EP1154125A2 - Schaufelanordnung mit Dämpfungselementen - Google Patents

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EP1154125A2
EP1154125A2 EP01109099A EP01109099A EP1154125A2 EP 1154125 A2 EP1154125 A2 EP 1154125A2 EP 01109099 A EP01109099 A EP 01109099A EP 01109099 A EP01109099 A EP 01109099A EP 1154125 A2 EP1154125 A2 EP 1154125A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
damping
damping elements
blade arrangement
rotor
behind
Prior art date
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Application number
EP01109099A
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English (en)
French (fr)
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EP1154125A3 (de
EP1154125B1 (de
Inventor
Herbert Brandl
Rudolf Dr. Kellerer
Brammajyosula Dr. Ravindra
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Power NV
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Publication date
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Publication of EP1154125A3 publication Critical patent/EP1154125A3/de
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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
    • 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 present invention relates to a blade arrangement with damping elements.
  • the damping elements serve the vibration damping of the blade arrangement.
  • the blade arrangement includes a rotor as well blades arranged on the circumference of the rotor, wherein between the blades damping elements loosely arranged are when the rotor rotates about a rotor axis by a centrifugal force acting in the radial direction be in contact with the blades.
  • Such blade arrangements are particularly used in turbomachines such as gas turbines.
  • the individual blades usually consist of the airfoil, a blade platform and the Blade foot, which in corresponding recesses on the circumference of the rotor is attached.
  • the present invention relates to a Blade arrangement with damping elements for damping of these unwanted vibrations.
  • damping elements are already used, that work between the individual blades. At these damping elements are usually loose body, which at first between at rest the blade roots of the blades on the rotor or on corresponding Support structures are in place and in operation of the rotor due to the acting in the radial direction Centrifugal force against the bottom of the blade platforms adjacent blades are pressed. Each Damping element is at the same time two adjacent blade platforms in contact. As a result, the kinetic energy can be due relative motion between vibrations the blades in frictional energy between each Bucket platforms and the adjacent damping element being transformed. This dampens the Vibrations and overall leads to a decreased Vibration load on the blade arrangement.
  • Such a blade arrangement with damping elements is known for example from US 4,917,574.
  • the blade platforms are more adjacent Blades with their underside recesses, into that during rotation by centrifugal force spherical bodies are pressed as damping elements.
  • the Damping elements consists of these as rod-shaped Form elements with a round cross-section that are parallel arranged to the rotor axis between adjacent blades are.
  • the arrangement can, for example in a corresponding lateral recess of the Blade base or the blade platform of one of the neighboring ones Shovels take place.
  • Such an arrangement is described, for example, in A. J. Scalzo, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 114, April 1992, on pages 289 and 290.
  • This frequently used shape of the damping elements with circular Cross-section also creates a seal the gas flow of a gas turbine with respect to the rotor and is therefore also referred to as a "seal-pin damper".
  • the object of the present invention is therein, a blade arrangement with damping elements and a method for damping vibrations of a blade arrangement specify with which good damping a variety of different vibration conditions can be achieved.
  • the blade arrangement includes damping elements a rotor and arranged on the circumference of the rotor Shovels. There are damping elements between the blades arranged to rotate the rotor around the rotor axis through the one acting in the radial direction Centrifugal force brought into contact with the blades become.
  • the blade arrangement is characterized by this from that at least between two adjacent blades several damping elements in the circumferential direction of the Rotors are arranged one behind the other.
  • damping elements are designed and arranged in such a way that when the rotor rotates one after the other arranged damping elements over one or more Touch the touch surfaces and a first one in a row arranged damping elements with a first Friction surface of one and a second one behind the other arranged damping elements with a second friction surface of the other of the neighboring ones Get in contact with the blades.
  • one or more further surfaces, the contact surfaces between the two or more damping elements are available in the present arrangement for converting kinetic vibration energy into friction energy.
  • This additional contact surface (s) further reduces the risk of the damping elements becoming stuck, as can occur under certain vibration conditions in the case of the circular cross-sectional damping elements of the prior art.
  • the present arrangement offers, in particular, the possibility of designing the two or more damping elements in mutually different shapes in order to be able to optimally adapt them to the respective damping requirements. There are no limits to the variety of shapes as long as the mutual frictional contacts and the frictional contacts to the blades or blade platforms can be maintained during operation.
  • the mass center of gravity of the group of damping elements arranged one behind the other can be selected such that it does not lie symmetrically between the two adjacent blades or friction surfaces in the circumferential direction of the rotor.
  • the load can be distributed unevenly over the damping elements, particularly when using two damping elements arranged one behind the other.
  • the asymmetry can be set in a targeted manner by a different geometric configuration or by different masses of the two damping elements. Due to the multitude of possible combinations, the groups of damping elements can be optimally configured for every application. In particular, the suitable choice of the friction or contact surfaces, the mass and the position of the center of mass can ensure that the damping elements do not get stuck.
  • the damping elements should also have a high rigidity / weight ratio. This can also be achieved by a hollow shape of these elements.
  • the damping elements of a group can consist of different ones Materials exist.
