EP3269933A1 - Schaufelverband für eine strömungsmaschine - Google Patents

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EP3269933A1
EP3269933A1 EP16179447.4A EP16179447A EP3269933A1 EP 3269933 A1 EP3269933 A1 EP 3269933A1 EP 16179447 A EP16179447 A EP 16179447A EP 3269933 A1 EP3269933 A1 EP 3269933A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
slot
blade
circumferential direction
vane
cover plates
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Withdrawn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
EP16179447.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Beul
Stefan Brussk
Matthias CHLEBOWSKI
Sven Drees
Michael Görtz
Matthias Heue
Bora Kocdemir
Dirk Pfaller
Andreas Stiehm
Tilo Strobel
Fatih Temiz
Julian Timmermann
Michael Winkel
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
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Publication of EP3269933A1 publication Critical patent/EP3269933A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/10—Two-dimensional
    • F05D2250/15—Two-dimensional spiral

Definitions

  • the invention relates to a blade assembly comprising a plurality of turbine blades arranged about a rotation axis, wherein the turbine blades have a blade root, an airfoil and a cover plate, wherein the cover plates are arranged on the turbine blade tip, wherein the cover plates are arranged side by side in a circumferential direction, wherein the circumferential direction around the Rotation axis is directed.
  • turbomachines such as steam turbines are cooled for inspection purposes.
  • the warming up of these steam turbines should be as fast as possible. It is therefore desirable to shorten the startup time of a steam turbine.
  • the mass distribution in a steam turbine is different. Therefore, the different components also heat up at different speeds.
  • certain threshold values for the shaft temperature as well as for the steam temperature are taken into account so that a steam turbine is heated as quickly as possible.
  • the limit temperatures are chosen such that no plastic deformation occurs.
  • the hot steam heats the turbine blades, while the turbine shaft is at a different lower temperature than the temperature of the turbine blades is relatively cold. This could lead to unacceptable plastic deformation, which can however be avoided by the temperatures are below the limit temperatures. Nevertheless, the permissible temperature differences between the turbine blades and the turbine shaft are such that it leads to restrictions when starting the steam turbine.
  • Another way to shorten the startup can be done by lowering the gas turbine power, which leads to a decrease in the exhaust gas temperature and finally to a reduction in steam temperatures. This can be used in combined cycle power plants.
  • a blade assembly comprising a plurality of turbine blades arranged about a rotation axis, wherein the turbine blades have a blade root, an airfoil and a cover plate, wherein the cover plates are arranged on the turbine blade tip, wherein the cover plates are arranged in a circumferential direction next to each other, wherein the circumferential direction is directed around the axis of rotation, wherein in the cover plates slots are arranged such that a compression of the cover plates in the circumferential direction is possible.
  • the proposed solution thus goes the way to change the design of the cover plates.
  • the cover plates are compressed by thermal expansion in the composite. This is special then pronounced when high temperature differences between the turbine blade and the shaft occur, which is the case with a cold start or with the entry of ventilation.
  • the blade band is changed such that the shrouds each have a front and a back, wherein the surface normal of the front and back is formed substantially parallel to the rotation axis, wherein a slot in the front and a slot in the back is arranged.
  • the shroud protrudes on the blade tip in the circumferential direction over the blade, wherein each seen before and after the blade in the circumferential direction, the slots are arranged.
  • the slot is formed such that it is initially carried out straight from the front or back side straight and is then formed spirally.
  • the distance between the front and rear sides is s and the slot extends from the front and rear sides by 0.5 s to 0.8 s up to the rear or front side.
  • the FIG. 1 shows a turbine blade 1.
  • This turbine blade 1 is formed as a turbine blade and has a turbine blade root 2, which is hammer-shaped in this case on. Furthermore, the turbine blade 1 has a turbine blade tip 3. At this turbine blade tip 3, a cover plate 4 is arranged. Between the blade root 2 and the blade tip 3, a profiled blade 5 is arranged.
