EP2918784A1

EP2918784A1 - Schaufelfuß für eine Turbinenschaufel

Info

Publication number: EP2918784A1
Application number: EP14159497.8A
Authority: EP
Inventors: Armin De Lazzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-09-16
Also published as: KR20160130494A; US20170016336A1; KR101839261B1; CN106103903B; JP6424233B2; WO2015135787A1; RU2656176C2; CN106103903A; EP3087252A1; RU2016139990A; JP2017517666A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1) mit einem rhomboedrisch ausgeführten Schaufelfuß (3), wobei an den Ecken (16, 23, 24) des Rhomboeders eine Krümmung (20) angeordnet ist, die derart ausgeführt ist, dass im Betrieb eine plastische Verformung vermieden wird und nur eine elastische Verformung stattfindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß, wobei der Schaufelfuß und das Schaufelblatt entlang einer Schaufelachse ausgebildet sind, die senkrecht zu einer Rotationsachse ausgerichtet ist, wobei die Rotationsachse und die Schaufelachse eine Radiusfläche bilden und der Schaufelfuß eine Seitenfläche aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur Radiusfläche ausgebildet ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufelanordnung in einer Nut einer Strömungsmaschine.
Unter der Sammelbezeichnung "Strömungsmaschine" werden Wasserturbinen, Dampf- und Gasturbinen, Windräder, Kreiselpumpen und Kreiselverdichter sowie Propeller zusammengefasst. Allen diesen Maschinen ist gemeinsam, dass sie den Zweck dienen, einem Fluid Energie zu entziehen, und damit eine andere Maschine anzutreiben oder umgekehrt, einem Fluid Energie zuzuführen, um dessen Druck zu erhöhen.
Dampfturbinen als Ausführungsform einer Strömungsmaschine umfassen im Wesentlichen einen drehbar gelagerten Rotor und ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse. In der Regel werden Dampfturbinen aus einem Innengehäuse und einem Außengehäuse ausgebildet, wobei das Außengehäuse um das Innengehäuse angeordnet ist. Der Rotor umfasst auf den Umfang verteilte Turbinenlaufschaufeln, die in der Regel in Nuten benachbart zueinander angeordnet sind. Somit entstehen entlang der Rotationsachse mehrere hintereinander angeordnete Turbinenlaufschaufelreihen. Das Innengehäuse wiederum umfasst Turbinenleitschaufeln, die ebenso in einer Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind, so dass dadurch Turbinenleitschaufelreihen entstehen, die zwischen den Turbinenlaufschaufelreihen angeordnet sind. Im Betrieb strömt ein Dampf mit einer hohen thermischen Energie zwischen den Turbinenlaufschaufeln und den Turbinenleitschaufeln, wobei die thermische Energie des Dampfes in Rotationsenergie des Rotors umgewandelt wird.
Die Montage der einzelnen Bauteile, wie zum Beispiel der Turbinenlaufschaufeln in die Nut erfolgt bei Raumtemperatur. Im Betrieb hingegen können Temperaturen von über 600°C auftreten, was zu erhöhten technischen Anforderungen an den Bau solcher Strömungsmaschinen führt.
Turbinenkomponenten im Allgemeinen sind somit im Betrieb transienten thermischen Belastungen ausgesetzt, das bedeutet, dass thermische Änderungen dazu führen, dass die einzelnen Turbinenkomponenten erwärmt oder abgekühlt werden. Die Wärmekapazitäten und die Größen der Bauteile sind in der Regel unterschiedlich, was zu dem Effekt führt, dass einzelne Turbinenkomponenten einer Temperaturänderung unterschiedlich folgen. Weniger massive Turbinenkomponenten werden schneller erwärmt oder abgekühlt als massivere Turbinenkomponenten.
Die im Strömungsmaschinenbau eingesetzten Stähle weisen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungleich Null auf, was dazu führt, dass die Abmessungen der Turbinenkomponenten mit Änderung der Temperatur sich ändern. In der Regel werden die Turbinenkomponenten mit zunehmender Temperatur größer. Dies führt dazu, dass während transienter Temperaturänderungen Verspannungen zwischen Komponenten entstehen können, die unterschiedlich schnell durchwärmt werden. Insbesondere können Spannungen zwischen Turbinenkomponenten unterschiedlicher Größe entstehen, da diese unterschiedlich schnell durchwärmt werden.