  • base material one of two damping elements Cobalt, as the base material of the other damping element Nickel can be chosen. This makes possible different coefficients of friction on the respective Frictional surfaces with the blades so that through the choice of materials is another option for customization Achieving optimal vibration damping available stands.
  • the damping elements here, as well in the known arrangements of the prior art, by the centrifugal force during the rotation of the rotor for example against the underside of the blade platforms pressed.
  • the blade platforms should be on their Subpages for this in adaptation to the shape of the Damping elements be suitably shaped or guide grooves form.
  • other areas besides the bucket platforms of the blade root by means of suitable shaping for receiving the damping elements can be formed.
  • the damping elements can be used to idle the rotor also be held by suitable restraint systems.
  • a combination of a rod-shaped damping element with a circular cross-section and a wedge-shaped damping element i. h, a rod-shaped damping element with a wedge-shaped cross section.
  • This combination of two damping elements with different effects can effectively dampen a large number of different vibration states. While the rod-shaped damping element with a circular cross-section primarily dampens in-phase vibrations effectively, the wedge-shaped damping element primarily acts on vibrations that do not occur in phase. Due to the additional contact surface between the damping elements for absorbing vibrational energy, the problem of locking that occurs when only a rod-shaped damping element with a circular cross section is used can be avoided. This increases the life of the blade assembly.
  • the group according to the invention arranged one behind the other Damping elements can only be used between individual or also between all neighboring blades of the blading be used. Lately has been also pointed out that through a mismatch (mistuning) the damper reduces the flutter or can be avoided.
  • the possibility of an asymmetrical Damper configuration of the present invention offers clear advantages.
  • the damping elements arranged one behind the other a group consist of different materials and / or have different geometric shapes, this material or shape pattern in in a mixed up way across the entire blading repeated.
  • the relative can also be used, for example Position of a damping element with a wedge-shaped Cross section to a damping element with a circular Swap cross section from bucket to bucket, to achieve the desired mismatch.
  • Figure 1 shows a first embodiment for an embodiment of the damping elements in the invention Blade arrangement.
  • the figure shows one Section of the blade arrangement in a sectional plane perpendicular to the rotor axis.
  • the blade platforms 1 to recognize neighboring blades, which - not shown - are attached to the rotor blade and have a small distance from each other.
  • the subpages of the two blade platforms 1 form friction surfaces 4, 5, against which the two damping elements 2, 3 when the rotor is rotated by the centrifugal force be pressed.
  • the friction surfaces 4, 5 are at an angle of approx. 45 ° in this example to the plane by the radial direction and the Rotor axis is clamped, inclined.
  • damping element 2 with a wedge-shaped Cross section - hereinafter referred to as a wedge-shaped damping element designated - together with a damping element 3 with a circular cross section - hereinafter as called circular damping element - used.
  • Both damping elements are rod-shaped in the axial direction trained as this from the prior art is known.
  • FIG. 2 shows a further example of the configuration and arrangement of the damping elements in the present blade arrangement.
  • the surface of the wedge-shaped damping element 2 which comes into contact with the friction surface 4 of the blade platform, is provided with elevations or raised areas 7. These raised areas serve to prevent the wedge-shaped damping element from tilting relative to the friction surface 4, as might occur under certain vibration conditions. This configuration therefore prevents possible tilting of the damping element, which leads to a deterioration in the damping behavior.
  • the inclination of the friction surface 4 on the side of the wedge-shaped damping element 2 to a plane running perpendicular to the radial direction can be between 45 ° and 80 ° in this, as in the other exemplary embodiments, and is chosen such that the damping element 2 is prevented from becoming stuck.
  • the angle ⁇ between the contact surface 6 of the wedge-shaped 2 and circular damping element 3 and the plane running perpendicular to the radial direction can be chosen as desired in order to achieve the required stability and to prevent the damping element 3 from becoming stuck. This angle ⁇ can in particular also be chosen to be significantly smaller than 90 °.
  • FIG. 3 Another example of a configuration of the damping elements of the present blade arrangement is shown in FIG. 3.
  • the first damping element 2 - again wedge-shaped - is designed such that it comes into contact with both friction surfaces 4, 5 of the two adjacent vane platforms 1 when the rotor rotates.
  • another damping element with a circular cross section 3 is used, which also comes into frictional contact with the friction surface 5 of the one blade platform 1.
  • the diameter of the circular damping element 4 must of course be smaller than in the embodiments of FIGS. 1 and 2 under otherwise identical geometric conditions.
  • the wedge-shaped damping element 2 is in turn provided with raised areas 7 in order to avoid the tilting instability already described.
  • Figure 4 finally shows an example schematically for the arrangement of two groups of damping elements about the axial extension of the blades.
  • the airfoil 8 the airfoil platform 1 and to recognize the blade root 9.
  • About the axial Extent of the blade (axial direction 12) are here the positions of two groups 10, 11 from one another arranged damping elements indicated, which according to the claims, for example as in the preceding Examples are designed.
  • the first group 10 is located on the front edge in this example 14 of the shovel, the second group 11 on the rear edge 15.
  • the flow direction 13 is through a Arrow indicated.