  • the turbine blade 1 is arranged in a rotor, not shown. In operation, the rotor rotates about a rotational axis not shown in a circumferential direction 6. In this circumferential direction 6 a plurality of turbine blades 1 are arranged, which means that a plurality of cover plates 4 are arranged in the circumferential direction 6 side by side. The juxtaposed turbine blades 1 thereby form a blade association.
  • FIG. 2 shows a plan view of a cover plate 4 according to the invention a turbine blade 1 of the blade association.
  • the FIG. 2 shows a plan view of the axis of rotation 7.
  • the cover plate 4 has a front side 8 and a rear side 9.
  • steam flows from a flow direction 10 in the direction of the blade 5.
  • a slot 11 is arranged such that a compression of the cover plate 4 in the circumferential direction 6 is possible.
  • a transient mode that means in an operation in which the temperature of the cover plate 4 can be influenced more strongly with respect to the temperature of the shaft, forces develop in the circumferential direction 6, which are caused by the fact that the cover plates 4 thermally expand and mutually lead to an upsetting force in the circumferential direction 6. Through the slots 11 a plastic deformation is avoided.
  • the front side 8 has a surface normal 12.
  • the rear side 9 likewise has a surface normal 12, wherein the surface normal 12 of the front side 8 and the surface normal of the rear side 9 are formed substantially parallel to the rotation axis 7.
  • the cover plates 4 are formed such that a slot 11 of the back 9 and a slot 11 in the front 8 is arranged.
  • the slot 11 protrudes beyond the blade 5.
  • the slot 11 is initially rectilinear, which is in the FIG. 2 is shown.
  • the distance between the front 8 and back 9 is s.
  • the slot 11 is formed in a first embodiment such that it extends from the front 8 and back 9 by 0.5s to 0.8s to the rear 9 and front 8.
  • FIG. 3 shows a trapezoidal slot 11. This trapezoidal slot 11 is disposed in the front 8 as well as in the back 9.
  • FIG. 4 shows a slot which is initially formed straight from the front 8 and 9 back side and then ends in a spiral shape.
  • FIG. 5 illustrated embodiment is the embodiment according to FIG. 4 similar in that the slot 11 also terminates in a spiral shape, the beginning of the slot 11 of the front 8 and back 9 is not rectilinear but arcuate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaufelverband für eine Dampfturbine, wobei jede Turbinenschaufel (1) eine Deckplatte (4) aufweist, die derart ausgebildet sind, dass die Deckplatten (4) berührend nebeneinander angeordnet sind, wobei die Deckplatten (4) jeweils zwei Schlitze (11) aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass eine Stauchung in einer Umfangsrichtung (6) wirksam vermieden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schaufelverband umfassend mehrerer um eine Rotationsachse angeordneter Turbinenschaufeln, wobei die Turbinenschaufeln einen Schaufelfuß, ein Schaufelblatt und eine Deckplatte ausweisen, wobei die Deckplatten an der Turbinenschaufelspitze angeordnet sind, wobei die Deckplatten in einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die Umfangsrichtung um die Rotationsachse gerichtet ist.
  • In modernen Kraftwerken werden Dampfturbinen eingesetzt, die mit einem heißen Wasserdampf beströmt werden, wobei die thermische Energie des heißen Dampfes in Rotationsenergie eines Rotors umgewandelt wird. Die Rotation des Rotors treibt einen Rotor eines elektrischen Generators an, wodurch elektrische Energie erzeugt wird.
  • Durch die Berücksichtigung des Einsatzes der erneuerbaren Energien ändert sich die Betriebsweise von Dampfturbinen in Dampf- bzw. GuD-Kraftwerken.
