[0001] Die Erfindung betrifft eine Schwingungsdämpfung für Axialbeschaufelungen, insbesondere
axial durchströmter Turbinen und Verdichter, im folgenden als Turbomaschinen zusammengefaßt,
mit hohl ausgeführten und verschlossenen Bindestiften im Bereich der freien Schaufelenden,
die ein Dämpfungsglied enthalten und senkrecht zur Fliehkraft ausgerichtet sind und
eine Schwingungsdämpfung für Schaufeln mit Deckband oder -platte oder Stützflügel,
insbesondere axial durchströmter Turbomaschinen mit senkrecht zur Fliehkraftsrichtung
im Deckband bzw. in den Stützflügeln vorgesehenen abgeschlossenen Hohlräume mit einem
Dämpfungsfluid.
[0002] Aufgrund von Störungen in Form von Druck- oder Geschwindigkeitsvariationen wird
eine Axialbeschaufelung zu Schwingungen angeregt. Um den zusätzlichen, aus den Schwingungen
resultierenden Belastungen Stand zu halten, sind Schaufelwerkstoffe mit hohen Festigkeitswerten
erforderlich. Um Schäden durch hohe Fliehkraftbelastungen mit überlagerten Wechselamplituden
zu vermeiden, müssen Schaufeln verhältnismäßig kurz und mit dickem Profil ausgeführt
werden. Für eine hohe Energieumwandlung sollten diese aber lang und bezüglich des
Profiles dünn ausgebildet werden, was aufgrund von Festigkeitsanforderungen meist
nicht in gewünschtem Umfang realisiert werden kann.
[0003] Werden die Schaufelschwingungen durch geeignete Maßnahmen verringert, so vermindern
sich auch die Belastungen und das Schaufelprofil kann wegen der geringeren Anforderungen
an die Schwingfestigkeit strömungs- und energiegünstiger (wirtschaftlicher wegen
höherere Energieumsetzung pro Stufe) ausgebildet werden.
[0004] Zur Verminderung von Schaufelschwingungen können die Schaufeln vorteilhaft über ein
Deckband miteinander verbunden werden, oder, bei zu hohen mechanischen Belastungen,
mittels eines Bindedrahtes oder durch lose eingelegte Bindestifte miteinander gekoppelt
werden.
[0005] Es wurde vorgeschlagen, (US 2349187) in den Schaufeln Hohlräume einzubringen, in
denen sich ein Zylinder oder eine Kugel auf einer konkaven Fläche, gegen die der Zylinder
bzw. die Kugel durch die Fliehkraft angepreßt wird, bewegen kann, wobei sie von einem
dämpfenden Medium umgeben sind. Der runde Körper (Kugel oder Zylinder) wird bei einer
Schwingbewegung seitlich ausgelenkt und durch die konkave Fläche und die wirkende
Fliehkraft wird eine Rückstellkraft verursacht. Physikalisch bedeutet dies, daß
in der Schaufel ein zusätzliches Federmasse-System geschaffen wurde, wobei dieses
durch das Dämpfungsmedium gedämpft ist. Bei gezielter Abstimmung der Resonanzfrequenz
des Einmassenschwingers kann eine bestimmte Resonanzfrequenz der Schaufel oder der
gekoppelten Beschaufelung verstimmt oder getilgt werden. Dadurch kann eine gefährliche
Resonanzstelle vermieden werden.
[0006] Jedoch muß die gefährliche Resonanzstelle vorher genau bekannt sein, um sicher eine
positive Wirkung zu erzielen, denn mit dem Ein-Masse-Schwinger (wie auch mit einem
Mehr-Masse-Schwinger) wird ein neues Schwingungssystem geschaffen, das in bestimten
Drehzahlbereichen auch höhere Amplituden unter gleichen Anregungsbedingungen aufweisen
kann. Problematisch ist dieser Punkt insofern, als Resonanzfrequenz - vor allem bei
gekoppelten Beschaufelungen mit Kopplungen über die Scheibe oder Koppellelemente
wie Bindestift, Deckband usw. - nicht genau genug vorherberechnet werden können.
[0007] Ein weiterer Vorschlag (GB 943023) betrifft Bindestifte, die mit Material - hier
Bleikugeln - gefüllt werden, das bei Betriebstemperatur flüssig ist. Bei Schwingbewegungen
wird hierbei Reibung wirksam, was zu Verlust von Schwingungsenergie führt.
