Amortisseur de vibrations pour aubes de turbines. La présente invention se rapporte à un amortisseur de vibrations: hydraulique pour aubes de turbines, :disposé pour réduire ou empêcher les, vibrations tendant à se produire dans les aubes de turbines en marche.
Les: aubes de turbines :constituent des sortes de barres élastiques insérées à la ra cine dans le corps de la. roue, de turbine et qui sont soit libres, à lieur -extrémité exté rieure, soit reliées ensemble par des, couronnes de connexion.
Ces aubes individuelles ou groupes d'aube!s sont très susceptibles de vi brer pendant la marche :de la turbine, parce qu'elles ne sont dotées d'aucun autre amor tissement que l'amortissement apparemment petit. dû aux frottements internes :dans une matière fatiguée. Mais les aubes sont pour tant souventesoumise :s, à de sérieuses. perturba tions périodiques qui peuvent ùccasionner des vibrations :
de résonance de l'aubage soit au démarrage, soit à l'arrêt. de la machine. De plus, des vibrations de résonance de l'aubage peuvent se manifester à la vitesse de marche soit en raison des pulsations périodiques pro venant du passage d'une aube mobile entre une série d'aubes. stationnaires-, ou en raison des pressions :de '1!a vapeur passant :à travers les petits intervalles entre :
des aubes. adja centes, ou entre des, aubes mobiles et 1.'euve- loppe :stationnaire.
L'amortissieur,obj,et de .L'invention :cherche à réduire l'amplitude de vibrations; de ré sonance .et d'empêcher l'établissement de vi brations engendrées par de relativement puis sants efforts: d'amortissement :dus: à -des moyens hydrauliques.
L'amortisseur de, vibrations comprend une chambre d'amortissement formée au sein de l'aube de turbine, cette chambre renfermant une substance d'amortissement liquide aux températures de marche normales de la tur bine et comprenant :des moyens de freinage pour freiner la liberté de mouvement vibra toire :de ladite substance à l'intérieur de -la dite chambre, réduisant ainsi au minimum les vibrations de l'aube pendant la marche nor male de celle-ci.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 montre en vue en élévation une aube mobile de turbine avec une forme d'exé cution de l'amortisseur de vibrations en coupe; La fig. 2 est une vue de dessus de la fig. 1; Les fig. 3, 4, 5, 6, 7, 7a et 8 représentent une série de variantes de l'amortisseur de vibrations en coupe.
En se référant d'abord aux fig. 1 et 2, l'amortisseur de vibrations désigné par 1 dans son ensemble convient pour l'application à une courte aube d'impulsion 2 à haute fré quenee propre d'une turbine à vapeur à, haute pression et à. haute température. Une turbine de ce genre fonctonne, par exemple, à d-es pressions dépassant 450 kg par 6,5 cm' et à des températures: de l'ordre de 450 C.
A ces températures élevées, on propose d'-employer pour l'amortisseur une substance d'amortis sement solide au début, mais qui fonde et de vienne liquide aux températures de marche de la turbine.
Comme représenté en fig. 1., et à plus grande échelle à la fi-. 3, l'effet d'am,ort.isse- ment .est assuré par le pompage de la sub stance liquide à travers un orifice depuis un côté d'une masse 3 à l'autre pendant les vi brations de l'aube, cette ruasse étant logée dans une chambre pratiquée dans le corps de l'aube. La masse 3 peut être considérée comme tendant à demeurer stationnaire en raison de son inertie, pendant que la masse restante de 'l'aube vibre latéralement.
La masse 3 est de forme générale cylindrique et est supportée par une mince barre 4, de sorte qu'elle est libre de se mouvoir sans être blo quée en position par l'action des, grandes foree,s@ centrifuges auxquelles elle est soumise.
La. masse 3 est introduite dans la chambre d'amortissement par une ouverture taraudée 5 pratiquée à l'extrémité extérieure de l'aube 2 et recevant un bouchon fileté 8, :l'étanchéité étant obtenue au moyen d'un brasage au d'un soudage à 'l'argent.