  • the configurations of the present blade arrangement are possible for the damping of a variety resonant and non-resonant vibration excitations suitable, such as fluttering, shaking or stochastic excitation.
  • the possibility of each other deviating geometric design of the two Damping elements enable optimal adjustment to the respective circumstances.
  • the inclined platforms of the rotor axis can Damping elements in a correspondingly inclined position or orientation can be used.
  • the damping elements are both when used in Low pressure as well as in high pressure turbines and for compressor blades suitable. You can as simple Damping elements or for additional sealing as Damping and sealing elements are used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufelanordnung mit Dämpfungselementen sowie ein Verfahren zur Vibrationsdämpfung einer Schaufelanordnung. Die Schaufelanordnung umfasst einen Rotor sowie am Umfang des Rotors angeordnete Schaufeln. Zwischen den Schaufeln sind Dämpfungselemente (2, 3) angeordnet, die bei einer Rotation des Rotors durch eine in radialer Richtung wirkende Zentrifugalkraft mit den Schaufeln in Kontakt stehen. Zwischen benachbarten Schaufeln sind hierbei zumindest zwei Dämpfungselemente (2, 3) in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet, die sich bei einer Rotation des Rotors über eine Berührungsfläche (6) berühren und von denen ein erstes Dämpfungselement (2) mit einer ersten Reibungsfläche (4) der einen und ein zweites Dämpfungselement (3) mit einer zweiten Reibungsfläche (5) der anderen Schaufel in Kontakt treten. Mit der Schaufelanordnung lassen sich eine Vielzahl von unterschiedlichen Schwingungszuständen wirksam dämpfen. <IMAGE>

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufelanordnung mit Dämpfungselementen. Die Dämpfungselemente dienen der Vibrationsdämpfung der Schaufelanordnung. Die Schaufelanordnung umfasst einen Rotor sowie am Umfang des Rotors angeordnete Schaufeln, wobei zwischen den Schaufeln Dämpfungselemente lose angeordnet sind, die bei einer Rotation des Rotors um eine Rotorachse durch eine in radialer Richtung wirkende Zentrifugalkraft mit den Schaufeln in Kontakt stehen.
Derartige Schaufelanordnungen werden insbesondere bei Strömungsmaschinen wie Gasturbinen eingesetzt. Die einzelnen Schaufeln bestehen hierbei in der Regel aus dem Schaufelblatt, einer Schaufelplattform und dem Schaufelfuß, der in entsprechende Ausnehmungen am Umfang des Rotors eingehängt ist. Beim Betrieb der Schaufelanordnung entstehen durch verschiedene Anregungsursachen unerwünschte Biege- und Torsionsschwingungen, die zu einer frühzeitigen Materialermüdung und damit zu einer verkürzten Lebensdauer der Schaufelanordnung führen können. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufelanordnung mit Dämpfungselementen zur Dämpfung dieser unerwünschten Schwingungen.
Stand der Technik
Zur Verminderung der Vibrationen von Schaufelanordnungen werden bereits Dämpfungselemente eingesetzt, die zwischen den einzelnen Schaufeln wirken. Bei diesen Dämpfungselementen handelt es sich um in der Regel lose Körper, die im Ruhezustand zunächst zwischen den Schaufelfüßen der Schaufeln am Rotor oder auf entsprechenden Tragestrukturen aufliegen und beim Betrieb des Rotors aufgrund der in radialer Richtung wirkenden Zentrifugalkraft gegen die Unterseite der Schaufelplattformen benachbarter Schaufeln gedrückt werden. Jedes Dämpfungselement steht dabei zur gleichen Zeit mit beiden benachbarten Schaufelplattformen in Kontakt. Hierdurch kann die kinetische Energie einer aufgrund von Vibrationen hervorgerufenen Relativbewegung zwischen den Schaufeln in Reibungsenergie zwischen den jeweiligen Schaufelplattformen und dem anliegenden Dämpfungselement umgewandelt werden. Dies dämpft die Schwingungen und führt insgesamt zu einer verminderten Schwingungsbelastung der Schaufelanordnung.
Eine derartige Schaufelanordnung mit Dämpfungselementen ist beispielsweise aus der US 4,917,574 bekannt. Bei dieser Anordnung bilden die Schaufelplattformen benachbarter Schaufeln mit ihrer Unterseite Ausnehmungen, in die während der Rotation durch die Zentrifugalkraft kugelförmige Körper als Dämpfungselemente gedrückt werden.
Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der Dämpfungselemente besteht darin, diese als stabförmige Elemente mit rundem Querschnitt auszubilden, die parallel zur Rotorachse zwischen benachbarten Schaufeln angeordnet sind. Die Anordnung kann hierbei beispielsweise in einer entsprechenden seitlichen Ausnehmung des Schaufelfußes oder der Schaufelplattform einer der benachbarten Schaufeln erfolgen. Auf eine derartige Anordnung wird beispielsweise in A. J. Scalzo, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 114, April 1992, auf den Seiten 289 und 290 eingegangen. Diese häufig verwendete Form der Dämpfungselemente mit kreisförmigem Querschnitt bewirkt zusätzlich eine Abdichtung des Gasstromes einer Gasturbine gegenüber dem Rotor und wird daher auch als sog. "seal-pin damper" bezeichnet. Ein Nachteil dieser Dämpfungselemente besteht jedoch darin, dass unter bestimmten Bedingungen das Dämpfungselement verklemmen kann. Dadurch werden Relativbewegungen unterbunden, wodurch große Spannungen an den Übergangsstellen vom Dämpfungselement zu den Schaufeln entstehen. Diese Spannungen führen zu einer frühzeitigen Materialermüdung und können die Ausbildung von Rissen in den Schaufeln begünstigen. Weiterhin wirken diese kreisquerschnittsförmigen Dämpfungselemente nicht bei allen auftretenden Schwingungen einer Schaufelanordnung in gleicher Weise, so dass bestimmte Schwingungszustände beinahe ungedämpft auftreten können. Insbesondere kommt es bei diesen kreisquerschnittsförmigen Dämpfungselementen vor, dass keine Relativbewegung zwischen den Kontaktflächen auftritt oder die Dämpfungselemente auf der Kontaktfläche abrollen statt eine Gleitbewegung durchzuführen.
Eine weitere Schaufelanordnung mit Dämpfungselementen ist beispielsweise in der US 5,156,528 beschrieben. Bei dieser Anordnung bilden Randbereiche sich gegenüberliegender benachbarter Schaufelplattformen eine sich in radialer Richtung verjüngende Ausnehmung bzw. Führung, in die das Dämpfungselement durch die Zentrifugalkraft gedrückt wird. Das Dämpfungselement ist hierbei mit keilförmigem Querschnitt ausgebildet, wobei der Keilwinkel dem Winkel der durch die beiden Randbereiche der Schaufelplattformen gebildeten V-förmigen Ausnehmung entspricht. Mit dieser keilförmigen Ausgestaltung der Dämpfungselemente lassen sich wiederum andere Schwingungsmoden der Schaufelanordnung effizient dämpfen als die, die mit den oben beschriebenen Dämpfungselementen wirksam beeinflusst werden. Insbesondere sind diese keilförmigen Dämpfungselemente nicht für die Dämpfung gleichphasiger Schwingungsmoden geeignet. Weiterhin besteht bei diesen Dämpfungselementen das Problem, dass sie im Einsatz unter bestimmten Bedingungen verkippen können, wodurch die Dämpfungswirkung stark reduziert wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaufelanordnung mit Dämpfungselementen sowie ein Verfahren zur Vibrationsdämpfung einer Schaufelanordnung anzugeben, mit denen eine gute Dämpfung einer Vielzahl von unterschiedlichen Schwingungszuständen erreicht werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Schaufelanordnung gemäß Anspruch 1 bzw. mit dem Verfahren gemäß Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaufelanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Schaufelanordnung mit Dämpfungselementen umfasst einen Rotor sowie am Umfang des Rotors angeordnete Schaufeln. Zwischen den Schaufeln sind Dämpfungselemente angeordnet, die bei einer Rotation des Rotors um die Rotorachse durch die in radialer Richtung wirkende Zentrifugalkraft mit den Schaufeln in Kontakt gebracht werden. Die Schaufelanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest zwischen zwei benachbarten Schaufeln mehrere Dämpfungselemente in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet sind. Diese Dämpfungselemente sind derart ausgestaltet und angeordnet, dass sich bei einer Rotation des Rotors die hintereinander angeordneten Dämpfungselemente über ein oder mehrere Berührungsflächen berühren und ein erstes der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente mit einer ersten Reibungsfläche der einen und ein zweites der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente mit einer zweiten Reibungsfläche der anderen der benachbarten Schaufeln in Kontakt treten.
Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen des Standes der Technik stehen bei der vorliegenden Anordnung somit eine oder mehrere weitere Flächen, die Berührungsflächen zwischen den zwei oder mehr Dämpfungselementen, zur Umwandlung von kinetischer Schwingungsenergie in Reibungsenergie zur Verfügung. Durch diese zusätzliche(n) Berührungsfläche(n) wird weiterhin die Gefahr eines Festsetzens der Dämpfungselemente, wie dies unter bestimmten Schwingungsbedingungen bei den kreisquerschnittsförmigen Dämpfungselementen des Standes der Technik auftreten kann, vermindert. Die vorliegende Anordnung bietet insbesondere die Möglichkeit, die zwei oder mehr Dämpfungselemente in voneinander abweichenden Formen auszuführen, um sie optimal an die jeweiligen Dämpfungserfordernisse anpassen zu können. Der Formenvielfalt sind hierbei keine Grenzen gesetzt, solange die gegenseitigen Reibungskontakte sowie die Reibungskontakte zu den Schaufeln bzw. Schaufelplattformen im Betrieb aufrechterhalten werden können.
