DE3810537C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dämpfen von Schwingungen von Axialbeschaufelungen, insbesondere axial durchströmter Turbomaschinen, mit hohl ausgeführten und verschlossenen Bindestiften im Bereich der freien Schaufelenden, die ein Dämpfungsmedium enthalten und senkrecht zur Fliehkraft ausgerichtet sind. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Dämpfen von Schwingungen von Schaufeln mit Deckband oder -platte oder mit Stützflügeln, insbesondere axial durchströmter Turbomaschinen mit senkrecht zur Fliehkraft im Deckband bzw. in den Stützflügeln vorgesehenen abgeschlossenen Hohlräumen mit einem Dämpfungsmedium.

Aufgrund von Störungen in Form von Druck- oder Geschwindigkeitsvariationen wird eine Axialbeschaufelung zu Schwingungen angeregt. Um den zusätzlichen, aus den Schwingungen resultierenden Belastungen standzuhalten, sind Schaufelwerkstoffe mit hohen Festigkeitswerten erforderlich. Um Schäden durch hohe Fliehkraftbelastungen mit überlagerten Wechselamplituden zu vermeiden, müssen Schaufeln verhältnismäßig kurz und mit dickem Profil ausgeführt werden. Für eine hohe Energieumwandlung sollten diese aber lang und bezüglich des Profiles dünn ausgebildet werden, was aufgrund von Festigkeitsanforderungen meist nicht in gewünschtem Umfang realisiert werden kann.

Werden die Schaufelschwingungen durch geeignete Maßnahmen verringert, so vermindern sich auch die Belastungen und das Schaufelprofil kann wegen der geringeren Anforderungen an die Schwingfestigkeit strömungs- und energiegünstiger (wirtschaftlicher wegen höhere Energieumsetzung pro Stufe) ausgebildet werden.

Zur Verminderung von Schaufelschwingungen können die Schaufeln vorteilhaft über ein Deckband miteinander verbunden werden, oder, bei zu hohen mechanischen Belastungen, mittels eines Bindedrahtes oder durch lose eingelegte Bindestifte miteinander gekoppelt werden.

Es wurde vorgeschlagen, (US 23 49 187) in den Schaufeln Hohlräume einzubringen, in denen sich ein Zylinder oder eine Kugel auf einer konkaven Fläche, gegen die der Zylinder bzw. die Kugel durch die Fliehkraft angepreßt wird, bewegen kann, wobei sie von einem dämpfenden Medium umgeben sind. Der runde Körper (Ku­ gel oder Zylinder) wird bei einer Schwingbewegung seitlich aus­ gelenkt und durch die konkave Fläche und die wirkende Flieh­ kraft wird eine Rückstellkraft verursacht. Physikalisch be­ deutet dies, daß in der Schaufel ein zusätzliches Federmasse- System geschaffen wurde, wobei dieses durch das Dämpfungsmedium gedämpft ist. Bei gezielter Abstimmung der Resonanzfrequenz des Einmassenschwingers kann eine bestimmte Resonanzfrequenz der Schaufel oder der gekoppelten Beschaufelung verstimmt oder ge­ tilgt werden. Dadurch kann eine gefährliche Resonanzstelle ver­ mieden werden.

Jedoch muß die gefährliche Resonanzstelle vorher genau bekannt sein, um sicher eine positive Wirkung zu erzielen, denn mit dem Ein-Masse-Schwinger (wie auch mit einem Mehr-Masse-Schwinger) wird ein neues Schwingungssystem geschaffen, das in bestimmten Drehzahlbereichen auch höhere Amplituden unter gleichen Anre­ gungsbedingungen aufweisen kann. Problematisch ist dieser Punkt insofern, als Resonanzfrequenzen - vor allem bei gekoppelten Beschaufelungen mit Kopplungen über die Scheibe oder Koppel­ elemente wie Bindestift, Deckband usw. - nicht genau genug vorherberechnet werden können.

Ein weiterer Vorschlag (GB 9 43 023) betrifft Bindestifte, die mit Material - hier Bleikugeln - gefüllt werden, das bei Be­ triebstemperatur flüssig ist. Bei Schwingbewegungen wird hierbei Reibung wirksam, was zu Verlust von Schwingungsenergie führt.

