DE2841793C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Dämpfen von Schwingungen in Schaufeln einer Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 28 36 392 bekannt.

Bei Turbomaschinenrotoren mit sich radial von einem Rotor, einem Rad oder einer Scheibe erstreckenden Schaufeln ist ein übliches Problem die Schwingung bzw. Vibration, die zwischen der Rotorscheibe und der Schaufel oder zwischen den Schaufeln selbst auftritt. Das Auftreten und der Grad dieser Vibration ist eine Funktion vieler Faktoren, beispielsweise der Gastempe­ ratur, der Turbinendrehzahl und der Art, in der die Schaufeln in dem Rotor gehaltert sind. Im allgemeinen ist jede durch Vibration auftretende Versetzung bzw. Verstellung äußerst stark in der Blattspitze, aber die Wirkungen können auch in jedem anderen Abschnitt der Schaufel auftreten, um eventuell einen un­ erwünschten Dauerbruch zu bewirken. Andere unerwünschte Effekte der Schwingungen betreffen die Komplikationen einer geeigneten Hal­ terung der Schaufeln in der Scheibe. Ein übliches Verfahren, durch die die Wirkungen der Vibrationskräfte vermindert werden, ist die Verwendung von Schaufelabdeckungen, die benachbarte Schaufeln miteinander verbinden, um so für eine gegenseitige Dämpfungsfunktion zu sorgen. Bei einigen Schaufelanordnungen hat sich eine Abdeckung an der Schaufelspitze für diesen Zweck als geeignet erwiesen, während in anderen Anwendungsfällen ein in der Mitte angeordneter Radkranz Schaufelvibrationen sicherer verhin­ dert. Andere Verfahren zur Erzielung dieser Funktion beinhalten verschiedene Prinzipien, durch die die Dämpfungsfunktion auf den Schaufelfuß oder in einigen Fällen auf die Schaufelhalterungs­ vorrichtung ausgeübt wird. Es besteht jedoch ein gemeinsames Problem bei den verschiedenen bekannten Verfahren darin, daß sie im all­ gemeinen mechanische Komplikationen bei der Montage hervorrufen oder Kosten verursachen, die sie unbrauchbar machen.

Gemäß der o.g. US-PS 28 36 392 wird ein Ring verwendet, der an seinem inneren Abschnitt an der Scheibe durch Bolzen oder ähnliches befestigt ist und der sich radial nach außen erstreckt, um an seinem Zwischenpunkt als eine Schaufelhalte­ vorrichtung und an seinem radial äußeren Punkt als eine Schau­ feldämpfungsvorrichtung zu wirken. Eine derartige Gestaltung beruht auf der mechanischen Beeinflussung des Ringes und der Scheibe, um für die erforderliche Dämpfung der Schaufel zu sorgen. Sie ist von Natur aus abhängig von der Beeinflussung zwischen Ring und Schaufel. Wo hohe Temperaturen auftreten, wie in einer Turbine, muß der Haltering temperatur-/ kriechbeständig sein, um einen guten Dämpfungseingriff mit der Schaufel sicherzustellen. Weiterhin sind derartige Halter im allgemeinen aus geschmiedeten Materialien gefertigt, die hohen Temperaturen weniger gut auszusetzen sind. Eine weitere Kompli­ kation besteht darin, daß thermische Bandbeanspruchungen in einer derartigen Ringanordnung hervorgerufen werden, was ins­ besondere während der Beschleunigung und Bremsbeschleunigung der Turbomaschine auftritt. Derartig hohe Beanspruchungstemperaturen haben deshalb die Neigung, die Dauerfestigkeit bei geringen Lastwechseln in einem derartigen Ringhalter zu begrenzen.

