EP2066871B1

EP2066871B1 - Sicherungsvorrichtung einer turbinenschaufel

Info

Publication number: EP2066871B1
Application number: EP07820448A
Authority: EP
Inventors: Bernd Czerwik; Thomas Helmis; Michael Kleinhaus; Christoph Richter; Kai Wieghardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: EP1905957A1; WO2008037661A1; ATE530734T1; EP2066871A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung zur radialen Sicherung einer Turbinenschäufel, wobei ein Druckmittel zum Ausüben einer Druckkraft auf einen Turbinenschaufelfuß in radialer Richtung vorgesehen ist.
Schaufelbefestigungen der oben genannten Art werden in der Regel zum Befestigen von Laufschaufeln an einem Rotor einer Turbine verwendet, die bei Rotation des Rotors mit hoher Geschwindigkeit umlaufen. Durch die schnelle Rotation des Rotors werden die zugehörigen Laufschaufeln einer hohen Fliehkraft unterworfen. Der Schaufelfuß der Schaufeln ist daher hohen Kräften ausgesetzt und wird in der Nut am Schaufelhalter stark radial nach außen gedrängt. Darüber hinaus sind die Schaufeln starken Schwingungsbelastungen ausgesetzt, so dass es an der Nut zu mechanischen Beschädigungen, Materialermüdungen, Korrosion und einer Wanderbewegung des Schaufelfußes innerhalb der Nut kommen kann. Zum Festlegen des Schaufelfußes innerhalb der Nut sind verschiedene Lösungen wie beispielsweise Metallkeile, Federringe oder Abdichtungsstücke bekannt. Metallkeile stellen zwar sowohl axial als auch radial eine Arretierung des zugehörigen Schaufelfußes innerhalb einer Nut her, bei großen Schaufeln ist es mit solchen Metallkeilen aber schwierig, dass während der Rotation der Schaufel ausreichend Haltekräfte in radialer Richtung erzeugt werden. Tellerfedern erzeugen lediglich radiale Haltekräfte und erfordern zusätzlichen Aufwand für eine Arretierung in Längsrichtung der zugehörigen Nut. Ferner sind für Tellerfedern während der Montage aufwendige Messungen erforderlich. Als Abdichtungsstücke müssen immer zwei Teile vorgesehen sein, deren Montage darüber hinaus teilweise die Bearbeitung der Teile von Hand bedarf.
Die FR 2 323 908 offenbart eine Schaufelsicherung mit einem keilförmigen Druckmittel.
In der JP 59 192801 wird eine über eine Gewindeschraube bewegbare Schaufelsicherung offenbart.
Die US 2,846,183 offenbart eine mittels Federkräfte wirkende Schaufelsicherung.
Die US 3720 481 offenbart eine Sicherungs vorrichtung zum radialem Sicherung einer Schaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaufelbefestigung einer Turbine bereitzustellen, bei der über einen lange Betriebszeitraum hinweg eine präzise und schwingungsarme Halterung von Schaufeln in zugehörigen Schaufelhaltern sichergestellt ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, indem eine Sicherungsvorrichtung zur radialen Sicherung einer Turbinenschaufel wird, wobei ein Druckmittel zum Ausüben einer Druckkraft auf einen Turbinenschaufelfuß in radialer Richtung und ein Drehmittel vorgesehen ist und die Sicherungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass durch eine rotatorische Bewegung des Drehmittels die Druckkraft ausübbar ist.
Es sind zwei Verschiebemittel vorgesehen, die zueinander bewegbar ausgebildet sind, vorgesehen. Da wie bereits erwähnt, über eine Drehbewegung eine hohe Kraft übertragen werden kann, ist es von Vorteil, wenn zwei Verschiebemittel vorgesehen werden können, die durch die Drehbewegung zueinander ausgebildet werden können. Dadurch erhöht sich die übertragbare Druckkraft auf den Turbinenschaufelfuß in radialer Richtung noch weiter.