Der Nachteil dieser Konstruktion ist jedoch, daß das flüssige Material im Hohlraum freibeweglich ist und von daher nur wenig dämpfend wirkt. Man kann die Flüssigkeitssäule auch als schwin­ gende Punktmasse auffassen, womit wiederum ein Ein-Masse-Schwin­ ger (ggf. auch ein Mehr-Masse-Schwinger) mit den bereits oben genannten Nachteilen entsteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwingungsdämp­ fung bereitzustellen, deren Konstruktion leicht herstellbar ist, die Schaufel möglichst nicht zusätzlich belastet und praktisch verschleißfrei ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Bindestiften der hohle Bindestift mit einer rauhen Innenoberfläche versehen ist und bei der Verwendung von Deckband oder -platte oder Stützflügeln der Hohlraum mit einer rauhen Innenoberfläche versehen ist.

Das freie Schaufelende, das bei Schwingungen der freistehenden Schaufel die maximale Amplitude der Auslenkung (und damit auch die maximale Schwinggeschwindigkeit bzw. maximale Schwingbeschleunigungen) aufweist, wird mit einem Hohlkörper versehen, bzw. wird in dem Bereich des freien Endes ein Hohlkörper angeordnet. In dem Hohlkörper befindet sich ein Dämpfungsmedium, wobei der Hohlkörper vorteilhaft nur teilweise mit dem Dämpfungsmedium angefüllt ist. Das Dämpfungsmedium kann sich innerhalb des Hohlkörpers, der eine große innere Oberfläche aufweist, aufgrund seiner eigenen Trägheit und durch eine in einer Scherströmung wirksamen Zähigkeit nur unter Abgabe von Reibungsenergie relativ zum Hohlkörper bewegen, so daß der Beschaufelung wirkungsvoll Schwingbewegungsenergie entzogen werden kann.

Vorteilhaft verbindet der Hohlkörper wenigstens zwei benachbarte Schaufeln miteinander. Dadurch werden zusätzlich gegensinnige Bewegungen der Schaufeln in Längsrichtung des Bindestiftes behindert und somit eine Versteifung der Beschaufelung erzielt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Hohlkörper als Hülse ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform liegt der Hohlraum in der neutralen Faser der Hülse, womit mehrere Vorteile verbunden sind: Wird der Hohlkörper als Bindestift zum Verbinden zweier Schaufeln ausgebildet, so wird der Bindestift aufgrund seines Eigengewichtes im Fliehkraftfeld auf Biegung durch Längslast beansprucht. Diese Biegebeanspruchung ist bei Hülsen im Vergleich zu einem Vollzylinder mit gleichem Außendurchmesser deutlich geringer, weil das Material im Bereich der neutralen Faser eine Last darstellt ohne nennenswert zur Erhöhung der Biegesteifigkeit dieses Bauelementes beizutragen. Die gleiche Wirkungsweise er­ gibt sich bei einem hohl ausgeführten Deckband.

Hieraus ergibt sich, daß der als Hülse ausgebildete Bindestift, z. B. ein hohler Bindestift, das i.d.R. im Vergleich zum Material des Hohlkörpers leichtere Dämpfungsmedium aufnehmen kann, ohne daß er wesentlich verstärkt werden muß. Ein kleiner Außendurch­ messer ist insofern von großer Bedeutung, als daß der Strömungs­ querschnitt durch ihn verkleinert wird und dadurch Wirkungsgrad­ einbußen in Kauf genommen werden müssen.

Die Hohlkörper können vorteilhaft an den Schaufeln in jeweils einer in Umfangsrichtung vorgesehener Ausnehmung, z. B. einer Bohrung, gelagert werden. Es kann aber auch an beiden Längssei­ ten der Schaufeln jeweils ein Hohlkörper, z. B. in Form eines Stützflügels, angesetzt sein, so daß die Schaufeln nicht durch Bohrungen o. dgl. geschwächt werden.