  • Desweiteren werden Strömungsmaschinen, wie zum Beispiel Dampfturbinen zu Revisionszwecken abgekühlt. Die Aufwärmung dieser Dampfturbinen sollte möglichst schnell erfolgen. Es ist daher erstrebenswert die Anfahrzeit einer Dampfturbine zu verkürzen. Die Massenverteilung in einer Dampfturbine ist unterschiedlich. Daher erwärmen sich die unterschiedlichen Bauteile auch unterschiedlich schnell. Heutzutage werden bestimmte Grenzwerte für die Wellentemperatur als auch für die Dampftemperatur berücksichtigt, damit eine Dampfturbine möglichst schnell erwärmt wird. Die Grenztemperaturen sind dabei derart gewählt, dass keine plastischen Verformungen entstehen. Durch den heißen Dampf erhitzen sich die Turbinenschaufeln, während die Turbinenwelle eine andere geringere Temperatur aufweist und gegenüber der Temperatur der Turbinenschaufeln vergleichsweise kalt ist. Dies könnte zu unzulässigen plastischen Verformungen führen, die allerdings dadurch vermieden werden können, indem die Temperaturen unter den Grenztemperaturen liegen. Dennoch sind die zulässigen Temperaturdifferenzen zwischen den Turbinenschaufeln und der Turbinenwelle derart, dass es zu Restriktionen beim Anfahren der Dampfturbine führt.
  • Um die Anfahrzeit zu verkürzen, werden derzeit geschweißte Schaufelpakete mit Dehnspalten zwischen den einzelnen Schaufelpaketen eingesetzt. Desweiteren wird mit einer externen Wassereinspritzung die Dampftemperatur abgesenkt und somit die Möglichkeit geschaffen, die Grenztemperatur zu unterschreiten.
  • Eine weitere Möglichkeit die Anfahrzeit zu verkürzen kann durch eine Absenkung der Gasturbinenleistung erfolgen, die zu einer Abnahme der Abgastemperatur und schließlich zu einer Minderung der Dampftemperaturen führt. Dies ist bei GuD-Kraftwerken einsetzbar.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, die Anfahrzeit einer Dampfturbine zu verkürzen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Schaufelverband umfassend mehrerer um eine Rotationsachse angeordneter Turbinenschaufeln, wobei die Turbinenschaufeln einen Schaufelfuß, ein Schaufelblatt und eine Deckplatte aufweisen, wobei die Deckplatten an der Turbinenschaufelspitze angeordnet sind, wobei die Deckplatten in einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die Umfangsrichtung um die Rotationsachse gerichtet ist, wobei in den Deckplatten Schlitze derart angeordnet sind, dass eine Stauchung der Deckplatten in der Umfangsrichtung möglich ist.
  • Die vorgeschlagene Lösung geht somit den Weg, das Design der Deckplatten zu ändern. Beim Anfahren werden die Deckplatten durch thermische Dehnung im Verbund gestaucht. Dies ist besonders dann ausgeprägt, wenn hohe Temperaturunterschiede zwischen der Turbinenschaufel und der Welle auftreten, was bei einem Kaltstart oder bei einem Eintritt von Ventilation der Fall ist.
  • Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, nicht die Dehnung zu verhindern, sondern auf den einzelnen Deckplatten erfindungsgemäße Bereiche zu schaffen, die die Dehnung des gesamten Verbundes aufnehmen können, ohne sich plastisch zu verformen.
  • Daher ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, Schlitze in die Deckbänder einzuarbeiten, die idealerweise meanderförmig ausgeprägt sein sollten, um keinen Strömungskanal zwischen der Druck- und der Saugseite zu öffnen. Dies bietet unter anderem den Vorteil, dass es nicht zu zusätzlichen Spaltverlusten kommt und ein Verschweißen der Schaufeln zu Paketen entfallen kann.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Merkmale der Unteransprüche können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
  • So wird in einer ersten vorteilhaften Weiterbildung das Schaufelband derart geändert, dass die Deckbänder jeweils eine Vorder- und eine Rückseite aufweisen, wobei die Flächennormale der Vorder- und Rückseite im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse ausgebildet ist, wobei ein Schlitz in der Vorderseite und ein Schlitz in der Rückseite angeordnet ist.
  • Durch diese Maßnahme wird der Spaltverlust weiter verringert.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ragt das Deckband an der Schaufelspitze in Umfangsrichtung über das Schaufelblatt, wobei jeweils vor und nach dem Schaufelblatt in Umfangsrichtung gesehen die Schlitze angeordnet sind.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Schlitz gradlinig ausgeführt.
