EP1163426B1 - Turbomaschinenschaufel - Google Patents

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EP1163426B1
EP1163426B1 EP00908907A EP00908907A EP1163426B1 EP 1163426 B1 EP1163426 B1 EP 1163426B1 EP 00908907 A EP00908907 A EP 00908907A EP 00908907 A EP00908907 A EP 00908907A EP 1163426 B1 EP1163426 B1 EP 1163426B1
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EP
European Patent Office
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blade
hole
edge
turbomachine
pressure side
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EP00908907A
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English (en)
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EP1163426A1 (de
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Bent Phillipsen
Boris Mamaev
Evgeny Ryabov
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Accelleron Industries AG
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
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Publication date
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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
    • 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
    • F01D5/14—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.
  • the contact area. the damper wire during operation of the turbomachine to the damper wire hole is, by the distance between the boundary planes of the Reinforcements defined. This distance, or the length of the contact area is chosen so that both a sufficient static and dynamic Strength is guaranteed.
  • each Bead has an annular surface which is rounded into the hole.
  • the annular surfaces are preferably parallel for easier machining aligned with each other, or even parallel to the surface of the suction side or aligned parallel to the surface of the pressure side of the blade, as shown in FIG Fig. 2 of the patent is shown.
  • the invention seeks to avoid all these disadvantages. Its the task to improve the efficiency of a turbomachinery blade, which having a reinforced hole for receiving a damping element.
  • this is achieved in that in a device according to the preamble of claim 1, the raised end surfaces of the hole towards reinforced edge region of the airfoil with a to the leading edge of the Airfoil open, acute angle ⁇ and / or with a to the blade tip open, acute angle ⁇ are formed.
  • the two acute angles ⁇ and ⁇ are in a range of 5 ° to 30 ° trained. It has been found that in such a configuration particularly slight disturbances of the flow in the region of the damping elements occur.
  • Fig. 1 turbomachinery blade designed as a blade 1 turbomachinery blade consists of a blade root 2, a platform 3 and a blade 4.
  • the platforms of adjacent turbine blades of the turbine wheel, not shown lie directly against each other and thus form the inner boundary of the Flow channel, which outwardly from a likewise not shown Shovel cover is completed.
  • the airfoil 4 has an entry edge 5, an outlet edge 6, a suction side 7 and a pressure side 8 and has a blade tip 9.
  • the blade 4 is a continuous from the suction side 7 to the pressure side 8 Hole 10 is arranged for receiving a damper wire, not shown, which reduces the blade vibrations occurring during operation.
  • the blade is also formed with a hole 10 towards the reinforced edge region 11, wherein the edge region 11 on both the suction side 7 and on the pressure side 11 has a relation to the airfoil 4 raised end surface 12, 13 has.
  • the end faces 12, 13 are provided with a leading edge 5 of the blade 4 open, acute angle ⁇ of about 10 ° and with an open to the blade tip 9, formed acute angle ⁇ of about 20 ° (Fig. 2, Fig. 3).
  • both end surfaces 12, 13 of the reinforced edge portion 11 converge in FIG Direction of the trailing edge 6 of the airfoil 4 and in the direction of the blade root 2 such that the reinforcement of the outlet side and the blade foot side Part of the edge region 11 is formed significantly smaller than the Reinforcement of the entrance side and the blade tip side part of the edge region 11th
  • This design of the airfoil 4 in the region of the hole 10 has an improved Flow guidance during operation of the turbocharger or the exhaust gas turbine result.
  • this is experienced in a main flow direction 14 am Airfoil 4 along flowing working medium due to, as described above, at an acute angle to each other arranged end surfaces 12, 13 a significantly lower Disturbance as is the case with the solutions of the prior art.
