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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vibrationsdämpfung.
Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung
auf eine Vibrationsdämpfung
für Profilschaufeln
in Gasturbinentriebwerken.
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Gasturbinentriebwerke
weisen gewöhnlich eine
Axialströmungsturbine
auf, die wenigstens einen ringförmigen
Aufbau von radial verlaufenden Profilschaufeln aufweist, die an
einer gemeinsamen Scheibe montiert sind. Jede Profilschaufel ist
mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Plattform in der Nähe ihres
inneren Endes derart ausgestattet, dass die Plattformen benachbarter
Schaufeln zusammenwirken, um die radial innere Umfangsbegrenzung
für den
Gasströmungspfad über die
Schaufeln zu bilden.
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Im
Betrieb hat die Gasströmung über die Profilschaufeln
die Tendenz, eine Vibration dieser Schaufeln zu veranlassen, und
zwar in einem solchen Maße,
dass eine gewisse Dämpfung
erforderlich ist. Ein allgemein benutzter nach dem Stande der Technik
ausgebildeter Dämpfer
ist in Achsrichtung verlängert
und im Querschnitt im Wesentlichen keilförmig ausgebildet, wobei zwei
Friktionsoberflächen an
seinem radial äußeren Ende
vorhanden sind. Diese Friktionsoberflächen sind unter einem Winkel
von etwa 60° gegenüber der
Radialrichtung der Schaufeln angestellt und liegen in einem Winkel
von etwa 120° gegenüber. Dieses
Dämpfungsglied
liegt zwischen zwei benachbarten Schaufeln radial innerhalb der
Schaufelplattformen. Die radial inneren Oberflächen der Schaufelplattformen
sind so ausgebildet, dass sie unter dem gleichen Winkel gegenüberliegen,
wie jener, unter dem die Friktionsoberflächen des Dämpfungsgliedes gegenüberliegen.
Im Betrieb tendieren die Zentrifugalkräfte dazu, das Dämpfungsglied
radial nach außen
zu drücken,
so dass die Friktionsoberflächen
in ebene Berührung
mit den Winkeloberflächen
auf den radial inneren Oberflächen
der Plattformen gebracht werden. Jede Vibration der Schaufeln führt zu einer
Relativbewegung zwischen den Plattformen benachbarter Schaufeln
und demgemäß zu einer
Gleitbewegung zwischen den Oberflächen der Schaufelplattform
und den Friktionsoberflächen
des Dämpfungsgliedes.
Die Arbeit, die bei der Überwindung
der Friktionskräfte,
die der Gleitbewegung zugeordnet sind, geleistet wird, verteilt
die Vibrationsenergie in die Schaufeln und vermindert die Vibration.
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Ein
Nachteil dieser Dämpfer-Konstruktion besteht
darin, dass dann, wenn sich die relativen Stellungen benachbarter
Schaufeln als Folge der Schaufelvibration ändern, der durch die Oberflächen der
Schaufelplattform gebildete Winkel nicht mehr der gleiche ist wie
der Winkel, der zwischen den Friktionsoberflächen des Dämpfungsgliedes gebildet wird.
Dann stehen die Oberflächen
nicht mehr in ebener Berührung
und das Dämpfungsglied
tendiert zu einer Kippbewegung oder zu einer Schaukelbewegung statt
zu einer Gleitbewegung und dadurch geht die Dämpfungswirkung verloren.
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Es
sind zahlreiche Konstruktionen entwickelt worden, um dieses Problem
zu lösen.
Die
US 3037741 beschreibt
ein keilförmig
gestaltetes Dämpfungsglied,
das in Gleitberührung
mit einer Rotorscheibe über
einen Stift steht. Im Betrieb wird dieser in Berührung mit den Unterseiten der
Schaufelplattformen durch Zentrifugalkräfte gebracht, um eine Friktionsdämpfung zu
bewirken. Alternativ besteht das Dämpfungsglied aus Streifen aus
elastischem Metall, die eine Vorspannkraft gegen die Plattformen ausüben. Die
EP 0509838 beschreibt ein
keilförmiges
Dämpfungsglied
mit erhöhten
Kissen auf den beiden Friktionsoberflächen des Dämpfungsgliedes. Diese erhöhten Kissen
sind so angeordnet, dass ein Kippen des Dämpfungsgliedes vermindert wird
und die erhöhten
Kissen in ebener Berührung
mit den Plattformoberflächen
gehalten werden. Die
US 5478207 beschreibt
ein Dämpfungsglied,
das im Allgemeinen keilförmig
gestaltet ist, aber das in der Mitte eine Masse versetzt hat, um
die Stabilität
des Dämpfungsgliedes
zu verbessern und eine ebene Berührung
zwischen den Friktionsoberflächen
des Dämpfungsgliedes
und den Schaufelplattform-Oberflächen
aufrecht zu erhalten.
