Beschreibung
[0001] Schaufelverband für eine Strömungsmaschine
[0002] Die Erfindung betrifft einen Schaufelverband, umfassend zumindest zwei Schaufeln,
wobei die Schaufel einen als Hammerfuß ausgebildeten Schaufelfuß und eine als Z-Platte
ausgebildete Deckplatte aufweist.
[0003] Solche Schaufelverbände werden beispielsweise in Strömungsmaschinen, insbesondere
in Dampfturbinen eingesetzt. Solche Strömungsmaschinen weisen im Wesentlichen zwei
Bauteile auf, die durch einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor sowie
ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse gebildet werden. Der Rotor weist üblicherweise
sogenannte Turbinenschaufeln auf, die auf der Umfangsfläche regelmäßig in sogenannte
Turbinenschaufelreihen angeordnet sind, wobei die Turbinenschaufelreihen in Richtung
der Rotationsachse gesehen hintereinander angeordnet sind. Das Gehäuse weist sogenannte
Leitschaufeln auf, die zwischen die Laufschaufelreihen angeordnet werden. Ein in die
Dampfturbine strömender Dampf mit einer hohen thermischen Energie wird innerhalb der
Dampfturbine entspannt und abgekühlt, wobei die thermische Energie in Rotationsenergie
des Rotors umgewandelt wird.
[0004] Die im Betrieb auftretenden Drehzahlen des Rotors können zwischen 25Hz und 60Hz liegen.
Im Rahmen von industriellen Anwendungen sind auch variable Drehzahlen möglich, wie
beispielsweise für den Antrieb von Verdichtern.
[0005] Die bei diesen Drehzahlen auftretenden Effekte führen oftmals zu störenden Wirkungen.
Der Betrieb von Dampfturbinen ist durch die Rotationsbewegung, durch die Wechselwirkung
mit dem Dampf und anderen Störeinflüssen gekennzeichnet durch ein hohes Maß an Maschinendynamik.
Die Erfindung befasst sich mit dem Problem der Dämpfung von Schwingungen. Insbesondere
sollen die Schwingungen der Turbinenlaufschaufeln vermindert werden.
[0006] Die Turbinenlaufschaufeln weisen im Wesentlichen einen Schaufelfuß und eine Deckplatte
sowie ein zwischen dem Schaufelfuß und der Deckplatte angeordnetes strömungsmechanisch
profiliertes Schaufelblatt auf. Diese Laufschaufeln werden in sogenannte Nuten im
Rotor eingestemmt. Bekannt sind verschiedene Ausführungsformen der Schaufelfüße. Beispielsweise
werden die Schaufelfüße in Tannenbaumform oder in Hammerfußform ausgebildet. In Dampfturbinen
mit niedrigeren Dampfdrücken und Dampftemperaturen werden die Turbinenlaufschaufeln
vorwiegend freistehend, d. h. ohne Deckband ausgebildet.
[0007] Laufschaufeln mit Hammerfuß und Z-Deckplatte werden vorwiegend dort eingesetzt, wo
aufgrund der Schaufelgeometrie keine hinreichend große Entwindung stattfindet. Bei
Dampfturbinen, die mit einer niedrigeren Frequenz betrieben werden, insbesondere bei
halb-tourigen Dampfturbinen (z. B. mit 25Hz bzw. 30Hz), reicht daher die Schaufelentwindung
durch Fliehkraft teilweise nicht mehr aus, um einen ausreichend verspannten Deckplattenverband
zu erzielen.
[0008] Die Erfindung beschäftigt sich mit diesem Problem und es ist Aufgabe der Erfindung,
einen Schaufelverband, umfassend Schaufeln mit Hammerfuß und Z-Platte, derart weiterzubilden,
dass Schwingungen im Betrieb wirksam gedämpft werden.
