EP1925781A1 - Blade arrangement - Google Patents

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Publication number
EP1925781A1
EP1925781A1 EP06024326A EP06024326A EP1925781A1 EP 1925781 A1 EP1925781 A1 EP 1925781A1 EP 06024326 A EP06024326 A EP 06024326A EP 06024326 A EP06024326 A EP 06024326A EP 1925781 A1 EP1925781 A1 EP 1925781A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
damping elements
damping
blade
contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06024326A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Dr. Kayser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP06024326A priority Critical patent/EP1925781A1/en
Priority to DE502007003972T priority patent/DE502007003972D1/en
Priority to ES07821832T priority patent/ES2345686T3/en
Priority to JP2009537583A priority patent/JP4806075B2/en
Priority to US12/515,845 priority patent/US8167563B2/en
Priority to AT07821832T priority patent/ATE469288T1/en
Priority to PCT/EP2007/061469 priority patent/WO2008061856A1/en
Priority to RU2009123844/06A priority patent/RU2417323C2/en
Priority to CN2007800436875A priority patent/CN101542073B/en
Priority to EP07821832A priority patent/EP2094946B1/en
Publication of EP1925781A1 publication Critical patent/EP1925781A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • F01D11/006—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor
    • F01D11/008—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor by spacer elements between the blades, e.g. independent interblade platforms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/23—Three-dimensional prismatic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/23—Three-dimensional prismatic
    • F05D2250/231—Three-dimensional prismatic cylindrical
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S416/00—Fluid reaction surfaces, i.e. impellers
    • Y10S416/50—Vibration damping features

