DE10108005A1

DE10108005A1 - Bindung der Beschaufelung einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE10108005A1
Application number: DE2001108005
Authority: DE
Inventors: Peter Boesel; Helmut Wendler; Eduard Goetzfried
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-08-22

Abstract

Nach dem Einbau aller Schaufeln (1, 1¶1¶, 1¶2¶, 1¶n¶) einer Schaufelreihe grenzen die Schaufeln (1, 1¶1¶, 1¶2¶, 1¶n¶) am Rotor oder Stator an den mindestens zwei Stützflügeln (7¶1¶, 7¶2¶) ganz oder teilweise mit einer Vorspannung aneinander, wobei auf die mindestens zwei Stützflügel (7¶1¶, 7¶2¶) ein Torsionsmoment (8, 9, 10) wirkt, und wobei die auf die mindestens zwei Stützflügel (7¶1¶, 7¶2¶) wirkenden Torsionsmomente (8, 9, 10) entgegengesetzt sind, so dass sich die aneinandergrenzenden Stützflügel (7¶1¶, 7¶2¶) benachbarter Schaufeln (1, 1¶1¶, 1¶2¶, 1¶n¶) gegenseitig gegeneinander abstützen. Dies ist beispielsweise mit einer Abschrägung möglich.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bindung von Schaufeln einer Strömungs maschine mittels Stützflügeln, wobei die Schaufeln mittels Schaufelfüssen an einem Rotor oder einem Stator befestigt sind.

STAND DER TECHNIK

Derartige Schaufelausführungen befinden sich in der Regel an Rotoren von Verdichtern oder thermischen Turbomaschinen. Sie sind aus dem Stand der Technik zahlreich bekannt.

Zur Schwingungsdämpfung sind häufig Deckplatten an der Spitze des Schaufelblattes oder Stützflügeln innerhalb des Schaufelblattes angebracht. Dies ist zum Beispiel in der deutschen Patentschrift DE-11 59 965 beschrie ben.

Auch die Österreichische Patentschrift AT-254,227 offenbart eine Deckplatte eines Turbinen- oder Verdichterschaufelkranzes, bei dem die Deckplatten durch eine Krafteinwirkung gegeneinander gepresst werden. Die Anordnung führt zu einer elastischen Vorspannung des Schaufelblattes. Diese Torsions vorspannung des Schaufelblattes findet zwischen der Deckplatte und dem Schaufelfuss statt. Dies führt aber zu einer zusätzlichen Belastung des Schaufelfusses und des Rotors. Da die entstehenden Kräfte nicht nur vom Schaufelblatt, sondern auch vom Schaufelfuss und vom Rotor aufgenommen werden müssen, sind diese entsprechend massiver ausgeführt. Zusätzlich ist durch die Elastizität des Schaufelblattes dessen Aufnahmefähigkeit für Tor sionsmomente begrenzt.

Bei Stützflügelbindungen wird das im Stillstand vorhandene Spiel an den Kontaktflächen durch Verdrehen des Schaufelblattes während des Betriebes überbrückt und auf diese Weise der Kontakt hergestellt. Die damit verbunde ne Relativbewegung führt zu Reibung an diesen Stellen, was mit Verschleiss erscheinungen verbunden ist. Eine bekannte Technik dies zu vermeiden, ist das Anbringen von verschleissfesten Teilen an den Kontaktstellen.

Weiterhin ist beispielsweise aus der internationalen Veröffentlichung WO 99/13200 eine Lösung mit kombinierten Verspannungen aus Stützflügeln und Deckplatten bekannt. Wesentliches Merkmal dieser Lösungen sind die gleichgerichteten Kontaktflächen in beiden Bindungsebenen. Im Stillstand besteht an den Bindungsebenen jedoch kein Kontakt. Die zur gewünschten Schaufelbindung nötige Anpresskraft entsteht durch die Entwindung des Schaufelblattes beim Betrieb. Daher ist diese Lösung nur für sehr lange Schaufeln einsetzbar, da nur hier die nötigen Entwindungskräfte entstehen.

