-
Hintergrund der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft eine Turbine für eine Wärmekraftanlage mit einem Rotor,
wobei mindestens eine Schaufel einen Schaufelfuß, der über eine Nut-/Stangenverbindung
mit dem Rotor in Eingriff steht, und eine Verriegelungsvorrichtung
aufweist, die zwischen dem Schaufelfuß und dem Rotor angeordnet
ist, um eine Relativbewegung in mindestens einer Richtung zwischen
dem Schaufelfuß und
dem Rotor zu sperren.
-
Im
Stand der Technik derzeit bekannte Turbinen umfassen axial montierte
Schaufeln. Zum Beispiel umfassen Niederdruckdampfturbinenschaufeln Schaufelfüße, die
in axialer und radialer Richtung gesichert sind, um die Schaufel
in der Rotornut zu halten und sie an einer Schwingbewegung zu hindern. Eine
solche Schwingbewegung würde
letztendlich die Oberflächen
der Schaufelfüße und/oder
Rotornuten beschädigen,
was zu einem frühen
Versagen der beteiligten Teile führt.
Die
US 3986779 offenbart
eine Verriegelungsvorrichtung zum lösbaren Befestigen von Teilen
an Rotoren von Strömungsmaschinen.
-
Zur
Sicherung der Schaufelfüße in der
Rotornut wird derzeit ein Verstemmstück in jeweilige Rotornuten
zur Radialverriegelung eingesetzt. Axialverriegelung wird durch
Einsetzen von Verriegelungsstreifen in tangentialen Rotornuten erreicht.
-
Kurze Darstellung der Erfindung
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Turbine für
eine Wärmekraftanlage
der oben erwähnten
Art, in der die mindestens eine Schaufel kostengünstig und sicher am Rotor befestigt
werden kann, insbesondere in einem einfachen und effizienten Montagevorgang.
-
Zur
Lösung
der obigen Aufgabe wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Turbine für
eine Wärmekraftanlage
gemäß der obigen
Art bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verriegelungsvorrichtung
eine drehbare Nockenscheibe nach Anspruch 1 umfasst.
-
Durch
Drehen der Nockenscheibe der Verriegelungsvorrichtung aus einer
Position, in der der Schaufelfuß und
der Rotor an von dem Lappen weg liegenden Stellen an die Nockenscheibe
stoßen,
in eine Position, in der der Lappen den Schaufelfuß oder den
Rotor berührt,
werden der Schaufelfuß und der
Rotor auseinander gedrückt.
Dies führt
zu dem Eingriff zwischen dem Schaufelfuß und dem Rotor über die
Nut-/Stangenverbindung, die festzuziehen ist, wenn jeweilige Eingriffsflächen des
Schaufelfußes
und des Rotors fest zusammengedrückt
werden. Die sich ergebende Verriegelung des jeweiligen Schaufelfußes mit
dem Rotor kann deshalb in einem einfachen Montagevorgang erreicht
werden, nämlich durch
einfaches Drehen der Nockenscheibe. Dies führt zu einem kostengünstigen
Montagevorgang. Des Weiteren kann die Verriegelungsvorrichtung nur aus
einem einzigen Teil hergestellt werden, wodurch die Kosten der Vorrichtung
weiter reduziert werden.
-
Des
Weiteren kann das Verriegeln des jeweiligen Schaufelfußes mit
dem Rotor durch Zurückdrehen
der Nockenscheibe in ihre Ausgangsposition leicht erzielt werden.
Der Schaufelfuß kann
deshalb gemäß der erfindungsgemäßen Lösung leicht
demontiert werden. Eine neue Turbinenschaufel kann anschließend durch
Verwendung der gleichen Verriegelungsvorrichtung durch Drehen dieser
letzteren in ihre Verriegelungsposition installiert werden. Im Vergleich
zu derzeit in der Technik bekannten Lösungen, bei denen Verstemmstücke in jeweilige
Rotornuten und/oder Verriegelungsstreifen in tangentiale Rotornuten
eingesetzt werden, müssen
bei der Turbine gemäß der vorliegenden
Erfindung keine Nuten in hochbeanspruchten Zonen des Rotors und
der Schaufel vorgesehen werden. Dadurch wird die Langlebigkeit des
Rotors und der jeweiligen Schaufeln und deshalb der Gesamtturbine
erhöht.
