DE3840730A1

DE3840730A1 - Gedaempftes turbinenrad

Info

Publication number: DE3840730A1
Application number: DE3840730A
Authority: DE
Inventors: Stacey H Light
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1987-12-02
Filing date: 1988-12-02
Publication date: 1989-06-15
Also published as: JPH01167402A; US4776763A

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad zur Verwendung in Gasturbinentriebwerken, insbesondere das Anbringen einer mechanischen Dämpfung für die in solchen Turbinenrad schaufeln im Betrieb auftretenden Schwingungen.

Die Schaufeln einstückiger Turbinenräder von Gasturbinen triebwerken unterliegen im Betrieb vielen Anregungsfrequen zen. Diese werden durch die verschiedenen Bauelemente des Turbinentriebwerks sowie dessen Zusatzeinheiten entwickelt.

Bei dem Versuch, die aus einer solchen Anregung resultie rende Schwingung in den Turbinenschaufeln zu dämpfen, müs sen mehrere Probleme berücksichtigt werden. Zum einen exi stieren für die Schaufeln viele Eigenfrequenzen mit ver schiedenen Schwingungsmodenformen. Ferner arbeiten die Schaufeln in einer Hochtemperaturumgebung innerhalb eines weiten Hochtemperaturbereichs von z. B. 370-980°C.

Häufig hat der Werkstoff, aus dem das Turbinenrad besteht, nur geringe Eigendämpfungs-Charakteristiken. Bei einteili gen Turbinenradkonstruktionen ist außerdem die Montage einer Dämpfungsvorrichtung wegen der geometrischen Konfi guration der einteiligen Konstruktion schwierig.

Charakteristisch sind die Schaufeln des Turbinenrads sehr dünn, und im Betrieb treten hohe mechanische Spannungen auf. Dies resultiert in einer Beschränkung der zusätzlichen Masse, die der Schaufel zu Dämpfungszwecken zugefügt bzw. in sie eingesetzt werden kann.

Es muß sorgfältig darauf geachtet werden, den Heißgasstrom nicht zu beschränken, und es werden hohe Zuverlässigkeit und gute Verschleißeigenschaften verlangt.

Zur Überwindung der vorgenannten Schwierigkeiten wurden bereits verschiedene Vorschläge für mechanische Dämpfer gemacht, die an Turbinenrädern anbringbar sind (z. B. US-PS′en 27 72 854, 32 91 446 und 37 54 838; außerdem FR-PS 10 24 218).

Die erste, dritte und vierte Patentschrift zeigen eine Dämpfung von Turbinenschaufeln, während die zweite Patent schrift das Anbringen einer Dämpfungsvorrichtung in einem Teil der Turbinenradnabe selbst zeigt. Im ersten und drit ten Fall können verschiedene Konstruktionen angewandt wer den, z. B. nietähnliche Elemente, die die Schaufel durch setzen und zu Halterungszwecken doppelte Köpfe aufweisen. Insbesondere die vierte Patentschrift zeigt eine Vorrich tung, die zur Erzielung einer Reibungsdämpfung dienen soll, wogegen die dritte Patentschrift eine zwar etwas ähnliche Vorrichtung zeigt, die jedoch so modifiziert ist, daß eine Stoß- bzw. Schlagdämpfung erreicht wird.

Diese Konstruktionen erfüllen zwar ihren jeweiligen Zweck, sie sind aber insgesamt unbefriedigend, weil sie keine Möglichkeit bieten, mittels welcher die Masse des Dämpfers im wesentlichen unabhängig von der Größe des Lochs in der Schaufel, in der der mechanische Dämpfer aufgenommen ist, gewählt und/oder kontrolliert werden könnte.

