EP0214393A1 - Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen bei Turbomaschinen - Google Patents

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EP0214393A1
EP0214393A1 EP86109040A EP86109040A EP0214393A1 EP 0214393 A1 EP0214393 A1 EP 0214393A1 EP 86109040 A EP86109040 A EP 86109040A EP 86109040 A EP86109040 A EP 86109040A EP 0214393 A1 EP0214393 A1 EP 0214393A1
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EP
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blades
magnets
cover plates
turbo machine
antivibration device
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Peter Dipl.-Ing. Novacek
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S416/00—Fluid reaction surfaces, i.e. impellers
    • Y10S416/50—Vibration damping features

Definitions

  • the invention relates to a device for damping blade vibrations in turbomachinery.
  • a common and long-established precaution to combat the vibrations that occur is that the blades within a row of blades are connected to each other in packages by a damper wire.
  • the flanks of the cover plates are processed in such a way that they form contact surfaces of different designs.
  • these cover plate designs have several disadvantages: - Expensive machining and execution of the contact surfaces. - Elaborate assembly. - Different contact surface forces, depending on the operating state. - Mechanical wear of the contact surfaces, whereupon the desired damping continuously deteriorates.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as characterized in the claims, has for its object to provide a device of the type mentioned, in which an optimal damping effect against blade vibrations of various excitation orders can be achieved by the installation of simple aids.
  • the magnets can be integrated anywhere in the blades - regardless of their geometric design. If the blades are formed with cover plates on the head side, the installation of magnets there is particularly versatile, not only with regard to the placement, but also with regard to the polarity direction of adjacent magnets.
  • Fig. 1 shows individual blades 1, 2, n in a row of blades, as they are usually arranged on a rotor disc, not shown here.
  • the blades 1, 2, n themselves consist of blade root 3, transition part 4, blade 5 and cover plate 6.
  • the cover plate configuration shown here is provided where slim blades 5 are used.
  • the aim is to improve efficiency by covering plate 6 bridging the gap between the end of airfoil 5 and the stator, also not shown, so that the different thermal expansions of airfoil 5 in the radial direction between the inflow and outflow sides of blades 1, 2 , n no longer play a relevant role in the dimensioning of the gap.
  • the cover plate 6 is also designed such that it engages in the stator like a labyrinth, as a result of which the flow losses there can be minimized.
  • Such cover plates 6 are particularly suitable for holding magnets 7, 8, which make up the individually designed space bridge between two adjacent blades.
  • the magnets 7, 8 used here are of a round design; other geometric shapes can also be used.
  • the magnetic sections protruding from the cover plates 6 each have an alternating polarity ⁇ / ⁇ to the other adjacent section, so that the individual cover plates 6 adhere to one another via the attractive force of the individual pair magnets 7, 8.
  • a further intermediate stage, formed by preferably identical magnets 7, 8, is provided approximately at half the height of the airfoil. This precaution should only be taken into account for soft blades, because this means that flow losses are involved.
  • the intermediate stage can have a thickening in the region of the penetration of the magnet 8 by the blades 1, 2, n.
  • Fig. 2 shows the top view of a cover plate design, in which at least the opposite end faces 9a of the cover plates 9 are magnetic.
  • the attraction available here is particularly great.
  • Such an embodiment is therefore preferably used for blades that are highly susceptible to vibration.
  • the force of attraction is only fully available if the required manufacturing accuracy of the blades in general and the cover plates 9 in particular are strictly observed.
  • cover plates 10 shown in FIG. 3 In contrast, the manufacturing accuracy of the cover plates 10 shown in FIG. 3 is no longer in the foreground.
  • the individual cover plates 10 carry magnetic inserts 11, 12 which lie against one another alone.
  • the cover plates 10 are also set back in this area. It can be provided that the individual magnet inserts 11, 12 can be adjusted so that their positioning can only be carried out after the assembly of the blades 1, 2, n.
  • the embodiment according to FIG. 4 pursues similar goals.
  • the individual magnetic inserts 14, 15 can be adjusted relative to one another in such a way that their magnetic head parts abut one another.
  • the rhomboidal shape of the cover plates 13 offers advantages when mounting the blades 1, 2, n: since the plane of alignment of the cover plate flanks corresponds to that of the blade root, the blades 1, 2, n can be inserted into the rotor disk without subsequent alignment.
  • the magnetic forces can be combined with other preload forces.
  • the magnetic inserts capture the blades of a row in packets of, for example, 5-7 units.
  • the polarity direction of the magnets can also be changed in packages.
  • the resulting detuning effect can be further enhanced by varying the strength of the magnets from package to package or in the circumferential direction.
  • Magnetically equipped blades can alternate with mechanically rigidly connected blades. This configuration is also about increasing the detuning effect.
  • electromagnets can be provided. Your control is preferably done from the outside, inductively or via slip rings.
  • the variant shown in Fig. 5 is characterized in that the cover plates 16 at their edge zones with two magnetic inserts 17, 19 and. 18, 20 are equipped. While the magnetic inserts 19, 20 are arranged in the area of the blade flow in accordance with the conventional polarity direction der / ⁇ , the other edge zone has magnetic inserts 17, 18 which abut one another with poles of the same name ⁇ / ⁇ or ⁇ / ⁇ .
  • This arrangement can also be used to achieve a circumferential bracing which, in combination with the force direction of the magnetic forces acting in reverse on the other side of the cover plates 16, results in good elasticity against shock-like vibrations.
  • uniform polarity ⁇ / ⁇ and / or ⁇ / ⁇ can also be provided in all the examples explained above.