Vorteilhaft sind die Bohrungen in einem Winkel und seitlich ver­ setzt zur Umfangslinie in die Schaufeln eingebracht, weil sich die freie Länge des Bindestiftes verkürzt und somit die Bela­ stung deutlich sinkt bzw. der Stift mit kleinerem Außendurchmes­ ser ausgeführt werden kann. Werden zwei Schaufeln mit einem als Bindestift ausgebildeten Hohlkörper verbunden, so erstreckt sich dieser von etwas vor der hinteren Kante der einen Schaufel zu einem Punkt etwas hinter der vorderen Kante der anderen Schau­ fel. Durch eine derartige Zick-Zack-Bindung werden neben Biege­ schwingungen auch Torsionsschwingungen behindert bzw. gedämpft.

Das lose Einlegen der Hohlkörper in die Aufnahmen der Schaufeln bewirkt zudem bei relativ niederen Drehzahlen durch einsetzende Mikroreibung in der Grenzfläche zwischen Hohlkörper und Schaufel eine zusätzliche Dämpfung. Von Vorteil ist auch der einfache Austausch beschädigter Hohlkörper.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß im Bereich des Deckbandes ein ein Dämpfungsmedium beinhaltender Hohlkörper angeordnet ist. Dieser Hohlkörper kann am Deckband befestigt oder im Deckband integriert sein.

Vorteilhaft ist der Hohlkörper ausgebildet als eine in Umfangs­ richtung verlaufende Ausnehmung, z. B. eine Bohrung. Dadurch wird das Eigengewicht des Deckbandes verringert, was zu einer geringeren statischen Beanspruchung des Deckbandes wie auch der Schaufel selbst führt. Vorteilhaft können auch mehrere parallele Ausnehmungen in das Deckband eingebracht werden, so daß die Bie­ gebelastung des auskragenden Deckbandes weiter gezielt verrin­ gert werden kann und eine größere Reibungsoberfläche für das dämpfende Medium zur Verfügung steht.

Um die aus den Geschwindigkeitsänderungen der Schwingbewegung resultierenden Reibungskräfte wirksam auf das Dämpfungsmedium übertragen zu können, weist der Hohlkörper zur Vergrößerung der Oberfläche innen eine durchgehende Gewindebohrung auf. Dieser Effekt wird auch durch eine in anderer Weise innen rauhe Ober­ fläche erzielt.

Eine einfache Abdichtung des Hohlkörpers wird dadurch erreicht, daß er beidseitig mit Verschlußelementen fluiddicht abgedichtet wird. Diese Verschlußelemente können, falls der Hohlkörper innen mit einem Gewinde versehen ist, einfache Schraubstopfen sein, die zudem bei lose eingelegten Bindehülsen zusätzlich als axiale Sicherung dienen können. Die Verschlußelemente verhindern ein Austreten des Dämpfungsmediums, was nicht nur zu einer Herabsetzung der Dämpfungsfähigkeit führen würde, sondern in manchen Anwendungsfällen auch von der Anlage her gesehen von Nachteil sein könnte.

Das Dämpfungsmedium kann sowohl eine Flüssigkeit, wie z. B. Öl oder auch Natrium bei höherer Temperatur, ein Granulat wie auch eine Mischung aus beidem sein. Die Viskositäten der Flüssigkei­ ten sind auf die Arbeitstemperatur und die erforderliche Dämp­ fung in der Maschine abgestimmt.

Die Übertragung der Schwingbewegung auf das Dämpfungsmedium kann vorteilhaft dadurch erhöht werden, daß der Hohlkörper eingelegte Schikanen aufweist. Diese Schikanen können als Labyrinthwendel, Drahtgitter o. dgl. ausgebildet sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der auf bevorzugte Ausführungsbeispiele Bezug genommen wird. Dabei zeigen

Fig. 1 ein als Bindestift ausgebildeter Hohlkörper, der an zwei benachbarten Schaufeln festgelegt ist,

Fig. 2 einen als Deckplatte ausgebildeter Hohlkörper,

Fig. 3 seitlich an die Schaufelprofile angesetzte Hohlkörper,

Fig. 4a-4c Ausschnitte aus den Fig. 1 bis 3, die Beschaffenheit der Innenoberfläche des Hohlkörpers und den Hohlraum in vergrößertem Maßstab zeigend