Überdies besteht der bekannte Dämpferring aus einem Reibmate­ rial, wie es beispielsweise für Bremsen verwendet wird, oder aus einem elastischen Material, wie beispielsweise Gummi. Ferner werden bei der bekannten Dämpfungsvorrichtung die Dämpfer vollflächig gegen die Füße bzw. Schafte der Schaufeln gedrückt, wobei diese Andrückkraft sehr groß sein muß, da die Dämpfer nur durch diese Andruckkraft gegen eine Lageverschie­ bung durch große Zentrifugalkräfte gesichert sind. Somit sind die bekannten Dämpfer aufgrund des verwendeten Materials, ihrer konstruktiven Gestaltung und der auf sie ausgeübten Halterungs­ kräfte einem starken Verschleiß ausgesetzt, was insbesondere bei einem Einsatz unter hohen Temperaturen gilt.

Aus der CH-PS 4 15 691 ist es bekannt, Schwingungen der Lauf­ schaufeln durch Reibung in Folge Fliehkraft einzelner Dämpfungs­ elemente zu dämpfen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Schwingungsdämpfer so auszu­ gestalten, daß mit einfachen Mitteln eine große mechanische und thermische Belastbarkeit der Dämpfer erreicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß die unterteilten Dämpfungssegmente einen spezi­ fischen Aufbau aufweisen, in dem ein Schaufelhalter und ein Schaufeldämpfer integriert ist, denn er hält nicht nur die Schaufeln in ihrer Lage, sondern sorgt auch für eine unabhän­ gige Dämpfungskraft, die nach Wunsch ausgelegt werden kann, um eine Dämpfung unabhängig von der Klemmkraft zu erhalten, die von dem Schaufelhalter geliefert wird. Diese Integration war schwierig zu erreichen, denn einerseits muß der Schaufel­ halter eine genügende Festigkeit besitzen und eine ausrei­ chende Kraft erzeugen, um die Schaufel immer in ihrer Position zu halten, und andererseits sollte der Schaufeldämpfer abstimm­ bar sein, um eine Dämpfungskraft zu erzeugen, die proportional zur Größe und Drehgeschwindigkeit der Schaufeln ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine axiale Teilschnittansicht von einer Turbinen­ scheiben- und Schaufelanordnung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht von einem Teil des Halte­ ringes;

Fig. 3 ist eine Teilendansicht;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht von dem Halteringabschnitt der Vorrichtung, die in einem teilweise demontierten Zustand gezeigt ist;

Fig. 5 ist eine Teilendansicht;

Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht des Halteringabschnittes der Vorrichtung, die in einer weiter demontierten Po­ sition gezeigt ist;

Fig. 7 ist eine axiale Querschnittsansicht der Schaufelhalte­ rungs- und Dämpfungsvorrichtung gemäß der vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 8 ist eine Teilendansicht davon, wobei ein Teil im Quer­ schnitt gezeigt ist;

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht des Dämpfers und da­ mit in Beziehung stehender Teile;

Fig. 10 ist eine axiale Querschnittsansicht des Dämpferelemen­ tes angewendet auf ein modifiziertes Ausführungsbei­ spiel der Schaufelhaltevorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Turbinenscheibe 11 mit Turbinenschaufeln 12, die in axialen Schwalbenschwanzschlitzen 13 der Scheibe befestigt sind. Die Schaufeln ragen radial in eine Strömungs­ bahn 14, die in dieser Ebene durch eine Abdeckung 16 auf der Außenseite und eine Schaufelplattform 17 auf der Innenseite gebildet ist. Weitere Schaufelplattformen 18 und 19 begrenzen teilweise die innere Strömungsbahn stromaufwärts und stromab­ wärts von der Reihe der Schaufeln 12.

