EP1953345A1 - Schaufelkranz für eine Turbomaschine - Google Patents

Schaufelkranz für eine Turbomaschine Download PDF

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EP1953345A1
EP1953345A1 EP07002309A EP07002309A EP1953345A1 EP 1953345 A1 EP1953345 A1 EP 1953345A1 EP 07002309 A EP07002309 A EP 07002309A EP 07002309 A EP07002309 A EP 07002309A EP 1953345 A1 EP1953345 A1 EP 1953345A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
blades
blade ring
ring
tilting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07002309A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Dr. Urlichs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP07002309A priority Critical patent/EP1953345A1/de
Publication of EP1953345A1 publication Critical patent/EP1953345A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3053—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers by means of pins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/314—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being inclined in relation to each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position

Definitions

  • the invention relates to a blade ring for a turbomachine with a number of blades, each having a cover plate, a foot plate, an intermediate drive segment and a blade root for attachment of the blade, and with a blade holder, in which the blade roots are attached.
  • Blades in a turbomachine are exposed to several mechanical loads.
  • High rotational speeds cause large centrifugal forces to act on the blades in the radial direction.
  • Inertial forces attack in the circumferential direction, also referred to as tangential direction.
  • aerodynamic forces of hot gas or hot steam deflect the blades both in the axial direction and in the circumferential direction.
  • the aerodynamic forces are characterized not only by the forces of a uniform gas or vapor flow, but can attack very unevenly on the blades and they stimulate strong temporary deflections and vibrations.
  • turbomachines particularly steam turbines
  • blades of a first row of blades are hit by high velocity propulsion medium, such as gas or superheated steam, which drives the blades to rotate by energy transfer.
  • high velocity propulsion medium such as gas or superheated steam
  • a turbomachine for example a steam turbine
  • a large proportion of its operating time to be operated in a partial load range it usually includes a control stage to improve the efficiency.
  • the hot steam from several valves is simultaneously directed to the first row of blades.
  • the steam flow is not uniformly reduced in all valves, but it will successively individual valves are closed, with other valves are fully traversed with hot steam, or at Load increase opened one after the other.
  • the blades move by steam flows from differently controlled valves, so that the blades pass through sectors with different vapor flows within one revolution.
  • the consequent load change on the blades can stimulate the blade to vibrate, which fatigue the blade material.
  • a blade ring of the type mentioned above which according to the invention comprises a tilting means for tilting the blade roots in the circumferential direction relative to the blade holder during operation of the turbomachine.
  • the blades may be abutted against each other so that a strong force acting on a blade may be at least partially distributed to adjacent blades. Load on a single blade can be reduced, and swinging of individual blades can be effectively counteracted. In particular, a force acting on only one sub-sector force can be evenly distributed to the blades on the entire blade ring.
  • a more or less large circumferential gap is present between the individual blades.
  • a blade passes through a heavily hot steamed sector, it is subjected to high forces substantially in the axial and tangential directions and carries its instantaneous load alone, without leaning against neighboring blades.
  • a currently loaded blade can lean against its neighboring blade.
  • the neighboring bucket can in turn lean against the nearest neighbor bucket and so on. In this way, the load acting on a blade is distributed to a plurality of blades.
  • a particularly good support can be achieved if the blades form a closed blade ring at a maximum tilt.
  • Each of the blades of the blade ring abuts against both adjacent blades, so that forces on the individual blades are evenly distributed to all the blades. With all the blades touching each other, all gaps disappear between the blades, with the result that the circumference of the entire blade ring is reduced.
  • This circumferential reduction is compensated by the tilted blades by the outer radius of the blade ring is slightly smaller by the tilting than in non-tilted radially oriented blades.
  • the cover plates are at a tilt of the blades to each other, in particular at a maximum tilt.
  • An additional relief of the pressed together blades can be achieved if they rest against each other at a maximum tilt in addition to a system on the cover plates at a wider area.
  • a suitable area for such an additional investment area can form the foot plates, since the blades can abut each other in the footplates on a large area. It is alternatively also possible that the blades abut each other at a maximum tilt alone on their foot plates.
  • the blades are held free of deformation at a tilt, whereby a material protection of the blades is achieved.
  • the blade feet are hereby advantageously kept free of deformation.
  • the blade roots are advantageously mounted freely movably in the blade holder in the circumferential direction.
