DE4334799A1 - Einrichtung zur Prüfung von Laufschaufeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Prüfung von Lauf­ schaufeln einer Turbomaschine nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Laufschaufeln von Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, sind ausgeprägten und, je nach Triebwerkslastzustand, unterschiedli­ chen Belastungen aus Temperaturen, Fliehkräften und Schwingungen aus­ gesetzt. Insbesondere die Verwendung von Laufschaufeln großer Masse, z. B. aus Ni- oder Co-Basislegierungen, führt bei hohen Drehzahlen zu verringerten Lebensdauern der Scheiben; es treten dabei hohe Randla­ sten am äußeren Umfang der Radkränze auf.

Bei der Prüfung solcher Laufschaufeln sind veränderte Last- und Lei­ stungsanforderungen zu berücksichtigen und es ist zu untersuchen, in­ wieweit Leichtbau-Werkstoffe im Hinblick auf tatsächliche Betriebszu­ stände verwendet werden können.

Ferner sollen mit Prüfeinrichtungen der genannten Art auch extrem kri­ tische Triebwerkszustände, z. B. sogenanntes "Verdichterpumpen" und die betreffenden Auswirkungen auf die Laufschaufeln untersucht werden kön­ nen.

Schon vorgeschlagene Einrichtungen sind auf örtlich unmittelbar schau­ felseitig aerodynamisch oder elektromagnetisch erzeugte Schwing­ eregungsmaßnahmen der Laufschaufeln beschränkt. Diese Maßnahmen haben sich - neben einem hohen Bau- und Kostenaufwand - als unzureichend erwiesen, um über den gesamten Leistungsbereich und mit Rücksicht auf extrem variable Lastzustände dem Biege- und Schwingverhalten der Schaufeln prüfen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, mit der an Laufschaufeln auftretende tatsächliche Betriebsbeanspruchungen, die inbesondere aus variablen Temperaturen, Drehzahlen, Fliehkräften und Schwingungen re­ sultieren, vergleichsweise einfach nachvollziehbar und überprüfbar sind.

Die gestellte Aufgabe ist mit den im Kennzeichnungsteil des Patent­ anspruchs 1 enthaltenen Merkmalen der Einrichtung erfindungsgemäß gelöst.

Mit der Einrichtung ist es möglich, jeweils zeitgleich die auf einen tatsächlichen Betriebszustand abgestimmten grundsätzlichen Kriterien für eine Schaufelprüfung zu erfüllen. Mithin sind betrieblich zu­ mindest weitestgehend angenäherte einschlägige Zustandsgrößen bzw. Parameter für die Schaufelprüfung darstellbar, z. B. über die Drehzahl mit damit einhergehender Fliehkraftbeanspruchung, über die Schau­ feltemperatur mit damit einhergehender Temperatur-Festigkeitsbelast­ barkeit und über einen den Schaufeln aufprägbaren spezifischen Schwingungszustand mit damit einhergehenden festigkeitsmäßigen Belastungen und Grenzen (Materialermüdung).

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 ist an der Radscheibe ist ein betriebsgemäß herrschender Temperaturverlauf simulierbar, so daß eine betrieblich tatsächlich zu erwartende kri­ tische Übergangstemperatur am äußeren Umfang der Radscheibe, insbe­ sondere im jeweiligen Schaufel-Fuß-Bereich, eingestellt bzw. gesteuert werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 11 sind einschlägige Bauteile, z. B. Lager, Antriebsrad, einfachst sicher mon­ tierbar bzw. leicht austauschbar. Dies gilt auch für das innenliegende Spulen-, insbesondere Aluminiumrohr der Schütteleinrichtung in der Anordnung und Ausbildung nach Anspruch 12 oder 13. Ferner ergibt sich mit den Merkmalen der Schütteleinrichtung nach Anspruch 12 eine prak­ tisch verschleißlose hoch-intensive Kraftübertragung ohne jegliche metallische Bauteilreibung.