Von der Schaufelplattform 17 ragen vordere und hintere Schaft­ schienen 21 bzw. 22 radial nach innen. Die vordere Schaftschiene 21 weist einen sich nach vorne erstreckenden Flansch 23 auf, der zu Dichtungszwecken nahe an der Schaufelplattform 18 angeordnet ist. Die hintere Schaftschiene 22 weist eine auf ihrer stromab­ wärtigen Seite gebildete Dichtungsfläche auf, die mit einem Dämpfersegment 24 in Eingriff steht, das zur Dämpfung von Vibra­ tionen bzw. Schwingungen in der Schaufel 12 dient, wie es im folgenden noch näher erläutert wird. In ähnlicher Weise wie die vordere Schaftschiene 21 weist das Dämpfersegment 24 einen sich nach hinten erstreckenden Flansch 26 auf, der in einem Dich­ tungseingriff mit der stromabwärtigen Schaufelplattform 19 steht.

Die axiale Halterung der Schaufeln 12 in den Schwalbenschwanz­ nuten 31 der Scheibe 11 wird durch einen vorderen Halter 27 und einen hinteren Halter 28 gebildet. Der vordere Halter 27 weist einen Halterungsabschnitt 29 auf, der eine axiale Passung mit Übermaß mit dem Schaufelschwalbenschwanz bildet, um eine Axialbewegung der Schaufel nach vorne innerhalb der Schwalben­ schwanznut zu verhindern. Sie weist ferner einen Dichtungsab­ schnitt 32 auf, der fest an dem vorderen Rand des Schaufel­ schaftes 33 angreift, damit zwischen den zusammenpassenden Teilen keine Kühlluft radial nach außen strömt.

Auf der Rückseite der Scheibe 11 weist der hintere Halter 28 einen Halterungsabschnitt 34 auf, der an dem Schaufelfuß fest angreift, um dessen Axialbewegung nach hinten zu verhindern. Sie weist ferner einen Halterungsabschnitt 36 auf, der in einer noch zu beschreibenden Weise arbeitet. Ferner ist als Teil des hinteren Halters ein hinterer Flansch 37 vorgesehen, der sich nach hinten und radial nach außen erstreckt, um mit einem feststehenden Dichtungselement 38 in Eingriff zu kommen, das den Zweck hat, die innere Kühlluftströmung von der äußeren Heißgasströmung abzudichten.

Weiterhin bildet der hintere Halter 28 einen Ring, der sich eng an die Rückseite der Scheibe anschmiegt und einen Winkel mit der Scheibe bildet, um an seinem radial inneren Ende mit einem Ringflansch 39 zu enden. Die eine Fläche 41 des Flansches 39 ist in einem eng passenden Eingriff mit einer Fläche eines Ringflansches 42 angeordnet, der von der Scheibe 11 nach hinten und radial nach innen vorsteht, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Ein U-förmiger Klemmhaltering 43, dessen offene Seite radial nach außen gerichtet ist, paßt über die zwei Flansche 39 und 42, um sie in einer dichten axialen Relation zu halten, so daß der Halter 28 so gehalten ist, daß er seine Halterungs­ funktion ausüben kann. Der U-förmige Klemmhaltering 43 weist axial verlaufende äußere und innere Wände 44 bzw. 46 auf, die durch eine axial verlaufende Wand 47 miteinander verbunden sind. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in den Fig. 1 bis 6 gezeigt ist, ist die radiale Höhe der Außenwand 44 wesentlich größer als die radiale Höhe der Innenwand 44. Die­ se Differenz in den radialen Höhen kann etwas variiert werden, um an einen bestimmten Aufbau angepaßt zu werden, aber sie ist wesentlich für die richtige Funktion des Halteringes 43, wie es aus der folgenden Beschreibung noch deutlich werden wird. All­ gemein kann gesagt werden, daß die Differenz zwischen der radialen Höhe der äußeren und inneren Wände kleiner ist als die Hälfte der radialen Höhe der Außenwand. Es besteht selbstverständlich eine Maximalgrenze für diese Differenz in der radialen Höhe, die durch den jeweilig tatsächlichen Aufbau, für den der Ring verwendet werden soll, und anhand der Leistungscharakteristiken ermittelt werden muß, die angestrebt werden. Es kann allgemein gesagt werden, daß die Differenz zwischen den radialen Höhen der äußeren und inneren Wände größer sein sollte als ein Viertel der radialen Höhe der Außenwand.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, besteht ein Spalt mit einer Ausdehnung d zwischen den zwei Enden 48 und 49 des Halteringes 43. Wiederum ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung die Umfangslänge des Halteringes 43 so gewählt, daß, wenn der Ring sich in seiner Einbaustellung befindet, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, die Länge des Spaltes d zwischen den zwei Enden so ist, daß der Ring 43 leicht in seine Halteposition ge­ bracht werden kann und aus dieser Halteposition nicht wieder herauskommt, ohne daß er bestimmten Demontageverfahren ausgesetzt wird, die im folgenden noch näher beschrieben werden. Allgemein kann gesagt werden, daß die Länge des Spaltes kleiner sein sollte als die Hälfte der radialen Höhe der Außenwand 44.