[0008] Der Nachteil dieser Konstruktion ist jedoch, daß das flüssige Material im Hohlraum
freibeweglich ist und von daher nur wenig dämpfend wirkt. Man kann die Flüssigkeitssäule
auch als schwingende Punktmasse auffassen, womit wiederum ein Ein-Masse-Schwinger
(ggf. auch ein Mehr-Masse-Schwinger) mit den bereits oben genannten Nachteilen entsteht.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwingungsdämpfung bereitzustellen,
deren Konstruktion leicht herstellbar ist, die Schaufel möglichst nicht zusätzlich
belastet und praktisch verschleißfrei ist.
[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Bindestiften unter Beibehaltung
des Flächenträgheitsmoments (Biegefestigkeit) der hohle Bindestift mit einer großen
inneren Oberfläche versehen ist und bei Deckband oder -platte oder mit Stützflügeln
der Hohlraum mit einer großen inneren Oberfläche versehen ist.
[0011] Das freie Schaufelende, das bei Schwingungen der freistehenden Schaufel die maximale
Amplitude der Auslenkung (und damit auch die maximale Schwinggeschwindigkeit bzw.
maximale Schwingbeschleunigungen) aufweist, wird mit einem Hohlkörper versehen, bzw.
wird in dem Bereich des freien Endes ein Hohlkörper angeordnet. In dem Hohlkörper
befindet sich ein Dämpfungsmedium, wobei der Hohlkörper vorteilhaft nur teilweise
mit dem Dämpfungsmedium angefüllt ist. Das Dämpfungsmedium kann sich innerhalb des
Hohlkörpers, der eine große innere Oberfläche aufweist, aufgrund seiner eigenen Trägheit
und durch eine in einer Scherströmung wirksamen Zähigkeit nur unter Abgabe von Reibungsenergie
relativ zum Hohlkörper bewegen, sodaß der Beschaufelung wirkungsvoll Schwingbewegungsenergie
entzogen werden kann.
[0012] Vorteilhaft verbindet der Hohlkörper wenigstens zwei benachbarte Schaufeln miteinander.
Dadurch werden zusätzlich gegensinnige Bewegungen der Schaufeln in Längsrichtung des
Bindestiftes behindert und somit eine Versteifung der Beschaufelung erzielt.
[0013] Gemäß einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel ist der Hohlkörper als Hülse ausgebildet.
Bei dieser Ausführungsform liegt der Hohlraum in der neutralen Faser der Hülse, womit
mehrere Vorteile verbunden sind:
Wird der Hohlkörper als Bindestift zum Verbinden zweier Schaufeln ausgebildet, so
wird der Bindestift aufgrund seines Eigengewichtes im Fliehkraftfeld auf Biegung
durch Längslast beansprucht. Diese Biegebeanspruchung ist bei Hülsen im Vergleich
zu einem Vollzylinder mit gleichem Außendurchmesser deutlich geringer, weil das Material
im Bereich der neutralen Faser eine Last darstellt ohne nennenswert zur Erhöhung der
Biegesteifigkeit dieses Bauelementes beizutragen. Die gleiche Wirkungsweise ergibt
sich bei einem hohl ausgeführten Deckband.
[0014] Hieraus ergibt sich, daß der als Hülse ausgebildete Bindestift, z.B. ein hohler Bindestift,
das i.d.R. im Vergleich zum Material des Hohlkörpers leichtere Dämpfungsmedium aufnehmen
kann, ohne daß er wesentlich verstärkt werden muß. Ein kleiner Außendurchmesser ist
insofern von großer Bedeutung, als daß der Strömungsquerschnitt durch ihn verkleinert
wird und dadurch Wirkungsgradeinbußen in Kauf genommen werden müssen.
[0015] Die Hohlkörper können vorteilhaft an den Schaufeln in jeweils einer in Umfangsrichtung
vorgesehener Ausnehmung, z.B. einer Bohrung, gelagert werden. Es kann aber auch an
beiden Längsseiten der Schaufeln jeweils ein Hohlkörper, z.B. in Form eines Stützflügels,
angesetzt sein, sodaß die Schaufeln nicht durch Bohrungen o.dgl. geschwächt werden.
