Dämpfungselement für freistehende Turbomaschinenschaufeln

Abstract

 Bei einem Dämpfungselement für freistehende Schaufeln einer Turbomaschine, bei der die im Rotor befestigten Laufschaufein (2) untereinander vorzugsweise im radial äusseren Bereich miteinander verbunden sind, besteht die Verbindung zwischen zwei Schaufeln aus einem zum Rotorzentrum hin gekrümmten, elastisch verformbaren Plättchen (3), welches in Verankerungen (5, 6) an der Saugseite - (2') der einen und an der Druckseite (2") einer zweiten benachbarten Schaufel einrastet. Die - schaufelseitigen Verankerungselemente können entweder Ausnehmungen (5, 6) oder vorspringende Nasen sein, in oder an denen sich die Plättchen abstützen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Dämpfungselement für freistehende Schaufeln einer Turbomaschine, bei der die im Rotor befestigten Laufschaufeln untereinander vorzugsweise im radial äusseren Bereich miteinander verbunden sind.

[0002] Freistehende Laufschaufeln sowohl von axial durchströmten Turbinen als auch von radial durchströmten Verdichtem oder Turbinen sind - schwingungsgefährdet. Im Betrieb führt die einzelne Schaufel von derartigen Turbomaschinen Eigenschwingungen aus, die von der Vibrationsart abhängen, der sie ausgesetzt ist; Tangentialbiegung, Axialbiegung oder Torsion.

[0003] Bekannte Lösungen zur Schwingungsdämpfung reichen von der Bandagierung mehrerer Schaufeln zu einem Paket über die vollumschlossene Bindung mittels Deckbändem an den Schaufelspitzen oder festen Bindeelementen an den Schaufelblättem in deren radial äusseren Bereich bis hin zum tangentialen oder zickzackförmigen Einfädeln von Dämpferdrähten oder Einlöten von Bindedrähten.

[0004] Die meisten Lösungen scheiden indessen aus, wenn man eine schwingungsdämpfende Massnahme bei den heute mit sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten arbeitenden, sogenannten Integralturbinen von Abgasturboladem ergreifen will. Bisher konnten diese einstückigen Laufräder nur mit angegossenen Bindeelementen versehen werden. Letzteres ist indessen ausserordentlich schwierig und infolgedessen kostspielig in der Herstellung.

[0005] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für alle Arten von freistehenden Schaufeln ein geeignetes, einfach zu montierendes Dämpfungssystem zu schaffen.

[0006] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Verbindung zwischen zwei Schaufeln aus einem, zum Rotorzentrum hin gekrümmten, elastisch verformbaren Plättchen besteht, welches in Verankerungen an der Saugseite der einen und an der Druckseite einer zweiten benachbarten Schaufel eingerastet ist.

[0007] Der Vorteil der neuen Massnahme ist neben der ausserordentlichen Einfachheit insbesondere darin zu sehen, dass die gekrümmten Plättchen relativ dünn und damit wenig strömungsbeinträchtigend ausgebildet werden können, da durch die seitlichen Stützkräfte die Biegespannungen verringert werden. Im Vergleich zu den durch Bohrungen eingefädelten Dämpferdrähten mit wesentlich grösserem Querschnitt ist die Schwächung des Schaufelquerschnitts, falls die Verankerung der Plättchen in Aussparungen im Schaufelblatt stattfindet, bedeutend geringer.

[0008] Von Vorteil ist, wenn die Plättchen mit einer doppelten Krümmung vorgeformt sind. Zum einen vereinfacht sich dadurch die Geometrie der Verankerung in den Schaufeln, und zum andem erhalten - die Plättchen eine einwandfreie Führung sowohl durch ihre aufliegende Unterseite als auch durch die nahezu spielfreie Oberseite. Selbst bei einer reinen Zweipunktauflage können sie nicht aus den Verankerungen kippen.