-
Gemäß der Erfindung
ist es weiterhin praktisch, wenn die Nockenscheibe zur Erzeugung
einer Radialkraft zwischen dem Rotor und dem Schaufelfuß im Bereich
der Nut-/Stangenverbindung durch Drehen der Nockenscheibe angeordnet
ist. Vorzugsweise ist die Nockenscheibe so angeordnet, dass ihre
Drehachse im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Rotors verläuft. Insbesondere
ist es praktisch, wenn die Drehachse der Nockenscheibe bezüglich der
Längsachse
des Rotors in einem Winkel in einem Bereich von 0° bis 40°, vorzugsweise
in einem Bereich von 20° bis
30°, angeordnet
ist. Dies gestattet ein Verriegeln der jeweiligen Turbinenschaufel in
zumindest einer radialen Richtung.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Verriegelungsvorrichtung weiterhin
eine vorzugsweise biegbare Nockenwelle umfasst, die mit der Nockenscheibe
verbunden und parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längsachse
des Rotors, insbesondere in einem Winkel in einem Bereich von 0° bis 40°, vorzugsweise
in einem Bereich von 20° bis
30°, bezüglich der
Längsachse
des Rotors, angeordnet ist. Die Nockenwelle gestattet eine leichte
Betätigung der
drehbaren Nockenscheibe von außerhalb
der Turbine. Die Verriegelungsvorrichtung ist deshalb von einer
Seite, vorzugsweise von der Auslassseite der Turbine, zugänglich.
Weiterhin ist es praktisch, wenn die Nockenwelle einen Drehschlüsseleinsatz, vorzugsweise
einen Inbusschlüsseleinsatz,
aufweist. Auf diese Weise kann die Verriegelungsvorrichtung unter
Verwendung von standardmäßigen Werkzeugen
betätigt
werden. Der Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine ist aufgrund der
Nockenwelle wartungsfreundlich konzipiert. Des Weiteren verbessert die
Nockenwelle die Lagestabilität
der Nockenscheibe, da aufgrund der Anordnung der Nockenwelle zwischen
dem Schaufelfuß und
dem Rotor die daran befestigten Nockenscheibe in einer Lage stabilisiert wird,
in der sich ihre Stirnseiten senkrecht zur Längsachse des Rotors erstrecken.
Durch Biegbarmachen der Nockenwelle kann zwischen dem Schaufelfuß und dem
Rotor eine „elastische" Kraft erzeugt werden,
indem die Nockenscheibe in eine Position gedreht wird, in der die
Nockenwelle aufgrund des Zusammenwirkens zwischen dem Lappen der
Nockenscheibe mit dem Schaufelfuß gebogen wird. Die damit erzeugte „elastische" Kraft hält einen
ausreichenden Wert über
einen großen
Rotorbetriebsbereich. Dies gestattet weiterhin eine absichtliche
Radialbewegung des Fußes
bezüglich
des Rotors.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn der Schaufelfuß und/oder der Rotor jeweils
eine jeweilige Scheibenaussparung aufweisen, die zur Aufnahme eines
jeweiligen Teils der Nockenscheibe ausgeführt ist, wenn sie mit ihrer
Drehachse parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längsachse
des Rotors, im Wesentlichen in einem Winkel in einem Bereich von 0° bis 40°, vorzugsweise
in einem Bereich von 20° bis 30°, bezüglich der
Längsachse
des Rotors ausgerichtet ist. Dies bedeutet, dass sich die Nockenscheibe
senkrecht zur Längsachse
des Rotors erstreckt. Die jeweiligen Scheibenaussparungen im Schaufelfuß und im
Rotor gestatten eine Axialverriegelung der Turbinenschaufel am Rotor.
