EP2399005B1

EP2399005B1 - Schaufelverband einer strömungsmaschine

Info

Publication number: EP2399005B1
Application number: EP10702854A
Authority: EP
Inventors: Christoph Hermann Richter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: CN102317578A; WO2010094540A1; EP2399005A1; US20110299989A1; EP2218875A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, umfassend eine erste Schaufel und eine benachbart zur ersten Schaufel angeordnete zweite Schaufel.
Unter Strömungsmaschinen im Sinne dieser Anmeldung sind beispielsweise Verdichter, Gasturbinen oder Dampfturbinen zu verstehen. Die vorgenannten Strömungsmaschinen haben gemeinsam, dass sie aus einem Gehäuse und einem im Gehäuse drehbar gelagerten Rotor bestehen, wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Strömungskanal ausgebildet ist, durch den ein Strömungsmedium strömt. Das Strömungsmedium ist in Dampfturbinen ein Wasserdampf. Im Betrieb der Dampfturbine besteht die Gefahr, dass die Strömung über die stromlinienförmigen Laufschaufeln eine Vibration der Schaufeln verursacht, die zu störenden Effekten führt. Beispielsweise könnte eine Laufschaufel in Form eines Risses beschädigt werden. Daher werden Bestrebungen unternommen, die Laufschaufeln derart zu modifizieren, dass Vibrationen vermieden bzw. gedämpft werden, damit keine Beschädigungen der Laufschaufeln auftreten.
Es ist bekannt, die Deckbänder der Laufschaufeln mit einem einzigen Draht zu verbinden, damit Vibrationen gedämpft werden, damit Relativbewegungen zwischen den Deckbändern verhindert werden.
Aus der DE 697 04 001 T1 ist es bekannt, einen Stift in Deckbändern anzuordnen, die in sogenannten Sacklöchern bewegbar angeordnet sind.
In der US 4 784571 wird ein Federelement in seitlichen Schlitzen benachbarter Deckbänder angeordnet.
In der DE 102 56 778 A1 werden nicht die Deckbänder rotordynamisch miteinander gekoppelt, sondern vielmehr die Fußdeckbänder.
Ein weiteres Problem der Schwingungsanregungen ist, dass die Laufschaufeln infolge der Schwingungsanregungen Schwingungen durchführen, die zu einer Materialermüdung sowohl der Turbinenschaufel als auch der Rotorklaue führen, in der die Turbinenschaufel angeordnet ist. Wünschenswert wäre es, eine Reduktion der Schwingungsamplituden zu erreichen, die zu einer Reduzierung der Materialbeanspruchung führt.
Es ist weiterhin bekannt, Bohrungen in Turbinenschaufeln anzuordnen und in diese ein trockenes Granulat einzufügen. Schwingungen im Bereich des mit Granulat gefüllten Volumens führen zu Bewegungen des Granulats. Da diese Bewegung von innerer Reibung begleitet ist, ist damit auch eine Dämpfung verbunden.
Es ist auch weiterhin bekannt, Granulate in Flüssigkeiten anzuordnen, die ebenfalls in Bohrungen der Schaufel angeordnet sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Anordnung anzugeben, die durch einfache Mittel wirksam gegen störende Schwingungsanregungen geschützt ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung, umfassend eine erste Schaufel und eine benachbart zur ersten Schaufel angeordnete zweite Schaufel gemäß Anspruch 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einem gekoppelten Schaufelverband bilden sich sogenannte Knotendurchmesser-Schwingungen aus. Diese Knotendurchmesser-Schwingungen sind dadurch charakterisiert, dass über den Umfang der Schaufeln die Amplituden der Schwingungen eine sinusartige Form aufweisen. Das bedeutet, dass für benachbarte Schaufeln sich eine relative Drehung bezüglich der unmittelbaren oder entfernten Nachbarschaufeln ergibt. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass solche relativen Drehungen der unmittelbaren oder entfernten Nachbarschaufeln erfindungsgemäß gedämpft werden. Dazu werden benachbarte Schaufeln derart modifiziert, dass eine Untermenge der Schaufeln ein Koppelelement erhält, das fest mit der Schaufel verbunden ist. Dieses Koppelelement ist derart ausgebildet, dass es bis zur nächsten Nachbarschaufel oder sogar noch bis zur übernächsten Nachbarschaufel anliegt, aber nicht mit der benachbarten Schaufel fest verbunden ist.