Insbesondere ist für den Fachmann ohne weiteres ersicht lich, daß die Spannungskonzentration um ein in einer Tur binenschaufel gebildetes Loch als ein Vielfaches der Loch größe zunimmt. Gleichzeitig muß aber das zur Aufnahme des mechanischen Dämpfers vorgesehene Loch ausreichend groß sein, um einen leichten Einbau zu ermöglichen, und der Dämpfer selbst muß eine Größe aufweisen, die eine Festle gung in einem solchen Loch erlaubt. In manchen Fällen kann dies zur Folge haben, daß die Masse des Dämpfers größer als erwünscht ist, was wiederum zu unannehmbar hohen mechani schen Spannungen am Loch während des Betriebs des Turbinen rads in einem Gasturbinentriebwerk führen könnte.

Die Erfindung ist auf die Überwindung eines oder mehrerer der vorgenannten Probleme gerichtet.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und verbesserten mechanisch gedämpften Turbinenrads. Dabei sollen insbesondere mechanische Dämpfer für die Schaufeln eines Turbinenrads angegeben werden, die es erlauben, die Dämpfermasse im wesentlichen unabhängig von den Dämpfer abmessungen zu wählen.

Das gedämpfte Turbinenrad nach der Erfindung mit einer Nabe, die für Hochgeschwindigkeitsrotation um eine Achse gelagert ist, mehreren auf der Nabe befindlichen winkel beabstandeten Schaufeln, die von der Nabe nach außen ver laufen, und mehreren Löchern, von denen jeweils eines für jede Schaufel vorgesehen und in einer zugehörigen Schaufel im Abstand von der Nabe angeordnet ist, ist gekennzeichnet durch eine Mehrzahl Dämpfer, von denen jeweils einer in jedem Loch angeordnet ist, wobei jeder Dämpfer als doppel köpfiger Niet ausgebildet ist und die Köpfe auf entgegen gesetzten Seiten der zugehörigen Schaufel liegen, um den Niet in seinem Loch zu halten, und wobei jeder Niet wenig stens teilweise hohl ist, so daß seine Masse im wesentli chen unabhängig von seiner Querschnittsabmessung wählbar ist.

In bevorzugter Ausbildung der Erfindung hat jeder Dämpfer eine Ausnehmung in wenigstens einem Ende. In weiterer Aus bildung der Erfindung hat jeder Dämpfer in jedem Ende eine Ausnehmung.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist jeder Dämp fer über seine Gesamtlänge hohl.

Nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist vorge sehen, daß jede Schaufel des Turbinenrads wenigstens ein Loch aufweist.

Nach einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist jeder Dämpfer als doppelköpfiger Niet ausgebildet, dessen Köpfe auf entgegengesetzten Seiten der jeweils zugehörigen Schaufel liegen, so daß der Niet in seinem Loch festlegbar ist.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein Turbinenrad nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Teilperspektivansicht des Turbinenrads, wobei der Klarheit halber Teile geschnitten gezeigt sind;

Fig. 3 eine größere Teilschnittansicht, die eine be vorzugte Form des Dämpfers nach der Erfindung an einer Turbinenradschaufel zeigt;

Fig. 4 eine Ausführungsform eines mechanischen Dämp fers nach der Erfindung vor der Montage an einem Turbinenrad;

Fig. 5 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung, die eine modifizierte Ausführungsform des Dämpfers zeigt;

Fig. 6 eine den Fig. 4 und 5 ähnliche Darstellung einer weiteren modifizierten Ausführungsform des Dämpfers;

Fig. 7 eine den Fig. 4-6 ähnliche Darstellung, die den Dämpfer von Fig. 3 zeigt; und

Fig. 8 eine größere Teilschnittansicht, die die An bringung des Dämpfers nach Fig. 7 an einer Turbinenradschaufel zeigt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform eines Turbi nenrads mit mechanischen Dämpfern; das Turbinenrad hat eine Nabe 10, von der mehrere Schaufeln 12 nach außen verlaufen. In der für einteilige Turbinenräder charakteristischen Weise sind die Nabe 10 und die Schaufeln 12 in einem Stück ausgeführt. Die Nabe 10 soll mit hoher Geschwindigkeit um eine Achse rotieren, die mittig durch die Nabe verläuft und am Punkt 14 in Fig. 2 gezeigt ist.

