BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Dämpfung von Schaufelschwingungen bei Turbomaschinen, bei denen die Laufschaufeln mit Deckplatten versehen sind.
Bei Turbomaschinen werden die rotierenden Schaufeln unter anderem durch unregelmässige Anströmung erregt.
Diese anregende Kraft verursacht oft unzulässige Wechselspannungen in den Schaufeln. Zur Bekämpfung dieser gefährlichen Schwingungen kann als naheliegende Massnahme die Verdickung des Schaufelprofils in Betracht gezogen werden. Diese Verstärkung kann unter anderem den Wirkungsgrad der Turbomaschine wesentlich verschlechtern, weshalb diese Massnahme in der Praxis eher nicht angewendet wird.
Eine häufig und seit langem praktizierte Vorkehrung zur Bekämpfung der gefährlichen auftretenden Schwingungen besteht darin, dass die Schaufelblätter innerhalb einer Schau felreihe jeweils paketweise durch einen Dämpferdraht miteinander verbunden sind.
Diese konventionelle Konstruktion weist indessen einige Nachteile auf: - Der Dämpferdraht innerhalb des Strömungskanals verschlechtert den Wirkungsgrad der Turbomaschine.
- Der Dämpferdraht wird stark durch Biegespannungen und Mediumtemperatur beansprucht.
- Der Dämpferdraht ist der Korrosion und Erosion ausgesetzt.
Dort wo die Schaufeln, wie an sich bekannt, mit Deckplatten ausgebildet sind, werden - um die durch die Anwendung des Dämpferdrahtes hervorgerufenen Nachteile zu umgehen - die Deckplatten selbst zur Dämpfung herangezogen, indem die Flanken derselben so bearbeitet werden, dass sie zueinander Kontaktflächen verschiedener Ausgestaltung bilden.
Diese Deckplattenkonstruktionen haben aber verschiedene Nachteile: - Teure Bearbeitung und Ausführung der Kontaktflächen, - aufwendige Montage, - unterschiedliche Kontaktflächenkräfte, je nach Betriebszustand, - mechanische Abnützung der Kontaktflächen, womit die angestrebte Dämpfung sich fortlaufend verschlechtert.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher durch ausserhalb des Strömungskanals ansetzende Massnahmen eine optimale Dämpfungswirkung erzielt wird.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass die Flanken der Deckplatten nun keine Bearbeitung mehr benötigen. Dadurch, dass der Deckplattenüberhang nun nicht mehr die Schaufelzwischenräume überdecken muss, reduziert sich hiermit auch die durch Fliehkraft hervorgerufene Beanspruchung der Deckplatten und Schaufeln selbst.
Die als Bindeglied eingefügten Dämpfungselemente zwischen den Deckplatten befinden sich, gleich wie sie ausgebildet sind, ausserhalb des Strömungskanals, so dass die Nachteile, wie sie bei Anwendung eines Dämpferdrahtes innerhalb des Strömungskanals aufzutreten pflegen, ausgeschlossen sind.
Im folgenden sind anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Elemente sind nicht dargestellt. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Teilansicht einer Schaufelreihe einer Turbomaschine in Strömungsrichtung,
Fig. 2 die Draufsicht nach II aus Fig. 1,
Fig. 3 die Schaufelansicht nach III aus Fig. 2,
Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung der Deckplatte mit Dämpferdraht,
Fig. 5 die Deckplatten in der Draufsicht mit Bolzen als Dämpfungselemente und
Fig. 6 den Schnitt VI-VI durch die Dämpfungselemente aus Fig. 5.
Fig. 1 zeigt, wie die einzelnen Schaufeln 1, 2, n einer Schaufelreihe auf der nicht dargestellten Rotorscheibe angeordnet sind. Die Schaufel n selbst besteht aus Schaufelfuss 3, Übergangsteil 4, Schaufelblatt 5 und Deckplatte 6.
Paketweise werden die Deckplatten 6 mit einem Dämpferdraht 7 miteinander eingefädelt, der die auftretenden Schwingungen der Schaufeln 1,2, n auffängt. Die Anzahl der Schaufeln pro Paket ist je nach Auslegung der jeweiligen Turbomaschine verschieden.
Fig. 2 zeigt die Kontur des Schaufelblattes 5. Weiter sind die Deckplatten 6 und der Dämpferdraht 7 ersichtlich. Was die Ausführung der Schaufeln 1,2, n anbelangt, so handelt es sich hier um nicht verwundene Schaufeln. Selbstverständlich können auch verwundene Schaufeln zum Einsatz gelangen.
Die Deckplattenkonfiguration nach Fig. 3 wird dort vorgesehen, wo schlanke Schaufelblätter 5 zum Einsatz kommen.
