DE3517283C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bindung von Laufschaufeln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a binding of rotor blades according to the preamble of claim 1.
Die Druckkörper dieser, aus der US-PS 29 42 843 bekannten Bindung weisen schräge Flächen auf, deren Neigung der Neigung der zugeordneten Flächen der Ansatz-Ausnehmungen entspricht. Die Stirnflächen der zusammenwirkenden Druckkörperpaare berühren sich nur "punktförmig" mit örtlich plastischer Verformung, da ein flächiger Kontakt durch Aufbiegen und Verdrehen der Ansätze unter Fliehkrafteinwirkung, durch unterschiedliche Entwindung und Verbiegung der Laufschaufeln bzw. Laufschaufelpaare und durch Fehler bei der Herstellung der Laufschaufeln und der Druckkörper sowie der Montage verhindert ist. Die punktförmigen, also sehr kleinen, Berührungsflächen wirken für das Schwingungsverhalten wie ein Gelenk, so daß mit der bekannten Bindung zumindest keine nennenswerten Momente übertragen werden können.The pressure hull of this, known from US-PS 29 42 843 Binding have sloping surfaces, the inclination of the inclination corresponds to the assigned areas of the neck recesses. The end faces of the interacting pressure body pairs touch only "punctiform" with locally plastic Deformation due to surface contact due to bending and Twisting the lugs under the influence of centrifugal force different drafting and bending of the blades or pairs of blades and due to manufacturing errors of the blades and the pressure body as well as the assembly is prevented. The punctiform, so very small, Contact surfaces have a similar effect on the vibration behavior Joint, so that with the known binding at least none noteworthy moments can be transmitted.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bindung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei der die gesamten Stirnflächen als Kontaktflächen wirksam sind.The invention is therefore based on the object of a binding to create the generic type, in which the entire End faces are effective as contact areas.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
This object is achieved by the features specified in claim 1.
Bei der erfindungsgemäßen Bindung wird durch die Selbstein stellung der Druckkörper, deren zusammenwirkende Kontaktflächen (Stirnflächen) dann genau parallel zueinander sind, ein flächiger Kontakt erzielt. Außerdem erhalten die Druckkörper beim Schleudern, durch örtliches Fließen des Druckkörper-Sitzes bis zur ringförmigen Auflage im Sitz der Ansatz-Ausnehmungen, ihre endgültige Plazierung und Bettung, wobei über der Kontaktfläche eine annähernd gleichförmige Flächenpressungs verteilung anfällt. Da ferner der von der idealen Ringfläche abweichende, kegelschnittförmige Sitz durch einmalige Plastifizierung und elastische Bettung kraft- und formschlüssig wird, können von den unter Druck stehenden Druckkörpern in hohem Maße durch das Verhältnis e/ρ - wobei e die Exzentrizität und p die senkrechte Entfernung der Druckkörper auflage von der Druckkörper-Längsmittelebene bedeuten, selbst hemmende Momente aus der Koppelschwingung übertragen werden.In the binding according to the invention, a flat contact is achieved by the self-setting of the pressure body, the cooperating contact surfaces (end faces) of which are then exactly parallel to one another. In addition, the pressure hulls get their final placement and bedding when spinning, by local flow of the pressure hull seat up to the ring-shaped support in the seat of the neck recesses, with an approximately uniform surface pressure distribution being obtained over the contact surface. Furthermore, since the conical shape of the seat, which deviates from the ideal ring surface, becomes force-fit and form-fitting due to the one-time plastification and elastic bedding, the pressure bodies can be greatly influenced by the ratio e / ρ - where e is the eccentricity and p is the vertical distance of the Pressure body support from the longitudinal plane of the pressure body mean that even inhibiting moments are transmitted from the coupling vibration.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung schließt sich an die kegelstumpfförmigen Sitze je ein zylindrischer Abschnitt an. Die zylindrischen Abschnitte der Druckkörper über den Laufschaufelkranz sind höhenverschieden. - Durch entsprechende Auswahl der Druckkörperhöhen ist bei der Montage ein eng toleriertes Spiel zwischen allen Kontaktflächen oder eine entsprechende tangentiale Vorspannung einstellbar, wodurch über den Umfang unterschiedliche Spaltdifferenzen vermieden sind. Außerdem ist ein nachträgliches Abstimmen der Resonanzfrequenzen möglich.In a further advantageous embodiment of the invention closes a cylindrical one each on the frustoconical seats Section. The cylindrical sections of the Pressure hulls above the blade ring are different in height. - By appropriate selection of the pressure body heights is during assembly a tightly tolerated game between all contact surfaces or one appropriate tangential preload adjustable, which means the extent of different gap differences are avoided. There is also a subsequent tuning of the resonance frequencies possible.
