Schaufelverband

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Schaufelverband mit Deckplatten (1,2), wobei die Deckplatten (1,2) komplementär zueinander ausgebildete Deckplatten (1,2) eine Doppel-Z-Struktur aufweisen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Schaufelverband umfassend zumindest zwei Schaufeln, wobei die Schaufeln einen Schaufelfuß und eine Deckplatte aufweisen.

[0002] Solche Schaufelverbände werden beispielsweise in Strömungsmaschinen, insbesondere in Dampfturbinen eingesetzt. Solche Strömungsmaschinen weisen im Wesentlichen zwei Bauteile auf, die durch eine 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 sogenannten Turbinenschaufelreihen angeordnet sind, wobei die Turbinenschaufelreihen in Richtung der Rotationsachse gesehen hintereinander angeordnet sind.

[0003] Das Gehäuse weist sogenannte Leitschaufeln auf, die zwischen die Laufschaufelreihen angeordnet werden.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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 der Problematik der Dämpfung von Schwingungen. Insbesondere sollen die Schwingungen der Turbinenlaufschaufeln vermindert werden.

[0007] Die Turbinenschaufeln 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 niedrigen Dampfdrücken und Dampftemperaturen werden die Turbinenlaufschaufeln vorwiegend freistehend, d.h. ohne Deckband ausgebildet.

[0008] Ein weiteres Problem von Schwingungsanregungen ist, dass die Laufschaufeln in Folge der Schwingungsanregung Schwingungen durchführen, die zu einer Materialermüdung sowohl der Turbinenschaufel als auch der Rotorklaue führen, in der die Turbinenschaufel angeordnet ist.

[0009] Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem von Schwingungsanregungen im Schaufelverband. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Schaufelverband anzugeben, bei dem es zu geringeren unerwünschten Schwingungsanregungen kommt.

[0010] Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Schaufelverband, umfassend zumindest zwei Schaufeln, wobei die Schaufeln einen Schaufelfuß und eine Deckplatte aufweisen, wobei die Deckplatte eine Doppel-Z-Form aufweist. Im Stand der Technik ist es bekannt, einfache Z-Deckplatten zu verwenden. Durch den Kontakt einer Z-Deckplatte mit der Z-Deckplatte der beiden benachbarten Schaufeln wird der Schaufelverband versteift und gekoppelt. Durch Reibung der Deckplatten gegeneinander wird Energie dissipiert und eine Schwingungsanregung vermieden. Erfindungsgemäß wird nunmehr eine andere Form der Z-Deckplatte vorgeschlagen. Die Form der Deckplatte soll nunmehr doppel-Z-artig ausgebildet werden. Das bedeutet, dass im Vergleich zu einer einfachen Z-Platte, die zwei Knicke aufweist, nunmehr eine Doppel-Z-Deckplatte ausgebildet sein soll, die doppelt so viele also vier Knicke aufweist.

[0011] Die derart ausgebildeten Doppel-Z-Deckplatten können dadurch mehr Kontaktflächen untereinander ausbilden, was dazu führt, das der Schaufelverband insgesamt steifer gekoppelt ist. Diese Kopplung der Schaufeln untereinander hat einen Einfluss auf das Schwingungsverhalten. Es kann gezeigt werden, dass durch die Doppel-Z-deckplattenartige Ausbildung eine Anhebung verschiedener Eigenfrequenzen erzielt werden kann. Dadurch kann beim Verschieben der Eigenfrequenzen sicher gestellt werden, dass kritische Eigenfrequenzen beim Betrieb der Strömungsmaschine nicht angeregt werden.

[0012] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0013] In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung sind die Schaufeln rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse ausgebildet. Die Deckplatten weisen in Umfangsrichtung im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Seitenflächen auf sowie eine gegenüber der Rotationsachse negativ gepfeilte, erste, zweite und dritte vordere Freifläche auf, wobei die dritte vordere Freifläche in Richtung der Rotationsachse gesehen hinter der zweiten vorderen Freifläche angeordnet ist, wobei die zweite vordere Freifläche in Richtung der Rotationsachse gesehen im Wesentlichen hinter der ersten vorderen Freifläche angeordnet ist, wobei die Deckplatte eine erste vordere Kontaktfläche aufweist, die zwischen der ersten und zweiten vorderen Freifläche angeordnet ist und positiv gepfeilt ist, wobei die Deckplatte eine zweite vordere Kontaktfläche aufweist, die zwischen der zweiten und dritten vorderen Freifläche angeordnet ist und positiv gepfeilt ist. Das bedeutet, dass das Deckband insgesamt fünf Flächen aufweist, die von Schaufeldeckplatte zu Schaufeldeckplatte komplementär zueinander ausgebildet sind. Im Stillstand der Dampfturbine entsteht ein Kontakt zwischen der ersten vorderen Kontaktfläche und der zweiten vorderen Kontaktfläche mit einer benachbart angeordneten Deckplatte einer komplementär ausgebildeten Schaufel. Im Stillstand ist somit ein Abstand zwischen den Freiflächen ausgebildet.