In erster Linie wird damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades angestrebt, indem die Deckplatte 6 den Zwischenraum 10 zwischen Ende des Schaufelblattes 5 und Stator 9 überbrückt, so dass die unterschiedlichen Wärmedehnungen des Schaufelblattes 5 in radialer Richtung zwischen Anströmungsseite 11 und Abströmungsseite 12 für die Spaltbemessung des genannten Zwischenraumes 10 nicht mehr berücksichtigt zu werden brauchen. Die Deckplatte 6 greift labyrinthartig in den Stator 9 hinein, dergestalt, dass die Strömungsverluste 13 minimiert werden. Durch die in der Deck platte 6 vorgesehene Bohrung 8 wird der Dämpferdraht 7 eingefädelt. Es ist wichtig, dass zwischen Bohrung 8 und Dämpferdraht 7 ein Spiel vorgesehen wird, damit die Dämpfung der Schaufeln 1, 2, n durch die unterschiedlichen relativen Bewegungen derselben gegenüber dem Dämpfungsdraht 7 stattfinden kann.
Die Reibungskraft kann durch Auflagefläche leicht den gegebenen Notwendigkeiten angepasst werden, indem das Spiel zwischen Bohrung 8 und Dämpferdraht sowie dessen Masse und Reibungskoeffizient entsprechend gewählt werden. Bei gekühlten Schaufeln können die Kühlgänge leicht so ausgelegt werden, dass der Dämpferdraht 7 auch mitgekühlt wird. Der Dämpferdraht 7 kann auch vom Stator 9 her gekühlt werden. Die aktive Reibungszone - Bohrung 8/Dämpferdraht 7 - pro Deckplatte 6 kann dahingehend verkleinert werden, dass sich die Bohrung 8 gegen die Deckplattenenden hin konisch ausweitet. Selbstverständlich kann statt der Bohrung 8 eine schaufelblattseitig offene Nut vorgesehen werden.
Fig. 4 unterscheidet sich gegenüber Fig. 3 dadurch, dass hier der Dämpferdraht 7' einen V-förmigen Querschnitt hat.
Die durch die Deckplatte 6 gehende Öffnung 14 weist eine gleiche Kontur wie der Dämpferdraht 7' auf, wobei zwischen Öffnung 14 und Dämpferdraht 7' ein Spiel vorgesehen wird.
Durch die beiden Flanken des V-förmigen Querschnittes erhöht sich die wirkungsentfaltende Reibungsfläche, so dass die Masse des Dämpferdrahtes 7 entsprechend reduziert werden kann, ohne seine Festigkeit zu mindern. Die hier gezeigte Öffnung 14 kann selbstverständlich im Bereich der Deckplatten 6 schaufelblattseitig offen gestaltet werden.
In Fig. 5 und 6 besteht das Dämpfungselement zwischen je zwei benachbarten Deckplatten 6 aus einem Bolzen 15, der annähernd in Biegerichtung der Schaufeln plaziert ist. Von den zwei vom Bolzen 15 erfassten Deckplatten 6 wird die eine durchgebohrt (16), während die andere fluchtlinientreu zur Bohrung 16 ein Sackloch 16' erhält. Dadurch, dass die Bolzen 15 nun je zwischen zwei benachbarten Deckplatten eingebaut sind, resultiert aus den verschiedenen relativen Bewegungen der Schaufeln 1, 2, n gegenüber den Bolzen 15 eine Reibung, welche die gewollte Dämpfung bewirkt. Die Reibungskraft ist also auch hier von den gleichen Parametern abhängig, wie sie oben unter Fig. 3 erläutert wurden.
Hingegen gestaltet sich hier die Montage des Reibungselementes, d.h. des Bolzens 15, einfacher als bei der Drahtvariante. Die Schaufeln einer ersten Reihe 1, 2, n werden auf die Rotorscheibe z.B. radial durch schräg-axiale Einschiebung montiert, wozu sich die Tannenbaumform des Schaufelfusses 3 besonders gut eignet. Die Bolzen 15 können nun sehr einfach eingeschoben werden und gegen Herausfallen mittels eines Stiftes 17 gesichert werden. Welche Stellung die Bolzen 15 gegenüber den Deckplatten 6 einnehmen, impliziert schlussendlich nur die Montagefreundlichkeit der Schaufeln.
DESCRIPTION
The invention relates to a device for damping blade vibrations in turbomachines, in which the rotor blades are provided with cover plates.
In turbomachinery, the rotating blades are excited, among other things, by an irregular flow.
This stimulating force often causes impermissible AC voltages in the blades. To combat these dangerous vibrations, the thickening of the blade profile can be considered as an obvious measure. This gain can, among other things, significantly impair the efficiency of the turbomachine, which is why this measure is rather not used in practice.
A common and long-established precaution to combat the dangerous vibrations that occur is that the blades within a blade row are connected to each other in packages by a damper wire.
This conventional design, however, has several disadvantages: The damper wire within the flow channel deteriorates the efficiency of the turbomachine.
- The damper wire is heavily stressed by bending stresses and medium temperature.
- The damper wire is subject to corrosion and erosion.