  • the mobility of the blades can be achieved in a simple manner, when the tilt is a rotation about a defined axis of rotation.
  • a simple and robust movable bearing of the blade roots in the blade holder can be achieved by the blade feet are each secured by a bolt in the blade holder.
  • a tilt about a defined axis of rotation can be achieved particularly easily if the bolt defines an axis of rotation for tilting.
  • FIG. 1 shows a number of blades 2 of a blade ring 4, which is part of a rotor of a control stage of a steam turbine. For clarity, only five blades 2 of the blade ring 4 are shown.
  • Each blade 2 comprises a cover plate 6, a base plate 8 and a lying between the cover plate 6 and the base plate 8 drive segment 10, which is aerodynamically shaped according to a good flow of steam flow and deflects it in a flow of hot steam for a rotary drive of the blade ring 4.
  • the rotor blades 2 have a blade root 12 with which the rotor blades 2 are fastened in a blade holder 14.
  • the blade holder 14 forms with each blade root 12 a blade binding, in which the blade root 12 is held by a bolt 16 in the blade holder 14.
  • FIG. 1 shows the blades 2 in a radial orientation.
  • a small gap 20 of about 0.1 mm is present, which may vary due to manufacturing tolerances in the range of a few hundredths of a millimeter.
  • a slightly narrower gap 24 is present between adjacent side surfaces 22 of the foot plates 8, which continues until between adjacent blade roots 12, but there may be slightly wider. For better visibility, the gaps 20, 24 in FIG. 1 shown quite wide.
  • the bolts 16 are fixedly arranged in the blade holder 14, wherein the blade roots 12 are each tiltably mounted about the bolts 16 in the circumferential direction 26.
  • the cover plates 6 form a circumference 30 with a radius 32 from a rotational axis 34 of the rotor or of the blade ring 4.
  • the blades 2 are tilted in the circumferential direction 26 from the radial alignment by an angle 36 of about 2 °, which is shown enlarged for better visibility.
  • the tilting takes place here about the bolts 16, which specify a rotation axis 38 for tilting.
  • the bolts 16 together with the blade roots 12 and corresponding free spaces of the blade bindings around the blade roots 12, which are provided to provide freedom of movement of the blade roots 12, form a tilting means for tilting the blades 2.
  • the cover plates 6 thus form a closed, self-supporting blade ring.
  • a force in the circumferential direction 26 on a blade 2 is thus distributed at least substantially uniformly on all blades 2 of the blade ring 4.
  • none of the blades 2 alone can swing significantly and, for example, in a natural vibration soar.
  • a vibration mainly takes place by a vibration of the blade ring 4 as a whole, which has a more stable vibration behavior than a single blade 2.
  • tilting of the blades 2 are compensated because of manufacturing tolerances uneven width column 20 so that a blade 2 is exposed to a wide gap 20 to an adjacent blade 2 no greater burden than another blade 2, through a small gap 20 from an adjacent blade 2 is spaced. In this way, a self-adaptation of the blades 2 to unequal column 20 is achieved.
  • the circumference 30 of the radially aligned moving blades 2 has been reduced to a somewhat smaller circumference 40, which is characterized by a slightly smaller radius 42 of the tangential centers of the outer peripheral surfaces 44 of the cover plates 6.
  • blades 2 For further relief of the blades 2 are at this maximum tilt of the blades 2 in addition to the Cover plates 6 and the foot plates 8 adjacent blades 2 to each other, so that the blades 2 can also be supported on the side surfaces 22 of the foot plates 8 together. In this way, a bending of the blades 2 in the circumferential direction 26 can be counteracted in an acting on the blades 2 in the circumferential direction 26 force.
  • the blade roots 12 may also abut each other.
  • FIG. 3 shows blades 2 of a blade ring 4 with other blade roots 46 and another blade holder 48.
  • the following description is essentially limited to the differences from the embodiment in FIGS. 1 and 2, to which reference is made for features and functions that are the same.
  • Substantially identical components are basically numbered with the same reference numerals.
  • the blade holder 48 has, for each blade root 46, a bore 50 and a slot 52 which is slightly wider than the blade root 46 at that location. Thus remains between the blade root 46 and boundary of the slot 52 and the slot wall, a small gap 54, which allows tilting of the blade root 46 and thus the blade 2 in the circumferential direction, so that the cover plates 6 and the base plates 8 without an elastic deformation of the blades. 2 can toast each other.