Definitions

  • the invention relates to a blade assembly having a rotor and a plurality of blades arranged on the circumference of the rotor, wherein a plurality of damping elements in the circumferential direction of the rotor are arranged one behind the other between the blades of at least one blade pair, which is formed of two adjacent blades, and wherein adjacent damping elements in a Rotation of the rotor about a rotor axis by a radially acting centrifugal force in contact.
  • damping elements generally loose body which rest in the idle state first between the blade roots of the blades on the rotor or on corresponding support structures and are pressed during operation of the rotor due to acting in the radial direction centrifugal force against the underside of the blade platforms of adjacent blades.
  • Each damping element is at the same time in contact with both adjacent blade platforms. Thereby, the kinetic energy of a caused relative to vibration relative movement between the blades can be converted into heat energy, due to the friction between the respective blade platforms and the adjacent damping element.
  • the invention has for its object to provide a blade assembly with damping elements, with the unwanted vibrations can be attenuated more effectively.
  • the contact regions of adjacent damping elements that form when the rotor rotates are designed in the form of a planar contact.
  • the entire provided friction surface between the damping elements is significantly increased compared to known blade arrangements, in which the damping elements only come into contact with each other in the form of a line contact.
  • Friction surface causes a very effective vibration damping of the entire blade assembly. Also different vibration modes can be effectively damped.
  • the blade arrangement according to the invention enables a reduction of the vibration amplitudes and stresses by additional friction damping.
  • the damping elements differ in their geometric shape. According to the invention, oscillation modes can thus be effectively damped with suitably shaped damping elements, which can not be effectively damped with a constant design of all damping elements.
  • the damping elements can also differ in their masses to effectively damp by combining with suitable geometric shapes as large a number of different vibration modes.
  • the friction conditions coefficient of friction, roughness
  • the contact areas can be influenced, in order to enable targeted damping of several modes, even in increased frequency ranges.
  • damping elements are preferably rod-shaped.
  • damping elements in the circumferential direction of the rotor are arranged one behind the other, wherein the damping elements are preferably rod-shaped and a damping element has a cross section of the shape of a wedge and the other damping element has a cross section of the shape of a quarter circle.
  • This combination of two differently acting damping elements can effectively attenuate a multiplicity of different vibration states, with the in-phase vibration states as well as the in-phase vibrations being damped, since the surface contacts of the wedge-shaped one Damping element rolling of the circular element is prevented at the line contact to the plate shape.
  • damping elements By combining these damping elements with a surface contact on a blade platform and a line contact (Hertzian contact) on the other platform of the blade pair a kinematic stable arrangement is provided which prevents tilting and local lifting of all contact surfaces.
  • three damping elements are arranged one behind the other in the circumferential direction of the rotor.
  • a further damping element which preferably has a different geometric shape than the other damping elements, optionally further disturbing vibration modes can be effectively damped.
  • the two outer damping elements arranged one after the other in the circumferential direction of the rotor come into contact with the blades of the pair of vanes via friction surfaces which are formed on the vanes of the pair of vanes.
  • the damping elements made of steel or ceramic, ie materials with which an effective damping can be realized.
  • the invention further relates to a method for vibration damping of a blade assembly comprising a rotor and a plurality of blades arranged on the circumference of the rotor, in which a plurality of damping elements are arranged in the circumferential direction of the rotor one behind the other between the blades of at least one blade pair, which is formed of two adjacent blades , and wherein adjacent damper elements in a rotation of the rotor about a rotor axis by a radially acting centrifugal force in contact, and are used in the damping elements, which are formed so in the circumferential direction of the rotor can be arranged one behind the other, that the contact is a surface contact.
  • FIG. 1 shows a schematic section of the blade arrangement 1 according to the invention in a sectional plane perpendicular to the rotor axis.
  • the detail shows two blade platforms 3 of adjacent blades of the blade arrangement 1 according to the invention.
  • the blades are suspended from the rotor disk of the blade arrangement 1 and are at a small distance from one another.
  • two damping elements 5 and 7 are arranged loosely. Both damping elements 5, 7 form a damper group and are rod-shaped in the axial direction, wherein the damping element 7 has a quarter-circle-shaped cross-section and the damping element 5 has a wedge-shaped cross section.
  • the undersides of the two blade platforms 3 form friction surfaces 9, 11. against these friction surfaces 9, 11, the two damping elements 5, 7 are pressed during a rotation of the rotor (not shown) by the action of centrifugal force.
  • the friction surfaces 9, 11 are here inclined at certain angles ⁇ and ⁇ to the plane which is spanned by the radial direction R and the rotor axis, so that they together form a V-shaped guide, in which the damping elements 5, 7 through the centrifugal be pressed.
  • the wedge-shaped damping element 5 has a friction surface 13 whose inclination is adapted to the angle ⁇ in order to provide an effective areal frictional contact between the damping element 5 and the corresponding blade platform 3.
  • the angles ⁇ and ⁇ are preferably in the range of 20 ° to 70 °, the range of 40 ° to 60 ° being more preferred.
  • the damping elements 5 and 7 are formed and arranged in the circumferential direction of the rotor one behind the other, that the contact in the contact region 15 is a flat contact 15, as well as the contact between the damping element 5 and platform 3.
  • the entire provided friction surface between the Damping elements 5 and 7 compared to known blade assemblies significantly increased, in which the contact area between the damping elements is not formed as a flat contact, but in the form of a line contact (Hertzian contact).
  • the friction surface additionally provided according to the invention via the flat contact 15 effects a very effective vibration damping of the entire blade arrangement 1.
  • the flat contact 15 extends parallel to the radial direction R, but can also be inclined by correspondingly selected angles ⁇ and ⁇ to the radial direction R.
  • the angle ⁇ is within a range of 70 ° to 90 ° and the angle ⁇ within a range of 110 ° to 90 ° or vice versa.
  • Fig. 2 shows schematically the arrangement of two damping element groups 25, 27.
  • the positions of the damping element groups 25 and 27, each comprising a certain number of damping elements are indicated schematically by circles.
  • the damping elements extend rod-shaped in the axial direction, wherein the groups along the axial extent of a blade 17 (axial direction 23) 'are distributed.
  • the blade 17 comprises an airfoil 19, a blade platform 3, a blade root 21, a blade leading edge 29 and a blade trailing edge 31.
  • the damping element group 27 is located on the blade leading edge 29 and the damping element group 25 on the blade trailing edge 31.
  • the flow direction 33 is indicated by an arrow.

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Abstract

A blade arrangement (1) has a rotor and several blades arranged around the periphery of the rotor in a crown. Between two directly adjacent blades at least two damping elements (5,7) are provided and during rotor rotation around an axis, adjacent damping elements make contact between them as caused by the centrifugal force acting in a radial direction, and one of the damping elements makes contact with one of the two blades and the other of the two damping elements (7,5) makes contact with the other blade. Two of the contacts are flat and one of the contacts is linear.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufelanordnung, mit einem Rotor und mehreren am Umfang des Rotors angeordneten Schaufeln, wobei zwischen den Schaufeln wenigstens eines Schaufelpaares, das aus zwei benachbarten Schaufeln gebildet ist, mehrere Dämpfungselemente in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet sind, und wobei benachbarte Dämpfungselemente bei einer Rotation des Rotors um eine Rotorachse durch eine in radialer Richtung wirkende Zentrifugalkraft in Kontakt treten.The invention relates to a blade assembly having a rotor and a plurality of blades arranged on the circumference of the rotor, wherein a plurality of damping elements in the circumferential direction of the rotor are arranged one behind the other between the blades of at least one blade pair, which is formed of two adjacent blades, and wherein adjacent damping elements in a Rotation of the rotor about a rotor axis by a radially acting centrifugal force in contact.