Les efforts d'amortisse ment sont ainsi appliqués à l'endroit de la vibration la plus grande, .où ils sont le plus efficaces, et la solidité de l'aube est moins affectée parce que l'extrémité extérieure de l'aube est la partie la moins, fatiguée de celle- ; ci.
Lors de la marche de la turbine, le liquide d'amortissement est confiné autour du piston 3 par le moyen d'une douille ou capsule à pa roi mince 6 qui est. sertie -ou engagée sur un épaulement rectifié 7 du bouchon fileté 8 sup-, portant la masse 3 également rectifiée dans son ensemble.
Un caractère important de la construction représentée est la -disposition d'un petit orifice 9 au fond de ladite capsule 6, à travers lequel la masse liquide peut pas ser de la chambre 1(1 dans la pièce cylin drique enveloppant la masse 3.
En rendant l'orifice 9 relativement petit par rapport à l'orifice 11 prévu dans la masse 3, le liquide est obligé de passer par l'orifice de ladite masse et il ne se présente aucune perte d'amortissement par suite du fait que le liquide se rend dans un espace libre non con finé au lieu de passer à travers,
l'orifice d'amortissement. La chambre 10 prévue au- dessus de la masse 3 est remplie de la sub stance d'amortissement, solide au début, mais devenant liquide aux températures de fonc tionnement normal de la turbine,
la substance liquide étant alors refoulée par le petit ori fice 9 dans la capsule cylindrique<B>6</B> par suite des grandes forces centrifuges en présence agissant dans 1a direction y (fig. 1).
Pour réduire la grandeur de la chambre 10 requise pour l'emplissage de la pièce cylin drique 6, l'espace dane cette pièce cylindrique qui se trouve autour de la mince barre porte- masse 4 peut "être comblé d'une rondelle fen due 12 (fig. 4) sus laquelle est pressée la pièce cylindrique ou capsule 6.
La rondelle 12 présente un jeu suffisant autour de la barre 4 pour permettre à la pièce 3 de vi brer. L'orifice 1'1a de la masse 3 s'étend avec les mêmes dimensions d'un côté à l'autre de la masse 3., alors qu'en fig. 3,, iq est -évasé aux bouts;
autrement, la disposition. des parties de la. fig. 4 :est analogue à :celle de la fig. 3.
Un mouvement relatif entre lia masse 3 -et l'aube de turbine est assuré soit en rendant la, fréquence naturelle de la masse 31 sur la barre 4 (.en flexion) relativement faible par rapport à 1a fréquence, naturelle de l'aube, soit en rendant la fréquence de la masse égale à la fréquence de l'aube.
Dans le pre mier cas, par exemple, pour une fréquence d'aube de 2000 périodes, par seconde, une fré quence de la masse de 500- périodes par se conde :ou moins donnera pratiquement un dé placement de 1a masse par rapport au :corps de l'aube, et le mouvement relatif de l'aube par rapport à la masse 3. serait égal à l'ampli tude de l'aube.
Si les, forces d'accélération du liquide entourant ladite masse sont petites, c'est-à-dire si la densité de liquide st basse et que la colonne de liquide latéralement accé- #lér6e soit courte, ladite masse demeurera pra tiquement stationnaire et l'amplitude d'aube provoquera le refoulement du liquide d'amor tissement d'un côté de la masse 3 à d'autre.
Dans le :cas -où la fréquence de la masse se rapproche :de la fréquence d'aube, de grands mouvements relatifs entre l'aube et la masse peuvent être assurés, mais l'amortissement sera irrégulier.
Des call-cuis :ont montré que le jeu radial entre la masse 3@ et la pièce cylindrique coaxiale peut agir à la façon d'un orifice, ce qui conduit à la variante de la fig. <B>5.</B>
En se référant à la fig. 5, la tête -de la pièce 13 est dressée par tournage (à la ma chine), de façon à laisser un faible jeu entre elle et la pièce 6.