Erwünschtenfalls kann die Nabe 10 an einem Ende eine Aus nehmung 16 aufweisen, die Vorteile im Hinblick auf Span nungsverminderung, Gewichtsverringerung und Wärmeträgheit bietet. Das andere Ende kann z. B. bei 18 ein Gewinde tra gen, das zur Verbindung mit anderen Bauelementen der Gas turbine dient, mit der das Turbinenrad verwendet werden soll.

Aus der Betrachtung der Fig. 1 und 2 ist für den Fachmann ersichtlich, daß es sich um ein Radialturbinenrad handelt. Die mechanischen Dämpfer werden zwar bevorzugt bei einem Radialturbinenrad eingesetzt, sie können aber auch in Axialturbinen Verwendung finden.

Ein mechanischer Dämpfer 20 ist an jeder Schaufel 12 ange bracht. Aus den Fig. 1 und 2 geht hervor, daß jeder Dämpfer 20 geringfügig aufstrom vom engsten Schaufelkanalquer schnitt 22′ jeder Schaufel 12 und etwa in der Mitte in Radialrichtung der entsprechenden Schaufel 12 angeordnet ist, so daß er im wesentlichen außerhalb der Nabe 10 liegt.

Im allgemeinen entspricht eine solche Lage derjenigen, an der eine relativ hohe Schwingungsamplitude in jeder Schau fel 12 mit einer Mehrzahl Vibrationsmoden angetroffen wird. Infolgedessen ergibt sich durch diese Lage eine ausrei chende Dämpfung, und zwar ungeachtet der Tatsache, daß in einer typischen Turbinenradschaufel 12 viele Eigenschwin gungsfrequenzen vorhanden sind.

Nach Fig. 3 ist der Dämpfer 20 in ein Loch 22 in jeder Turbinenschaufel 12 eingebaut. Die Achse jedes Lochs 22 verläuft senkrecht zu den Oberflächen 24 der Schaufel, und die Lochränder sind am Austrittspunkt in die Oberflächen 24 der Schaufel mit relativ großzügigen, Spannungskonzentra tionen vermindernden Radien 26, 28 abgerundet, so daß die Enden des Dämpfers 20 bündig mit den Oberflächen 24 ab schließen können. Ein Wert kann dabei im Bereich von 0,25-0,51 mm (0,010-0,020′′) liegen. Im Normalfall kann der Durchmesser des Lochs 22 selbst in der Größenordnung von ca. 3,95 mm (0,1555′′) liegen, und beide Seiten der Schaufel 12 werden in einem Radius von ca. 12,7 mm um das Loch 22 herum kugelgestrahlt, um Druckspannungen zu induzieren.

Der Dämpfer 20 wird dann in das Loch 22 eingesetzt, und entgegengesetzte Seiten werden z. B. bei 30 um die Radien 26, 28 herum gehämmert, so daß der Dämpfer 20 lose in seiner Lage gesichert ist, während er gleichzeitig in dem Loch 22 zur Reibungsdämpfung hinreichend beweglich ist. Nach dem Einsetzen entspricht jeder Dämpfer 20 etwa einem losen Niet mit zwei Köpfen.

Eine solche Konstruktion resultiert in einem mechanischen Dämpfer, der im wesentlichen mit Reibungsdämpfung arbeitet, und da er sich relativ zu der Schaufel 12 bewegen kann, wobei die gehämmerten Enden 30 des Dämpfers 20 abwechselnd nacheinander an den Radien 26, 28 anstoßen, ergibt sich auch eine gewisse Stoßdämpfung.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß jeder Dämpfer 20 wenigstens teilweise hohl ist. Wie die Fig. 3 und 7 zeigen, hat der Dämpfer 20 eine mittige Zylin derbohrung, die kegelstumpfförmige Ausnehmungen 34 und 36 schneidet, die sich zu entgegengesetzten Enden hin öffnen. Durch Ändern des Durchmessers der Bohrung 32 sowie der Maße der Ausnehmungen 34 und 36 ohne eine Änderung des Außen durchmessers 38 (und damit des Durchmessers des Lochs 22) kann die Dämpfermasse im wesentlichen unabhängig vom Durch messer des Lochs 22 gewählt werden.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung des Dämpfers 40 mit einer zylindrischen Außenfläche 42 und kegelstumpfförmigen Aus nehmungen 44 in den entgegengesetzten Seiten. Der Dämpfer 40 nach Fig. 4 ist noch nicht zum Einbau durch Hämmern verformt.

