EP0520259B1

EP0520259B1 - Laufschaufelbefestigung

Info

Publication number: EP0520259B1
Application number: EP92109959A
Authority: EP
Inventors: Andreas Dr. Czeratzki
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1992-06-13
Publication date: 1994-09-21
Anticipated expiration: 2012-06-13
Also published as: JPH05187203A; DE59200524D1; EP0520259A1; US5236308A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufelbefestigung im Trommelrotor einer axial durchströmten Turbomaschine, in welchem die Schaufeln mit ihren viereckig ausgebildeten Füssen reihenweise in umlaufenden Schaufelnuten mit seitlichen Tragzacken befestigt sind.

Stand der Technik

Derartige Schaufelbefestigungen finden sich in der Regel bei Verdichter- und Turbinenrotoren. Bei jeder Rotorumdrehung verändern die umlaufenden Schaufelnuten ihre axiale Dimension infolge der Rotordurchbiegung und der Amplitude der Biegeschwingungen. Die Dimensionsänderung erfolgt mit einer Amplitude, welche von der jeweiligen Konstruktion abhängt. Überschreitet die Amplitude ein gewisses Mass, so können an den Schaufelfüssen oder an den Rotoreindrehungen Schäden durch Reibermüdung entstehen. Besonders gefährdet sind die entsprechenden Partien der ersten Turbomaschinenstufe bei mehrstufigen Maschinen, da hier die gegenseitige Entlastung durch benachbarte Schaufelnuten nicht gegeben ist. Demzufolge treten in dieser ersten Schaufelnut deutlich grössere relative Verschiebeamplituden auf als in den darauffolgenden Schaufelnuten. Dieser Sachverhalt ist in später zu beschreibenden Fig. 2 und 3 erläutert.
Daneben treten bei Temperaturänderungen, beim Anfahren, bei Laständerungen oder bei betrieblichen Schwankungen in der ersten Schaufelnut starke asymmetrische Verschiebungen auf, die zu lokal überhöhten Flächenpressungen in den Tragzacken der Schaufelfüsse der ersten Laufreihe führen.
Scliesslich treten bei mechanischen Hammerkopf-Schaufelfussbefestigungen, welche durch Fliehkräfte in radialer Richtung und durch Fluidkräfte in Axial- und in Umfangsrichtung belastet werden, und bei denen die Kräfte über zwei oder mehrere Zacken auf den Rotor übertragen werden, infolge Herstellungstoleranzen Probleme mit dem gleichzeitigen Anliegen und Tragen aller beteiligten Flächen auf.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht all diese Nachteile zu vermeiden. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, bei Rotoren der eingangs genannten Art eine Massnahme zu treffen, bei der die Axialverschiebung und die asymmetrische Deformation zumindest der ersten beschaufelten Nut herabgemindert wird und bei denen eine eindeutige Abstützung der Kräfte stattfindet.
Erfindungsgemäss wird dies mit den kennzeichenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht.
Zwar ist aus US 2,327,839 eine L-förmige Schaufelbefestigung bekannt. Jedoch handelt es sich dort um fusslose Schaufeln mit profilierten Zwischenstücken, bei denen aus Gründen des Tragflächenbedarfs die waagerecht verlaufenden Befestigungsteile stromauf gerichtet sind. Senkrechte Tragflächen gegen die Nuteindrehungen weisen nicht die vorne und hinten gekrümmten Schaufeln auf, sondern die Zwischenstücke.
Der Vorteil der Erfindung ist neben der vorherrschenden Klarheit über die Kräfteverhältnisse noch darin zu sehen, dass nur die tragenden Flächen der Nuteindrehung und des Schaufelfusses, d.h. insgesamt weniger Flächen als bisher mit der üblichen Genauigkeit zu fertigen sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand des Hochdruckrotors einer axialdurchströmten Dampfturbine schematisch dargestellt.
Es zeigen:

