Die Erfindung betrifft einen Laufschaufelkranz für Strömungsmaschinen, mit einem nacheinander durch ein Loch in einer jeden Schaufel geführten Dämpfungsdraht.
Der Dämpfungsdraht eines Laufschaufelkranzes dient bekanntlich der Verhinderung des Entstehens von Schwingungen in den Laufschaufeln. Diese Schwingungen können nämlich sonst so hohe Werte erreichen, dass die Schaufeln durch die hohe Wechselbelastung ermüden und brechen. Das Problem der Schaufelschwingungen stellt sich besonders bei segmentweise beaufschlagten Laufschaufeln. Der Dämungsdraht wirkt in der Weise, dass er durch die Fliehkraft an die Wand der Löcher in den Schaufeln gepresst wird. Dadurch wird die Haftreibung (Reibung der Ruhe) zwischen Draht und jeweiliger Schaufel vergrössert, so dass sie quasi miteinander verbunden werden. Folglich kommen die Schaufeln nur schwer hinsichtlich des Drahtes in Bewegung, so dass keine oder nur stark gedämpfte Schwingungen einsetzen können.
Bei einem bekannten Laufschaufelkranz weist sowohl der Dämpfungsdraht wie die Löcher in den Schaufeln einen kreisförmigen Querschnitt auf. Da der Draht unvermeidlicherweise Strömungsverluste im Arbeitsmedium der Strömungsmaschine verursacht, muss sein Durchmesser so klein wie möglich sein.
Ist die Masse des Drahtes jedoch klein, so ist die durch die Fliehkraft hervorgerufene Anpresskraft zu gering, um das Entstehen von Schaufelschwingungen mit Sicherheit zu verhindern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Laufschaufelkranz zu schaffen, bei dem der Dämpfungsdraht eine ausreichende Anpresskraft entwickelt und doch nur einen kleinen Strömungswiderstand bildet. Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass die Querschnitte von Loch und Dämpfungsdraht derart verschieden gestaltet sind, dass der Dämpfungsdraht im Betrieb durch die darauf wirkende Fliehkraft an zwei Stellen im Loch zur Auflage kommt, so dass die Fliehkraft in zwei Anpresskraftkomponenten zerlegt ist, die je auf einer betreffenden Stelle wirken.
Gemäss weiterer Ausbildung der Erfindung ist der Querschnitt des Loches begrenzt durch zwei Kreisabschnitte unterschiedlichen Radius, deren Zentrale sich in der Längsrichtung der Schaufel erstreckt, wobei der Kreisabschnitt mit dem grösseren Radius unterhalb des Kreisabschnittes mit dem kleineren Radius liegt. Die Kreisabschnitte sind durch zwei beide tangierende gradlinige Abschnitte miteinander verbunden. Der Querschnitt des Dämpfungsdrahtes ist kreisrund und dieser befindet sich innerhalb des Kreisabschnittes mit dem grösseren Radius und hat einen Radius, der im wesentlichen gleich dem dieses Kreisabschnittes ist. Das Loch kann jedoch auch aus zwei Kreisabschnitten bestehen, die sich schneiden.
Weiterhin ist eine Ausgestaltung möglich, wobei der Querschnitt des Loches kreisrund ist und der Querschnitt des Dämpfungsdrahtes begrenzt ist durch einen Kreisabschnitt, dessen Radius etwa gleich dem des Loches ist und dessen Endpunkte sich, in der Längsrichtung der Schaufeln gesehen, mindestens auf der Höhe des Zentrums des Kreisabschnittes und symmetrisch beidseitig dessen radialen Achse liegen. Die Endpunkte sind durch einen Abschnitt verbunden, dessen höchster Punkt etwa halbwegs zwischen der Sehne und dem höchsten Punkt des Loches liegt.
Auch ist eine Ausgestaltung vorgesehen, wobei der Querschnitt des Loches kreisrund ist und der Querschnitt des Dämpfungsdrahtes durch zwei symmetrisch zur radialen Achse des Loches gelegenen Kreisabschnitte begrenzt ist, deren Radius etwa gleich dem des Loches ist, sowie durch zwei parallele senkrecht zu dieser Achse verlaufende gradlinige Abschnitte.