  • In einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung ist der Schlitz von der Vorder- bzw. Rückseite beginnend gradlinig ausgeführt und anschließend bogenförmig zum Schaufelblatt ausgebildet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Schlitz derart ausgebildet, dass dieser von der Vorder- bzw. Rückseite beginnend zunächst gradlinig ausgeführt ist und anschließend spiralförmig ausgebildet ist.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt die Strecke zwischen Vorder- und Rückseite s und der Schlitz erstreckt sich von der Vorder- bzw. Rückseite um 0,5s bis 0,8s bis zur Rück- bzw. Vorderseite.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
  • Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterungen dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt.
  • Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren, wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
    • Figur 1
    zeigt eine Seitenansicht einer Turbinenschaufel,
    Figur 2
    zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Deckplatte,
    Figur 3
    zeigt eine erfindungsgemäße Deckplatte in einer alternativen Ausführungsform,
    Figur 4
    zeigt eine erfindungsgemäße Deckplatte in einer alternativen Ausführungsform,
    Figur 5
    eine erfindungsgemäße Deckplatte in alternativer Ausführungsform.
  • Die Figur 1 zeigt eine Turbinenschaufel 1. Diese Turbinenschaufel 1 ist als Turbinenlaufschaufel ausgebildet und weist einen Turbinenschaufelfuß 2, der in diesem Fall hammerförmig ausgebildet ist, auf. Desweiteren weist die Turbinenschaufel 1 eine Turbinenschaufelspitze 3 auf. An dieser Turbinenschaufelspitze 3 ist eine Deckplatte 4 angeordnet. Zwischen dem Schaufelfuß 2 und der Schaufelspitze 3 ist ein profiliertes Schaufelblatt 5 angeordnet. Die Turbinenschaufel 1 ist in einem nicht näher dargestellten Rotor angeordnet. Im Betrieb rotiert der Rotor um eine nicht näher dargestellte Rotationsachse in einer Umfangsrichtung 6. In dieser Umfangsrichtung 6 sind mehrere Turbinenschaufeln 1 angeordnet, was dazu führt, dass mehrere Deckplatten 4 in Umfangsrichtung 6 nebeneinander angeordnet sind. Die nebeneinander angeordneten Turbinenschaufeln 1 bilden dadurch einen Schaufelverband.
  • Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Deckplatte 4 einer Turbinenschaufel 1 des Schaufelverbandes.
  • Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Rotationsachse 7. Die Deckplatte 4 weist eine Vorderseite 8 und eine Rückseite 9 auf. Im Betrieb strömt Dampf aus einer Strömungsrichtung 10 in Richtung des Schaufelblatts 5. In der Deckplatte 4 ist ein Schlitz 11 derart angeordnet, dass eine Stauchung der Deckplatte 4 in der Umfangsrichtung 6 möglich ist. In einem transenten Betrieb, das bedeutet bei einem Betrieb, bei dem die Temperatur der Deckplatte 4 gegenüber der Temperatur der Welle stärker beeinflussbar ist, entwickeln sich Kräfte in Umgangsrichtung 6, die dadurch verursacht werden, dass die Deckplatten 4 sich thermisch ausdehnen und gegenseitig zu einer Stauchkraft in Umfangsrichtung 6 führen. Durch die Schlitze 11 wird eine plastische Verformung vermieden.
  • Die Vorderseite 8 weist eine Flächennormale 12 auf. Die Rückseite 9 weist ebenso eine Flächennormale 12 auf, wobei die Flächennormale 12 der Vorderseite 8 und die Flächennormale der Rückseite 9 im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 7 ausgebildet sind. Die Deckplatten 4 sind dabei derart ausgebildet, dass ein Schlitz 11 von der Rückseite 9 und ein Schlitz 11 in der Vorderseite 8 angeordnet ist.
