EP2963245A1 - Zeitweiliges Koppeln von benachbart zueinander angeordneten Laufschaufeln - Google Patents

Zeitweiliges Koppeln von benachbart zueinander angeordneten Laufschaufeln Download PDF

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Publication number
EP2963245A1
EP2963245A1 EP14175610.6A EP14175610A EP2963245A1 EP 2963245 A1 EP2963245 A1 EP 2963245A1 EP 14175610 A EP14175610 A EP 14175610A EP 2963245 A1 EP2963245 A1 EP 2963245A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
rotor
airfoil
coupling
coupling unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14175610.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Kumm
Andreas Rehnsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP14175610.6A priority Critical patent/EP2963245A1/de
Priority to PCT/EP2015/059669 priority patent/WO2016000849A1/de
Publication of EP2963245A1 publication Critical patent/EP2963245A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the temporary coupling of two adjacent to each other on a rotor of a fluid energy machine, in particular a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like, arranged blades, comprising at least one can be arranged on an airfoil of a blade coupling unit and at least one of an airfoil the other blade can be arranged further coupling unit.
  • the invention relates to a blade for a rotor of a fluid energy machine, in particular a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like, comprising an airfoil and at least one coupling unit arranged on the airfoil for temporarily coupling the blade to an adjacent to the blade on the rotor Anordbare, identically formed further blade.
  • the invention relates to a rotor unit for a fluid energy machine, in particular a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like, comprising a rotor and a plurality of circumferentially arranged on the rotor blades.
  • the invention relates to a fluid energy machine, in particular a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like.
  • the invention relates to a method for coupling two adjacent to each other on a rotor of a fluid energy machine, in particular a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like, arranged, coupled to each other blades.
  • a fluid energy machine such as a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like
  • a fluid energy machine such as a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like
  • when changing the speed of a rotor of the fluid energy machine for example when starting and stopping, run through rotor speeds at which natural frequencies of arranged on the rotor blades with speed harmonics of the rotor coincide, causing the blades to resonate.
  • the blade By a corresponding resonant condition of a blade, the blade is excited to vibrate, wherein the excitation of the blade depends on the respective vibration of the blade and a given multiple of the respective speed of the rotor.
  • a blade can for example be formed such that at least one natural frequency of the blade does not intersect any rotational speed harmonics of the rotor.
  • this is technically efficient only up to a limited blade length.
  • coupling elements can be used in order to couple a rotor blade assembly which is arranged peripherally on a runner and thereby significantly increase at least one natural frequency of the rotor blade assembly.
  • cover plates, damper wires or so-called “snubbers” can be used as coupling elements. The latter is for example off US 2011/0194939 A1 and US 2011/0142650 A1 known.
  • Conventional cover plates and snubbers are designed in such a way that they do not come into contact with each other when the fluid energy machine is at a standstill and only come into contact with each other at a certain rotational speed of the rotor of the fluid energy machine, thereby coupling the composite blade circumferentially to the rotor.
  • the cause of this effect is a centrifugal force degeneration of the blades of the blades and a displacement of the coupling elements caused thereby.
  • the natural frequencies of the blades increase significantly, whereby a resonance passage at least one natural frequency of the blades can be avoided by a speed harmonics of the rotor. This is schematically in FIG.
  • the object of the invention is a new technical possibility for avoiding a resonance passage of at least a natural frequency of circumferentially on a rotor of a fluid energy machine arranged blades by at least one relevant speed harmonics of the rotor to create.
  • the arrangement according to the invention for temporarily coupling two blades arranged adjacent to one another on a rotor of a fluid energy machine, in particular a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like comprises at least one coupling unit which can be arranged on an airfoil of one blade and at least one on an airfoil of the other Blade can be arranged further coupling unit, characterized in that the coupling units are designed such that they couple to reach a predetermined rotor speed and decouple from reaching the predetermined rotor speed due to a consequent centrifugal force development of the blades of the blades and consequent displacement of the coupling units from each other.
  • decoupling of coupled rotor blades takes place according to the invention from a predeterminable rotor speed instead of a coupling of uncoupled rotor blades.
  • This is achieved by exploiting the centrifugal force inevitably occurring during operation of a fluid energy machine of the blades of the blades and a special design of the coupling units.
  • the natural frequencies of the rotor blades coupled to one another at low rotor speeds via the coupling units are at a relatively high level until the decoupling of the rotor blades according to the invention. From the inventive decoupling of the blades from reaching the predetermined rotor speed, the natural frequencies of the blades fall abruptly. This is schematically in FIG. 2 shown.
  • Each coupling unit preferably has a radial coupling surface via which the coupling units can be coupled to one another, wherein a section of the coupling surface leading in the direction of unwinding of the blade of the respective blade is farther from the blade than a section of the decoupling surface trailing in the direction of unwinding of the blade. In this way, a positive connection between the coupling units can be formed for coupling the coupling units.
  • the coupling surfaces may be flat, curved or wave-shaped.
  • means which can be brought into engagement with one another mechanically can also be provided on mutually coupling surfaces which are brought out of engagement with one another by a displacement or rotation of the coupling units.
  • magnetic field generating means may be provided on coupling units which exert a restoring force on decoupled coupling units in the direction of a coupling position.
  • At least one coupling unit is preferably plate-shaped and has a surface which is larger than the cross-sectional area of the blade of the respective blade, wherein the blade is connectable to a central region of the surface of the coupling unit, that the coupling unit transversely to the Airfoil extends.