Aus Gründen des Kanten- und Verschleißschutzes, und um singuläre Druckspannungen am Kontaktflächenrand abzubauen, sind die Druckkörper an ihren vorderen Enden abgeschrägt. For the sake of edge and wear protection, and for singular To reduce compressive stress at the edge of the contact surface are the Pressure body beveled at its front ends.
Die Druckkörperauswahl und der Druckkörperaustausch sind erleichtert, wenn die zylindrischen Wandungsteile der Ansatz-Ausnehmungen unten und/oder oben Öffnungen aufweisen.The pressure body selection and the pressure body exchange are relieved when the cylindrical wall parts of the Approach recesses have openings below and / or above.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Druckkörper symmetrisch zu ihrer Längsmittelebene seitlich so weit abgeschnitten sind, daß die Abstände zwischen den geraden Seitenflächen der Druckkörper geringer sind als die Breiten der Öffnungen. - Durch diese Druckkörperausbildung kann die erfindungsgemäße Bindung auch bei axial montierten Laufschaufeln, z. B. bei Laufschaufeln mit geraden oder gebogenen Tannenbaumfüßen, angewendet werden.An advantageous development of the invention consists in that the pressure body symmetrical to its longitudinal median plane are cut off to the side so far that the distances between the straight side surfaces of the pressure body are less than the widths of the openings. - Through this pressure hull formation the binding according to the invention can also be used axially mounted blades, e.g. B. with blades with straight or curved fir tree feet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 6.Another advantageous embodiment of the invention is Subject of claim 6.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigenExemplary embodiments of the invention are shown in the drawing shown schematically. Show it
Fig. 1a, 1b je eine Draufsicht auf einen Schaufelkranz ausschnitt im Außerbetriebszustand (1a) und im Betriebszustand (1b), Fig. 1a, 1b each a plan view of a blade ring cutout in the inoperative condition (1a) and in the operating state (1b),
Fig. 2 eine Seitenansicht auf einen Schaufelansatz, Fig. 2 is a side view of a blade approach
Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie II-II nach Fig. 2, und Fig. 3 is a section along the line II-II of FIG. 2, and
Fig. 4a, 4b einen modifizierten Druckkörper in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht. Fig. 4a, 4b, a modified pressure body in a side view and in a plan view.
Mit 1 sind radial montierbare, verwundene Laufschaufeln einer thermischen Turbomaschine beziffert, an denen je zwei - auf verschiedenen Seiten des Schaufelblatts liegende - in Umfangsrichtung weisende, stählerne Ansätze 2 starr befestigt sind. Die Ansätze 2 können integraler Bestandteil der Laufschaufeln und in Form von Stützflügeln mit strömungsgünstigen Profilen 3 ausgebildet sein. - Die Ansätze 2 können aber auch Deckplatten oder andere Bindungselemente sein.With 1 radially mountable, twisted blades of a thermal turbomachine are numbered, to which two steel lugs 2 - lying on different sides of the airfoil - pointing in the circumferential direction are rigidly attached. The approaches 2 can be an integral part of the blades and in the form of support wings with aerodynamic profiles 3 . - The approaches 2 can also be cover plates or other binding elements.
Die Ansätze 2 weisen an ihren ebenen, schrägen Stirnflächen Ausnehmungen mit je einem konischen Sitz 4 und je einem konkaven, an den konischen Sitz 4 anschließenden Wandungsteil 5 auf. Die Ausnehmungen nehmen einstückige Druckkörper 6 auf, die mit ihren Stirnflächen aus den Stirnflächen der Ansätze 2 in Umfangsrichtung hervorragen. Jeder Druckkörper 6 weist vier Abschnitte auf, nämlich einen kegelstumpfförmigen Sitz 6 a, einen zylindrischen Zwischenteil 6 b mit unterschiedlich groß wählbarer Höhe h, einen kegelstumpfförmigen Zwischenteil 6 c und einen kegelstumpfförmigen Vorderteil 6 d. Die Stirnflächen der Vorderteile 6 d bilden ebene, kreisförmige Kontaktflächen 6 e, die eine hohe Oberflächengüte aufweisen.The lugs 2 have recesses on their flat, inclined end faces, each with a conical seat 4 and a concave wall part 5 adjoining the conical seat 4 . The recesses receive one-piece pressure bodies 6 , which protrude with their end faces from the end faces of the lugs 2 in the circumferential direction. Each pressure element 6 has four sections, namely a frustoconical seat 6 a , a cylindrical intermediate part 6 b with a height h of different sizes, a frustoconical intermediate part 6 c and a frustoconical front part 6 d . The end faces of the front parts 6 d form flat, circular contact surfaces 6 e , which have a high surface quality.