Wenn eine Schaufel in der Anordnung eine Schwingung durchführt, so bewegt sich die Schaufel mit dem fest verbundenen Balken. Die benachbarte Schaufel, die nicht fest mit dem Koppelelement verbunden ist, drückt dieses infolge der im Betrieb auftretenden Fliehkraft gegen die Schaufel, wodurch ein kraftschlüssiger Kontakt erfolgt, wobei infolge einer Reibung eine Energiedissipation erfolgt und dadurch Schwingungsenergie verloren geht, wodurch die störende Schwingung gedämpft wird.
Die erste Schaufel weist eine erste Schaufelspitze auf und die zweite Schaufel eine zweite Schaufelspitze auf, wobei das Koppelelement im Bereich der ersten und zweiten Schaufelspitze angeordnet ist. Die Schwingungen sind konstruktionsbedingt an den Schaufelspitzen am größten. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Dämpfungseinrichtung in der Schaufelspitze angeordnet ist. Das Koppelelement wird daher vorteilhaft im Bereich der ersten und zweiten Schaufelspitze angeordnet. Die Amplituden der störenden Schwingungen sind dort am größten und werden somit am effektivsten gedämpft.
Die erste Schaufelspitze weist ein erstes Deckband auf, wobei das Koppelelement im ersten Deckband fest angeordnet ist. Durch die Anordnung eines Koppelelementes, das im Grunde ein fremdes Element ist, muss eine geeignete Stelle gefunden werden, wo das Koppelelement angeordnet werden kann. Die Deckbänder sind an den Schaufelspitzen angeordnet und weisen eine Konstruktion auf, die vergleichsweise groß ist zur Gesamtschaufel. In dieses Deckband wird das Koppelelement fest angeordnet. Dies kann beispielsweise durch eine Lötung, einer Verschraubung oder einer Vernietung erfolgen.
Die zweite Schaufelspitze, die zur benachbarten Schaufel gehört, weist ein zweites Deckband auf, wobei das Koppelelement im zweiten Deckband angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das Koppelelement im zweiten Deckband lose angeordnet, d. h. nicht fest mit dem zweiten Deckband verbunden. Das zweite Deckband ist hierbei derart angeordnet, dass eine im Betrieb auftretende Fliehkraft dazu führt, dass das Koppelelement gegen das zweite Deckband gedrückt wird. Das bedeutet, dass das Koppelelement im zweiten Deckband bei einer auftretenden Schwingung reibt. Dadurch erfolgt eine Energiedissipation, wodurch die Schwingung gedämpft wird.
Das erste Deckband und das zweite Deckband weisen jeweils einen Schlitz auf, in der das Koppelelement angeordnet ist. Mit einem Schlitz ist eine vergleichsweise einfache und fertigungstechnisch günstige Lösung verfügbar, um das Koppelelement wirkungsvoll im Deckband anzuordnen.