Ferner kann der Querschnitt des Loches kreisrund sein und eine Büchse enthalten, deren Wand auf der Seite des Schaufelendes eine Aussparung aufweist, welche Büchse den Dämpfungsdraht enthält, dessen Querschnitt kreisrund ist und einen Radius hat, der im wesentlichen gleich dem Innenradius der Büchse ist. Die Bogenlänge der Aussparung ist mindestens gleich dem Innenradius der Büchse.
Einige Au;führungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht eines Laufschaufelkranzes gemäss der Erfindung; Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 einen vergrösserten Teilquerschilitt durch eine Laufschaufel gemäss Fig. 1; Fig. 3a ein Kräftedreieck; Fig. 4-7 gegenüber Fig. 3 abgewandelte Ausführungsformen.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Teil eines Laufschaufelkranzes einer Strömungsmaschine mit einem Laufrad 1 und an dessen Umfang 2 befestigten Laufschaufeln 3. Jede Schaufel ist mit einem in Umfangsrichtung des Kranzes verlaufenden Loch 3a versehen und durch alle Löcher ist nacheinander ein D ämpfungsdraht 4 geführt.
Fig. 3 zeigt die Anordnung des Dämpfungsdrahtes (Draht) 4 in einem Loch 5 einer Laufschaufel 6. Der Draht hat einen kreisrunden Querschnitt, dessen Zentrum mit Z1 und dessen Radius mit Rl bezeichnet ist. Der Querschnitt des Loches 5 ist verschieden von dem des Drahtes 4 indem er durch zwei Kreisabschnitte 7 und 8 unterschiedlichen Radius begrenzt ist, während beide Kreisabschnitte durch zwei, beide tangierende geradlinige Abschnitte 9 und 10 miteinander verbunden sind.
Die Abschnitte 9 und 10 begrenzen einen keilförmigen Abschnitt 11. Der Kreisabschnitt 7 liegt, in Schaufelrichtung gesehen, unterhalb des Kreisabschnittes 8 und hat einen Radius R3 mit Zentrum Z2. Der Kreisabschnitt 8 hat einen Radius R3 mit Zentrum Z3. R2 ist grösser als R3. Die beide Zentren Z2 und Z3 verbindende Zentrale 12 erstreckt sich in Schaufelrichtung und fällt mit der radialen Achse 13 des Loches zusammen. Der Draht 4 liegt für den grössten Teil innerhalb des Kreisabschnittes 7. Der Draht liegt mit einem geringen Spiel 14 im Loch, bedingt durch die Anforderungen, die an das Einfädeln des Drahtes gestellt werden.
Im Betrieb, wenn der Laufschaufelkranz sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, wird der Draht durch die darauf wirkende Fliehkraft F radial auswärts bewegt. Der Draht wird dabei in den keilförmigen Abschnitt 11 gedrückt und kommt an zwei symmetrisch zur radialen Achse 13 des Loches 5 liegenden Stellen 15 und 16 auf der Lochwand zur Auflage.
Dadurch wird die Fliehkraft F in zwei Anpresskraftkomponenten Kl und K2 zerlegt, die auf den Stellen 15 bzw. 16 zur Wirkung kommen. Jede Komponente hat einen Wert Kl = K2 = F/2 cos a. Die Summe dieser Anpresskraftkomponenten ist somit grösser als die Fliehkraft F, wie aus dem Kräftedreieck gemäss Fig. 3a ersichtlich ist. Die Haftreibung zwischen Draht und Lochwand ist dadurch so gross, dass-trotz der durch die geringe Masse des Drahtes bedingten, verhältnismässig geringen Fliehkraft, jede Bewegung der Schaufel hinsichtlich des Drahtes unmöglich ist.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der der Querschnitt eines Loches 20 in einer Schaufel 21 durch zwei Kreisabschnitte 22 und 23 unterschiedlichen Radius gebildet ist. Der Radius des Kreisabschnittes 22 ist mit R4, sein Zentrum mit Z4 bezeichnet. Der Kreisabschnitt 23 hat einen Radius Rs und ein Zentrum Zs. R4 ist grösser als Rs. Die beiden Kreisabschnitte schneiden sich in den Punkten 24 und 25. Ein kreisrunder Dämpfungsdraht 26 liegt für den grössten Teil und mit einigem Spiel innerhalb des Kreisabschnittes 22. Sein Zentrum ist mit Z6, sein Radius mit R6 bezeichnet. Im Betrieb des Laufschaufelkranzes wird, ähnlich wie für Fig. 3 beschrieben, der Draht in die durch den Kreisabschnitt 23 gebildete Öffnung 27 gedrückt und dabei an seinem Umfang 28 mit grosser Kraft auf den Schnittpunkten 24 und 25 gedrückt.
