-
Die Erfindung betrifft eine Turbinenstufe nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
-
Aufgrund der auf die Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe wirkenden Kräfte, insbesondere in Folge von Geschwindigkeits- und/oder Druckänderungen, kommt es an der Beschaufelung von Turbinen zu einer Schwingungsanregung. Um den an der Turbinenschaufel durch die Schwingung hervorgerufenen Belastungen gerecht zu werden und resonanzfeste Schaufelauslegungen auch bei drehzahlvariablen Anwendungen zu ermöglichen, müssen hochfeste Schaufelwerkstoffe (z.B. Titan) verwendet werden. Da dies zu einer deutlichen Kostensteigerung führt, werden andere Maßnahmen bevorzugt.
-
Zur Dämpfung von Schaufelschwingungen können die Schaufeln beispielsweise über ein Deckband miteinander verbunden werden oder bei sehr hohen mechanischen Belastungen, mittels eines Koppeldrahtes oder durch loses Einlegen von Koppelstiften miteinander gekoppelt werden. Solche Koppelelemente sind beispielsweise aus der
DE 10 2010 041 702 A1 bekannt. Durch die Kopplung von zwei oder mehreren Turbinenschaufeln mittels Koppelelementen wird die Schwingungsamplitude der einzelnen Schaufeln deutlich reduziert und dadurch die Schwingungsbelastung in den einzelnen Schaufeln reduziert, so dass Ermüdungsbrüche der Turbinenschaufeln wirkungsvoll verhindert werden können.
-
Nachteilig an den Koppelelementen ist, dass im Falle einer Beschädigung oder eines Bruchs des Koppelelementes die gesamte Turbinenstufe demontiert werden muss um das Koppelelement zu ersetzen. Hierdurch kommt es zu erheblichen Stillstandszeiten der Turbine.
-
Ausgehend vom zuvor beschriebenen Stand der Technik und dessen Nachteilen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenstufe bereitzustellen, bei der sich der Austausch der Koppelelemente ohne Demontage der Turbinenstufe durchführen lässt.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die erfindungsgemäße Turbinenstufe, umfassend wenigstens einen Turbinenrotor und mehrere über den Umfang des Turbinenrotors angeordnete Turbinenschaufeln, so wie wenigstens einem Koppelelement, wobei in wenigstens zwei benachbarten Turbinenschaufeln Bohrungen ausgebildet sind, in denen das Koppelelement hinein oder durch das hindurch ragt und die Turbinenschaufeln mechanisch miteinander koppelt, zeichnet sich dadurch aus, dass das Koppelelement derart räumlich angeordnet ist, dass es ohne Demontage einer Turbinenschaufel aus der Turbinenstufe entnommen werden kann. Hierbei spielt zunächst die konkrete räumliche Anordnung keine Rolle, es ist lediglich dafür zu sorgen, dass das Koppelelement die Turbinenschaufeln miteinander koppelt und bei Bedarf ohne Demontage der Turbinenschaufel aus der Turbinenstufe entnommen werden kann, d.h. das beim Herausziehen des Koppelelements keine Bauteile der Turbinenstufe ein Herausziehen des Koppelelements verhindern.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Schnittebene orthogonal zur Bohrachse der jeweiligen Bohrungen in einem Winkel α ungleich 90° zu einer Schnittebene orthogonal zur Drehachse des Turbinenrotors verläuft. Hierdurch sind die Koppelelemente derart angeordnet, dass sie seitlich aus der Turbinenstufe herausgezogen werden können. Eine Demontage der Turbinenschaufeln der Turbinenstufe kann damit entfallen. Hierdurch ist es möglich auf einfache Weise und innerhalb kürzester Zeit defekte Koppelelemente zu ersetzen.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Winkel α so gewählt ist, dass das Koppelelement beim Herausziehen aus der Bohrung nicht gegen eine nachfolgende Turbinenschaufel stößt. Durch eine solche Anordnung ist die Demontage der Koppelelemente noch einmal vereinfacht.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Winkel α zwischen 30° und 60° beträgt. Bei einem Winkel zwischen α = 30° und α = 60° stellt sicher, dass das Koppelelement beim Herausziehen nicht gegen eine benachbarte Turbinenschaufel stößt und ist fertigungstechnisch einfach zu realisieren.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Aufnahme eines Koppelelements gehörende Bohrungen eine gemeinsame Bohrachse aufweisen. Hierdurch wird die Herstellung der Bohrungen zur Aufnahme der Koppelelemente vereinfacht. Die Koppelelemente können aus im Wesentlichen zylindrischen Körpern bestehen und können auf einfache Weise durch die Bohrung hindurch gesteckt werden. Hierdurch verringert sich der Montageaufwand weiter.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die gemeinsame Bohrachse im Wesentlichen tangential zu einer Zylinderfläche verläuft, welche koaxial zur Mantelfläche des Turbinenrotors ausgerichtet ist. Hierdurch ergibt sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Anordnung der Koppelelemente über den Umfang. Zudem wird hierdurch dafür gesorgt, dass die Unwucht in der Turbinenstufe reduziert wird.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein erstes Ende des Koppelelementes in eine Sacklochbohrung einer ersten Turbinenschaufel und das zweite Ende des Koppelelementes in eine Durchgangsbohrung einer zweiten Turbinenschaufel hineinragt, wobei die Durchgangsbohrung mit einem Verschlusselement versehen ist, die ein Herausrutschen des Koppelelementes aus der ersten und zweiten Bohrung verhindert. Das Verschlusselement sorgt dabei für eine einfache und sichere Befestigung des Koppelelementes zwischen den Turbinenschaufeln.
