DE3416648C2 - Vorrichtung zum Auswuchten eines Drehkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Auswuchten eines Drehkörpers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus JP 57-186004 bekannt.

Die genaue Auswuchtung von Rotoren in großen Dampf- und Gasturbinen ist für einen ruhigen Lauf wichtig.

Das Auswuchten erfolgt entweder durch Hinzufügen von Material zu ausgewählten Bereichen des Rotors oder durch Entfernen von Material von denselben.

In einer herkömmlichen Technik wird Gewicht in Auswucht­ nuten, die in der Seite eines Rades gebildet sind, hin­ zugefügt. Das Hinzufügen von Gewicht ist bei größeren Maschinen wegen dessen möglicher nachteiliger Auswirkung bei niedrigen kritischen Drehzahlwerten unerwünscht.

Darüberhinaus führen Auswuchtnuten zu zusätzlichen Spannungskonzentrationen, die bei neueren und stärker beanspruchten Konstruktionen immer unerwünschter werden.

In einer weiteren herkömmlichen Technik wird Material wählbar entfernt, indem Auswuchtlöcher zwischen Schrau­ benlöchern in Verdichter- und Rotorturbinen gebohrt werden. Außer den sich ergebenden Spannungskonzentra­ tionen können solche Auswuchtlöcher die Oberflächenbe­ dingungen verändern, insbesondere in dem Spannflächen­ bereich, wo die Spannflächen mit Genauigkeiten in der Größen­ ordnung von 0,01 mm eingehalten werden müssen.

Die Vorrichtung gemäß der eingangs genannten JP-57-186004 beschäftigt sich insbesondere mit der Dämpfung von Schwingungen, und zu diesem Zweck sind dort zwischen benachbarten Nuten zur Aufnahme von Schaufeln Schlitze angeordnet, die den Druck zwischen dem Schaufelfuß und der Nut verkleinern und einen lokalen Schlupf dazwischen ermöglichen sollen.

Weiterhin beschreibt die JP-57-38603 eine Vorrichtung, durch die ein Schaufelfuß lösbar in Nuten einer Rotor­ scheibe befestigt werden kann, indem in dem Schaufelfuß ein Schraubloch mit einem seitlichen Schlitz ausgebildet sind und in das Schraubloch eine konische Schraube einschraubbar ist. Durch Anziehen der Schraube wird der Schaufelfuß elastisch verformt und gegen die Wände der entsprechenden Nut gedrückt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein Drehkörper genau ausgewuchtet werden kann, ohne daß eine Auswuchtmasse hinzu­ gefügt oder an den strukturell beanspruchten Abschnitten weggenommen werden muß.

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

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und durch sie erzielbare Vorteile werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Turbinen- oder Verdichterscheibe, bei der eine Auswuchtvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung be­ nutzt wird, und

Fig. 2 eine detaillierte Seitenansicht eines Teils von zwei benachbarten Turbinenstufen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, welches das radiale Einführen von Gegenge­ wichten nach dem Zusammenbauen von benach­ barten Stufen gestattet.

Die Auswuchtvorrichtung gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung ist zwar allgemein sowohl bei Turbinenscheiben als auch bei Verdichterscheiben, insbesondere von Gas- oder Dampfturbinen, verwendbar, das im folgenden konkret beschriebene Ausführungsbeispiel ist jedoch zu Erläuterungszwecken auf eine Turbinenstufe einer Gas- oder Dampfturbine gerichtet.

Eine Turbinenstufe wird herkömmlicherweise mit einer Scheibe oder einem Rad hergestellt, das eine axiale Welle aufweist. Schwalbenschwanznuten sind in die Oberfläche des Rades maschinell eingearbeitet, und Schwalbenschwanzfüße der Turbinenschaufeln werden in die Schwalbenschwanznuten eingepaßt.

Zum genauen Positionieren und Festhalten jeder Schaufel in ihrer endgültigen Position ist es üblich, ein strom­ aufwärtiges und/oder ein stromabwärtiges Distanzstück zu verwenden, das in die Schwalbenschwanznut paßt und an den Enden des Schaufelschwalbenschwanzes an­ liegt. Herkömmliche Distanzstücke bestehen aus massivem Material.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 enthält eine teilweise zusammengebaute Turbinenstufe, die insgesamt mit 10 be­ zeichnet ist, ein Turbinenrad 12, in das mehrere insge­ samt parallele Schwalbenschwanznuten 14 maschinell ein­ gearbeitet sind. Jede Schwalbenschwanznut 14 nimmt einen Schwalbenschwanzfuß 16 einer Turbinenschaufel 18 auf, um ein Profil 20 der Turbinenschaufel 18 in einem Hochgeschwindigkeitsgasstrom zu halten, aus welchem die Turbinenstufe 10 Drehenergie entnimmt.