[0009] Es ist zweckmässig, wenn die Plättchen oval ausgebildet sind und an ihren Schmalseiten zwei kreisförmige Auflagen aufweisen. Diese Auflageart gestattet eine axiale Montage, bei welcher die Plättchen nur sehr wenig elastisch zu verformen sind, bevor sie in die entsprechenden Aufnahmen in den Schaufeln einrasten. Darüberhinaus ermöglicht diese Montageart auch verhältnismässig tiefe Aussparungen in den Schaufelwänden.

[0010] Sind die Plättchen im wesentlichen dreieckig ausgebildet und demzufolge mit drei Auflagem ausgerüstet, wobei vorzugsweise eines der Auflager an der Saugseite und die zwei weiteren Auflager an der Druckseite der Schaufeln angreifen, so wird damit infolge der nur drei Druckstellen eine stabile Lage erzielt. Wird darüberhinaus, in Axialrichtung gesehen, das Auflager an der Schaufelsaugseite zwischen den beiden Auflagem an der Druckseite angeordnet, so verhindern die Plättchen im Falle von verwundenen Schaufeln eine Entwindung der Schaufeln während des Betriebes.

[0011] In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht in Strömungsrichtung auf einen Segmentabschnitt eines Laufrades,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Beschaufelung un mittelbar oberhalb einer ersten Ausführungsform von Därppfungselementen,

Fig. 3 bis Fig. 5 verschiedene Einspannvarianten für die Dämpfungselemente,

Fig. 6 einen Teilschnitt durch die Beschaufelung unmittelbar oberhalb einer zweiten Ausführungsform von Dämpfungselementen.

[0012] In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Elemente dargestellt, wobei gleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Die in Fig. 1 teilweise dargestellte Beschaufelung sei jene eines einstückig hergestellten Turbinenlaufrades eines Abgasturboladers.

[0013] Das Laufrad besteht im wesentlichen aus der Turbinenscheibe 1, den mit dieser integrierten, verwundenen Laufschaufeln 2 und den zwischen den Schaufeln eingespannten Dämpfungselementen, welche als Plättchen 3 ausgebildet sind. Diese Plättchen sind aufgrund der herrschenden Fliehkraft-und Temperaturverhältnisse aus einer Nickel-Basis-Legierung gefertigt, beispielsweise aus dem unter dem Markennamen Nymonic 90 bekannten Material. Sie sind gemäss Fig. 2 oval, worunter auch ellipsenähnliche Formen oder Rechtecke mit abgerundeten schmalen Seiten verstanden werden. Mit ihren beidseitigen halbkreisförmigen Auflagen 4 liegen sie in entsprechend geformten Ausnehmungen 5, 6 einerseits in der Saugseite 2' einer ersten Schaufel, andererseits in der Druckseite 2" einer zweiten benachbarten Schaufel ein. Die Ausnehmungen können aus den Schaufeln herausgearbeitet sein oder wie im vorliegenden Fall von Integralrädern direkt mit dem Laufrad vergossen werden.

[0014] Die bei der Herstellung vorgeformten Plättchen weisen eine doppelte Krümmung auf und werden so montiert, dass der Krümmungsbauch gegen das Zentrum der Turbinenscheibe 1 gerichtet ist (Fig. 1, Fig. 3).

[0015] Anlässlich der Plättchenmontage wird wie folgt vorgegangen: ' In axialer Richtung wird das Plättchen zwischen die Eintrittsprofile zweier benachbarter Schaufeln eingeschoben, mit der Auflage in die Ausnehmung 5 auf der Saugseite 2' in Anschlag gebracht und dann in die Ausnehmung 6 auf der Druckseite 2" eingeschwenkt. Die Ausnehmungen 5 und 6 sind voll ausgefüllt, so dass die strömungsbegrenzenden Wandungen keinerlei Kavemen aufweisen.