   Der Massen-Schwerpunkt der Gruppe aus hintereinander angeordneten Dämpfungselementen kann so gewählt werden, dass er in Umfangsrichtung des Rotors nicht symmetrisch zwischen den zwei benachbarten Schaufeln oder Reibungsflächen liegt. Hierdurch lässt sich - insbesondere bei Einsatz von zwei hintereinander angeordneten Dämpfungselementen - die Last ungleich auf die Dämpfungselemente verteilen. Die Asymmetrie kann durch eine unterschiedliche geometrische Ausgestaltung oder durch unterschiedliche Massen der beiden Dämpfungselemente gezielt eingestellt werden. Durch die Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten lassen sich die Gruppen aus Dämpfungselementen für jeden Anwendungsfall optimal konfigurieren. Insbesondere kann durch die geeignete Wahl der Reibungs- bzw. Kontaktflächen, der Masse und der Position des Masse-Schwerpunktes sichergestellt werden, dass sich die Dämpfungselemente nicht festsetzen.
   Die Dämpfungselemente sollten hierbei auch ein hohes Steifigkeits/Gewichts-Verhältnis aufweisen. Dies kann auch durch eine hohle Form dieser Elemente erreicht werden.
Die Dämpfungselemente einer Gruppe können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. So kann beispielsweise als Basismaterial eines von zwei Dämpfungselementen Kobalt, als Basismaterial des anderen Dämpfungselementes Nickel gewählt werden. Dies ermöglicht unterschiedliche Reibungskoeffizienten an den jeweiligen Reibungsflächen mit den Schaufeln, so dass durch die Materialwahl eine weitere Anpassungsmöglichkeit zur Erzielung einer optimalen Schwingungsdämpfung zur Verfügung steht.
Die Dämpfungselemente werden hierbei, ebenso wie bei den bekannten Anordnungen des Standes der Technik, durch die Zentrifugalkraft bei der Rotation des Rotors beispielsweise gegen die Unterseite der Schaufelplattformen gedrückt. Die Schaufelplattformen sollten an ihren Unterseiten hierfür in Anpassung an die Form der Dämpfungselemente geeignet ausgeformt sein bzw. Führungsnuten bilden. Es versteht sich jedoch von selbst, dass neben den Schaufelplattformen auch andere Bereiche des Schaufelfußes durch geeignete Ausformung zur Aufnahme der Dämpfungselemente ausgebildet sein können. Im Ruhezustand des Rotors können die Dämpfungselemente auch durch geeignete Rückhaltesysteme gehalten werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Schaufelanordnung wird eine Kombination aus einem stabförmigen Dämpfungselement mit kreisförmigem Querschnitt und einem keilförmigen Dämpfungselement, d. h, einem stabförmigen Dämpfungselement mit keilförmigem Querschnitt, eingesetzt. Durch diese Kombination von zwei unterschiedlich wirkenden Dämpfungselementen lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Schwingungszustände effektiv dämpfen. Während mit dem stabförmigen Dämpfungselement mit kreisförmigem Querschnitt in erster Linie gleichphasige Schwingungen wirkungsvoll gedämpft werden, wirkt das keilförmige Dämpfungselement vor allem auf Schwingungen, die nicht gleichphasig auftreten.
   Durch die zusätzlich zwischen den Dämpfungselementen entstandene Berührungsfläche zur Aufnahme von Schwingungsenergie lässt sich weiterhin das bei ausschließlichem Einsatz eines stabförmigen Dämpfungselementes mit kreisrundem Querschnitt auftretende Problem des Festsetzens vermeiden. Dies erhöht die Lebensdauer der Schaufelanordnung.
Selbstverständlich lassen sich auch mehr als zwei Dämpfungselemente hintereinander anordnen. So können beispielsweise drei Dämpfungselemente, von denen eines einen kreisrunden Querschnitt und die anderen beiden einen keilförmigen Querschnitt aufweisen - oder umgekehrt - eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Gruppe hintereinander angeordneter Dämpfungselemente kann nur zwischen einzelnen oder auch zwischen allen benachbarten Schaufeln der Beschaufelung eingesetzt werden. In letzter Zeit hat sich zudem herausgestellt, dass durch eine Fehlabstimmung (mistuning) der Dämpfer das Flattern reduziert oder vermieden werden kann. Die Möglichkeit einer asymmetrischen Dämpferkonfiguration der vorliegenden Erfindung bietet hierbei deutliche Vorteile. So können beispielsweise die hintereinander angeordneten Dämpfungselemente einer Gruppe aus unterschiedlichen Materialien bestehen und/oder unterschiedliche geometrische Formen aufweisen, wobei sich dieses Material- bzw. Formen-Muster in einer vertauschten Weise über die gesamte Beschaufelung wiederholt. Ebenso lässt sich beispielsweise die relative Position eines Dämpfungselementes mit keilförmigem Querschnitt zu einem Dämpfungselementes mit kreisförmigem Querschnitt von Schaufel zu Schaufel vertauschen, um die gewünschte Fehlabstimmung zu erreichen.
Weiterhin lassen sich zwischen jeweils benachbarten Schaufeln zwei oder mehr Gruppen der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente in identischer oder unterschiedlicher Ausgestaltung über die axiale Erstrekkung der Schaufeln anordnen. Hierdurch hat man die Möglichkeit, verschiedenste Schwingungsformen effektiv zu dämpfen. Die Dämpferkonfigurationen der einzelnen Gruppen werden jeweils in der Form und/oder dem Massenverhältnis und/oder den geometrischen Abmessungen entsprechend der zu dämpfenden Schwingungsform optimiert.
