Verfahren zur Frequenzverstimmung einer Turbinenschaufel sowie Turbinenschaufel

Abstract

 Es wird ein Verfahren zur Frequenzveränderung einer Schaufel (9) vorgestellt, wobei die Schaufel aus einem Grundwerkstoff mit einem eine Saugseite (11), eine Druckseite, eine Eintrittskante (12), eine Austrittskante (13) und eine Schaufelspitze (14) aufweisenden Schaufelblatt (15) und einem Schaufelfuß (16) besteht. Im Bereich der Schaufelspitze (14) wird eine Ausnehmung (17) vorgesehen und in dieser Ausnehmung (17) wird ein Bauteil (18) aus einem nicht mit dem Grundwerkstoff identischen Material angebracht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schaufel aus einem Grundwerkstoff mit einem eine Saugseite, eine Druckseite, eine Eintrittskante, eine Austrittskante und eine Schaufelspitze aufweisenden Schaufelblatt und mit einem Schaufelfuß. Die Erfindung betrifft ferner eine Schaufel aus einem Grundwerkstoff mit einem eine Saugseite, eine Druckseite, eine Eintrittskante, eine Austrittskante und eine Schaufelspitze aufweisenden Schaufelblatt und mit einem Schaufelfuß.

[0002] Eine Turbinenschaufel als Ausführungsform einer Schaufel wird in Strömungsmaschinen eingesetzt. Eine Strömungsmaschine ist z.B. eine Dampfturbine oder eine Gasturbine. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf eine Turbinenschaufel in einer Dampfturbine. Die Aussagen können jedoch allgemein auch auf Schaufeln und Strömungsmaschinen bezogen werden.

[0003] In einer Dampfturbine, insbesondere in einer Niederdruck-Dampfturbine strömt eingangsseitig ein Strömungsmedium ein und strömt über Ausgangsstutzen aus der Dampfturbine heraus. Die Temperatur und der Druck des Strömungsmediums ändern sich innerhalb der Dampfturbine. Über Lauf- bzw. Leitschaufeln wird die Energie des Strömungsmediums in Rotationsenergie umgewandelt. Da das Volumen durch den niedrigeren Druck und die niedrigere Temperatur immer größer wird, müssen die Laufschaufeln und die Leitschaufeln langgestreckt ausgebildet werden. Insbesondere die letzten Turbinenschaufeln einer Niederdruck-Dampfturbine sind derart lang, dass diese während eines Betriebs in Schwingungen geraten.

[0004] Die dabei auftretenden Schwingungen sind störend. Sie können bei Erreichen der Eigenfrequenz der Turbinenschaufel sogar zu einem Versagen der Turbinenschaufel führen.

[0005] Aus der internationalen Anmeldung WO 03/062606 A1 ist es bekannt, bei einer bereits einsatzfertigen Schaufel einen metallischen Überzug aus einem mit dem Grundwerkstoff identischen Material im Bereich der Schaufelspitze aufzubringen, um dadurch die Eigenfrequenz der gesamten Schaufel zu verändern.

[0006] Die Eigenfrequenzen der Schaufeln lassen sich auch durch den Einbau von schwingungsvermindernden Bauteilen, wie z.B. Deckplatten oder Stützflügeln, verändern. Die Deckplatten werden hierbei derart ausgebildet, dass durch eine Berührung von zwei benachbarten Deckplatten ein Schwingen verhindert wird. Stützflügel führen durch gegenseitiges Verklemmen zu einer Unterdrückung störender Schwingungen.

[0007] Auch eine Modifikation des Schaufelblatts kann dazu führen, dass Schwingungen unterdrückt werden. Allerdings führt eine im Hinblick auf eine Frequenzveränderung optimierte Modifikation des Schaufelblatts dazu, dass die Aerodynamik des Schaufelblatts nicht mehr optimal ist. Dies ist in dem Kompromiss aus Mechanik und Aerodynamik begründet.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung einer Schaufel aus einem Grundwerkstoff mit einer Saugseite, einer Druckseite, einer Eintrittskante, einer Austrittskante und eine Schaufelspitze aufweisenden Schaufelblatt und mit einem Schaufelfuß anzugeben, mit dem es möglich ist weitere Modifikationen an Schaufeln zur Beeinflussung der Eigenfrequenz durchzuführen.

[0009] Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaufel mit veränderbaren Eigenfrequenzen anzugeben.