La partie supérieure de la tête de la masse 13: comporte un rebord en saillie 13a délimitant un jeu plus faible entre lui et la pièce 6 pour restreindre la fuite de fluide dans la direction radiale, tout en per mettant en même temps un certain mouve ment relatif en raison des vibrations de l'aube. L'amortisseur de la fig. 5 ne demande pas une mise en position angulaire de la masse 13 par rapport à 2a -direction de vibra tion.
Les constructions ayant un orifice en travers de ladite masse (fig. 3, et 4) exigent que l'axe de cet orifice :soit parall4e à la direction des vibrations: d'aube indiquée par les flèches, x. Tout l'amortisseur peut être en gagé dans un trou d'un diamètre de 12 mm prévu dans l'extrémité extérieure de l'aube. Les autres parties sont analogues à celles des autres, figures.
Quant à la masse fluide d'amortissement, i1 convient d'en prendre une qui fonde bien au-dees,ous -de 450;' C, qui ait un point d'ébul lition supérieur à cette température et qui n'ait aucune réaction :
chimique appréciable soit avec la matière de l'aube, soit avec celle des parties de l'.amortiss,eur .ou de la soudure à l'argent qui est .employée pour sceller l'amortisseur jointivement en place. De l'étain, :du cadmium et du zinc ne convien nent pas comme massa d'amortissement à cause de leur réaction avec l'acier en formant des. solutions liquides. Le plomb paraît. être inactif.
Des composés métallliques semblent offrir les. meilleure . possibilités. Parmi les plus intéressiants, :on notera: le L'acide mét:aborique. Celui-ci est une poudre cristalline blanche qui fond en for mant un verre à point de fusion bas de grande fluidité à 2310' C environ et qui ne réagit ni avec l'a;cier, ni avec les soudures à l'argent.
Il a une gravité spécifique :d@e 2. En général, un acide borique contenant 15 à<B>25%</B> :d'eau en poids aura un point de fu sion suffisamment bas pour être :satisfaisant.
20 Le nitrate de potamium. Celui-ci est inactif, a une densité de 2,1, un point de fu sion de 33-3 C et reste, lorsqu'il est confiné comme :décrit, fluide au-dessus de 450 C.
<B>30</B> Le nitrate de @s,odium, :ayant une gra vite spécifique de 2,26. un point de fusion de 307 C et .restant fluide à 450-' C, et même plus haut s'il est confiné sous s-a propre pression de vapeur.
Les- amortisseun & représentés: aux fig. 6, 7 et 8 sont plus: simples, que les précédents, main -ont néanmoins été reconnus comme étant très efficaces. Au lieu d'une masse solide à inertie qui tend à rester stationnaire pendant les vibrations d'aube et à refouler peu de liquide à travers les passages,
restreints- d'un certain volume confiné, ces variantes d'amor tisseur emploient un liquide lourd., tel que du plomb fondu, qui agit comme masse à inertie et se refoule de lui-même à travers des pas sages restreints ayant les caractéristiques d'écoulement convenable pour réaliser le meilleur amortissement.
Le caractère de ces cariantes est de réaliser un volume :de li quide confiné complètement rempli et qui soit à même de refouler du liquide hors d'un ori fice et d'aspirer du liquide à un: autre orifice lorsqu'il est soumis à la moindre ac.cfération.
En fig. 6, le plomb confiné. 1.4 se trouve à l'intérieur d'une pièce en cuvette 15 ayant deux orifices 16, 17 au fond, qui communi quent avec une chambre de remplissage 18 qui n'est que partielilement remplie. Le plomb est. représenté dans la position qu'il prend sous l'action de la, force centrifuge et de la chaleur de fusionnement.
Les forces de vibra tion refoulent du plomb hors d'un des ori fices et la force centrifuge agissant sur le plomb à l'intérieur de 1a. chambre de remplis sage comble le volume confiné à travers l'autre orifice. Un gradient de pression laté rale peut exister dans le volume confiné, mais non pas dans la chambre de remplissage en raison de la. surface libre du liquide dans la chambre de remplissage.
