EP1163426A1 - Turbomaschinenschaufel - Google Patents

Turbomaschinenschaufel

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EP1163426A1
EP1163426A1 EP00908907A EP00908907A EP1163426A1 EP 1163426 A1 EP1163426 A1 EP 1163426A1 EP 00908907 A EP00908907 A EP 00908907A EP 00908907 A EP00908907 A EP 00908907A EP 1163426 A1 EP1163426 A1 EP 1163426A1
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EP
European Patent Office
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blade
edge
airfoil
hole
turbomachine
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EP00908907A
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EP1163426B1 (de
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Bent Phillipsen
Boris Mamaev
Evgeny Ryabov
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Accelleron Industries AG
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ABB Turbo Systems AG
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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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • 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
    • F01D5/24—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations using wire or the like
    • 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 turbomachine blade provided with a damper wire hole according to the preamble of claim 1.
  • damper wires or other damping elements are often used, which are received in corresponding holes in the blades.
  • increased stresses occur especially at the edges of the holes.
  • the contact area that the damper wire has with the damper wire hole during operation of the turbomachine is defined by the distance between the boundary planes of the reinforcements. This distance or the length of the contact area is chosen so that both sufficient static and dynamic strength is guaranteed.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is the object of the invention to improve the efficiency of a turbomachine blade which has a reinforced hole for receiving a damping element
  • the two acute angles .alpha. And .beta. are preferably formed in a range from 5 ° to 30 °. It has been shown that with such a configuration, particularly minor disturbances in the flow occur in the area of the damping elements
  • FIG. 3 shows a section through the rotor blade, along the line III-III in FIG. 1 Only the elements essential for understanding the invention are shown. For example, the other components of the exhaust gas turbine, including its turbine wheel, are not shown
  • the turbine machine blade shown in FIG. 1, designed as a rotor blade 1, consists of a blade root 2, a platform 3 and an airfoil 4.
  • the platforms of adjacent turbine blades of the turbine wheel lie directly against one another and thus form the inner boundary of the flow channel, which is directed outwards from one Blade cover, also not shown, is completed.
  • the blade 4 has an entry edge 5, a discharge edge 6, a suction side 7 and a pressure side 8 and has a blade tip 9
  • the airfoil 4 there is a through hole 10 from the suction side 7 to the pressure side 8 for receiving a steam wire, not shown, which reduces the blade vibration occurring during operation.
  • the airfoil is also formed with an edge region 11 reinforced towards the hole 10, the edge region 11 both on the suction side 7 and on the pressure side 11 has an end surface 12, 13 which is raised in relation to the airfoil 4.
  • the end surfaces 12, 13 are at an acute angle ex of approximately 10 ° open to the leading edge 5 of the airfoil 4 and with one to the airfoil tip 9 open, acute angle ⁇ of approximately 20 ° (FIG. 2, FIG. 3)
  • both end faces 12, 13 of the reinforced edge region 11 converge in the direction of the discharge edge 6 of the airfoil 4 and in the direction of the blade root 2 in such a way that the reinforcement of the outlet-side and the blade foot-side part of the edge region 11 is significantly less than the reinforcement the part of the edge region 11 on the entrance side and the blade tip side
  • This formation of the airfoil 4 in the region of the hole 10 results in improved flow control during operation of the turbocharger or the exhaust gas turbine.
  • the working medium flowing along the airfoil 4 in a main flow direction 14 experiences, as a result of the end faces 12, 13 arranged at an acute angle to one another as described above, a significantly lower disturbance than is the case with the solutions of the prior art. Due to the improved flow guidance in the area of the turbine wheel, a higher efficiency of the turbocharger and thus ultimately also of the internal combustion engine connected to it can be achieved.
  • angles ⁇ and ⁇ between the end faces 12, 13 of the reinforced edge region 11 are each advantageously in a range from 5 ° to 30 °.
  • end surfaces 12, 13 can also have only one of the two acute angles ⁇ , ⁇ (not shown), which simplifies production but represents a certain loss in efficiency.
  • such a reinforcement of the edge region of the hole receiving the damper wire can be used for all types of damping elements, such as, for example, also in the case of binding wires, bolts, etc. and also in the case of so-called zigzag bonds.

