenumfang eine segmentbreite, umlaufende Nut zur axialen Festlegung der Dämpfungselemente aufweisen.

Die Läuferscheiben können aber auch auf ihrem Innenumfawg eine umlaufende Ausnehmung zur Aufnahme des die Anlageflächen aufweisenden Abschnittes der Dämpfungselemente aufweisen, wobei das freie, mindestens auch den Schwerpunkt enthaltende Ende in axialer Richtung aus der Läuferscheibe herausragt.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Ringspalt zwischen Zuganker und Läuferscheibe mit entsprechend angeordneten Dämpfungselementen;

Fig. 2 ein derartiges Dämpfungselement in vergrößerter Darstellung;

Fig. 3 bis 5 verschiedene Arten der axialen Festlegung der Dämpfungselemente;

F i g. 6 die Ausbildung ines Dämpfungselementes zur Erleichterung des Ein- und Ausbaus;

Fig.7 einen Querschnitt durch den Ringspalt mit einer anderen Art von Dämpfungselementen;
Fig.8 einen Längsschnitt durch den Ringspalt mit einem Dämpfungselement nach Fig.7 in vergrößerter Darstellung und

Fig.9 ein weiteres Dämpfungselement entsprechend der Anordnung nach F i g. 7.

Wie aus dem Querschnitt nach Fig. 1 zu ersehen ist,

to sind im Ringspalt 1 zwischen dem Zuganker 2 und einer zugehörigen Läuferscheibe 3 beispielsweise acht Dämpfungseiemente 4 angeordnet, die angenähert die Form eines Ringsegmentes aufweisen und über den größten Teil ihrer Länge eine geringere Höhe als die des

Ii Ringspaltes 1 haben. Die Einzelheiten eines derartigen Dämpfungselementes 4 sind dabei deutlicher aus F i g. 2 zu erkennen. Das Dämpfungselement 4 weist im Bereich des einen Endes an der Innenumfangifläche 5 einen sich über die axiale Breite erstreckenden radialen Ansatz 6

j» auf, der mi! dem Zuganker 2 eine Anlagefläche 7 bildet. An der Außenumfangsfläche 8 ist e^! radialer Ansatz 9 vorgesehen, der mit der Läuferscheibe 3 die AniageRäche 10 bildet. Für die Funktionsweise des Dämpfungselementes 4 ist es dabei wesentlich, daß die beiden

r, Anlageflächen 7 und 10 auf einer Seite des Dämptungselement=s 4 außerhalb des Bereiches des Schwerpunktes 11 liegen. Die Auflagekräfte können dabei durch einfaches Anwende.! der Sätze über das Gleichgewicht der Kräfte und Momente berechnet werden. Wird die

in Geometrie dabei so gewählt, daß der eingezeichnete Abstand b des Schwerpunktes 11 von der nach außen gerichteten Anlagefläche 10 größer ist als der Abstand a der beiden Anlageflächen 7 und 10 voneinander, so sind die beiden Auflagekräfte Pj und P\a größer als die im

Jt Schwerpunkt 11 angreifende Fliehkraft Pf- Bei Betrieb der Maschine wird also durch Einwirken der Fliehkraft das Dämpfungselement 4 praktisch um die Anlagefläche 10 gedreht, so daß stets eine feste Anlage des Dämpfungselementes 4 sowohl an der Läuferscheibe 3 als auch am Zuganker 2 sicher gewährleistet ist. Da die Zentrifugalbeschleunigung dabei sehr viel größer ist als die Erdbeschleunigung, lassen sich somit sehr große Anpreßkräfte bei vergleichsweise kleinem Dämpfungselementgewicht erzielen. Durch eine gleichmäßige Verteilung dieser Dämpfungselemente 4 über den Umfang des Zugankers 2 können die einzelnen Kräfte so auf den Zuganker einwirken, daß die resultierende Kraftwirkung klein bleibt. Die Dämpfungswirkung entsteht dabei durch die bei jeder Relativbewegung zwischen Zuganker 2 und Läuferscheibe 4 erzeugten Reibungskräfte in den Auflageflächen 7 und 10. Unterschiedliche ooer sich verändernde Spalte durch Fertigungstoleranzen, Dehnungen im Betrieb und Verschleiß werden durch eine Drehung der Dämpfungselemente 4 selbsttätig ausgeglichen. Auch axiale Verschiebung zwischen Läuferscheibe und Zuganker bei der Montage und beim Betrieb werden nicht behindert. Darüber hinaus bleiben auch bei verminderter Drehzahl definierte Auflagekräfte in beiden Kontaktflächen er'.alten.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn sich die Dämpfungselemente 4 zum freien Ende hin derart verjüngen, daß sich allein auf der Oberseite 8 der Ringiegmente ein zum freien Ende hin vergrößernder Radialspalt e ergibt,

d. h. daß die Außenumfangsfläche 8 schwach geneigt verläuft. Dieses Raoiclspiel f kann dabei so bemessen werden, daß die Summe aller auftretenden Spaltveränderungen durch Fertigungstoleranzen, instationäre

Wärmedehnungen, Flichkraftdchnung. Querkontraktion, Verformung und Verschleiß sich durch eine entsprechende Drehung der Dämpfungselemente 4 selbsttätig ausgleicht.