  • Bolt 16 mounted in the bores 50 of the blade roots 46 are arranged on two circles 56, 58 with different radii, so that the cover plates 6 are arranged at different distances from the axes of rotation 38.
  • the bolts 16 of the blade roots 46 are alternately arranged on both circles 56, 58, so that each second pin 16 on the circle 56 and the respective intermediate bolts 16 are arranged on the circle 58.
  • a vibration behavior of the blade ring 4 as a whole can be further improved, since the different blades 2 have different natural oscillations.
  • the static Centrifugal force in webs 60 between the slots 52 are kept relatively low.
  • other distributions of the bolts 16 on the two circles 56, 58 or more circles are conceivable.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaufelkranz (4) für eine Turbomaschine mit einer Anzahl von Laufschaufeln (2), die jeweils eine Deckplatte (6), eine Fußplatte (8), ein dazwischen liegendes Antriebssegment (10) und einen Schaufelfuß (12) zur Befestigung der Laufschaufel (2) aufweisen, und mit einem Schaufelhalter (14), in dem die Schaufelfüße (12) befestigt sind. Es wird vorgeschlagen, dass der Schaufelkranz ein Kippmittel aufweist zum Verkippen der Schaufelfüße (12) in Umfangsrichtung (26) relativ zum Schaufelhalter (14) während eines Betriebs der Turbomaschine. Eine auf eine Laufschaufel (2) in Umfangsrichtung (26) wirkende Kraft kann gleichmäßig auf mehrere oder alle Laufschaufeln (2) des Schaufelkranzes verteilt werden. Zusätzlich kann einem Aufschwingen einzelner Laufschaufeln (2) entgegengewirkt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schaufelkranz für eine Turbomaschine mit einer Anzahl von Laufschaufeln, die jeweils eine Deckplatte, eine Fußplatte, ein dazwischen liegendes Antriebssegment und einen Schaufelfuß zur Befestigung der Laufschaufel aufweisen, und mit einem Schaufelhalter, in dem die Schaufelfüße befestigt sind.
  • Laufschaufeln in einer Turbomaschine sind mehreren mechanischen Belastungen ausgesetzt. Durch hohe Umdrehungszahlen wirken große Fliehkräfte in Radialrichtung auf die Schaufeln. Trägheitskräfte greifen in Umfangsrichtung, auch als Tangentialrichtung bezeichnet, an. Und aerodynamische Kräfte von Heißgas oder Heißdampf lenken die Schaufeln sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung aus. Die aerodynamischen Kräfte zeichnen sich nicht nur durch die Kräfte eine gleichmäßigen Gas- oder Dampfstroms aus, sondern können sehr ungleichmäßig an den Schaufeln angreifen und sie zu starken temporären Auslenkungen und Schwingungen anregen.
  • In Turbomaschinen, insbesondere Dampfturbinen, werden Laufschaufeln einer ersten Schaufelreihe von mit hoher Geschwindigkeit einströmendem Antriebsmedium, wie Gas oder Heißdampf, getroffen, das die Laufschaufeln durch eine Energieübertragung zu einer Rotation antreibt. Soll eine Turbomaschine, beispielsweise eine Dampfturbine, einen großen Anteil ihrer Betriebszeit in einem Teillastbereich betrieben werden, umfasst sie üblicherweise eine Regelstufe zur Wirkungsgradverbesserung. In dieser wird der Heißdampf aus mehreren Ventilen gleichzeitig auf die erste Schaufelreihe geleitet. Zu einem Teillastbetrieb wird der Dampfstrom nicht bei allen Ventilen gleichmäßig reduziert, sondern es werden nacheinander einzelne Ventile geschlossen, wobei andere Ventile voll mit Heißdampf durchströmt werden, oder bei Laststeigerung nacheinander geöffnet.
  • Bei einer Rotation bewegen sich die Laufschaufeln durch Dampfströme aus unterschiedlich angesteuerten Ventilen, so dass die Laufschaufeln innerhalb einer Umdrehung Sektoren mit unterschiedlichen Dampfströmen durchlaufen. Der dadurch bedingte Lastwechsel auf die Laufschaufeln kann die Laufschaufel zu Schwingungen anregen, die das Schaufelmaterial stark ermüden.