Mit der Schwingungs- bzw. Schaufelbiegungs-Meßvorrichtung gemäß An­ spruch 14 können vergleichsweise einfach und rasch z. B. über ent­ sprechende Bezugsflächen aus einem tatsächlichen Betriebszustand resultierende Amplituden mit schon gemessenen bzw. gespeicherten Amplituden (Referenzwerten) verglichen werden.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Mittellängsschnitt der kompletten Einrichtung,

Fig. 2 eine im Schnitt der Fig. 1 dargestellte Alternative für eine elektrisch beheizbare Laufschaufel-Anordnung in einer Kammer und

Fig. 3 eine im Schnitt der Fig. 1 dargestellte weitere Alter­ native für eine durch Heißgas beaufschlagte Laufschaufel-An­ ordnung in einer Kammer.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Prüfung von Laufschaufeln 1 einer Turbine eines Gasturbinentriebwerks in Abstimmung auf simulierbare variable Betriebszustände des Triebwerks.

Die Einrichtung weist einen motorisch angetriebenen Wellenstrang 2 auf, der an mindestens zwei Stellen in Umfangsrichtung verdrehbar ge­ lagert ist; am Wellenstrang 2 ist eine Radscheibe 3 drehfest ange­ ordnet die die am äußeren Umfang lösbar verankerten Laufschaufeln 1 aufweist, sämtliche Laufschaufeln 1 sind elektrisch beheizbar; ferner enthält die Einrichtung eine elektromagnetische Schütteleinrichtung 4 mit der den Laufschaufeln 1 vom einen Ende des rotierenden Wellen­ strangs 2 aus Schwingungen aufgeprägt werden wie sie in der Praxis zu erwarten sind.

In der bei Turbomaschinen üblichen Bauweise sind hier die Laufschau­ feln 1 mit ihren Füßen z. B. in gleichmäßig mit Abstand über dem Umfang des Radkranzes der Radscheibe 3 verteilten Axialnuten verankert. Prak­ tisch bilden die Laufschaufeln 1 an der Radscheibe 3 ein Laufschau­ felgitter einer Turbinenstufe im Sinne einer axial durchströmten Tur­ bine aus. Dabei sind stationäre elektrische Heizeinrichtungen 5, 6 quer zur gemeinsamen Achse A des Wellenstranges 2 und der Radscheibe 3 und axial mit Abstand vor den Eintrittskanten und hinter den Austritts­ kanten der Laufschaufeln 1 angeordnet.

Es können elektrische Heizmittel in beliebiger Bauart eingesetzt wer­ den; es kann sich z. B. um spiralen- oder zick-zack-förmige oder wen­ delförmige elektrische Widerstand-Heizdrähte handeln, die z. B. in Wand- oder stabartige Körper eingebunden sind; bzw. kann es sich um Heizstäbe handeln oder um elektro-induktive Heizkörper; es kann sich ferner auch um spulenstrom-artige elektrische Heizmittel handeln. Vorzugsweise wären diese Heizeinrichtungen, z. B. als Stabheizkörper, gleichmäßig über dem Umfang verteilt anzuordnen, um möglichst sämt­ lichen rotierenden Laufschaufeln ein gleichförmiges Temperaturprofil aufzuprägen. Durch transformatorische Steuerung können beide Heiz­ einrichtungen 5, 6 gleichzeitig gleich stark oder unterschiedlich stark aufgeheizt werden.

Gemäß Fig. 2 können die Laufschaufel 1 innerhalb einer im Querschnitt U-förmigen, in Richtung auf die gemeinsame Wellen- und Scheibenachse A offenen Kammer in Umfangsrichtung frei rotierbar angeordnet sein. Wie in Fig. 2 ferner dargestellt ist, können die Heizeinrichtungen 5, 6 innerhalb der Kammer sowie an den geradschenkeligen Seitenwänden der Kammer K angeordnet, bzw. in die Seitenwände integriert sein.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Einrichtung nach Fig. 3 können sämtliche Laufschaufeln 1 - anstelle zuvor erwähnter elektrischer Heizeinrichtungen - durch die örtlich gezielte Zufuhr von Verbren­ nungs- bzw. Heißgasen auf ein betrieblich vergleichbares Temperatur­ niveau aufgeheizt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, den der Heiß­ gasströmung innewohnenden Energieinhalt im Sinne einer zusätzlichen Antriebsleistung am Wellenstrang 2 über die Laufschaufeln 1 nutzbar zu machen. Hierzu kann aus einer Sammelleitung 20 das Heißgas über ein­ zelne Abzweigkanäle 21 der Kammer frontal zugeführt und - stromab der Laufschaufeln 1 - wieder aus der Kammer über weitere Kanäle 22 einer Sammelleitung 23 und aus dieser ins freie abgeblasen werden. Dabei können die frontalen Abzweigkanäle 21, insbesondere in gleichmäßig über den Umfang verteilter Anordnung, z. B. in sich düsenartig ver­ engenden Schlitzen 24 oder Drallkammern enden, aus denen das zuge­ führte Heißgas ähnlich der Kanal-Abströmrichtungen eines vorge­ schalteten Leitgitters, den Laufschaufeln 1 zugeführt wird.

