EP4012159A1 - Dämpfungselement für dampfturbinenschaufeln - Google Patents

Dämpfungselement für dampfturbinenschaufeln Download PDF

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EP4012159A1
EP4012159A1 EP21209690.3A EP21209690A EP4012159A1 EP 4012159 A1 EP4012159 A1 EP 4012159A1 EP 21209690 A EP21209690 A EP 21209690A EP 4012159 A1 EP4012159 A1 EP 4012159A1
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coupling
turbine
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turbine blades
turbine blade
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Inka Beyer
Johannes TUSCHE
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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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/26—Antivibration means not restricted to blade form or construction or to blade-to-blade connections or to the use of particular materials

Definitions

  • the invention relates to a turbine stage, comprising at least one turbine rotor and a plurality of turbine blades arranged around the circumference of the turbine rotor, and at least one coupling element, through-holes being formed in a first turbine blade and in a second turbine blade adjacent to the first, through which the coupling element protrudes and wherein the coupling element mechanically couples the turbine blades to one another.
  • the permanently drivable operating range must be significantly restricted in some cases (e.g. lowering the pressure protection curve) in order to ensure the mechanical integrity of the blading and to avoid a functional failure or even more serious consequences due to blade loss.
  • One way to avoid blade vibrations or at least to reduce them is to use coupling elements that are arranged between two turbine blades and mechanically couple them to each other. Energy, which causes the blades to vibrate, is withdrawn from the system by means of the coupling elements and dissipated by friction effects.
  • Such coupling elements are, for example, from DE 10 2010 041 702 A1 known.
  • the coupling of two or more turbine blades by means of coupling elements significantly reduces the vibration amplitude of the individual blades and thereby reduces the vibration load in the individual blades, so that fatigue fractures of the turbine blades can be effectively prevented.
  • the DE 10 2017 203 308 A1 discloses a turbine stage in which the coupling elements are to be spatially arranged in such a way that they can be removed without dismantling the individual turbine blades of the turbine stage.
  • a turbine blade has a through hole and the adjacent turbine blade to be coupled has a blind hole.
  • the coupling element is pushed through the through hole until it is located with a first end in the blind hole.
  • a closure element is then screwed into the through hole, which fixes the second end of the coupling element.
  • screwing in the closure element results in notch stresses in the blade area due to the internal thread, which can lead to local stress increases and failure of the turbine blade.
  • the side of the turbine blade (turbine profile) that faces away from the second turbine blade to be coupled is referred to as the outside of the respective turbine blade.
  • the two turbine blades only have through holes and the two components (coupling pin with coupling sleeve) of the coupling element are only screwed to themselves, no special design or minimum thickness of the turbine blades is necessary. In principle, this means that any existing turbine stage can be easily retrofitted. Because the coupling element is only pushed through the through bores in the turbine blades, there are no notch stresses as in a solution with a closure element screwed into the turbine blade, which would not lead to any weakening of the turbine blade.
  • An embodiment of the invention provides that the coupling sleeve protrudes through the through hole of both the first and the second turbine blade.
  • the through bores in both turbine blades can be formed with the same diameter, which simplifies production and saves costs. In addition, this simplifies assembly, since all turbine blades are of identical design and a specific sequence does not have to be observed during assembly.
  • a further embodiment of the invention provides that the end of the coupling pin opposite the second contact head is plastically deformed, so that there is a form fit between the coupling pin and the coupling sleeve. This prevents the screw connection between the coupling pin and the coupling sleeve from loosening during turbine operation.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a turbine stage according to the invention.
  • the figure does not show the complete turbine stage, but only a section necessary to illustrate the invention.
  • the figure is shown as a development.
  • the turbine stage 1 comprises a turbine rotor 2 and a plurality of turbine blades 3 arranged around the circumference of the turbine rotor 2. Two adjacent turbine blades 3', 3" are mechanically coupled to one another by means of a coupling element 4.
  • the turbine blade has a corresponding through hole 5 through which
  • the coupling element 4 comprises a coupling sleeve 6 and a coupling pin 10 which are screwed together in the assembled state.
  • the mechanical coupling ensures that the turbine blades 3′, 3′′ are not excited to vibrate, which can lead to damage to the turbine blades or a reduction in the service life of the components Figures 2-7 explained.
