DE3620162C2 - Laufschaufelkranz einer axial durchströmten Turbomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Laufschaufelkranz einer axial durchströmten Turbomaschine, dessen Laufschaufeln an ihrem radial äußeren Ende mit je einer Deckplatte versehen sind und an ihrem radial inneren Ende mit einem Fuß in einer entsprechenden Nut des Maschinenrotors befestigt sind, und bei dem die Deckplatten in Umfangsrichtung unter­ einander mittels in Eindrehungen eingewalzten Drähten verbunden sind.

Im Betrieb führt die einzelne Laufschaufel einer Turbo­ maschine Eigenschwingungen aus, die von der Vibrations­ art abhängen, der sie ausgesetzt ist; Tangentialbiegung, Axialbiegung oder Torsion. Wenn mehrere Schaufeln durch eine Bandagierung beispielsweise zu einem Paket zusammen­ gefaßt werden, wird das Verhalten der Schaufeln noch komplexer, da jedem Schwingungsfall so viele Eigenfrequen­ zen zuzuordnen sind, wie Schaufeln in einem Paket vorhanden sind. Aufgrund der großen Anzahl von Eigenfrequenzen ist es sehr schwierig, Resonanzerscheinungen mit periodischen Erregungskräften zu vermeiden.

Dagegen führt die durchgehende Bindung aller Laufschau­ feln eines Rades zu einem vollkommen anderen Verhalten. Da nur gekoppelte Schwingungen von allen Schaufeln möglich sind, müssen die Erregungskräfte über die gesamte Peripherie des Rades mit der Schwingungsart in Phase liegen, damit überhaupt eine Energieübertragung auf die Schaufeln erfolgt. Diese Art der Schaufelbindung ist besonders interessant für die Regelstufe einer Turbine, deren rotierende Lauf­ schaufeln durch periodische Kräfte, die aus den Schaufel­ segmenten der ersten Leitschaufelstufe, des Düsenkastens, stammen und deren Frequenzen ein Vielfaches der Drehfre­ quenz darstellen, in Schwingung versetzt werden.

Ein Laufschaufelkranz der eingangs genannten Art ist z. B. bekannt aus dem Buch "Thermische Turbomaschinen" von Walter Traupel, 3. Auflage, zweiter Band, Abb. 20.21.3 und zuge­ hörige Beschreibung. Die erwähnte Lösung, d. h. in die Deckplatten eingestemmte Bindedrähte, ist mit dem Prädikat "sehr bemerkenswerte Ausführungsform" versehen.

Nun hat es sich jedoch gezeigt, daß an den Stellen, an denen der Draht die Stirnseiten der Deckplatten durch­ dringt, schwingungsbedingte Reibkorrosion auftritt, die zum Bruch des Drahtes führen kann.

Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Laufschaufelkranz der eingangs genannten Art den Draht so einzuklemmen, daß er im Bereich der Stirnseiten keinen metallischen Kontakt zur Deckplatte aufweist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in die Stirnseiten der Deckplatten Nuten eingearbeitet sind mit einer Weite w₁, die größer bemessen ist als jene der für den einzuwalzenden Draht vorgesehenen Deckplatten­ eindrehung, wobei in die Nuten anläßlich des Walzvorgangs ein den Draht zumindest im Bereich der Walzstellen umge­ bendes, nach dem Walzen entfernbares Distanzmittel einge­ legt ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung anhand des Aktionsrades einer Dampfturbinen-Regel­ stufe dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht in Axialrichtung auf einen aus drei Laufschaufeln bestehenden Radabschnitt mit teil­ weise geschnittenen Deckplatten,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf den Radabschnitt nach Fig. 1,

Fig. 3a-3c teilweise Ansichten einer Schaufel in tangentialer Richtung in verschiedenen Bearbeitungsstadien.

Erfindungsunwesentliche Elemente wie beispielsweise die die Beschaufelung umgebenden strömungsbegrenzenden Stator­ wandungen sowie der in der Regel stromaufwärts der Regel­ stufe angeordnete Düsenkasten sind fortgelassen.

Das Regelrad besteht im wesentlichen aus einem geschlosse­ nen Ring von Schaufeln, deren vom Arbeitsmedium beaufschlag­ tes, profiliertes Blatt 1 an seinem radial äußeren Ende mit einer Deckplatte 2 versehen ist. Im dargestellten Beispiel weist diese Deckplatte Rechteckform auf; sie könnte indessen genausogut rhombusförmig ausgebildet sein. Auch die zylind­ rische Kanalform, die sich gemäß Fig. 3a dadurch äußert, daß Eintrittspartie und Austrittspartie des Schaufel­ blattes 1 gleiche Höhe aufweisen, ist erfindungsunwesent­ lich; auch konische Kanalformen, bei denen die Konizität durch entsprechend gestaltete Deckplatten 2 und/oder Fuß­ platten 3 gebildet ist, können angewendet werden. Erfindungs­ unwesentlich ist ferner die Art der Befestigung des Schaufel­ fußes 4 im Rotor 5, die im vorliegenden Fall mittels axial in entsprechende Nuten des Rotors einschiebbaren Tannenbaumfüßen vorgenommen wird.

Die Erstreckung der einzelnen Deckplatten in Umfangsrich­ tung ist so bemessen, daß sie im kalten Zustand mit ihren Stirnseiten 6 aneinander stoßen und somit einen geschlos­ senen Ring bilden.