[0010] Die auf das Verfahren hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schaufel aus einem Grundwerkstoff mit einem eine Saugseite, eine Druckseite, eine Eintrittskante, eine Austrittskante und eine Schaufelspitze aufweisenden Schaufelblatt und mit einem Schaufelfuß, wobei im Bereich der Schaufelspitze eine Ausnehmung vorgesehen wird und in diese Ausnehmung ein Bauteil zur Frequenzverstimmung aus einem nicht mit dem Grundwerkstoff identischen Material angebracht wird.

[0011] Die auf die Schaufel hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Schaufel aus einem Grundwerkstoff mit einem eine Saugseite, eine Druckseite, eine Eintrittskante, eine Austrittskante und eine Schaufelspitze aufweisenden Schaufelblatt und mit einem Schaufelfuß, wobei im Bereich der Schaufelspitze eine Ausnehmung vorgesehen ist und in dieser Ausnehmung ein Bauteil zum Verändern der Frequenz der Schaufel angebracht ist, wobei das Bauteil aus einem nicht mit dem Grundwerkstoff identischen Material besteht.

[0012] In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Bauteil an den Grundwerkstoff angeschweißt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Bauteil an den Grundwerkstoff angelötet.

[0013] Dadurch werden gleich zwei Möglichkeiten vorgestellt, das Bauteil, das aus einem nicht mit dem Grundwerkstoff identischen Material besteht, sehr schnell und leicht an dem Grundwerkstoff anzubringen.

[0014] Da Schwingungsformen der Schaufel eine Deformation entlang des Schaufelfußes aufweisen, ist es vorteilhaft, das Bauteil in einer Längsrichtung der Schaufel anzuordnen.

[0015] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Dichte des Materials des Bauteils derart gewählt, dass diese Dichte höher ist als die Dichte des Grundwerkstoffs.

[0016] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Material des Bauteils derart gewählt, dass das Elastizitäts-Modul größer ist als das Elastizitäts-Modul des Grundwerkstoffs.

[0017] Durch die Wahl eines geeigneten Materials des Bauteils sowie einer geeigneten Anordnung bzw. Applikation ist es möglich, gezielt einen Frequenzbereich der Schwingungen der Schaufel zu verändern. Die Eigenfrequenzen können durch Modellrechnungen berechnet werden. Durch diese Modellrechungen könnte eine Dichte des einzubringenden Materials bestimmt werden. Genauso gut kann auch durch Modellrechungen der Wert des Elastizitäts-Moduls am Applikationsort für das Bauteil bestimmt werden.

[0018] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Schaufel aus einem Grundwerkstoff aus einer Titanlegierung gebildet. Das Material des Bauteils ist eine Beta-Titanlegierung.

[0019] Gerade der Werkstoff Titan bietet bei niedrigem Gewicht eine hohe Festigkeit. Nachteilig ist, dass eine Titanlegierung kostenintensiv ist. Eine Beta-Titanlegierung hat im Vergleich zu einer Titanlegierung eine höhere Dichte und ein höheres Elastizitäts-Modul und bietet sich daher an, insbesondere durch seine metallurgisch ähnlichen Eigenschaften, als Bauteil eingesetzt zu werden.

[0020] In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Bauteil eine Länge (1) auf, die zumindest 1/3 der Gesamtlänge (L) der Schaufel beträgt. Weiter vorteilhaft ist es, wenn das Bauteil eine Breite (b) aufweist, die zumindest 1/3 der Gesamtbreite (B) der Schaufel, gemessen an einer Schaufelblattoberkante, beträgt. Durch diese Maßnahmen können Kosten eingespart werden, da das Bauteil nicht über die Gesamtlänge oder Gesamtbreite ausgebildet werden muss.

[0021] Besonders vorteilhaft ist es, das Bauteil an der Eintrittskante der Schaufel anzuordnen. Das Strömungsmedium überträgt seinen Impuls vorwiegend an der Eintrittskante der Schaufel. Eine Schwingung der Schaufel wird wirksam vermieden, wenn der Impuls direkt auf das Bauteil trifft, das derart ausgebildet ist, dass es bei einem bestimmten Impulsübertrag nicht zu einer Schwingung kommt. Die entstehende Beanspruchung kann dadurch weitestgehend verringert werden.

[0022] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, wird das Bauteil an der Saugseite angeordnet. Da die Saugseite besonders von dem anströmenden Strömungsmedium beeinflusst ist, werden durch eine Versteifung in Form eines Bauteils Schwingungen verhindert.

[0023] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Schaufel als Turbinenschaufel zum Einsatz in einer Dampfturbine ausgebildet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Schaufel als Turbinenschaufel zum Einsatz in einer Gasturbine ausgebildet.

