EP0214393B1 - Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen bei Turbomaschinen - Google Patents

Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen bei Turbomaschinen Download PDF

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EP0214393B1
EP0214393B1 EP86109040A EP86109040A EP0214393B1 EP 0214393 B1 EP0214393 B1 EP 0214393B1 EP 86109040 A EP86109040 A EP 86109040A EP 86109040 A EP86109040 A EP 86109040A EP 0214393 B1 EP0214393 B1 EP 0214393B1
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EP
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magnet inserts
magnets
magnetic
cover plates
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Peter Dipl.-Ing. Novacek
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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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 invention seeks to remedy this.
  • the invention as characterized in the claims, is based on the object of achieving a stiffening of the blade assembly against occurring vibrations of various excitation orders in a device of the type mentioned.
  • the individual magnets are to be set and fixed in such a way that their end faces not only lie against one another in the installed state, but also press against one another. This can be done by an excess compared to the actual distance between two blades and / or by a pre-torsion of the blades before they are installed.
  • Fig. 1 shows individual blades 1, 2, n in a row of blades, as they are usually arranged on a rotor disk, 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.
  • an improvement in efficiency is sought by covering plate 6 bridging the space 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 bridge the individually designed space 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 installing 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, ⁇ can be inserted into the rotor disk without subsequent alignment.
  • 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 in the area of the blade flow, the magnetic inserts 19, 20 according to the conventional direction of polarity? / e are arranged, the other edge zone has magnetic inserts 17, 18 which abut one another with poles of the same name ⁇ / ⁇ or e / e.
  • 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 e / e and / or e / e can also be provided in all the examples explained above.

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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 bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art eine Versteifung des Schaufelverbundes gegen auftretende Schwingungen verschiedenster Erregungsordnung zu erreichen.
  • Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass sobald die während des Betriebes auftretenden Schwingungskräfte die vorgegebene Magnetkraft übersteigen, löst sich die durch Magnetkraft zusammengehaltene Verbindung ziemlich schlagartig auf. Dieser Unterbruch in der Versteifung wirkt sich schwingungsunterdrückend aus, was sofort zu einer Beruhigung des Systems führt.
  • Beim Abklingen der Schwingungen ziehen sich die Magnete bei ungleicher Polarität wieder an. Die beim Aufschlagen freiwerdende Energie wird voll in Wärme umgewandelt, da sich kein Rückprallen und keine elastische Ausschwingung einstellt, womit eine augenblickliche dämpfungswirksame Fixierung vonstatten geht. Die erneute Fixierung läuft somit ohne Nebeneffekte ab, das bedeutet, dass die remanenten Schwingungen im System abrupt neutralisiert werden, gleich der Berührung der Trommelfläche einer durch Schlag angeregten Trommel.
  • Bei gleicher Polarität der benachbarten Magnete findet an sich kein Aufschlagen der Magnetflächen gegeneinander im Sinne obiger Ausführungen bei ungleichpoligen Magnetflächen. Gleichwohl ist aber die potentielle Energie der Magnete, wenn auch in umgekehrter Richtung, vorhanden. Da es sich hier um ein geschlossenes System handelt (Schaufelverbund), erzeugt eine durch Schwingungen bedingte Abstossung zweier benachbarter Magnete (Spreizung) eine von der Versteifung des restlichen Schaufelverbundes ausgehende Gegenkraft.
  • Die einzelnen Magnete sind so einzustellen und zu fixieren, dass deren Stirnflächen im eingebauten Zustand nicht nur aneinander anliegen, sondern auch gegeneinander drücken. Dies kann durch ein Übermass gegenüber dem tatsächlichen Abstand zweier Schaufeln und/oder durch eine Vortorsion der Schaufeln vor deren Einbau geschehen.
  • Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind des weitem in den übrigen abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
  • 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 den 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 eie 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, η 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 Poiaritätsrichtung ? / e angeordnet sind, weist die andere Randzone Magneteinsätze 17, 18 auf, die mit gleichnamigen PoIe ε /⊕ oder e / e 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 e / e und/oder e / e 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 (5)

1. Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen bei Turbomaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (1, 2, n) Magneteinsätze (7, 8,9a,11,12,14,15,17,18,19, 20) tragen, welche durch ein Übermass gegenüber dem Abstand zweier Schaufeln und/oder durch Vortorsion der Schaufeln im Schaufelverbund auf dem Rotor kraftschlüssig aufeinander stossen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinsätze (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 benachbarte Magneteinsätze (7/8, 11/12, 19/20) ungleicher Polarität sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Magneteinsätze (17/18) gleicher Polarität sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Deckplatten (16) im Bereich der Anströmung durch Magneteinsätze (19/20) mit ungleicher Polarität, im Bereich der Abströmung durch Magneteinsätze (17/18) mit gleicher Polarität bestückt sind.
EP86109040A 1985-08-31 1986-07-02 Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen bei Turbomaschinen Expired EP0214393B1 (de)

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