Fig. 5a und 5b zeigen jeweils eine vorteilhafte Anordnung der Hohlkörper an den Schaufeln

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt mit zwei Schaufeln (1 und 2) aus einem Laufrad (3), das mit einer Winkelgeschwindigkeit Omega umläuft. Im Bereich der freien Schaufelenden (4) ist ein Hohl­ körper (5) in Form eines Bindestiftes (6) angeordnet. Dieser Bindestift (6) ist in Ausnehmungen (7), die z. B. als Bohrungen (8) ausgeführt sind, an den Schaufeln (1 und 2) wahlweise lose oder starr festgelegt und verbindet die beiden Schaufeln (1 und 2) miteinander. Zur Aufnahme eines Dämpfungsmediums (9) ist der Bindestift (6) nach Art einer Hülse (10) hohl ausgebildet, was z. B. mittels einer Durchgangsbohrung verwirklicht werden kann. An den Enden (11 und 12) weist der Bindestift (6) jeweils ein Innengewinde (13) auf, das zum Festlegen eines, den Hohlraum des Bindestiftes (6) abschließenden Verschlußelementes (14) dient. Das Verschlußelement (14), das als einschraubbarer Verschluß­ stopfen (15) ausgeführt ist, dient zudem mittels seines den Bin­ destift (6) überragenden Verschlußstopfens (16) als axiale Si­ cherung gegen ein Herausfallen aus den Ausnehmungen (7) der Schaufeln (1 und 2).

Fig. 2 zeigt eine Schaufel (17), die an ihrem freien Schaufelen­ de (4) ein Deckband (18) aufweist. Das Deckband (18) bildet in diesem Fall den Hohlkörper (5), der das Dämpfungsmedium (9) be­ inhaltet. Der Hohlraum (19) wird z. B. durch eine Durchgangsboh­ rung (23) gebildet. Als Verschlußelemente (14) dienen in diesem Fall verschraubbare Verschlußstopfen (20).

Die Fig. 3 zeigt ein Laufrad (3), bei dem die Schaufeln (1 und 2) an das Schaufelprofil (21) angesetzte Hohlkörper (5) in Form von Stützflügeln (22) aufweisen. Diese Stützflügel (22) sind ebenfalls hohl ausgebildet und beinhalten das Dämpfungsmedium (9). Zur Zentrierung und gegenseitigen Abstützung weisen die Stützflügel (22) keil- bzw. nutenartige Enden auf, die gegenein­ ander verspannt sind, ohne jedoch Temperatur- und Fliehkraft­ dehnungen in Umfangsrichtung zu behindern.

An Stelle von angesetzten Stützflügeln (22) können die Schaufeln (1 und 2) auch mit Hohlkörpern (5) versehen sein, die die Schau­ feln (1 und 2) nach Art eines Bindestiftes durchdringen und die Schaufeln (1 und 2) jeweils an den gegenüberliegenden Schaufel­ profilen (21), wie in Fig. 3 dargestellt, überragen (nicht dar­ gestellt).