Die Neigung der Sitze 6 a jedes Druckkörpers 6 ist um die Winkel differenz Δϕ - die bei genauer Fertigung in der Größenordnung von 15 bis 30 Winkelminuten liegt - geringer als die Neigung des Sitzes 4 im Ansatz 2. Ferner ist der Durchmesser des zylindrischen Wandungsteils 5 jeder Ansatz-Ausnehmung um so viel größer als der größte Durchmesser des Druckkörpers 6, daß die für die Selbsteinstellung jedes Druckkörpers 6 benötigte schwenkbewegliche Lagerung des Druckkörpers 6 vorliegt.The inclination of the seats 6 a of each pressure element 6 is smaller by the angle difference Δϕ - which, in the case of precise manufacture, is of the order of 15 to 30 angular minutes - than the inclination of the seat 4 in the approach 2 . Furthermore, the diameter of the cylindrical wall part 5 of each neck recess is so much larger than the largest diameter of the pressure element 6 that the pivotable mounting of the pressure element 6 required for the self-adjustment of each pressure element 6 is present.
Der Wandungsteil 5 jeder Ansatz-Ausnehmung weist oben und unten Öffnungen 7 a, 7 b für den Fall auf, daß so große Kontaktflächen 6 e erforderlich sind, daß der größte Druckkörperdurchmesser und der entsprechende Ansatzausnehmungsdurchmesser größer als die größte Höhe H des Ansatz-Profils 3 sind. - Ist der größte Druckkörper durchmesser jedoch kleiner als die maximale Höhe H des Ansatz- Profils 3, genügt eine Öffnung zumindest an der Unterseite des Wandungsteils 5, um den Druckkörper einfach austauschen bzw. entfernen zu können.The wall part 5 of each neck recess has openings 7 a , 7 b at the top and bottom for the case that such large contact areas 6 e are required that the largest pressure hull diameter and the corresponding neck recess diameter are greater than the greatest height H of the neck profile 3 are. - If the largest pressure body diameter is smaller than the maximum height H of the attachment profile 3 , an opening at least on the underside of the wall part 5 is sufficient to be able to easily replace or remove the pressure body.
Die Druckkörper 6 sind durch zwei leichte, ihre Selbsteinstellung nicht behindernde, in dem Raum zwischen dem kegelstumpfförmigen Teil 6 c und der gegenüberliegenden Wandung der Ansatz-Ausnehmung angeordnete Montagesicherungen 8 am Herausfallen gehindert, falls Laufschaufeln nach der Erstmontage nochmals ausgebaut werden müssen.The pressure member 6 are light by two, their self-adjustment does not impede, arranged in the space between the frusto-conical portion 6 c and the opposite wall of the neck recess mounting fuses 8 prevented from falling out if the blades need to be removed after the initial assembly again.
Mit Rücksicht auf die Streuung der Spaltbreite Δ s über den Umfang zwischen jeweils zwei benachbarten Ansätzen 2 werden Druckkörper 6 mit unterschiedlicher Höhe h ausgewählt, derart, daß, nachdem die Druckkörper in die Ausnehmungen eingesetzt sind, die Spaltbreiten über den Umfang annähernd gleich oder Null sind. - Durch Wahl entsprechender Höhen h der Druckkörper 6 kann aber auch ein tangentiales Übermaß erreicht werden, so daß bei montierten Laufschaufeln bereits bei ruhendem Schaufelkranz eine tangentiale Vorspannung, die im Betriebszustand der Turbine dann noch verstärkt wird, zwischen den Ansätzen 2 mit den Druckkörpern 6 vorhanden ist.With regard to the scattering of the gap width Δ s over the circumference between two adjacent approaches 2 , pressure elements 6 with different heights h are selected such that, after the pressure elements are inserted into the recesses, the gap widths over the circumference are approximately equal or zero . - By selecting appropriate heights h of the pressure element 6 , a tangential oversize can also be achieved, so that with installed rotor blades, even with the blade ring at rest, a tangential preload, which is then increased in the operating state of the turbine, is present between the approaches 2 with the pressure elements 6 is.
Die Druckkörper 6 bestehen aus einem Werkstoff möglichst geringer Porosität, hoher Druck- und Biegefestigkeit, hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Abriebfestigkeit, was bei bestimmten gesinterten Hartmetallen, bestimmten im HIP-Verfahren - d. h. Verdichtung unter hohem Druck und hoher Temperatur - hergestellten Hartmetallen oder bei bestimmten Keramikplatten mit hoher Oberflächengüte gegeben ist.The pressure body 6 consist of a material with the lowest possible porosity, high pressure and bending strength, high corrosion resistance and high abrasion resistance, which is the case with certain sintered hard metals, certain hard metals produced in the HIP process - ie compression under high pressure and high temperature - or with certain ceramic plates with a high surface quality.