[0016] Vorteilhaft sind die Bohrungen in einem Winkel und seitlich versetzt zur Umfangslinie
in die Schaufeln eingebracht, weil sich die freie Länge des Bindestiftes verkürzt
und somit die Belastung deutlich sinkt bzw. der Stift mit kleinerem Außendurchmesser
ausgeführt werden kann. Werden zwei Schaufeln mit einem als Bindestift ausgebildeten
Hohlkörper verbunden, so erstreckt sich dieser von etwas vor der hinteren Kante der
einen Schaufel zu einem Punkt etwas hinter der vorderen Kante der anderen Schaufel.
Durch eine derartige Zick-Zack-Bindung werden neben Biegeschwingungen auch Torsionsschwingungen
behindert bzw. gedämpft.
[0017] Das lose Einlegen der Hohlkörper in die Aufnahmen der Schaufeln bewirkt zudem bei
relativ niederen Drehzahlen durch einsetzende Mikroreibung in der Grenzfläche zwischen
Hohlkörper und Schaufel eine zusätzliche Dämpfung. Von Vorteil ist auch der einfache
Austausch beschädigter Hohlkörper.
[0018] Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß im Bereich des Deckbandes ein ein Dämpfungsmedium
beinhaltender Hohlkörper angeordnet ist. Dieser Hohlkörper kann am Deckband befestigt
sein oder im Deckband integriert.
[0019] Vorteilhaft ist der Hohlkörper ausgebildet als eine in Umfangsrichtung verlaufende
Ausnehmung, z.B. Bohrung o.dgl.. Dadurch wird das Eigengewicht des Deckbandes verringert,
was zu einer geringeren statischen Beanspruchung des Deckbandes wie auch der Schaufel
selbst führt. Vorteilhaft können auch mehrere parallele Ausnehmungen in das Deckband
eingebracht werden, sodaß die Biegebelastung des auskragenden Deckbandes weiter gezielt
verringert werden kann und eine größere Reibungsoberfläche für das dämpfende Medium
zur Verfügung steht.
[0020] Um die aus den Geschwindigkeitsänderungen der Schwingbewegung resultierenden Reibungskräfte
wirksam auf das Dämpfungsmedium übertragen zu können, weist der Hohlkörper zur Vergrößerung
der Oberfläche innen eine durchgehende Gewindebohrung auf. Dieser Effekt wird auch
durch eine in anderer Weise innen rauhe Oberfläche erzielt.
[0021] Eine einfache Abdichtung des Hohlkörpers wird dadurch erreicht, daß er beidseitig
mit Verschlußelementen fluiddicht abgedichtet wird. Diese Verschlußelemente können,
falls der Hohlkörper innen mit einem Gewinde versehen ist, einfache Schraubstopfen
sein, die zudem bei lose eingelegten Bindehülsen zusätzlich als axiale Sicherung dienen
können. Die Verschlußelemente verhindern ein Austreten des Dämpfungsmediums, was nicht
zur zu einer Herabsetzung der Dämpfungsfähigkeit führen würde, sondern in manchen
Anwendungsfällen auch von der Anlage her gesehen von Nachteil sein könnte.
[0022] Das Dämpfungsmedium kann sowohl eine Flüssigkeit, wie z.B. Öl oder auch Natrium bei
höherer Temperatur, ein Granulat wie auch eine Mischung aus beidem sein. Die Viskositäten
der Flüssigkeiten sind auf die Arbeitstemperatur und die erforderliche Dämpfung
in der Maschine abgestimmt.
[0023] Die Übertragung der Schwingbewegung aus das Dämpfungsmedium kann vorteilhaft dadurch
erhöht werden, daß der Hohlkörper eingelegte Schikanen aufweist. Diese Schikanen können
als Labyrinthwendel, Drahtgitter o.dgl. ausgebildet sein.