  • the plate-shaped coupling unit can be designed in such a way that it can be correspondingly coupled via it to a moving blade with two moving blades arranged adjacent to the moving blade.
  • the coupling unit may be connected to a free end of the airfoil of the respective blade or to a central portion of the airfoil. All coupling units of the arrangement can also be designed in a plate-shaped manner, in particular identically.
  • the surface of the coupling unit is designed as a parallelogram with diagonals of different lengths.
  • One side of the parallelogram may form the coupling surface of the coupling unit.
  • At least one coupling unit is preferably designed rod-shaped, wherein the blade of the respective blade is connectable to one end of the coupling unit or wherein the coupling unit can be arranged on the blade by the blade of the respective blade extending. It can also be formed rod-shaped all coupling units of the arrangement.
  • a rod-shaped coupling unit may be formed similar to a snubber.
  • the rotor blade according to the invention for a rotor of a fluid energy machine in particular a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like, comprises an airfoil and at least one coupling unit arranged on the airfoil for temporarily coupling the rotor blade to one adjacent to the rotor blade on the rotor Anordbare, identically formed further blade, characterized in that the coupling unit is designed such that it couples until reaching a predetermined rotor speed to the coupling unit of the further blade and from reaching the predetermined rotor speed due to a consequent centrifugal force development of the airfoil and consequent displacement the coupling unit of the coupling unit of the further blade decoupled.
  • the advantages mentioned above with respect to the arrangement are connected accordingly.
  • the coupling unit preferably has a radial coupling surface via which the coupling unit can be coupled to the coupling unit of the further blade, wherein a section of the coupling surface leading in the direction of unwinding of the blade blade is farther from the blade than a section of the decoupling surface trailing in the direction of unwinding of the blade.
  • the coupling unit is preferably plate-shaped and has a surface which is larger than the cross-sectional area of the airfoil, wherein the airfoil is connected to a central region of the surface of the coupling unit such that the coupling unit extends transversely to the airfoil.
  • the surface of the coupling unit is preferably designed as a parallelogram with diagonals of different lengths.
  • the coupling unit is rod-shaped, wherein the airfoil is connected to one end of the coupling unit or wherein the coupling unit is arranged to extend through the airfoil on the airfoil.
  • the rotor unit according to the invention for a fluid energy machine comprises a rotor and a plurality of circumferentially disposed on the rotor blades, wherein at least two adjacently arranged blades are formed according to one of the aforementioned embodiments or any combination thereof ,
  • a fluid energy machine in particular a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like
  • the advantages mentioned above with respect to the arrangement or the blade are connected accordingly.
  • all blades of the rotor unit are formed accordingly.
  • the fluid energy machine according to the invention in particular gas turbine, steam turbine, compressor or the like, comprises at least one aforementioned rotor unit.
  • the blades are decoupled from reaching a predetermined rotor speed.
  • FIG. 3 shows an exemplary diagram in which the speed n of a rotor on the abscissa against the natural frequency f E of a blade is plotted on the ordinate.
  • the speed harmonics 1 of the rotor is not cut by any natural frequency 2, 3 or 4 of the blade.
  • the first natural frequency 2 of the blade intersects the speed harmonics 5, 6 and 7 of the rotor.
  • the second natural frequency 3 of the blade intersects the speed harmonics 6 and 7 of the rotor.
  • the third natural frequency 4 of the blade intersects the speed harmonics 7 of the rotor.
  • FIG. 4 shows a detailed view of a plan view of an exemplary embodiment of a rotor unit 8 according to the invention for a fluid energy machine, not shown, in particular a gas turbine, a steam turbine, a compressor or the like.
  • the rotor unit 8 comprises a rotor, not shown, and a plurality of circumferentially arranged on the rotor, identically formed blades 9, wherein in the FIGS. 4 to 7 only two juxtaposed blades 9 are shown.
  • Each blade 9 comprises an airfoil 10 and a coupling unit 11 arranged on the airfoil 10 for temporarily coupling the blade 9 to an identically formed further blade 9 arranged adjacent to the blade 9 on the rotor.
  • the coupling units 11 are parts of a temporary arrangement 19 Coupling the blades 9 adjacent to each other on the rotor.
  • Each coupling unit 11 is plate-shaped and has a surface which is larger than the cross-sectional area of the airfoil 10 of the respective blade 9 is formed.
  • An airfoil 10 of a blade 9 is so with a central region of the surface of the coupling unit 11 of the blade 9, that the coupling unit 11 extends transversely to the blade 10.
  • the surface of each coupling unit 11 is formed as a parallelogram with diagonals of different lengths.
  • the coupling units 11 are thus designed such that they couple to the coupling units 11 of the respective adjacent blades 9 until reaching a predeterminable rotor speed n E and from reaching the predetermined rotor speed n E due to a consequent centrifugal force development of the blades 10 and a consequent displacement or Turning off the coupling units 11 from the coupling units 11 of the respective adjacent blades 9 decouple.
  • Each coupling unit 11 has a radial coupling surface 12, via which the respective coupling unit 11 can be coupled to the coupling units 11 of the respective adjacent blades 9.
  • a section 13 of the coupling surface 12 leading in the unwinding direction E of the respective airfoil 10 is farther from the airfoil 10 than a section 14 of the coupling surface 12 following in the unwinding direction E of the airfoil 10.