Zwischen den konusförmigen Sitz 4 der Ansatz-Ausnehmung und dem konusförmigen Sitz 6 a des Druckkörpers 6 kann eine dünne Kunststoffschicht, eine galvanisch auf den Druckkörper aufgebrachte Zwischenschicht oder dergleichen vorgesehen sein. Between the conical seat 4 of the shoulder recess and the conical seat 6 a of the pressure body 6 , a thin plastic layer, an intermediate layer applied galvanically to the pressure body or the like can be provided.
In den beiden Ausnehmungen 2 sind zwei Druckkörper 6 angeordnet. - Möglich ist aber auch der Einsatz nur jeweils eines Druckkörpers pro Ansatzpaar und sein Zusammenwirken mit der ebenen, schrägen Stirnfläche des benachbarten Ansatzes an der nächsten Schaufel. In diesem Fall ist ein Druckkörper- Werkstoff, wie z. B. bestimmte Bronzen, zu wählen, der mit der stählernen Ansatz-Stirnfläche zusammenwirkt, ohne daß Fressen oder dergleichen auftritt.Two pressure elements 6 are arranged in the two recesses 2 . - However, it is also possible to use only one pressure body per pair of attachments and its interaction with the flat, sloping face of the adjacent attachment on the next blade. In this case, a pressure hull material, such as. B. certain bronzes to choose, which interacts with the steel neck end face, without seizing or the like.
Die vorgeschlagene Bindung ist sowohl bei verwundenen, als auch bei geraden Schaufeln anwendbar. In letzterem Fall muß jedoch durch geeignete Maßnahmen dafür gesorgt werden, daß sich die Kontaktflächen bzw. die Ansätze mit den Druckkörpern in Ruhe und im Lauf der Laufschaufeln mit entsprechender Umfangskraft gegen einander abstützen.The proposed bond is both twisted, as well applicable to straight blades. In the latter case, however through appropriate measures to ensure that the Contact areas or the approaches with the pressure bodies at rest and in the course of the blades with appropriate circumferential force support each other.
Die Druckkörper sind auch bei axial montierbaren Laufschaufeln, z. B. Schaufeln mit Tannenbaumfuß, auch nach Montage der Laufschaufeln im Radkranz, ohne montagebedingte Einschränkung des Reibwinkels c R (Fig. 3) verwendbar. Falls der Spalt zwischen den Ansätzen für die Montage der Druckkörper nicht groß genug ist und die Laufschaufeln nicht entsprechend weit auseinander gedrückt werden können, müssen - vergleiche Fig. 4a, 4b - die Druckkörper im oberen bzw. vorderen Bereich auf gegenüber liegenden Seiten abgeschnitten werden, derart, daß die Breite des Druckkörpers zwischen den abgeschnittenen, geraden, parallelen Flächen etwas geringer ist als die Öffnung im Ansatz. Der (abgeschnittene) Druckkörper wird radial, senkrecht zur Turbinenachse durch die Öffnung in der Ansatzwandung einge schoben und dann um 90° gedreht, so daß die runden Abschnitte den entsprechenden runden Abschnitten der Wandung der Ansatz- Ausnehmungen gegenüberliegen. Es genügt eine Öffnung 7, die man vorzugsweise unten am Ansatz 2 in dessen äußerem Bereich vorsehen wird. The pressure elements are also in the case of axially mountable blades, e.g. B. blades with fir tree base, can also be used after assembly of the blades in the wheel rim, without assembly-related restriction of the friction angle c R ( FIG. 3). If the gap between the lugs for the assembly of the pressure elements is not large enough and the blades cannot be pressed apart far enough - compare FIGS. 4a, 4b - the pressure elements in the upper or front area must be cut off on opposite sides, such that the width of the pressure body between the cut, straight, parallel surfaces is slightly less than the opening in the neck. The (cut) pressure body is inserted radially, perpendicular to the turbine axis through the opening in the extension wall and then rotated by 90 °, so that the round sections face the corresponding round sections of the wall of the extension recesses. An opening 7 is sufficient, which will preferably be provided at the bottom of the neck 2 in its outer area.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorgeschlagenen Bindung sind Endschaufeln im Niederdruckteil großer Dampfturbinen. Weitere Anwendungsgebiete können jedoch Schaufelkränze anderer Dampfturbinenstufen, Schaufelkränze von Verdichtern, Gasturbinen oder dergleichen sein.Preferred fields of application of the proposed binding are End blades in the low pressure section of large steam turbines. Further Areas of application can, however, be other shovel rings Steam turbine stages, blade rings of compressors, gas turbines or the like.
