DE3413162C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaufelrad gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Schaufelrad ist aus der US 37 20 480 bekannt. Dort besteht die Schaufel aus einem faserverstärkten Schichtverbundkörper. Wenn sich eine derartige Verbundschaufel im Falle eines Fehlers aus ihrer Halterungsnut löst, können sich die Halterungsstege auf der Radnabe verbiegen, so daß sich weitere Verbundschaufeln aus der Radnabe lösen können. Um dies zu verhindern, ist die bekannte Verbundschaufel in ihrem Fuß mit einem Verstärkungseinsatz versehen, der bei einem Schaufelverlust die benachbarten Halterungsstege weiterhin im Abstand hält.

Es hat sich gezeigt, daß bei Axialströmungsverdichtern und Turbinen an der Verbindung der auskragenden Schaufel und dem Schwalbenschwanzfuß Beanspruchungskonzentrationen auftreten können, die zur Rißbildung und im äußersten Fall zum Bruch führen können. Derartige Beanspruchungskonzentrationen können der starren Befestigung des Schwalbenschwanzfußes in dem Rad in Verbindung mit der Biegung der Schaufel zugerechnet werden, die in einer ihrer Schwingungstypen schwingt, beispielsweise in ihrer Grundschwingung.

Bei einigen derartigen umlaufenden Einrichtungen ist es üblich, miteinander die Schaufelspitzen mittels Verbindungsdrähte zu verbinden 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 funktionierender Prototyp in voller Größe gebaut und getestet worden ist. Eine Korrektur der Schwingungsprobleme 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 auswechselbare Schaufeln gehören, die eine ungleichförmige Belastung auf den befestigten Schwalbenschwanzfuß 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 zwar aus dem JP 57-1 86 004 Abstract bekannt, zur Schwingungsdämpfung einen Schlitz oder ein Kreisloch zwischen benachbarten Schaufelhalterungsnuten auf der Rotorumfangsfläche anzuordnen, um einen lokalen Schlupf zwischen der Schaufel und der Halterungsnut zu erleichtern. Hierdurch werden aber die ohnehin möglichst dünn gehaltenen Stege zwischen den Halterungsnuten geschwächt, diese Schlitze oder Löcher lassen sich nur schwer nach der Montage des Schaufelrades anordnen oder verändern und es ergeben sich nur relativ eingeschränkte Beeinflussungsmöglichkeiten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Schaufelrad der bekannten Art so auszugestalten, daß durch Schwingungen hervorgerufene Beanspruchungen auch nach der Montage des Schaufelrades selektiv verkleinert werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch Schwingungen hervorgerufene Beanspruchungen und/oder die Verschiebung von Typen und Eigenfrequenzen von Schwingungen positiv beeinflußt werden können. Durch eine kombinierte Änderung von Lage und/oder Ausdehnung des wenigstens einen Ausschnitt und einer Anbringung von Dämpfungsmassen ergibt sich eine große Beeinflussungsbreite. Dadurch kann das Risiko einer Rißbildung an der relativ starren Verbindung von auskragender Schaufel und Schwalbenschwanzfuß verkleinert werden.

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

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht von einem Teil einer Laufschaufel mit einem veränderten Schwalbenschwanzfuß;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht von einem Teil einer weiteren veränderten Laufschaufel und ihren zugehörigen Abstandshaltern;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht von einem abgewandelten Schwalbenschwanzfuß mit zwei Dämpfungsmassen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht von einem Schwalbenschwanzfuß mit Dämpfungsmassen in einer Mittellage;

Fig. 5 ist eine Seitenansicht von einem Schwalbenschwanzfuß mit Dämpfungsmassen in Endlagen;

Fig. 6 ist eine Schnittansicht von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung und zeigt eine einstückige Dämpfungsmasse;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht von einem abgewandelten Schwalbenschwanzfuß und einer einzelnen Dämpfungsmasse, die für eine asymmetrische Dämpfung und Halterung für den Profilabschnitt einer Laufschaufel sorgt;

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das für eine asymmetrische Halterung und Dämpfung sorgt.

Fig. 9 ist eine perspektivische Teilansicht von einer bekannten Verdichterstufe;

Fig. 10 ist ein Schnittbild nach einem Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 9.

Auch wenn die Erfindung bei irgendeiner geeigneten Einrichtung angewendet werden kann, bei der eine auskragende Schaufel auf einer Radnabe durch einen Schwalbenschwanzfuß gehaltert wird, wird im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine der Stufen in einem Axialströmungsverdichter einer Gasturbine gezeigt.