[0014] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Länge b der zweiten Freifläche im Wesentlichen zwei- bis fünfmal so läng wie die Länge der ersten und zweiten Freifläche.

[0015] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

FIG 1

eine Draufsicht auf die Deckplatten zweier Schaufeln.

[0016] Die FIG 1 zeigt eine erste Deckplatte 1 und eine zweite Deckplatte 2 zweier nicht näher dargestellten Schaufeln. Die Schaufeln bilden einen nicht näher dargestellten Schaufelverband und sind in Umfangsrichtung 3 um eine Rotationsachse 4 ausgebildet. Aus Symmetriegründen sind die Deckplatten 1, 2 und die Schaufeln nahezu identisch zueinander ausgeführt. Im Betrieb rotieren die Deckplatten 1,2 mit hohen Frequenzen um die Rotationsachse.

[0017] Die Schaufeln weisen einen Schaufelfuß (nicht dargestellt) auf. Die erste Deckplatte 1 und zweite Deckplatte 2 werden charakterisiert durch eine Form, die einer Doppel-Z-Form ähnelt.

[0018] Die Schaufeln sind dazu derart ausgebildet, dass sie rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 4 angeordnet sind und die erste Deckplatte 1 und die zweite Deckplatte 2 in der Umfangsrichtung 3 im Wesentlichen parallel ausgerichtete Seitenflächen 5 und 6 aufweisen sowie eine gegenüber der Rotationsachse 4 negativ gepfeilte erste vordere Freifläche 7, eine zweite vordere Freifläche 8 und eine dritte vordere Freifläche 9 aufweisen. Die erste vordere Freifläche 7 ist im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse 4 gesehen hintereinander angeordnet. Die dritte vordere Freifläche 9 ist in Rotationsachsenrichtung gesehen hinter der zweiten vorderen Freifläche 8 angeordnet. Zwischen der ersten vorderen Freifläche 7 und der zweiten vorderen Freifläche 8 ist eine erste vordere Kontaktfläche 10 ausgebildet, ebenso ist zwischen der zweiten vorderen Freifläche 8 und der dritten vorderen Freifläche 9 eine zweite vordere Kontaktfläche 11 ausgebildet. Die erste vordere Kontaktfläche 10 und die zweite vordere Kontaktfläche 11 sind positiv gepfeilt. Eine Fläche im Sinne dieser Anmeldung ist negativ gepfeilt, wenn sie von der Rotationsachsenrichtung 4 aus gesehen im mathematisch negativem Sinne (also im Uhrzeigersinn) gedreht wird. Somit sind die in diesem Sinne erste vordere, zweite vordere und dritte vordere freie Fläche von der Rotationsachse 4 aus im Uhrzeigersinn gedreht. Demgegenüber ist die erste vordere Kontaktfläche 10 in mathematisch positivem Sinne gedreht. D.h., dass die erste vordere Kontaktfläche 10 und die zweite vordere Kontaktfläche 11 gegen den Uhrzeigersinn von der Rotationsachsenrichtung 4 aus gesehen gedreht sind.

[0019] Die benachbarte Deckplatte (erste Deckplatte 1) weist zu der ersten vorderen, zweiten vorderen, dritten vorderen Freifläche, sowie der ersten vorderen Kontaktfläche und zweiten vorderen Kontaktfläche eine komplementär ausgebildete Struktur auf. Das bedeutet, dass die erste Deckplatte eine erste hintere Freifläche 12, eine zweite hintere Freifläche 13 und eine dritte hintere Freifläche 14 aufweisen. Die dritte hintere Freifläche 14 ist in Rotationsachsrichtung 4 hinter der zweiten hinteren Freifläche 13 angeordnet. Die zweite hintere Freifläche 13 ist in Rotationsachsenrichtung gesehen hinter der ersten hinteren Freifläche 12 angeordnet. Die erste hintere Freifläche 12, die zweite hintere Freifläche 13 und dritte hintere Freifläche 14 sind negativ gepfeilt. Zwischen der ersten hinteren Freifläche 12 und der zweiten hinteren Freifläche 13 ist eine erste hintere Kontaktfläche 15 ausgebildet. Zwischen der zweiten hinteren Freifläche 13 und der dritten hinteren Freifläche 14 ist eine zweite hintere Kontaktfläche 16 ausgebildet. Die erste hintere Kontaktfläche 15 und die zweite hintere Kontaktfläche 16 sind gegenüber der Rotationsachse 4 positiv gepfeilt.