  • FIG. 5 shows a detailed view of a top view of the in FIG. 4 shown embodiment of a rotor unit 8 according to the invention from the attainment of the predetermined rotor speed n e . Due to the centrifugal force development of the blades 10 of the blades 9, the coupling units 11 have been displaced or rotated counterclockwise, whereby the coupling surfaces 12 of coupling units 11 of adjacently arranged blades 9 have moved away from each other. As a result, the blades 9 are decoupled from each other.
  • FIG. 6 shows a detailed view of a plan view of another exemplary embodiment of a rotor unit 8 according to the invention before reaching the predetermined Rotor speed n E.
  • the rotor blades 9 have rod-shaped coupling units 15, wherein the coupling units 15 are arranged on the blade blades 10 extending through the blades 10.
  • the coupling units 15 are thus designed such that they couple to the coupling units 15 of the respective adjacent blades 9 until a predeterminable rotor speed n E is reached and from the predeterminable rotor speed n E due to a consequent centrifugal force development of the blades 10 and a consequent displacement respectively Turning off the coupling units 15 from the coupling units 15 of the respective adjacent blades 9 decouple.
  • Each coupling unit 15 has a radial coupling surface 16, via which the respective coupling unit 15 can be coupled to the coupling units 15 of the respective adjacent blades 9.
  • a section 17 of the coupling surface 16 leading in the unwinding direction E of the respective airfoil 10 is farther from the airfoil 10 than a section 18 of the coupling surface 16 following in the unwinding direction E of the airfoil 10.
  • FIG. 7 shows a detailed view of a top view of the in FIG. 6 shown embodiment of a rotor unit 8 according to the invention from the attainment of the predetermined rotor speed n e . Due to the centrifugal force development of the blades 10 of the blades 9, the coupling units 15 have been displaced or rotated counterclockwise, whereby the coupling surfaces 16 of coupling units 15 of adjacently arranged blades 9 have moved away from each other. As a result, the blades 9 are decoupled from each other.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (19) zum zeitweiligen Koppeln von zwei benachbart zueinander an einem Läufer einer Fluidenergiemaschine, insbesondere einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen, angeordneten Laufschaufeln (9), aufweisend wenigstens eine an einem Schaufelblatt (10) der einen Laufschaufel (9) anordbare Kopplungseinheit (11, 15) und wenigstens eine an einem Schaufelblatt (10) der anderen Laufschaufel (9) anordbare weitere Kopplungseinheit (11, 15), dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinheiten (11, 15) derart ausgebildet sind, dass sie bis zum Erreichen einer vorgebbaren Läuferdrehzahl (n E ) aneinander koppeln und ab Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl (n E ) aufgrund einer dadurch bedingten Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter (10) der Laufschaufeln (9) und einer dadurch bedingten Verlagerung der Kopplungseinheiten (11, 15) voneinander entkoppeln.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum zeitweiligen Koppeln von zwei benachbart zueinander an einem Läufer einer Fluidenergiemaschine, insbesondere einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen, angeordneten Laufschaufeln, aufweisend wenigstens eine an einem Schaufelblatt der einen Laufschaufel anordbare Kopplungseinheit und wenigstens eine an einem Schaufelblatt der anderen Laufschaufel anordbare weitere Kopplungseinheit.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Laufschaufel für einen Läufer einer Fluidenergiemaschine, insbesondere einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen, aufweisend ein Schaufelblatt und wenigstens eine an dem Schaufelblatt angeordnete Kopplungseinheit zum zeitweiligen Koppeln der Laufschaufel an eine benachbart zu der Laufschaufel an dem Läufer anordbare, gleich ausgebildete weitere Laufschaufel.
  • Auch betrifft die Erfindung eine Läufereinheit für eine Fluidenergiemaschine, insbesondere eine Gasturbine, eine Dampfturbine, einen Verdichter oder dergleichen, aufweisend einen Läufer und mehrere umfänglich an dem Läufer angeordnete Laufschaufeln.
  • Zudem betrifft die Erfindung eine Fluidenergiemaschine, insbesondere eine Gasturbine, eine Dampfturbine, einen Verdichters oder dergleichen.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Koppeln von zwei benachbart zueinander an einem Läufer einer Fluidenergiemaschine, insbesondere einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen, angeordneten, aneinander gekoppelten Laufschaufeln.
  • Beim Betrieb einer Fluidenergiemaschine, beispielsweise einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen, werden beim Ändern der Drehzahl eines Läufers der Fluidenergiemaschine, beispielsweise beim An- und Abfahren, Läuferdrehzahlen durchlaufen, bei denen Eigenfrequenzen von an dem Läufer angeordneten Laufschaufeln mit Drehzahlharmonischen des Läufers zusammenfallen, wodurch die Laufschaufeln in Resonanz laufen.
  • Durch einen entsprechenden Resonanzzustand einer Laufschaufel wird die Laufschaufel zu Schwingungen angeregt, wobei die Anregung der Laufschaufel von der jeweiligen Schwingungsart der Laufschaufel und einem gegebenen Vielfachen der jeweiligen Drehzahl des Läufers abhängt.
  • Um die genannten Resonanzzustände von Laufschaufeln weitestgehend vermeiden zu können, werden Eigenfrequenzen von Laufschaufeln bei der Auslegung der Laufschaufeln bei Nenndrehzahl derart abgestimmt, dass möglichst keine Eigenfrequenz einer Laufschaufel mit einer Drehzahlharmonischen eines Läufers in Resonanz liegt. Dennoch schneiden die Eigenfrequenzen der Laufschaufeln beim transienten Betrieb einer Fluidenergiemaschine, also bei An- oder Abfahrt, zwangsläufig die Drehzahlharmonischen des Läufers, wodurch die Laufschaufeln wenigstens einen einer Resonanzstelle zugeordneten Resonanzzustand durchlaufen.