In Fig. 9 ist ein Teil einer bekannten Verdichterstufe 10 gezeigt, in der eine Radnabe 12 schwalbenschwanzförmige Nuten 14 aufweist, die in dem Nabenumfang ausgebildet sind. Mehrere Laufschaufeln 16 mit einem Schwalbenschwanzfuß 18 sind in eine entsprechende schwalbenschwanzförmige Nut 14 genau einpaßbar. Mit dem Schwalbenschwanzfuß 18 ist ein Profilabschnitt 20 im allgemeinen einstückig ausgebildet.

Üblicherweise ist der Schwalbenschwanzfuß 18 kürzer als die schwalbenschwanzförmige Nut 14. Abstandshalter 22 und 24 mit einem dem Schwalbenschwanzfuß entsprechender Querschnitt sind an gegenüberliegenden Enden des Schwalbenschwanzfußes 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 Schwalbenschwanzfuß 18 in der Längsrichtung festzulegen.

In Fig. 10 ist eine Laufschaufel 16 gezeigt, deren Profilabschnitt in seiner Grundschwingung zwischen einer Gleichgewichtslage, die in ausgezogenen Linien gezeigt ist, und Extrempositionen schwingt, die stark vergrößert in gestrichelten Linien dargestellt sind. Der Schwalbenschwanzfuß 18 bleibt relativ starr an der Radnabe 12 durch seine Einpassung in die Nut 14 fixiert. Somit haben Beanspruchungen aufgrund der Schwingung des Profilabschnitts 20 die Neigung, sich an einem Profilfuß 26 zu konzentrieren, wo der Profilabschnitt 20 mit dem Schwalbenschwanzfuß 18 verbunden ist. Der Profilfuß 26 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 Profilabschnittes 20 beginnen, wo dieser mit dem Schwalbenschwanzfuß 18 verbundenist.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das auf die Entspannung von Beanspruchungskonzentrationen am Mittelteil 30 gerichtet ist. Der Profilabschnitt 20 ist mit einem veränderten Schwalbenschwanzfuß 34 verbunden, der einen Ausschnitt 36 aufweist, wo die Endabschnitte 38 und 40 verbunden sind. Der Ausschnitt 36 vermindert die Halterung für den Profilabschnitt 20, so daß ein Fußabschnitt 42 eine wesentlich kleinere Halterung von der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 erhält im Vergleich zu den Endabschnitten 38 und 40, die eine volle Halterung bzw. Unterstützung empfangen. Durch Verminderung der Abstützung des Mittelteils 30 des Profilabschnitts 20 können die Beanspruchungsverteilung in dem Profilfuß 26 und das dynamische Ansprechverhalten des Profilabschnitts 20 einschließlich seiner Typen, Resonanzstellen und Eigenfrequenzen verändert werden. Durch selektives Auswählen der Lage und der Menge an Material, das in dem Ausschnitt 36 weggenommen wird, kann das Beanspruchungsverteilungsmuster im Profilfuß 26 angepaßt werden, um das Beanspruchungsmuster zu vergleichmäßigen und dadurch die Möglichkeit einer Rißbildung zu verkleinern. Die somit geschaffene Fähigkeit, das dynamische Verhalten der Laufschaufel 16 zu verändern oder anzupassen, gestattet, die Stellen, an denen Punkte maximaler Beanspruchung auftreten können, in Bereiche zu verschieben, wo deren Wirkungen toleriert werden können. Indem zusätzlich eine Änderung der dynamischen Ansprechfrequenzen der Laufschaufel gestattet wird, können mechanische Resonanzen verhindert werden, die anderenfalls die Laufschaufel 16 erregen.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung kann dazu verwendet werden, die Beanspruchungen in einer Laufschaufel 16′ anzupassen, wo übermäßige Beanspruchungen an der Verbindungsstelle der Enden 32 des Profilabschnitts 20 mit einem abgewandelten Schwalbenschwanzfuß 44 gefunden werden können. In diesem Ausführungsbeispiel vermindern erste und zweite Ausschnitte 46 und 48 die Halterung für den Profilabschnitt 20 unter den Enden 32 des Profilabschnitts 20. Wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann diese Verminderung der Abstützung an einer oder mehreren speziellen Stellen die Beanspruchungsverteilung für eine verbesserte Gleichförmigkeit anpassen.

Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und 2 können selbstverständlich in speziellen Fällen kombiniert werden. Zu diesem Zweck können ein Ausschnitt an dem einen Ende des Schwalbenschwanzfußes und ein Ausschnitt in der Mitte in dem gleichen Schwalbenschwanzfuß verendet werden, ohne daß ein Ausschnitt an dem anderen Ende des Schwalbenschwanzfußes verwendet wird.

In Fig. 3 ist eine weitere Einrichtung gezeigt, um Schwingungen zu vermindern und die Spannungsverteilung in dem Profilfuß 26 des Profilabschnitts 20 zu verändern. Erste und zweite Dämpfungsmassen 50 und 52 sind in der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 in dem Ausschnitt gemäß Fig. 1 oder 2 angeordnet. Die Dämpfungsmassen 50 und 52 werden durch Zentrifugalkraft radial nach außen gedrückt in einen Reibungseingriff mit Nutwänden 54 und 56 auf dem Umfang der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 und in einen Reibungseingriff mit Oberflächen 58 und 60 des Profilfußes 42. Wenn der Profilfuß 42 durch Schwingung des Profilabschnitts 20 gedreht wird, werden Reibungsverluste im Profilfuß 42 durch dessen Reibungskontakt mit den Oberflächen 58 und 60 hervorgerufen. Zusätzlich werden weitere Reibungsverluste erhalten durch den Reibungskontakt zwischen den Nutwänden 54 und 56 und anliegenden Bereichen der schwalbenschwanzförmigen Nut 14. Dabei können Dämpfungsmassen 50 und 52 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verwendet werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, und auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, wie es in Fig. 5 gezeigt ist.

In Fig. 6 ist eine einstückige Dämpfungsmasse 62 für einige Situationen angegeben, um für den gewünschten Verlust kinetischer Energie aus dem Profilabschnitt 20 zu sorgen.

In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das für asymmetrische Dämpfungseigenschaften sorgt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein veränderter Schwalbenschwanzfuß 64 nur teilweise ausgeschnitten, um eine einzelne Dämpfungsmasse 66 aufzunehmen, die gegen eine Oberfläche 68 eines abgewandelten Schwalbenschwanzfußes 64 und gegen eine Wand 70 der schwalbenschwanzförmigen Nut 14 durch Zentrifugalkraft gedrückt ist. Es wird deutlich, daß die Steifigkeit, die dem Profilabschnitt 20 durch den abgewandelten Schwalbenschwanzfuß 64 gegeben ist, sich in den zwei seitlichen Bewegungsrichtungen des Profilabschnitts 20 unterscheidet. Wo also eine derartige asymmetrische Dämpfung wünschenswert ist, kann das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 verwendet werden.

In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem ein abgeänderter Schwalbenschwanzfuß 72 einen Ausschnitt aufweist, der eine Dämpfungsmasse 74 aufnimmt.

Claims (5)

1. Schwingungsgedämpftes Schaufelrad mit radial auf dessen Nabenumfang in schwalbenschwanzförmigen Nuten befestigten Laufschaufeln, die einen Profilabschnitt und einen Schwalbenschwanzfuß aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwalbenschwanzfuß (34; 44) im Bereich der schwalbenschwanzförmigen Nut einen Ausschnitt (36; 46; 48) aufweist, der die Abstützungsfläche des Schwalbenschwanzfußes (34; 44) gegen die Wand der schwalbenschwanzförmigen Nut verkleinert, und in/an dem Ausschnitt (36; 46, 48) wenigstens eine Dämpfungsmasse (50, 52; 62; 66; 74) lose in die schwalbenschwanzförmigen Nut eingepaßt ist.

2. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Dämpfungsmasse (50, 52) durch Zentrifugalkraft radial nach außen in einen Reibeingriff mit der Laufschaufel (16) und dem Schwalbenschwanzfuß (34) drückbar ist und für eine Reibungsdämpfung der Laufschaufel (16) sorgt.

3. Schaufelrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dämpfungsmassen (50, 52) symmetrisch in dem Ausschnitt (36) angeordnet sind.

4. Schaufelrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Dämpfungsmasse (62) symmetrisch in dem Ausschnitt (36) angeordnet ist.

5. Schaufelrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschnitt (36), in bezug auf die Längsachse des Schwalbenschwanzfußes (64; 72) asymmetrisch ist und die Dämpfungsmasse (66; 74) asymmetrisch in der schwalbenschwanzförmigen Nut (14) in dem Ausschnitt (36) angeordnet ist, wobei die Asymmetrie des Ausschnittes (36) und die Anordnung der Dämpfungsmasse (66; 74) die Bewegung der Laufschaufel (16) in einen ersten Richtung anders dämpft als in einer zweiten Richtung.