Die Turbinenschaufel 18 ist zwischen einem stromaufwärtigen Ende 22 und einem stromabwärtigen Ende 24 des Turbinenra­ des 12 angeordnet. Zum Festhalten der Turbinenschaufel 18 in ihrer geeigneten axialen Position sind ein stromauf­ wärtiges Distanzstück 26 und ein stromabwärtiges Distanz­ stück 28 in die Schwalbenschwanznut 14 eingepaßt.

Das stromaufwärtige Distanzstück 26 wird durch irgendeine herkömmliche Vorrichtung in seiner Lage festgehalten, hier durch eine Vernietung 30. Das stromabwärtige Distanzstück 28 ist auf gleiche Weise befestigt, so daß das stromaufwärtige und das stromabwärtige Ende des Schwalbenschwanzfußes 16 durch die Distanzstücke 26 und 28 fest eingespannt sind.

Eine Auswuchtnut 32 ist in dem radial inneren Teil des stromaufwärtigen Distanzstückes 26 sowie des stromabwärtigen Distanzstückes 28 (in Fig. 1 nicht zu erkennen) gebildet. Ein Gegengewicht 34 ist in die Auswuchtnut 32 einführbar und darin durch irgendeine zweckmäßige Vorrich­ tung befestigbar, hier beispielsweise durch eine Vernietung 36.

Eine Feinauswuchttrimmung kann durch Bohren eines Trimm­ loches 38 in das Gegengewicht 34 erfolgen. Das Trimmloch 38 ist axial in das Gegengewicht 34 gebohrt dargestellt, es können aber auch an­ dere Methoden zum Reduzieren der Masse des Gegengewichts 34 benutzt werden. Beispielsweise kann das Ende oder ein Zwischenteil des Gegengewichts 34 weggeschliffen oder auf andere Weise entfernt werden, um dessen Masse zu reduzieren. Darüber hinaus können ein oder mehrere radiale Löcher (nicht dargestellt) durch das Gegengewicht 34 ge­ bohrt werden. Weiter kann das Gegengewicht 34 um seine Ach­ se asymmetrisch sein, so daß die Drehung des Gegengewichts 34 um dessen Achse eine kleine Änderung der Gesamtauswuchtung der Turbinenstufe 10 bewirken kann. Die letztgenannte Trimm­ technik, bei der das Gegengewicht 34 gedreht wird, dürfte eine sehr geringe Auswirkung auf die Auswuchtung haben und ist, wenn überhaupt, nur zu sehr feinen Trimmungen verwend­ bar.

In dem Ausführungsbeispiel Distanzstücke 26 und 28 nach Fig. 1 ist die Auswuchtnut 32 mäuseloch- oder U-förmig, wobei die U-Öffnung radial nach innen weist. Die radial äußere Ausdeh­ nung der Auswuchtnut 32 muß ausreichend begrenzt sein, so daß das verbleibende Material der Distanzstücke 26 und 28 aus­ reicht, um den Teilen eine ausreichende Steifheit und Festig­ keit zu geben, damit sie die Zentrifugalkraft aushalten kön­ nen, die auf sie bei hoher Drehzahl der Turbinenstufe 10 ein­ wirkt. Aus diesem Grund wird die mit offener Mündung versehe­ ne Auswuchtnut 32 so weit wie möglich radial innen angeordnet. Darüber hinaus sei beachtet, daß das Gegengewicht 34 zylin­ drisch und in engem mechanischen Kontakt mit der Auswuchtnut 32 nur in einem halbkreisförmigen Teil von deren Oberfläche ist. Andere Formen der Auswuchtnut 32 und des Gegengewichts 34 sind zwar möglich und im folgenden näher beschrieben, die Verwendung eines einfachen zylindrischen Stabes als Gegengewicht 34 und einer maschinell leicht herstellbaren U-förmigen Auswuchtnut 32 verringert jedoch die Fertigungskosten.

Zum Vergrößern der Festigkeit der Distanzstücke 26 und 28 kann der radial äußere Umriß der Auswuchtnut 32 auf einfache Weise von einer halbzylindrischen in eine Ellipsenform bei entsprechender Änderung der Form des Gegengewichts 34 geändert werden. Darüber hinaus können zur Vereinfachung der Fertigung oder aus anderen Gründen andere Formen des Loches und des Gewichts benutzt werden. Beispielsweise können zur Erleichterung des Zusammenbauens ein quadratisches Loch und ein quadratisches Gewicht erwünscht sein.