  • Um derartige Resonanzen insbesondere von niedrigen Eigenfrequenzen von Laufschaufeln mit Drehzahlharmonischen des Läufers zu vermeiden, kann eine Laufschaufel beispielsweise derart ausgebildet werden, dass zumindest eine Eigenfrequenz der Laufschaufel keine Drehzahlharmonische des Läufers schneidet. Dies gelingt technisch effizient allerdings nur bis zu einer beschränkten Laufschaufellänge.
  • Des Weiteren können Kopplungselemente verwendet werden, um einen an einem Läufer umfänglich angeordneten Laufschaufelverband in sich zu koppeln und hierdurch zumindest eine Eigenfrequenz des Laufschaufelverbundes deutlich zu steigern. Als Kopplungselemente können beispielsweise Deckplatten, Dämpferdrähte oder sogenannte "Snubber" eingesetzt werden. Letzteres ist beispielsweise aus US 2011/0194939 A1 und US 2011/0142650 A1 bekannt.
  • Herkömmliche Deckplatten und Snubber sind derart ausgelegt, dass diese im Stillstand einer Fluidenergiemaschine nicht in Kontakt miteinander stehen und erst ab einer bestimmten Drehzahl des Läufers der Fluidenergiemaschine in Kontakt miteinander kommen und hierdurch den umfänglich an dem Läufer angeordneten Laufschaufelverbund in sich koppeln. Ursächlich für diesen Effekt sind eine Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter der Laufschaufeln und eine dadurch bewirkte Verlagerung der Kopplungselemente. Durch die Kopplung der Laufschaufeln steigen die Eigenfrequenzen der Laufschaufeln deutlich an, wodurch ein Resonanzdurchgang zumindest einer Eigenfrequenz der Laufschaufeln durch eine Drehzahlharmonische des Läufers vermieden werden kann. Dies ist schematisch in Figur 1 dargestellt, welche ein Diagramm zeigt, bei dem die Drehzahl n eines Läufers auf der Abszisse gegen die Eigenfrequenz fE einer Laufschaufel auf der Ordinate aufgetragen ist. Es sind Drehzahlharmonische 1, 5, 6, 7 des Läufers, die erste Eigenfrequenz 2 der Laufschaufel, die zweite Eigenfrequenz 3 der Laufschaufel und die dritte Eigenfrequenz 4 der Laufschaufel dargestellt. Die Schnittpunkte der Eigenfrequenzen 2 und 3 der Laufschaufel mit den Drehzahlharmonischen 6 bzw. 7 des Läufers symbolisieren Resonanzstellen der Eigenfrequenzen 2 und 3 der Laufschaufeln mit den Drehzahlharmonischen 6 bzw. 7 des Läufers. Ab einer bestimmten Drehzahl nK des Läufers erfolgt eine Kopplung der an dem Läufer angeordneten Laufschaufeln miteinander.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue technische Möglichkeit zur Vermeidung eines Resonanzdurchgangs von wenigstens einer Eigenfrequenz von umfänglich an einem Läufer einer Fluidenergiemaschine angeordneten Laufschaufeln durch zumindest eine relevante Drehzahlharmonische des Läufers zu schaffen.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung zum zeitweiligen Koppeln von zwei benachbart zueinander an einem Läufer einer Fluidenergiemaschine, insbesondere einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen, angeordneten Laufschaufeln, umfasst wenigstens eine an einem Schaufelblatt der einen Laufschaufel anordbare Kopplungseinheit und wenigstens eine an einem Schaufelblatt der anderen Laufschaufel anordbare weitere Kopplungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinheiten derart ausgebildet sind, dass sie bis zum Erreichen einer vorgebbaren Läuferdrehzahl aneinander koppeln und ab Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl aufgrund einer dadurch bedingten Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter der Laufschaufeln und einer dadurch bedingten Verlagerung der Kopplungseinheiten voneinander entkoppeln.
  • Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Stand der Technik erfolgt gemäß der Erfindung ab einer vorgebbaren Läuferdrehzahl statt einer Kopplung von ungekoppelten Laufschaufeln eine Entkopplung von gekoppelten Laufschaufeln. Erreicht wird dies durch die Ausnutzung der im Betrieb einer Fluidenergiemaschine zwangsläufig auftretenden Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter der Laufschaufeln und einer speziellen Ausbildung der Kopplungseinheiten. Die Eigenfrequenzen der bei niedrigen Läuferdrehzahlen über die Kopplungseinheiten aneinander gekoppelten Laufschaufeln liegen bis zur erfindungsgemäßen Entkopplung der Laufschaufeln auf einem relativ hohen Niveau. Ab dem erfindungsgemäßen Entkoppeln der Laufschaufeln ab Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl fallen die Eigenfrequenzen der Laufschaufeln sprunghaft ab. Dies ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Bei einer bestimmten Drehzahl nE des Läufers erfolgt eine Entkopplung der an dem Läufer angeordneten Laufschaufeln. Hierdurch wird ein Resonanzdurchgang von Eigenfrequenzen der Laufschaufeln durch Drehzahlharmonische des Läufers, beispielsweise bis zum Erreichen der Nenndrehzahl des Läufers, wirksam vermieden.