Deux orifices additionnels (non représen tés) situés sur un même diamètre, mais à angle droit par rapport aux orifices repré sentés permettant l'amortissement pour des vibrations transversales sans affecter l'amor tissement dans le premier plan.
La fi-. 7 montre une variante avec une tige lourde 19 portant une plaque ou disque de fond 20 avant des orifices 21. Ces der niers sont au V nombre de quatre, comme en fig. 6. La fig. 7a ressemble à 1a fig. 7, sauf que les orifices 21a sont coudés à angle droit par rapport à ceux de la fig. 7 et pratiqués dans. un rebord s'étendant autour du bord du disque 20.
On a trouvé que le liquide émer geant des orifices tend à se mouvoir sous forme de colonne, et en prévoyant la disposi tion de la fig. 7a, cette colonne ne se dépla cera pas à l'encontre de la force centrifuge, de sorte que le flux du 'liquide .sera meilleur. Un jeu annulaire:
21b autour du disque 20, comme montré en fig. 8, rendra d'ailleurs aussi de bons se:rvioes sans qu'il soit alors né cessaire de prévoir des orifices tels que ceux 21 en fig. 7 ou ceux 2'1a en fig. 7a.
La puissanee de l'amortissement dépen dra du rapport de la masse de plomb à la masse d'aube. La résistance que présentent les orifices au passage de fluide doit être en rela tion avec la réactance en masse du plomb con finé. Pour les meilleurs résultats, elle doit être approximativement égale à elle lorsque la, masse de plomb est à un faible rapport à la masse d'aube.
Pour un rapport de 1 : 10, il est théoriquement. possible d'obtenir un amortissement d'aube équivalent à environ 15 % de décalage en amplitude par période de vibration libre. Ce chiffre a été obtenu par des expériences. Les aubes en elfles-mêmes, même aux conditions de température élevée, ont une diminution de seulement 1-1/2 % par période ou moins.
Vibration damper for turbine blades. The present invention relates to a vibration damper: hydraulic for turbine blades,: arranged to reduce or prevent, vibrations tending to occur in the blades of running turbines.
The: turbine blades: constitute kinds of elastic bars inserted at the root in the body of the. impeller, turbine and which are either free, at the outer end linker, or connected together by, connection rings.
These individual blades or groups of blades are very susceptible to vibration during operation of the turbine, because they have no damping other than the apparently small damping. due to internal friction: in a tired material. But the dawns are so often subject: s, to serious. periodic disturbances which may cause vibrations:
blading resonance either when starting or stopping. of the machine. In addition, resonant vibrations of the blade can occur at running speed or due to the periodic pulsations coming from the passage of a moving blade between a series of blades. stationary-, or by reason of the pressures: of '1! a vapor passing: through the small intervals between:
blades. adja centes, or between, moving vanes and 1.'eu- loppe: stationary.
The damper, obj, and of. The invention: seeks to reduce the amplitude of vibrations; resonance. and to prevent the establishment of vibrations generated by relatively powerful forces: damping: due: to hydraulic means.
The vibration damper comprises a damping chamber formed within the turbine blade, this chamber containing a damping substance that is liquid at normal operating temperatures of the turbine and comprising: braking means for braking the freedom of vibration movement: of said substance inside said chamber, thus reducing to a minimum the vibrations of the blade during normal operation of the latter.
The appended drawing represents, by way of example, several embodiments of the object of the invention.
Fig. 1 shows in elevation a moving turbine blade with an embodiment of the vibration damper in section; Fig. 2 is a top view of FIG. 1; Figs. 3, 4, 5, 6, 7, 7a and 8 show a series of variants of the vibration damper in section.
Referring first to Figs. 1 and 2, the vibration damper denoted by 1 as a whole is suitable for application to a short impulse vane 2 at high fre quenee clean of a high pressure steam turbine and at. high temperature. A turbine of this kind operates, for example, at pressures exceeding 450 kg per 6.5 cm 'and at temperatures: of the order of 450 C.
