DE3413162A1

DE3413162A1 - Schaufelrad mit verminderter schaufelfussbeanspruchung

Info

Publication number: DE3413162A1
Application number: DE19843413162
Authority: DE
Inventors: Diether Eusebio Schenectady N.Y. Carreno; Manubhai Motibhai Clifton Park N.Y. Patel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-04-14
Filing date: 1984-04-07
Publication date: 1984-10-18
Also published as: GB8409388D0; IT8420516A0; IT1178467B; CH664602A5; US4480957A; FR2544381B1; GB2138078A; GB2138078B; JPH0423085B2; FR2544381A1; NO161818C; NO841488L; DE3413162C2; NO161818B; JPS59229002A

Description

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Schaufelrad mit verminderter Schaufelfußbeanspruchung

Die Erfindung bezieht sich auf umlaufende Maschinen und insbesondere auf eine umlaufende Maschine mit einer Schaufel, die durch eine Schwalbenschwanzverbindung am Umfang eines umlaufenden Rades gehaltert ist.

Bei Äxialströmungsverdichtern und Turbinen ist es üblich, eine einheitliche Anordnung zu bilden, die aus einem Schwalbenschwanz, der in eine schwalbenschwanzförmige Nut in einem Rad einpassbar ist, und einer auskragenden Schaufel besteht, die von dem Rad radial nach außen verläuft. An der Verbindung der auskragenden Schaufel und dem Schwalbenschwanz können Beanspruchskonzentrationen auftreten, die zur Rißbildung und im äußersten Fall zum Bruch der Anordnung führen können. Derartige Beanspruchungskonzentrationen können der starren Befestigung des Schwalbenschwanzes in dem Rad in Verbindung mit der Biegung der Schaufel zugerechnet werden, die in einer ihrer Schwingungstypen schwingt, beispielsweise in ihrem Grundschwingungstyp .

Bei einigen derartigen umlaufenden Einrichtungen ist es üblic^ miteinander verbundene Spitzen, Verbindungsdrähte oder in der Schaufelmitte angebrachte Mäntel bei großen Schaufeln zu verwenden und zu versuchen, die Schaufeln zu verriegeln und entweder ihre Resonanzfrequenz zu verändern oder Schwingungen zu dämpfen.

Die Vorhersage von Schwingungsproblemen ist im Entwicklungsstadium äußerst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, da die dynamischen Charakteristiken einer Rotorschaufel in vielen Fällen nur spezifiziert werden können, nachdem ein funk-

tionierender Prototyp in voller Größe gebaut und getestet worden ist. Eine Korrektur der Schwingungsprobleitie in dieser Stufe ist äußerst kostspielig. Weiterhin ist ein drohender Bruch einer Schaufel üblicherweise ein Dauerbruchereignis, das nicht deutlich wird, bevor die Einrichtung für eine längere Zeitperiode in Betrieb gewesen ist. Möglicherweise wird ein drohendes Rißproblem in der Schaufel nur nach einigen BetriebsJahren entdeckt.

Einige der möglichen Befestigungen, wozu die Spitzenverriegelungen, Drähte, Mäntel und andere Techniken gehören, sind nicht nur teuer und erzeugen Verzögerungen, sondern können auch zu Nachteilen und Verlusten in der Ausgangsleistung führen, die den definierten aerodynamischen Charakteristiken der die Schaufel enthaltenden Vorrichtung entgegenstehen.

Zu solchen anderen Lösungen können beispielsweise auswechsel bare Schaufeln gehören, die eine ungleichförmige Belastung auf den befestigten Schwalbenschwanz trotz einer Präzisionsbearbeitung der bogenförmigen Segmente erzeugen können. Auswechselbare Schaufeln können auch zu Problemen bei der Abdichtung zwischen verlängerten Schaufelplattformen führen, die den Wirkungsgrad des Verdichters verkleinern können.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Schaufel- und Schwalbenschwanzsystem zu schaffen, das die beim Stand der Technik auftretende Nachteile beseitigt. Weiterhin sollen eine Schau fel und ein Schwalbenschwanz mit wählbarer Flexibilität im Schwalbenschwanzbereich geschaffen werden, um durch Schwingungen hervorgerufene Beanspruchungen und/oder die Verschiebung der Typen und Eigenfrequenzen der Schwingung zu vermindern. Dabei soll die Möglichkeit einer drohenden Rißbildung an der relativ starren Verbindung des Schaufelfusses und des Schwalbenschwanzes vermindert werden, indem die mechanische Halterung des Schwalbenschwanzes durch eine schwalbenschwanz

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förmige Nut selektiv verkleinert wird.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen an einer schwalbenschwanzformigen Plattform zu schaffen. Dabei sollen Dämpfungsgewichte geschaffen werden, die in einen Reibungseingriff mit einer schwalbenschwanzformigen Plattform gedrückt werden, um die Schwingungsbewegung der schwalbenschwanzformigen Plattform zu dämpfen.