Diese Verspannungen können zu erheblichen mechanischen Belastungen für die Turbinenkomponenten bis hin zur Schädigung der Turbinenkomponente führen.
Somit stellt es eine Herausforderung dar, Strömungsmaschinen insbesondere im transienten Betrieb auszulegen. Aufgrund der Kompensation fluktuierender Stromeinspeisung durch erneuerbare Energie ist der Betrieb von Dampfturbinen dadurch geprägt, dass diese in stark zunehmendem Maße im Lastwechselbetrieb betrieben werden müssen. Dabei wird im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit eines Kraftwerks der Fokus darauf gesetzt, dass auf eine schnelle Änderung der Last eine schnelle Reaktion der Dampfturbine erfolgt.
Je größer der Lastwechselgradient und je kürzer die Startzeit, umso größer steigen die thermischen Belastungen der Turbinenkomponenten und somit auch die Gefahr, dass die einzelnen Turbinenkomponenten durch thermische Spannungen geschädigt werden. Ebenso problematisch sind Temperatursprünge, die in einem gewissen Rahmen eingehalten werden müssen.
Eine Turbinenkomponente stellt beispielsweise der Rotor und eine Turbinenschaufel dar. Die Turbinenschaufeln werden in Nuten, die in Umfangsrichtung angeordnet sind, dicht aneinander angelegt. Die vom im Betrieb aufkommenden Dampf umströmten Turbinenschaufeln nehmen Temperaturänderungen des Dampfes sehr schnell auf, was damit zusammenhängt, dass Turbinenschaufeln wie Kühl- oder Heizrippen mit großer Oberfläche relativ zu ihrem Volumen wirken. Demgegenüber ist der Rotor dem im Betrieb aufkommenden Dampf nur entlang einer vergleichsweise kleinen Oberfläche, relativ zu seinem Volumen gesehen, ausgesetzt. Somit durchwärmt der Rotor im Vergleich zu einer Turbinenschaufel wesentlich langsamer. Das bedeutet, dass zum Beispiel eine Laufschaufelreihe die Wärme schneller aufnimmt und ebenso schneller thermisch wächst als der Rotor, so dass das thermische Wachstum des Rotors hinter dem Wachstum der Turbinenschaufeln zurückgeht.
Es entstehen thermisch bedingte Spannungen in der Verankerung der Turbinenschaufeln. Da die Schaufelreihe im Durchmesser nicht wachsen kann, entstehen auch Druckspannungen in Umfangsrichtung.
Turbinenschaufeln weisen ein Schaufelblatt und einen Schaufelfuß auf. Bestimmte Ausführungsformen von Schaufelfüßen weisen einen rhombischen Querschnitt auf. Im Montagezustand liegen die rhombisch geformten Schaufelfüße eng aneinander an. Im Betrieb entstehen in Folge thermischer Gradienten Druckspannungen, was dazu führt, dass Drehkräfte am Turbinenschaufelfuß wirken. Das führt dazu, dass die Ecken des Rhombus axial in die Welle getrieben werden. Die Kräfte können derart groß sein, dass die Ecken des Schaufelfußes oder des Rotors plastisch verformt werden. Das führt dazu, dass an dieser Stelle die Turbinenschaufelfüße nicht mehr eng anliegen und locker werden.
Um dieses Problem zu vermeiden wird üblicherweise die Dampfturbine derart betrieben, dass Temperaturänderungen unter einem zulässigen Rahmen bleiben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Turbinenschaufel anzugeben, die schnellere Temperaturänderungen während des Betriebes zulässt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß, wobei der Schaufelfuß und das Schaufelblatt entlang einer Schaufelachse ausgebildet sind, die senkrecht zu einer Rotationsachse ausgerichtet ist, wobei die Rotationsachse und die Schaufelachse eine Radiusfläche bilden und der Schaufelfuß eine Seitenfläche aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur Radiusfläche ausgebildet ist, wobei die Seitenfläche entlang einer Umfangssenkrechten zur Schaufelachse abschnittsweise eine Krümmung aufweist.