[0009] Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Schaufelverband, umfassend zumindest zwei Schaufeln,
wobei die Schaufel einen als Hammerfuß ausgebildeten Schaufelfuß und eine als Z-Platte
ausgebildete Deckplatte aufweist, wobei die Deckplatten gegeneinander vorgespannt
sind.
[0010] Im Sinne der Erfindung wird demnach vorgeschlagen, die Deckplatten, die als Z-Platten
zwingend ausgebildet sind, derart auszubilden, dass eine Kraft der einen Deckplatte
gegen eine andere Deckplatte bereits im eingebauten Zustand, d. h. ohne das Vorliegen
einer Fliehkraft infolge von Rotationsfrequenz, anliegt. Durch die Erfindung wird
somit erstmals möglich, bei Schaufeln, die eine kleine freie Fliehkraft-Entwindung
aufweisen, wirksam gegen störende Schaufelschwingungen zu schützen. Die Herstellung
eines erfindungsgemäßen Schaufelverbandes ist vergleichsweise einfach, da bekannte
und vorhandene Geometrien der Z-Platten durch das Einbringen eines Aufmaßes derart
modifiziert werden kann, dass eine Verspannung zwischen zwei Deckplatten auftritt.
Die Verwendung von Rhomboid-Deckplatten bei großen Schaufeln ist sehr ungünstig bzw.
sogar nicht möglich, da bei großen Geometrien die von Hand zu erzeugende Vorspannkraft
nicht erzeugt werden kann.
[0011] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0012] So wird in einer ersten vorteilhaften Weiterbildung die Schaufel derart ausgebildet,
dass im Betrieb eine Entwindung erfolgt, die die Vorspannung verstärkt. Somit wird
erfindungsgemäß die möglicherweise auftretenden Schaufelschwingungen im Betrieb vermindert,
da die im Stillstand auftretende Vorspannung noch weiter verstärkt wird, was zu einer
größeren Verspannung zwischen den einzelnen Turbinenlaufschaufeln führt.
[0013] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Schaufeln rotationssymmetrisch
um eine Rotationsachse ausgebildet und die Deckplatte weist eine in Umfangsrichtung
im Wesentlichen parallel ausgerichtete Seitenfläche auf sowie eine gegenüber der Rotationsachse
negativ gepfeilte erste und zweite vordere Freifläche auf, wobei die zweite vordere
Freifläche in Richtung der Rotationsachse gesehen im Wesentlichen hinter der ersten
vorderen Freifläche angeordnet ist, sowie einer vorderen Kontaktfläche, die zwischen
der ersten und zweiten vorderen Freifläche angeordnet ist und derart ausgebildet ist,
dass eine Vorspannung von der vorderen Kontaktfläche auf die benachbarte Deckplatte
wirkt, wobei die vordere Kontaktfläche positiv gepfeilt ist.
[0014] Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, eine Kontaktfläche der Z-Deckplatte auszubilden,
die mit einer benachbarten Z-Platte derart zusammenwirkt, dass eine Kraft von der
ersten Deckplatte zur zweiten Deckplatte ausgeübt wird, was zu einer Verspannung führt.
Dadurch werden Schaufelschwingungen gedämpft. Unter einer negativen Pfeilung ist hierbei
eine Drehung in mathematisch negativer Richtung zur Rotationsachse zu verstehen. Eine
positive Pfeilung ist demnach eine Drehung gegenüber der Rotationsachse in mathematisch
positiver Richtung.
[0015] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Deckplatte eine negativ gepfeilte
erste und zweite hintere Freifläche auf, wobei die zweite hintere Freifläche in Richtung
der Rotationsachse gesehen im Wesentlichen hinter der ersten hinteren Freifläche angeordnet
ist, wobei die Deckplatte ferner eine hintere Kontaktfläche aufweist, die zwischen
der ersten und zweiten hinteren Freifläche angeordnet ist, wobei die hintere Kontaktfläche
positiv gepfeilt ist und mit der vorderen Kontaktfläche der benachbarten Schaufel
in vorspannender Berührung steht, wobei die erste und zweite hintere Freifläche sowie
die hintere Kontaktfläche in Umfangsrichtung gesehen hinter der ersten und zweiten
vorderen Freifläche sowie der vorderen Kontaktfläche angeordnet ist.