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Abstract

Zur Dämpfung von Schaufelschwingungen werden die Deckplatten (10) der Schaufeln (1, 2, n) mit Magneteinsätzen (11, 12) bestückt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen bei Turbomaschinen.
  • Bei Turbomaschinen werden die rotierenden Schaufeln unter anderem durch unregelmässige Anströmung erregt. Diese anregende Kraft verursacht oft unzulässige Wechsel­spannungen in den Schaufeln. Zur Bekämpfung dieser ge­fährlichen Schwingungen kann als naheliegende Massnahme die Verdickung des Schaufelprofiles in Betracht gezogen werden. Indessen verursacht diese Verstärkung eine wesent­liche Verschlechterung des Wirkungsgrades, weshalb diese Massnahme in der Praxis eher nicht angewendet wird.
  • Eine häufige und seit langem praktizierte Vorkehrung zur Bekämpfung der auftretenden Schwingungen besteht darin, dass die Schaufelblätter innerhalb einer Schaufel­reihe jeweils paketweise durch einen Dämpferdraht mit­einander verbunden werden.
  • Diese konventionelle Vorkehrung weist indessen einige Nachteile auf:
    - Der Dämpferdraht innerhalb des Strömungskanals ver­schlechtert den Wirkungsgrad der Turbomaschine.
    - Der Dämpferdraht wird stark durch Biegespannungen und Mediumtemperatur beansprucht.
    - Der Dämpferdraht ist der Korrosion und Erosion ausge­setzt.
  • Als jüngste Neuerung kann die Lösung mit Dämpferdrähten ausserhalb des Strömungskanals betrachtet werden, wie in der ASME-Publikation 81-DET-136 teilweise beschrieben ist. Diese Auslegungsart ermöglicht eine relative Bewegung zwischen Draht und Schaufeln. Indessen, wegen des gegen­seitigen Ausgleichs der Kräfte am Dämpferdraht infolge Kopplung mehrerer Schaufeln, wird die Reibung nicht voll ausgenützt. Meistens verhält sich der Draht eher als ein nicht rutschendes Bindeglied statt als Dämpfer­draht, und darum können auch nicht alle Erregungsordnungen unter Kontrolle gebracht werden. Um diese offensichtlichen Schwierigkeiten zu überwinden, ist deshalb in der oben­genannten Publikation der Versuch unternommen worden, den Dämpferdraht durch kleine Drahtstücke zu ersetzen, welche irgendwie an der Rotorscheibe zu verankern wären. In der praktischen Ausführung lässt sich aber eine solche Lösung platzmässig nicht unterbringen.
  • Dort wo die Schaufeln mit Deckplatten ausgebildet sind, werden diese zur Dämpfung herangezogen: Die Flanken der Deckplatten werden so bearbeitet, dass sie zueinander Kontaktflächen verschiedener Ausgestaltung bilden. Diese Deckplattenkonstruktionen weisen aber verschiedene Nachteile auf:
    - Teure Bearbeitung und Ausführung der Kontaktflächen.
    - Aufwendige Montage.
    - Unterschiedliche Kontaktflächenkräfte, je nach Be­triebszustand.
    - Mechanische Abnützung der Kontaktflächen, worauf die angestrebte Dämpfung sich fortlaufend verschlechtert.
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde eine Einrichtung der eingangs ge­nannten Art zu schaffen, bei welcher durch den Einbau einfacher Hilfsmittel eine optimale Dämpfungswirkung gegen Schaufelschwingungen verschiedenster Erregungsord­nungen erzielt werden kann.
  • Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass die Magnete ortsbeliebig in die Schaufeln - unabhängig ihrer geometrischen Gestaltung - integriert werden können. Sind die Schaufeln kopfseitig mit Deck­platten ausgebildet, so ist der dortige Einbau von Magneten besonders vielseitig, dies nicht nur was die Plazierung anbelangt, sondern auch hinsichtlich der Polaritäts­richtung benachbarter Magnete.