Where the blades, as is known per se, are formed with cover plates, in order to avoid the disadvantages caused by the use of the damper wire, the cover plates themselves are used for damping, in that the flanks of the latter are processed in such a way that they come into contact with one another with different designs form.
However, these cover plate constructions have various disadvantages: - expensive machining and execution of the contact surfaces, - complex assembly, - different contact surface forces, depending on the operating state, - mechanical wear of the contact surfaces, with which the desired damping continuously deteriorates.
The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, has for its object to provide a device of the type mentioned, in which an optimal damping effect is achieved by measures starting outside the flow channel.
The main advantages of the invention can be seen in the fact that the flanks of the cover plates no longer require any processing. The fact that the cover plate overhang no longer has to cover the intermediate spaces between the blades also reduces the stress on the cover plates and blades themselves caused by centrifugal force.
The damping elements inserted as a link between the cover plates, regardless of how they are designed, are located outside the flow channel, so that the disadvantages that occur when a damper wire is used within the flow channel are excluded.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in simplified form and explained in more detail below with reference to the drawing. All elements which are not essential for the direct understanding of the invention are not shown. Identical elements are provided with the same reference numbers in the figures.
It shows:
1 is a partial view of a row of blades of a turbomachine in the direction of flow,
2 shows the top view according to II from FIG. 1,
3 shows the blade view according to III from FIG. 2,
4 shows a further embodiment of the cover plate with damper wire,
Fig. 5, the cover plates in plan view with bolts as damping elements and
6 shows the section VI-VI through the damping elements from FIG. 5th
Fig. 1 shows how the individual blades 1, 2, n are arranged in a row of blades on the rotor disk, not shown. The blade n itself consists of blade root 3, transition part 4, blade 5 and cover plate 6.
In packages, the cover plates 6 are threaded together with a damper wire 7, which absorbs the vibrations of the blades 1, 2, n that occur. The number of blades per package varies depending on the design of the respective turbomachine.
Fig. 2 shows the contour of the airfoil 5. Furthermore, the cover plates 6 and the damper wire 7 can be seen. As far as the design of the blades 1, 2, n is concerned, these are non-twisted blades. Of course, twisted blades can also be used.
The cover plate configuration according to FIG. 3 is provided where slim airfoils 5 are used.
First and foremost, the aim is to improve the efficiency by covering plate 6 bridging the space 10 between the end of airfoil 5 and stator 9, so that the different thermal expansions of airfoil 5 in the radial direction between inflow side 11 and outflow side 12 for the gap dimensioning of the above Intermediate space 10 no longer need to be taken into account. The cover plate 6 engages into the stator 9 like a labyrinth in such a way that the flow losses 13 are minimized. The damper wire 7 is threaded through the hole 8 provided in the cover plate 6. It is important that a clearance is provided between the bore 8 and the damper wire 7, so that the damping of the blades 1, 2, n can take place due to the different relative movements thereof relative to the damping wire 7.
The frictional force can easily be adapted to the given requirements by means of the contact surface, by appropriately selecting the clearance between bore 8 and the damper wire, as well as its mass and coefficient of friction. In the case of cooled blades, the cooling passages can easily be designed such that the damper wire 7 is also cooled. The damper wire 7 can also be cooled from the stator 9. The active friction zone - bore 8 / damper wire 7 - per cover plate 6 can be reduced in such a way that the bore 8 widens conically towards the cover plate ends. Of course, a groove that is open on the airfoil side can be provided instead of the bore 8.
Fig. 4 differs from Fig. 3 in that here the damper wire 7 'has a V-shaped cross section.
The opening 14 going through the cover plate 6 has the same contour as the damper wire 7 ', a clearance being provided between the opening 14 and the damper wire 7'.
Due to the two flanks of the V-shaped cross section, the effective friction surface increases, so that the mass of the damper wire 7 can be reduced accordingly without reducing its strength. The opening 14 shown here can of course be made open in the area of the cover plates 6 on the airfoil side.
5 and 6, the damping element between each two adjacent cover plates 6 consists of a bolt 15 which is placed approximately in the bending direction of the blades. Of the two cover plates 6 gripped by the bolt 15, one is drilled through (16), while the other receives a blind hole 16 'in line with the bore 16. Because the bolts 15 are now installed between two adjacent cover plates, the different relative movements of the blades 1, 2, n with respect to the bolts 15 result in friction which causes the desired damping. Here too, the frictional force is dependent on the same parameters as were explained above under FIG. 3.
On the other hand, the assembly of the friction element, i.e. of the bolt 15, easier than with the wire variant. The blades of a first row 1, 2, n are placed on the rotor disk e.g. mounted radially through oblique-axial insertion, for which the fir tree shape of the blade root 3 is particularly suitable. The bolts 15 can now be inserted very easily and secured against falling out by means of a pin 17. The position of the bolts 15 in relation to the cover plates 6 ultimately only implies that the blades are easy to install.