  • the coupling sleeve 6 When mounting the coupling element 4, the coupling sleeve 6 is first pushed through the bores 5 in the first turbine blade 3' and the second turbine blade 3".
  • the bores 5 preferably have the same diameter D in both turbine blades 3', 3".
  • all turbine blades of a turbine stage can be of identical design.
  • the coupling sleeve 6 has a contact head 8 at one end, the diameter D1 of which is larger than the diameter D of the bores 5 in the turbine blades 3', 3". As a result, the coupling sleeve 6 cannot be pushed through the bore when it is pushed into the bores 5 will.
  • the coupling pin 10 is screwed into the coupling sleeve 6 .
  • an internal thread 7 is formed in the coupling sleeve 6 and a complementary external thread 11 is formed on the coupling pin 10 .
  • the coupling pin 10 has a contact head 12 whose diameter D2 is in turn larger than the diameter D of the bores 5. This ensures that the coupling element 4 after the coupling sleeve 6 has been screwed to the coupling pin 10 is mounted captively between the two turbine blades 3', 3".
  • the coupling element After assembly and when the turbine stage is at a standstill, the coupling element has a certain amount of play and can thus be moved both in the axial and in the radial direction. During operation of the turbine, it settles the coupling element 4 due to the centrifugal force to the bores 5 and ensures the mechanical coupling of the two turbine blades 3 'and 3' and thus for vibration damping.
  • figure 5 shows the coupling element 4 in the assembled state.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenstufe (1), umfassend wenigstens einen Turbinenrotor (2) und mehrere über den Umfang des Turbinenrotors (2) angeordnete Turbinenschaufeln (3), sowie wenigstens ein Koppelelement (4),wobei in einer ersten Turbinenschaufel (3') und in einer zweiten, zur ersten benachbarten Turbinenschaufeln (3ʺ), Durchgangsbohrungen (5) ausgebildet sind, durch die das Koppelelement (4) hindurchragt.Das Koppelelement (4) umfasst eine Koppelhülse (6) und einen Koppelstift (10) die miteinander verschraubt sind und die Turbinenschaufeln mechanisch miteinander koppeln. Durch die Koppelung werden Schwingungsanregungen der Turbinenschaufeln (3′,3ʺ) wirkungsvoll gedämpft.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Turbinenstufe, umfassend wenigstens einen Turbinenrotor und mehrere über den Umfang des Turbinenrotors angeordnete Turbinenschaufeln, sowie wenigstens ein Koppelelement, wobei in einer ersten Turbinenschaufel und in einer zweiten, zur ersten benachbarten Turbinenschaufeln, Durchgangsbohrungen ausgebildet sind, durch die das Koppelelement hindurchragt und wobei das Koppelelement die Turbinenschaufeln mechanisch miteinander koppelt.
  • Aufgrund der auf die Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe wirkenden Kräfte kann es an der Beschaufelung von Turbinen im gesamten Betriebsbereich zu Schwingungsanregung kommen. Die durch die Schwingungsanregung verursachte dynamische Beanspruchung führt zu einer Verringerung der Lebensdauer der Turbinenschaufeln. Aus diesem Grund muss bei der Auslegung einer Turbinenstufe beachtet werden, dass diese in Ihrem Betriebsbereich keine, oder wenn es nicht vermeidbar ist, nur Schwingungsbewegungen mit geringer, d.h. dauerhaft ertragbarer Amplitude ausführt. Aufgrund von gegebenen Designkriterien und der Vielzahl von möglichen Anregungsmechanismen im gesamten Betriebsbereich (drehzahlsynchrone Anregung, Unwuchterregung, instationäre und transiente Strömungsanregung), welche teilweise nicht vorhergesagt werden können, ist dieser Punkt nur schwer zu realisieren. Im Falle von Schwingungsereignissen mit unzulässig großer Amplitude muss daher der dauerhaft fahrbare Betriebsbereich zum Teil wesentlich eingeschränkt werden (z.B. Absenken der Druckschutzkurve), um die mechanische Integrität der Beschaufelung zu gewährleisten und einen Funktionsausfall oder noch schwerwiegendere Folgen durch Schaufelverlust zu vermeiden.