  • Im folgenden sind anhand der Zeichnung Ausführungsbei­spiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständ­nis der Erfindung unwesentlichen Elemente sind nicht dargestellt. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 eine Teilansicht einer Schaufelreihe mit einge­bauten Magneten,
    • Fig. 2 die Draufsicht auf eine Deckplattenausführung,
    • Fig. 3 eine weitere Deckplattenausführung mit eingebauten Magneten,
    • Fig. 4 eine weitere Deckplattenausführung mit einer weiteren Variante eines Magneteneinbaues und
    • Fig. 5 eine weitere Deckplattenausführung mit einer weiteren Variante eines Magneteneinbaues.
  • Fig. 1 zeigt einzelne Schaufeln 1, 2, n einer Schaufel­reihe, wie sie üblicherweise auf einer hier nicht darge­stellten Rotorscheibe angeordnet sind. Die Schaufeln 1, 2, n selbst bestehen aus Schaufelfuss 3, Uebergangsteil 4, Schaufelblatt 5 und Deckplatte 6. Die hier dargestellte Deckplattenkonfiguration wird dort vorgesehen, wo schlanke Schaufelblätter 5 zum Einsatz kommen. In erster Linie wird damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades angestrebt, indem die Deckplatte 6 den Zwischenraum zwischen Ende Schaufelblattes 5 und dem ebenfalls nicht dargestellten Stator überbrückt, so dass die unterschiedlichen Wärmedeh­nungen des Schaufelblattes 5 in radialer Richtung zwischen Anströmungs- und Abströmungsseite der Schaufeln 1, 2, n für die Spaltbemessung des genannten Zwischenraumes keine relevante Rolle mehr spielen. Auch ist die Deck­platte 6 dergestalt ausgebildet, dass sie labyrinth­artig in den Stator hineingreift, wodurch die dortigen Strömungsverluste minimiert werden können. Solche Deck­platten 6 eignen sich vorzüglich zur Aufnahme von Magneten 7, 8, die den individuell gestalteten Zwischenraum aus zwie benachbarten Schaufeln überbrücken. Die hier zur Anwendung gelangenden Magnete 7, 8 sind von runder Ausfüh­rungsart; andere geometrische Formen sind ebenso einsetz­bar. Die aus den Deckplatten 6 herausragenden Magnetteil­stücke weisen jeweils zum anderen benachbarten Teilstück eine wechselnde Polarität ⊕/⊖ auf, so dass die einzel­nen Deckplatten 6 über die Anziehungskraft der einzelnen Paarmagneten 7, 8 zueinander haften. Etwa auf halber Schaufelblatthöhe ist eine weitere, durch vorzugsweise gleiche Magnete 7, 8 gebildete Zwischenstufe vorgesehen. Diese Vorkehrung soll sinnvollerweise nur bei weichen Schaufeln in Betracht gezogen werden, denn mithin handelt man sich Strömungsverluste ein. Selbstverständlich kann die Zwischenstufe im Bereich des Durchstosses des Magnetes 8 durch die Schaufeln 1, 2, n eine Verdickung aufweisen.
  • Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf eine Deckplattenausfüh­rung, bei der mindestens die gegenliegenden Stirnflächen 9a der Deckplatten 9 magnetisch sind. Die hier zur Verfügung stehende Anziehungskraft ist besonders gross. Eine solche Ausführungsart kommt demnach vorzugsweise bei stark schwingungsanfälligen Schaufeln zum Einsatz. Allerdings steht die Anziehungskraft nur dann voll zur Verfügung, wenn die geforderte Herstellungsgenauigkeit der Schaufeln allgemein und der Deckplatten 9 insbesondere genau einge­halten wird.
  • Demgegenüber steht die Herstellungsgenäuigkeit bei den in Fig. 3 ersichtlichen Deckplatten 10 nicht mehr so im Vordergrunde. Die einzelnen Deckplatten 10 tragen Magneteinsätze 11, 12 die allein gegeneinander anliegen. In diesem Bereich sind die Deckplatten 10 auch zurückver­setzt. Es kann vorgesehen werden, dass die einzelnen Magneteinsätze 11, 12 verstellt werden können, so dass deren Positionierung erst nach der Montage der Schaufeln 1, 2, n vorgenommen werden kann.