Es ist klar, daß in einer zusammengebauten und ausgewuchte­ ten Turbinenstufe nicht sämtliche Auswuchtnuten 32 Gegenge­ wichte 34 enthalten werden. Sämtliche Distanzstücke 26 und 28 können Auswuchtnuten enthalten, und einige wenige davon, beispielsweise vier Nuten, können Gegengewichte 34 enthalten. Darüber hinaus brauchen nicht sämtliche Gegengewichte 34 Trimmlöcher 38 erfordern. Das heißt, wenn zwei Paar Gegenge­ wichte in gewählten Positionen um den Umfang des Turbinen­ rades 12 angeordnet sind, brauchen Trimmlöcher 38 nur in einem, in zwei oder in drei Gegengewichten 34 einer größeren Anzahl von Gegengewichten erforderlich sein, um die endgül­ tige Auswuchtung zu erreichen.

Bekanntlich ist es üblich, zwei oder mehr als zwei Turbinen- oder Verdichterstufen auf einer gemeinsamen Welle zu verwen­ den, um dem Arbeitsfluid mehr Energie zu entnehmen. In dem Fall von Verdichtern können zehn, zwölf oder mehr aufeinanderfolgende Stufen verwendet werden. Wenn solche Stu­ fen zusammengebaut sind, sind sie im allgemeinen in enger ge­ genseitiger axialer Anlage und es besteht kein weiterer Zu­ gang zu den Ausgleichsnuten 32 und den Gegengewichten 34. Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel erfordert daher das fertige Auswuchten jeder Turbinenstufe 10 vor dem endgül­ tigen Zusammen- und Einbau.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die endgültige Auswuchtung selbst dann erfolgen, wenn durch das Zusammenbauen die Enden des stromaufwärti­ gen und des stromabwärtigen Distanzstückes unzugäng­ lich geworden sind. In diesem Ausführungsbeispiel liegt ein stromaufwärtiges Distanzstück 40 an einem Ende des Schwalbenschwanzfußes der Turbinenschaufel 18 an und hält diese fest. Eine Auswuchtnut 42, die diesel­ be Form wie die Auswuchtnut 32 in dein zuvor beschrie­ benen Ausführungsbeispiel oder eine andere Form haben kann, ist in einem radial inneren Teil des stromauf­ wärtigen Distanzstückes 40 angeordnet. Ein stromab­ wärtiges Distanzstück 44 der benachbarten Turbinenstu­ fe 10′ ist nicht mit einer Auswuchtnut versehen. Die Auswuchtnut 42 ist daher an jedem Ende geschlossen, weil entsprechende Nuten in den benachbarten Teilen fehlen.

Ein radiales Loch 46, das sich von einer radial äuße­ ren Oberfläche 48 des stromaufwärtigen Distanzstückes 40 aus erstreckt, steht mit der Auswuchtnut 42 in Ver­ bindung. Ein Verschlußteil, in dem hier dargestellten Beispiel eine Stellschraube 50, verschließt das radiale Loch 46. Vorzugsweise hat die Stellschraube 50 einen radial nach außen gerichteten Flansch 52, der mit einer Schulter 54 einer Senkbohrung in dem radialen Loch 46 zusammenpaßt. Eine äußere Oberfläche 56 der Stellschrau­ be 50 ist bündig mit der radial äußeren Oberfläche 48 des stromaufwärtigen Distanzstückes 40 angeordnet, wenn die Stellschraube 50 voll in das radiale Loch 46 einge­ schraubt ist.

Die Gegengewichte 58, bei denen es sich beispielsweise um Stahlkugeln handeln kann, können in die Auswuchtnut 42 eingebracht werden, indem die Stellschraube 50 ent­ fernt wird, und dann darin gehalten werden, indem die Stellschraube 50 wieder eingeschraubt wird. Wie angege­ ben, kann mehr als ein Gegengewicht 58 nach Bedarf ver­ wendet werden, um die richtige Auswuchtung zu erzielen.

Das Material für das Gegengewicht 58 kann geeignet ge­ wählt werden, so daß nicht nur die Auswuchtung nach dem Zusammenbau justiert werden kann, indem zusätzliche Ge­ gengewichte 58 hinzugefügt werden, sondern auch die Aus­ wuchtgewichte 58 nach Bedarf entfernt werden können. Zum Erleichtern des Entfernens von Gegengewichten 58 können diese aus magnetischem Material hergestellt werden, und eine magnetische Sonde kann zum Entfernen derselben be­ nutzt werden. Es ist außerdem möglich, die Gegengewichte 58 zu entfernen, indem die Turbinenstufe 10 gedreht wird, so daß ein radiales Loch nach unten statt wie dargestellt nach oben gerichtet wird.