[0024] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der auf bevorzugte Ausführungsbeispiele Bezug genommen wird. Dabei
zeigen
Fig. 1 ein als Bindestift ausgebildeter Hohlkörper, der an zwei benachbarten Schaufeln
festgelegt ist,
Fig. 2 einen als Deckplatte ausgebildeter Hohlkörper,
Fig. 3 seitlich an die Schaufelprofile angesetzte Hohlkörper,
Fig. 4a - 4c Ausschnitte aus den Fig. 1 bis 3, die Beschaffenheit der Innenoberfläche
des Hohlkörpers und den Hohlraum in vergrößertem Maßstab zeigend
Fig. 5a und 5b zeigen jeweils eine vorteilhafte Anordnung der Hohlkörper an den Schaufeln
[0025] Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt mit zwei Schaufeln (1 und 2) aus einem Laufrad (3),
das mit einer Winkelgeschwindigkeit Omega umläuft. Im Bereich der freien Schaufelenden
(4) ist ein Hohlkörper (5) in Form eines Bindestiftes (6) angeordnet. Dieser Bindestift
(6) ist in Ausnehmungen (7), die z.B. als Bohrungen (8) ausgeführt sind, an den Schaufeln
(1 und 2) wahlweise lose oder starr festgelegt und verbindet die beiden Schaufeln
(1 und 2) miteinander. Zur Aufnahme eines Dämpfungsmediums (9) ist der Bindestift
(6) nach Art einer Hülse (10) hohl ausgebildet, was z.B. mittels einer Durchgangsbohrung
verwirklicht werden kann. An den Enden (11 und 12) weist der Bindestift (6) jeweils
ein Innengewinde (13) auf, das zum Festlegen eines, den Hohlraum des Bindestiftes
(6) abschließenden Verschlußelementes (14) dient. Das Verschlußelement (14), das als
einschraubbarer Verschlußstopfen (15) ausgeführt ist, dient zudem mittels seines
den Bindestift (6) überragenden Verschlußstopfens (16) als axiale Sicherung gegen
ein Herausfallen aus den Ausnehmungen (7) der Schaufeln (1 und 2).
[0026] Fig. 2 zeigt eine Schaufel (17), die an ihrem freien Schaufelende (4) ein Deckband
(18) aufweist. Das Deckband (18) bildet in diesem Fall den Hohlkörper (5), der das
Dämpfungsmedium (9) beinhaltet. Der Hohlraum (19) wird z.B. durch eine Durchgangsbohrung
(23) gebildet. Als Verschlußelemente (14) dienen in diesem Fall verschraubbare Verschlußstopfen
(20).
[0027] Die Figur 3 zeigt ein Laufrad (3), bei dem die Schaufeln (1 und 2) an das Schaufelprofil
(21) angesetzte Hohlkörper (5) in Form von Stützflügeln (22) aufweisen. Diese Stützflügel
(22) sind ebenfalls hohl ausgebildet und beinhalten das Dämpfungsmedium (9). Zur Zentrierung
und gegenseitigen Abstützung weisen die Stützflügel (22) keil- bzw. nutenartige Enden
auf, die gegeneinander verspannt sind, ohne jedoch Temperatur- und Fliehkraftdehnungen
in Umfangsrichtung zu behindern.
[0028] An Stelle von angesetzten Stützflügeln (22) können die Schaufeln (1 und 2) auch mit
Hohlkörpern (5) versehen sein, die die Schaufeln (1 und 2) nach Art eines Bindestiftes
durchdringen und die Schaufeln (1 und 2) jeweils an den gegenüberliegenden Schaufelprofilen
(21), wie in Fig. 3 dargestellt, überragen (nicht dargestellt).
[0029] Die Figuren 4a bis 4c zeigen Ausschnitte des Hohlkörpers (5), insbesondere die Beschaffenheit
der Innenoberfläche (24) des Hohlraumes. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4a wird
die Innenoberfläche (24) von einem Innengewinde (25) gebildet. Dies hat den Vorteil,
daß in einem Arbeitsgang sowohl die Gewinde für die einschraubbaren Verschlußelemente
(14) als auch eine rauhe Oberfläche (24) des Hohlraumes geschaffen werden. Beim Ausführungsbeispiel
nach Figur 4b ist die Innenoberfläche (24) künstlich aufgeraut oder durch ein entsprechend
grobes Fertigungsverfahren bereits in grober Form vorliegend. Durch die Rauhigkeit
wird eine gute Übertragung der Bewegungsänderung der Schaufeln (1, 2 und 17) auf das
Dämpfungsmedium (9) bewirkt. Dieses Dämpfungsmedium (9) kann, in entsprechender Abstimmung
mit der Dämpfungswirkung, den Hohlraum des Hohlkörpers (5) zu mehr als 50% (siehe
Figur 4b) oder gleich/weniger als 50% (siehe Figur 4a) ausfüllen; hierbei können neben
der Wirkung der Dämpfung auch andere Gesichtspunkte wie z.B. eine Gewichtsbelastung
oder -verlagerung Berücksichtigung finden.