-
Nachfolgend werden der Stand der Technik sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- - 1 eine Detailansicht einer Turbinenstufe nach dem Stand der Technik in Schnittdarstellung,
- - 2 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Turbinenstufe in Schnittdarstellung ohne Koppelelement.
- - 3a die erfindungsgemäße Turbinenstufe aus 2 mit Koppelelement und einem ersten Ausführungsbeispiel eines Verschlusselement sowie,
- - 3b die erfindungsgemäße Turbinenstufe aus 2 mit Koppelelement und einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Verschlusselement,
-
Die Figuren stellen jeweils nur eine schematische und nicht detailgetreue Darstellung der Erfindung dar. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt eine Turbinenstufe nach dem Stand der Technik. Die Abbildung zeigt nicht die gesamte Turbinenstufe, sondern lediglich zwei in Umfangsrichtung benachbarte Turbinenschaufeln 2. Die Turbinenstufen 2 sind mechanisch über ein Koppelelement 3 miteinander gekoppelt. Das Koppelelement 3 weist im Ausführungsbeispiel einen gradlinigen Verlauf auf. Grundsätzlich kann das Koppelelement 3 auch einen bogenförmigen Verlauf aufweisen. Der bogenförmige Verlauf des Koppelelements 3 entspricht dann beispielsweise einem Kreisbogen um die Drehachse 8 des Turbinenrotors 1. Die Fixierung des Koppelelements 3 erfolgt derart, dass in den Turbinenschaufeln 2 jeweils eine Sacklochbohrung 4 ausgebildet ist, in die jeweiligen Enden des Koppelelements hineinragen. Hierdurch ist das Koppelelement 3 zwischen den zwei benachbarten Turbinenschaufeln 2 fixiert. Eine Schnittachse 5 orthogonal zur Bohrung 6 der jeweiligen Sacklochbohrungen 4 steht in einem Winkel α = 90° zu einer Schnittebene 7 orthogonal zur Drehachse 8 des Turbinenrotors 1. Die Koppelelemente 3 liegen somit alle in einer Ebene. Außerdem sind sie räumlich derart angeordnet, dass sie nicht seitlich aus dem Schaufelverbund herausgezogen werden können. Eine Montage/Demontage der Koppelelemente 3 kann somit nur dann erfolgen, wenn der gesamte Schaufelverbund der Turbinenstufe gelöst wird. Der Austausch bzw. die Montage des Koppelelementes 3 ist somit mit einem hohen Montageaufwand und einem hohen Zeitbedarf verbunden. Falls im Turbinenbetrieb ein Koppelelement 3 beschädigt wird und ausgetauscht werden muss, bedeutet dies hohe Stillstandszeiten.
-
2 zeigt eine Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Turbinenstufe. Die Turbinenstufe umfasst einen Turbinenrotor 1 der drehbar um eine Drehachse 8 rotiert. Des Weiteren umfasst die Turbinenstufe mehrere über den Umfang des Turbinenrotors 1 angeordnete Turbinenschaufeln 2 sowie wenigstens ein Koppelelement 3. Zur Aufnahme des Koppelelementes 3 sind in zwei benachbarten Turbinenschaufeln 2 Bohrungen 4 ausgebildet, in denen das Koppelelement 3 hinein oder durch das es hindurch ragt und die Turbinenschaufel 2 mechanisch miteinander koppelt. Die Bohrungen 4 können dabei als Sackloch oder als Durchgangsbohrung ausgebildet werden, wobei wenigstens eine der Bohrungen zum Einführen des Koppelelementes immer als Durchgangsbohrung ausgebildet ist. Das Koppelelement 3 ist dabei derartig räumlich in der Turbinenstufe angeordnet, dass es ohne Demontage einzelner Turbinenschaufeln 2 aus der Turbinenstufe entnommen werden kann. Hierzu sind die Bohrungen 4 so angeordnet, dass das Koppelement 3 seitlich aus dem Schaufelverbund herausgezogen werden kann, ohne dass eine benachbarte Turbinenschaufel 2 das Hinausziehen des Koppelelementes 3 verhindert. Damit das Koppelelement 3 beim Herausziehen aus den Bohrungen 4 nicht gegen eine benachbarte Turbinenstufe 2 stößt, ist die Bohrachse 6 der jeweiligen Bohrung 4 in einem bestimmten Winkel auszubilden. Hierzu ist eine Schnittebene 5 orthogonal zur Bohrachse 6 der jeweiligen Bohrung 4 in einem Winkel von α ungleich 90° zu einer Schnittebene 7 orthogonal zur Drehachse 8 des Turbinenrotors anzuordnen. Der Winkel α ist dabei so zu wählen, dass das Koppelelement 3 beim Herausziehen aus den Bohrungen 