Zum Bewegen der Turbinenschaufel bezüglich des Rotors in Längsrichtung, müsste die
Nockenscheibe von der Nockenwelle abgeschert werden. Somit wird
ein Formschluss erreicht. Gemäß der erfindungsgemäßen Turbine
ist nur eine Verriegelungsvorrichtung erforderlich, um sowohl eine
Radial- als auch Axialbewegung des jeweiligen Schaufelfußes bezüglich des
Rotors zu sperren.
-
Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn der Rotor eine Wellenaussparung aufweist,
die an der Scheibenaussparung im Rotor angrenzt und sich entlang einem
Teil der Nockenwelle erstreckt, wobei die radiale Tiefe der Wellenaussparung
geringer ist als die radiale Tiefe der Scheibenaussparung im Rotor.
Eine entsprechend konfigurierte Wellenaussparung gestattet ein Biegen
der Nockenwelle, wenn die Nockenscheibe in eine verriegelte Position
gedreht wird. Des Weiteren können
die oben beschriebenen Vorteile bezüglich der Bereitstellung einer biegbaren
Nockenwelle durch Vorsehen der obigen Wellenaussparung besser erreicht
werden.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Nockenscheibe mindestens zwei Lappen
umfasst, von denen einer vorzugsweise einen größeren Spitzenradius aufweist
als der andere. Vorteilhafterweise weisen die jeweiligen minimalen
Radien der Winkelbereiche zwischen den mindestens zwei Lappen mindestens zwei
verschiedene Werte auf. Dies gestattet die Anordnung der Nockenscheibe
in einer ersten Drehposition, in der der Winkelbereich zwischen
den mindestens zwei Lappen mit dem kleineren Wert zum Schaufelfuß weist.
In dieser Drehposition kann der Schaufelfuß mit dem Rotor in Eingriff
gebracht werden, indem er in einer Längsrichtung des Rotors entlang
dem Rotor geschoben wird, so dass die Stange und die Nut der Nut-/Stangenverbindung
ineinandergleiten. Bei diesem Gleitvorgang kann der Schaufelfuß über die
Nockenscheibe gleiten. Dann kann die Nockenscheibe in eine Ausrichtung
gedreht werden, in der der Winkelbereich zwischen den mindestens zwei
Lappen mit dem größeren Radius
zum Schaufelfuß weist
und somit in die Scheibenaussparung des Schaufelfußes ragt.
Damit kann die Nockenscheibe in einen so genannten Gleichgewichtsbereich
ausgerichtet werden, was bedeutet, dass sich die Nockenscheibe in
einer stabilen Verriegelungsposition zwischen den mindestens zwei
Lappen befindet. Ein unerwünschtes
Entriegeln des Schaufelfußes
durch eine durch Schwingbewegung während des Betriebs der Turbine
eingeleitete Drehung der Nockenscheibe wird durch die mindestens
zwei Lappen verhindert, die die mögliche Bewegung der Nockenscheibe
bezüglich
des Schaufelfußes
auf den Winkelbereich zwischen den beiden Lappen begrenzen.
-
Zur
Erleichterung des Montagevorgangs, in dem der Schaufelfuß in einer
Längsrichtung
des Rotors zum Eingreifen in die Nut-/Stangenverbindung geschoben
wird, ist es von Vorteil, wenn einer der Mindestradien so ausgelegt
ist, dass der jeweilige Teil der Nockenscheibe in einer Drehposition
der Verriegelungsvorrichtung, in der der jeweilige Teil zur Scheibenaussparung
weist, nicht in die Scheibenaussparung ragt. Auf diese Weise wird
der Verschiebungsvorgang nicht durch die Nockenscheibe behindert.
Da die Nockenscheibe nicht in die Scheibenaussparung des Schaufelfußes ragt,
wird der Schaufelfuß bei
Ausrichtung in der richtigen Position durch die Nockenscheibe während des
Montagevorgangs nicht berührt.