  • Eine Möglichkeit Schaufelschwingungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren besteht in der Verwendung von Koppelelementen die zwischen zwei Turbinenschaufel angeordnet werden und diese mechanisch miteinander koppeln. Energie, welche zur Schwingung der Schaufeln führt, wird mittels der Koppelelemente dem System entzogen und durch Reibungseffekte dissipiert. Solche Koppelelemente sind beispielsweise aus der DE 10 2010 041 702 A1 bekannt. Durch die Kopplung von zwei oder mehreren Turbinenschaufeln mittels Koppelelementen wird die Schwingungsamplitude der einzelnen Schaufeln deutlich reduziert und dadurch die Schwingungsbelastung in den einzelnen Schaufeln vermindert, so dass Ermüdungsbrüche der Turbinenschaufeln wirkungsvoll verhindert werden können.
  • Die DE 10 2017 203 308 A1 offenbart eine Turbinenstufe, bei der die Koppelelemente räumlich so anzuordnen sind, dass sie ohne Demontage der einzelnen Turbinenschaufeln der Turbinenstufe entfernt werden können. Hierzu weist eine Turbinenschaufel eine Durchgangsbohrung und die benachbarte, zu koppelnde Turbinenschaufel eine Sacklochbohrung auf. Das Koppelelement wird durch die Durchgangsbohrung hindurch geschoben, bis es sich mit einem ersten Ende in der Sacklochbohrung befindet. Anschließend wird ein Verschlusselement in die Durchgangsbohrung geschraubt, die das zweite Ende des Koppelelements fixiert. Hierdurch kann das Koppelement im Bedarfsfall leicht ersetzt werden. Durch das Einschrauben des Verschlusselements ergeben sich allerdings auf Grund des Innengewindes Kerbspannungen im Blattbereich, welche zu lokalen Spannungserhöhungen und zum Versagen der Turbinenschaufel führen können.
  • Nachteilig an beide Lösungen ist, dass die Turbinenschaufeln für die Aufnahme der Koppelelemente entsprechend ausgebildet sein müssen, so dass die Verwendung bei bestehenden Turbinenstufen nicht ohne weiteres möglich, da das dafür notwendige Material nicht in der Geometrie vorhanden ist.. Außerdem ist für die Aufnahme der Koppelelemente jeweils eine bestimmte Mindestdicke der Turbinenschaufel im Bereich der Aufnahme notwendig.
  • Ausgehend vom zuvor beschrieben Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenstufe mit Koppelelementen bereit zu stellen bei dem die Turbinenschaufeln keine spezielle Ausbildung aufweisen müssen, so dass auch Bestandsanlagen leicht nachgerüstet werden können.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Turbinenstufe, umfassend wenigstens einen Turbinenrotor und mehrere über den Umfang des Turbinenrotors angeordnete Turbinenschaufeln, sowie wenigstens ein Koppelelement, wobei in einer ersten Turbinenschaufel und in einer zweiten, zur ersten benachbarten Turbinenschaufeln, Durchgangsbohrungen ausgebildet sind durch die das Koppelelement hindurchragt und wobei das Koppelelement die Turbinenschaufeln mechanisch miteinander koppelt, zeichnet sich dadurch aus, dass
    • das Koppelelement eine Koppelhülse mit einem Innengewinde und einen, an einem Ende der Koppelhülse ausgebildeten ersten Anlagekopf aufweist, wobei der erste Anlagekopf einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der Durchgangsbohrung durch die das Koppelelement hindurchragt und wobei der erste Anlagekopf an der Außenseite der ersten Turbinenschaufel angeordnet ist,
    • das Koppelelement einen Koppelstift mit einem komplementär zum Innengewinde der Koppelhülse ausgebildeten Außengewinde und einem an einem Ende des Koppelstifts ausgebildeten zweiten Anlagekopf aufweist, wobei der zweite Anlagekopf einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der Durchgangsbohrung durch die das Koppelelement hindurchragt und wobei der zweite Anlagekopf an der Außenseite der zweiten Turbinenschaufel angeordnet ist, und
    • die Koppelhülse und der Koppelstift über das Innengewinde und das Außengewinde miteinander verschraubt sind.
  • Als Außenseite der jeweiligen Turbinenschaufel wird dabei die Seite des Turbinenblatts (Turbinenprofils) bezeichnet, die der zu koppelnden zweiten Turbinenschaufel abgewandt ist.
