WO2011033063A1

WO2011033063A1 - Schaufelbefestigung mit sicherheitseinrichtung für turbinenschaufeln

Info

Publication number: WO2011033063A1
Application number: PCT/EP2010/063701
Authority: WO
Inventors: Thomas Helmis; Heinrich STÜER
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-03-24
Also published as: EP2299060A1; US8956122B2; EP2478187A1; CN102498264A; EP2478187B1; CN102498264B; US20120177499A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sicherungseinrichtung (7) für eine Turbinenschaufel (2), wobei die Sicherungseinrichtung (7) einen Scherstift (8), ein Klemmstück (9) sowie ein Sicherungselement (10) umfasst, wobei der Scherstift (8) in eine entsprechende Bohrung (15) im Turbinenschaufelfuß (3) angeordnet wird sowie das Klemmstück (9) mit einem oberen Schenkel (18) und einem unteren Schenkel (19) ausgeführt wird, wobei das Klemmstück (9) eine radiale Kraft auf den Turbinenschaufelfuß (3) zur radialen Sicherung ausübt.

Description

Beschreibung

SCHAUFELBEFESTIGUNG MIT SICHERHEITSEINRICHTUNG FÜR TURBINENSCHAUFELN

Die Erfindung betrifft einen Rotor, umfassend zumindest eine Turbinenschaufel und eine Sicherungseinrichtung zur axialen und radialen Sicherung der Turbinenschaufel, wobei der Rotor eine Schaufelnut und die Turbinenschaufel einen Turbinen- schaufelfuß umfasst, wobei die Schaufelnut und der Turbinen- schaufelfuß derart ausgebildet sind, dass der Turbinenschau- felfuß in der Schaufelnut angepasst ist.

Schaufelbefestigungen werden in der Regel zum Befestigen von Laufschaufein an einem Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine verwendet. Durch die vergleichsweise schnelle Rotation des Rotors werden die auf dem Rotor ange^¬ ordneten Laufschaufein hohen Fliehkräften ausgesetzt. Der Turbinenschaufelfuß der Turbinenschaufeln muss daher hohen Kräften standhalten und wird in der Schaufelnut radial nach außen gedrängt. Neben den Fliehkräften stellen starke Schwingungsbelastungen ein weiteres Problem dar, die mechanische Beschädigungen, Materialermüdungen, Korrosion und eine Wanderbewegung des Schaufelfußes innerhalb der Schaufelnut zur Folge haben können. Zum Festlegen des Turbinenschaufelfußes innerhalb der Schaufelnut sind verschieden Lösungen wie bei^¬ spielsweise Metallkeile, Federringe oder Abdichtungsstücke bekannt. Metallkeile stellen zwar axial als auch radial eine Arretierung des zugehörigen Schaufelfußes innerhalb einer Schaufelnut her, aber bei großen Laufschaufein ist es mit solchen Metallkeilen schwierig, ausreichende Haltekräfte während der Rotation in radialer Richtung zu erzeugen. Tellerfedern erzeugen lediglich radiale Halterkräfte und erfordern zusätzlichen Aufwand für eine Arretierung in axialer Richtung der zugehörigen Schaufelnut. Ferner sind für Tellerfedern während der Montage aufwändige Messungen erforderlich. Als Abdichtungsstücke müssen immer zwei Teile vorgesehen sein, deren Montage darüber hinaus teilweise die Bearbeitung der Teile von Hand bedarf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaufelbefes- tigung einer Strömungsmaschine bereitzustellen, bei der über einen langen Betriebszeitraum hinweg eine präzise und feste Halterung von Schaufeln, in zugehörigen Schaufelhaltern, sichergestellt ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor, umfassend zumin^¬ dest eine Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1.

Die Sicherungseinrichtung weist ein Klemmstück auf, das eine radiale Kraft vom Rotor auf den Turbinenschaufelfuß ausübt. Das Klemmstück wird hierbei in einer im Rotor befindlichen Nut angeordnet, wobei die Nut dieselbe sein kann, wie die Nut, in der der Scherstift angeordnet ist. Die Größe des Klemmstücks ist derart gewählt, dass eine Kraft entsteht, die in radialer Richtung wirkt. Das bedeutet, dass die

Turbinenschaufel gegen die Tragflanken der Schaufelnut gedrückt wird. Bis zu einer gewissen Rotationsfrequenz wird somit eine Bewegung der Schaufeln in der Nut wirksam verhindert. Ab einer gewissen Rotationsfrequenz sind die Fliehkräfte derart groß, dass eine Bewegung durch das Anliegen an den Tragflanken verhindert ist. Allerdings ist es nahezu unvermeidbar, dass die Turbinenschaufel trotz Fußbefestigung schwingt. Die erfindungsgemäße Befestigung verhindert zudem eine Relativbewegung zwischen dem Turbinenschaufelfuß und der Schaufelnut, wodurch Oberflächenschädigungen vermindert werden.