[0016] Erfindungsgemäß wird daher die Z-Platte derart ausgebildet, dass sie im Wesentlichen
eine symmetrisch ausgebildete Z-Plattenform aufweist. Eine vordere Kontaktfläche der
Z-Deckplatte steht somit mit einer hinteren Kontaktfläche einer benachbarten Z-Deckplatte
in Berührung, wobei die Berührung derart ausgebildet sein soll, dass eine Kraft von
der ersten auf die zweite Deckplatte erfolgt.
[0017] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
- Figur 1
- einen Ausschnitt eines Schaufelverbandes;
- Figur 2
- eine Draufsicht in Rotationsrichtung gesehen auf einen Teil des Schaufelverbandes;
- Figur 3
- eine Draufsicht von oben gesehen auf eine Turbinenlaufschaufel.
[0018] Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Schaufelverbandes 1. Der Schaufelverband
1 umfasst mehrere in Umfangsrichtung 2 auf einem Rotor 3 angeordnete als Turbinenlaufschaufeln
ausgebildete Schaufeln 4. Der Übersichtlichkeit wegen sind lediglich zwei Turbinenlaufschaufeln
mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Die Turbinenlaufschaufeln umfassen im Wesentlichen
ein Laufschaufelblatt 5, das zwischen einer Deckplatte 6 und einem nicht näher dargestellten
Schaufelfuß ausgebildet ist. Das Laufschaufelblatt 5 ist dabei derart ausgebildet,
dass eine Strömung in Richtung der Rotationsachse 7 mit einer thermischen Energie
derart umgelenkt wird, dass die thermische Energie in Rotationsenergie des Rotors
3 umgewandelt wird. Dazu wird das Laufschaufelblatt 5 profiliert. Die Deckplatten
6 sind in Umfangsrichtung 2 hintereinander angeordnet.
[0019] Die Deckplatten 6 sind hierbei als Z-Platten ausgebildet. Der nicht näher dargestellte
Schaufelfuß ist als Hammerfuß ausgebildet. Die Deckplatten 6 sind hierbei derart auf
dem Rotor 3 angeordnet, dass eine Deckplatte 6 eine Kraft auf eine benachbarte Deckplatte
6 ausübt. Die Deckplatten 6 sind dadurch gegeneinander vorgespannt.
[0020] Im Betrieb rotiert der Rotor 3 um die Rotationsachse 7 mit einer Frequenz zwischen
25Hz und 60Hz. Es sind auch größere Frequenzen möglich. Bei diesen Frequenzen erfolgt
eine Fliehkraft, die die Laufschaufel 4 dazu führt, in radialer Richtung 8 sich zu
bewegen, was durch den Schaufelfuß, der in einer Nut im Rotor 3 festgehalten ist,
verhindert wird. Die radiale Richtung 8 zeigt hierbei von der Rotationsachse 7 im
Wesentlichen entlang der Längsausbildung einer Laufschaufel 4. Während des Betriebs,
d. h. während eine Fliehkraft infolge der Rotationsfrequenz entsteht, erfolgt eine
Entwindung der Laufschaufel 4, was dazu führt, dass die Vorspannung verstärkt wird.
Die Entwindung erfolgt hierbei in einer geeigneten Richtung, die gegenüber der radialen
Richtung 8 als Drehachse ausgeführt ist.