[0020] Die erste vordere Freifläche 7 ist im Wesentlichen parallel zur ersten hinteren Freifläche 12 ausgebildet. Genauso sind die zweite vordere Freifläche 8 und die zweite hintere Freifläche 13 sowie die dritte vordere Freifläche 9 in etwa parallel zur dritten hinteren Freifläche 14 ausgebildet. Im Stillstand berührt die erste vordere Kontaktfläche 10 die erste hintere Kontaktfläche 15. Im Stillstand ist ebenso ein Kontakt zwischen der zweiten vorderen Kontaktfläche 11 und der zweiten hinteren Kontaktfläche 16 möglich.

[0021] Der nicht näher dargestellte Schaufelfuß ist senkrecht zur Rotationsachse 4 gesehen (also in radialer Richtung) im Wesentlichen rhomboidförmig oder parallelogrammförmig ausgebildet.

[0022] Die Länge b der zweiten vorderen Freifläche 8 ist im Wesentlichen zwei bis fünfmal so lang wie die Länge a der ersten vorderen Freifläche 7 und der Länge c der dritten vorderen Freifläche 9.

[0023] Die erste vordere Freifläche 7 und die dritte vordere Freifläche 9 sind im Wesentlichen gleich lang. Das bedeutet, dass a ungefähr gleich c ist.

[0024] Des Weiteren weist die erste vordere Kontaktfläche 10 eine Länge e auf. Die zweite vordere Kontaktfläche 11 weist eine Länge f auf. Die Länge e und die Länge f sind im Wesentlichen gleich lang.

[0025] Der Schaufelverband gemäß FIG 1 ist zum Einbau in eine Dampfturbine vorgesehen, das bedeutet, dass die Dampfrichtung im Wesentlichen entlang der Rotationsachse 4 geführt ist.

Ansprüche

1. Schaufelverband, umfassend zumindest zwei Schaufeln, wobei die Schaufel einen Schaufelfuß und eine Deckplatte (1, 2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckplatte (1, 2) eine Doppel-Z-Form aufweist.

2. Schaufelverband nach Anspruch 1,
wobei die Schaufeln rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse (4) ausgebildet sind und die Deckplatte (1, 2) in einer Umfangsrichtung (3) im Wesentlichen parallel ausgerichtete Seitenflächen (5, 6) aufweist sowie eine gegenüber der Rotationsachse (4) negativ gepfeilte erste (7), zweite (8) und dritte (9) vordere Freifläche aufweist,
wobei die dritte vordere Freifläche (9) in Richtung der Rotationsachse (4) gesehen im Wesentlichen hinter der zweiten vorderen Freifläche (8) angeordnet ist,
wobei die zweite vordere Freifläche (8) in Richtung der Rotationsachse (4) gesehen im Wesentlichen hinter der ersten vorderen Freifläche (7) angeordnet ist,
wobei die Deckplatte (1, 2) eine erste vordere Kontaktfläche (10) aufweist, die zwischen der ersten (7) und zweiten (8) vorderen Freifläche angeordnet ist und positiv gepfeilt ist,
wobei die Deckplatte (1, 2) eine zweite vordere Kontaktfläche (11) aufweist, die zwischen der zweiten (8) und dritten (9) vorderen Freifläche angeordnet ist und positiv gepfeilt ist.

3. Schaufelverband nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Schaufelfuß senkrecht zur Rotationsachse (4) gesehen im Wesentlichen rhomboidförmig oder parallelogrammförmig ausgebildet ist.

4. Schaufelverband nach Anspruch 2 oder 3,
wobei die Länge b der zweiten vorderen Freifläche (8) im Wesentlichen zwei bis fünfmal so lang ist wie die Länge der ersten (7) und dritten (9) Freifläche.

5. Schaufelverband nach Anspruch 2, 3 oder 4,
wobei die erste (7) und dritte (9) vordere Freifläche im Wesentlichen gleich lang sind.

6. Schaufelverband nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
wobei die erste (10) und zweite (11) vordere Kontaktfläche im Wesentlichen gleich lang sind.

7. Schaufelverband nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Schaufelverband zum Einbau in eine Dampfturbine vorgesehen ist.

Zeichnung