Die Sicherungsvorrichtung wird zunächst in eine Nut eingeführt. In einem nächsten Schritt wird das Drehmittel in eine rotatorische Bewegung versetzt. Durch die rotatorische Bewegung des Drehmittels wird das Druckmittel in die Lage versetzt, eine Druckkraft auszuüben. Die Druckkraft schließlich erzielt die Wirkung, dass die Turbinenschaufel in radialer Richtung bewegt wird. Da der Schaufelfuß in Schaufelhaltern eingefügt wird, entstehen Gegenkräfte. Die Kombination aus Druckkraft und Gegenkraft bewirkt, dass die Turbinenschaufel wirksam im Schaufelhalter gehalten wird.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Druckkraft von außen durch eine rotatorische Bewegung des Drehmittels zu erzeugen. Dies ist ein bedeutender konstruktiver Vorteil, denn nun ist es möglich, eine Sicherungsvorrichtung ohne größere Widerstände in eine Nut einzufügen. Die Sicherungsvorrichtung kann dadurch exakt an vorgesehene Stellen bewegt werden. Die Druckkraft kann anschließend zwanglos durch eine rotatorische Drehbewegung des Drehmittels erzeugt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass durch eine rotatorische Bewegung des Drehmittels, die in eine Gegenrichtung zeigt, die Druckkraft wieder abgebaut werden kann und somit die Sicherungsvorrichtung von der Turbinenschaufel gelöst werden kann, was zu einem zerstörungsfreien Ausbau der Sicherungsvorrichtung führt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es ist erfindungswesentlich, dass das Druckmittel einen bewegbar angeordneten Druckbalken aufweiset. Dadurch ist es möglich, durch einen konstruktiv einfachen Aufbau die Sicherungsvorrichtung zu gestalten.
Des weiteren ist an dem Drehmittel ein Verschiebemittel derart angeordnet, dass eine Rotation des Drehmittels zu einer Verschiebung des Verschiebemittels führt. Dies ist eine einfache Variante, um ein Verschiebemittel zu bewegen, was schließlich zu einer Bewegung des Druckbalkens führt. Da über rotatorische Bewegungen sehr hohe Kräfte übertragen werden können, kann über das Verschiebemittel und das Drehmittel eine sehr hohe Kraft auf das Druckmittel übertragen werden, was wiederum zu einer hohen Druckkraft auf den Turbinenschaufelfuß in radialer Richtung führt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Druckbalken elastisch ausgeführt. Dadurch ist es möglich, dass eine Druckkraft auf den Turbinenschaufelfuß in radialer Richtung aus im Betrieb ausgeübt wird. In der Regel wirkt im Betrieb eine hohe Zentrifugalkraft auf den Turbinenschaufelfuß in radialer Richtung. Das bedeutet, dass eine starr eingestellte Druckkraft auf den Turbinenschaufelfuß geringer würde. Durch einen elastischen Druckbalken bleibt die Druckkraft auf den Turbinenschaufelfuß über einen gewissen Weg erhalten, obwohl der Turbinenschaufelfuß sich weg von dem Druckbalken bewegt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Sicherungsvorrichtung zum Einbau in einer Nut in einem Schaufelfuß und/oder in einem Rotor vorgesehen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaufelbefestigung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1: eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaufelbefestigung,
FIG 2: eine perspektivische Darstellung eines Turbinenschaufelfuß mit der Sicherungsvorrichtung,
FIG 3: eine perspektivische Darstellung der Sicherungsvorrichtung,
FIG 4: eine Querschnittsansicht eines Turbinenschaufelfußes mit der Sicherungsvorrichtung,
FIG 5: eine vergrößerte Darstellung der Sicherungsvorrichtung aus FIG 4,
FIG 6: eine perspektivische Darstellung der Sicherungsvorrichtung,
FIG 7: eine Querschnittsansicht einer nicht zur Erfindung gehörenden alternativen Ausführungsform einer Sicherungsvorrichtung,
FIG 8: eine perspektivische Darstellung der alternativen Ausführungsform der Sicherungsvorrichtung.

In den Figuren ist eine Schaufelbefestigung 10 von einer weiter nicht veranschaulichten Turbine dargestellt, bei der an einem Schaufelhalter 12 an einem Rotor der Turbine ein Schaufelfuß 14 gehaltert ist. Der Schaufelfuß 14 ist Teil einer Schaufel 16, von der ein Schaufelblatt 18 im Wesentlichen radial von der Welle und damit senkrecht vom Schaufelfuß absteht.