Der Schlitz ist seitlich im ersten Deckband und im zweiten Deckband angeordnet. Durch die seitliche Anordnung ist es möglich, das Koppelelement während Revisionsarbeiten leicht zu entfernen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Koppelelement länglich und schmal ausgebildet. Die wirksame Dämpfung der Schaufelschwingungen hängt im Wesentlichen von der Form und dem Material des Koppelelementes ab. Je länger das Koppelelement ist, umso größer sind auch die Schwingungsamplituden der Spitze des Koppelementes. Je länger das Koppelelement ist, umso größer sind demnach die Schwingungsamplituden an der Spitze. Darüber hinaus sollte das Material derart gewählt werden, dass es möglichst starr und fest mit der Schaufel verbunden werden kann, wobei die Festigkeitswerte des Koppelelementes derart sein sollten, dass das Koppelelement selber kaum eigene Schwingungen durchführen kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Koppelelement als Blech ausgeführt. Vorteilhafterweise weist das Blech im Querschnitt gesehen eine rechteckige Form auf mit einer Breite L und einer Höhe H, wobei gilt, dass L größer H ist und dass das Kopplungselement derart im Deckband angeordnet ist, dass die Oberfläche mit der Breite L im Betrieb am Deckband anliegt. Das Koppelelement weist demnach die Form eines flachen Messers auf. Durch diese Konstruktion ist das Koppelelement in einer radialen Richtung, d. h. in der Richtung, in der die Fliehkräfte herrschen, vergleichsweise leicht biegbar, was dazu führt, dass das Koppelelement leicht gegen das andere Deckband gedrückt werden kann. Hingegen ist eine Biegung in axialer Richtung, d. h. senkrecht zur Fliehkraftrichtung kaum möglich. Das bedeutet, dass die Schwingung der Schaufel, an der das Koppelelement fest angeordnet wird, hinreichend gut mitnimmt. Eine wirksame Dämpfung ist dadurch möglich.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den Figuren näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1: einen Ausschnitt einer Anordnung in radialer Richtung gesehen, mit Blick auf die Deckbänder;
Fig. 2: einen Ausschnitt zweier benachbarter Deckbänder;
Fig. 3: eine perspektivische Ansicht eines Deckbandes.

Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Anordnung in radialer Richtung. D. h., die radiale Richtung steht senkrecht zur Zeichenebene. Die Anordnung umfasst eine erste Schaufel 1 und eine benachbart zur ersten Schaufel 1 angeordnete zweite Schaufel 2. Die erste Schaufel 1 und die zweite Schaufel 2 sind auf einem nicht näher dargestellten Rotor über Rotorklauen fest angeordnet. Der Rotor rotiert um eine Rotationsachse 3. Die erste Schaufel 1 und die zweite Schaufel 2 sind in radialer Richtung länglich ausgebildet und werden im Betrieb über ein nicht näher dargestelltes Strömungsmedium angeströmt, wobei die erste Schaufel 1 und die zweite Schaufel 2 eine Drehung in einer Rotationsrichtung 4 führt.
Die erste Schaufel 1 ist zur zweiten Schaufel 2 benachbart angeordnet. Die erste Schaufel 1 umfasst ein Koppelelement 5, das in einer nicht näher dargestellten Weise mit der ersten Schaufel 1 fest verbunden ist. Das Koppelelement 5 kann beispielsweise durch Verschraubungen, Vernietungen oder durch Löten mit der ersten Schaufel 1 fest verbunden werden. Eine Schwingung 6 der ersten Schaufel 1 führt zu einer Schwingung der Koppelelementspitze 7. Das führt ebenfalls zu einer harmonischen Schwingung 8 der Koppelelementspitze 7. Diese harmonische Schwingung 8 gilt es zu minimieren, was dadurch erfolgt, dass das Koppelelement 5 an der zweiten Schaufel 2 anliegt. Infolge der Fliehkräfte, die im Betrieb auftreten, wird ein freies Ende 9 des Koppelelementes 5, das außerhalb der ersten Schaufel 1 angeordnet ist, in radialer Richtung nach außen gegen die zweite Schaufel 2 gedrückt. Dies führt zu einer Reibung zwischen dem freien Ende 9 des Koppelelementes 5 und der zweiten Schaufel 2.
Das Koppelelement 5 wird in einer Schaufelspitze der ersten Schaufel 1 und in einer Schaufelspitze der zweiten Schaufel 2 angeordnet, was in der Figur 1 nicht näher dargestellt ist.