Bis zu dieser Rotationsfrequenz ist ein axiales Verschieben der Turbinenschaufel möglich. Oberhalb der gewissen Rotati^¬ onsfrequenz sind die Fliehkräfte derart hoch, dass ein axia- les Verschieben vermieden ist, da die Reibkräfte, die in

Folge der Fliehkraft wirken, ein Verschieben der Turbinenschaufel in der Schaufelnut wirksam verhindern. Das Klemmstück weist einen oberen Schenkel und einen unteren Schenkel auf, wobei der obere Schenkel am Turbinenschaufelfu. anliegt und gegen den Turbinenschaufelfuß eine Kraft in radialer Richtung ausübt. Der untere Schenkel liegt am Rotor an .

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der obere Schenkel und der untere Schenkel im Wesentlichen eine V-Form bilden und durch geschickte Materialauswahl eine Federkraft ausgeübt wird, die vom Rotor auf den Turbinenschaufelfuß in radialer Richtung wirkt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung liegt der Scherstift au dem unteren Schenkel auf.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben .

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass in einer Schau felnut sowohl eine radiale als auch eine axiale Sicherung an geordnet werden kann. Der Scherstift wird in eine entspre^¬ chende Bohrung im Turbinenschaufelfuß angeordnet und liegt vorteilhafterweise an einer Kante am Rotor an. Dadurch ist eine axiale Bewegung des Turbinenschaufelfußes nicht möglich Werden sowohl an der Vorderkante als auch an der Hinterkante des Turbinenschaufelfußes jeweils ein Scherstift angeordnet, so ist eine axiale Verschiebung des Turbinenschaufelfußes so wohl in die eine Richtung als auch in die andere Richtung wirksam verhindert.

Der Scherstift wird hierbei in eine im Rotor angeordnete Nut eingebaut. Der Einbau des Scherstiftes erfolgt, nachdem die Turbinenschaufel in den Rotor in die entsprechende Schaufel^¬ nut eingebaut wurde.

Um ein ungewolltes Lösen des Klemmstückes zu vermeiden, wird ein Sicherungselement verwendet, das zum Sichern des Klemm^¬ stückes ausgebildet ist. Dazu wird das Klemmstück als Siehe- rungsblech ausgebildet und zwischen dem Klemmstück und dem Rotor angeordnet. Durch Umbiegen des Sicherungsbleches an der Kante des Klemmstückes wird ein Verschieben des Klemmstückes vermieden, wobei gleichzeitig das Sicherungsblech in eine entsprechende Nut im Rotor angeordnet werden muss.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä^¬ ßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Rotors mit einer Turbinen^¬ schaufel im eingebauten Zustand;

Figur 2 eine Querschnittsansicht eines Teils eines Rotors mit eingebauter Turbinenschaufel;

Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus

Figur 2;

Figur 4 eine vergrößerte Darstellung eines Klemmstückes;

Figur 5 eine perspektivische Darstellung des Klemmstückes;

Figur 6 eine perspektivische Darstellung eines Scherstif^¬ tes;

Figur 7 eine perspektivische Darstellung eines Sicherungs^¬ elementes .

Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Teils eines Rotors 1 mit einer eingebauten Turbinenschaufel 2. Die Turbinen- schaufei 2 weist einen Turbinenschaufelfuß 3 auf, der in eine entsprechende Schaufelnut 4 angepasst ist. Die Turbinenschau^¬ fel 2 wird in axialer Richtung 5 in die Schaufelnut 4 einge- schoben. Die Schaufelnut 4 ist als Tannenbaumschaufelnut aus^¬ gebildet und umfasst mehrere Tragflanken 6.