Während des Normalbetriebes der vorausgesetzten volltouri­ gen Turbomaschine weiten sich nun zu einen die Schaufeln infolge Fliehkraft auf, was zu einem Spiel von ca. 1/100 mm zwischen den Stirnseiten der Deckplatten führt. Zum andern weist ein derartiges Regelrad im Nennbetrieb eine Tempe­ ratur von ca. 500°C auf. Nun bestehen unter anderem aus Festigkeitsgründen der Rotor und die in der Regel aus dem Vollen gearbeiteten Schaufeln (1 bis 4) aus unterschied­ lichen Materialien, ersterer beispielsweise aus einem Stahl nach DIN 21 Cr V 511, sofern es sich um einen Voll­ rotor handelt, letzterer aus einem 13%-igen Chromstahl. Die Temperaturdehnungen von Rotor und Schaufeln bewirken ein zusätzliches Spiel zwischen den Stirnseiten benachbarter Deckplatten von ca. 2/100 mm, insbesondere bedingt durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materia­ lien; der Rotor weitet sich stärker aus als sich die Deck­ platten in Umfangsrichtung längen.

Ohne Gegenmaßnahme würde sich nun ein unzulässiges Be­ triebsspiel von ca. 3/100 mm einstellen. Um dieses Spiel zu überbrücken, d. h. eine spielfreie Bindung der Lauf­ schaufeln zu erzielen, sind die Dämpferdrähte 7 vorge­ sehen, die während des ganzen Betriebes eine Wirkverbindung zwischen je zwei benachbarten Deckplatten gewährleisten.

In Umfangsrichtung verlaufen an den Deckplatten zwei derar­ tige Drähte 7 nebeneinander. Die Eindrehungen 8 für die Drähte werden erst am fertig beschaufelten Rotor in die Deckplatten eingearbeitet. Sie sind beidseitig flankiert durch Zacken 9, deren innere Flanken vorzugsweise radial ausgerichtet sind. Nach Einlegen des auf den erforderli­ chen Durchmesser vorgeformten Drahtes 7 werden die Zacken mit einer hierzu geeigneten Vorrichtung um den Draht herum­ gedrückt. Sie schließen den Draht über den Großteil seines Umfanges ein. Die Höhe und der Querschnitt der Zacken 9 sind so bemessen, daß nach dem Walzvorgang in der Regel keine spanabhebende Nachbearbeitung erforder­ lich ist.

Soweit sind Deckband- oder Deckplattenbindungen bekannt. Gemäß der Erfindung werden nunmehr vorgängig der Schaufel­ montage in die der Strömung abgekehrten Stirnseiten der rohen Deckplatten Nuten 10 eingearbeitet. Im vorliegenden Fall beträgt deren Erstreckung in Umfangsrichtung ca. 5 mm bei Anwendung eines Dämpferdrahtes von 10 mm Durchmes­ ser (Fig. 1 und Fig. 2). Ihre Weite w₁ ist etwas größer bemessen als die Weite w₂ der für den Draht vor­ gesehenen Eindrehung 8 (Fig. 3a, linker Teil). In Fig. 3b ist erkennbar, daß der in die Eindrehung eingelegte Dämpferdraht 7 im Bereich der Nut mit einem Streifen 11 eines biegbaren Materials unterlegt ist. Dieser Streifen, im vorliegenden Fall handelt es sich um ein Hartpapier, weist eine Stärke auf, die dem Spiel zwischen Draht und Nut entspricht. Seine Breite beträgt ca. das Doppelte der Nuterstreckung in Umfangsrichtung, so daß die zwei sich gegenüberliegenden Nuten von benachbarten Schaufeln mit nur einem gemeinsamen Streifen quasi voll ausgefüllt sind.

Beim anschließenden Walzvorgang wird das eingelegte Distanz­ mittel nur unwesentlich zusammengequetscht. Ein metallischer Kontakt zwischen Draht und Deckband wird im Bereich der Nuten vermieden. Kraftschluß und Formschluß zwischen Draht und Deckband werden ausschließlich außerhalb der Nutzonen erzielt.

Anläßlich der ersten Inbetriebnahme wird das eingelegte, gequetschte Material infolge der Betriebstemperatur zu Asche verglühen, wodurch im Nutenbereich ein definiertes Spiel zwischen Draht und Deckband entsteht. Während des Betriebes wird sich beim Auseinanderklaffen der Deckbänder der Draht, der in der Regel aus dem gleichen Material wie die Schaufeln gefertigt ist, nur in der nicht ver­ stemmten Nutzone dehnen. Schaufelschwingungen wirken sich an den Stellen, an denen der Draht die Deckbänder durch­ dringt, nicht nachteilig auf den Draht aus.

Claims (3)

1. Laufschaufelkranz einer axial durchströmten Turboma­ schine, dessen Laufschaufeln an ihrem radial äußeren Ende mit je einer Deckplatte versehen sind und an ihrem radial inneren Ende mit einem Fuß in einer entspre­ chenden Nut des Maschinenrotors befestigt sind, und bei dem die Deckplatten in Umfangsrichtung untereinander mittels in Eindrehungen eingewalzten Drähten verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in die Stirnseiten (6) und in Umfangsrichtung der Deckplatten (2) Nuten (10) eingearbeitet sind mit einer Weite w₁, die größer bemessen ist als die Weite w₂ der für den einzuwalzenden Draht (7) vorgesehenen Eindrehung (8), wobei in die Nuten anläßlich des Walz­ vorganges ein den Draht (7) zumindest im Bereich der Walz­ stellen umgebendes, nach dem Walzen entfernbares Distanz­ mittel (11) eingelegt ist.

2. Laufschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das entfernbare Distanzmittel (11) ein streifen­ förmiges, biegsames Material ist, mit einer Breite, die etwa der zweifachen Nuterstreckung in Umfangsrich­ tung entspricht und mit welchem der je zwei benachbarte Deckbänder verbindende Draht in den sich gegenüberlie­ genden Nuten unterlegt ist.

3. Laufschaufelkranz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Hartpapier ist, welches während des Maschinenbetriebes zu Asche verglüht.