Fig.1: eine teilweise geschnittene Teilansicht eines beschaufelten Trommelrotors;
Fig.2: die eingangs erwähnte, zur Verdeutlichung stark übertriebene Dimensionsänderung einer umlaufenden Nut anlässlich der Rotordurchbiegung;
Fig.3: Ein Schaubild, welches das Mass der resultierenden Durchbiegungs-Amplitude in der jeweiligen Schaufelnut zeigt;
Fig.4: einen Teillängschnitt durch eine erfimdungsgemässe Schaufelnut;
Fig.5: eine Prinzipskizze anhand einer teilweisen Abwicklung eines Zylinderschnittes gemäss Limie V-V in Fig 4.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise sämtliche nichtrotierenden Teile sowie die Wellenenden mitsamt der Lagerung. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit einem Pfeil bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Gemäss Fig.1 ist der Hochdruckrotor 20 mit dreizehn Laufreihen versehen. Die einzelnen Schaufeln, bestehend aus Schaufelblatt 21 mit Deckplatte 22 und Schaufelfuss 23, sind in umlaufenden Schaufelnuten eingesetzt, welche dampfeintrittseitig bis dampfaustrittseitig von 1 bis 13 durchnumeriert sind. Strichpunktiert ist die strömungsbegrenzende Kontur 23 des nichtdargestellten Zylinders, welcher die ebenfalls 13 Reihen Leitschaufeln trägt. Die Schaufelfüsse 23 weisen Hammerkopfform auf. Die während des Betriebes auf die Schaufel wirkenden Fliehkräfte und Biegemomente werden mittels Schultern über entsprechend konfigurierte Tragzacken der Schaufelnut in den Rotor geleitet.
In Fig.2 ist anhand eines Rotorauschnitts die Deformation der Schaufelnut gezeigt. Die Masse Ao und Au sind am Übergang zwischen senkrechter und waagerechter Seitenwand der Eindrehung genommen. Dieser Übergang liegt der spannungsmässig am meisten belasteten Stelle des Hammerkopfes gegenüber, weshalb in der Regel der senkrechte und der waagerechte Balken des Schaufelfusses mit einer Ausrundung versehen sind.
In Fig.3 ist die Amplitude A als arithmetischer Mittelwert der beiden Distanzen Ao und Au für jede der 13 Schaufelnuten angegeben. Ohne Gegenmassnahme liegt der Wert A1 der Axialverschiebung der ersten Schaufelnut beträchtlich höher als jene der benachbarten Schaufelnuten.
Hier setzt nun die Erfindung ein, welche darin besteht, dass sowohl die Nuteindrehung als auch der Schaufelfuss im wesentlichen in L-Form ausgebildet werden. Die Schaufelnut 1 ist gemäss Fig.4 mit zwei senkrechten Tragflächen 31 resp. 32 sowie einem waagerechten Tragzacken 33 ausgebildet. Die Tragfläche 31 ist bündig mit der Rotoroberfläche; die Tragfläche 32 befindet sich unter Bildung einer Hinterdrehung im Bereich des Nutengrundes. Der Schaufelfuss 34 besteht aus einem senkrechten und einem seitlichen waagerechten Steg. Mit seinen senkrechten Begrenzungen liegt er während des Betriebes an den Tragflächen 31 und 32 an; mit dem waagerechten Balken des seitlichen Steges liegt er am Tragzacken 33 an.
Die aus den Fig.4 und 5 ersichtlichen, auf die Schaufelbefestigungen einwirkenden Kräfte setzten sich im einfachsten Falle zusammen aus der radial wirkenden Fliehkraft F_F, und der am Schaufelblatt angreifenden Dampfkraft F_D, welche das Biegemoment M_D prägt. Letzteres wird auch dadurch beeinflusst, dass die Schwerpunkte der tragenden Querschnitte nicht in der Angriffslinie der Fliehkräfte liegen. Die Dampfkräfte werden über die Axialflächen 31 und 32 in den Rotor eingeleitet sowie in Umfangsrichtung über die gegenseitige Abstützung der benachbarten Schaufelfüsse. Die von den benachbarten Schaufelfüssen auf den betrachteten Schaufelfuss ausgeübten Kräfte sind mit F_S bezeichnet. Ihre axialen Komponenten werden ebenfalls über die Axialflächen 31 und 32 in den Rotor eingeleitet.
Die von den Nutwandungen ausgeübten entsprechenden Reaktionskräfte sind mit R₃₁, R₃₂ und R₃₃ bezeichnet.
Die Wirkung der neuen Massnahme ist im Schaubild der Fig.3 ersichtlich. Die relativ grossen Flankenbewegungen mit der Amplitude A1 sind nunmehr reduziert auf ca. das halbe Mass A1'. Eine weitere günstige Nebenwirkung ist darin zu sehen, dass über die Axialflächen 31 und 32 anlässlich des Betriebes auftretende Schwingungsbeanspruchungen direkt und eindeutig in den Rotor eingeleitet werden und zwar mit stark verringerter Kerbwirkung gegenüber klassischen Hammerkopfformen, bei denen die durch Schwingungen verursachte Kräfte erst vom senkrechten in die seitlichen Stege umgeleitet werden müssen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte und beschriebene Beispiel beschränkt. In Abweichung zur gezeigten Anordnung können selbstverständlich die Schaufelnuten und Füsse sämtlicher Schaufelreihen mit der neuen Massnahme ausgerüstet werden. Als Richtlinie kann angegeben werden, dass sich die neue Befestigung grundsätzlich eignet für alle hochbelasteten Hochdruckbeschaufelungen, bei denen die Fluidkräfte die Fliehkräfte überwiegen und zwar unabhängig davon, ob die Schaufeln nun freistehende oder gebundene Schaufelspitzen aufweisen. Desweiteren wird die Massnahme mit Vorteil bei vortordierten Schaufeln eingesetzt, da sie auch hier zur Klärung der Einleitung der infolge der Torsion verursachten Momente in den Rotor beiträgt.

Bezugszeichenliste

1- 13: Schaufelnut
20: Rotor
21: Schaufelblatt
22: Deckplatte
23: Schaufelfuss
23: Zylinderkontur
31: senkrechte Tragfläche von 1
32: senkrechte Tragfläche von 1
33: waagerechter Tragzacken von 1
34: Schaufelfuss für 1

Claims

Laufschaufelbefestigung im Trommelrotor einer axial durchströmten Turbomaschine, in welchem die Schaufeln mit ihren viereckig ausgebildeten Füssen (23,34) reihenweise in umlaufenden Schaufelnuten (1-13) mit seitlichen Tragzacken befestigt sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaufelnut (1) eine L-Nut mit zwei senkrechten Tragflächen (31, 32) und einem waagerechten Tragzacken (33) ist und dass der Schaufelfuss (34) im wesentlichen aus einem senkrechten und nur einem seitlichen waagerechten Steg besteht,
wobei der waagerechte Tragzacken (33) und der waagerechte Steg des Schaufelfusses stromab gerichtet sind, und wobei die stromab liegende senkrechte Tragfläche (31) bündig mit der Rotoroberfläche ist und die stromauf liegende senkrechte Tragfläche (32) unter Bildung einer Hinterdrehung im Bereich des Nutengrundes wirkt.
Anwendung der Laufschaufelbefestigung nach Anspruch 1 bei mindestens der ersten Schaufelreihe eines mehrstufigen Trommelrotors.