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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer mit einem verstärkten Loch zur Aufnahme eines Dämpfungselementes ausgestatten Turbomaschinenschaufel zu verbessern. Dazu sind die erhabenen Endflächen (12, 13) des zum Loch (10) hin verstärkten Randbereiches (11) des Schaufelblattes (4) mit einem zur Eintrittskante (5) des Schaufelblattes (4) offenen, spitzen Winkel alpha und/oder mit einem zur Schaufelspitze (9) offenen, spitzen Winkel beta ausgebildet.

Description

Turbomaschinenschaufel
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine mit einem Dämpferdrahtloch versehene Turbomaschinenschaufel gemass dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Um unzulässige Schwingungen der Schaufeln von Turbomaschinen zu vermeiden werden häufig Dämpferdrähte oder andere Dämpfungselemente eingesetzt, welche in entsprechenden Löchern der Schaufeln aufgenommen werden. Infolge der hohen Umdrehungszahlungen treten jedoch insbesondere an den Lochrändern erhöhte Spannungen auf.
Zur Vorbeugung einer frühzeitigen Materialermüdung ist es bekannt, im Lochbereich der Schaufeln entsprechende Verstärkungen vorzunehmen. Der Kontaktbereich, den der Dämpferdraht beim Betrieb der Turbomaschine zum Dämpferdrahtloch aufweist, ist durch den Abstand zwischen den Begrenzungsebenen der Verstärkungen definiert. Dieser Abstand, bzw. die Länge des Kontaktbereiches wird dabei so gewählt, dass sowohl eine ausreichende statische als auch dynamische Festigkeit gewährleistet ist.
Problematisch bei einer solchen Verstärkung des Lochbereiches ist jedoch die Tatsache, dass jede Verstärkung eine Störung der Strömung im Bereich des Dämpferdrahtes hervorruft und damit den Wirkungsgrad der Beschaufelung reduziert. Dabei ist die Verringerung des Wirkungsgrades um so grösser, je grösser die Verstärkung ausgebildet wird. Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Turbomaschinenschaufel zu verbessern, welche ein verstärktes Loch zur Aufnahme eines Dampfungselementes aufweist
Erfindungsgemass wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemass dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , die erhabenen Endflachen des zum Loch hin verstärkten Randbereiches des Schaufelblattes mit einem zur Eintrittskante des Schaufelblattes offenen, spitzen Winkel α und/oder mit einem zur Schaufelspitze offenen, spitzen Winkel ß ausgebildet sind
Damit konvergieren die Endflachen des verstärkten Randbereiches in Richtung der Schaufelaustrittskante sowie in Richtung des Schaufelfusses, so dass die Grosse des verstärkten Randbereiches in der Hauptstromungsrichtung des Ar- beitsfluides abnimmt In der Folge entsteht eine im Bereich des Loches aerodynamisch gunstig gestaltete Turbomaschinenschaufel mit einem verbesserten Wirkungsgrad
Vorzugsweise sind die beiden spitzen Winkel α und ß in einem Bereich von 5° bis 30° ausgebildet Es hat sich gezeigt, dass bei einer solchen Ausgestaltung besonders geringe Störungen der Strömung im Bereich der Dampfungselemente auftreten
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung anhand einer Laufschaufel der Abgasturbine eines Turboladers dargestellt
Es zeigen
Fig 1 eine saugseitige Seitenansicht der Laufschaufel,
Fig 2 einen Schnitt durch die Laufschaufel, entlang der Linie ll-ll in Fig 1 ,
Fig 3 einen Schnitt durch die Laufschaufel, entlang der Linie lll-lll in Fig 1 Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt Nicht dargestellt sind beispielsweise die weiteren Bauteile der Abgasturbme, ein- schlfesslich ihres Turbinenrades
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die in Fig 1 dargestellte, als Laufschaufel 1 ausgebildete Turbomaschinenschaufel besteht aus einem Schaufelfuss 2, einer Plattform 3 und einem Schaufelblatt 4 Die Plattformen benachbarter Turbmenschaufeln des nicht dargestellten Turbinenrades liegen unmittelbar aneinander an und bilden so die innere Begrenzung des Stromungskanals, welcher nach aussen von einer ebenfalls nicht dargestellten Schaufelabdeckung abgeschlossen wird Das Schaufelblatt 4 besitzt eine Eintrittskante 5, eine Austnttskante 6, eine Saugseite 7 sowie eine Druckseite 8 und weist eine Schaufelspitze 9 auf