Zur Sicherung gegen axiale Verschiebungen und ein Herausfallen der Dämpfungselemente sind dabei mehrere Möglichkeiten gegeben. Nach Fig. 3 können beispielsweise die Dämpfungselemente 4 eine größere Breite als die der zugehörigen Läuferscheibe 3 aufweisen und mit radialen Ansätzen 12 und 13 an ihren Stirnseiten die Läuferscheibe 3 seitlich umfassen.

Nach dem Ausführungsbeispiel in F i g. 4 können aber auch die Dämpfungselemente 4 eine geringere Breite als die zugehörige Läuferscheibe 3 aufweisen und in eine umlaufende Nut 14 am Innenumfang 15 der Läuferscheibe 3 eingesetzt sein.

Schließlich ist es aber auch noch möglich, daß entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 der Zuganker 2 seitlich der Dämpfungselemente 4 je einen Wellenbund 16 und 17 aufweist, der ein axiales Verschieben der Dämpfungselemente 4 verhindert.

Üblicherweise werden diese Dämpfungselementc 4 zunächst in die Innenbohrung der Läuferscheibe 3 eingesetzt, wobei die Dämpfungselemente 4 radial verlaufende Stirnflächen 18 und 19 aufweisen. Zweckmäßigerweise weist jedoch ein Schlußelement 4' — wie es in Fig. 6 dargestellt ist — parallelflankige Stirnflächen 20 und 21 auf. wobei auch die angrenzenden Stirnflächen 22 und 23 der Nachbarelemente 4 parallel zueinander verlaufen, so daß dieses Element 4' entsprechend dem angegebenen Pfeil 24 eingesetzt werden kann, wenn alle anderen Elemente 4 bereits in der Scheibe 3 angeordnet sind. Dadurch läßt sich das in Umfangsrichtung erforderliche Gesamtspiel bis auf das für die freie Bewegung der Dämpfungselemcnte notwendige Maß begrenzen, so daß durch eine Verschiebung dieser Elemente praktisch keine Unwucht entstehen kann.

Eine weitere prinzipielle Ausführungsform der Dämpfungselementc ist in den Fig. 7 bis 9 dargestellt. Dabei verlaufen die Anlageflächen 31 und 32 der ebenfalls ringsegmentförmig ausgebildeten Dämpfungs-

c!crr:cr.!c 30 "ich". :r. 2~ia!cr Rieh* ··■·" ~--h ^J-—

Ausführungsbeispiel nach F i g. 2. sondern in Umfangsrichtung des Ringspaltes. Die Anlagefläche 31 wird dabei durch einen an einem Ende des Dämpfungselementes 30 anliegenden Bund 33 des Zugankers 2 gebildet, während die außenliegende Anlagefläche 32 durch einen radialen Ansatz 34 an der Außenumfangsfläche 35 des Dämpfungselementes 30 gebildet ist. Dabei liegen auch hier die Anlageflächen 31 und 32 auf einer Seite des Dämpfungselementes 30 außerhalb des Bereiches des Schwerpunktes 36 und weisen eine derartige Geometrie auf, daß der Abstand b des Schwerpunktes 36 von der außenliegenden Anlagefläche 32 größer ist als der Abstand a der beiden Anlageflächen 31 und 32 voneinander.

Somit ei gibt sich auch hier im Betrieb der Maschine durch Einwirken der fliehkraft eine feste Anlage der beiden Flächen 31 und 32 am Zugbolzen 2 bzw. der Läiiferscheibe 3. Zur axialen Festlegung weisen auch hier die Dämpfungselemente 30 an ihren Stirnseiten radial nach außen ragende Ansätze 37 und 38 auf, die die Läuferscheibe 3 an ihrem Innenumfang umschließen. Gleichfalls ist die Außeniimfangsfläche 35 der Dämpfungselementc 30 zum freien Ende hin abgeschrägt, so daß sich ein Radialspalt f zunehmender Größe ergibt, um ein selbsttätiges Ausgleichen aller Spnltverändcrun· gcn zu ermöglichen.