Die Montage und Demontage des Halteringes 43 verläuft im wesentli­ chen gleich, abgesehen davon, daß sie umgekehrt verlaufen. Des­ halb wird nur die Demontage oder das Herausnahmeverfahren be­ schrieben. In Fig. 4 ist die U-Klemme in ihrer montierten Position gezeigt, wie es durch die schraffierte Fläche angegeben ist. Der erste Schritt bei der Herausnahme besteht darin, das eine radiale Ringende 49 radial nach innen bis zu einem Punkt zu biegen, wo das offene Ende der Innenwand 46 gerade den Ringflansch 42 frei­ gibt. Diese Position ist in Fig. 5 gezeigt und durch die Darstel­ lung in ausgezogenen Linien des Ende des Ringes gemäß Fig. 4. Es sei bemerkt, daß bis zu diesem Punkt die Enden 48 und 49 der Außenwand sich in der gleichen axialen Ebene befinden und sich somit gegenseitig beeinträchtigen, wie es in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, um zu verhindern, daß das eine Ende 49 radial nach innen bewegt wird. Wenn nun das Ende der Innenwand 46 von dem Ringflansch 42 freigegeben ist, besteht der nächste Schritt darin, das Ringende 49 axial nach außen zu verschieben, wie es durch die gestrichelten Linien in Fig. 4 angedeutet ist, bis die zwei Enden der Außenwand 44 freigegeben sind, wie es in der Figur gezeigt ist. An diesem Punkt kann das Ende 49 weiter radial nach innen be­ wegt werden, so daß die Enden frei sind, wie es in Fig. 7 und auch durch die Darstellung des Endes 49 in ausgezogenen Linien in Fig. 6 gezeigt ist. Der Ring kann dann auf einfache Weise aus dem Halterungsabschnitt des Ringraumes herausgenommen werden.

Wenn der U-förmige Klemmhaltering 43 in der oben beschriebenen Weise aufgebaut und angewendet wird, bildet er ein Mittel zur Halterung des hinteren Halters 28 in der festgelegten Montageposition ohne die Verwendung von Bolzen oder irgendwelchen anderen Befestigungsmitteln, die die Festigkeit der Flansche ver­ kleinern und die Schwierigkeiten bei der Montage und Demontage vergrößern. Das bedeutet, daß der Halterungsring 43 auf einfache Weise montiert werden kann, indem der Ring, abgesehen von seinem einen Ende, in seine endgültig festgelegte Position gebracht wird, das freie Ende in die axial verschobene Position gebracht wird, wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. 4 gezeigt ist, dieses Ende radial nach innen verschoben wird, bis die Enden 48 und 49 in einem gegenseitigen Eingriff stehen und das freie Ende der Innenwand 46 von dem Ringflansch 42 freigegeben ist, und indem das Ende 49 radial nach außen in seine festgelegte Position bewegt wird. Der Halterungsring 43 bleibt dann während aller Betriebs- oder Ruheperioden des Triebwerkes in seiner festgelegten Position, bis ein Demontageverfahren durchgeführt wird, wie es vorstehend be­ schrieben wurde. Neben der Funktion, den hinteren Halter 28 in seiner Lage zu halten, kann der Halterungsring 43 auch dazu ver­ wendet werden, andere Komponenten mit axial aneinanderstoßen­ den, radial nach innen ragenden Flanschen zusammenzuhalten.