Probleme mit den genannten Entwindungskräften tauchen besonders bei den langen Endschaufeln von Turbinen auf, da dort aufgrund der Länge (bei z. B. 1360 mm) vermehrt Schwingungen auftreten.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden. Der Erfin dung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Bindung für Schaufeln einer Strö mungsmaschine an einem Rotor oder Stator zu schaffen, mit welcher die Reibungsbelastung durch die Relativbewegung an den Kontaktstellen ver mieden werden kann und die Vorspannkräfte unabhängig von der Entwindung definierbar sind. Diese Art der Schaufelbindung soll sich besonders zur Dämpfung von Schwingungen für lange Schaufeln, wie sie beispielsweise als Endstufen von Dampfturbinen vorhanden sind, oder für schmale bzw. weiche Schaufeln eignen.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch eine Bindung von Schaufeln ge mäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass nach dem Ein bau aller Schaufeln am Rotor oder Stator die Schaufeln an den mindestens zwei Stützflügeln ganz oder teilweise mit einer Vorspannung aneinandergren zen, wobei auf die mindestens zwei Stützflügel ein Torsionsmoment wirkt, und wobei die auf die mindestens zwei Stützflügel wirkenden Torsionsmomente entgegensetzt sind, so dass sich die aneinandergrenzenden Stützflügel be nachbarter Schaufeln gegenseitig abstützen.

Relativbewegungen zwischen den Kontaktstellen der Stützflügel werden auf diese Weise vermieden und die Vorspannkräfte sind unabhängig von der Entwindung des Schaufelblattes definierbar. Eine solche Schaufelbindung eignet sich besonders für lange Schaufeln, da dort aufgrund der Länge ver mehrt Schwingungen im Schaufelblatt auftreten. Generell kann es sich aber auch um schmale oder sehr weiche Schaufeln handeln oder um Schaufeln, welche die wirkenden Torsionsmomente nicht oder nur schlecht aufnehmen können.

Die Stützflügel weisen vorteilhaft Abschrägungen auf, welche an Abschrägun gen einer benachbarten Schaufel grenzen, so dass Torsionsmomente an diesen Stellen gegenseitig aufgenommen werden können. In einer besonde ren Ausführungsform kann ein oberer Stützflügel einer oberen Deckplatte, welche an der Schaufelspitze des Schaufelblattes angeordnet ist, entspre chen.

Prinzipiell ist es denkbar, dass bei einer grösseren Anzahl von Stützflügeln auf benachbarte Stützflügel unterschiedlich oder gleich gerichtete Torsions momente wirken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen illustriert, wobei

Fig. 1a eine erfindungsgemässe Turbinenschaufel mit zwei Stützflügeln innerhalb des Schaufelblattes und einer Deckplatte zeigt,

Fig. 1b die Momentenwirkung über die Höhe des Schaufelblatts der erfin dungsgemässe Turbinenschaufel gemäss der Fig. 1a darstellt,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Reihe von Schaufeln gemäss der Linie II- II der Fig. 1a darstellt, wobei eine erste Reihe von Stützflügeln mit darauf wirkenden Torsionsmomenten sichtbar ist,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Reihe von Schaufeln gemäss der Linie III- III der Fig. 1a darstellt, wobei eine zweite Reihe von Stützflügeln mit darauf wirkenden Torsionsmomenten sichtbar ist, wobei die wirkenden Torsionsmomente im Vergleich mit der ersten Reihe von Stürzflügeln entgegengerichtet sind, und

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Reihe von Schaufeln gemäss der Linie IV- IV der Fig. 1a darstellt, wobei eine Reihe von Deckplatten mit darauf wirkenden Torsionsmomenten sichtbar ist, wobei die wir kenden Torsionsmomente im Vergleich mit der ersten Reihe von Stützflügeln gleichgerichtet und im Vergleich mit der zweiten Reihe von Stützflügeln entgegengerichtet sind.

Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Glei che Elemente werden in unterschiedlichen Figuren mit gleichen Bezugszei chen versehen.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Fig. 1a zeigt eine Schaufel 1 einer Strömungsmaschine, also beispiels weise einer Dampfturbine oder eines Verdichters. Die Schaufel 1, bei welcher es sich um eine Lauf- oder Leitschaufel handeln kann, besteht aus einem nicht näher dargestellten Schaufelfuss 4, aus einer sich an den Schaufelfuss 4 anschliessenden Fussplatte 3 und einem Schaufelblatt 5 mit einer Schaufel spitze 6, an welcher sich eine Deckplatte 2 befindet. Der Schaufelfuss 4 dient zur Befestigung der Schaufel 1 an einem in der Fig. 1 nicht dargestellten Rotor oder an einem Stator. Als Schaufelfuss 4 sind prinzipiell alle aus dem Stand der Technik bekannten Typen einsetzbar. Die Schaufel 1 ist mit zwei Stützflügeln 7 ₁, 7 ₂ ausgestattet, welche am Schaufelblatt 5 befestigt sind. Die Stützflügel 7 ₁, 7 ₂ weisen beidseitig eine Abschrägung auf, welche sich an den Seiten der Stützflügel 7 ₁, 7 ₂ befinden. Die Abschrägungen sind im Hinblick auf die Draufsicht auf die beiden Stützflügel 7 ₁, 7 ₂ zu verstehen, wie dies auch in den Fig. 2 bis 4 deutlich wird.

Die Fig. 1b zeigt die Momentenwirkung über die Höhe des Schaufelblattes 5. Die Torsionsmoment 8, 9, 10 wirken auf die Stützflügel 7 ₁, 7 ₂ und die Deck platte 2. Erfindungsgemäss ist die Drehrichtung des Torsionsmoments 9 an dem Stützflügel 7 ₁ den beiden benachbarten Torsionsmomenten 8, 10 an dem Stützflügel 7 ₂ bzw. der Deckplatte 2 entgegengesetzt. Die Definition der Momente erfolgt dabei durch die geeignete Wahl des Winkels der Kontaktflä chen und des Teilungsmasses des Stützflügels.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen die Schnitte durch die Schaufel 1 gemäss den Linien II-II bzw. III-III bzw. die Draufsicht auf die Schaufel 1 gemäss der Linie IV-IV in der Fig. 1. Entsprechend wirken nach dem Einbau der Schaufeln 1 ₁, 1 ₂, 1 _n einer Schaufelreihe am Rotor oder auch an einem Stator an den Stütz flügeln 7 ₁, 7 ₂ die Torsionsmomente 8, 9, 10. An den Kontaktstellen zwischen den Stützflügeln 7 ₁, 7 ₂ bzw. der Deckplatte 2 werden die Torsionsmomente 8, 9, 10, aufgenommen. Auf diese erfindungsgemässe Weise der Schaufelbin dung bekommen die Schaufeln 1 ₁, 1 ₂, 1 _n in den Schaufelblättern 5 zwischen den Stützflügeln 7 ₁, 7 ₂ bzw. zwischen dem Stützflügel 7 ₁ und der Deckplatte 2 eine Vorspannung.

Die auf die erste Reihe Stützflügel 7 ₂ der Fig. 2 wirkenden Torsionsmomente 8 sind den in der Fig. 3 gezeigten Torsionsmomenten 9, die auf die zweite Reihe Stützflügel 7 ₁ wirken, entgegengesetzt, so dass auch die Abschrägun gen der Stützflügel 7 ₁ entsprechend anders angeordnet sind. Die Kontakt stelle bezieht sich insgesamt auf die angrenzenden Stützflügel 7 ₁, 7 ₂.

Da benachbarte Laufschaufeln 1 ₁, 1 ₂, 1 _n an den Abschrägungen der Stützflü gel 7 ₁, 7 ₂ bzw. der Deckplatte 2 aneinander grenzen, und die Torsionsmo mente 8, 9, 10 in diese Richtung wirken, stützen sich die Laufschaufeln 1 ₁, 1 ₂, 1 _n gegenseitig. Relativbewegungen zwischen den Kontaktstellen der Stützflü gel 7 ₁, 7 ₂ werden auf diese Weise während des Betriebs der Strömungsma schine vermieden und die Vorspannkräfte sind unabhängig von der Entwin dung des Schaufelblattes 5 definierbar.

Die erfindungsgemässe Schaufelbindung beschränkt sich nicht nur - wie beschrieben - auf zwei Stützflügel 7 ₁, 7 ₂, sondern bezieht sich auch auf die Verteilung von einer grösseren Anzahl von Stützflügeln 7 ₁, 7 ₂ entlang des Schaufelblattes 5. So ist es denkbar, dass eine Reihe von Stützflügeln 7 ₁, 7 ₂ über die Länge des Schaufelblattes 5 verteilt ist und die auf benachbarte Stützflügel 7 ₁, 7 ₂ wirkenden Torsionsmomente 8, 9, 10 jeweils andersherum gerichtet sind. Weiter ist auch denkbar, die Richtungen der Torsionsmomente 8, 9, 10 in für das jeweilige Schaufelblatt 5 geeigneter Weise über die Höhe des Schaufelblattes 5 zu verteilen, wobei nicht notwendigerweise auf benach barte Stützflügel 7 ₁, 7 ₂ entgegengesetzte Torsionsmomente wirken müssen.