Bei dem in F i g. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Dämpfungselemeni 40 praktisch nur im Bereich der beiden Anlagcflächen 41 und 42 innerhalb der Radscheibe 3 gehalten. Dabei weist diese Radscheibe abgestufte Eindrehungen 43 und 44 auf. wobei der Ansatz 45 am Außenumfang 46 des Dämpfungselementes 40 in der erweiterten Nut 43 gehalten ist und das vordere Ende des Dämpfungselementes 40 auf dem Bund 47 des Zugankers 2 aufliegt. Der Schwerpunkt 48 dieses Dämpfungselementes 40 liegt dabei außerhalb der Läuferscheibe 3. so daß auch hierbei definierte Kräfte an den Anlageflächen 41 und 42 bei Betrieb der Maschine angreifen. Zwischen der Eindrehung 44 und der Umfangsfläche 46 des Dämpfungselementes 40 ist gleichfalls der sich in axialer Richtung vergrößernde Radialspalt f vorgesehen, um Spaltveränderungen selbsttätig auszugleichen.

Mit den beschriebenen Dämpfungselementen und deren Anordnungen im Ringspalt zwischen dem Zuganker und den Läuferscheiben ergeben sich somit

die jedoch ohne Verformung dieser Dämpfungselemente erreicht werden und somit auch bei sich ändernden Spaltweiten stets die gleiche, allein drchzahlabhängige Größe aufweisen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

J, Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung an Turbomaschinenläufern, die aus mehreren Läuferscheiben zusammengesetzt und von einem diese zentrisch durchdringenden Zuganker kraftschlüssig verspannt sind und im Ringspalt zwischen dem Zuganker und dem Innenumfang der Läuferscheiben fliehkraftabhängig wirkende Dämpfungsejemente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (4, 30, 40) aus gleichmäßig am Umfang des Ringspaltes (1) verteilten Ringsegmenten bestehen und über je eine diskrete, sich in Axialrichtung streifenförmig erstreckende Anlagefläche (7, 10; 31, 32; 41, 42) auf der Innen- bzw. Außenumfangsfläche der Läuferscheibe (3) bzw. des Zugankers (2) anliegen, daß die Anlageflächen (7,10; 31, 32; 41, 42) in Längsrichtung der Dämpfungselemente (4,30,40) voneinander beabstandet sind und in einem derartigen Bereich der Dämpfungselemente (4,30, 49; angeordnet sind, daß der Schwerpunkt (11, 36, 48) der Dämpfungselemente (4, 30, 40) außerhalb des Bereiches der Anlageflächen (7, 10; 31, 32; 41, 42) liegt, wobei der Abstand der radial innenliegenden Anlagefläche (7, 31, 41) zum Schwerpunkt (11) größer ist als der der radial außenliegenden Anlagefläche (10,32,42).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) der Anlageflächen (7, 10; 31, 32; 41, 42) voneinander kleiner ist als der Abstand (b)der radial außenliegenden Anlagefläche (10, 32, 42) vom Schwerpunkt (11, 36, 48) des Dämpfungselementes (4,30,40V
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dämpfung^elemente (4,30,40) zum freien Ende hin derart verjüngen, daß sich allein auf ihrer Oberseite (8,35,46) ein zum freien Ende hin vergrößernder Radialspalt (e) ergibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen (7,10) durch sich über die Breite des Dämpfungselementes (4) erstreckende, in radialer Richtung vorspringende Ansätze (6,9) gebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen (31, 32; 41, 42) in Umfangsrichtung der Dämpfungselemente (30,40) verlaufen und auf der Innenseite durch einen im Bereich des einen Endes des Dämpfungselementes (30, 40) anliegenden, umlaufenden Bund (33, 47) am Zugbolzen (2) und auf der außenliegenden Seite (35,46) der Dämpfungselemente (30,40) durch einen in radialer Richtung vorspringenden, in Umfangsrichtung verlaufenden Ansatz (34,45) gebildet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (4,30) breiter als die zugehörigen Läuferscheiben (3) sind und an ihren axialen Stirnseiten die Läuferscheibeninnenkante umfassende Ansätze (12, 13; 37, 38) aufweisen.
7. Verrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur axialen Festlegung der Dämpfungselemente (4) beiderseits derselben Wellenbunde (16, 17) am Zuganker (2) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Breite der Dämpfungselemente (4) geringer ist als die der Läuferscheiben (3) und daß die Läuferscheiben (3) auf ihrem Innenumfang (15) eine segmentbreite, umlaufende Nut (14) zur axialen Festlegung der Dämpfungselemente (4) aufweisen.
9, Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferscheiben (3) auf ihrem Innenumfang an eine Stirnseite angrenzende, abgestufte umlaufende Ausnehmungen (43, 44) zur Aufnahme des die Anlageflächen (41,42) aufweisenden Abschnittes der Dämpfungselemente (40) aufweisen und daß das freie, mindestens a'ich den

ίο Schwerpunkt (48) enthaltende Ende in axialer Richtung aus der Läuferscheibe (3) herausragt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Schlußsegment (4') dienenden Dämpfungselement die quer zur

ι > Umfangsrichtung liegenden Stirnflächen (20,21) und auch die jeweils angrenzenden Stirnflächen (22, 23) der Nachbarelemente (4) parallel zueinander verlaufen.