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Obgleich
diese Konstruktionen von Dämpfern
auf das Problem des Verlustes einer ebenen Berührung gerichtet sind, so haben
sie dennoch einen weiteren Nachteil insofern, als sie nicht für alle Schwingungsmoden
wirksam sind. Die klassischen Theorien der Vibration beschaufelter
Scheiben identifizieren drei Typen von Vibrationsmoden, nämlich Schaufelklappenmoden,
Randmoden und Torsionsmoden. In einer idealisierten Situation würde eine
in perfekter Weise abgestimmte beschaufelte Scheibe (d.h. eine,
bei der alle Schaufeln die gleiche Eigenfrequenz besitzen) bei einer
synchronen Erregung (z.B. von stromaufwärtigen Schaufeln) einen einzigen
Vibrationsmodus mit einem definierten Zwischenschaufel-Phasenwinkel
hervorrufen. Je kleiner die Zahl der Schaufeln, desto niedriger
würde dieser
Phasenwinkel. In einer wirklichkeitsnahen Situation haben jedoch
die Schaufeln nicht alle die gleiche Eigenfrequenz, so dass die
relativen Schaufelbewegungen komplex sind und unterschiedliche Typen
von Vibrationsmoden herbeiführen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Dämpfungseinrichtung
zu schaffen, die bei allen Vibrationsmoden eine wirksamere Dämpfung bewirkt.
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Demgemäß betrifft
die Erfindung einen Zwischenschaufel-Vibrationsdämpfer für ein Gasturbinentriebwerk,
wobei der Dämpfer
eine Friktionsoberfläche
aufweist, die eine erste Oberfläche
berührt,
die einer Turbinenschaufel zugeordnet ist und der Dämpfer eine
zweite Friktionsoberfläche
aufweist, die eine zweite Oberfläche
berührt,
die einer benachbarten Turbinenschaufel zugeordnet ist, wobei die
ersten und zweiten Friktionsoberflächen und die ersten und zweiten
Oberflächen
eben ausgebildet sind und die erste Friktionsoberfläche und
die zweite Friktionsoberfläche
konvergent verlaufen und die am dichtesten benachbarten Enden der
ersten Friktionsoberfläche
und der zweiten Friktionsoberfläche
in einem Abstand distanziert sind, der wenigstens so groß ist wie der
maximale Umfangsspalt zwischen den radial äußeren Enden der ersten Oberfläche und
der zweiten Oberfläche
und wobei der Winkel, der von der ersten Friktionsoberfläche und
der zweiten Friktionsoberfläche
ausgespannt wird, kleiner ist als der Winkel, der durch die erste
Oberfläche
und die zweite Oberfläche ausgespannt
wird, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Masse des Dämpfers derart
verteilt ist, dass der Massenmittelpunkt des Dämpfers auf einer Ebene liegt,
die den Winkel halbiert, der durch die Friktionsoberflächen ausgespannt
wird, so dass im Betrieb wenigstens ein Teil der Vibrationsdämpfung durch
Oszillation des Dämpfers
derart bewirkt wird, dass die ersten und zweiten Friktionsoberflächen abwechselnd
in Berührung
mit der entsprechenden ersten und zweiten Oberfläche gebracht werden.
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Vorzugsweise
ist der Dämpfer
im Querschnitt im Wesentlichen keilförmig ausgebildet.
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Vorzugsweise
sind die am dichtesten benachbarten Enden von erster Friktionsoberfläche und zweiter
Friktionsoberfläche über eine
konvex gekrümmte
Oberfläche
verbunden.
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Vorzugsweise
beträgt
die Differenz zwischen dem Winkel, der durch die erste Friktionsoberfläche und
die zweite Friktionsoberfläche
ausgespannt wird und dem Winkel, der durch die erste Oberfläche und die
zweite Oberfläche
ausgespannt wird, etwa 10°. Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beträgt
der Winkel, der durch die erste Friktionsoberfläche und die zweite Friktionsoberfläche ausgespannt
wird, etwa 110° und
der Winkel, der durch die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche ausgespannt
wird, etwa 120°.