Gemäß Fig. 1 kann der Radscheibe 3 eine mittels Kompressorluft beauf­ schlagbare Kühleinrichtung 7 zugeordnet werden, die aus Kanälen oder Kammern 8 besteht, aus denen die zugeführte Kompressorluft als Kühl­ luft (L) beidseitig gegen eine nabenseitige Verdickung der Radscheibe 3 ausblasbar ist.

Die Kanäle 8 oder Kammern der Kühleinrichtung 7 können Prall-Kühl-Boh­ rungen aufweisen, aus denen die Kühlluft L gleichmäßig in Umfangs- und Radialrichtung verteilt gegen die Scheibenverdickung ausblasbar ist.

Der Wellenstrang 2 weist mindestens eine mit diesem lösbar verbundene Antriebs-, insbesondere Riemenscheibe 9 auf, über die der Wellenstrang 2 durch einen Flachriemen 10 motorisch angetrieben wird. Alternativ könnte der Wellenstrang 2 z. B. auch über Getriebe-Räder motorisch an­ getrieben werden, so daß anstelle der Riemenscheibe z. B. eine Zahn­ scheibe vorzusehen wäre.

Für den Wellenstrang 2 sind ferner ein erstes und ein zweites Drehla­ ger 11, 12 vorgesehen, von denen das erste als Kugellager, das zweite als Rollenlager ausgebildet ist. Der Wellenstrang 2 geht an einem axial über das zweite Drehlager 12 vorstehenden Abschnitt in die Rad­ scheibe 3 über. Der Außenring 13 des ersten Drehlagers 11 ist an einem aero oder hydrodynamischen Tragpolster P abgestützt, das in vorgegebe­ ner Weise eine berührungslos arbeitende Schwingungsdämpfung ausbildet.

Es kann z. B. für die Ausbildung des Tragpolsters P ein geeignetes Schmierfluid gemäß Pfeil S über Leitungen in einem ortsfesten Träger T für das erste Lager 11 dem radialen Tragspalt, zwischen seitlichen O-Ring-Dichtungen, zugeführt werden; im Rahmen der schwing-technischen Anforderungen kann zusätzlich eine axiale Tragpolsterausbildung am Außenring 13 vorgesehen sein.

In Fig. 1 sind die Innenringe 14, 15 des ersten und zweiten Drehlagers 11, 12 durch eine aufgeschobene Hülse 16 in axialem Abstand am Wellen­ strang 2 gehalten; die Antriebsscheibe 9 sitzt mit einem Teil eines hülsenförmigen Abschnitts H vor dem ersten Drehlager 11 an des­ sen Innenring 14 axial auf; die Hülse 16, die Antriebsscheibe 9 und die Innenringe 14, 15 beider Drehlager 11, 12 sind drehfest axial mit dem Wellenstrang 2 durch eine Verschraubung 18 verspannt.

Am Wellenstrang 2, auf der von Radscheibe 3 abgewandten Endseite, ist ein koaxialer Spulenrohrkörper, hier insbesondere ein rotationssymme­ trisch gewundenes Aluminumrohr 17 der Schütteleinrichtung 4 lösbar angeordnet, dem beim Durchlaufen eines elektromagnetischen Kraft­ linien-Feldes in der axialen Anregungsrichtung R Schüttelbewegungen aufgeprägt werden.

Ein mit Ausbildung eines radialen Umfangspalts das Aluminiumrohr 17 umgebender Träger für Stromspulen Sp ist Bestandteil dieser Schüttel­ einrichtung 4. Die Stromspulen Sp sind axial und in Umfangsrichtung über dem Umfang gleichmäßig und gleichförmig verteilt angeordnet.