  • Aehnliche Ziele verfolgt die Ausführungsform nach Fig. 4. Auch hier können die einzelnen Magneteinsätze 14, 15 gegeneinander so verstellt werden, dass ihre magnetischen Kopfpartien aufeinanderstossen. Die rhomboide Form der Deckplatten 13 bietet Vorteile bei der Montage der Schau­feln 1, 2, n: Indem die Fluchtebene der Deckplattenflanken mit derjenigen des Schaufelfusses übereinstimmt, lassen sich die Schaufeln 1, 2, n ohne nachträgliches Ausrichten in die Rotorscheibe einschieben.
  • Bei allen vorangegangenen Beispielen ist es möglich, die beschriebenen Ausführungsformen durch folgende Vor­kehrungen funktionsmässig zu erweitern:
    - Die Magnetkräfte können mit anderen Vorspannkräften kombiniert werden. In Frage kommt beispielsweise eine Vortorsion der Schaufeln 1, 2, n vor deren Einbau.
    - Die Magneteinsätze erfassen die Schaufeln einer Reihe paketweise von beispielsweise 5-7 Einheiten. Paketweise kann die Polaritätsrichtung der Magnete auch gewechselt werden. Der daraus resultierende Verstimmeffekt kann zusätzlich verstärkt werden, indem die Stärke der Magneten von Paket zu Paket oder in Umfangsrichtung variiert wird.
    - Magnetbestückte Schaufeln können mit mechanisch starr verbundenen Schaufeln abwechseln. Auch bei dieser Konfiguration geht es darum, den Verstimmeffekt zu verstärken.
    - Anstelle von Permanentmagneten können Elektromagnete vorgesehen werden. Ihre Steuerung wird vorzugsweise von aussen, induktiv oder über Schleifringe bewerk­stelligt.
  • Die in Fig. 5 dargestellte Variante zeichnet sich dadurch aus, dass die Deckplatten 16 an ihren Randzonen mit je zwei Magneteinsätzen 17, 19 resp. 18, 20 bestückt sind. Während im Bereich der Schaufelanströmung die Magneteinsätze 19, 20 nach der konventionellen Polaritäts­richtung ⊕ / ⊖ angeordnet sind, weist die andere Randzone Magneteinsätze 17, 18 auf, die mit gleichnamigen Pole ⊕ /⊕ oder ⊖ / ⊖ aufeinanderstossen. Auch durch diese Anordnung lässt sich eine Umfangsverspannung er­reichen, die in Kombination mit der auf der anderen Seite der Deckplatten 16 umgekehrt wirkenden Kraftrichtung der Magnetkräfte eine gute Elastizität gegen stossartig auftretende Schwingungen ergibt.
  • Selbstverständlich kann die gleichmässige Polarität ⊕ / ⊕ und/oder ⊖ / ⊖ bei allen vorgängig erläuterten Beispielen ebenfalls vorgesehen werden.
  • Falls Vibrationskräfte zum Abheben der Deckplatten führen, tragen die Magnetkräfte durch ihr Dämpfungsvermögen zur Schwingungstilgung bei.
  • Die beschriebene Technik findet Anwendung bei Leit- und Laufschaufeln.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen bei Turbomaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (1, 2, n) mit Magneten (7, 8, 9a, 11, 12, 14, 15, 17, 18, 19, 20) bestückt sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (7, 8, 9a, 11, 12, 14, 15, 17, 18, 19, 20) in die Deckplatten (6, 9, 10, 12, 16) der Schaufeln (1, 2, n) integriert sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polaritätsrichtung benachbarter Magnete (7-8, 9-9a, 11-12, 14-15, 17-18, 19-20) beliebig ist.
EP86109040A 1985-08-31 1986-07-02 Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen bei Turbomaschinen Expired EP0214393B1 (de)

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CH373085 1985-08-31
CH3730/85 1985-08-31

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EP0214393A1 true EP0214393A1 (de) 1987-03-18
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