Die Aufgabe wird ebenso durch ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufelanordnung in einer Nut einer Strömungsmaschine gelöst, wobei die Turbinenschaufelfüße derart geformt werden, dass im Betrieb auftretende Kräfte von den Turbinenschaufelfüßen auf die Nut nicht zu einer plastischen Verformung führen.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der Erfindung wird somit vorgeschlagen, die Geometrie der Schaufelfüße lokal zu ändern, so dass bei der zu erwartenden Reaktion auf thermische Transienten die Tendenz zur plastischen Verformung minimiert wird. Durch die Krümmung in der Seitenfläche wird der Effekt erreicht, dass bei einer im Betrieb auftretenden zunehmenden Verdrehung der Turbinenschaufel die Kraftübertragung geringer wird, so dass die resultierenden Spannungen begrenzt werden und eine plastische bleibende Verformung unterdrückt wird. Dadurch können größere Temperaturdifferenzen oder Gradienten berücksichtigt werden, ohne dass dies zu einer Schaufellockerung führt. Dies ist insbesondere beim Anfahren bzw. bei einem Start einer Dampfturbine von Vorteil, da keine plastische Verformung und eine sukzessive Schaufellockerung erfolgt. Erreicht wird dadurch eine flexiblere Fahrweise, die sich in kürzeren Startzeiten, schnelleren Lastwechseln und ähnliches zeigt.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung wird die Krümmung durch eine konvexe Krümmung beschrieben. Somit können sich die übertragenen Kräfte optimal verteilen.
Die Krümmung erfolgt vorteilhafterweise an der Seitenfläche ab der Hälfte, da die übertragenen Kräfte eher an den Rändern der Seitenflächen zu erwarten sind. Vorteilhafterweise ist die Krümmung derart ausgebildet, dass im Betrieb lediglich eine elastische Verformung erfolgt. Vorteilhafterweise wird somit verhindert, dass keine plastische Verformung erfolgt.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

Figur 1: eine perspektivische Ansicht zweier Turbinenschaufeln,
Figur 2: eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Turbinenschaufel,
Figur 3: eine Draufsicht mehrerer hintereinander angeordneter Turbinenschaufeln im Montagezustand,
Figur 4: Darstellung der Deckbänder im Montagezustand,
Figur 5: Darstellung der Deckbänder bei thermischer Ausdehnung,
Figur 6: Darstellung der Deckbänder bei thermischer Ausdehnung und übertragener Kräfte,
Figur 7: vergrößerte Darstellung eines Details aus Figur 6,
Figur 8: vergrößerte Darstellung eines Turbinenschaufelfußes.

Die Figur 1 zeigt eine Turbinenschaufel 1. Die Turbinenschaufel 1 kann eine Turbinenleitschaufel oder Turbinenlaufschaufel sein. Die Turbinenschaufel 1 weist ein Schaufelblatt 2 und einen Schaufelfuß 3 auf, die entlang einer Schaufelachse 4 angeordnet sind. Die Schaufelachse 4 entspricht im Wesentlichen der länglichen Ausbildung der Turbinenschaufel 1. Das Schaufelblatt 2 ist profiliert und ist zum Einbau in eine Strömungsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine vorgesehen. Die Turbinenschaufel 1 wird in einer nicht näher dargestellten Nut eingefügt. Diese Nut ist in einem Rotor (nicht dargestellt), wobei der Rotor um eine Rotationsachse 5 ausgebildet ist. Der Rotor rotiert somit in einer Drehrichtung 6 um die Rotationsachse 5. Die Schaufelachse 4 ist hierbei senkrecht auf der Rotationsachse 5 ausgebildet. Die Rotationsachse 5 und die Schaufelachse 4 bilden eine Radiusfläche 7. Der Schaufelfuß 3 weist eine Seitenfläche 8 auf, die im Wesentlichen senkrecht zur Radiusfläche 7 ausgebildet ist. In Figur 1 ist ein System 9 dargestellt, in der die Anordnung der Rotationsachse 5 der Schaufelachse 4 und der Seitenfläche 8 dargestellt ist. Die Schaufelachse 4 ist senkrecht zur Rotationsachse 5 gerichtet. Durch die Schaufelachse 4 und die Rotationsachse 5 ist eine Radiusfläche 7 gebildet. Die Seitenfläche 8 ist senkrecht zur Radiusfläche 7 angeordnet. In der perspektivischen Darstellung der Turbinenschaufel 1 ist eine Umfangsrichtung 10 teilweise dargestellt und entspricht im Wesentlichen der Oberfläche eines nicht näher dargestellten Rotors und einer nicht näher dargestellten Nut. Der Schaufelfuß 3 hat eine Vorderfläche 11 und eine Rückfläche 12, die in der perspektivischen Darstellung gemäß Figur 1 nicht darstellbar ist. In der Seitenfläche 8 ist eine Aussparung 13 angeordnet.
