EP2642080A1

EP2642080A1 - Schaufel einer Strömungsmaschine und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: EP2642080A1
Application number: EP12160343.5A
Authority: EP
Inventors: Sven Schofer; Ronald Wifling; Manfred Knorr; Rudolf Kellerer
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2013-09-25

Abstract

Bei einer Schaufel (1) einer Strömungsmaschine besteht eine solche Schaufel (1) im Wesentlichen aus einem Schaufelblatt (2) und einem daran angeformten Schaufelfuss (4). Der Schaufelfuss (4) weist ein Profil auf, das mit einer gegengleichen ausgeformten Ausnehmung im Rotor korrespondiert, wobei der Schaufelfuss (4) schaufelblattseitig mit einer Plattform (3) versehen ist, welche im Wesentlichen eine Deckbandfunktion erfüllt. In der Plattform (3) sind zwischen zwei benachbarten Schaufeln entlang einer Schaufelreihe Ausnehmungen (6a) vorhanden sind, welche für die Aufnahme eines Dichtungselementes (5a) ausgelegt sind. Das Dichtungselement (5a) bildet gegenüber der Ausnehmung (6a) originär im Einbauzustand oder unter Einwirkung einer Fliehkraft (7) eine formschlüssige oder kraftschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufel einer Strömungsmaschine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 9.