Erfindungsgemäß wird eine umlaufende Komponente geschaffen, die ein Rad, mehrere schwalbenschwanzförmige Nuten in einer Oberfläche des Rades und mehrere Rotorschaufeln aufweist, die jeweils einen Schwalbenschwanz und einen auskragenden aerodynamischen Abschnitt aufweisen, wobei der Schwalbenschwanz in die schwalbenschwanzförmige Nut einpaßbar ist für eine auskragende Halterung des aerodynamischen Abschnittes radial außen von dem Rad. Dabei sind Mittel vorgesehen, um eine Halterung des Schwalbenschwanzes durch die schwalbenschwanzförmige Nut zu modifizieren, wodurch eine Beanspruchung in der Rotorschaufel modifiziert wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht von einer teilweise auseinandergebauten bekannten Verdichterstufe.

Figur 2 ist ein Schnittbild nach einem Schnitt entlang der Linie II - II in Figur 1 und soll das Problem darstellen, das erfindungsgemäß gelöst wird.

Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht von einem Teil einer Rotorschaufel mit einem erfindungsgemäß veränderten Schwalbenschwanzfuß.

Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht von einem Teil einer weiteren Rotorschaufel und ihren zugehörigen Abstandshaltern gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 5 ist eine Schnittansicht von einem abgewandelten Schwalbenschwanz mit zwei Dämpfungsmassen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 6 ist eine Seitenansicht von einer Rotorschaufel mit Dämpfungsmassen in einer Mittellage.

Figur 7 ist eine Seitenansicht von einer Rotorschaufel mit Dämpfungsmassen in Endlagen.

Figur 8 ist eine Schnittansicht von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung und zeigt eine einstückige Dämpfungsmasse.

Figur 9 ist eine Schnittansicht von einem abgewandelten Schwalbenschwanz und einer einzelnen Dämpfungsmasse, die für eine asymmetrische Dämpfung und Halterung für einen aerodynamischen Abschnitt sorgt.

Figur 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das für eine asymmetrische Halterung und Dämpfung sorgt.

Auch wenn die Erfindung bei irgendeiner geeigneten Einrichtung angewendet werden kann, bei der eine auskragende Schaufel auf einem Rad durch einen Schwalbenschwanz gehaltert wird, wird im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine der Stufen in einem Axialströmungsverdichter einer Gasturbine gezeigt. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auf andere Vorrichtungen dieser allgemeinen Art anwendbar.

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In Figur 1 ist ein Teil einer bekannten Verdichterstufe 10 gezeigt, in der ein Rad 12 schwalbenschwanzförmige Nuten 14 aufweist, die in dem Radumfang ausgebildet sind. Mehrere Rotorschaufeln 16 mit einem Schwalbenschwanzfuß 18 sind in eine entsprechende schwalbenschwanzförmige Nut 14 genau einpaßbar. Mit dem Schwalbenschwanzfuß 18 ist ein aerodynamischer bzw. stromlinienförmiger Abschnitt 20 im allgemeinen einstückig ausgebildet.

üblicherweise ist der Schwalbenschwanzfuß 18 kürzer als die schwalbenschwanzförmige Nut 14. Abstandshalter 22 und 24 mit einem dem Schwalbenschwanz entsprechenden Querschnitt sind an gegenüberliegenden Enden des Schwalbenschwanzes 18 in die Nut 14 eingesetzt. Die Abstandshalter 22 und 24 sind in der Nut 14 durch übliche Mittel befestigt, beispielsweise durch Stollen (nicht gezeigt), um dadurch den Schwalbenschwanz 18 in der Längsrichtung festzulegen.

In Figur 2 ist eine Rotorschaufel 16 gezeigt, deren aerodynamischer Abschnitt in seinem Grundschwingungstyp zwischen einer Gleichgewichtslage, die in ausgezogenen Linien gezeigt ist, und Extrempositionen schwingt, die stark vergrößert in gestrichelten Linie dargestellt sind. Der Schwalbenschwanz 18 bleibt relativ starr an dem Rad 12 durch seine Einpassung in die Nut 14 fixiert. Somit haben Beanspruchungen aufgrund der Schwingung des stromlinienförmigen Abschnitts 20 die Neigung, sich an einem Ansatz 26 zu konzentrieren, wo der stromlinienförmige Abschnitt 20 mit dem Schwalbenschwanz 18 verbunden ist. Der Ansatz / stellt somit einen Punkt dar, von dem mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Rißbildung ausgeht, die sich dann in einen Riß 28 ausbreiten kann.