Die erfindungsgemäße Schaufelanordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals beispielhaft erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1
ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung und Anordnung der Dämpfungselemente bei der erfindungsgemäßen Schaufelanordnung;
Fig. 2
ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung und Anordnung der Dämpfungselemente bei der erfindungsgemäßen Schaufelanordnung;
Fig. 3
ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung und Anordnung der Dämpfungselemente bei der erfindungsgemäßen Schaufelanordnung; und
Fig. 4
ein Beispiel für die Anordnung von zwei Gruppen von Dämpfungselementen über die axiale Erstreckung der Schaufeln.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Ausgestaltung der Dämpfungselemente bei der erfindungsgemäßen Schaufelanordnung. Die Figur zeigt einen Ausschnitt aus der Schaufelanordnung in einer Schnittebene senkrecht zur Rotorachse. Hierbei sind die Schaufelplattformen 1 benachbarter Schaufeln zu erkennen, die - nicht dargestellt - am Rotorblatt eingehängt sind und einen kleinen Abstand zueinander aufweisen. Die Unterseiten der beiden Schaufelplattformen 1 bilden Reibungsflächen 4, 5, gegen die die beiden Dämpfungselemente 2, 3 bei einer Rotation des Rotors durch die Zentrifugalkraft gedrückt werden. Die Reibungsflächen 4, 5 sind in diesem Beispiel unter einem Winkel von ca. 45° zu der Ebene, die durch die radiale Richtung und die Rotorachse aufgespannt wird, geneigt. In diesem Beispiel wird ein Dämpfungselement 2 mit keilförmigem Querschnitt - im Folgenden als keilförmiges Dämpfungselement bezeichnet - zusammen mit einem Dämpfungselement 3 mit kreisförmigem Querschnitt - im Folgenden als kreisförmiges Dämpfungselement bezeichnet - eingesetzt. Beide Dämpfungselemente sind in axialer Richtung stabförmig ausgebildet, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Bei einer Schwingung des Gesamtsystems erfolgt eine Relativbewegung zwischen den beiden benachbarten Schaufelplattformen 1, die wiederum zu einer Relativbewegung zwischen dem keilförmigen Dämpfungselement 2 und der Reibungsfläche 4, zwischen dem kreisförmigen Dämpfungselement 3 und der Reibungsfläche 5 und zu einer Relativbewegung zwischen den beiden Dämpfungselementen an der Berührungsfläche 6 führt. An allen drei Berührungs- bzw. Kontaktstellen kann somit Schwingungsenergie in Reibungsenergie umgewandelt werden, so dass eine effektive Schwingungsdämpfung erreicht wird.
Eine derartige Ausgestaltung und Anordnung ermöglicht eine Relativbewegung der Dämpfungselemente zueinander und zu den Schaufelplattformen in radialer Richtung zur optimalen Dämpfung der gleichphasigen Biegeschwingungen. Gleichzeitig wird das bei Dämpfungselementen mit kreisförmigem Querschnitt auftretende Problem des Festsetzens vermieden, ohne dafür einen bestimmten Neigungswinkel der Reibungsfläche 5 an der Schaufelplattform einhalten zu müssen.
Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung und Anordnung der Dämpfungselemente bei der vorliegenden Schaufelanordnung. Bei dieser Ausführungsform, die ansonsten der Ausführungsform der Figur 1 entspricht, ist die Oberfläche des keilförmigen Dämpfungselementes 2, die mit der Reibungsfläche 4 der Schaufelplattform in Kontakt tritt, mit Erhebungen bzw. erhabenen Bereichen 7 versehen. Diese erhabenen Bereiche dienen der Vermeidung einer Verkippung des keilförmigen Dämpfungselementes gegenüber der Reibungsfläche 4, wie sie unter bestimmten Schwingungsbedingungen auftreten könnte. Durch diese Ausgestaltung werden daher mögliche Verkippungen des Dämpfungselementes vermieden, die zu einer Verschlechterung des Dämpfungsverhaltens führen.
   Die Neigung der Reibungsfläche 4 auf der Seite des keilförmigen Dämpfungselementes 2 zu einer senkrecht zur radialen Richtung verlaufenden Ebene kann bei dieser wie auch bei den weiteren Ausführungsbeispielen zwischen 45° und 80° liegen und wird derart gewählt, dass ein Festsetzen des Dämpfungselementes 2 verhindert wird. Der Winkel α zwischen der Berührungsfläche 6 von keilförmigem 2 und kreisförmigem Dämpfungselement 3 und der senkrecht zur radialen Richtung verlaufenden Ebene kann beliebig gewählt werden, um die erforderliche Stabilität zu erreichen und das Festsetzen des Dämpfungselementes 3 zu verhindern. Dieser Winkel α kann insbesondere auch deutlich kleiner als 90° gewählt werden. Der Winkel  zwischen der Reibungsfläche 5 und der senkrecht zur radialen Richtung verlaufenden Ebene ergibt sich bei α = 90° aus der Bedingung µ ≤ cos /(1 + sin), um das Festsetzen des Dämpfungselementes 3 zu vermeiden, wobei µ der Reibungskoeffizient an der Berührungsfläche 6 ist. Bei einem Winkel α < 90° kann eine derartige Bedingung für α und  abgeleitet werden.
Ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der Dämpfungselemente der vorliegenden Schaufelanordnung ist in Figur 3 dargestellt. Bei dieser Anordnung ist das erste Dämpfungselement 2 - wiederum keilförmig - derart ausgestaltet, dass es bei einer Rotation des Rotors mit beiden Reibungsflächen 4, 5 der beiden benachbarten Schaufelplattformen 1 in Kontakt tritt. Auch hierbei wird wiederum ein weiteres Dämpfungselement mit kreisförmigem Querschnitt 3 eingesetzt, das ebenfalls mit der Reibungsfläche 5 der einen Schaufelplattform 1 reibschlüssig in Kontakt tritt. Der Durchmesser des kreisförmigen Dämpfungselementes 4 muss hierbei selbstverständlich bei sonst gleichen geometrischen Bedingungen geringer ausfallen, als bei den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2.
   Das keilförmige Dämpfungselement 2 ist wiederum mit erhabenen Bereichen 7 versehen, um die bereits dargelegte Kippinstabilität zu vermeiden.
Im Gegensatz zu den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 tritt bei der Ausführungsform der Figur 3 ein zusätzlicher Reibungskontakt zwischen dem ersten Dämpfungselement 2 und der Reibungsfläche 5 auf. Es stehen daher eine zusätzliche Kontaktstelle zur Aufnahme von Schwingungsenergie zur Verfügung. Auch in diesem Beispiel bewirkt das kreisförmige Dämpfungselement 3 eine effiziente Dämpfung von radialen Relativbewegungen während das keilförmige Dämpfungselement die Dämpfung der anderen Schwingungsmoden übernimmt.
Figur 4 zeigt schließlich schematisch ein Beispiel für die Anordnung von zwei Gruppen von Dämpfungselementen über die axiale Erstreckung der Schaufeln. In der Figur sind das Schaufelblatt 8, die Schaufelplattform 1 sowie der Schaufelfuß 9 zu erkennen. Über die axiale Erstreckung der Schaufel (axiale Richtung 12) sind hier die Positionen zwei Gruppen 10, 11 von hintereinander angeordneten Dämpfungselementen angedeutet, die gemäß den Patentansprüchen, beispielsweise wie in den vorangegangen Beispielen, ausgestaltet sind. Die erste Gruppe 10 befindet sich in diesem Beispiel an der Vorderkante 14 der Schaufel, die zweite Gruppe 11 an der Hinterkante 15. Die Strömungsrichtung 13 ist durch einen Pfeil angedeutet. Durch eine asymmetrische Anordnung oder Ausgestaltung der Gruppen in der axialen Richtung können unterschiedliche Schwingungsmoden effektiv gedämpft werden.
Die Ausgestaltungen der vorliegenden Schaufelanordnung sind für die Dämpfung einer Vielzahl möglicher resonanter und nichtresonanter Schwingungsanregungen geeignet, wie beispielsweise Flattern, Rütteln oder stochastische Anregung. Die Möglichkeit der voneinander abweichenden geometrischen Gestaltung der beiden Dämpfungselemente ermöglicht eine optimale Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten. Auch bei bezüglich der Rotorachse geneigten Plattformen können die Dämpfungselemente in einer entsprechend geneigten Position bzw. Orientierung eingesetzt werden.
Die Dämpfungselemente sind sowohl beim Einsatz in Niederdruck- wie auch in Hochdruckturbinen und für Kompressorschaufeln geeignet. Sie können als einfache Dämpfungselemente oder zur zusätzlichen Abdichtung als Dämpfungs- und Dichtungselemente eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
1
Schaufelplattform
2
erstes Dämpfungselement
3
zweites Dämpfungselement
4
erste Reibungsfläche
5
zweite Reibungsfläche
6
Berührungsebene
7
Erhebungen
8
Schaufelblatt
9
Schaufelfuß
10
erste Gruppe
11
zweite Gruppe
12
axiale Richtung
13
Strömungsrichtung
14
Vorderkante
15
Hinterkante

Claims (22)

  1. Schaufelanordnung mit Dämpfungselementen, die einen Rotor sowie am Umfang des Rotors angeordnete Schaufeln umfasst, wobei zwischen den Schaufeln Dämpfungselemente (2, 3) angeordnet sind, die bei einer Rotation des Rotors um eine Rotorachse durch eine in radialer Richtung wirkende Zentrifugalkraft mit den Schaufeln in Kontakt stehen,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwischen zwei benachbarten Schaufeln mehrere Dämpfungselemente (2, 3) in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet sind, so dass sich bei einer Rotation des Rotors die hintereinander angeordneten Dämpfungselemente (2, 3) über ein oder mehrere Berührungsflächen (6) berühren und ein erstes (2) der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente mit einer ersten Reibungsfläche (4) der einen und ein zweites (3) der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente mit einer zweiten Reibungsfläche (5) der anderen der benachbarten Schaufeln in Kontakt treten.