Stand der Technik

In Hinblick auf die auftretenden Eigenfrequenzen, insbesondere bei der Beschaufelung von Gasturbinen, dürfen die Eigenfrequenzen einzelner Bauteile sowie einer interdependenten Gesamtanordnung einer ganzen Turbinenschaufelreihe nicht mit der Maschinenbetriebsdrehzahl (50, 60 Hz), und vielfachen davon, zusammenfallen.
Selbstverständlich wird bei der Auslegung der Beschaufelung einer Strömungsmaschine auf das Problem der entstehenden Eigenfrequenzen eingegangen. Allerdings kommt es im Nachgang einer originären Auslegung immer wieder vor, dass betriebsnotwendige Änderungen vorgenommen werden müssen, welche die Anzahl der operierenden Brenner tangiert, oder sich auf die Anzahl der beaufschlagten Schaufeln resp. Schaufelreihen niederschlägt, so dass sich dann grundsätzlich zu einer neuen Auslegung, insbesondere auch hinsichtlich der Eigenfrequenzen, geschritten werden müsste. Dies lässt sich aber aus technischen und wirtschaftlichen Überlegungen nicht immer ohne Weiteres realisieren.
Als Folge solcher Betriebsänderungen stellt man immer wieder fest, dass bestimmte Erregerfrequenzen in einen Bereich fallen, der in Resonanz mit den Eigenfrequenzen des Systems allgemein, insbesondere der Schaufeln liegt.
Dessen ungeachtet, es darf nicht verkannt werden, dass während des Betriebes einer Strömungsmaschine resp. einer Gasturbine auf Grund der operationellen und konstruktiven Bedingungen bestimmte Frequenzbereiche durchlaufen werden, welche die im Verbund stehenden Turbinenschaufeln in ihren Eigenfrequenzen anregen.
Diese maschinen- und operationsbedingten Anregungsfrequenzen sowie die Eigenfrequenzen des Turbinenlaufschaufelverbundes können an sich im Voraus bestimmt werden. Des Weiteren ist es möglich, zu bestimmen, ob während irgendeiner Phase des Betriebes der Gasturbine diese Anregungsfrequenzen bestimmte Bereiche durchlaufen werden. Ist dies der Fall, dann besteht die Möglichkeit, diese Turbinenschaufeln so auszulegen resp. zu modifizieren, dass ihre Eigenfrequenz eine Verschiebung erfährt, womit die Eigenfrequenz des Schaufelverbundes dann nicht mehr in dem angeregten Frequenzbereich liegt, sondern entsprechend verschoben wird.
Dies bedeutet aber schlechthin, dass die Turbinenschaufeln in solchen Fällen einer strukturellen geometrischen Veränderung unterzogen werden müssten, was sich regelmässig als sehr aufwendig gestaltet und bisweilen auch technisch schwierig zu bewerkstelligen ist, denn solche Veränderungen führen auch dazu, dass die Schaufeln nachträglich strömungstechnisch angepasst werden müssen.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, Massnahmen vorzuschlagen, bei welchen eine nachträgliche Korrektur resp. Bearbeitung der Turbinenschaufeln auf Grund einer notwendig gewordenen Verschiebung des ursprünglichen Status hinsichtlich der Eigenfrequenzen nicht mehr an die Hand genommen werden muss.
Zu diesem Zweck wird bei rotierenden Schaufeln einer Strömungsmaschine, welche im Wesentlichen aus einem Schaufelblatt und einem daran angeformten Schaufelfuss besteht, dergestalt mit autonomen Mitteln eingegriffen, wodurch auf eine geometrische Veränderung oder sonstige Anpassung der Schaufeln verzichtet werden kann.
Das Schaufelfussprofil ist mit einem unteren Deckband versehen, welcher im allgemeinen als Plattform ausgebildet ist, wobei diese mit den Plattformen der benachbarten Schaufeln in Umfangsrichtung entlang einer Schaufelreihe vom Einbau her autonom in Wirkverbindung steht. Unterhalb der schaufelfussseitigen Plattform zwischen zwei benachbarten Schaufeln in Umfangsrichtung entlang einer Schaufelreihe wird mindestens ein Dichtungselement eingebaut, welches den benachbarten Spalt zwischen zwei Plattformen überbrückt.
Die schaufelblattseitige Oberfläche des Dichtungselementes ist dem Arbeitsmedium, also den Heissgasen, der Strömungsmaschine ausgesetzt. Die geometrische Ausbildung und die Masse dieses Dichtungselementes werden so gewählt, dass die durch den Betrieb der Schaufeln entstehende Zentrifugalkraft eine massenabhängige wirkende Fliehkraft auf das Dichtungselement ausübt, welche zu einer höheren Koppelsteifigkeit der einzelnen Schaufeln untereinander führt.
Dabei weist das Dichtungselement gegenüber der im Wesentlichen nutenförmigen Ausnehmungen in den Plattformen der Schaufeln in der Regel eine formschlüssige Verbindung resp. Passung auf. Das Dichtungselement lässt sich bisweilen aber auch geometrisch und stofflich so auslegen, dass mindestens während des Betriebes zu einer kraftschlüssigen oder quasi-kraftschlüssigen Verbindung gegenüber den genannten Ausnehmungen in den benachbarten Plattformen kommt. Wird für die letztgenannte Auslegung optiert, so wird in der Regel vorgesehen, dass ausgehend von einer formschlüssigen Verbindung im Kaltzustand der Anlage sukzessiv während der Inbetriebsetzung die Verbindung resp. Passung zwischen Dichtungselement und Ausnehmung zu einem Kraftschluss mutieren kann.
Eine weitere geometrische und stoffliche Auslegung des Dichtungselements kann darin bestehen, dass während des Betriebs der Anlage zu einer stoffschlüssigen Verbindung gegenüber der Ausnehmung kommt.
Die hier zugrundeliegende Auslegung des Dichtungselements gegenüber der Ausnehmung muss indessen immer zwei Aufgaben erfüllen können: Zum einen geht es hier darum, dass das Dichtungselement die ihm ursächlich zugewiesene Dichtungsaufgabe erfüllt, und zum anderen muss das Dichtungselement eine zweite Aufgabe erfüllen, welche darin besteht, die Eigenfrequenzen in einem bestimmten Bereich nachhaltig zu beeinflussen, d.h. hier konkret zu verschieben.
