DE19505389A1 - Schwingungsdämpfung für Turbinenschaufeln - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen einer axial durchströmten Turbomaschine, bei welcher die Enden der rotierenden Schaufeln gegen die strömungsbegrenzende Wand eines Turbinengehäuses dichten.

Stand der Technik

Bei Turbomaschinen sind die rotierenden Schaufeln für ein be­ stimmtes Feld der Betriebsbedingungen resonanzfrei ausgelegt. Durch variierende Betriebsbedingungen, z. B. Volumenstromände­ rungen des strömenden Arbeitsmittels oder Gegendruckbetrieb im Grenzbereich, werden die Schaufeln stochastisch zu Schwin­ gungen angeregt. Im Fall von Schwingungsresonanz führen diese mechanischen Beanspruchungen zum Versagen der Schaufeln.

Zur Dämpfung dieser Schwingungen sind verschiedene Einrich­ tungen entwickelt worden, die die Schaufeln aneinander kop­ peln und damit schwingungsdämpfend wirken. Bekannte Konzepte sind beispielsweise Dämpferdrähte, Dämpferbolzen, Schaufel­ deckplatten, sowie angeschmiedete Nocken mit Stiften. Derartige Einrichtungen für die Dämpfung von Schaufelschwin­ gungen sind bekannt aus DE B 1 299 004 und US 3 185 441. Dabei sind die Einsatzbereiche der vorgeschlagenen Dämpfungs­ mittel beschränkt. Bohrungen für die Aufnahme von Dämpfer­ drähten oder Dämpferbolzen beeinträchtigen die Festigkeit der Schaufelprofile, und die Dämpferdrähte und -bolzen selbst verschlechtern die Strömungseigenschaften des strömenden Ar­ beitsmittels.

Hohe Fliehkräfte treten nachteilig ins Gewicht bei der Dämp­ fung mittels Schaufeldeckplatten, die benachbarte Schaufel­ köpfe zu einem geschlossenen Ring aneinanderkoppeln und durch Reibschluß dämpfend wirken. Die Ausführung und Bearbeitung dieser Schaufeldeckplatten, sowie die Schaufelmontage mit diesen Deckplatten ist wegen der geforderten Maßgenauigkeit aufwendig und teuer.

Hinzu kommt, daß bei den Dämpfungseinrichtungen, die auf Reibschluß benachbarter Schaufeln basieren, durch eine Ab­ nützung der Kontaktflächen, die geforderte Dämpfung beein­ trächtigt wird und somit Revisionen nötig sind.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Schwingungsdämpfung für Turbinenschaufeln der eingangs genannten Art darzustellen, bei der jede Schaufel individuell und reibungslos gedämpft wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß auf der strömungsbegrenzenden Wand des Turbinengehäuses in radialer Richtung gegenüber den Schaufelenden ein Ring aus permanent­ magnetischem Material angebracht ist, der aus mindestens ei­ nem oder mehreren Teilringen gleicher oder unterschiedlicher magnetischer Polarisation besteht, und daß die Schaufelen­ den mit je einer Deckplatte versehen sind, welche aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß die Schaufeln nicht gekoppelt sind an Kontaktflächen von aneinander reibenden Dämpfungseinrichtungen wie Deckplatten, Dämpferdrähte oder -bolzen. Bei der vorgeschlagenen Dämp­ fungseinrichtung werden die Schaufeln reibungs- und damit verschleißfrei individuell gedämpft.

Vorteilhaft ist ferner, daß bei axialem Einbau in ein Turbi­ nenrad die Montage einzelner Schaufeln vereinfacht ist, da keine tangentialen Dämpfungskonstruktionen benachbarter Schaufeln einander überlappen.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Schaufeldeckplatten aus Aluminium gefertigt werden, da sich bei dieser Material­ wahl gute elektrische Eigenschaften mit geringem spezifischen Gewicht verbinden. Auch Fliehkräfte in der Größenordnung, wie sie bei bekannten Deckplattendämpfungen vorkommen, treten wegen den wesentlich kleineren und damit leichteren Deckplat­ tenkonstruktion der Erfindung reduziert auf. Dies bedeutet für die Turbinenschaufel eine verminderte mechanische Bean­ spruchung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Schaufelspitze mit einem radial gegenüberliegenden Magnetring;

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II gemäß Fig. 1.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli­ chen Elemente gezeigt.

Nicht dargestellt in der Zeichnung ist ein Turbinenschaufel­ fuß und eine Montageansicht der Schaufel in einem Turbinen­ rad.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist von einem Turbinengehäuse 1 ein Ausschnitt ge­ zeigt, der einem Schaufelende 8 einer Turbinenlaufschaufel 2 radial gegenüberliegt. Wie aus dem Überschallschaufelprofil in Fig. 2 erkennbar, handelt es sich bei der dargestellten Schaufel um eine Endschaufel, beispielsweise einer ND- Dampfturbine. In Umfangsrichtung ist an bezeichneter Stelle des Turbinengehäuses 1 um ein nicht dargestelltes, beschau­ feltes Turbinenrad ein Ring 4 aus permanentmagnetischem Mate­ rial angebracht. Dieser Magnetring 4 besteht aus Teilringen 6, die in einem Gehäuse 5 aus austenitischem Stahl zusammen­ gefaßt sind und mit diesem im Turbinengehäuse 1 befestigt sind. Dabei ist der Magnetring 4 in drei Teilringe 6 mit ein­ ander abwechselnder magnetischer Polarisation 7a, b, c unter­ teilt, wobei das Polarisationsschema SNS vorliegt.