Die Fig. 4a bis 4c zeigen Ausschnitte des Hohlkörpers (5), insbesondere die Beschaffenheit der Innenoberfläche (24) des Hohlraumes. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a wird die Innenoberfläche (24) von einem Innengewinde (25) gebildet. Dies hat den Vorteil, daß in einem Arbeitsgang sowohl die Gewinde für die einschraubbaren Verschlußelemente (14) als auch eine rauhe Oberfläche (24) des Hohlraumes geschaffen werden. Beim Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 4b ist die Innenoberfläche (24) künst­ lich aufgerauht oder durch ein entsprechend grobes Fertigungsver­ fahren bereits in grober Form vorliegend. Durch die Rauhigkeit wird eine gute Übertragung der Bewegungsänderung der Schaufeln (1, 2 und 17) auf das Dämpfungsmedium (8) bewirkt. Dieses Dämp­ fungsmedium (8) kann, in entsprechender Abstimmung mit der Dämp­ fungswirkung, den Hohlraum des Hohlkörpers (5) zu mehr als 50% (siehe Fig. 4b) oder gleich/weniger als 50% (siehe Fig. 4a) ausfüllen; hierbei können neben der Wirkung der Dämpfung auch andere Gesichtspunkte wie z. B. eine Gewichtsbelastung oder -ver­ lagerung Berücksichtigung finden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4c ist die Innenoberfläche (24) des Hohlkörpers (5) mechanisch nahezu glatt, so daß eine wirkungsvolle Übertragung der Bewegung der Schaufeln (1, 2 und 17) auf das Dämpfungsmedium (9) wegen mangelnder Oberflächenun­ ebenheiten kaum stattfindet. Die Übertragung wird jedoch dadurch erzielt, daß im Hohlraum, der z. B. eine Bohrung (8) sein kann, eine Schikane (25) für das Dämpfungsmedium (9) in Form eines Drahtgitters eingelagert ist und diese teilweise vom Dämpfungs­ medium (8) umgeben ist und durchströmt wird.

Die Fig. 5a und 5b zeigen vorteilhafte Anordnungen von als Bindestifte (6) ausgebildete Hohlkörper (5). Beim Ausführungs­ beispiel nach Fig. 5a werden jeweils zwei benachbarte Schaufeln (1 und 2) dadurch mittels des Bindestiftes (6) miteinander ver­ bunden, daß dieser die eine Schaufel (1 oder 2) im Bereich derer hinteren Kante (26) durchdringt und das andere Ende des Binde­ stiftes (6) im Bereich der vorderen Kante (27) der benachbarten anderen Schaufel (2 oder 1) lagert. Hierfür sind die Ausnehmun­ gen (7), z. B. Bohrungen (8), in den Schaufeln (1 und 2) seitlich zur Umfangslinie (28) versetzt angeordnet und sind dieser gegen­ über um einen Winkel α geneigt. Das Anbringen der Hohlkörper (5) auf diese Art hat den Vorteil, daß die Schaufeln (1 und 2) direkt bzw. indirekt miteinander verbunden sind und zudem auch Torsionsanteile der Schaufeln (1 und 2) behindert und gedämpft werden können.

Dieser Vorteil wird auch durch die Anordnung der Hohlkörper (5) gemäß Fig. 5b erreicht. Hier sind die Hohlkörper (5), z. B. Bindestifte (6), jeweils abwechselnd versetzt zur Umfangslinie (28) angeordnet, wobei die Abstände (a und b) der Hohlkörper (5) zur Umfangslinie gleich oder aber auch verschieden sein können.

Von großem Vorteil ist, wenn bei länglich ausgebildeten Hohl­ körpern (5) die Längsachse des Hohlkörpers senkrecht zur Flieh­ kraftrichtung und parallel zur Hauptschwingungsrichtung der Schaufeln (1 und 2) liegt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Dämpfen von Schwingungen von Axialbeschau­ felungen, insbesondere axial durchströmter Turbomaschinen, mit hohl ausgeführten und verschlossenen Bindestiften im Bereich der freien Schaufelenden, die ein Dämpfungsmedium enthalten und senkrecht zur Fliehkraft ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Bindestift mit einer rauhen Innenoberfläche versehen ist.

2. Vorrichtung zum Dämpfen von Schwingungen von Schaufeln mit Deckband oder -platte oder mit Stützflügeln, insbesondere axial durchströmter Turbomaschinen mit senkrecht zur Flieh­ kraft im Deckband bzw. in den Stützflügeln vorgesehenen ab­ geschlossenen Hohlräumen mit einem Dämpfungsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit einer rauhen Innenober­ fläche versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rauhe Innenoberfläche im Hohlkörper eine Gewinde­ bohrung ist, die gleichzeitig zum Verschließen des Hohlkör­ pers dienen kann.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmedium ein Fluid, ein Granulat oder eine Mischung aus beidem ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß der Hohlkörper für das Dämpfungsmedium eingelegte Schikanen enthält, wie beispielsweise Labyrinth­ wendel, Drahtgitter o. dgl.