Die wesentlichen Vorteile dieser einzeln oder in Kombination zueinander implementierten Massnahmen sind darin zu sehen, dass auf einfachste Weise gewichtig Abhilfe gegen neu auftretende Eigenfrequenzen geschaffen werden kann, wobei die durch das einzelne Dichtungselement oder die Dichtungselemente erzeugte Koppelsteifigkeit innerhalb der eingebauten Schaufeln zu einer Verringerung der mechanischen Spannungen in den Schaufeln selbst führt, und dies gleichzeitig auch gegenüber den Spannungen in den Schaufelfüssen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass sich das Dichtungselement durch seine integrale schaufelfussseitige Anpassung zwischen zwei Plattformen mit einem Kühlmedium gut beaufschlagen lässt, und dadurch im Nachgang durch eine Temperaturregelung auch auf den Grad der Passungsqualität gegenüber den Ausnehmungen eingewirkt werden kann, wodurch einerseits sehr spezifisch auf die auftretenden Eigenfrequenzen und andererseits auf den Grad der Koppelsteifigkeit der Schaufeln untereinander Einfluss ausgeübt werden kann.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Dichtungselement eine sogenannte "Inter-Plattform"-Dichtung bildet, sonach dieses Dichtungselement in durch Nuten ausgebildeten Ausnehmungen unterhalb der inneren Plattform angeordnet ist, dergestalt, dass es schaufelfussseitig, also unterseitig, im Kontakt mit einem dort geführten Kühlmedium steht, und schaufelblattseitig eine Dichtung gegenüber den dort strömenden Heissgasen bildet, wobei die geometrische Integration des Dichtungselementes in die Plattformen so gestaltet wird, dass dessen Oberseite nicht in den Heissgaspfad hineinragt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Dichtungselement, welches allgemein bei rotierenden Bauteilen zur Vermeidung von Leckagen des Kühlmediums in den Heissgaspfad eingesetzt wird, oder zur Vermeidung einer Beaufschlagung des Rotors durch die Heissgase dient, nunmehr erfindungsgemäss weitere Funktionen zu erfüllen vermag, um ausserhalb der originären Auslegung auftretende Eigenfrequenzen im gewollten Umfang verschoben werden können, dergestalt, , dass die ursprüngliche resonanzfreie Auslegung des Systems wieder erstellt werden kann.
Zusammenfassend lässt sich demnach feststellen, dass auf die ursprüngliche Dichtwirkung eines solchen Dichtungselementes nicht verzichtet werden muss, gleichzeitig aber wird dieses Dichtungselement erfindungsgemäss so ausgelegt, dass es neu die Funktion erfüllt, zwei benachbarte Schaufeln so zu koppeln, dass auf die Eigenfrequenzen eingewirkt werden kann, und darüber hinaus werden durch das Dichtungselement die Spannungen in den Schaufeln reduziert.
Versuche mit verschiedenen Dichtungsarten haben aufgezeigt, dass eine Vergrösserung der Dichtungsmasse des Dichtungselements im Betrieb die deutlichsten Einflüsse auf die Eigenfrequenzen der Turbinenlaufschaufeln bewirken kann, wobei eine Verschiebung der Eigenfrequenzen auch durch die geometrische Passgenauigkeit des Dichtungselementes gegenüber der Ausnehmung resultiert.
Vorteilhafte aufgabengemässe Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren näher dargestellt und beschrieben. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Elemente sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1: eine summarische Darstellung einer Schaufel, worin im Schaufelfuss ein Dichtungselement gezeigt wird,
Fig. 2: eine seitliche Ansicht zweier benachbarter Schaufeln, worin im Bereich der angrenzenden Plattformen ein Dichtungselement angeordnet ist,
Fig. 3: eine geometrische Variante des Dichtungselementes.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine summarische Darstellung einer Schaufel 1, mit einem Schaufelblatt 2 und einem Schaufelfuss 4. Der eigentliche Schaufelfuss 4 grenzt sich vom Schaufelblatt 2 durch eine dazwischen angeordnete Plattform 3 ab. Unterhalb dieser Plattform 3 wird über hier nicht näher gezeigte Nuten ein Dichtungselement 5 eingebaut, welches im Wesentlichen zwei Hauptfunktionen erfüllt:
Zum einen erfüllt das Dichtungselement bei Laufschaufeln die Funktion, eine Sperrung des Kühlmediums gegenüber dem Heissgaspfad und umgekehrt. Zum anderen wird das Dichtungselement dazu verwendet, auftretende Eigenfrequenzen aus dem Betrieb der Laufschaufeln zu verschieben. Diese Vorkehrung kommt immanent zum Tragen, als im Betrieb auf das Dichtungselement eigenständige Fliehkräfte wirken, welche mindestens das Dichtungselement gegen die radial ausgebildeten äusseren Wände der hier nicht näher gezeigten Nuten anzudrücken vermögen, und so ursächlich eine substantielle Verschiebung der durch die Schaufeln indizierten Eigenfrequenzen bewirken, so dass das System auch bei im Nachgang vorgenommenen Anpassungen resonanzfrei betrieben werden kann, womit durch einen solchen Einbau (Dichtungselement) keine weiteren systembedingten Vorkehrungen mehr gegen störende Eigenfrequenzen getroffen werden müssen.
Fig. 2 zeigt eine seitliche Ansicht zweier benachbarter Schaufeln in Umfangsrichtung, welche auf einem nicht näher gezeigten Rotor verankert sind. Die benachbarten Schaufeln weisen unterhalb des Schaufelblattes 2 jeweils eine Plattform 3 auf, welche den Zwischenraum in Umfangsrichtung des Rotors weitgehend überbrücken. Vorzugsweise wird ein Zwischenspalt vorgesehen, um die Einbautoleranzen sowie die kalorisch bedingten Ausdehnungen aufzufangen. Unterhalb der schaufelblattseitigen äusseren radialen Oberfläche der Plattformen wird eine doppelseitige Nut vorgesehen, welche im Verbund zweier Plattformen miteinander eine im Wesentlichen rechteckige Ausnehmung 6a bildet. In dieser Ausnehmung findet dann das Dichtungselement 5a Platz, welches hier von rechteckiger Form ist und eine formschlüssige Passung gegenüber der Ausnehmung 6a bildet.