Es ist bekannt, Schaufelanordnungen, die in Strömungsmaschinen, wie etwa Gasturbinen, verwendet werden, mit Dämpfungselementen zu versehen. Diese dienen dazu, unerwünschte Biege- und Torsionsschwingungen, die während des Betriebs in der Strömungsmaschine durch unterschiedliche Anregungen auftreten, zu dämpfen. Auf diese Weise können durch hohe Schwingungsamplituden bedingte HCF-Schäden (Abk. für "High Cycle Fatige"-Schäden) vermieden werden, die zu einer frühzeitigen Materialermüdung und damit zu einer verkürzten Lebensdauer der Schaufeln bzw. der Schaufelanordnung führen können. Die Dämpfungselemente werden hierbei zwischen den einzelnen Schaufeln angeordnet. Als Dämpfungselemente werden in der Regel lose Körper verwendet, die im Ruhezustand zunächst zwischen den Schaufelfüßen der Schaufeln am Rotor oder auf entsprechenden Tragestrukturen aufliegen und beim Betrieb des Rotors aufgrund der in radialer Richtung wirkenden Zentrifugalkraft gegen die Unterseite der Schaufelplattformen benachbarter Schaufeln gedrückt werden. Jedes Dämpfungselement steht dabei zur gleichen Zeit mit beiden benachbarten Schaufelplattformen in Kontakt. Hierdurch kann die kinetische Energie einer aufgrund von Vibrationen hervorgerufenen Relativbewegung zwischen den Schaufeln in Wärmeenergie umgewandelt werden, infolge der Reibung zwischen den jeweiligen Schaufelplattformen und dem anliegenden Dämpfungselement.It is known to provide paddle arrangements which are used in turbomachines, such as gas turbines, with damping elements. These serve to attenuate unwanted bending and torsional vibrations that occur during operation in the turbomachine by different suggestions. In this way, HCF damage caused by high oscillation amplitudes (abbreviation for "high cycle fatige" damage) can be avoided, which can lead to premature material fatigue and thus shorten the service life of the blades or of the blade arrangement. The damping elements are arranged between the individual blades. As damping elements generally loose body are used, which rest in the idle state first between the blade roots of the blades on the rotor or on corresponding support structures and are pressed during operation of the rotor due to acting in the radial direction centrifugal force against the underside of the blade platforms of adjacent blades. Each damping element is at the same time in contact with both adjacent blade platforms. Thereby, the kinetic energy of a caused relative to vibration relative movement between the blades can be converted into heat energy, due to the friction between the respective blade platforms and the adjacent damping element.

Dies dämpft die Schwingungen und führt insgesamt zu einer verminderten Schwingungsbelastung der Schaufelanordnung.This dampens the vibrations and leads overall to a reduced vibration load of the blade assembly.

Aus der Druckschrift EP 1 154 125 A2 ist eine Schaufelanordnung bekannt bei der wenigstens zwei Dämpfungselemente zwischen benachbarten Schaufeln in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet sind, um eine wirksame Dämpfung der gesamten Schaufelanordnung zu erzielen. Die in dieser Druckschrift offenbarten Dämpfungselemente sind in voneinander abweichender Form ausgeführt, um möglichst eine Vielzahl unterschiedlicher Schwingungsmoden dämpfen zu können. Über die sich zwischen den Dämpfungselementen und den Schaufeln, und ferner über die sich zwischen den einzelnen Dämpfungselementen ausbildenden Kontaktbereiche kann zur Schwingungsdämpfung durch Reibungswirkung Schwingungsenergie in Wärmenergie umgewandelt werden. Jedoch weisen die sich zwischen den einzelnen Dämpfungselementen ausbildenden Kontaktbereiche lediglich die Form eines Linienkontakts auf, mit dem eine nur geringfügig ausgeprägte Dämpfungswirkung verbunden ist.From the publication EP 1 154 125 A2 a vane arrangement is known in which at least two damping elements between adjacent blades in the circumferential direction of the rotor are arranged one behind the other in order to achieve an effective damping of the entire blade assembly. The damping elements disclosed in this document are designed in divergent form in order to be able to damp as many different vibration modes as possible. About the itself between the damping elements and the blades, and also on the forming between the individual damping elements contact areas can be converted to vibration damping by friction effect vibration energy in heat energy. However, the contact areas formed between the individual damping elements only have the form of a line contact with which only a slightly pronounced damping effect is associated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaufelanordnung mit Dämpfungselementen anzugeben, mit der unerwünschte Schwingungen noch wirksamer gedämpft werden können.The invention has for its object to provide a blade assembly with damping elements, with the unwanted vibrations can be attenuated more effectively.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit der eingangs genannten Schaufelanordnung gelöst, bei der die Dämpfungselemente derart ausgebildet und in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet sind, dass der Kontakt zwischen ihnen ein flächiger Kontakt ist.This object is achieved according to the invention with the blade assembly mentioned above, in which the damping elements are designed and arranged in the circumferential direction of the rotor one behind the other, that the contact between them is a surface contact.

Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung einer Schaufelanordnung sind die sich bei Rotordrehung ausbildenden Kontaktbereiche benachbarter Dämpfungselemente in Form eines flächigen Kontakts ausgebildet. Auf diese Weise wird die gesamte bereitgestellte Reibfläche zwischen den Dämpfungselementen gegenüber bekannten Schaufelanordnungen deutlich erhöht, bei denen die Dämpfungselemente nur in Form eines Linienkontakts miteinander in Kontakt treten. Die erfindungsgemäße Erhöhung der Reibfläche bewirkt eine sehr wirksame Schwingungsdämpfung der gesamten Schaufelanordnung. Auch unterschiedliche Schwingungsmoden können so wirksam gedämpft werden. Insgesamt betrachtet ermöglicht die erfindungsgemäße Schaufelanordnung eine Reduktion der Schwingungsamplituden und Spannungen durch zusätzliche Reibungsdämpfung.In the design of a blade arrangement according to the invention, the contact regions of adjacent damping elements that form when the rotor rotates are designed in the form of a planar contact. In this way, the entire provided friction surface between the damping elements is significantly increased compared to known blade arrangements, in which the damping elements only come into contact with each other in the form of a line contact. The increase of the invention Friction surface causes a very effective vibration damping of the entire blade assembly. Also different vibration modes can be effectively damped. Overall, the blade arrangement according to the invention enables a reduction of the vibration amplitudes and stresses by additional friction damping.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung unterscheiden sich die Dämpfungselemente in ihrer geometrischen Form. Erfindungsgemäß können so mit geeignet geformten Dämpfungselementen auch Schwingungsmoden wirksam gedämpft werden, die bei gleichbleibender Gestaltung aller Dämpfungselemente nicht wirksam gedämpft werden können. Bevorzugt können sich die Dämpfungselemente auch in ihren Massen unterscheiden, um durch Kombination mit geeigneten geometrischen Formen eine möglichst große Anzahl unterschiedlicher Schwingungsmoden wirksam zu dämpfen. Ferner können durch Verwendung von Dämpfungselementen aus unterschiedlichen Materialien die Reibungsverhältnisse (Reibkoeffizient, Rauheit) in den Kontaktbereichen beeinflusst werden, um auch so eine gezielte Dämpfung mehrerer Moden, auch in erhöhten Frequenzbereichen, zu ermöglichen.In an advantageous embodiment, the damping elements differ in their geometric shape. According to the invention, oscillation modes can thus be effectively damped with suitably shaped damping elements, which can not be effectively damped with a constant design of all damping elements. Preferably, the damping elements can also differ in their masses to effectively damp by combining with suitable geometric shapes as large a number of different vibration modes. Furthermore, by using damping elements made of different materials, the friction conditions (coefficient of friction, roughness) in the contact areas can be influenced, in order to enable targeted damping of several modes, even in increased frequency ranges.

Um die Dämpfungselemente geeignet zwischen benachbarten Schaufeln anordnen zu können, sind diese vorzugsweise stabförmig ausgebildet.In order to be able to arrange the damping elements suitably between adjacent blades, they are preferably rod-shaped.