[0021] Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Deckplatten 6 von drei Schaufeln 4. Die Deckplatten
6 sind als Z-Platten ausgebildet. Die Geometrie der Z-Platte wird beschrieben durch
eine Seitenfläche 9, die im Wesentlichen parallel zur Umfangsrichtung 2 ausgebildet
ist. Des Weiteren umfasst die Deckplatte 6 eine erste vordere Freifläche 10, die gegenüber
der Richtung der Rotationsachse 7 negativ gepfeilt ist. Die erste vordere Freifläche
10 ist in dem in der Figur 2 ausgeführten Beispiel unter einem Winkel α, der zwischen
10° und 40° liegt, ausgebildet. Des Weiteren umfasst die Z-Platte eine zweite vordere
Freifläche 11, die gegen die Richtung der Rotationsachse 7 ebenfalls negativ gepfeilt
ist. Der Winkel β beträgt hierbei Werte zwischen 10° und 40°. Zwischen der ersten
vorderen Freifläche 10 und der zweiten vorderen Freifläche 11 ist eine erste vordere
Kontaktfläche 12 ausgebildet. Diese vordere Kontaktfläche 12 ist im Gegensatz zu der
ersten vorderen Freifläche 10 und zweiten vorderen Freifläche 11 positiv um einen
Winkel γ gepfeilt.
[0022] Vorhandene Z-Platten können einfach weitergebildet werden, in dem lediglich eine
Schicht 13, die aus einem geeigneten Material besteht, aufgebracht wird. Die Dicke
dieser Schicht 13 sollte derart sein, dass eine Vorspannung zwischen den Z-Platten
entsteht.
[0023] Gegenüber der ersten vorderen Freifläche 10 umfasst die benachbarte Z-Platte eine
erste hintere Freifläche 14, die ebenfalls wie die erste vordere Freifläche 11 um
den Winkel α negativ gepfeilt ist. Des Weiteren umfasst die benachbarte Z-Platte eine
zweite hintere Freifläche 15, die gegenüber der zweiten vorderen Freifläche 11 angeordnet
ist und genauso wie die zweite vordere Freifläche 11 um den Winkel β negativ gepfeilt
ist und somit im Wesentlichen parallel angeordnet ist. Zwischen der ersten hinteren
Freifläche 14 und der zweiten hinteren Freifläche 15 ist eine hintere Kontaktfläche
16 angeordnet, die wie die vordere Kontaktfläche 12 um den Winkel γ positiv gepfeilt
ist.
[0024] Die Z-Platte ist derart ausgebildet, dass die erste vordere Freifläche 10 bis zu
einem Umkehrpunkt 17 sich erstreckt und von dort eine mittlere Kontaktfläche 18, die
unter demselben Winkel γ gepfeilt ist wie die vordere Kontaktfläche 12, sich erstreckt.
Die mittlere Kontaktfläche 18 erstreckt sich bis zu einem zweiten Umkehrpunkt 19.
Am zweiten Umkehrpunkt 19 schließt die zweite vordere Freifläche 11 an. Die Winkel
α, β und γ und die Längen der ersten vorderen Freifläche 10, der zweiten vorderen
Freifläche 11 und der vorderen Kontaktfläche 12 sind derart ausgebildet, dass sie
im Wesentlichen den Winkeln α, β und γ sowie den Längen der ersten hinteren Freifläche
14, der zweiten hinteren Freifläche 15 und der hinteren Kontaktfläche 16 entsprechen.
Das bedeutet, dass in der Figur 2 die vorgenannten Flächen zur Deckung gebracht werden
können. Lediglich die Schicht 13 müsste in diesem Fall weggedacht werden. Erfindungsgemäß
wird die Schicht 13 derart ausgebildet, dass eine Vorspannung zwischen den Z-Platten
entsteht. Die Schicht 13 muss dafür parallel zur mittleren Kontaktfläche 18 ausgebildet
sein.
[0025] In der Figur 3 ist eine einzelne Deckplatte 6 und ein Schaufelfuß 20, der als Hammerfuß
ausgebildet ist, dargestellt. Die Schicht 13 weist eine Dicke a auf. Die Dicke a sollte
geeignet gewählt sein, damit die Vorspannung zwischen den benachbarten Z-Platten ideal
ist. Sobald der Schaufelverband 1 mit den einzelnen Schaufeln 4 ausgebildet ist, entstehen
Spannungen zwischen den Z-Platten. Dies bewirkt zum einen eine Z-Plattendrehung 21
der Deckplatte 6 in mathematisch negativer Richtung. Zum anderen erfolgt eine Schaufelfußdrehung
22 in mathematisch positiver Richtung.