Außer Stahlkugeln können auch andere Arten von Gegenge­ wichten 58 verwendet werden. Beispielsweise kann schmelz­ flüssiges Material geeigneter Eigenschaften durch das ra­ diale Loch 46 eingegossen werden, in welchem es nach der Erstarrung festgehalten wird. Körniges Material kann eben­ falls benutzt werden. Darüber hinaus kann, wenn Gegenge­ wichte 58 mit einer einzigen Abmessung verwendet werden, ein Bereich unterschiedlicher Materialien, der unterschied­ liche Gewichte pro Gegengewicht 58 ergibt, eine feinere Steuerung der Auswuchtung gestatten.

Es sind zwar Auswuchtnuten 32 und 42 gezeigt, die sich über die volle Länge der Distanzstücke 26 und 40 erstrecken. Dies ist aber nicht notwendig. Insbesondere in der Konfiguration nach Fig. 2 kann ein Steg (nicht dargestellt) in einem oder beiden Enden des Distanz­ stückes 40 vorgesehen sein, um radial eingeführte Gegenge­ wichte 58 festzuhalten, ohne daß völlige Abhängigkeit vom Festhalten derselben durch Anlage an benachbarten Schwalben­ schwanzelementen, die keine Nuten aufweisen, besteht.

In einigen Turbinen- oder Verdichterstufen kann das richtige Positionieren der Schaufeln das Beseitigen des einen oder an­ deren der stromaufwärtigen oder stromabwärtigen Distanz­ stücke erfordern. Das heißt, der Schwalbenschwanzfuß 16 (Fig. 1) kann mit seinen Enden mit dem stromaufwärtigen Ende 22 oder mit dem stromabwärtigen Ende 24 des Turbi­ nenrades 12 bündig sein, und ein einzelnes Distanzstück kann an dem entgegengesetzten Ende des Schwalbenschwanzfußes 16 benutzt werden. Eine Auswuchtnut kann in dem einzelnen Distanzstück zur oben beschriebenen Verwendung vorgesehen sein.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Auswuchten eines Drehkörpers, der ein Rad (12) und mehrere Schaufeln (18) aufweist, die sich von dem Rad aus erstrecken und jeweils einen Schwalbenschwanzfuß (16) aufweisen, der zur Halterung der Schaufel in eine Schwalbenschwanznut (14) in einem Umfang des Rades einpaßbar ist, wobei die Schwalbenschwanznut (14) eine größere Länge als der Schwalbenschwanzfuß (16) hat und wenigstens ein Distanzstück (26, 28, 40) in die Schwalbenschwanznut (14) einpaßbar ist, so daß es an dem Schwalbenschwanzfuß (16) anliegt und ihn in der Schwalbenschwanznut in einer vorbestimmten Längsposition hält, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (26, 28, 40) mit einer Auswuchtnut (32, 42) versehen ist, die so angeordnet ist, daß eine ausreichende Festigkeit des Distanzstückes erhalten bleibt, damit dieses Trägheitskräfte, die auf es einwirken, aushalten kann und in die Auswuchtnut ein Gegengewicht (34, 58) eingepaßt ist, das durch eine Haltevorrichtung (36, 50) in der Auswuchtnut festgehalten ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Auswuchtnut (32, 42) axial angeordnet ist und einen U-förmigen Querschnitt aufweist, wobei die Öffnung des U-förmigen Querschnitts radial nach innen gerichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewicht (34) einen zylindrischen Querschnitt hat und daß dieser zylindrische Querschnitt und ein gekrümmter Teil des U-förmigen Querschnitts im wesentlichen gleiche Radien haben.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (36) eine Vernietung (36) an benachbarten Teilen des Distanzstücks (26, 28) und des Rades (12) ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswuchtnut (32, 42) in dem Distanzstück (26, 28) axial angeordnet ist und durch die entgegengesetzten Enden des Distanzstückes hindurchgeht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung das Anliegen eines Endes der Auswuchtnut (32, 42) an einer Oberfläche beinhaltet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung eine Stellschraube (50) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein radiales Loch (46), das von einer radial äußeren Oberfläche (48) des Distanzstücks (40) in die Auswuchtnut (42) führt, wobei das Gegengewicht (58) durch das radiale Loch (46) hindurch in die Auswuchtnut (42) einführbar ist und wobei die Stellschraube (50) das radiale Loch verschließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewicht (58) eine wählbare Anzahl von Gewichten aufweist, die in die Auswuchtnut (42) eingepaßt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichte (58) Kugeln sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswuchtgewicht körniges Material umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswuchtgewicht schmelzbares Material umfaßt, das in der Auswuchtnut erstarrt.

13. Drehkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Gegengewichts (34) einstellbar ist.

14. Drehkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen des Gewichts ein Trimmloch in das Gegengewicht (34) gebohrt wird.