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Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der
Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine schematische Schnittansicht, die zwei benachbarte Turbinenschaufeln
zeigt, die auf einer Scheibe montiert und mit Dämpfungsgliedern gemäß dem Stand
der Technik ausgerüstet sind;
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2 ist
eine schematische Schnittansicht eines bekannten Friktionsdämpfers;
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3 ist
eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Friktionsdämpfers.
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Zunächst wird
auf 1 Bezug genommen. Ein Turbinenabschnitt eines
Gasturbinentriebwerks umfasst eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 10,
die am Umfang einer drehbaren Scheibe 12 montiert sind.
Jede Turbinenschaufel 10 umfasst ein Stromlinienprofil 14,
das in ein Arbeitsfluid einsteht, das axial die Turbine durchströmt. Die
Schaufeln 10 werden auf der Scheibe 12 über schwalbenschwanzförmige Schaufelfußabschnitte 16 getragen,
die in entsprechend gestaltete Ausnehmungen 18 in der Rotorscheibe 12 eingreifen.
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Zwischen
dem Stromlinienprofil 14 der Schaufel und dem Schaufelfußabschnitt 16 jeder Schaufel 10 befindet
sich eine Plattform 20, die an ihrer radial inneren Seite
im Winkel angestellte Oberflächen 22 besitzt.
Die im Winkel angestellten Oberflächen 22 zweier benachbarter
Schaufeln 10 bilden die Form eines umgekehrten V und definieren
die radial äußere Begrenzung
des Dämpfungshohlraumes 24. In
jedem Dämpfungshohlraum 24 ist
ein axial langgestreckter Friktionsdämpfer 26 angeordnet,
der einen im Wesentlichen keilförmig
gestalteten Querschnitt besitzt und im Winkel angestellte Friktionsoberflächen 28 aufweist,
die komplementär
zu dem umgekehrten V gestaltet sind, das von den Winkeloberflächen 22 gebildet
wird. Der Winkel, der von den Friktionsoberflächen 28 ausgespannt
wird, ist so ausgebildet, dass er gleich ist dem Winkel, der durch
die Winkeloberflächen 22 ausgespannt
wird.
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Wenn
sich die Scheibe 12 mit den Turbinenschaufeln 10 dreht,
dann drücken
Zentrifugalkräfte den
Vibrationsdämpfer 26 radial
nach außen,
so dass seine Friktionsoberflächen 28 in
eine ebene Berührung
mit den Winkeloberflächen 22 der
Plattformen 20 gelangen. Wenn eine Schaufel 10 vibriert,
bewirkt dies, dass die Friktionsoberflächen 28 entlang der Winkeloberflächen 22 gleiten,
wodurch die Vibrationsenergie verteilt und die Vibration vermindert wird.
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Nunmehr
wird auf 2 Bezug genommen. Hier ist die
Situation dargestellt, die unter gewissen Vibrationsmoden auftreten
kann, wenn die Stellungen der Turbinenschaufeln derart sind, dass
der Winkel, der durch die Winkeloberflächen 22 ausgespannt wird,
nicht mehr der gleiche ist wie der Winkel, der durch die Friktionsoberflächen 28 ausgespannt
wird. Der Friktionsdämpfer 26 steht
daher mit den Plattformen 20 nur in Linienberührung längs zweier
Linien 30 und es ist klar, dass die ebene Berührung, die
notwendig ist, um eine Gleitbewegung zwischen den Winkeloberflächen 22 und
den Friktionsoberflächen 28 zu
ermöglichen,
hierbei verlustig geht. Der Friktionsdämpfer 26 tendiert
in der Praxis dazu, eine der beiden Berührungslinien 30 zu
schwenken, und hieraus ergibt sich keine wirksame Dämpfung.
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In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Friktionsdämpfers dargestellt.
Die allgemeine Ausgestaltung des Turbinenschaufelaufbaus ist die
gleiche wie in 1. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beträgt der
Winkel, der durch die Winkeloberflächen 22a und 22b auf
der radial inneren Seite der Plattformen 20a und 20b ausgespannt
wird, etwa 120°.
Der Dämpfer 46 ist
axial langgestreckt und im Wesentlichen im Querschnitt keilförmig gestaltet
mit konvergenten Friktionsoberflächen 48a und 48b auf
seiner radial außen
liegenden Seite. Der Winkel, der durch die Friktionsoberflächen 48a und 48b ausgespannt
wird, ist kleiner als der Winkel, der durch die Winkeloberflächen 22a und 22b ausgespannt
wird. Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Winkel, der durch die Friktionsoberflächen 48a und 48b ausgespannt
wird, etwa 110°.