Im Schaufelblatt 4 ist ein von der Saugseite 7 zur Druckseite 8 durchgehendes Loch 10 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Dampferdrahtes angeordnet, welcher die im Betrieb auftretenden Schaufelschwingungeπ reduziert Das Schaufelblatt ist zudem mit einem zum Loch 10 hin verstärkten Randbereich 11 ausgebildet, wobei der Randbereich 11 sowohl auf der Saugseite 7 als auch auf der Druckseite 11 eine gegenüber dem Schaufelblatt 4 erhabene Endflache 12, 13 besitzt Die Endflachen 12, 13 sind mit einem zur Eintrittskante 5 des Schaufelblattes 4 offenen, spitzen Winkel ex von etwa 10° und mit einem zur Schaufelspitze 9 offenen, spitzen Winkel ß von etwa 20°ausgebιldet (Fig 2, Fig 3)
Somit konvergieren beide Endflachen 12, 13 des verstärkten Randbereiches 11 in Richtung der Austnttskante 6 des Schaufelblattes 4 sowie in Richtung des Schau- felfusses 2 dergestalt, dass die Verstärkung des austrittseitigen und des schaufel- fussseitigen Teils des Randbereiches 11 deutlich geringer ausgebildet ist als die Verstärkung des emtrittseitigen und des schaufelspitzenseitigen Teils des Randbereiches 11 Diese Ausbildung des Schaufelblattes 4 im Bereich des Loches 10 hat eine verbesserte Strömungsführung beim Betrieb des Turboladers bzw. der Abgasturbine zur Folge. Insbesondere erfährt das in einer Hauptströmungsrichtung 14 am Schaufelblatt 4 entlangströmende Arbeitsmedium infolge der, wie oben beschrieben, spitzwinklig zueinander angeordneten Endflächen 12, 13 eine deutlich geringere Störung als dies bei den Lösungen des Standes der Technik der Fall ist. Aufgrund der verbesserten Strömungsführung im Bereich des Turbinenrades kann ein höherer Wirkungsgrad des Turboladers und damit letztlich auch der mit diesem verbundenen Brennkraftmaschine erzielt werden.
Je nach Ausbildung des Schaufelblattes 4 und entsprechend den Einsatzbedingungen des Turboladers hat es sich gezeigt, dass die Winkel α und ß zwischen den Endflächen 12, 13 des verstärkten Randbereiches 11 vorteilhaft jeweils in einem Bereich von 5° bis 30° ausgebildet sind.
Natürlich können die Endflächen 12, 13 auch nur einen der beiden spitzen Winkel α, ß aufweisen (nicht dargestellt), was zwar die Fertigung vereinfacht, aber einen gewissen Wirkungsgradverzicht darstellt.
Selbstverständlich kann eine solchermassen ausgebildete Verstärkung des Randbereiches des den Dämpferdraht aufnehmenden Loches für alle Arten von Dämpfungselementen verwendet werden, wie beispielsweise auch bei Bindedrähten, Bolzen usw. und auch bei sogenannten Zick-Zack-Bindungen.
Bezugszeichenliste
Turbomaschinenschaufel, Laufschaufel
Schaufelfuss
Plattform
Schaufelblatt
Eintrittskante
Austrittskante
Saugseite
Druckseite
Schaufelspitze
Loch
Randbereich
Endfläche
Endfläche
Hauptströmungsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Turbomaschinenschaufel mit Schaufelblatt, welches eine Eintrittskante (5), eine Austrittskante (6), eine Saugseite (7), eine Druckseite (8) sowie eine Schaufelspitze (9) aufweist und mit einem durchgehenden Loch (10) zur Aufnahme eines Dämpfungselementes für die Schaufelschwiπgungen ausgestattet ist, wobei das Schaufelblatt (4) mit einem zum Loch (10) hin verstärkten Randbereich (11 ) ausgebildet ist und der Randbereich (11 ) sowohl auf der Saugseite (7) als auch auf der Druckseite (8) eine erhabene Endfläche (12, 13) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Endflächen (12, 13) mit einem zur Eintrittskante (5) des Schaufelblattes (4) offenen, spitzen Winkel (α) und/oder mit einem zur Schaufelspitze (9) offenen, spitzen Winkel (ß) ausgebildet sind.
2. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α in einem Grössenbereich von 5° < α < 30° ausgebildet ist.
3. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel ß in einem Grössenbereich von 5° < α < 30° ausgebildet ist.
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