Bei der Anordnung gemäss Fig. 5 weist ein Loch 30 in einer Laufschaufel 31 einen kreisrunden Querschnitt auf. Ein im Loch liegender Dämpfungsdraht 32 hat einen Querschnitt, der begrenzt ist durch einen Kreisabschnitt 33 mit Radius R7 und Zentrum Z7 und zwei geradlinige Abschnitte 34 und 35. Die Schnittpunkte der gradlinigen Abschnitte mit dem Kreisabschnitt 33 sind mit 36 bzw. 37 bezeichnet. Die gradlinigen Abschnitte überspannen eine Sehne 38 und schneiden sich in einem Punkt 39, der oberhalb der Mitte M der Sehne liegt und etwa halbwegs zwischen der Sehne 38 und dem höchsten Punkt 40 des Loches 30. Wenn der Draht durch die Fliehkraft radial auswärts gedrückt wird, bildet die nächste Umgebung der Punkte 36 und 37 des Drahtes 32 Keile 41 bzw. 42, die mit grosser Kraft auf der Wand 43 des Loches 30 gedrückt werden. Die Sehne 38 kann statt durch zwei geradlinige Abschnitte z.
B. durch einen Bogen, oder eine andere Linienform überspannt sein. Der höchste Punkt der Linie soll unterhalb des höchsten Punkts 40 des Loches 30 liegen.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der ein Loch 45 in einer Schaufel 46 einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Der Querschnitt eines Dämpfungsdrahtes 47 der im Loch liegt, weist zwei symmetrische Kreisabschnitte 48 und 49 sowie zwei parallele Abschnitte 50 und 51 auf, die senkrecht zur Längsrichtung der Schaufel verlaufen und über abgerundete Ecken 52, 53, 54 und 55 in die Kreisabschnitte 48 und 49 übergehen.
Im Betrieb bilden die oberen, abgerundeten Ecken 52 und 53 wiederum Druckkeile, die auf der Wand 56 des Loches zur Auflage kommen, so dass grosse Anpresskräfte Kl und K2 entwickelt werden.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 7 weist ein kreisförmiges Loch 60 auf, in der eine Büchse 61 angebracht ist. Die Büchse 61 weist auf der Seite des Schaufelendes eine Aussparung 62 auf und enthält einen Dämpfungsdraht 63 mit kreisrundem Querschnitt. Beim Drehen des Laufschaufelkranzes wird der Draht durch die Fliehkraft F in die durch das Segment 62 gebildete keilförmige Oeffnung gedrückt, so dass er auf zwei begrenzte Zonen 64 und 65 der Büchse zur Auflage kommt, wo starke Anpresskräfte Kl und K2 entwickelt werden. Die Breite der Aussparung ist mindestens gleich dem Innenradius Rs der Büchse 61. In diesem Falle ist der Winkel a zwischen der Fliehkraft und der Anpresskraftkomponente der Fliehkraft so gross, dass diese den erforderlichen Wert erreichen.
Obschon in den beschriebenen und gezeigten Ausführungsbeispielen die Anpresskraftkomponenten symmetrisch zur radialen Achse vom Loch liegen, können die Querschnitte von Loch und Dämpfungsdraht auch derart gestaltet sein, dass die Anpresskraftkomponenten unsymmetrisch zur radialen Achse vom Loch liegen.