Es ist klar, dass abgewandelte Ausführungsbeispiele möglich sind, bei
denen unterschiedliche Winkel durch die Winkeloberflächen 22a und 22b oder
die Friktionsoberflächen 48a und 48b ausgespannt
sind, wobei jedoch der Winkel, der durch die Friktionsoberflächen 48a und 48b ausgespannt
wird, immer noch kleiner ist als der Winkel, der durch die Winkeloberflächen 22a und 22b ausgespannt
wird.
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Die
Masse des Dämpfers 46 ist
so bemessen, dass sein Massenmittelpunkt in einer Ebene liegt, die
den Winkel halbiert, der durch die Friktionsoberflächen 48a und 48b ausgespannt
wird. Es ist klar, dass, obgleich bei diesem Ausführungsbeispiel der
Erfindung der Dämpfer 46 im
Querschnitt im Wesentlichen keilförmig ist, auch andere Ausgestaltungen
des Dämpfers 46 möglich sind,
bei denen der Massenmittelpunkt in einer Ebene liegt, die den Winkel
halbiert, der durch die Friktionsoberflächen 48a und 48b ausgespannt
wird.
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Die
am dichtesten benachbarten Enden der Friktionsoberflächen 48a und 48b sind
in einem Abstand distanziert, der wenigstens so groß ist wie
der maximale Umfangsspalt zwischen den radial äußeren Enden der Winkeloberflächen 22a und 22b.
Hierdurch wird vermieden, dass sich der Dämpfer 46 zwischen
den Plattformen 20a und 20b verklemmt. Bei diesem
speziellen bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung sind die am dichtesten benachbarten Enden der Friktionsoberflächen 48a und 48b durch eine
konvex gekrümmte
Oberfläche 52 verbunden. Es
ist jedoch klar, dass auch andere Ausführungsbeispiele der Erfindung
möglich
sind, bei denen die am dichtesten benachbarten Enden der Friktionsoberflächen 48a und 48b durch
eine Oberfläche
verbunden sind, die eine andere Form hat und beispielsweise als flache
Oberfläche
ausgebildet ist.
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Unter
nochmaligem Bezug auf 3 ist ersichtlich, dass die
Stellungen der Plattformen 20a und 20b ähnlich den
Stellungen der Plattformen 20 in 2 sind.
Nunmehr steht jedoch eine Friktionsoberfläche 48b des Dämpfers 46 in
ebener Berührung
mit der Winkeloberfläche 22b der
Plattform 20b, die einer Turbinenschaufel zugeordnet ist
und es besteht außerdem
eine Linienberührung 50 zwischen
dem Dämpfer 46 und
der Plattform 20a, die einer benachbarten Turbinenschaufel
zugeordnet ist. Dies ermöglicht
eine Gleitbewegung zwischen dem Dämpfer 46 und der Schaufelplattform 20b,
wodurch Vibrationen der Turbinenschaufeln gedämpft werden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft auch einen zweiten Mechanismus zum
Dämpfen
einer Vibration. Der Dämpfer 46 wird
einem Moment unterworfen, das durch die Vibrationen der Turbinenschaufeln
hervorgerufen wird. Dieses Moment schwankt gemäß dem jeweiligen Vibrationsmodus,
der darauf einwirkt. Weil der Massenmittelpunkt des Dämpfers 46 in
einer Ebene liegt, die den Winkel halbiert, der durch die Friktionsoberflächen 48a und 48b ausgespannt
ist, tendiert dieses fluktuierende Moment dazu, den Dämpfer 46 zu
veranlassen, innerhalb des Dämpfungshohlraumes
zu ozillieren oder zu vibrieren, wodurch die Friktionsoberflächen 48a und 48b abwechselnd
in Berührung
mit den beiden Winkeloberflächen 22a und 22b gebracht
werden. Der Schlagdruckeffekt dieser abgewandelten Berührungen
wirkt als zusätzlicher
Energieverlust-Mechanismus, aber dies steht nicht im Gegensatz zu
den primären
Mitteln der Dämpfung
durch die Gleitbewegung zwischen den Friktionsoberflächen 48a und 48b und
den Winkeloberflächen 22a und 22b.