Eine weitere Ausführungsform des Dämpfers 50 hat eine zylindrische Außenfläche 52 sowie eine zylindrische Innen bohrung 54.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Dämpfers 60 mit einer zylindrischen Außenfläche 62 sowie einer zylin drischen Innenbohrung 64, die von kegelstumpfförmigen Aus nehmungen 66 und 68 auf entgegengesetzten Seiten geschnit ten wird. Der Dämpfer 60 unterscheidet sich durch seine kürzere axiale Länge von dem Dämpfer 20.

Ganz allgemein wird das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 7 bevorzugt, da es leichter einbaubar ist, weil seine Enden leichter zu hämmern sind. Wenn jedoch eine größere Masse benötigt wird, können die kegelstumpfförmigen Ausneh mungen 34 und 36 entfallen zugunsten einer einfachen Zylin derbohrung wie etwa der Bohrung 54 von Fig. 5. Alternativ kann, wenn eine noch größere Masse verlangt wird, die Durchgangsbohrung zugunsten von kegelstumpfförmigen Aus nehmungen 44 nach Fig. 4 entfallen. Wenn eine Gasströmung im Triebwerk von der Druck- zur Saugseite jeder Schaufel 12 annehmbar oder sogar vorteilhaft ist, werden in dieser Hinsicht die Ausführungsformen nach den Fig. 5, 6 und 7 verwendet. Wenn umgekehrt bei einer bestimmten Konstruktion eine solche Strömung unerwünscht ist, wird die Ausführungs form nach Fig. 4 verwendet, wobei gleichzeitig der Vorteil einer gewünschten Masse des Dämpfers, und zwar im wesent lichen unabhängig von seiner Querschnittsabmessung, erhal ten bleibt.

Fig. 8 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zum Einbau eines Dämpfers nach der Erfindung. Zwei gehärtete Stahlkugeln 70 werden auf entgegengesetzten Seiten des Dämpfers 20 posi tioniert und zeigen die Tendenz, sich in den kegelstumpf förmigen Ausnehmungen, z. B. den Ausnehmungen 34, 36, oder bei Anwendung der Ausführungsform nach Fig. 5 in den Enden der Bohrung 54 selbst zu zentrieren.

Die Kugeln 70 werden dann mit einer durch die Pfeile 72 und 74 bezeichneten Druckkraft beaufschlagt, die ausreichend hoch ist, um den gewählten Dämpfer zu der Konfiguration nach Fig. 3 zu verformen, ohne daß er unbeweglich in dem Loch 22 festgelegt wird.

Erwünschtenfalls kann mehr als ein Dämpfer in jeder Schau fel vorgesehen werden.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß die Trägheit des Dämpfers eine Relativbewegung der Schaufel dazu erlaubt. Diese Relativbewegung resultiert in einer auf die Schaufel wirkenden Reibungsdämpfungskraft, die insbe sondere im wesentlichen am radial äußersten Ende des Lochs 22 zur Einwirkung kommt und die dem Produkt aus der den Dämpfer im Betrieb beaufschlagenden Fliehkraft und dem Reibungskoeffizienten zwischen dem Dämpferwerkstoff und dem Schaufelwerkstoff proportional ist. Dabei ist besonders zu beachten, daß eine solche Reibungsdämpfung bei jeder Schwingungsfrequenz wirksam ist, solange eine Relativbe wegung eintritt. Durch die Erfindung kann die Masse der Dämpfer so bemessen werden, daß die Fliehkraft im wesent lichen unabhängig von der Größe der Löcher 22, in denen die Dämpfer aufgenommen werden, einstellbar ist, so daß die Lochgröße entsprechend den jeweiligen durch Spannungskon zentrationen im Betrieb, leichte Montage etc. bestimmten Erfordernissen bemessen werden kann.