Die Schütteleinrichtung 4 arbeitet berührungslos. Sie basiert auf dem Induktions-Wirbelstrom-Prinzip. Zur Schüttelbewegung kommt es aufgrund der Reaktion eines Induktionsstromes am Aluminiumrohr 17 mit dem elektromagnetischen Feld aus den Stromspulen Sp. Letztere können aus einzelnen koaxialen Kupferwindungen aufgebaut sein.

Fig. 1 zeigt ferner den Sende- bzw. Empfangsteil einer Meßvorrich­ tung 19, die zur Feststellung und Überprüfung auftretender Schaufel­ schwingungen und/oder Schaufelbiegung vorgesehen ist und die z. B. min­ destens einen Laserstrahl L anwendet, der an schaufelfußseitigen Refe­ renzflächen gebrochen wird, wobei durch Reflexion gewonnene Lichtim­ pulse gemessen und z. B. als elektrische Signale einer Auswertung zuge­ führt werden.

Dabei kann z. B. eine vorgegebene Schaufel stelle, die biegecharakteri­ stisch ist, als Bezugsfläche ausgewählt werden, wobei der aus der Re­ flexion gewonnene Laserstrahl-Impuls in ein elektrisches Signal verar­ beitet wird, das als repräsentativer Wert für die ermittelte Durchbie­ gung mit einem computer-gespeicherten Referenzwert verglichen wird. Für die Messung können auch z. B. jeweils zwei lokal beabstandete Stel­ len pro Laufschaufel ausgewählt werden, wobei das Maß für die Schau­ felbiegung aus dem zeitlich gemessenen Sprung der Laserstrahl-Impulse als Funktion der Entfernung zwischen den beiden lokalen Stellen gewonnen wird. Indem die zeitlichen Meßsprünge für eine Anzahl von Schaufeln miteinander verglichen werden, kann so auf die jeweilige dynamische Komponente von Schwingungen an aufeinander folgenden Schaufeln rückgeschlossen werden.

In zuvor genannter oder vergleichbarer Weise kann mittels eines hoch-intensiven Lichtstrahls, insbesondere Laser-Strahls, auch aus den Rotor- oder Scheibenschwingungen auf ein bestimmtes bzw. kritisches Schwingverhalten für die Laufschaufeln rückgeschlossen werden. Im Rah­ men eines in sich geschlossenen elektronischen Regelkreises kann die elektromagnetische Schütteleinrichtung 4 betätigt werden, indem in Bezug auf eine bestimmte Drehzahl aus fortlaufend rotor- und/oder schaufelseitig reflektierten Lichtimpulsen gewonnene elektrische Si­ gnale (Istwerte) mit Referenzvorgaben (Sollwerten) verglichen werden und aus der errechneten Abweichungen zwischen Soll- und Istwerten eine Sollwert-Korrektur z. B. im Wege elektronisch gesteuerter Spulenstrom-Versorgung erfolgt.

Die Einrichtung kann außerdem eine evakuierbare Kammer einschließen, in der der gesamte Rotor aus Wellenstrang 2 mit beschaufelter Rad­ scheibe 3 rotierbar angetrieben gelagert ist. Auf diese Weise können Ventilations- und Reibungsverluste weitgehend verhindert werden und es kann die Antriebsleistung verringert werden.

Claims (18)