  • Bevorzugt weist jede Kopplungseinheit eine radiale Kopplungsfläche auf, über welche die Kopplungseinheiten aneinander koppelbar sind, wobei ein in Entwindungsrichtung des Schaufelblatts der jeweiligen Laufschaufel vorauslaufender Abschnitt der Kopplungsfläche weiter von dem Schaufelblatt entfernt ist als ein in Entwindungsrichtung des Schaufelblatts nachlaufender Abschnitt der Entkopplungsfläche. Hierdurch kann zum Koppeln der Kopplungseinheiten ein Formschluss zwischen den Kopplungseinheiten ausgebildet werden. Dadurch, dass ein in Entwindungsrichtung des Schaufelblatts der jeweiligen Laufschaufel vorauslaufender Abschnitt der Kopplungsfläche weiter von dem Schaufelblatt entfernt ist als ein in Entwindungsrichtung des Schaufelblatts nachlaufender Abschnitt der Entkopplungsfläche, kann bei auftretender Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter der Laufschaufeln eine Entkopplung der Kopplungseinheiten erfolgen, indem sich die Kopplungsflächen durch die mit der Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter verbundene Verlagerung bzw. Drehung der Kopplungseinheiten voneinander entfernen. Die Kopplungsflächen können eben, gewölbt oder wellenförmig ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können an aneinander koppelnden Kopplungsflächen auch mechanisch in Eingriff miteinander bringbare Mittel vorhanden sein, welche durch eine Verlagerung bzw. Drehung der Kopplungseinheiten außer Eingriff miteinander gebracht werden. Zudem können beispielsweise magnetfelderzeugende Mittel an Kopplungseinheiten vorhanden sein, welche in Richtung einer Koppelstellung eine rückstellende Kraft auf entkoppelte Kopplungseinheiten ausüben.
  • Wenigstens eine Kopplungseinheit ist bevorzugt plattenförmig ausgebildet und weist eine Fläche auf, welche größer als die Querschnittsfläche des Schaufelblatts der jeweiligen Laufschaufel ausgebildet ist, wobei das Schaufelblatt derart mit einem mittleren Bereich der Fläche der Kopplungseinheit verbindbar ist, dass sich die Kopplungseinheit quer zu dem Schaufelblatt erstreckt. Die plattenförmig ausgebildete Kopplungseinheit kann hierbei derart ausgebildet sein, dass über sie eine Laufschaufel mit zwei benachbart zu der Laufschaufel angeordneten Laufschaufeln entsprechend gekoppelt werden kann. Die Kopplungseinheit kann mit einem freien Ende des Schaufelblatts der jeweiligen Laufschaufel oder mit einem mittleren Abschnitt des Schaufelblatts verbunden werden. Es können auch alle Kopplungseinheiten der Anordnung entsprechend, insbesondere identisch, plattenförmig ausgebildet sein.
  • Bevorzugt ist die Fläche der Kopplungseinheit als Parallelogramm mit unterschiedlich langen Diagonalen ausgebildet. Eine Seite des Parallelogramms kann die Kopplungsfläche der Kopplungseinheit ausbilden. Durch die Wahl eines Parallelogramms mit unterschiedlich langen Diagonalen kann bei auftretender Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter der Laufschaufeln eine Entkopplung der Kopplungseinheiten erfolgen, indem sich die Kopplungsflächen durch die mit der Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter verbundene Verlagerung bzw. Drehung der Kopplungseinheiten voneinander entfernen.
  • Wenigstens eine Kopplungseinheit ist bevorzugt stabförmig ausgebildet, wobei das Schaufelblatt der jeweiligen Laufschaufel mit einem Ende der Kopplungseinheit verbindbar ist oder wobei die Kopplungseinheit durch das Schaufelblatt der jeweiligen Laufschaufel verlaufend an dem Schaufelblatt anordbar ist. Es können auch alle Kopplungseinheiten der Anordnung stabförmig ausgebildet sein. Eine stabförmig ausgebildete Kopplungseinheit kann ähnlich einem Snubber ausgebildet sein.
  • Die erfindungsgemäße Laufschaufel für einen Läufer einer Fluidenergiemaschine, insbesondere einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen, umfasst ein Schaufelblatt und wenigstens eine an dem Schaufelblatt angeordnete Kopplungseinheit zum zeitweiligen Koppeln der Laufschaufel an eine benachbart zu der Laufschaufel an dem Läufer anordbare, gleich ausgebildete weitere Laufschaufel, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinheit derart ausgebildet ist, dass sie bis zum Erreichen einer vorgebbaren Läuferdrehzahl an die Kopplungseinheit der weiteren Laufschaufel koppelt und ab Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl aufgrund einer dadurch bedingten Fliehkraftentwindung des Schaufelblatts und einer dadurch bedingten Verlagerung der Kopplungseinheit von der Kopplungseinheit der weiteren Laufschaufel entkoppelt. Mit dieser Laufschaufel sind die oben mit Bezug auf die Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Bevorzugt weist die Kopplungseinheit eine radiale Kopplungsfläche auf, über welche die Kopplungseinheit an die Kopplungseinheit der weiteren Laufschaufel koppelbar ist, wobei ein in Entwindungsrichtung des Schaufelblatts vorauslaufender Abschnitt der Kopplungsfläche weiter von dem Schaufelblatt entfernt ist als ein in Entwindungsrichtung des Schaufelblatts nachlaufender Abschnitt der Entkopplungsfläche. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Die Kopplungseinheit ist bevorzugt plattenförmig ausgebildet und weist eine Fläche auf, welche größer als die Querschnittsfläche des Schaufelblatts ausgebildet ist, wobei das Schaufelblatt derart mit einem mittleren Bereich der Fläche der Kopplungseinheit verbunden ist, dass sich die Kopplungseinheit quer zu dem Schaufelblatt erstreckt. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Die Fläche der Kopplungseinheit ist bevorzugt als Parallelogramm mit unterschiedlich langen Diagonalen ausgebildet. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Bevorzugt ist die Kopplungseinheit stabförmig ausgebildet, wobei das Schaufelblatt mit einem Ende der Kopplungseinheit verbunden ist oder wobei die Kopplungseinheit durch das Schaufelblatt verlaufend an dem Schaufelblatt angeordnet ist. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Die erfindungsgemäße Läufereinheit für eine Fluidenergiemaschine, insbesondere eine Gasturbine, eine Dampfturbine, einen Verdichter oder dergleichen, umfasst einen Läufer und mehrere umfänglich an dem Läufer angeordnete Laufschaufeln, wobei wenigstens zwei benachbart zueinander angeordnete Laufschaufeln gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben ausgebildet sind. Mit dieser Läufereinheit sind die oben mit Bezug auf die Anordnung bzw. die Laufschaufel genannten Vorteile entsprechend verbunden. Vorzugsweise sind alle Laufschaufeln der Läufereinheit entsprechend ausgebildet.