-
Weiterhin
ist es praktisch, wenn der mindestens eine Lappen einen Sperrlappen
enthält,
der einen Spitzenradius aufweist, welcher so ausgerichtet ist, dass
der jeweilige Teil der Nockenscheibe die Tiefe der Scheibenaussparung
im Schaufelfuß und/oder im
Rotor übertrifft,
so dass er eine vollständige
Umdrehung der Nockenscheibe sperrt und/oder ihr entgegenwirkt. Dazu
kann der Spitzenradius des Sperrlappens größer ausgelegt werden als der
Spitzenradius des Sicherungslappens, kann aber auch gleich dem Radius
ausgeführt
werden. Dieses Merkmal verbessert die Verriegelungszuverlässigkeit
des Schaufelfußes
am Rotor, da es dazu beiträgt,
ein unerwünschtes
Entriegeln der Verbindung zu verhindern. Die Verbindung zwischen
dem Schaufelfuß und
dem Rotor kann nur leicht entriegelt werden, indem die Nockenscheibe
entgegen der zum Verriegeln der Verbindung verwendeten Drehrichtung
gedreht wird. Eine Drehung der Nockenscheibe in die gleiche Richtung
ist aufgrund des Vorhandenseins des Verriegelungslappens nicht oder
nicht leicht möglich.
Diese Wirkung erhöht
auch die Benutzerfreundlichkeit der Verriegelungsvorrichtung, da
der Bediener durch den Sperrlappen daran gehindert wird, die Nockenscheibe
während
des Verriegelungsvorgangs zu weit zu drehen.
-
Zur
Bereitstellung eines Gleichgewichtsbereichs bezüglich der Drehposition der
Nockenscheibe, in der die Nut-/Stangenverbindung sicher gesperrt
ist, ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Lappen einen Sicherungslappen
enthält,
der einen Spitzenradius aufweist, welcher so ausgelegt ist, dass
der jeweilige Teil der Nockenscheibe die Tiefe der Aussparung im
Schaufelfuß übertrifft,
so dass die Nockenscheibe nur über
gleichzeitiges Biegen der Nockenwelle gedreht werden kann. Dies
bedeutet, dass zum Entriegeln der Nut-/Stangenverbindung die Nockenscheibe
gegen einen durch den Sicherungslappen erzeugten „Widerstand" gedreht werden muss,
der nur durch Bewirken einer Biegung der Nockenwelle überwunden
werden kann. Dieses Merkmal verhindert weiter ein zum Beispiel durch
während des
Betriebs der Turbine erzeugte Schwingungen verursachtes unbeabsichtigtes
Entriegeln der Nut-/Stangenverbindung.
-
Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn die Nut-/Stangenverbindung eine hinterschnittene
Nut und eine entsprechende ausgebauchte Stange umfasst, vorzugsweise
eine Nut und eine Stange, die jeweils ein Tannenbaumprofil aufweisen.
Bei einer alternativen Ausführungsform
können
die Nut und die Stange ein Schwalbenschwanzprofil aufweisen. Diese
Art und Weise des Eingriffs zwischen dem Schaufelfuß und dem
Rotor ist besonders robust. Eine durch die Verriegelungsvorrichtung
erzeugte Radialkraft, die den Rotor und den Schaufelfuß auseinander
drückt,
bewirkt eine Verriegelung des Eingriffs zwischen der hinterschnittenen
Nut und der entsprechend ausgebauchten Stange.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Eine
ausführliche
Beschreibung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf die folgenden
schematischen Zeichnungen bereitgestellt; darin zeigen:
-
1 eine
Schnittansicht eines Verbindungsteils zwischen einem Turbinenrotor
und einer Turbinenschaufel unter Verwendung einer Verriegelungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
-
2 den
Schnitt II-II nach 1,
-
3 eine
perspektivische Ansicht der in den 1 und 2 gezeigten
Verriegelungsvorrichtung mit einer Nockenscheibe,
-
4a eine Änderung
des Radius der Nockenscheibe nach 3 in kartesischen
und polaren Koordinaten,
-
4b die
radiale Änderung
der Nockenscheibe nach 4a gegenüber dem Winkel φ,
-
5a die
Form der Verriegelungsvorrichtung nach 3, die einer
unbedeutenden Radialkraftgröße ausgesetzt
ist, und
-
5b die
Form der Verriegelungsvorrichtung nach 3, die einer
bedeutenden Radialkraftgröße ausgesetzt
ist.