Der Schaufelfuß 14 ist mit einem tannenbaumähnlichen Profil 20 gestaltet, welches in eine im Schaufelhalter 12 ausgeformte gebogene Nut 22 eingeschoben ist. Am Boden der Nut 22 befindet sich zwischen dem eingeschobenen Schaufelfuß 14 und dem Schaufelhalter 12 eine sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Nut 22 erstreckende Aussparung 24 in dem Schaufelfuß 14, in welche eine Sicherungsvorrichtung 30 eingeschoben ist.
Die Sicherungsvorrichtung 30 umfasst, wie in FIG 3 dargestellt, ein Drehmittel 31. Das Drehmittel 31 kann in beide rotatorische Richtungen (Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn) bewegt werden. Das Drehmittel 31 umfasst ferner ein erstes Gewinde 32 und ein zum ersten Gewinde 32 gegenläufig gefertigtes zweites Gewinde 33. Auf dem ersten Gewinde 32 ist ein erstes Verschiebemittel 34 angeordnet. Das Verschiebemittel 34 weist eine Bohrung auf, in die das Drehmittel 31 ragt. Das Verschiebemittel 34 umfasst daher ein komplementäres Gewinde.
Dementsprechend ist auf dem zweiten Gewinde 33 ein zweites Verschiebemittel 35 angeordnet, das ebenso wie das erste Verschiebemittel 34 eine Bohrung mit einem entsprechenden Gewinde aufweist. Durch Drehen des Drehmittels 31 werden die Verschiebemittel 34 und 35 entweder aufeinander zu oder voneinander weg bewegt, je nach dem in welche rotatorische Richtung das Drehmittel 31 bewegt wird. Zwischen dem ersten Verschiebemittel 34 und dem zweiten Verschiebemittel 35 ist ein als Druckbalken 36 ausgebildetes Druckmittel angeordnet. Der Druckbalken 36 liegt zwischen dem ersten Verschiebemittel 34 und dem zweiten Verschiebemittel 35 an. Ein Drehen des Drehmittels 31 führt zu einer Bewegung des Druckmittels in einer radialen Richtung 37.
Der Druckbalken 36 kann U-förmig ausgebildet sein, wobei die beiden Schenkel jeweils links und rechts des Drehmittels 31 angeordnet werden können. Zweckdienlich wird ein zweiter Druckbalken 38, der ebenso U-förmig ausgebildet sein kann, zwischen dem ersten Verschiebemittel 34 und dem zweiten Verschiebemittel 35 angeordnet.
In der FIG 2 ist die Schaufel 16 im eingebauten Zustand zu sehen. Die Sicherungsvorrichtung 30 ist in einer Nut 39 angeordnet, wobei von der Sicherungsvorrichtung 30 im Wesentlichen lediglich das Drehmittel 31 zu erkennen ist.
In der FIG 4 ist ein Querschnitt durch die Schaufel 16 und dem Schaufelhalter 12 dargestellt. Die Sicherungsvorrichtung 10 ist in einer Nut 39 angebracht. Durch ein Drehen des Drehmittels 31 werden die beiden Druckbalken 38 und 36 in radialer Richtung 37 bewegt, wodurch eine Kraft von dem Schaufelhalter 12 auf den Schaufelfuß 14 ausgeübt wird, dadurch wird die Turbinenschaufel 16 fest an den Schaufelhalter 12 gehalten.
In der FIG 5 ist eine vergrößerte Darstellung der Sicherungsvorrichtung 30 aus der FIG 4 dargestellt. Die Funktionsweise und Zuordnung der Bezugszeichen gilt entsprechend. Die Druckbalken 36 und 38 können an ihren Enden in Haltenuten 40 und 41 angeordnet werden. Dies verhindert ein Rausrutschen der Sicherungsvorrichtung aus der Nut 39.
In der FIG 6 ist eine perspektivische Darstellung der Sicherungsvorrichtung 30 zu sehen. Das Drehmittel 31 kann an einem Ende als ein Vierkant 44 ausgeführt werden. Dadurch können Werkzeuge einfach an das Drehmittel 31 angeordnet werden, damit eine rotatorische Bewegung auf das Drehmittel 31 übertragen werden kann.