Analysen und Erfahrungen verdeutlichen, daß eine Rißbildung mit hoher Wahrscheinlichkeit in der Nähe des Mittelteils 30 oder an einem oder beiden Enden 32 des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes 20 beginnen, wo dieser mit dem Schwalben-

schwanz 18 verbunden ist.

In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das auf die Entspannung von Beanspruchungskonzentrationen am Mittelteil 30 gerichtet ist. Ein stromlinienförmiger Schaufelabschnitt 20 ist mit einem veränderten Schwalbenschwanz 34 verbunden, der einen weggeschnittenen Teil 36 aufweist, wo die Endabschnitte 38 und 40 verbunden sind. Der weggeschnittene Abschnitt 36 vermindert die Halterung für den aerodynamischen Abschnitt 20, so daß ein Plattformabschnitt 42 eine wesentlich kleinere Halterung von der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 erhält im Vergleich zu den Endabschnitten 38 und 14, die eine volle Halterung bzw. Unterstützung empfangen. Durch Verminderung der Abstützung des Mittelteils 30 eines stromlinienförmigen Abschnittes 20 können die Beanspruchsverteilung in dem Ansatz 26 und das dynamische Ansprechverhalten des aerodynamischen Abschnitts 20 einschließlich seiner Typen, Resonanzstellen und Eigenfrequenzen verändert werden. Durch selektives Auswählen der Lage und der Menge an Material, das in dem ausgeschnittenen Abschnitt 36 weggenommen wird, kann das Beanspruchungsverteilungsmuster im Ansatz 26 angepaßt werden, um das Beanspruchungsmuster zu vergleichmäßigen und dadurch die Möglichkeit einer Rißbildung zu verkleinern. Die erfindungsgemäß geschaffene Fähigkeit, das dynamische Verhalten der Rotorschaufel zu verändern oder anzupassen, gestattet, die Stellen, an denen Punkte maximaler Beanspruchung auftreten können, in Bereiche zu verschieben, wo deren Wirkungen toleriert werden können. In^dera zusätzlich eine Änderung der dynamischen Ansprechfrequenzen der Schaufel gestattet wird, können erfindungsgemäß mechanische Resonanzen verhindert werden, die anderenfalls die Rotorschaufel 16 erregen.

Das in Figur 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung kann dazu verwendet werden, die Beanspruchungen in einer Rotorschaufel 16* anzupassen, wo übermäßige Beanspruchungen an der

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Verbindungsstelle der Enden 32 des aerodynamischen Abschnitts 20 mit einem abgewandelten Schwalbenschwanz 44 gefunden werden können. In diesem Ausführungsbeispiel vermindern erste und zweite weggeschnittene Abschnitte 46 und 48 die Halterung für den aerodynamischen Abschnitt 20 unter Enden 32 des aerodynamischen Abschnitts 20. Wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann diese Verminderung der Abstützung an einer oder mehreren speziellen Stellen die Beanspruchungsverteilung in eine verbesserte Gleichförmigkeit anpassen.

Die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 3 und 4 können selbstverständlich in speziellen Fällen kombiniert werden. Zu diesem Zweck kann ein am Ende entfernter Abschnitt an dem einen Ende eines Schwalbenschwanz verwendet werden, und ein in der Mitte weggenommener Teil kann in dem gleichen Schwalbenschwanz verwendet werden, ohne daß ein entfernter Abschnitt an dem anderen Ende verwendet wird.

In Figur 5 ist eine weitere Einrichtung gezeigt, um Schwingungen zu vermindern und die Spannungsverteilung in dem Ansatz eines aerodynamischen Abschnitts 20 zu verändern. Erste und zweite Dämpfungsmassen 50 und 52 sind in der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 in dem ausgehöhlten Bereich gemäß Figur 3 oder 4 angeordnet. Die Dämpfungsmassen 50 und 52 sind durch Zentrifugalkraft radial nach außen gedrückt in einen Reibungseingriff mit Oberflächen 54 und 56 auf dem Umfang der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 und in einen Reibungseingriff mit Oberflächen 58 und 60 des Plattformbereiches 42. Wenn der Plattformabschnitt 42 durch Schwingung des aerodynamischen Abschnitts 20 gedreht wird, werden Reibungsverluste im Plattformbereich 42 durch dessen Reibungskontakt mit Oberflächen 58 und 60 hervorgerufen. Zusätzlich werden weitere Reibungsverluste erhalten durch den Reibungskontakt zwischen Oberflächen 54 und 56 und anlie-

gendenBereichender schwalbenschwanzförmigen Nut 14. Dabei können Dämpfungsmassen 50 und 52 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 verwendet werden, wie es in Figur 6 gezeigt ist, und auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4, wie es in Figur 7 gezeigt ist.