Wie aus dieser Fig. 2 des Weiteren ersichtlich ist, ist die schaufelblattseitige Oberfläche des Dichtungselementes dem Arbeitsmedium, also den Heissgasen, der Strömungsmaschine zugewandt resp. ausgesetzt. Die geometrische Ausbildung und die Masse dieses Dichtungselementes 5a werden so gewählt, dass durch die im Betrieb der Schaufeln entstehende Zentrifugalkraft eine massenabhängige auf das Dichtungselement 5a wirkende Fliehkraft 7 ausgeübt wird, welche zu einer höheren Koppelsteifigkeit der einzelnen Schaufeln untereinander führt. Damit wird unmittelbar auf Entstehung oder potentiell Aufkommen von Eigenfrequenzen insofern entgegengewirkt, als diese damit gezielt verschoben werden können, so dass die ursprüngliche resonanzfreie Auslegung des Systems wieder erstellt werden kann oder Fortbestand hat.
Dieses Dichtungselement 5a kann auch so ausgelegt werden, dass mindestens während des Betriebes zu einer kraftschlüssigen oder quasi-kraftschlüssigen Verbindung gegenüber den genannten von den benachbarten Plattformen gebildeten Ausnehmungen kommen kann.
Wird für die letztgenannte Auslegung optiert, so wird in der Regel vorgesehen, dass ausgehend von einer formschlüssigen Verbindung zwischen Dichtungselement und Ausnehmung im Kaltzustand der Anlage sukzessiv während der Inbetriebsetzung diese Verbindung zu einer kraftschlüssigen Passung mutiert. Dabei soll einerseits eine entsprechende geometrische Passung angepeilt werden, und andererseits soll die Materialwahl des Dichtungselements so getroffen werden, dass sie im Betrieb eine bestimmte Ausdehnung resp. Verhärtung entfalten kann.
Eine weitere geometrische und stoffliche Auslegung des Dichtungselements kann darin bestehen, dass während des Betriebs der Anlage zu einer stoffschlüssigen Verbindung gegenüber der Ausnehmung kommt.
Indessen, unabhängig der finalen Ausrichtung der Passung, muss die zugrundeliegende Auslegung des Dichtungselements immer zwei Aspekte berücksichtigen: Zum einen geht es hier darum, dass das Dichtungselement die ihm ursächlich zugewiesene Dichtungsaufgabe erfüllt, und zum anderen muss das Dichtungselement eine zweite Aufgabe erfüllen kann, welche darin besteht, auf die Eigenfrequenzen in einer bestimmten Weise entgegenzuwirken. Zusätzlich lässt sich feststellen, dass sich durch solche präzisierte Auslegungen des Dichtungselements gegenüber der Ausnehmung eine Minimierung der im Betrieb auftretenden Spannungen auf die Elemente der Strömungsmaschine, insbesondere der Schaufeln erzielen lässt.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Dichtungselement 5b, das schaufelblattseitig einen dachförmigen Abschluss aufweist. Gegengleich wird die Ausnehmung 6b auch in diesem Sinne ausgelegt. Auch bei einer solchen Passung gilt, dass die schaufelblattseitige Oberfläche des Dichtungselementes 5b dem Arbeitsmedium, also den Heissgasen, der Strömungsmaschine zugewandt resp. ausgesetzt ist. Die geometrische Ausbildung und die Masse dieses Dichtungselementes 5b werden so gewählt, dass durch die im Betrieb der Schaufeln entstehende Zentrifugalkraft eine massenabhängige auf das Dichtungselement 5b wirkende Fliehkraft 7 ausgeübt wird, welche zu einer höheren Koppelsteifigkeit der einzelnen Schaufeln untereinander führt. Damit wird unmittelbar auf Entstehung oder potentiell Aufkommen von Eigenfrequenzen insofern entgegengewirkt, als diese damit gezielt verschoben werden können, so dass die ursprüngliche resonanzfreie Auslegung des Systems wieder erstellt werden kann oder Fortbestand hat.
Dieses Dichtungselement 5b kann auch so ausgelegt werden, dass mindestens während des Betriebes zu einer kraftschlüssigen oder quasi-kraftschlüssigen Verbindung gegenüber den genannten von den benachbarten Plattformen gebildeten Ausnehmungen 6b kommt.
Wird für die letztgenannte Auslegung optiert, so wird in der Regel vorgesehen, dass ausgehend von einer formschlüssigen Verbindung zwischen Dichtungselement 5b und Ausnehmung 6b im Kaltzustand der Anlage sukzessiv während der Inbetriebsetzung diese Verbindung zu einer kraftschlüssigen Passung mutiert. Dabei soll einerseits eine entsprechende geometrische Passung angepeilt werden, und andererseits soll die Materialwahl des Dichtungselements 5b so getroffen werden, dass sie im Betrieb eine bestimmte Ausdehnung resp. Verhärtung entfalten kann.
Eine weitere geometrische und stoffliche Auslegung des Dichtungselements 5b kann darin bestehen, dass während des Betriebs der Anlage zu einer stoffschlüssigen Verbindung gegenüber der Ausnehmung 6b kommt.
Indessen, unabhängig der finalen Ausrichtung der Passung, muss die zugrundeliegende Auslegung des Dichtungselements 5b immer zwei Aspekte berücksichtigen: Zum einen geht es hier darum, dass das Dichtungselement die ihm ursächlich zugewiesene Dichtungsaufgabe erfüllt, und zum anderen muss das Dichtungselement eine zweite Aufgabe erfüllen kann, welche darin besteht, auf die Eigenfrequenzen in einer bestimmten Weise entgegenzuwirken. Zusätzlich lässt sich feststellen, dass sich durch solche präzisierte Auslegungen des Dichtungselements gegenüber der Ausnehmung eine Minimierung der im Betrieb auftretenden Spannungen aus die Elemente der Schaufeln erzielen lässt.
Die spezielle Dachformkonstruktion des Dichtungselements 5b kann bei genauer Passung die Wirkung der Fliehkraft 7 akzentuiert steigern.