The invention relates to a rotor blade ring for turbomachines, with a damping wire guided one after the other through a hole in each blade.
As is known, the damping wire of a rotor blade ring serves to prevent vibrations from occurring in the rotor blades. Otherwise, these vibrations can reach such high values that the blades tire and break due to the high alternating load. The problem of blade vibrations arises particularly in the case of moving blades that are acted upon in segments. The damper wire works in such a way that it is pressed against the wall of the holes in the blades by centrifugal force. This increases the static friction (friction of rest) between the wire and the respective blade, so that they are more or less connected to one another. As a result, the blades can only move with difficulty with regard to the wire, so that no vibrations or only strongly damped vibrations can occur.
In a known rotor blade ring, both the damping wire and the holes in the blades have a circular cross section. Since the wire inevitably causes flow losses in the working medium of the turbomachine, its diameter must be as small as possible.
However, if the mass of the wire is small, the contact pressure caused by the centrifugal force is too low to reliably prevent the formation of blade vibrations.
The invention is therefore based on the object of creating a rotor blade ring in which the damping wire develops sufficient contact pressure and yet only forms a small flow resistance. According to the invention, this is achieved in that the cross-sections of the hole and the damping wire are designed so different that the damping wire comes to rest at two points in the hole during operation due to the centrifugal force acting on it, so that the centrifugal force is broken down into two contact pressure components, each act on a relevant point.
According to a further embodiment of the invention, the cross section of the hole is limited by two circular segments with different radii, the center of which extends in the longitudinal direction of the blade, the circular segment with the larger radius being below the circular segment with the smaller radius. The circle sections are connected to each other by two straight sections that are tangent to each other. The cross section of the damping wire is circular and this is located within the segment of the circle with the larger radius and has a radius which is essentially the same as that of this segment of the circle. However, the hole can also consist of two circular segments that intersect.
Furthermore, an embodiment is possible in which the cross section of the hole is circular and the cross section of the damping wire is limited by a section of a circle whose radius is approximately the same as that of the hole and whose end points, viewed in the longitudinal direction of the blades, are at least level with the center of the circular segment and its radial axis are symmetrical on both sides. The end points are connected by a section whose highest point is approximately halfway between the chord and the highest point of the hole.
An embodiment is also provided in which the cross-section of the hole is circular and the cross-section of the damping wire is limited by two circular sections symmetrically to the radial axis of the hole, the radius of which is approximately equal to that of the hole, and by two parallel straight ones running perpendicular to this axis Sections.
Further, the cross-section of the hole can be circular and contain a sleeve, the wall of which has a recess on the side of the blade end, which sleeve contains the damping wire, the cross-section of which is circular and has a radius which is substantially equal to the inner radius of the sleeve. The arc length of the recess is at least equal to the inner radius of the sleeve.
Some exemplary embodiments of the subject matter of the invention are explained below with reference to the drawing. 1 shows a side view of a rotor blade ring according to the invention; Fig. 2 shows a cross section along the line II-II in Fig. 1; 3 shows an enlarged partial cross-section through a rotor blade according to FIG. 1; 3a shows a triangle of forces; 4-7 with respect to FIG. 3 modified embodiments.
1 and 2 show part of a rotor blade ring of a turbo machine with an impeller 1 and rotor blades 3 attached to its circumference 2. Each blade is provided with a hole 3a extending in the circumferential direction of the ring and a damping wire 4 is guided through all holes one after the other .
3 shows the arrangement of the damping wire (wire) 4 in a hole 5 of a rotor blade 6. The wire has a circular cross-section, the center of which is designated by Z1 and the radius of which is designated by Rl. The cross section of the hole 5 differs from that of the wire 4 in that it is limited by two circular sections 7 and 8 of different radius, while both circular sections are connected to one another by two, both tangential, straight sections 9 and 10.