  • by virtue of the improved flow guidance in the region of the turbine wheel can higher efficiency of the turbocharger and thus ultimately with this Connected internal combustion engine can be achieved.
  • angles ⁇ and ⁇ between the end surfaces 12, 13 of the reinforced edge portion 11 advantageously in one Range of 5 ° to 30 ° are formed.
  • end surfaces 12, 13 may also be only one of the two acute angles ⁇ , ⁇ (not shown), which simplifies the production, but one represents certain efficiency waiver.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Supercharger (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine mit einem Dämpferdrahtloch versehene Turbomaschinenschaufel gemäss 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.
In der Patentschrift FR-2 381 905 wird als Verstärkung, die einer Materialermüdung entgegenwirken soll, beispielsweise eine das Loch auf der Saugseite und eine das Loch auf der Druckseite umgebende Wulst offenbart. Jede Wulst weist eine kreisringartige Fläche auf die in das Loch hinein abgerundet ist. Die Kreisringflächen sind für eine leichtere Bearbeitung vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet, oder auch parallel zu der Oberfläche der Saugseite bzw. parallel zu der Oberfläche der Druckseite der Schaufel ausgerichtet, wie dies in Fig. 2 der Patentschrift dargestellt 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 Dämpfungselementes aufweist.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die erhabenen Endflächen 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 β ausgebildet sind.
Damit konvergieren die Endflächen des verstärkten Randbereiches in Richtung der Schaufelaustrittskante sowie in Richtung des Schaufelfusses, so dass die Grösse des verstärkten Randbereiches in der Hauptströmungsrichtung des Arbeitsfluides abnimmt. In der Folge entsteht eine im Bereich des Loches aerodynamisch günstig gestaltete Turbomaschinenschaufel mit einem verbesserten Wirkungsgrad.
Vorzugsweise sind die beiden spitzen Winkel α und β 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 Dämpfungselemente auftreten.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel 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 II-II in Fig. 1;
Fig. 3
einen Schnitt durch die Laufschaufel, entlang der Linie III-III in Fig. 1.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die weiteren Bauteile der Abgasturbine, einschliesslich 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 Turbinenschaufeln des nicht dargestellten Turbinenrades liegen unmittelbar aneinander an und bilden so die innere Begrenzung des Strömungskanals, welcher nach aussen von einer ebenfalls nicht dargestellten Schaufelabdeckung abgeschlossen wird. Das Schaufelblatt 4 besitzt eine Eintrittskante 5, eine Austrittskante 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 Dämpferdrahtes angeordnet, welcher die im Betrieb auftretenden Schaufelschwingungen 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 Endfläche 12, 13 besitzt. Die Endflächen 12, 13 sind mit einem zur Eintrittskante 5 des Schaufelblattes 4 offenen, spitzen Winkel α von etwa 10° und mit einem zur Schaufelspitze 9 offenen, spitzen Winkel β von etwa 20°ausgebildet (Fig. 2, Fig. 3).
Somit konvergieren beide Endflächen 12, 13 des verstärkten Randbereiches 11 in Richtung der Austrittskante 6 des Schaufelblattes 4 sowie in Richtung des Schaufelfusses 2 dergestalt, dass die Verstärkung des austrittseitigen und des schaufelfussseitigen Teils des Randbereiches 11 deutlich geringer ausgebildet ist als die Verstärkung des eintrittseitigen 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 β 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, β 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
1
Turbomaschinenschaufel, Laufschaufel
2
Schaufelfuss
3
Plattform
4
Schaufelblatt
5
Eintrittskante
6
Austrittskante
7
Saugseite
8
Druckseite
9
Schaufelspitze
10
Loch
11
Randbereich
12
Endfläche
13
Endfläche
14
Hauptströmungsrichtung

Claims (3)

  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 Schaufelschwingungen 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 (β) 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 β in einem Grössenbereich von 5° ≤ β ≤ 30° ausgebildet ist.
EP00908907A 1999-03-24 2000-03-23 Turbomaschinenschaufel Expired - Lifetime EP1163426B1 (de)

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