[0016] Die erforderliche Stützkraft im Betrieb ergibt sich einerseits durch die Montagevorspannung und andererseits infolge der elastischen Deformation des Plättchens und der Schaufel (Torsion). D.h. die Schaufel wird dadurch auf Torsion beansprucht.

[0017] Die Fig. 4 und 5 zeigen Verankerungen, wie sie möglich sind bei der Anwendung von einfach gekrümmten Plättchen 3'. Die Verankerung gemäss Fig. 4 wird in einer an den Schaufelblättem angebrachten, nicht sehr tiefgehenden Ausnehmung 7 vollzogen, während sich gemäss Fig. 5 das Plättchen 3' an der Unterseite einer am Schaufelblatt angegossenen Nase 8 abstützt. Beide Lösungen eignen sich für eine Montage in radialer Richtung, bei welcher die Plättchen 3' beim Einpressen zwischen die Schaufeln elastisch verformt werden und dann in die zugehörige Verankerung einrasten. Infolge der zum Rotorzentrum weisenden Plättchenkrümmung wirkt die Fliehkraft während des Betriebes verstemmend, so dass die Plättchen sich nicht aus der jeweiligen Verankerung herauslösen können.

[0018] Plättchen einfacher Krümmung und entsprechende Verankerungen können mit Vorteil bei der in Fig. 6 gezeigten Variante ihre Anwendung finden. Das Plättchen 3' weist hier im wesentlichen eine Dreiecksform auf mit den drei Auflagern 4a, 4b und 4c. Die Auflage 4a stützt sich an der Saugseite der Schaufel in der Ausnehmung 7a ab; die Auflagen 4b und 4c sind in den Ausnehmungen 7b und 7c auf der Druckseite der benachbarten Schaufel verankert. In Axialrichtung gesehen liegt die Verbindung 4a/7a zwischen den beiden Verbindungen 4b/7b und 4c/7c, woraus der bereits erwähnte Vorteil resultiert, dass eine Schaufeltorsion infolge Fliehkraft verhindert wird.

[0019] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. In Abweichung zur kreisförmigen Bindung gemäss Fig. 1 könnte beispielsweise jedes zweite Plättchen auf einem kleineren oder grösseren Radius angeordnet sein. Die druck-und saugseitigen Ausnehmungen einer Schaufel befänden sich dann nicht mehr in der gleichen radialen Schaufelebene und würden damit noch weniger querschnittsschwächend wirken.

[0020] Eine Anwendungsmöglichkeit für die neue Massnahme ist auch in der Einlaufpartie von Radialverdichterrädem gegeben, wo sie anstelle der aufwendigen, zickzackförmigen Dämpferdrähte oder ggfs. der noch aufwendigeren Deckscheibenbindung treten kann.

Ansprüche

1. Dämpfungselement für freistehende Schaufeln einer Turbomaschine, bei der die im Rotor (1) befestigten Laufschaufeln (2) untereinander vorzugsweise im radial äusseren Bereich miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen zwei Schaufeln aus einem zum Rotorzentrum hin gekrümmten, elastisch verformbaren Plättchen (3, 3') besteht, welches in Verankerungen (5, 6, 7, 8) an der Saugseite (2') der einen und an der Druckseite (2") einer zweiten, benachbarten Schaufel eingerastet ist.

2. Dämpfungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen (3) doppelt gekrümmt ist.

3. Dämpfungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen (3) oval ist und zwei kreisförmige Auflager (4) aufweist.

4. Dämpfungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ptättchen (3') im wesentlichen Dreiecksform mit drei Auflagem (4a -4c) aufweist, wobei eines der Auflager (4a) an der Saugseite (2') und die zwei weiteren Auflager (4b, 4c) an der Druckseite (2") der Schaufeln (2) angreifen.

5. Dämpfungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Axialrichtung gesehen das Auflager (4a) an der Schaufelsaugseite (2') zwischen den beiden Auflagern (4b, 4c) an der Druckseite (2") angeordnet ist.

Zeichnung