The sections 9 and 10 delimit a wedge-shaped section 11. The circular section 7, viewed in the blade direction, lies below the circular section 8 and has a radius R3 with a center Z2. The circle segment 8 has a radius R3 with a center Z3. R2 is larger than R3. The center 12 connecting the two centers Z2 and Z3 extends in the direction of the blade and coincides with the radial axis 13 of the hole. For the most part, the wire 4 lies within the circular segment 7. The wire lies with a small amount of play 14 in the hole, due to the demands that are made of the threading of the wire.
In operation, when the rotor blade ring rotates at high speed, the wire is moved radially outwards by the centrifugal force F acting on it. The wire is pressed into the wedge-shaped section 11 and comes to rest at two points 15 and 16 lying symmetrically to the radial axis 13 of the hole 5 on the hole wall.
As a result, the centrifugal force F is broken down into two contact pressure components Kl and K2, which come into effect at points 15 and 16, respectively. Each component has a value Kl = K2 = F / 2 cos a. The sum of these contact pressure components is thus greater than the centrifugal force F, as can be seen from the force triangle according to FIG. 3a. The static friction between the wire and the hole wall is so great that, despite the relatively low centrifugal force caused by the low mass of the wire, any movement of the blade with respect to the wire is impossible.
4 shows an arrangement in which the cross section of a hole 20 in a blade 21 is formed by two circular segments 22 and 23 of different radius. The radius of the circular segment 22 is denoted by R4, its center by Z4. The circular segment 23 has a radius Rs and a center Zs. R4 is larger than Rs. The two circular segments intersect at points 24 and 25. A circular damping wire 26 lies for the largest part and with some play within the circular segment 22. Its center is marked with Z6, its radius with R6. During operation of the rotor blade ring, similar to that described for FIG. 3, the wire is pressed into the opening 27 formed by the circular segment 23 and, in the process, pressed on its circumference 28 with great force on the intersection points 24 and 25.
In the arrangement according to FIG. 5, a hole 30 in a rotor blade 31 has a circular cross section. A damping wire 32 lying in the hole has a cross section that is delimited by a circular segment 33 with radius R7 and center Z7 and two straight segments 34 and 35. The intersection points of the straight segments with circular segment 33 are denoted by 36 and 37, respectively. The straight sections span a chord 38 and intersect at a point 39 which is above the center M of the chord and approximately halfway between the chord 38 and the highest point 40 of the hole 30. When the wire is pushed radially outward by centrifugal force, the immediate vicinity of the points 36 and 37 of the wire 32 forms wedges 41 and 42, which are pressed onto the wall 43 of the hole 30 with great force. The tendon 38 can instead of two straight sections z.
B. be spanned by an arch or some other line shape. The highest point of the line should be below the highest point 40 of the hole 30.
6 shows an arrangement in which a hole 45 in a blade 46 has a circular cross section. The cross-section of a damping wire 47 that lies in the hole has two symmetrical circular sections 48 and 49 as well as two parallel sections 50 and 51 which run perpendicular to the longitudinal direction of the blade and via rounded corners 52, 53, 54 and 55 into circular sections 48 and 49 pass over.
In operation, the upper, rounded corners 52 and 53 in turn form pressure wedges which come to rest on the wall 56 of the hole, so that large pressing forces Kl and K2 are developed.
The embodiment according to FIG. 7 has a circular hole 60 in which a sleeve 61 is attached. The sleeve 61 has a recess 62 on the side of the blade end and contains a damping wire 63 with a circular cross-section. When the rotor blade ring rotates, the centrifugal force F pushes the wire into the wedge-shaped opening formed by segment 62, so that it comes to rest on two limited zones 64 and 65 of the liner, where strong pressing forces Kl and K2 are developed. The width of the recess is at least equal to the inner radius Rs of the sleeve 61. In this case, the angle α between the centrifugal force and the contact force component of the centrifugal force is so large that they reach the required value.
Although the contact force components are symmetrical to the radial axis of the hole in the exemplary embodiments described and shown, the cross sections of the hole and damping wire can also be designed such that the contact force components are asymmetrical to the radial axis of the hole.