  • Die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine, insbesondere Gasturbine, Dampfturbine, Verdichter oder dergleichen, umfasst wenigstens eine vorgenannte Läufereinheit. Hiermit sind die oben mit Bezug auf die Anordnung bzw. die Laufschaufel genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Koppeln von zwei benachbart zueinander an einem Läufer einer Fluidenergiemaschine, insbesondere einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen, angeordneten, aneinander gekoppelten Laufschaufeln, werden die Laufschaufeln ab Erreichen einer vorgebbaren Läuferdrehzahl voneinander entkoppelt. Mit diesem Verfahren sind die oben mit Bezug auf die Anordnung bzw. die Laufschaufel genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Läufereinheit anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Diagramm bezüglich einer herkömmlichen zeitweiligen Kopplung von Laufschaufeln,
    Fig. 2
    ein Diagramm bezüglich einer erfindungsgemäßen zeitweiligen Kopplung von Laufschaufeln,
    Fig. 3
    ein Diagramm bezüglich der Abhängigkeit der Eigenfrequenzen einer ungekoppelten Laufschaufel von der Drehzahl eines mit der Laufschaufel versehenen Läufers,
    Fig. 4
    eine Detaildarstellung einer Draufsicht auf eine beispielshafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Läufereinheit vor dem Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl,
    Fig. 5
    eine Detaildarstellung einer Draufsicht auf die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Läufereinheit ab dem Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl,
    Fig. 6
    eine Detaildarstellung einer Draufsicht auf eine weitere beispielshafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Läufereinheit vor dem Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl, und
    Fig. 7
    eine Detaildarstellung einer Draufsicht auf die in Figur 6 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Läufereinheit ab dem Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl.
  • Figur 3 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, bei dem die Drehzahl n eines Läufers auf der Abszisse gegen die Eigenfrequenz fE einer Laufschaufel auf der Ordinate aufgetragen ist. Die Drehzahlharmonische 1 des Läufers wird von keiner Eigenfrequenz 2, 3 oder 4 der Laufschaufel geschnitten. Die erste Eigenfrequenz 2 der Laufschaufel schneidet die Drehzahlharmonischen 5, 6 und 7 des Läufers. Die zweite Eigenfrequenz 3 der Laufschaufel schneidet die Drehzahlharmonischen 6 und 7 des Läufers. Die dritte Eigenfrequenz 4 der Laufschaufel schneidet die Drehzahlharmonische 7 des Läufers. Diese Schnittpunkte symbolisieren Resonanzstellen der Eigenfrequenzen 2, 3 und 4 der Laufschaufeln mit den Drehzahlharmonischen 5, 6 bzw. 7 des Läufers.
  • Figur 4 zeigt eine Detaildarstellung einer Draufsicht auf eine beispielshafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Läufereinheit 8 für eine nicht näher dargestellte Fluidenergiemaschine, insbesondere eine Gasturbine, eine Dampfturbine, einen Verdichter oder dergleichen. Die Läufereinheit 8 umfasst einen nicht gezeigten Läufer und mehrere umfänglich an dem Läufer angeordnete, gleich ausgebildete Laufschaufeln 9, wobei in den Figuren 4 bis 7 lediglich zwei benachbart zueinander angeordnete Laufschaufeln 9 dargestellt sind.
  • Jede Laufschaufel 9 umfasst ein Schaufelblatt 10 und eine an dem Schaufelblatt 10 angeordnete Kopplungseinheit 11 zum zeitweiligen Koppeln der Laufschaufel 9 an eine benachbart zu der Laufschaufel 9 an dem Läufer angeordnete, gleich ausgebildete weitere Laufschaufel 9. Die Kopplungseinheiten 11 sind Teile einer Anordnung 19 zum zeitweiligen Koppeln der benachbart zueinander an dem Läufer angeordneten Laufschaufeln 9.
  • Jede Kopplungseinheit 11 ist plattenförmig ausgebildet und weist eine Fläche auf, welche größer als die Querschnittsfläche des Schaufelblatts 10 der jeweiligen Laufschaufel 9 ausgebildet ist. Ein Schaufelblatt 10 einer Laufschaufel 9 ist derart mit einem mittleren Bereich der Fläche der Kopplungseinheit 11 der Laufschaufel 9 verbunden, dass sich die Kopplungseinheit 11 quer zu dem Schaufelblatt 10 erstreckt. Die Fläche jeder Kopplungseinheit 11 ist als Parallelogramm mit unterschiedlich langen Diagonalen ausgebildet.