Die Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Turbinenschaufel 1. Der Unterschied zur Turbinenschaufel 1 gemäß Figur 1 ist, dass der Schaufelfuß 3 eine Tannenbaumform 13 aufweist, die in eine entsprechende komplementäre Tannenbaumnut im Rotor angeordnet wird.
In der Figur 3 ist eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung umfassend in Umfangsrichtung 10 hintereinander eng anliegenden Turbinenschaufeln 1. Der Schaufelfuß 3 weist eine Deckplatte 14 auf, die rhombisch ausgebildet ist. Auf der Deckplatte 14 ist das Schaufelblatt 2 angeordnet. Das bedeutet, dass die Vorderfläche 11 der Deckplatte 14 an der Rückfläche 12 der Deckplatte 14 anliegt. Dabei können sich die Vorderfläche 11 und die Rückfläche 12 berühren. Somit entsteht in Umfangsrichtung 10 eine komplette Turbinenschaufelreihe. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur lediglich drei Turbinenschaufeln 1 dargestellt. Der Schaufelfuß 3 umfasst in Umfangsrichtung 10 gesehen eine Breite 15 auf. Der nicht näher dargestellte Rotor umfasst eine Nut, die ebenfalls die Breite 15 aufweist. Somit legen die Seitenflächen 8 im Montagezustand an entsprechende Nutflächen der Nut an.
Dies ist in Figur 4 dargestellt, in der lediglich drei Deckplatten 14 der Schaufelfüße 3 dargestellt sind. Auf die Darstellung des Schaufelblattes 2 wurde verzichtet. Die Figur 4 stellt den Montagezustand bei beispielsweise Raumtemperatur dar. Zu sehen ist, dass die Breite 15, die die Breite der Deckplatte 14 und die Breite der Nut darstellt, im Wesentlichen gleich ist.
In bestimmten Betriebsbedingungen, wie beispielsweise bei einem transienten Betrieb, könnte sich die Deckplatte 14 bzw. Schaufelfuß 3 schneller erwärmen als die Nut des Rotors, so dass in Figur 5 dieser theoretische Zustand dargestellt wird, wobei zu sehen ist, dass die Nut nach wie vor die Breite 15 umfasst, da in einem transienten Betrieb aufgrund der großen Masse des Rotors eine Temperaturausdehnung geringfügig stattgefunden hat. Die Deckplatte 14 des Schaufelfußes 3 hingegen ist durch die geringe Masse thermisch stärker auf die Breite 15a gedehnt. Zu erkennen ist, dass die thermisch ausgedehnte Breite 15a größer ist als die Breite 15. Des Weiteren ist zu sehen, dass in der Umfangsrichtung 10 gesehen, die thermische Ausdehnung der Deckplatte 14 ebenso derart ist, dass eine Überlappung theoretisch möglich ist. Dies führt zu Spannungszuständen, die zu einer Drehung der Deckplatten 14 führt, wie sie in Figur 6 dargestellt ist. In Figur 6 ist der reale Zustand dargestellt, bei der die Deckplatten 14 mit den Schaufelfüßen 3 eine geringfügige Drehung gegen den Uhrzeigersinn führen. Das führt dazu, dass an den Ecken 16 die Seitenfläche 8 gegen die Nutwand der Nut gedrückt wird. Dies wird in Figur 6 dargestellt in den mit den Kreisen 17 hervorgehobenen Details. Dieser Zustand kann zu plastischen Verformungen der Seitenfläche 8 an der Ecke 16 der Deckplatte 14 führen.
In Figur 7 ist dieser Sachverhalt nochmal hervorgehoben. Die Linie 18 symbolisiert die Nutwand, wobei das im Kreis 17 dargestellte Detail rechts in Figur 7 vergrößert dargestellt ist. Der Schaufelfuß 3 wird an der Ecke 16 derart ausgebildet, dass die Seitenfläche 8 entlang einer Umfangssenkrechten 19 zur Schaufelachse 4 abschnittsweise eine Krümmung 20 aufweist. Diese Krümmung 20 beginnt im Wesentlichen ungefähr ab der Mitte 21 der Seitenfläche 8 und ist in einer ersten Näherungsform geradlinig ausgeführt. Die Seitenfläche 8 ist planar in einer Ebene bis zur Mitte 21 ausgeführt und vollzieht ab der Mitte 21 den Knick, der zur Krümmung 20 führt.