Ferner tritt eine gewisse Stoßdämpfung bei verschiedenen Frequenzen auf, wobei die gehämmerten Enden 30 der Dämpfer 20 abwechselnd nacheinander bei einer Relativbewegung zwi schen dem Dämpfer 20 und den Schaufeln 12 an den Radien 26 und 28 anstoßen.

Durch die Erfindung können die Dämpfer im wesentlichen bündig mit den Seiten 24 der Schaufeln 12 eingebaut werden, um den Gasstrom nicht zu beeinträchtigen, und ein Gasstrom von der Druck- zur Saugseite einer Schaufel 12 kann je nach der gewählten speziellen Form eines Dämpfers vorteilhaft oder unerwünscht sein.

Claims

1. Gedämpftes Turbinenrad mit
einer Nabe (10), die für Hochgeschwindigkeitsrotation um eine Achse gelagert ist;
mehreren auf der Nabe (10) befindlichen winkelbeabstandeten Schaufeln (12), die von der Nabe nach außen verlaufen; und
mehreren Löchern (22), von denen jeweils eines für jede Schaufel (12) vorgesehen und in einer zugehörigen Schaufel im Abstand von der Nabe (10) angeordnet ist;
gekennzeichnet durch eine Mehrzahl Dämpfer (20), von denen jeweils einer in jedem Loch (22) angeordnet ist, wobei jeder Dämpfer als doppelköpfiger Niet ausgebildet ist und die Köpfe auf ent gegengesetzten Seiten der zugehörigen Schaufel liegen, um den Niet in seinem Loch zu halten, und wobei jeder Niet wenigstens teilweise hohl ist, so daß seine Masse im we sentlichen unabhängig von seiner Querschnittsabmessung wählbar ist.

2. Gedämpftes Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Niet (20; 60) eine Ausnehmung (32 oder 34; 66 oder 68) in wenigstens einem seiner Köpfe aufweist.

3. Gedämpftes Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Niet (20; 60) Ausnehmungen (32, 34; 66, 68) in beiden Köpfen aufweist.

4. Gedämpftes Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Niet (50) über seine Gesamtlänge hohl ist (Fig. 5).

5. Gedämpftes Turbinenrad mit
einer Nabe (10), die für Hochgeschwindigkeitsrotation um eine Achse gelagert ist;
mehreren auf der Nabe (10) befindlichen winkelbeabstandeten Schaufeln (12), die von der Nabe nach außen verlaufen; und
Löchern (22) in wenigstens einigen Schaufeln (12) an außer halb der Nabe liegenden Stellen;
gekennzeichnet durch eine Mehrzahl Dämpfer (20; 40; 50; 60), von denen jeweils einer in jedem Loch (22) angeordnet ist, wobei jeder Dämp fer als doppelköpfiger Niet ausgebildet ist und die Köpfe auf entgegengesetzten Seiten der zugehörigen Schaufel lie gen, um den Niet in seinem Loch zu halten, und wobei jeder Niet wenigstens teilweise hohl ist, so daß seine Masse im wesentlichen unabhängig von seiner Querschnittsabmessung wählbar ist.

6. Gedämpftes Turbinenrad mit
einer Nabe (10), die für Hochgeschwindigkeitsrotation um eine Achse gelagert ist;
mehreren auf der Nabe (10) befindlichen winkelbeabstandeten Schaufeln (12), die von der Nabe nach außen verlaufen; und
Löchern (22) in wenigstens einigen Schaufeln (12) an außer halb der Nabe liegenden Stellen;
gekennzeichnet durch in jedem Loch (12) festgelegte nietähnliche Dämpfer (20; 40; 50; 60) , die jeweils wenigstens teilweise hohl sind, so daß die Dämpfermasse im wesentlichen unabhängig von ihrer Querschnittsabmessung wählbar ist.