Die dem Magnetring 4 radial gegenüberliegende Turbinenschau­ fel 2 hat an deren Schaufelende 8, wie Fig. 2 zeigt, eine Deckplatte 3. Diese Deckplatte 3 weist bei radialer Drauf­ sicht annähernd die Form eines Rhombus auf, dessen spitzwink­ lige Ecken parallel zur Rotationsrichtung 9 der Turbinen­ schaufeln 2 abgeflacht sind. Die Schaufeln 2 sind freiste­ hend, d. h., die Deckplatten 3 benachbarter Schaufeln 2 sind so bemessen, daß sie tangential nicht überlappend sind und einander nicht berühren.

Bei Rotation des nicht dargestellten Turbinenrades in Rotati­ onsrichtung 9 bleibt das magnetische Feld 10 des Permanentma­ gnetringes 4 für die Schaufeldeckplatte 3 solange konstant, wie die Schaufel 2 keine Schwingbewegung ausübt. Schwingt je­ doch die Turbinenschaufel 2, so ist der magnetische Fluß in der Schaufeldeckplatte 3 zeitlich veränderlich. Dieser zeit­ lich veränderlicher Magnetfluß induziert in der Schaufel­ deckplatte 3 Wirbelströme, die zur Produktion von Joule′scher Wärme führen. Diese Energiedissipation hat eine Dämpfung der Schaufelschwingung zur Folge. Die Joule′sche Wärme und damit der Dämpfungseffekt wächst mit der elektrischen Leitfähigkeit des Deckplattenmaterials.

Eine bevorzugte Legierung für den Permanentmagnetring 4 ist Cobalt-Samarium (Co-Sm).

Wegen seiner guten elektrischen Eigenschaften und dem für Me­ talle geringen spezifischen Gewicht ist es von Vorteil, die Schaufeldeckplatte 3 aus Aluminium zu fertigen.

Das geringe spezifische Gewicht ermöglicht eine leichte Aus­ führung der Deckplatte 3 der fliehkraftbelasteten Schaufeln 2. Die gute elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums begün­ stigt die Wirbelströme und damit, wie oben erwähnt, das Dämp­ fungsverhalten.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist die Anzahl der am Magnetring 4 beteiligten Teilringe 6 und deren magnetische Polarisation 7a, b, c auch in anderer Konfiguration denkbar, wobei auch ein anderer Magnetwerkstoff dem Co-Sm vorgezogen werden könnte.

Weiterhin sind die Teilringe 6 auch als elektrisch gespeiste Ringkernspulen ausführbar.

Im Sinne der Erfindung ist die Ausführung der Schaufeldeck­ platte 3 auch aus einem anderen Material als Aluminium denk­ bar. Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei deckband­ gebundenen Schaufelrädern zusätzlich dämpfend eingesetzt wer­ den.

Bezugszeichenliste

1 Turbinengehäuse
2 Schaufel
3 Schaufeldeckplatte
4 Ring aus permanentmagnetischem Material
5 austenistisches Stahlgehäuse
6 permanentmagnetischer Teilring
7a, c magnetische Polarisation S eines Teilrings
7b magnetische Polarisation N eines Teilrings
8 Schaufelende
9 Rotationsrichtung der Turbinenschaufeln in radialer Draufsicht
10 Magnetfeldlinien des Permanentmagnetringes

Claims (5)

1. Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen einer axial durchströmten Turbomaschine, bei welcher die Enden (8) der rotierenden Schaufeln (2) gegen die strömungsbe­ grenzende Wand eines Turbinengehäuses (1) dichten, dadurch gekennzeichnet,

• - daß auf der strömungsbegrenzenden Wand des Turbinenge­ häuses (1) in radialer Richtung gegenüber den Schaufel­ enden (8) ein Ring (4) aus permanentmagnetischem Materi­ al angebracht ist, der aus mindestens einem oder mehre­ ren Teilringen (6) gleicher oder unterschiedlicher ma­ gnetischer Polarisation (7a, b) besteht, und
• - daß die Schaufelenden (8) mit je einer Deckplatte (3) versehen sind, welche aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Permanentmagnetring (4) aus drei Teilringen (6) besteht mit dem Polarisationsschema NSN oder SNS, und
• - daß dieser Permanentmagnetring (4) von einem nichtma­ gnetischen Gehäuse (5) umgeben ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Deckplatten (3) der Schaufeln (2) einan­ der nicht berühren.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatten (3) der Schaufeln (2) aus Aluminium gefertigt sind.

5. Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 bei Turboma­ schinen mit freistehenden Schaufeln (2).