Die Turbinenschaufel 2 wird in der Schaufelnut 4 sowohl in axialer Richtung 5 als auch in radialer Richtung 29 gesichert. Die radiale Richtung 29 entspricht im Wesentlichen der Längsausrichtung der Turbinenschaufel 2 und die axiale Rich^¬ tung 5 entspricht im Wesentlichen der Rotationsachse, die in der Figur 1 nicht näher dargestellt ist.

Zur Sicherung der Turbinenschaufel 2 wird eine Sicherungseinrichtung 7, die unterhalb des Turbinenschaufelfußes 3 ange^¬ ordnet ist, realisiert. Der Turbinenschaufelfuß 3 ist hierbei derart ausgebildet, dass dieser in die Schaufelnut 4 ange- passt ist, d. h. in axialer Richtung 5 sich im Wesentlichen verschieben lässt.

In der Figur 2 ist eine Schnittdarstellung durch einen Teil des Rotors 1 dargestellt. Die Sicherungseinrichtung 7 umfasst im Wesentlichen drei Bauteile. Dies wären zum einen ein

Scherstift 8, ein Klemmstück 9 und ein Sicherungselement 10. Die Sicherungseinrichtung 7 ist in eine entsprechende Nut 11 im Rotor 1 angeordnet. Diese Nut 11 ist sowohl an der Dampfeintrittsseite 12 als auch an der Dampfaustrittsseite 13 aus- gebildet. Der Einbau von zumindest zwei Sicherungseinrichtun^¬ gen 7, d. h. sowohl an der Dampfeintrittsseite 12 als auch an der Dampfaustrittsseite 13, bietet den Vorteil, dass die Tur^¬ binenschaufel 2 sich in axialer Richtung 5 nicht mehr verschieben lässt. Die Funktionsweise sowie der Einbau der

Sicherungseinrichtung 7 werden anhand der Figur 3 näher erläutert .

Der Scherstift 8 ist zylindrisch ausgebildet und weist eine Länge L auf, die geringer ist als die Nuthöhe 14 der Nut 11. Dadurch ist ein problemloses Einschieben des Scherstiftes 8 in die Nut 11 möglich. Der Scherstift 8 wird in eine Bohrung 15, die sich im Schaufelfuß 3 befindet, eingebracht. Die Boh^¬ rung 15 und die Nut 11 werden dabei derart ausgebildet, dass im eingebauten Zustand der Scherstift 8 an einer Kante 16 im Rotor 1 anliegt. Ein Verschieben des Turbinenschaufelfußes 3 in axialer Richtung 5 ist somit nicht mehr möglich. Ein weiteres Element der Sicherungseinrichtung 7 bildet das Klemmstück 9. In den Figuren 4 und 5 ist eine perspektivische und vergrößerte Darstellung des Klemmstückes 9 zu sehen. Im Wesentlichen ist das Klemmstück 9 mit einem Grundkörper 17, der quaderförmig ausgebildet ist und einem oberen Schenkel 18 und einem unteren Schenkel 19 ausgeführt. Zwischen dem oberen Schenkel 18 und dem unteren Schenkel 19 ist ein Spalt 20 ge^¬ bildet. Die Abmessungen des Klemmstückes 9 sind derart ge^¬ wählt, dass die Höhe 21 des Klemmstückes 9 geringer ist als die Nuthöhe 14. Ein Einschieben des Klemmstückes 9 in die Schaufelnut 4 ist daher problemlos möglich. Die Abmessungen sind weiterhin derart gewählt, dass im eingebauten Zustand der obere Schenkel 18 eine Kraft, die einer Federkraft äh^¬ nelt, gegen den Turbinenschaufelfuß 3 drückt. Der obere

Schenkel 18 weist hierfür einen Vorsprung 22 auf, der ca. ein Drittel der Länge des Klemmstückes 9 beträgt. Sowohl der obere Schenkel 18 als auch der untere Schenkel 19 sind keil^¬ förmig ausgeführt, d. h. vom Grundkörper 17 in Richtung

Schenkel 18, 19 verjüngen sich der obere Schenkel 18 und der untere Schenkel 19.