Die Krümmung 20 beginnt in der Mitte 21 und führt bis zu einem Seitenrand 22, der mit der Vorderfläche 11 übereinstimmt. Die Krümmung 20 ist dabei derart ausgebildet, dass im Betrieb lediglich eine elastische Verformung der Deckplatte 14 erfolgt. Insbesondere ist die Krümmung 20 derart, dass keine plastische Verformung entsteht. Die Krümmung 20 verläuft zum Seitenrand 22 hin. Die Seitenfläche 8 und die Vorderseite 11 bilden eine Ecke 23. Die Ecke 23 ist unter einem Winkel von 90 Grad also spitz ausgebildet. Diametral gegenüber der Ecke 23 ist die Ecke 24 ausgebildet, die zwischen der Rückseite 12 und der Seitenfläche 8 entsteht. Die Ecke 24 weist ebenso ab der Mitte 21 eine Krümmung 20 zum Seitenrand 22 hin auf. In Richtung der Schaufelachse 4 ist der Schaufelfuß 3 rhomboedrisch ausgebildet. Die Seitenfläche 8 ist im Wesentlichen bis zur Hälfte bzw. Mitte 21 zur Umfangssenkrechten 19 ebenflächig ausgebildet.
Die Turbinenschaufel 1 ist zum Einbau in eine eine Nutfläche aufweisende Nut eines Rotors einer Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine ausgebildet, wobei die Seitenflächen im Montagezustand an den Seitenflächen der Nutfläche anliegen.
Die Figur 8 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Turbinenschaufelfußes in einer Draufsicht. Zu sehen ist neben einer ersten Ausführungsform, bei der die Krümmung 20 als eine Gerade 20a ausgebildet ist, eine gebogene konvexe Krümmung 20b.

Claims

Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelblatt (2) und einem Schaufelfuß (3),
wobei der Schaufelfuß (3) und das Schaufelblatt (2) entlang einer Schaufelachse (4) ausgebildet sind, die senkrecht zu einer Rotationsachse (5) ausgerichtet ist,
wobei die Rotationsachse (5) und die Schaufelachse (4) eine Radiusfläche (7) bilden und
der Schaufelfuß (3) eine Seitenfläche (8) aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur Radiusfläche (7) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Seitenfläche (8) entlang einer Umfangssenkrechten (19) zur Schaufelachse (4) abschnittsweise eine Krümmung (20) aufweist.
Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
wobei die Krümmung (20) konvex ausgeführt ist.
Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
wobei die Seitenfläche (8) des Schaufelfußes (3) durch Seitenränder (22) begrenzt ist und die konvexe Krümmung (20b) zum Seitenrand (22) hin verläuft.
Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 3,
wobei die konvexe Krümmung (20b) diametral gegenüber an den Seitenrändern (22) angeordnet sind.
Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Schaufelfuß (3) in Richtung der Schaufelachse (4) gesehen rhomboedrisch ausgebildet ist.
Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Seitenfläche (8) im Wesentlichen bis zur Hälfte zur Umfangssenkrechten (19) gesehen ebenflächig ausgebildet ist und die Krümmung (20) ab der Hälfte angeordnet ist.
Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Turbinenschaufel (1) zum Einbau in eine eine Nutfläche aufweisende Nut eines Rotors einer Strömungsmaschine ausgebildet ist und im Montagezustand die Seitenfläche (8) an der Nutfläche anliegt,
wobei im Betrieb der Strömungsmaschine eine Kraft vom Schaufelfuß (3) über die Seitenfläche (8) auf die Nutfläche auftritt,
wobei die Krümmung (20) derart ausgebildet ist, dass eine elastische Verformung erfolgt.
Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 7,
wobei keine plastische Verformung erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufelanordnung in einer Nut einer Strömungsmaschine,
wobei die Turbinenschaufelfüße (3) derart geformt werden, dass im Betrieb auftretende Kräfte von den Turbinenschaufelfüßen (3) auf die Nut nicht zu einer plastischen Verformung führen.
Verfahren nach Anspruch 8,
wobei die Turbinenschaufelfüße (3) eine an der Nut anliegende Seiten (8) aufweisen und diese Seitenfläche (8) mit einer Krümmung (209) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10,
wobei die Krümmung konvex (20b) ausgebildet wird.