At these high temperatures, it is proposed to employ for the damper a damping substance which is solid at first, but which melts and becomes liquid at the operating temperatures of the turbine.
As shown in fig. 1., and on a larger scale at the fi-. 3, the damping effect is provided by pumping the liquid substance through an orifice from one side of a mass 3 to the other during the vibrations of the vane, this ruasse being housed in a chamber made in the body of the dawn. The mass 3 can be regarded as tending to remain stationary due to its inertia, while the remaining mass of the vane vibrates laterally.
The mass 3 is generally cylindrical in shape and is supported by a thin bar 4, so that it is free to move without being blocked in position by the action of large drills, s @ centrifuges to which it is subjected.
The mass 3 is introduced into the damping chamber through a threaded opening 5 made at the outer end of the blade 2 and receiving a threaded plug 8, the seal being obtained by means of brazing. silver welding.
The damping forces are thus applied to the place of the greatest vibration, where they are most effective, and the strength of the blade is less affected because the outer end of the blade is the least part, tired of it; this.
When the turbine is running, the damping liquid is confined around the piston 3 by means of a sleeve or capsule with a thin pa king 6 which is. crimped -or engaged on a rectified shoulder 7 of the threaded plug 8 supporting, carrying the mass 3 also rectified as a whole.
An important feature of the construction shown is the -disposition of a small orifice 9 at the bottom of said capsule 6, through which the liquid mass can not be taken from the chamber 1 (1 in the cylindrical part enveloping the mass 3.
By making the orifice 9 relatively small compared to the orifice 11 provided in the mass 3, the liquid is forced to pass through the orifice of said mass and there is no loss of damping due to the fact that the liquid flows into an unconfined free space instead of passing through it,
the damping hole. The chamber 10 provided above the mass 3 is filled with the damping substance, solid at the start, but becoming liquid at the normal operating temperatures of the turbine,
the liquid substance then being forced through the small orifice 9 into the cylindrical capsule <B> 6 </B> as a result of the large centrifugal forces present acting in the y direction (fig. 1).
To reduce the size of the chamber 10 required for filling the cylindrical part 6, the space in this cylindrical part which is around the thin mass-carrying bar 4 can be filled with a washer 12. (fig. 4) on which the cylindrical part or capsule 6 is pressed.
The washer 12 has sufficient play around the bar 4 to allow the part 3 to vibrate. The orifice 1'1a of the mass 3 extends with the same dimensions from one side of the mass 3 to the other, whereas in FIG. 3 ,, iq is flared at the ends;
otherwise, the layout. parts of the. fig. 4: is similar to: that of FIG. 3.
A relative movement between the mass 3 and the turbine blade is ensured either by making the natural frequency of the mass 31 on the bar 4 (in bending) relatively low compared to the natural frequency of the blade, or by making the frequency of the mass equal to the frequency of the vane.
In the first case, for example, for a dawn frequency of 2000 periods per second, a mass frequency of 500 periods per second: or less will practically result in a displacement of the mass with respect to: blade body, and the relative movement of the blade with respect to the mass 3. would be equal to the amplitude of the blade.
If the accelerating forces of the liquid surrounding said mass are small, i.e. if the liquid density is low and the laterally accelerated liquid column is short, said mass will remain practically stationary and the amplitude of the blade will cause the damping liquid to flow back from one side of mass 3 to the other.
In the: case -where the frequency of the mass approaches: of the vane frequency, large relative movements between the vane and the mass can be ensured, but the damping will be irregular.
Call-cooks: have shown that the radial play between mass 3 @ and the coaxial cylindrical part can act like an orifice, which leads to the variant of FIG. <B> 5. </B>
Referring to fig. 5, the head of part 13 is turned up by turning (machine-made), so as to leave a small gap between it and part 6.
The upper part of the head of the mass 13: comprises a projecting rim 13a delimiting a smaller clearance between it and the part 6 to restrict the leakage of fluid in the radial direction, while at the same time allowing a certain movement relative due to the vibrations of dawn. The shock absorber of fig. 5 does not require an angular positioning of the mass 13 relative to 2a -direction of vibration.