  • Die Kopplungseinheiten 11 sind somit derart ausgebildet, dass sie bis zum Erreichen einer vorgebbaren Läuferdrehzahl nE an die Kopplungseinheiten 11 der jeweils benachbarten Laufschaufeln 9 koppeln und ab Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl nE aufgrund einer dadurch bedingten Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter 10 und einer dadurch bedingten Verlagerung bzw. Drehung der Kopplungseinheiten 11 von den Kopplungseinheiten 11 der jeweils benachbarten Laufschaufeln 9 entkoppeln.
  • Jede Kopplungseinheit 11 weist eine radiale Kopplungsfläche 12 auf, über welche die jeweilige Kopplungseinheit 11 an die Kopplungseinheiten 11 der jeweils benachbarten Laufschaufeln 9 koppelbar ist. Ein in Entwindungsrichtung E des jeweiligen Schaufelblatts 10 vorauslaufender Abschnitt 13 der Kopplungsfläche 12 ist weiter von dem Schaufelblatt 10 entfernt ist als ein in Entwindungsrichtung E des Schaufelblatts 10 nachlaufender Abschnitt 14 der Kopplungsfläche 12.
  • Figur 5 zeigt eine Detaildarstellung einer Draufsicht auf die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Läufereinheit 8 ab dem Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl nE. Durch die Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter 10 der Laufschaufeln 9 sind die Kopplungseinheiten 11 verlagert bzw. im Gegenuhrzeigersinn gedreht worden, wodurch die Kopplungsflächen 12 von Kopplungseinheiten 11 von benachbart zueinander angeordneten Laufschaufeln 9 sich voneinander entfernt haben. Hierdurch sind die Laufschaufeln 9 voneinander entkoppelt.
  • Figur 6 zeigt eine Detaildarstellung einer Draufsicht auf eine weitere beispielshafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Läufereinheit 8 vor dem Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl nE. Im Unterschied zu dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Laufschaufeln 9 stabförmig ausgebildete Kopplungseinheiten 15 auf, wobei die Kopplungseinheiten 15 durch die Schaufelblätter 10 verlaufend an den Schaufelblättern 10 angeordnet sind.
  • Die Kopplungseinheiten 15 sind somit derart ausgebildet, dass sie bis zum Erreichen einer vorgebbaren Läuferdrehzahl nE an die Kopplungseinheiten 15 der jeweils benachbarten Laufschaufeln 9 koppeln und ab Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl nE aufgrund einer dadurch bedingten Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter 10 und einer dadurch bedingten Verlagerung bzw. Drehung der Kopplungseinheiten 15 von den Kopplungseinheiten 15 der jeweils benachbarten Laufschaufeln 9 entkoppeln.
  • Jede Kopplungseinheit 15 weist eine radiale Kopplungsfläche 16 auf, über welche die jeweilige Kopplungseinheit 15 an die Kopplungseinheiten 15 der jeweils benachbarten Laufschaufeln 9 koppelbar ist. Ein in Entwindungsrichtung E des jeweiligen Schaufelblatts 10 vorauslaufender Abschnitt 17 der Kopplungsfläche 16 ist weiter von dem Schaufelblatt 10 entfernt ist als ein in Entwindungsrichtung E des Schaufelblatts 10 nachlaufender Abschnitt 18 der Kopplungsfläche 16.
  • Figur 7 zeigt eine Detaildarstellung einer Draufsicht auf die in Figur 6 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Läufereinheit 8 ab dem Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl nE. Durch die Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter 10 der Laufschaufeln 9 sind die Kopplungseinheiten 15 verlagert bzw. im Gegenuhrzeigersinn gedreht worden, wodurch die Kopplungsflächen 16 von Kopplungseinheiten 15 von benachbart zueinander angeordneten Laufschaufeln 9 sich voneinander entfernt haben. Hierdurch sind die Laufschaufeln 9 voneinander entkoppelt.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (13)

  1. Anordnung (19) zum zeitweiligen Koppeln von zwei benachbart zueinander an einem Läufer einer Fluidenergiemaschine, insbesondere einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen,
    angeordneten Laufschaufeln (9), aufweisend wenigstens eine an einem Schaufelblatt (10) der einen Laufschaufel (9) anordbare Kopplungseinheit (11, 15) und wenigstens eine an einem Schaufelblatt (10) der anderen Laufschaufel (9) anordbare weitere Kopplungseinheit (11, 15),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kopplungseinheiten (11, 15) derart ausgebildet sind, dass sie bis zum Erreichen einer vorgebbaren Läuferdrehzahl (nE) aneinander koppeln und ab Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl (nE) aufgrund einer dadurch bedingten Fliehkraftentwindung der Schaufelblätter (10) der Laufschaufeln (9) und einer dadurch bedingten Verlagerung der Kopplungseinheiten (11, 15) voneinander entkoppeln.
  2. Anordnung (19) gemäß Anspruch 1,
    wobei jede Kopplungseinheit (11, 15) eine radiale Kopplungsfläche (12, 16) aufweist, über welche die Kopplungseinheiten (11, 15) aneinander koppelbar sind,
    wobei ein in Entwindungsrichtung (E) des Schaufelblatts (10) der jeweiligen Laufschaufel (9) vorauslaufender Abschnitt (13, 17) der Kopplungsfläche (12, 16) weiter von dem Schaufelblatt (10) entfernt ist als ein in Entwindungsrichtung (E) des Schaufelblatts (10) nachlaufender Abschnitt (14, 18) der Entkopplungsfläche (12, 16).