Die Figur 6 zeigt eine perspektivische Darstellung des Scher^¬ stiftes 8. Ein drittes Element der Sicherungseinrichtung 7 ist das Sicherungselement 10, das als Sicherungsblech ausge^¬ führt wird. Das Sicherungselement 10 wird anhand der Figur 7 näher erläutert. Im Wesentlichen ist das Sicherungselement 10 als länglich ausgebildetes Blechstück ausgebildet, das an seiner Spitze 23 einmal vollständig gefaltet ist, wodurch ein Vorsprung 28 entsteht. Im eingebauten Zustand liegt dieser Vorsprung 28 in einer entsprechenden Sicherungsnut 24 an. Wie in Figur 3 dargestellt, wird dadurch ein axiales Verschieben 5 des Sicherungselementes 10 wirksam vermieden. Des Weiteren weist das Sicherungselement 10 ein Endstück 26 auf, das gegenüber einem Hauptstück 25 senkrecht an der Biegungsstelle 27 gebogen ist.

Die Sicherungseinrichtung 7 wird nun folgendermaßen einge- baut: zunächst wird die Turbinenschaufel 2 in die entspre^¬ chende Schaufelnut 4 eingebracht. Anschließend wird der Scherstift 8 in die entsprechende Bohrung 15 angepasst. Das Sicherungselement 10 wird im ungebogenen Zustand eingeschoben und weist an der Spitze 23 einen Vorsprung 28 auf, der in eine entsprechende Sicherungsnut 24 angeordnet ist. Das

Klemmstück 9 wird auf das Sicherungselement 10 derart in die Nut 11 geschoben, dass der Scherstift 8 auf dem unteren

Schenkel 19 anliegt. Ein Herausfallen des Scherstiftes 8 aus der Bohrung 15 wird dadurch vermieden. Das Sicherungselement 10 wird im ungebogenen Zustand eingeschoben und weist an der Spitze 23 einen Vorsprung 28 auf, der in eine entsprechende Sicherungsnut 24 angeordnet ist. Das Sicherungselement 10 wird schließlich an der Biegestelle 27 gebogen, wodurch ein Herausfallen des Klemmstückes 9 aus der Nut 11 wirksam ver- mieden ist.

Claims

Patentansprüche

1. Rotor (1),

umfassend zumindest eine Turbinenschaufel (2) und eine

Sicherungseinrichtung (7) zur axialen und radialen Sicherung der Turbinenschaufel (2),

wobei der Rotor (1) eine Schaufelnut (4) und die Turbinen^¬ schaufel (2) einen Turbinenschaufelfuß (3) umfasst, wobei die Schaufelnut (4) und der Turbinenschaufelfuß (3) derart ausgebildet sind, dass der Turbinenschaufelfuß (3) in der Schaufelnut (4) angepasst ist,

wobei die Sicherungseinrichtung (7) einen Scherstift (8) aufweist, der in eine Bohrung (15) im Turbinenschaufelfuß (3) ragt,

wobei das Klemmstück (9) in einer im Rotor (1) befindlichen Nut (11) angeordnet ist,

wobei das Klemmstück (9) einen oberen Schenkel (18) und einen unteren Schenkel (19) aufweist,

wobei der obere Schenkel (18) am Turbinenschaufelfuß (3) anliegt und gegen den Turbinenschaufelfuß (3) eine Kraft in radialer Richtung (29) ausübt,

wobei der untere Schenkel (19) am Rotor (1) anliegt und gegen den Rotor (1) eine Kraft in radialer (6) Richtung ausübt,

wobei der obere (18) und der untere (19) Schenkel V-förmig ausgebildet sind,

wobei der Scherstift (8) auf dem unteren Schenkel (19) an^¬ liegt .

2. Rotor (1) nach Anspruch 1,

wobei der Rotor (1) eine Kante (16) aufweist, an der der Scherstift (8) anliegt.

3. Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2,

wobei die Sicherungseinrichtung (7) ein Klemmstück (9) aufweist, das eine radiale Kraft vom Rotor (1) auf den Turbi^¬ nenschaufelfuß (3) ausübt.

4. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Sicherungseinrichtung (7) ein Sicherungselement (10) zum Sichern des Klemmstücks (9) aufweist.

5. Rotor (1) nach Anspruch 4,

wobei das Sicherungselement (10) als zwischen dem Klemm^¬ stück (9) und dem Rotor (1) angeordnetes Sicherungsblech ausgebildet ist.

6. Rotor (1) nach Anspruch 4 oder 5,

wobei das Sicherungselement (10) einen Vorsprung (28) auf- weist, der in einer im Rotor (1) angeordneten Sicherungsnut

(24) angeordnet ist.