In der FIG 7 ist eine alternative nicht zur Erfindung gehörende Ausführungsform der Sicherungsvorrichtung 10 zu sehen. Der Unterschied zu der in den Figuren 2 bis 6 beschriebenen Sicherungsvorrichtung 30 ist, dass die Sicherungsvorrichtung 30 sozusagen als Wagenheber ausgeführt ist. Dazu weist die Sicherungsvorrichtung 30 eine erste obere Stange 50 und eine zweite obere Stange 51 auf, die an einem Ende mit dem ersten Verschiebemittel 46 verbunden ist und die zweite obere Stange 51 mit dem zweiten Verschiebemittel 48 verbunden ist. Entsprechend weist die Sicherungsvorrichtung 30 eine erste untere Stange 52 und eine zweite untere Stange 53 auf. Die erste untere Stange 52 ist an einem Ende mit dem ersten Verschiebemittel 46 verbunden, wohingegen die zweite untere Stange 53 an einem Ende mit dem zweiten Verschiebemittel 48 verbunden ist.
Die erste obere Stange 50 und die zweite obere Stange 51 sind mit ihrem anderen Ende gemeinsam an einen Passkeil 54 verbunden. Entsprechend ist die erste untere Stange 52 und die zweite untere Stange 53 an ihrem Ende an einem unteren Passkeil 55 verbunden. Ein Drehen des Drehmittels 31 führt über die gegenläufig ausgebildeten Gewinde 32 und 33 zu einer Bewegung der Verschiebemittel 46 und 48 zueinander oder voneinander weg. Sofern die Verschiebemittel 46 und 48 zueinander zu bewegt werden, werden die erste obere Stange 50 und die zweite obere Stange 51 in radialer Richtung bewegt und die erste untere Stange 52 und die zweite untere Stange 53 in radialer Richtung 37 bewegt. Die Passkeile 54 und 55 werden somit zum einen gegen den Schaufelfuß 14 und zum anderen gegen den Schaufelhalter 12 gedrückt. Der obere Passkeil 54 liegt an dem Schaufelfuß 14 in einer entsprechenden Nut 56. Der untere Passkeil 55 liegt an dem Schaufelhalter in einer entsprechenden Nut 57 an. Eine Verschiebung der Sicherungsvorrichtung 10 in axialer Richtung ist somit wirksam verhindert.
In der FIG 8 ist eine perspektivische Darstellung der Sicherungsvorrichtung aus der FIG 7 zu sehen. Die gleichen Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung und die geschilderte Wirkung. Die erste obere Stange 50, die zweite obere Stange 51, die erste untere Stange 52 und die zweite untere Stange 53 können mittels üblicher Verbindemittel wie Schrauben oder Nieten an dem Verschiebemittel 46, Verschiebemittel 48, an den Passkeil 54 als auch an den unteren Passkeil 55 angebracht werden.

Claims

Sicherungsvorrichtung (30) zur radialen Sicherung einer Schaufel (16),
wobei ein Druckmittel zum Ausüben einer Druckkraft in eingebautem Zustand auf einen Schaufelfuß (14) in radialer Richtung (37) vorgesehen ist,
wobei ein Drehmittel (31) vorgesehen ist und
die Sicherungsvorrichtung (30) derart ausgebildet ist,
dass durch eine rotatorische Bewegung des Drehmittels (31) mittels eines Gewindes (32, 33) die Druckkraft ausübbar ist, mit
zwei zueinander bewegbar ausgebildeten Verschiebemitteln (34, 35), dadurch gekennzeichnet dass
das Druckmittel einen bewegbar angeordneten Druckbalken (36, 38) aufweist,
wobei ein Verschiebemittel (34, 35) derart an dem Drehmittel (31) angeordnet ist,
dass eine Rotation des Drehmittels (31) zu einer Verschiebung des Verschiebemittels (34, 35) führt,
wobei das Verschieben des Verschiebemittels (34, 35) zu einer Bewegung des Druckbalkens (36, 38) führt.
Sicherungsvorrichtung (30) nach Anspruch 1,
wobei das Drehmittel (31) ein Gewinde (32, 33) und die Verschiebemittel (34, 35) ein Gegengewinde aufweisen.
Sicherungsvorrichtung (30) nach Anspruch 2,
wobei der Druckbalken (36, 38) elastisch ist.
Sicherungsvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Sicherungsvorrichtung (30) zum Einbau einer Nut (39) in einem Schaufelfuß (14) und/oder in einem Rotor vorgesehen ist.