  3. Anordnung (19) gemäß Anspruch 1 oder 2,
    wobei wenigstens eine Kopplungseinheit (11) plattenförmig ausgebildet ist und eine Fläche aufweist, welche größer als die Querschnittsfläche des Schaufelblatts (10) der jeweiligen Laufschaufel (9) ausgebildet ist,
    wobei das Schaufelblatt (10) derart mit einem mittleren Bereich der Fläche der Kopplungseinheit (11) verbindbar ist, dass sich die Kopplungseinheit (11) quer zu dem Schaufelblatt (10) erstreckt.
  4. Anordnung (19) gemäß Anspruch 3,
    wobei die Fläche der Kopplungseinheit (11) als Parallelogramm mit unterschiedlich langen Diagonalen ausgebildet ist.
  5. Anordnung (19) gemäß Anspruch 1 oder 2,
    wobei wenigstens eine Kopplungseinheit (15) stabförmig ausgebildet ist,
    wobei das Schaufelblatt (10) der jeweiligen Laufschaufel (9) mit einem Ende der Kopplungseinheit (10) verbindbar ist oder
    wobei die Kopplungseinheit (15) durch das Schaufelblatt (10) der jeweiligen Laufschaufel (9) verlaufend an dem Schaufelblatt (10) anordbar ist.
  6. Laufschaufel (9) für einen Läufer einer Fluidenergiemaschine,
    insbesondere einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen,
    aufweisend ein Schaufelblatt (10) und wenigstens eine an dem Schaufelblatt (10) angeordnete Kopplungseinheit (11, 15) zum zeitweiligen Koppeln der Laufschaufel (9) an eine benachbart zu der Laufschaufel (9) an dem Läufer anordbare, gleich ausgebildete weitere Laufschaufel (9),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kopplungseinheit (11, 15) derart ausgebildet ist, dass sie bis zum Erreichen einer vorgebbaren Läuferdrehzahl (nE) an die Kopplungseinheit (11, 15) der weiteren Laufschaufel (9) koppelt und ab Erreichen der vorgebbaren Läuferdrehzahl (nE) aufgrund einer dadurch bedingten Fliehkraftentwindung des Schaufelblatts (10) und einer dadurch bedingten Verlagerung der Kopplungseinheit (11, 15) von der Kopplungseinheit (11, 15) der weiteren Laufschaufel (9) entkoppelt.
  7. Laufschaufel (9) gemäß Anspruch 6,
    wobei die Kopplungseinheit (11, 15) eine radiale Kopplungsfläche (12, 16) aufweist, über welche die Kopplungseinheit (11, 15) an die Kopplungseinheit (11, 15) der weiteren Laufschaufel (9) koppelbar ist,
    wobei ein in Entwindungsrichtung (E) des Schaufelblatts (10) vorauslaufender Abschnitt (13, 17) der Kopplungsfläche (12, 16) weiter von dem Schaufelblatt (10) entfernt ist als ein in Entwindungsrichtung (E) des Schaufelblatts (10) nachlaufender Abschnitt (14, 18) der Entkopplungsfläche (12, 16).
  8. Laufschaufel (9) gemäß Anspruch 6 oder 7,
    wobei die Kopplungseinheit (11) plattenförmig ausgebildet ist und eine Fläche aufweist, welche größer als die Querschnittsfläche des Schaufelblatts (10) ausgebildet ist,
    wobei das Schaufelblatt (10) derart mit einem mittleren Bereich der Fläche der Kopplungseinheit (11) verbunden ist, dass sich die Kopplungseinheit (11) quer zu dem Schaufelblatt (10) erstreckt.
  9. Laufschaufel (9) gemäß Anspruch 8,
    wobei die Fläche der Kopplungseinheit (11) als Parallelogramm mit unterschiedlich langen Diagonalen ausgebildet ist.
  10. Laufschaufel (9) gemäß Anspruch 6 oder 7,
    wobei die Kopplungseinheit (15) stabförmig ausgebildet ist, wobei das Schaufelblatt (10) mit einem Ende der Kopplungseinheit (15) verbunden ist oder
    wobei die Kopplungseinheit (15) durch das Schaufelblatt (10) verlaufend an dem Schaufelblatt (10) angeordnet ist.
  11. Läufereinheit (8) für eine Fluidenergiemaschine,
    insbesondere eine Gasturbine, eine Dampfturbine, einen Verdichter oder dergleichen,
    aufweisend einen Läufer und mehrere umfänglich an dem Läufer angeordnete Laufschaufeln (9),
    wobei wenigstens zwei benachbart zueinander angeordnete Laufschaufeln (9) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10 ausgebildet sind.
  12. Fluidenergiemaschine,
    insbesondere Gasturbine, Dampfturbine, Verdichter oder dergleichen,
    aufweisend wenigstens eine Läufereinheit (8) gemäß Anspruch 11.
  13. Verfahren zum Koppeln von zwei benachbart zueinander an einem Läufer einer Fluidenergiemaschine,
    insbesondere einer Gasturbine, einer Dampfturbine, eines Verdichters oder dergleichen,
    angeordneten, aneinander gekoppelten Laufschaufeln (9), wobei die Laufschaufeln (9) ab Erreichen einer vorgebbaren Läuferdrehzahl (nE) voneinander entkoppelt werden.
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