[0026] Der Schaufelfuß ist von oben in radialer Richtung 8 gesehen rhombisch oder in der
Form eines Parallelogramms ausgebildet. Die Länge der Deckplatte 6 weist eine Länge
l auf. Die Schicht 13 bewirkt eine Verdrehung der Deckplatte 6 bei der Montage. Da
der Schaufelfuß 20 bei der Montage in der Nut im Rotor fixiert ist, stellt die Z-Plattendrehung
21 eine Relativdrehung zwischen Schaufelfuß 20 und Deckplatte 6 dar, wodurch die Laufschaufel
4 wie eine Torsionsfeder gespannt wird. Auf diese Weise wird ein verspannter Deckplattenverband
im Betrieb gewährleistet.
1. Schaufelverband (1),
umfassend zumindest zwei Schaufeln (4),
wobei die Schaufel (4) einen Schaufelfuß und eine als Z-Platte ausgebildete Deckplatte
(6) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckplatten (6) gegeneinander vorgespannt sind.
2. Schaufelverband (1) nach Anspruch 1,
wobei der Schaufelfuß als Hammerfuß (20) ausgebildet ist.
3. Schaufelverband (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Schaufeln (4) derart ausgebildet sind, dass im Betrieb eine Entwindung erfolgt,
die die Vorspannung verstärkt.
4. Schaufelverband (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
wobei die Schaufeln (4) rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse (7) ausgebildet
sind und die Deckplatte (6) eine in Umfangsrichtung (2) im Wesentlichen parallel ausgerichtete
Seitenfläche (9) aufweist sowie eine gegenüber der Rotationsachse (7) negativ gepfeilte
erste (10) und zweite (11) vordere Freifläche aufweist,
wobei die zweite vordere Freifläche (11) in Richtung der Rotationsachse (7) gesehen
im Wesentlichen hinter der ersten vorderen Freifläche (10) angeordnet ist,
sowie eine vordere Kontaktfläche (12) umfasst, die zwischen der ersten (10) und zweiten
(11) vorderen Freifläche angeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass eine Vorspannung
von der vorderen Kontaktfläche (12) auf die benachbarte Deckplatte (6) wirkt,
wobei die vordere Kontaktfläche (12) positiv gepfeilt ist.
5. Schaufelverband (1) nach Anspruch 4,
wobei die Deckplatte (6) eine negativ gepfeilte erste (14) und zweite (15) hintere
Freifläche aufweist,
wobei die zweite hintere Freifläche (15) in Richtung der Rotationsachse (7) gesehen
im Wesentlichen hinter der ersten hinteren Freifläche (14) angeordnet ist,
wobei die Deckplatte (6) ferner eine hintere Kontaktfläche (16) aufweist, die zwischen
der ersten (14) und zweiten hinteren (15) Freifläche angeordnet ist,
wobei die hintere Kontaktfläche (18) positiv gepfeilt ist und mit der vorderen Kontaktfläche
(12) der benachbarten Schaufel (4) in vorspannender Berührung steht,
wobei die erste (14) und zweite (15) hintere Freifläche sowie die hintere Kontaktfläche
(16) in Umfangsrichtung (2) gesehen hinter der ersten (10) und zweiten (11) vorderen
Freifläche sowie der vorderen Kontaktfläche (12) angeordnet ist.
6. Schaufelverband (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Schaufelfuß (20) senkrecht zur Rotationsachse (7) ausgesehen rhomboidförmig
oder parallelogrammförmig ausgebildet ist.
7. Schaufelverband (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Schaufelverband (1) zum Einbau in eine Dampfturbine vorgesehen ist.