In Figur 8 ist eine einstückige Dämpfungsmasse 62 für einige Situationen angegeben, um für den gewünschten Verlust kinetischer Energie aus dem aerodynamischen Abschnitt 20 zu sorgen.

In Figur 9 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das für asymmetrische Dämpfungseigenschaften sorgt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein veränderter Schwalbenschwanz 64 nur teilweise beseitigt, um ein einzelnes Dämpfungsgewicht 66 aufzunehmen, das gegen eine Oberfläche 68 eines abgewandelten Schwalbenschwanzes 64 und gegen eine Oberfläche 70 der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 durch Zentrifugalkraft gedrückt ist. Es wird deutlich, daß die Steifigkeit, die dem aerodynamischen Abschnitt durch den abgewandelten Schwalbenschwanz 64 gegeben ist, sich in den zwei seitlichen Bewegungsrichtungen des aerodynamischen Abschnitts 20 unterscheidet. Wo also eine derartige asymmetrische Dämpfung wünschenswert ist, kann das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9 verwendet werden.

In Figur 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem ein abgeänderter Schwalbenschwanz 72 einen weggenommenen Abschnitt aufweist, der ein Dämpfungsgewicht 74 aufnimmt.

Andere Formen und Grenzflächen zwischen Dämpfungsgewichten und dem Rest der Einrichtungen sind selbstverständlich möglich.

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Claims

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.

Ansprüche

Umlaufende Komponente mit einem Rad, mehreren schwalbenschwanz förmi gen Nuten in einer Oberfläche des Rades und mehreren Rotorschaufeln, die jeweils einen Schwalbenschwanzfuß und einen auskragenden aerodynamischen Abschnitt aufweisen, wobei der Schwalbenschwanzfuß in die schwalbenschwanzförmigen Nuten einpassbar sind für eine auskragende Halterung des aerodynamischen Abschnittes radial außen von dem Rad,
gekennzeichnet durch Mittel (36) zum Verändern der Halterung des Schwalbenschwanzfusses (34) durch die schwalbenschwanzförmige Nut derart, daß eine Beanspruchung in der Rotorschaufel verändert ist.

2. Umlaufende Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (36) zum Verändern einer Halterung einen beseitigten Abschnitt des Schwalbenschwanzfusses aufweisen.

3. Umlaufende Komponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet

daß der

beseitigte Abschnitt einen Mittelteil des Schwalbenschwanzfusses aufweist, wobei der beseitigte Abschnitt einen Plattformbereich übrig läßt, der an einem Ansatz (26) des aerodynamischen Abschnitts (20) befestigt ist.

4« Umlaufende Komponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der beseitigte Abschnitt wenigstens einen Endabschnitt des schwalbenschwanzförmigen Fusses aufweist, wobei der beseitigte Abschnitt einen Plattformbereich übrig läßt, der an einem Ansatz (26)/aerodynamischen Abschnitts befestigt ist.

5. Umlaufende Komponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verändern einer Halterung ferner wenigstens eine Dämpfungsmasse (50, 52) aufweisen, die in den Schwalbenschwanzfuß neben dem beseitigten Abschnitt einpaßbar ist, wobei die Dämpfungsmasse Mittel aufweist für eine Reibungsdämpfungsbewegung von wenigstens einem Teil der Rotorschaufel.

α Umlaufende Komponente nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Dämpfungsmasse erste und zweite Dämpfungsmassen enthält, die symmetrisch in der schwalbenschwanzförmigen Nut in dem beseitigen Abschnitt angeordnet sind.

ο Umlaufende Komponente nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Dämpfungsmasse nur eine Dämpfungsmasse enthält, die symmetrisch in der schwalbenschwanzförmigen Nut in dem beseitigten Abschnitt angeordnet ist.

8. Umlaufende Komponente nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der beseitigte Abschnitt in bezug auf die Längsachse des
Schwalbenschwanzfusses asymmetrisch ist und die wenigstens eine Dämpfungsmasse nur eine Dämpfungsmasse enthält, die asymmetrisch in der schwalbenschwanzförmigen Nut in dem beseitigten Abschnitt angeordnet ist, wobei die Asymmetrie des beseitigten Abschnittes und die Anordnung der Dämpfungsmasse die Bewegung der Rotorschaufel in einer ersten Richtung anders dämpft als in einer zweiten Richtung.