Die Figur 3 zeigt ein Deckband 10 der ersten bzw. zweiten Schaufel 1 bzw. 2. Das Deckband 10 ist hierbei an der Schaufelspitze der ersten Schaufel 1 bzw. zweiten Schaufel 2 angeordnet. Das Deckband 10 weist Schlitze 11 auf, in die das Koppelelement 5 angeordnet wird. Im Falle der ersten Schaufel 1 wird das Koppelelement 5 in dem Schlitz 11 fest angeordnet. Im Falle der zweiten Schaufel 2 wird das Koppelelement 5 im Schlitz 11 lediglich lose angeordnet. Eine im Betrieb auftretende Fliehkraft wirkt in der Fliehkraftrichtung 12, die identisch ist mit der radialen Richtung.
Die Figur 2 zeigt eine alternative Darstellung eines Teils einer Anordnung. Die erste Schaufel 1 weist ein erstes Deckband 13 und die Schaufel 2 ein zweites Deckband 14 auf. Die Deckbänder sind in der Schaufelspitze der ersten Schaufel 1 und der zweiten Schaufel 2 angeordnet. Das Koppelelement 5 ist seitlich im ersten Deckband 13 sowie im zweiten Deckband 14 angeordnet. Dabei ist das Koppelelement 5 länglich und schmal ausgebildet und als Blech ausgeführt. Das Koppelelement 5 weist im Querschnitt gesehen eine rechteckige Form mit einer Breite L und einer Höhe H auf. Die Höhe H ist im Wesentlichen identisch mit der Höhe H des Schlitzes 11. Zumindest sollte die Höhe H des Bleches 5 geringfügig kleiner sein als die Höhe H des Schlitzes 11. Es gilt hierbei, dass L größer H ist und dass das Koppelelement 5 derart im Deckband 14 angeordnet ist, dass die Oberfläche mit der Breite L im Betrieb am Deckband 14 anliegt. Dadurch wird eine Reibung entstehen, die zu einer Energiedissipation führt und somit eine Schwingungsreduktion herbeiführt.
Das Koppelelement 5 wird fest mit dem ersten Deckband 13 angeordnet, was beispielsweise durch eine Verschraubung erfolgen kann. Dazu werden Schrauben verwendet, die das Koppelelement 5 mit der ersten Schaufel 1 fest verbindet. Dadurch entstehen Schraubverbindungen 15, 16. Die Schraubverbindung 15, 16 kann beispielsweise in axialer Richtung 17 orientiert sein. Die Schraubverbindung 15, 16 kann natürlich auch in radialer Richtung 18 erfolgen.

Claims

Anordnung,
umfassend eine erste Schaufel (1) und eine benachbart zur ersten Schaufel (1) angeordnete zweite Schaufel (2),
wobei ein Koppelelement (5) in der ersten Schaufel (1) fest angeordnet ist und ein Teil des Koppelelementes (9) an der zweiten Schaufel (2) anliegt,
wobei die erste Schaufel (1) eine erste Schaufelspitze aufweist,
wobei die zweite Schaufel (2) eine zweite Schaufelspitze aufweist,
wobei das Koppelelement (5) im Bereich der ersten und zweiten Schaufelspitze angeordnet ist,
wobei die erste Schaufelspitze ein erstes Deckband (13) aufweist und das Koppelelement (5) im ersten Deckband (13) angeordnet ist,
wobei die zweite Schaufelspitze ein zweites Deckband (14) aufweist,
wobei das erste Deckband (13) und das zweite Deckband (14) jeweils einen Schlitz (11) aufweist, in der das Koppelelement (5) angeordnet und ist der Schlitz (11) seitlich im ersten Deckband (13) und im zweiten Deckband (14) angeordnet ist.
dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (5) im zweiten Deckband (14) lose angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1,
wobei das Koppelelement (5) länglich und schmal ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Koppelelement (5) ein Blech ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3,
wobei das Koppelelement (5) im Querschnitt gesehen eine rechteckige Form mit einer Breite L und einer Höhe H aufweist,
wobei L größer H gilt und das Koppelelement (5) derart im Deckband (10, 13, 14) angeordnet ist, dass die Oberfläche mit der Breite L im Betrieb am Deckband (14) anliegt.