[0030] Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4c ist die Innenoberfläche 24) des Hohlkörpers
(5) mechanisch nahezu glatt, so daß eine wirkungsvolle Übertragung der Bewegung der
Schaufeln (1, 2 und 17) auf das Dämpfungsmedium (9) wegen mangelnder Oberflächenunebenheiten
kaum stattfindet. Die Übertragung wird jedoch dadurch erzielt, daß im Hohlraum, der
z.B. eine Bohrung (8) sein kann, eine Schikane (25) für das Dämpfungsmedium (9) in
Form eines Drahtgitters eingelagert ist und diese teilweise vom Dämpfungsmedium (9)
umgeben ist und durchströmt wird.
[0031] Die Figuren 5a und 5b zeigen vorteilhafte Anordnungen von als Bindestifte (6) ausgebildete
Hohlkörper (5). Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5a werden jeweils zwei benachbarte
Schaufeln (1 und 2) dadurch mittels des Bindestiftes (6) miteinander verbunden, daß
dieser die eine Schaufel (1 oder 2) im Bereich derer hinteren Kante (26) durchdringt
und das andere Ende des Bindestiftes (6) im Bereich der vorderen Kante (27) der benachbarten
anderen Schaufel (2 oder 1) lagert. Hierfür sind die Ausnehmungen (7), z.B. Bohrungen
(8), in den Schaufeln (1 und 2) seitlich zur Umfangslinie (28) versetzt angeordnet
und sind dieser gegenüber um einen Winkel α geneigt. Das Anbringen der Hohlkörper
(5) auf diese Art hat den Vorteil, daß die Schaufeln (1 und 2) direkt bzw. indirekt
miteinander verbunden sind und zudem auch Torsionsanteile der Schaufeln (1 und 2)
behindert und gedämpft werden können.
[0032] Dieser Vorteil wird auch durch die Anordnung der Hohlkörper (5) gemäß Figur 5b erreicht.
Hier sind die Hohlkörper (5), z.B. Bindestifte (6), jeweils abwechselnd versetzt zur
Umfangslinie (28) angeordnet, wobei die Abstände (a und b) der Hohlkörper (5) zur
Umfangslinie gleich oder aber auch verschieden sein können.
[0033] Von großem Vorteil ist, wenn bei länglich ausgebildeten Hohlkörpern (5) die Längsachse
des Hohlkörpers senkrecht zur Fliehkraftrichtung und parallel zur Hauptschwingungsrichtung
der Schaufeln (1 und 2) liegt.
1) Schwingungsdämpfung für Axialbeschaufelungen, insbesondere axial durchströmter
Turbinen und Verdichter, im folgenden als Turbomaschinen zusammengefaßt, mit hohl
ausgeführten und verschlossenen Bindestiften im Bereich der freien Schaufelenden,
die ein Dämpfungsfluid enthalten und senkrecht zur Fliehkraft ausgerichtet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß unter beibehaltung des Flächenträgheitsmoments (Biegefestigkeit)
der hohle Bindestift mit einer großen inneren Oberfläche versehen ist.
2) Schwingungsdämpfung für Schaufeln mit Deckband oder -platte oder mit Stützflügel,
insbesondere axial durchströmter Turbomaschinen mit senkrecht zur Fliehkraftsrichtung
im Deckband bzw. in den Stützflügeln vorgesehenen abgeschlossenen Hohlräume mit einem
Dämpfungsfluid, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit einer großen inneren
Oberfläche versehen ist.
3) Schwingungsdämpfung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rauhe
Oberfläche im Hohlkörper eine Gewindebohrung ist, die gleichzeitig zum Verschließen
des Hohlkörpers dienen kann.
4) Schwingungsdämpfung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Dämpfungsmedium ein Fluid, ein Granulat oder eine Mischung aus beidem ist.
5) Schwingungsdämpfung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlkörper für das Dämpfungsmedium eingelegte Schikanen enthält, wie beispilesweise
Labyrinthwendel, Drahtgitter o.dgl..