[0024] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0025] Es zeigen,

FIG 1

einen Schnitt durch eine Dampfturbine;

FIG 2

eine Seitenansicht einer einzelnen Schaufel;

FIG 3

eine perspektivische Darstellung der Schaufel von Figur 2;

FIG 4

eine Seitenansicht einer weiteren Schaufel;

FIG 5

eine perspektivische Darstellung der weiteren Schaufel von Figur 4.

[0026] Die in FIG 1 dargestellte Dampfturbine 1 weist eine Einströmungsöffnung 2 und eine Ausströmungsöffnung 3 auf. Die Dampfturbine 1 weist ein Außengehäuse 4 auf, in dem ein Innengehäuse 5 angeordnet ist. An dem Innengehäuse 5 sind mehrere Leitschaufeln 6 angeordnet. Ein Rotor 7 ist um eine Rotationsachse 8 drehbar gelagert. Der Rotor 7 trägt Laufschaufeln 9. Die Laufschaufeln 9 greifen in die Leitschaufeln 6 ein.

[0027] Im Betrieb strömt ein Strömungsmedium durch die Eintrittsöffnung 2 durch die einzelnen Leitschaufeln 6 und Laufschaufeln 9. Der Rotor 7 wird hierbei in eine Drehbewegung versetzt.

[0028] Durch die Zunahme des Volumens des Strömungsmediums sind die Laufschaufeln 9 und die Leitschaufeln 6 in einer letzten Stufe 10 vergleichsweise lang. Die Länge der Laufschaufeln 9 als auch der Leitschaufeln 6 führt auf Grund der auftreffenden Partikel des Strömungsmediums zu einem unerwünschten Schwingen.

[0029] In der FIG 2 ist eine Seitenansicht einer Laufschaufel 9 zu sehen. Die Laufschaufel 9 als Ausführungsform einer Schaufel 9 ist aus einem Grundwerkstoff und ist mit einem eine Saugseite 11, eine nicht näher dargestellte Druckseite, eine Eintrittskante 12, eine Austrittskante 13 aufweisenden Schaufelblatt 15 ausgebildet. Des Weiteren weist die Schaufel 9 eine Schaufelspitze 14 auf. Das somit gebildete Schaufelblatt 15 bildet zusammen mit einem Schaufelfuß 16 die Schaufel 9. Im Bereich der Schaufelspitze 14 ist an der Sauseite (11) eine Ausnehmung 17 vorgesehen. In diese Ausnehmung 17 wird ein Bauteil 18 zur Frequenzverstimmung angebracht, das Bauteil 18 ist aus einem nicht mit dem Grundwerkstoff identischen Material. Das Bauteil 18 wird an den Grundwerkstoff entweder angeschweißt oder gelötet. Andere Befestigungsmöglichkeiten sind denkbar.

[0030] In der in FIG 2 dargestellten Ausführungsform der Schaufel 9 ist die Länge der Ausnehmung 17 bzw. des Bauteils 18 ungefähr ein Drittel der Gesamtlänge des gesamten Schaufelblatts 15. Die Länge des Bauteils 18 kann entweder kürzer aber auch länger gewählt werden, je nachdem welche Frequenzen der Schaufel 9 verändert werden sollen.

[0031] Das Bauteil 18 wird aus einem Material gebildet, dessen Dichte höher ist als die Dichte des Grundwerkstoffs. Das Material des Bauteils 18 kann auch aus einem Material hergestellt sein, dessen Elastizitäts-Modul höher ist als das Elastizitäts-Modul des Grundwerkstoffs.

[0032] Der Grundwerkstoff der Schaufel 9 ist aus einer Titanlegierung gebildet und das Material des Bauteils 18 ist eine Beta-Titanlegierung.

[0033] In der FIG 3 ist eine perspektivische Darstellung der in FIG 2 dargestellten Schaufel 9 zu sehen. Das Bauteil 18 ist hierbei auf einer Oberfläche der Schaufel 9 in der Ausnehmung 17 angebracht. In alternativen Ausführungsformen kann das Bauteil 18 auch durchgehend bis zur gegenüberliegenden Druckseite angebracht werden.

[0034] In der in FIG 4 dargestellten Ausführungsform der Schaufel 9 ist eine andere Anordnung des Bauteils 18 gewählt. In der in der FIG 4 dargestellten zweiten Ansicht der Schaufel 9 ist ersichtlich, dass das Bauteil 18 an die Spitze des Schaufelblatts 15 angeordnet ist. Die Anordnung des Frequenzverstimmungsbauteils 18 an die Spitze bzw. an die Eintrittskante 12 des Schaufelblatts 15 liefert den Vorteil, dass die Ausnehmung 17 fertigungstechnisch einfacher ausgebildet werden kann.