-
Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
-
1 zeigt
eine Schnittansicht eines Verbindungsteils zwischen einem Turbinenrotor 10 und
einer Wärmekraftanlage
mit einer Rotorachse 11 und einem Schaufelfuß 12 einer
Turbinenschaufel. Der Schaufelfuß 12 kann einen geraden
Unterteil, wie in 1 gezeigt, oder einen gekrümmten Unterteil
aufweisen. Die Turbinenschaufel ist eine im Wesentlichen axial montierte
Schaufel, das heißt
zur Montage wird der Schaufelfuß 12 in
einer linearen oder gekrümmten
Bahn, die in einem kleinen Winkel zur Richtung der Rotorachse 11 ausgerichtet
ist, was die Horizontalrichtung in 1 ist, in
eine in 2 gezeigte Rotornut 13 geschoben.
Die Rotornut 13 weist ein Tannenbaumprofil auf und ist
an das Profil des entsprechend geformten Schaufelfußes 12 angepasst.
Bei einer weiteren Ausführungsform,
die in den Figuren nicht gezeigt wird, können die Rotornut 13 und
der Schaufelfuß 12 ein
Schwalbenschwanzprofil aufweisen.
-
Aufgrund
der Tannenbaumprofile gelangen der Schaufelfuß 12 und die Rotornut 13 in
einer Radialrichtung des Turbinenrotors 10, die der Vertikalrichtung
in den 1 und 2 entspricht, in Eingriff. Das
heißt,
der Eingriff zwischen dem Schaufelfuß 12 und der Rotornut 13 verhindert,
dass der Schaufelfuß 12 in
einer Radialrichtung aus der Rotornut 13 rutscht.
-
Zwischen
dem Turbinenrotor 10 und dem Schaufelfuß 12 ist eine Verriegelungsvorrichtung 14, wie
in den 1 und 2 dargestellt, angeordnet. Die
Verriegelungsvorrichtung 14 umfasst eine parallel zur Rotorachse 11 angeordnete
Nockenwelle 18 und eine an einem Ende der Nockenwelle 18 angeordnete
Nockenscheibe 16. In der in 1 gezeigten Position
ragt die Nockenscheibe 16 sowohl in eine Scheibenaussparung 22 des
Rotors 10 als auch in eine Scheibenaussparung 24 des
Schaufelfußes 12. Angrenzend
an der Scheibenaussparung 22 des Rotors 10 ist
im Rotor 10 eine Wellenaussparung 20 mit einer
im Vergleich zur Scheibenaussparung 22 geringeren radialen
Tiefe vorgesehen. Wie in den 5a und 5b dargestellt,
gestattet die Wellenaussparung 20 ein Biegen der Nockenwelle 18,
wenn an die am vorderen Ende der Nockenwelle 18 angeordnete Nockenscheibe 16 eine
Radialkraft F angelegt wird. Die in Radialrichtung an einem Endbefestigungspunkt 36 zwischen
dem Rotor 10 und dem Schaufelfuß 12 in Radialrichtung
festgelegte und an einem Rotorstützpunkt 38 gestützte Nockenwelle 18 biegt sich
größtenteils
mit dem nach rechts ragenden Teil der Nockenwelle 18 nach
unten.
-
3 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Verriegelungsvorrichtung 14.
Das Profil der Nockenscheibe 16 in der Ebene der Stirnfläche der
Nockenscheibe 16 wird in den 4a und 4b in
kartesischen und polaren Koordinaten ausführlich gezeigt. Dazu ist der
Radius r gegen den Winkel φ abgewickelt
aufgetragen. Wie aus den Schaubildern ersichtlich, weist die Nockenscheibe 16 zwei
Lappen auf, nämlich
einen ersten Sicherungslappen 26 und einen zweiten, längeren Sperrlappen 28.
Zwischen dem Sicherungslappen 26 und dem Sperrlappen 28 ist
eine Gleichgewichtszone 30 mit kleinerem Radius angeordnet.