  • Dadurch, dass die beiden Turbinenschaufeln jeweils nur Durchgangsbohrungen aufweisen und die beiden Bauteile (Koppelstift mit Koppelhülse) des Koppelelement nur mit sich selbst verschraubt sind, ist keine spezielle Ausbildung oder Mindestdicke der Turbinenschaufeln notwendig. Hierdurch lässt sich prinzipielle jede bestehende Turbinenstufe einfach nachrüsten. Dadurch, dass das Koppelelement nur durch die Durchgangsbohrungen in den Turbinenschaufeln hindurch geschoben ist, treten auch keine Kerbspannungen wie bei einer Lösung mit in das Turbinenblatt eingeschraubtem Verschlusselement auf, die zu keiner Schwächung der Turbinenschaufel führen würde.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Koppelhülse durch die Durchgangsbohrung sowohl der ersten als auch der zweiten Turbinenschaufel hindurchragt. Hierbei können die Durchgangsbohrungen in beiden Turbinenschaufeln mit dem gleichen Durchmesser ausgebildet sein, was die Fertigung vereinfacht und Kosten spart. Außerdem vereinfacht sich hierdurch die Montage, da alle Turbinenschaufeln identisch ausgebildet sind und bei der Montage nicht auf eine bestimmte Reihenfolge geachtet werden muss.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das dem zweiten Anlagekopf gegenüberliegende Ende des Koppelstifts plastisch verformt ist, so dass ein Formschluss zwischen dem Koppelstift und der Koppelhülse besteht. Hierdurch wird verhindert, dass sich die Schraubverbindung zwischen dem Koppelstift und der Koppelhülse im Turbinenbetrieb lösen kann.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und die Montage des Koppelelements beschrieben.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1: Eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Turbinenstufe.
    • Fig. 2-7.: Eine Darstellung der einzelnen Montageschritte eines Koppelelements bei einer erfindungsgemäßen Turbinenstufe nach Fig. 1.
  • Die Figuren stellen jeweils nur eine schematische und nicht detailgetreue Darstellung der Erfindung dar. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenstufe. Die Figur zeigt dabei nicht die komplette Turbinenstufe, sondern nur einen zur Darstellung der Erfindung notwendigen Ausschnitt. Die Figur ist dabei als Abwicklung dargestellt.
  • Die Turbinenstufe 1 umfasst einen Turbinenrotor 2 und mehrere über den Umfang des Turbinenrotors 2 angeordnete Turbinenschaufeln 3. Jeweils zwei zueinander benachbarte Turbinenschaufeln 3' ,3" sind mittels eines Koppelelements 4 mechanisch miteinander gekoppelt. Hierzu weist die Turbinenschaufel eine entsprechende Durchgangsbohrung 5 auf, durch die das Koppelelement hindurchragt. Das Koppelelement 4 umfasst eine Koppelhülse 6 und einen Koppelstift 10 die im montierten Zustand miteinander verschraubt sind.
  • Die mechanische Koppelung sorgt dafür, dass eine Schwingungsanregung der Turbinenschaufeln 3', 3", die zu einer Beschädigung der Turbinenschaufeln oder einer Reduzierung der Lebensdauer der Bauteile führen kann, vermieden wird. Die Montage des Koppelelements 4 wird nachfolgend anhand der Fig. 2-7 erläutert.
  • Bei der Montage des Koppelelementes 4 wird zunächst die Koppelhülse 6 durch die Bohrungen 5 der ersten Turbinenschaufel 3' und der zweiten Turbinenschaufel 3" geschoben. Die Bohrungen 5 weisen bevorzugt in beiden Turbinenschaufeln 3', 3" den gleichen Durchmesser D auf. Hierdurch können alle Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe identisch ausgebildet werden. Die Koppelhülse 6 weist an einem Ende einen Anlagekopf 8 auf, dessen Durchmesser D1 größer ist als der Durchmesser D der Bohrungen 5 in den Turbinenschaufeln 3', 3". Hierdurch kann die Koppelhülse 6 beim Einschieben in die Bohrungen 5 nicht durch die Bohrung hindurch geschoben werden.