Die Druckkörper 6 erhalten durch Höchstlast, insbesondere beim bei Überdrehzahl stattfindenden Schleudern, durch einmaliges örtliches Fließen jeweils ihres Sitzes bis zur ringförmigen Auflage im zugeordneten Sitz der Ansatz-Ausnehmung ihre endgültige Plazierung und Bettung, wobei der von der idealen Ringfläche abweichende, Kegelschnittform aufweisende Sitz kraft- und formschlüssig wird. (Die ringförmige Auflage jedes Druckkörpers ist sichergestellt, da die aus der Entwindung der Laufschaufeln sich ergebende, in einem entsprechenden Abstand von der Drehmitte der Laufschaufel wirkende Kraft um ein Vielfaches größer ist als die senkrecht dazu wirkende Fliehkraft aus der Druckkörpermasse.) Beim Drehen des Schaufelkranzes erfolgt ferner infolge des Momentes F T · m - vergleiche Fig. 3 - eine Drehung des Druckkörpers bis zur aus der unterschiedlichen Neigung der Sitze resultierenden Winkel differenz Δϕ, so daß die aus Fertigungsgründen immer vorhandenen Abweichungen aus der parallelen Lage ausgeglichen werden. Nach erfolgter Selbsteinstellung liegen - in der Draufsicht gesehen - die Kontaktflächen 6 e zweier zusammenwirkender Druckkörper 6 bzw. - falls ein Druckkörper pro Ansatzpaar vorhanden ist - die kreisförmige Kontaktfläche des Druckkörpers und die ebene Stirnfläche des benachbarten Ansatzes so schräg zur Umfangsrichtung, daß Selbsthemmung bei Verschiebungen zwischen den jeweils zwei zusammenwirkenden Kontaktflächen mit Sicherheit vermieden ist.The pressure hulls 6 receive their final placement and bedding by maximum load, in particular when spinning at overspeed, by a single local flow of their seat up to the annular support in the assigned seat of the neck recess, the force deviating from the ideal annular surface having a conical shape - and becomes form-fitting. (The annular support of each pressure body is ensured because the force resulting from the unwinding of the rotor blades, which acts at a corresponding distance from the center of rotation of the rotor blade, is many times greater than the centrifugal force acting perpendicularly to it from the pressure body mass.) When rotating the blade ring takes place further as a result of the moment F · T m - see FIG. 3 - a rotation of the pressure body to the different inclination of the seats from the resultant angle difference Δφ, so that the ever-present for manufacturing reasons deviations are compensated from the parallel position. After self-adjustment has been carried out - seen in plan view - the contact surfaces 6 e of two interacting pressure bodies 6 or - if there is one pressure body per attachment pair - the circular contact surface of the pressure body and the flat end face of the adjacent attachment are so inclined to the circumferential direction that self-locking in the event of displacements between the two interacting contact surfaces is avoided with certainty.
Im Lauf der verwundenen Laufschaufeln nähern sich die Ansätze 2, so daß der in dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1a und 3 in Ruhe vorhandene Spalt zunächst Null wird; später entsteht ein gewisses tangentiales Übermaß mit daraus resultierender tangentialer Spannung, so daß die Druckkörper 6 unter entsprechend hohem Druck stehen, was eine vor allem in Umfangsrichtung sehr wirksame Abstützung ergibt.In the course of the twisted rotor blades, the approaches 2 approach, so that the gap present in the embodiment according to FIGS. 1a and 3 initially becomes zero; later there is a certain tangential oversize with the resulting tangential tension, so that the pressure bodies 6 are under a correspondingly high pressure, which results in a support which is very effective, particularly in the circumferential direction.
Dehnen sich die Ansätze 2 - z. B. durch Erwärmung - in Umfangs richtung, dann gestatten die Laufschaufeln 1 durch eigenes Verdrehen den Ansätzen 2 die der Drehung entsprechende Lage einzunehmen, wobei die Kontaktflächen 6 e sich gegeneinander verschieben, wobei die Kontaktflächen der Druckkörper 6 parallel bleiben.Do approaches 2 - z. B. by heating - in the circumferential direction, then allow the blades 1 by their own twisting the approaches 2 to take the position corresponding to the rotation, the contact surfaces 6 e move against each other, the contact surfaces of the pressure body 6 remain parallel.
Claims (5)
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