Der Aufbau und die Funktion der Dämpfersegmente 24 gemäß der Erfindung wird am besten anhand der Fig. 7 bis 10 verständ­ lich. Jedes Dämpfersegment 24 ist ein segmentiertes Element, das in Umfangsrichtung an einem ähnlichen Dämpfersegment auf jeder Seite anliegt, wobei jeder Schaufel ihr eigenes, speziel­ les Dämpfersegment 24 zugeordnet ist. Es weist einen inneren, schwalbenschwanzförmigen Fußabschnitt 87, einen Mittelabschnitt 88 und einen radial äußeren Flanschabschnitt 26 auf.

Der Fußabschnitt 87 ist axial in die Schwalbenschwanznut 31 der Scheibe eingesetzt und in axialer Richtung in seiner Lage gehalten durch den Halterabschnitt 36 des hinteren Halters 28, der an dessen äußerer Oberfläche anliegt. Auf diese Weise halten die Schwalbenschwanznuten die Dämpfersegmente 24 in ihrer radialen Position, und der hintere Halter 28 hält sie in ihrer axialen Position. Da diese beiden Verbindungen im we­ sentlichen lose sind, sind die Dämpfersegmente etwas frei, um in axialer Richtung innerhalb der Schwalbenschwanznut 31 zu schwenken. Dies ist wichtig, damit die Dämpfersegmente ihre Funktion in gewünschter Weise ausüben können.

Der Mittelabschnitt 88 jedes Dämpfersegmentes 24 erstreckt sich in radialer Richtung und axial nach außen, um in dem nach hinten ragenden Flansch 26 zu enden. Dieser Flansch weist eine Vorderfläche 91 auf, die eng an der hinteren Schaftschie­ ne 22 anliegt, um für die gewünschte Dämpfung/Dichtungsfunk­ tion zu sorgen. Es wird deutlich, daß bei diesem axial gewin­ kelten Aufbau des Mittelabschnittes 88 und der hinteren Ver­ längerung des Flansches 26 der Schwerpunkt jedes Dämpferseg­ mentes 24 außenseitig oder, wie es aus Fig. 7 zu ersehen ist, rechts von dem axialen Schwenkpunkt des Dämpfersegmentes an­ geordnet ist. Dieser Schwenkpunkt ist irgendwo in der Schwal­ benschwanznut angeordnet und liegt im allgemeinen etwa in der axialen Mitte des Fußabschnittes 87. Es wird deutlich, daß die axiale Dicke des Fußabschnittes 87 und die Festigkeit bzw. der feste Sitz innerhalb der Schwalbenschwanznut begrenzt sein sollte, um diese Schwenkbewegung in der axialen Ebene zu erleichtern.

Im Betrieb wirkt, wenn die Scheibe und die Dämpfersegmente 24 gedreht werden, die Zentrifugalkraft an dem Schwerpunkt SP und da dieser gegenüber dem radialen Halterungspunkt axial ver­ setzt ist, versucht die Schwerkraft, die Dämpfersegmente 24 in Gegenuhrzeigersinn zu drehen, um dadurch eine axiale Kraft auf die hintere Schaftschiene 22 der Schaufel über die vordere Flanschfläche 91 auszuüben. Auf diese Weise ist die Höhe der Dämpfungskraft proportional zur Drehzahl des Rotors, d.h. eine wünschenswerte Charakteristik, wenn die Natur der Schaufel­ schwingungen berücksichtigt wird.