Bei einer konkreten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaufelanordnung sind zwei Dämpfungselemente in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet, wobei die Dämpfungselemente vorzugsweise stabförmig ausgebildet sind und ein Dämpfungselement einen Querschnitt von der Form eines Keils und das andere Dämpfungselement einen Querschnitt von der Form eines Viertelkreises aufweist. Durch diese Kombination von zwei unterschiedlich wirkenden Dämpfungselementen lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Schwingungszustände effektiv dämpfen, wobei neben den gegenphasigen Schwingungszuständen auch die gleichphasigen Schwingungen gedämpft werden, da durch die Flächenkontakte des keilförmigen Dämpfungselements ein Abrollen des kreisförmigen Elements am Linienkontakt zur Plattenform unterbunden wird. Durch die Kombination dieser Dämpfungselemente mit einem Flächenkontakt an einer Schaufelplattform und einem Linienkontakt (Hertz'scher Kontakt) an der anderen Plattform des Schaufelpaares ist eine kinematisch stabile Anordnung geschaffen, die ein Verkanten und lokales Abheben aller Kontaktflächen verhindert.
Bei einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung sind drei Dämpfungselemente in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet. Durch ein weiteres Dämpfungselement, das vorzugsweise eine andere geometrische Form aufweist als die übrigen Dämpfungselemente, können gegebenenfalls weitere störende Schwingungsmoden wirksam gedämpft werden. Vorzugsweise treten hierbei nur die beiden äußeren der in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordneten Dämpfungselemente über Reibungsflächen, die an den Schaufeln des Schaufelpaars ausgebildet sind, mit den Schaufeln des Schaufelpaars in Kontakt. Je nach Anwendungsfall kann es auch von Vorteil sein, mehr als drei Dämpfungselemente zwischen zwei benachbarten Schaufeln hintereinander anzuordnen.In a specific development of the blade arrangement according to the invention two damping elements in the circumferential direction of the rotor are arranged one behind the other, wherein the damping elements are preferably rod-shaped and a damping element has a cross section of the shape of a wedge and the other damping element has a cross section of the shape of a quarter circle. This combination of two differently acting damping elements can effectively attenuate a multiplicity of different vibration states, with the in-phase vibration states as well as the in-phase vibrations being damped, since the surface contacts of the wedge-shaped one Damping element rolling of the circular element is prevented at the line contact to the plate shape. By combining these damping elements with a surface contact on a blade platform and a line contact (Hertzian contact) on the other platform of the blade pair a kinematic stable arrangement is provided which prevents tilting and local lifting of all contact surfaces.
In an alternative advantageous development, three damping elements are arranged one behind the other in the circumferential direction of the rotor. By a further damping element, which preferably has a different geometric shape than the other damping elements, optionally further disturbing vibration modes can be effectively damped. In this case, preferably only the two outer damping elements arranged one after the other in the circumferential direction of the rotor come into contact with the blades of the pair of vanes via friction surfaces which are formed on the vanes of the pair of vanes. Depending on the application, it may also be advantageous to arrange more than three damping elements between two adjacent blades in a row.

Bei einer weiteren konkreten Weiterbildung sind die Dämpfungselemente aus Stahl oder Keramik hergestellt, also Materialen, mit denen eine wirksame Dämpfung realisiert werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Vibrationsdämpfung einer Schaufelanordnung, die einen Rotor und mehrere am Umfang des Rotors angeordnete Schaufeln umfasst, bei dem zwischen den Schaufeln wenigstens eines Schaufelpaares, das aus zwei benachbarten Schaufeln gebildet ist, mehrere Dämpfungselemente in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet werden, und wobei benachbarte Dämpfungselemente bei einer Rotation des Rotors um eine Rotorachse durch eine in radialer Richtung wirkende Zentrifugalkraft in Kontakt treten, und bei dem Dämpfungselemente verwendet werden, die dazu ausgebildet sind, derart in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet werden zu können, dass der Kontakt ein flächiger Kontakt ist.In a further specific development, the damping elements made of steel or ceramic, ie materials with which an effective damping can be realized.
The invention further relates to a method for vibration damping of a blade assembly comprising a rotor and a plurality of blades arranged on the circumference of the rotor, in which a plurality of damping elements are arranged in the circumferential direction of the rotor one behind the other between the blades of at least one blade pair, which is formed of two adjacent blades , and wherein adjacent damper elements in a rotation of the rotor about a rotor axis by a radially acting centrifugal force in contact, and are used in the damping elements, which are formed so in the circumferential direction of the rotor can be arranged one behind the other, that the contact is a surface contact.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaufelanordnung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in denen

  • FIG 1 schematisch einen Ausschnitt einer erfindungemäßen Schaufelanordnung in einer Schnittebene senkrecht zur Rotorachse zeigt und
  • FIG 2 schematisch die Anordnung zweier Dämpfungselement-Gruppen über die axiale Erstreckung einer Schaufel zeigt.
Hereinafter, an embodiment of a blade assembly according to the invention will be described with reference to the accompanying drawings, in which
  • FIG 1 shows schematically a section of a erfindungemäßen blade assembly in a sectional plane perpendicular to the rotor axis and shows
  • 2 schematically shows the arrangement of two damping element groups over the axial extent of a blade.

Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Schaufelanordnung 1 in einer Schnittebene senkrecht zur Rotorachse. Der Ausschnitt zeigt zwei Schaufelplattformen 3 von benachbarten Schaufeln der erfindungsgemäßen Schaufelanordnung 1. Die Schaufeln sind an der Rotorscheibe der Schaufelanordnung 1 eingehängt und weisen einen geringen Abstand zueinander auf. Zwischen den beiden Schaufelplattformen 3 sind zwei Dämpfungselemente 5 und 7 lose angeordnet. Beide Dämpfungselemente 5, 7 bilden eine Dämpfergruppe und sind in axialer Richtung stabförmig ausgebildet, wobei das Dämpfungselement 7 einen viertelkreisförmigen Querschnitt und das Dämpfungselement 5 einen keilförmigen Querschnitt aufweist.FIG. 1 shows a schematic section of the blade arrangement 1 according to the invention in a sectional plane perpendicular to the rotor axis. The detail shows two blade platforms 3 of adjacent blades of the blade arrangement 1 according to the invention. The blades are suspended from the rotor disk of the blade arrangement 1 and are at a small distance from one another. Between the two blade platforms 3, two damping elements 5 and 7 are arranged loosely. Both damping elements 5, 7 form a damper group and are rod-shaped in the axial direction, wherein the damping element 7 has a quarter-circle-shaped cross-section and the damping element 5 has a wedge-shaped cross section.

Die Unterseiten der beiden Schaufelplattformen 3 bilden Reibungsflächen 9, 11 aus. Gegen diese Reibungsflächen 9, 11 werden die beiden Dämpfungselemente 5, 7 bei einer Rotation des Rotors (nicht dargestellt) durch Wirkung der Zentrifugalkraft gedrückt. Die Reibungsflächen 9, 11 sind vorliegend unter bestimmten Winkeln δ und ε zu der Ebene geneigt, die durch die radiale Richtung R und die Rotorachse aufgespannt wird, so dass sie zusammen eine V-förmige Führung bilden, in welche die Dämpfungselemente 5, 7 durch die Zentrifugalkraft gedrückt werden. Das keilförmige Dämpfungselement 5 weist eine Reibungsfläche 13 auf, deren Neigung an den Winkel δ angepasst ist, um einen wirksamen flächigen Reibungskontakt zwischen dem Dämpfungselement 5 und der entsprechenden Schaufelplattform 3 bereitzustellen. Die Winkel δ und ε liegen hierbei vorzugsweise im Bereich von 20° bis 70°, wobei der Bereich von 40° bis 60° noch bevorzugter ist.The undersides of the two blade platforms 3 form friction surfaces 9, 11. Against these friction surfaces 9, 11, the two damping elements 5, 7 are pressed during a rotation of the rotor (not shown) by the action of centrifugal force. The friction surfaces 9, 11 are here inclined at certain angles δ and ε to the plane which is spanned by the radial direction R and the rotor axis, so that they together form a V-shaped guide, in which the damping elements 5, 7 through the centrifugal be pressed. The wedge-shaped damping element 5 has a friction surface 13 whose inclination is adapted to the angle δ in order to provide an effective areal frictional contact between the damping element 5 and the corresponding blade platform 3. The angles δ and ε are preferably in the range of 20 ° to 70 °, the range of 40 ° to 60 ° being more preferred.

Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Schaufelanordnung 1 in einer Strömungsmaschine, wie etwa einer Gasturbine, bilden sich in der Schaufelanordnung 1 infolge von unterschiedlichen Anregungen oft unerwünschte Schwingungen in Form von Biege- und Torsionsschwingungen aus. Diese Schwingungen bewirken in der Regel eine Relativbewegung zwischen den beiden benachbarten Schaufelplattformen 3, die wiederum zu einer Relativbewegung zwischen dem keilförmigen Dämpfungselement 5 und der Reibungsfläche 9, zwischen dem viertelkreisförmigen Dämpfungselement 7 und der Reibungsfläche 11, und zu einer Relativbewegung zwischen den beiden Dämpfungselementen 5 und 7 im Kontaktbereich 15 (in Fig. 1 schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellt) führt. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß in allen drei Kontaktbereichen Schwingungsenergie infolge von Reibung in Wärmeenergie umgewandelt werden, um eine wirksame Schwingungsdämpfung zu erzielen. Hierbei werden mit dem keilförmigen Dämpfungselement 5 vor allem Schwingungen wirksam gedämpft, die auch gleichphasig auftreten.When using the blade arrangement 1 according to the invention in a turbomachine, such as a gas turbine, unwanted oscillations in the form of bending and torsional oscillations often form in the blade arrangement 1 as a result of different excitations. These vibrations usually cause a relative movement between the two adjacent blade platforms 3, which in turn to a relative movement between the wedge-shaped damping element 5 and the friction surface 9, between the quarter-circular damping element 7 and the friction surface 11, and to a relative movement between the two damping elements 5 and 7 in the contact region 15 (shown schematically in Fig. 1 by a dashed line) leads. In this way, according to the invention, vibration energy can be converted into heat energy as a result of friction in all three contact areas in order to achieve effective vibration damping. Here are damped with the wedge-shaped damping element 5, especially vibrations that also occur in-phase.