The constructions having an orifice across said mass (fig. 3, and 4) require that the axis of this orifice: be parallel to the direction of the vibrations: vane indicated by the arrows, x. The whole shock absorber can be pawned in a 12 mm diameter hole provided in the outer end of the vane. The other parts are similar to those of the others, figures.
As for the fluid mass of damping, it is advisable to take one which melts well above, or under 450; C, which has a boiling point above this temperature and which has no reaction:
appreciable chemical either with the material of the vane, or with that of the parts of the damper, eur. or silver solder which is. employed to seal the damper joint in place. Tin,: cadmium and zinc are not suitable as a damping mass because of their reaction with the steel forming. liquid solutions. Lead appears. be inactive.
Metal compounds seem to offer them. better. possibilities. Among the most interesting,: we will note: the Met: aboric acid. This is a white crystalline powder which melts to form a low melting point glass with great fluidity at about 2310 ° C. and which does not react with steel or with silver solders.
It has a specific gravity: d @ e 2. In general, a boric acid containing 15 to 25%: water by weight will have a sufficiently low melting point to be satisfactory.
20 Potamium nitrate. This is inactive, has a specific gravity of 2.1, a melting point of 33-3 C and remains, when confined as: described, fluid above 450 C.
<B> 30 </B> @ s, sodium nitrate: having a specific gravity of 2.26. a melting point of 307 ° C and remaining fluid at 450 ° C., and even higher if confined under its own vapor pressure.
The amortisseun & represented: in figs. 6, 7 and 8 are simpler than the previous ones, but have nevertheless been recognized as being very effective. Instead of a solid inertial mass which tends to remain stationary during vane vibrations and to force little liquid through the passages,
Restricted - of a certain confined volume, these priming variants employ a heavy liquid, such as molten lead, which acts as an inertial mass and backs itself up through restricted steps having the characteristics of 'suitable flow to achieve the best damping.
The character of these cariantes is to achieve a volume: of confined liquid completely filled and which is able to discharge liquid out of one orifice and to suck liquid from another orifice when it is subjected to the lower ac.cferation.
In fig. 6, confined lead. 1.4 is located inside a bowl-shaped part 15 having two orifices 16, 17 at the bottom, which communicate with a filling chamber 18 which is only partially filled. Lead is. shown in the position it takes under the action of the centrifugal force and the heat of fusion.
Vibration forces force lead out of one of the orifices and centrifugal force acts on the lead inside 1a. wise fill chamber fills the volume confined through the other port. A lateral pressure gradient may exist in the confined volume, but not in the filling chamber due to the. free surface of the liquid in the filling chamber.
Two additional orifices (not shown) located on the same diameter, but at right angles to the orifices shown, allowing damping for transverse vibrations without affecting damping in the foreground.
The fi-. 7 shows a variant with a heavy rod 19 carrying a bottom plate or disc 20 before the orifices 21. These latter are four in number, as in FIG. 6. FIG. 7a looks like 1a fig. 7, except that the orifices 21a are bent at right angles to those of FIG. 7 and practiced in. a flange extending around the edge of the disc 20.
It has been found that the liquid emerging from the orifices tends to move in the form of a column, and by providing for the arrangement of FIG. 7a, this column will not move against the centrifugal force, so the flow of the liquid will be better. An annular clearance:
21b around the disc 20, as shown in fig. 8, will also make good se: rvioes without it then being necessary to provide orifices such as those 21 in FIG. 7 or those 2'1a in fig. 7a.
The power of the damping will depend on the ratio of the mass of lead to the mass of the blade. The resistance of the orifices to the passage of fluid should be related to the mass reactance of the con fined lead. For best results, it should be approximately equal to it when the mass of lead is at a low ratio to the mass of the blade.
For a ratio of 1:10 it is theoretically. possible to obtain a blade damping equivalent to about 15% amplitude offset per period of free vibration. This figure was obtained by experiments. The airfoils themselves, even under high temperature conditions, have a decrease of only 1-1 / 2% per period or less.