1. Einrichtung zur Prüfung von Laufschaufeln (1) einer Turbomaschine, insbesondere einer Turbine, mit einem motorisch angetriebenen, drehbar gelagerten Wellenstrang (2), auf dem eine Radscheibe (3) drehfest angeordnet ist, an der die Laufschaufeln (1) lösbar veran­ kert sind, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Laufschaufeln (1) beheizbar sind und eine elektromagnetische Schütteleinrichtung (4) vorgesehen ist, mit der den Laufschaufeln (1) über den rotierenden Wellenstrang (2) Schwingungen aufgeprägt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauf­ schaufeln (1) zu einem Laufschaufelgitter angeordnet sind, wobei stationäre elektrische Heizeinrichtungen (5, 6) quer zur gemeinsamen Achse des Wellenstranges (2) und der Radscheibe (3) und axial mit Abstand vor den Eintrittskanten und/oder hinter den Austrittskanten der Schaufeln angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz­ einrichtungen gleichmäßig über dem Umfang eines Laufschaufelgitters verteilt angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laufschaufeln (1) innerhalb einer im Quer­ schnitt U-förmigen, in Richtung auf die gemeinsame Wellen- und Scheibenachse (A) offenen Kammer (K) in Umfangsrichtung frei ro­ tierbar angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz­ einrichtungen (5, 6) innerhalb der Kammer (K) angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen (5, 6) an den geradschenkeligen Seitenwänden der Kammer (K) angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rad­ scheibe (3) eine mittels Kompressorluft beaufschlagbare Kühlein­ richtung (7) zugeordnet ist, die aus Kanälen oder Kammern (8) be­ steht, aus denen Kühlluft (L) beiderseits einer in Richtung auf die Nabe zunehmenden Scheibenverdickung ausblasbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (8) oder Kammern Prall-Kühl-Bohrungen aufweisen, aus denen die Kühlluft gleichmäßig in Umfangs- und Radialrichtung verteilt gegen die Scheibenverdickung ausblasbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wel­ lenstrang (2) mindestens eine mit diesem lösbar verbundene An­ triebs-, insbesondere Riemenscheibe (9) aufweist, die mittels eines Flachriemens (10) motorisch angetrieben wird.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite axial beabstandete Drehlager (11, 12) für den Wellenstrang (2) vorgesehen sind, wobei der Wellen­ strang (2) an einem axial über das zweite Drehlager (12) vor­ stehenden Abschnitt in die Radscheibe (3) übergeht und wobei der Außenring (13) des ersten Drehlagers an einem aero- oder hydro­ dynamischen Tragpolster (P) abgestützt ist.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Innenringe (14, 15) eines ersten und zweiten Drehlagers (11, 12) durch eine aufgeschobene Hülse (16) in axialem Abstand am Wellenstrang (2) gehalten sind, wobei die An­ triebsscheibe (9) mit einem Teil eines hülsenförmigen Abschnitts (H) vor dem ersten Drehlager (11) an dessen Innenring (14) axial aufsitzt, und wobei die Hülle (16), die Antriebsscheibe (9) und die Innenringe (14, 15) beider Drehlager drehfest axial mit dem Wel­ lenstrang (2) verspannt sind.

12. Einrichtung nach Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Wel­ lenstrang (2), auf der von Radscheibe (3) abgewandten Endseite, ein koaxiales Spulen-Strom-System, insbesondere ein rotationssymme­ trisch gewundenes Aluminumrohr (17) der Schütteleinrichtung (4) lösbar angeordnet ist, dem beim Durchlaufen eines elektromagneti­ schen Kraftlinien-Feldes axiale Schüttelbewegungen aufgeprägt werden.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spulenrohrteil der Schütteleinrichtung, insbesondere das Alumi­ niumrohr (17), durch eine axiale Spannverschraubung (18) zusammen mit der Antriebsscheibe (9), der Hülse (16) und beiden Innen­ ringen (14, 15) der Drehlager am Wellenstrang (2) drehfest festleg­ bar ist.

14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß sie eine Meßvorrichtung (19) zur Fest­ stellung und Oberprüfung auftretender Schaufel- oder Rotor­ schwingungen und/oder Schaufelbiegung aufweist, die mindestens ei­ nen hoch-intensiven Licht-, insbesondere Laserstrahl (L), anwendet, der an schaufel- oder rotorseitigen Bezugsflächen gebrochen und reflektiert wird, wobei reflektierte Lichtimpulse gemessen und aus­ gewertet werden.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schütteleinrichtung (4) über eine elektronische Regeleinrichtung betätigt wird, die an die Meßvorrichtung (19) angeschlossen ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (K′) und damit die Laufschaufeln (1) mit Verbrennungs- bzw. Heißgas beaufschlagbar sind, das an gleichmäßig in Umfangsrichtung beab­ standeten Stellen der Kammer (K′) zugeführt und aus dieser abge­ führt wird.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Heiß­ gas den Laufschaufeln (1) über die Kammer (K′) düsenartig zuge­ führt wird.

18. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß sie eine evakuierbare Kammer für den Ge­ samtrotor aus Wellenstrang (2) mit beschaufelter Radscheibe (3) aufweist.