Bezugszeichenliste

1: Schaufel, Laufschaufel
2: Schaufelblatt
3: Plattform
4: Schaufelfuss
5: Dichtungselement
5a: Dichtungselement
5b: Dichtungselement
6a: Ausnehmung
6b: Ausnehmung
7: Fliehkraft

Claims

Schaufel einer Strömungsmaschine, wobei die Schaufel im Wesentlichen aus einem Schaufelblatt und einem daran angeformten Schaufelfuss besteht, wobei der Schaufelfuss ein Profil aufweist, das mit einer gegengleichen ausgeformten Ausnehmung im Rotor korrespondiert, wobei der Schaufelfuss schaufelblattseitig mit einer Plattform versehen ist, welche im Wesentlichen eine Deckbandfunktion erfüllt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Plattform zwischen zwei benachbarten Schaufeln entlang einer Schaufelreihe Ausnehmungen (6a, 6b) vorhanden sind, welche für die Aufnahme eines Dichtungselementes (5a, 5b) ausgelegt sind, dass das Dichtungselement (5a, 5b) gegenüber der Ausnehmung (6a, 6b) originär im Einbauzustand oder unter Einwirkung einer Fliehkraft (7) eine formschlüssige oder kraftschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung bildet.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung eine massenabhängige Fliehkraftwirkung auf das Dichtungselement (5a, 5b) zulässt, und dass die Dichtungsaufgabe des Dichtungselementes gewahrt bleibt.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement eine rechteckige Querschnittsform aufweist.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement eine vieleckige Querschnittsform aufweist.
nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement eine dachförmige Querschnittsform aufweist, welche schaufelblattseitig ausgebildet ist.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement schaufelfussseitig mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist, und schaufelblattseitig dem Heissgaspfad der Strömungsmaschine ausgesetzt ist.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Schaufel als Laufschaufel einer Strömungsmaschine ausgebildet ist.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement eine Dichtungsmasse aufweist, welche mindestens 10% grösser als jene Dichtungsmasse ist, welche für die Erfüllung einer ausschliesslichen Dichtung beansprucht ist.
Verfahren zum Betrieb eines Verbunds von Schaufeln in einer Strömungsmaschine gemäss einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (5a, 5b) bei einer formschlüssigen oder kraftschlüssigen oder stoffschlüssigen Verbindung gegenüber der Ausnehmung (6a, 6b) unter Einwirkung einer aus dem Betrieb der Strömungsmaschine resultierenden Fliehkraft (7) eine Dichtungsfunktion erfüllt und gleichzeitig eine Koppelsteifigkeit der von dem Dichtungselement erfassten Schaufeln bewirkt, welche Koppelsteifigkeit zu einer Verschiebung von ordentlich oder ausserordentlich auftretenden Eigenfrequenzen führt.