  • Nachdem die Koppelhülse durch die Bohrungen 5 hindurch geschoben wurde (Fig. 3), wird wie in Fig. 4 dargestellt, der Koppelstift 10 in die Koppelhülse 6 eingeschraubt. In der Koppelhülse 6 ist hierzu ein Innengewinde 7 und am Koppelstift 10 ein komplementär ausgebildetes Außengewinde 11 ausgebildet. Der Koppelstift 10 weist an dem, dem Anlagekopf 8 der Koppelhülse 6 gegenüberliegenden Ende einen Anlagekopf 12 auf dessen Durchmesser D2 wiederum größer ist als der Durchmesser D der Bohrungen 5. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Koppelelement 4 nach dem Verschrauben der Koppelhülse 6 mit dem Koppelstift 10 verliersicher zwischen den beiden Turbinenschaufel 3', 3" montiert ist. Das Koppelelement hat dabei nach der Montage und im Stillstand der Turbinenstufe ein gewisses Spiel und lässt sich dadurch sowohl in axialer als auch in radialer Richtung verschieben. Während des Betriebs der Turbine legt sich das Koppelelement 4 auf Grund der Fliehkraft an die Bohrungen 5 an und sorgt dabei für die mechanische Koppelung der beiden Turbinenschaufeln 3' und 3" und damit für die Schwingungsdämpfung.
  • Fig. 5 zeigt das Koppelelement 4 im montierten Zustand.
  • Damit sich die Verschraubung von Koppelhülse 6 und Koppelstift 10 nicht lösen kann wird das dem Anlagekopf 12 gegenüberliegende Ende des Koppelstifts 6 plastisch verformt.
  • Hierzu wird z.B. wie in Figur 6 gezeigt, temporär eine Madenschraube 13 in die Koppelhülse 6 geschraubt, wodurch sich das Ende des Koppelstifts 10 plastisch verformt. Anschließend wird die Madenschraube 13 wieder entfernt und das Koppelelement 4 ist damit vollständig montiert (Fig. 7).

Claims (3)

  1. Turbinenstufe (1), umfassend wenigstens einen Turbinenrotor (2) und mehrere über den Umfang des Turbinenrotors (2) angeordnete Turbinenschaufeln (3), sowie wenigstens ein Koppelelement (4),
    wobei in einer ersten Turbinenschaufel (3') und in einer zweiten, zur ersten benachbarten Turbinenschaufeln (3"), Durchgangsbohrungen (5) ausgebildet sind, durch die das Koppelelement (4) hindurchragt und
    wobei das Koppelelement (4) die Turbinenschaufeln (3',3'') mechanisch miteinander koppelt,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (4)
    - eine Koppelhülse (6) mit einem Innengewinde (7) und einen, an einem Ende der Koppelhülse (6) ausgebildeten ersten Anlagekopf (8) aufweist, wobei der erste Anlagekopf (8) einen Durchmesser (D1) aufweist, der größer ist als der Durchmesser (D) der Durchgangsbohrung (5) durch die das Koppelelement (4) hindurchragt und wobei der erste Anlagekopf (8) and der Außenseite (9) der ersten Turbinenschaufel (3') angeordnet ist,
    - einen Koppelstift (10) mit einem komplementär zum Innengewinde (7) der Koppelhülse (6) ausgebildeten Außengewinde (11) und einem an einem Ende des Koppelstifts (10) ausgebildeten zweiten Anlagekopf (12) aufweist, wobei der zweite Anlagekopf (12) einen Durchmesser (D2) aufweist, der größer ist als der Durchmesser (D) der Durchgangsbohrung (5) durch die das Koppelelement (4) hindurchragt und wobei der zweite Anlagekopf (12) an der Außenseite (13) der zweiten Turbinenschaufel (3") angeordnet ist,
    und wobei die Koppelhülse (6) und der Koppelstift (10) über das Innengewinde (7) und das Außengewinde (11) miteinander verschraubt sind.
  2. Turbinenstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelhülse (6) durch die Durchgangsbohrung (5) sowohl der ersten als auch der zweiten Turbinenschaufel (3',3") hindurchragt.
  3. Turbinenstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Anlagekopf (9) gegenüberliegende Ende des Koppelstifts (10) plastisch verformt ist, so dass ein Formschluss zwischen dem Koppelstift (8) und der Koppelhülse (5) besteht.
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DE (1) DE102020215479A1 (de)
PL (1) PL4012159T3 (de)

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