Erfindungsgemäß sind die Dämpfungselemente 5 und 7 derart ausgebildet und in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet, dass der Kontakt im Kontaktbereich 15 ein flächiger Kontakt 15 ist, genauso wie der Kontakt zwischen Dämpfungselement 5 und Plattform 3. Auf diese Weise wird die gesamte bereitgestellte Reibfläche zwischen den Dämpfungselementen 5 und 7 gegenüber bekannten Schaufelanordnungen deutlich erhöht, bei denen der Kontaktbereich zwischen den Dämpfungselementen nicht als flächiger Kontakt, sondern in Form eines Linienkontakts (Hertz'scher Kontakt) ausgebildet ist. Im Unterschied zu bekannten Lösungen, bei denen bei Verwendung von zwei Dämpfungselementen zwei Linienkontakte und ein flächiger Kontakt bereitgestellt werden, sind es erfindungsgemäß zwei flächige Kontakte und nur ein Linienkontakt(und zwar zwischen Dämpfungselement 7 und Plattform 3). Die erfindungsgemäß über den flächigen Kontakt 15 zusätzlich bereitgestellte Reibungsfläche bewirkt eine sehr wirksame Schwingungsdämpfung der gesamten Schaufelanordnung 1.According to the invention the damping elements 5 and 7 are formed and arranged in the circumferential direction of the rotor one behind the other, that the contact in the contact region 15 is a flat contact 15, as well as the contact between the damping element 5 and platform 3. In this way, the entire provided friction surface between the Damping elements 5 and 7 compared to known blade assemblies significantly increased, in which the contact area between the damping elements is not formed as a flat contact, but in the form of a line contact (Hertzian contact). In contrast to known solutions, which when used two line contacts and a flat contact are provided by two damping elements, there are two flat contacts and only one line contact (between damping element 7 and platform 3) according to the invention. The friction surface additionally provided according to the invention via the flat contact 15 effects a very effective vibration damping of the entire blade arrangement 1.

Vorliegend verläuft der flächige Kontakt 15 parallel zur radialen Richtung R, kann jedoch durch entsprechend gewählte Winkel α und β auch zur radialen Richtung R geneigt sein. Bevorzugt liegt hierbei der Winkel α innerhalb eines Bereichs von 70° bis 90 ° und der Winkel β innerhalb eines Bereichs von 110° bis 90° oder umgekehrt.In the present case, the flat contact 15 extends parallel to the radial direction R, but can also be inclined by correspondingly selected angles α and β to the radial direction R. Preferably, the angle α is within a range of 70 ° to 90 ° and the angle β within a range of 110 ° to 90 ° or vice versa.

Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung zweier Dämpfungselement-Gruppen 25, 27. Die Positionen der Dämpfungselement-Gruppen 25 und 27, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Dämpfungselementen umfassen, sind schematisch durch Kreise angedeutet. Die Dämpfungselemente erstrecken sich stabförmig in Axialrichtung, wobei die Gruppen entlang der axialen Erstreckung einer Schaufel 17 (axiale Richtung 23)' verteilt sind. Die Schaufel 17 umfasst ein Schaufelblatt 19, eine Schaufelplattform 3, einen Schaufelfuß 21, eine Schaufelvorderkante 29 und eine Schaufelhinterkante 31. Vorliegend befindet sich die Dämpfungselement-Gruppe 27 an der Schaufelvorderkante 29 und die Dämpfungselement-Gruppe 25 an der Schaufelhinterkante 31. Die Strömungsrichtung 33 ist durch einen Pfeil angedeutet. Durch eine asymmetrische Anordnung oder Ausgestaltung der Gruppen 25, 27 in der axialen Richtung 23 können erfindungsgemäß unterschiedliche Schwingungsmoden effektiv gedämpft werden.Fig. 2 shows schematically the arrangement of two damping element groups 25, 27. The positions of the damping element groups 25 and 27, each comprising a certain number of damping elements are indicated schematically by circles. The damping elements extend rod-shaped in the axial direction, wherein the groups along the axial extent of a blade 17 (axial direction 23) 'are distributed. The blade 17 comprises an airfoil 19, a blade platform 3, a blade root 21, a blade leading edge 29 and a blade trailing edge 31. In the present case, the damping element group 27 is located on the blade leading edge 29 and the damping element group 25 on the blade trailing edge 31. The flow direction 33 is indicated by an arrow. By an asymmetrical arrangement or configuration of the groups 25, 27 in the axial direction 23 different vibration modes can be effectively attenuated according to the invention.