Bei Winkel φ =
0 weist die Nockenscheibe 16 einen minimalen Radius 32 auf.
-
Für den Montagevorgang
des Schaufelfußes 12 und
des Rotors 10 ist die Verriegelungsvorrichtung 14 in
einer Drehposition angeordnet, wie in 2 gezeigt,
in der der Teil mit dem minimalen Radius 32 bezüglich der
Rotorachse 11 radial nach außen weist. In dieser Drehposition
kann die Nockenscheibe 16 des Schaufelfußes 12 ohne
Behinderung mit der Nockenscheibe 16 in die Rotornut 13 und
daraus heraus gleiten, das heißt
der Schaufelfuß 12 kann über die
Nockenscheibe 16 gleiten.
-
Wenn
sich der Schaufelfuß 12 in
seiner axialen Endposition befindet, wird die Nockenscheibe 16 über einen
Drehschlüsseleinsatz 34 an
der gegenüberliegenden
Seite der Nockenwelle 18 und/oder an der Stirnfläche der
Nockenscheibe 16 (in den Figuren nicht gezeigt) gedreht.
Der Drehschlüsseleinsatz 34 kann über einen
Inbusschlüssel
oder ein ähnliches Werkzeug
betätigt
werden. Durch Drehen der Nockenscheibe 16 gelangt ihr Außenumfang
in die Scheibenaussparung 24 des Schaufelfußes 12.
An einem bestimmten Punkt der Drehung schlägt der Sicherungslappen 26 gegen
das untere Ende der Scheibenaussparung 24. Dadurch wird
eine Kraft erzeugt, die auf den Schaufelfuß 12 wirkt und an
der Nockenscheibe 16 eine Reaktionskraft auslöst. Die Nockenwelle 18 biegt
sich wiederum, wie in 5B gezeigt. Bei weiterer Drehbewegung über den
Sicherungslappen 26 hinaus wird der Teil der Nockenscheibe 16 im
Bereich der Gleichgewichtszone 30 (geringstes Potential)
in der Scheibenaussparung 24 des Schaufelfußes 12 angeordnet.
In dieser Drehposition wird die Radialkraft auf die Nockenscheibe 16 verringert,
so dass sich die Nockenwelle zu einer weniger gebogenen Form biegt
oder vollständig
in eine gerade, nicht gebogene Form zurückkehrt, wie in 5a gezeigt.
Eine weitere Drehung der Nockenscheibe 16 in die gleiche
Richtung wird durch den Sperrlappen 28 gesperrt.
-
Mit
der Sperrvorrichtung 14 in einer Drehposition, in der die
Nockenscheibe 16 in die Scheibenaussparung 24 des
Schaufelfußes 12 im
Bereich der Gleichgewichtszone 30 ragt, ist der Schaufelfuß 12 sowohl
in Axial- als auch in Radialrichtung gesperrt. Die Nockenscheibe 16 müsste erbgeschert
werden, um eine Axialbewegung zu gestatten, und somit ist ein Formschluss
erreicht. Die Verriegelung in Radialrichtung wird andererseits mit
einer elastischen Komponente implementiert. Eine Bewegung des Schaufelfußes 12 in
einer Radialrichtung zum Turbinenrotor 10 hin ist unter
einem elastischen Biegen der Nockenwelle 18 zu einem gewissen
Grad möglich,
wie in 5b gezeigt. Die in Gleichgewichtsposition
vorhandene Radialkraft verhindert eine Schwing- oder Kippbewegung
der Schaufel während
Getriebebetriebs.
-
Zum
Entriegeln des Schaufelfußes 12 muss die
Verriegelungsvorrichtung 14 entgegengesetzt zu der zum
Verriegeln des Schaufelfußes 12 verwendeten
Drehrichtung gedreht werden. Das heißt unter Verwendung eines Inbusschlüssels wird
die Verriegelungsvorrichtung 14 über den Sicherungslappen 26 in
eine Position zurückgedreht,
in der der minimale Radius 32 zur Scheibenaussparung 24 des
Schaufelfußes 12 weist.