Zusätzlich zur Ausbildung einer Dämpfungskraft, die von der durch den hinteren Halter 28 ausgeübten Klemmkraft unabhängig ist, eliminiert die beschriebene Dämpfer/Dichtungsanordnung die thermisch erzeugten Ringbeanspruchungen von bekannten Dämpferanordnungen, nimmt den hinteren Halter, der gegenüber Kriechen bei hohen Temperaturen empfindlich ist, aus den eine hohe Temperatur aufweisenden Gasen heraus und gestattet, daß der Dämpfer, der den hohen Temperaturen in dem Strömungspfad ausgesetzt ist, aus einem bei hohen Temperaturen beständigen Gußmaterial gefertigt werden kann. Weiterhin kann jedes Dämpfer­ segment 24 abgestimmt werden, um die Dämpfungskraft zu variie­ ren, indem die Masse und sein Schwerpunkt verschoben werden.

Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Dämpfersegmente ist aus Fig. 7 ersichtlich, wo der nach hinten ragende Flansch 26 des Dämpfersegmentes 24 nahe an dem nach vorne ragenden Flansch 92 der zugehörigen feststehenden Plattform angeordnet ist, um zusammen eine Pufferdichtung zwischen der Heißgas-Strömungsbahn und der inneren Rotorkammer zu bilden, die radial innen davon angeordnet ist. Diese Dichtungsanordnung vervollständigt dieje­ nige, die zwischen dem hinteren Flansch 37 und der feststehen­ den Dichtung 93 angeordnet ist.

Selbstverständlich kann das Dämpfersegment 24 auch in anderen Haltevorrichtungen als den hier beschriebenen verwendet werden. Fig. 10 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem das Dämpfersegment 24 durch einen hinteren Halter 28 in der glei­ chen Weise wie vorstehend beschrieben gehalten ist, aber der Halter 28 ist durch Befestigungselemente oder Bolzen 94 gesi­ chert. Obwohl diese Bolzenbefestigungen aus den eingangs erör­ terten Gründen unerwünscht sind, arbeitet das Dämpfersegment 24 zufriedenstellend und unabhängig von dieser Befestigung.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Dämpfen von Schwingungen in Schaufeln einer Strömungsmaschine, bei der die Schaufelfüße auf dem Umfang einer Radscheibe in Nuten angeordnet sind, an deren axialen Stirnseiten Dämpfer angeordnet sind, die eine Druckfläche für einen axialen Eingriff mit der zugeordneten axialen Schaufelstirnseite aufweisen und die in Abhängigkeit von der bei der Rotation er­ zeugten Zentrifugalkraft gegen die Schaufelstirnseiten drückbar sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dämpfer in Umfangsrichtung in mehrere Dämpfer­ segmente (24) unterteilt sind, die jeweils neben einem Schaufelfuß in dessen Radscheibennut angeordnet sind, daß jedes Dämpfersegment (24) einen in die Radscheiben­ nut passenden Fußabschnitt (87), einen am Schaufelfuß anliegenden Mittelabschnitt (88) und einen radial äuße­ ren Flanschabschnitt (26) aufweist, der sich axial von der Schaufel weg erstreckt derart, daß der Schwerpunkt (SP) in dieser Richtung verschoben ist, wobei bei Ro­ tation jedes Dämpfersegment (24) einzeln gegen die zu­ geordnete Schaufelstirnfläche kippbar ist, und daß die Dämpfersegmente (24) an ihren Mittelab­ schnitten (88) durch einen Halter (28) axial gehal­ tert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschnitt des Dämpfersegmentes (24) einen Flanschabschnitt aufweist, der sich in Rich­ tung auf und bis in einen Eingriff mit der Schaufel erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschnitt des Dämpfersegmentes (24) mit einem Schaftschienenabschnitt (21, 22) der Schaufel in Eingriff steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelhalter (28) ein Ring ist, der mehrere Dämpfersegmente (24) haltert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangslänge von jedem Schaufeldämpfersegment (24) derart bemessen ist, daß das Dämpfersegment in seiner Einbauposition an benachbarten Dämpfersegmenten auf jeder Seite anliegt.