[0035] Wie in der in FIG 5 perspektivisch dargestellten Turbinenschaufel 9 ersichtlich, ist das Bauteil 18 von der Druckseite 11 bis zur gegenüberliegenden Saugseite angeordnet. Die Ausnehmung 17 kann hierdurch besonders leicht gefertigt werden.

[0036] Ein weiterer Parameter zur Beeinflussung der Frequenz der Schaufeln 9 ist die Länge des Frequenzverstimmungsbauteils 18.

[0037] In dem in der FIG 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Länge (1) des Bauteils 18 ungefähr ein Drittel so lang wie die Gesamtlänge (L) der Schaufel 9. Je nach zu verändernde Frequenz muss die Länge des Bauteils 18 variiert werden.

[0038] Wie in den Ausführungsbeispielen in den Figuren 2 bis 5 ist das Bauteil 18 in einer Längsrichtung der Schaufel 9 angeordnet. Andere Anordnungen des Bauteils 18 sind denkbar. Das Bauteil 18 weist eine Breite (b) auf, die zumindest ein Drittel der Gesamtbreite (B) der Schaufel 9, gemessen an einer Schaufelblattoberkante 19 beträgt, auf.
Die Schaufel 9 kann als Turbinenschaufel in einer Dampfturbine oder in einer Gasturbine eingesetzt werden. Der Einsatz in weiteren Strömungsmaschinen, wie zum Beispiel Pumpen oder Verdichtern, ist ebenfalls möglich.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Schaufel (9) aus einem Grundwerkstoff mit einem eine Saugseite (11), eine Druckseite, eine Eintrittskante (12), eine Austrittskante (13) und eine Schaufelspitze (14) aufweisenden Schaufelblatt (15) und einem Schaufelfuß (16),
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich der Schaufelspitze (14) eine Ausnehmung (17) vorgesehen wird und in dieser Ausnehmung (17) ein Bauteil (18) zur Frequenzverstimmung aus einem nicht mit dem Grundwerkstoff identischen Material angebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (18) an den Grundwerkstoff angeschweißt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (18) an den Grundwerkstoff angelötet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (18) in einer Längsrichtung der Schaufel (9) angeordnet wird.

5. Schaufel (9) aus einem Grundwerkstoff mit einem eine Saugseite (11), eine Druckseite, eine Eintrittskante (12), eine Austrittskante (13) und eine Schaufelspitze (14) aufweisenden Schaufelblatt (15) und mit einem Schaufelfuß (16),
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich der Schaufelspitze (14) eine Ausnehmung (17) ausgebildet ist und in dieser Ausnehmung (17) ein Bauteil (18) zum Verändern der Frequenz der Schaufel (9) angebracht ist, wobei das Bauteil (18) aus einem nicht dem Grundwerkstoff identischen Material besteht.

6. Schaufel (9) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (18) durch Schweißung mit dem Grundwerkstoff verbunden ist.

7. Schaufel (9) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (18) durch Lötung.mit dem Grundwerkstoff verbunden ist.

8. Schaufel (9) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dichte des Materials des Bauteils (18) höher ist als die Dichte des Grundwerkstoffs.

9. Schaufel (9) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Elastizitäts-Modul des Materials des Bauteils (18) größer ist als das Elastizitäts-Modul des Grundwerkstoffs.

10. Schaufel (9) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundwerkstoff aus einer Titanlegierung ist und das Material des Bauteils (18) eine Beta-Titanlegierung ist.

11. Schaufel (9) nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (18) in einer Längsrichtung der Schaufel (9) ausgebildet ist.

12. Schaufel (9) nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (18) eine Länge (1), die zumindest 1/3 der Gesamtlänge (L) der Schaufel (9) beträgt, aufweist.

13. Schaufel (9) nach einem der Ansprüche 5 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (18) eine Breite (b), die zumindest 1/3 der Gesamtbreite (B) der Schaufel (9), gemessen an einer Schaufelblattoberkante (19), beträgt, aufweist.

14. Schaufel (9) nach einem der Ansprüche 5 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (18) an der Eintrittskante (12) angeordnet ist.

15. Schaufel (9) nach einem der Ansprüche 5 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (18) an der Saugseite (11) angeordnet ist.

16. Schaufel (9) nach einem der Ansprüche 5 bis 15, ausgebildet als Turbinenschaufel zum Einsatz in einer Dampfturbine (1).

17. Schaufel (9) nach einem der Ansprüche 5 bis 15, ausgebildet als Turbinenschaufel zum Einsatz in einer Gasturbine.

Zeichnung