Claims (9)

Schaufelanordnung (1),
mit einem Rotor und mehreren am Umfang des Rotors angeordneten Schaufeln (17),
wobei zwischen den Schaufeln (17) wenigstens eines Schaufelpaares, das aus zwei benachbarten Schaufeln (17) gebildet ist, mehrere Dämpfungselemente (5, 7) in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet sind, und
wobei benachbarte Dämpfungselemente (5, 7) bei einer Rotation des Rotors um eine Rotorachse durch eine in radialer Richtung wirkende Zentrifugalkraft in Kontakt treten,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dämpfungselemente (5, 7) derart ausgebildet und in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet sind, dass der Kontakt ein flächiger Kontakt (15) ist.Blade assembly (1),
with a rotor and a plurality of blades (17) arranged on the circumference of the rotor,
wherein between the blades (17) of at least one blade pair, which is formed from two adjacent blades (17), a plurality of damping elements (5, 7) are arranged one behind the other in the circumferential direction of the rotor, and
wherein adjacent damper elements (5, 7) come into contact with each other during a rotation of the rotor about a rotor axis by a centrifugal force acting in the radial direction,
characterized in that
the damping elements (5, 7) are designed in such a way and arranged one behind the other in the circumferential direction of the rotor, that the contact is a flat contact (15). Schaufelanordnung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Dämpfungselemente (5, 7) in ihrer geometrischen Form unterscheiden.Blade assembly (1) according to claim 1,
characterized in that
the damping elements (5, 7) differ in their geometric shape. Schaufelanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Dämpfungselemente (5, 7) in ihren Massen unterscheiden.Blade assembly (1) according to claim 1 or 2,
characterized in that
the damping elements (5, 7) differ in their masses. Schaufelanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dämpfungselemente (5, 7) stabförmig ausgebildet sind.Blade assembly (1) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the damping elements (5, 7) are rod-shaped. Schaufelanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei Dämpfungselemente (5, 7) in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet sind.Blade assembly (1) according to one of the preceding claims,
characterized in that
two damping elements (5, 7) are arranged one behind the other in the circumferential direction of the rotor. Schaufelanordnung (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dämpfungselemente (5, 7) stabförmig ausgebildet sind,
wobei ein Dämpfungselement (5) einen Querschnitt von der Form eines Keils und das andere Dämpfungselement (7) einen Querschnitt von der Form eines Viertelkreises aufweist.Blade assembly (1) according to claim 5,
characterized in that
the damping elements (5, 7) are rod-shaped,
wherein a damping element (5) has a cross section of the shape of a wedge and the other damping element (7) has a cross section of the shape of a quarter circle. Schaufelanordnung (1) nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
drei Dämpfungselemente in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet sind.Blade assembly (1) according to one of the preceding
Claims,
characterized in that
three damping elements in the circumferential direction of the rotor are arranged one behind the other. Schaufelanordnung (1) nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungselemente (5, 7) aus Stahl oder Keramik hergestellt sind.Blade assembly (1) according to one of the preceding
Claims,
characterized in that the damping elements (5, 7) are made of steel or ceramic. Verfahren zur Vibrationsdämpfung einer Schaufelanordnung (1), die einen Rotor und mehrere am Umfang des Rotors angeordnete Schaufeln (17) umfasst, bei dem zwischen den Schaufeln wenigstens eines Schaufelpaares, das aus zwei benachbarten Schaufeln (17) gebildet ist, mehrere Dämpfungselemente (5, 7) in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet werden, und
wobei benachbarte Dämpfungselemente (5, 7) bei einer Rotation des Rotors um eine Rotorachse durch eine in radialer Richtung wirkende Zentrifugalkraft in Kontakt treten, dadurch gekennzeichnet, dass
Dämpfungselemente (5, 7) verwendet werden, die dazu ausgebildet sind, derart in Umfangsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet werden zu können, dass der Kontakt ein flächiger Kontakt (15) ist.Method for vibration damping of a blade arrangement (1) comprising a rotor and a plurality of blades (17) arranged on the circumference of the rotor, in which a plurality of damping elements (5, 5) are arranged between the blades of at least one pair of blades formed from two adjacent blades (17). 7) are arranged one behind the other in the circumferential direction of the rotor, and
wherein adjacent damping elements (5, 7) come into contact with each other during a rotation of the rotor about a rotor axis by a centrifugal force acting in the radial direction, characterized in that
Damping elements (5, 7) are used, which are adapted to be arranged in the circumferential direction of the rotor in succession, that the contact is a flat contact (15).
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