Mit Vorteil kann an den Endschaufeln von Turbinen die erfindungsgemässe Schaufelbindung verwendet werden, da diese Art der Schaufeln durch ihre Länge zu sehr grossen Schwingungen neigen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Vorspannung zwischen zwei Ebenen und damit die Flächenpres sung, welche auf die Abschrägungen der Stützflügeln 7 ₁, 7 ₂ bzw. die Deck platte 2 wirken, frei gewählt werden kann. Die Schaufelbindung ist somit über den ganzen Drehzahlbereich vorhanden. Ein drehzahlabhängige Entwindung und eine unterschiedliche Abnutzung der Kontaktflächen finden somit nicht statt und die Torsionsmomente 8, 9, 10 sorgen für einen ständigen Kontakt.

Ein anderer Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass Schaufeln, die aufgrund des eingesetzten Materials nicht oder nur unzuläng lich in der Lage sind, Torsionsmomente aufzunehmen, mit dieser Art der Schaufelbindung verbessert eingesetzt werden können. Dies gilt insbesonde re für schmale und für weiche Schaufeln.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

,

1 ₁

,

1 ₂

,

1 _n

Schaufel

2

Deckplatte

3

Fussplatte

4

Schaufelfuss

5

Schaufelblatt

6

Turbinenschaufelspitze

7 ₁

,

7 ₂

Stützflügel

8

Torsionsmoment an Stützflügel

9 ₂

9

Torsionsmoment an Stützflügel

9 ₁

10

Torsionsmoment an Deckplatte

2

Claims

1. Bindung von Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) einer Schaufelreihe einer Strö mungsmaschine mittels Stützflügeln (7 ₁, 7 ₂), wobei die Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) mittels Schaufelfüssen (4) an einem Rotor oder einem Stator befe stigt sind, wobei die Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) ein Schaufelblatt (5) mit min destens zwei über dem Schaufelblatt (5) verteilten Stützflügel (7 ₁, 7 ₂) auf weisen, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbau aller Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) der Schaufelreihe am Rotor oder Stator die Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) an den mindestens zwei Stützflü geln (7 ₁, 7 ₂) ganz oder teilweise mit einer Vorspannung aneinandergren zen, wobei auf die mindestens zwei Stützflügel (7 ₁, 7 ₂) ein Torsionsmo ment (8, 9, 10) wirkt, und wobei die auf die mindestens zwei Stützflügel (7 ₁, 7 ₂) wirkenden Torsionsmomente (8, 9, 10) entgegensetzt sind, so dass sich die aneinandergrenzenden Stützflügel (7 ₁, 7 ₂) benachbarter Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) gegenseitig abstützen.

2. Bindung von Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Stützflügel (7 ₁, 7 ₂) Abschrägungen aufweisen, welche an der Stelle angeordnet sind, an welcher die angreifenden Torsionsmo mente (8, 9, 10) wirken, und an welchen sich die Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) gegenseitig abstützen.

3. Bindung von Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stützflügel (7 ₁, 7 ₂) am Schaufelblatt (5) zwischen der Fussplatte (3) und der Schaufelspitze (6) angeordnet ist und mindestens ein anderer Stützflügel (7 ₁, 7 ₂) mit einer Deckplatte (2) an der Schaufel spitze (6) des Schaufelblattes (5) identisch ist.

4. Bindung von Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf benachbarte Stützflügel (7 ₁, 7 ₂) unterschiedlich gerichtete Torsions momente (8, 9, 10) wirken.

5. Bindung von Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Stützflügel (7 ₁, 7 ₂) grösser als zwei ist und auf benachbarte Stützflügel (7 ₁, 7 ₂) gleich gerichtete Torsionsmomente (8, 9, 10) wirken.

6. Bindung von Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Schaufeln (1, 1 ₁, 1 ₂, 1 _n) um Leit- oder Laufschaufeln einer Turbomaschine oder eines Verdichters handelt.