  • Der Schlitz 11 ragt hierbei über das Schaufelblatt 5 hervor. Der Schlitz 11 ist zunächst geradlinig ausgeführt, was in der Figur 2 dargestellt ist. Die Strecke zwischen der Vorder- 8 und Rückseite 9 beträgt s. Der Schlitz 11 ist in einer ersten Ausführungsform derart ausgebildet, dass dieser sich von der Vorder- 8 bzw. Rückseite 9 um 0,5s bis 0,8s bis zur Rück- 9 bzw. Vorderseite 8 erstreckt.
  • In den Figuren 3, 4 und 5 sind alternative Ausführungsformen des Schlitzes 11 dargestellt.
  • Die Figur 3 zeigt einen trapezförmigen Schlitz 11. Dieser trapezförmige Schlitz 11 ist jeweils in der Vorderseite 8 als auch in der Rückseite 9 angeordnet.
  • Die Figur 4 zeigt einen Schlitz, der zunächst geradlinig von der Vorderseite 8 bzw. Rückseite 9 beginnend ausgebildet ist und dann spiralförmig endet.
  • Die in Figur 5 dargestellte Ausführungsform ist der Ausführungsform gemäß Figur 4 dahingehend ähnlich, dass der Schlitz 11 ebenfalls spiralförmig endet, wobei der Beginn des Schlitzes 11 von der Vorderseite 8 bzw. Rückseite 9 nicht geradlinig sondern bogenförmig ausgebildet ist.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel 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 (8)

  1. Schaufelverband umfassend
    mehrerer um eine Rotationsachse (7) angeordneter Turbinenschaufeln (1),
    wobei die Turbinenschaufeln (1) einen Schaufelfuß (2), ein Schaufelblatt (5) und eine Deckplatte (4) ausweisen, wobei die Deckplatten (4) an der Turbinenschaufelspitze (3) angeordnet sind,
    wobei die Deckplatten (4) in einer Umfangsrichtung (6) nebeneinander angeordnet sind, wobei die Umfangsrichtung (6) um die Rotationsachse (7) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in den Deckplatten (4) Schlitze (11) derart angeordnet sind, dass eine Stauchung der Deckplatten (4) in der Umfangsrichtung (6) möglich ist.
  2. Schaufelverband nach Anspruch 1,
    wobei die Deckplatten (4) jeweils eine Vorder- (8) und eine Rückseite (9) aufweisen, wobei die Flächennormale (12) der Vorder- (8) und Rückseite (9) im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse (7) ausgebildet ist, wobei ein Schlitz (11) in der Vorderseite (8) und ein Schlitz (11) in der Rückseite (9) angeordnet ist.
  3. Schaufelverband nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei die Deckplatte (4) an der Schaufelspitze (3) in Umfangsrichtung (6) über das Schaufelblatt (5) ragt, wobei jeweils vor und neben dem Schaufelblatt (5) in Umfangsrichtung (6) gesehen ein Schlitz (11) angeordnet ist.
  4. Schaufelverband nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Schlitz (11) geradlinig ausgebildet ist.
  5. Schaufelverband nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei der Schlitz (11) von der Vorder- (8) bzw. Rückseite (9) beginnend geradlinig ausgeführt ist und anschließend bogenförmig zum Schaufelblatt (5) ausgebildet ist.
  6. Schaufelverband nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei der Schlitz (11) von der Vorder- (8) bzw. Rückseite (9) beginnend zunächst geradlinig ausgeführt ist und anschließend spiralförmig ausgeführt ist.
  7. Schaufelverband nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei die Strecke zwischen Vorder- (8) und Rückseite (9) s beträgt und der Schlitz (11) sich von der Vorder- (8) bzw. Rückseite (9) um 0,5s bis 0,8s bis zur Rück- (9) bzw. Vorderseite (8) erstreckt.
  8. Schaufelverband nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei der Schlitz (11) als eine trapezförmige Ausnehmung ausgebildet ist.
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Citations (4)

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US5785496A (en) * 1997-02-24 1998-07-28 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Gas turbine rotor
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