4 nicht gegen eine nachfolgende Turbinenschaufel 2 stößt. Bevorzugt ist der Winkel α zwischen 30° und 60° zu wählen. Um die Herstellung und Montage zu erleichtern, weisen die zur Aufnahme eines Koppelelements 3 gehörenden Bogen 4 eine gemeinsame Bohrachse 9 auf. Grundsätzlich kann das Koppelelement 3 jedoch auch bogenförmig ausgebildet sein, so dass die zur Aufnahme des Koppelelements 3 gehörenden Bohrungen 4 keine gemeinsame Bohrachse 9 aufweist. Die gemeinsame Bohrachse 9 verläuft im Wesentlichen tangential zu einer Zylinderfläche, welche koaxial zur Mantelfläche 10 des Turbinenrotors 1 angeordnet ist. Die tangentiale Ausrichtung sorgt für ein gleichmäßiges Anpressen des Koppelelements in den Bohrungen 4 und damit für eine sichere Versteifung des Schaufelverbundes. Die Fixierung des Koppelelements 3 in der Durchgangsbohrung 12 kann auf unterschiedliche Weise sowohl kraft- als auch formschlüssig erfolgen.
-
Eine besonders einfache und sichere Fixierung des Koppelelementes 3 ist in den 3a und b dargestellt. Ein erstes Ende des Koppelelementes 3 ragt dabei in eine Sacklochbohrung 11 einer ersten Turbinenschaufel 2 hinein. Das zweite Ende des Koppelelementes 3 ragt in eine Durchgangsbohrung 12 einer zweiten in Umfangsrichtung benachbarten Turbinenschaufel 2 hinein. Um das Hinausrutschen des Koppelelementes 3 aus der Durchgangsbohrung 12 zu verhindern, ist die Durchgangsbohrung 12 mit einem Verschlusselement 13 versehen.
-
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines solchen Verschlusselements 13 ist in 3a dargestellt. Das Verschlusselement 13 ist dabei als einfacher Stopfen ausgebildet. Die Befestigung des Verschlusselements 13 erfolgt über das Einschrauben des Verschlusselements 13 in die Durchgangsbohrung 12 der Turbinenschaufel 2. Hierzu weist die Durchgangsbohrung 12 ein Innengewinde und das Verschlusselement 13 ein entsprechendes Außengewinde auf. Zum Einschrauben des Verschlusselements 13 kann beispielsweise ein Innensechskant in der Stirnseite des Verschlusselements 13 vorgesehen sein. Zusätzlich kann das Verschlusselement 13 beispielsweise durch Verkleben gesichert werden. Grundsätzlich kann das Verschlusselement 13 auch auf andere Weise beispielsweise durch Einpressen befestigt werden.
-
3b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verschlusselementes 13. Das Verschlusselement 13 ist dabei in Form eines Topfelementes ausgebildet. Das Koppelelement 3 ragt dabei in den Topf des Verschlusselements 13 hinein und wird dadurch gesichert. Die Befestigung des Koppelelements 3 kann wiederum auf vorteilhafte Weise über eine Verschraubung mittels Innen- und Außengewinde erfolgen.
-
Die Verschlusselemente 13 in den 3a und 3b ermöglichen auf einfache Weise die Befestigung des Koppelementes 3 zwischen benachbarten Turbinenschaufeln 2. Die Montage des Koppelements 3 erfolgt, in dem das Koppelelement zunächst durch die Durchgangsbohrung 12 der zweiten Turbinenschaufel 2 hindurch geschoben wird bis es in der Sacklochbohrung 11 der ersten Turbinenschaufel 2 hineinragt. Anschließend wird die Durchgangsbohrung 12 mit Hilfe des Verschlusselementes 13 verschlossen und so das Koppelelement 3 gegen Herausrutschen gesichert. Im Falle eines Defektes oder eines Austauschs des Koppelelements 3 aus einem anderen Grund muss lediglich das Verschlusselement 13 gelöst werden, das Koppelelement 3 hinausgezogen werden und eine neues Koppelelement 3 eingefügt werden, welches wiederum mit Hilfe des Verschlusselementes 13 gesichert wird.
-
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufelanordnung ermöglicht somit erstmals den Austausch einzelner Koppelelemente ohne dass der gesamte Schaufelverbund der Turbinenschaufelanordnung gelöst werden muss. Der Austausch einzelner Koppelelemente kann damit sehr schnell und mit geringem Aufwand erfolgen. Vorteilhafter Weise ist eine Montageklappe im Turbinengehäuse vorgesehen, über die ein Zugang zur Turbinenstufe ermöglicht wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010041702 A1 [0003]