  2. Schaufelanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die hintereinander angeordneten Dämpfungselemente das erste (2), das zweite (3) und ein drittes Dämpfungselement umfassen, das in Umfangsrichtung des Rotors zwischen erstem (2) und zweitem Dämpfungselement (3) angeordnet ist.
  3. Schaufelanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die hintereinander angeordneten Dämpfungselemente nur das erste (2) und das zweite Dämpfungselement (3) umfassen.
  4. Schaufelanordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungsfläche (6) zwischen dem ersten (2) und dem zweiten Dämpfungselement (3) annähernd parallel zur radialen Richtung verläuft.
  5. Schaufelanordnung nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste (2) und das zweite Dämpfungselement (3) in ihrer geometrischen Form unterscheiden.
  6. Schaufelanordnung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dämpfungselement (2) einen keilförmigen Querschnitt und das zweite Dämpfungselement (3) einen kreis- oder ellipsenförmigen Querschnitt aufweist.
  7. Schaufelanordnung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel des keilförmigen Querschnitts des ersten Dämpfungselementes (2) dem Winkel zwischen der ersten Reibungsfläche (4) und der von der radialen Richtung und der Rotorachse aufgespannten Ebene entspricht.
  8. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dämpfungselement (2) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass es bei einer Rotation des Rotors auch mit der zweiten Reibungsfläche (5) in Kontakt tritt.
  9. Schaufelanordnung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausgestaltung des ersten Dämpfungselementes (2) mit einem keilförmigen Querschnitt der Keilwinkel des keilförmigen Querschnitts dem Winkel zwischen der ersten Reibungsfläche (4) und der zweiten Reibungsfläche (5) entspricht.
  10. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 6, 7 und 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen des ersten Dämpfungselementes (2), die mit der oder den Reibungsflächen (4, 5) in Kontakt treten, Erhebungen (7) aufweisen.
  11. Schaufelanordnung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich das dritte Dämpfungselement in der geometrischen Form vom ersten (2) und zweiten Dämpfungselement (3) unterscheidet.
  12. Schaufelanordnung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Dämpfungselement einen keilförmigen Querschnitt und das erste (2) und das zweite Dämpfungselement (3) einen kreis- oder ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen.
  13. Schaufelanordnung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Dämpfungselement einen kreis- oder ellipsenförmigen Querschnitt und das erste (2) und das zweite Dämpfungselement (3) einen keilförmigen Querschnitt aufweisen.
  14. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste (4) und die zweite Reibungsfläche jeweils (5) durch eine Unterseite einer Schaufelplattform (1) der jeweiligen Schaufel gebildet wird, wobei die Reibungsflächen (4, 5) derart zu der von der radialen Richtung und der Rotorachse aufgespannten Ebene geneigt sind, dass sie zusammen eine V-förmige Führung bilden, in die die Dämpfungselemente (2, 3) durch die Zentrifugalkraft gedrückt werden.
  15. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Massen-Schwerpunkt der Gruppe aus hintereinander angeordneten Dämpfungselementen (2, 3) in Umfangsrichtung des Rotors nicht symmetrisch zwischen den zwei benachbarten Schaufeln oder Reibungsflächen (4, 5) liegt.
  16. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Gruppen der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente (2, 3) in identischer oder unterschiedlicher Ausgestaltung über die axiale Erstreckung der Schaufeln angeordnet sind.
  17. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Gruppen der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente (2, 3) zwischen weiteren benachbarten Schaufeln angeordnet sind.
  18. Schaufelanordnung nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich einige der Gruppen hintereinander angeordneter Dämpfungselemente (2, 3) zwischen unterschiedlichen benachbarten Schaufeln in ihrer Ausgestaltung unterscheiden.
  19. Verfahren zur Vibrationsdämpfung einer Schaufelanordnung, die einen Rotor sowie am Umfang des Rotors angeordnete Schaufeln umfasst, bei dem Dämpfungselemente (2, 3) zwischen den Schaufeln angeordnet werden, die bei einer Rotation des Rotors um eine Rotorachse durch eine in radialer Richtung wirkende Zentrifugalkraft mit den Schaufeln in Kontakt treten,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwischen zwei benachbarten Schaufeln mehrere Dämpfungselemente (2, 3) in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet werden, so dass sich bei einer Rotation des Rotors die hintereinander angeordneten Dämpfungselemente berühren und ein erstes (2) der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente mit einer ersten Reibungsfläche (4) der einen und ein zweites (3) der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente mit einer zweiten Reibungsfläche (5) der anderen der benachbarten Schaufeln in Kontakt treten.
  20. Verfahren nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder drei der Dämpfungselemente (2, 3) hintereinander angeordnet werden.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Gruppen der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente (2, 3) in identischer oder unterschiedlicher Ausgestaltung über die axiale Erstreckung der Schaufeln angeordnet werden.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Gruppen der hintereinander angeordneten Dämpfungselemente (2, 3) in identischer oder unterschiedlicher Ausgestaltung zwischen weiteren benachbarten Schaufeln angeordnet werden.
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