  • Zur Bekämpfung einer solchen Ermüdung werden Laufschaufeln in einer Regelstufe üblicherweise durch eine Verdickung des Schaufelprofils sehr stark ausgeführt. Eine solche Verstärkung kann jedoch den Wirkungsgrad der Turbomaschine stark beeinträchtigen.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaufelkranz für eine Turbomaschine anzugeben, bei dem tangentiale Spitzenlasten auf Laufschaufeln abgefangen und einem Aufschwingen der Laufschaufeln wirksam entgegengewirkt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Schaufelkranz der Eingangs genannten Art gelöst, der erfindungsgemäß ein Kippmittel zum Verkippen der Schaufelfüße in Umfangsrichtung relativ zum Schaufelhalter während eines Betriebs der Turbomaschine aufweist. Durch eine während des Betriebs der Turbomaschine vorgesehene Verkippung können sich die Laufschaufeln aneinander abstützen, so dass eine starke, auf eine Laufschaufel wirkende Kraft zumindest teilweise auf Nachbarschaufeln verteilt werden kann. Eine Belastung einer einzelnen Laufschaufel kann verringert werden und es kann einem Aufschwingen einzelner Laufschaufeln effektiv entgegengewirkt werden. Insbesondere kann eine nur in einem Teilsektor wirkende Kraft auf die Laufschaufeln auf den ganzen Schaufelkranz gleichmäßig verteilt werden.
  • Je nach Fertigungstoleranz der Laufschaufeln ist zwischen den einzelnen Laufschaufeln jeweils ein mehr oder weniger großer Umfangsspalt vorhanden. Durchläuft eine Laufschaufel einen stark mit Heißdampf beaufschlagten Sektor, ist sie im Wesentlichen in Axialrichtung und Tangentialrichtung hohen Kräften ausgesetzt und trägt - ohne ein Anlehnen an Nachbarschaufeln - ihre momentane Last allein. Bei der vorgeschlagenen Auslenkbarkeit der Laufschaufeln in Tangentialrichtung kann sich eine momentan beanspruchte Laufschaufel an ihre Nachbarschaufel anlehnen. Die Nachbarschaufel kann sich ihrerseits an die nächste Nachbarschaufel anlehnen und so fort. Auf diese Weise wird die auf eine Laufschaufel wirkende Last auf mehrere Laufschaufeln verteilt.
  • Eine besonders gute Abstützung kann erreicht werden, wenn die Laufschaufeln bei einer maximalen Verkippung einen geschlossen sich abstützenden Schaufelring bilden. Jede der Laufschaufeln des Schaufelkranzes liegt an beiden Nachbarschaufeln an, so dass Kräfte auf die einzelnen Laufschaufeln gleichmäßig auf alle Laufschaufeln verteilt werden. Dadurch dass alle Laufschaufeln aneinander anliegen, verschwinden alle Spalte zwischen den Laufschaufeln, mit dem Ergebnis, dass der Umfang des gesamten Schaufelkranzes verkleinert ist. Diese Umfangsverkleinerung wird von den verkippten Laufschaufeln ausgeglichen, indem der äußere Radius des Schaufelkranzes durch die Verkippung etwas kleiner ist als bei unverkippt radial ausgerichteten Laufschaufeln.
  • Durch die umlaufende Kontaktierung der Laufschaufeln aneinander drücken alle Laufschaufeln mit gleicher Kraft gegeneinander, so dass eine Selbsteinstellung einer gleichmäßigen Belastung auf alle Laufschaufeln erreicht werden kann. Auf diese Weise können auch durch Fertigungstoleranzen auftretende unterschiedlich große Spalte zwischen den Laufschaufeln ausgeglichen und eine gleichmäßige Belastung aller Laufschaufeln erreicht werden.
  • Eine Verteilung von auf einzelne Laufschaufeln wirkenden Kräften auf andere Laufschaufeln kommt durch das Anliegen der Laufschaufeln aneinander zustande. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Laufschaufeln in einem Bereich aneinander anliegen, der möglichst weit weg vom Schaufelfuß ist, um eine hohe Anlagekraft durch eine ungünstige Hebelwirkung zu vermeiden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegen daher die Deckplatten bei einer Verkippung der Laufschaufeln aneinander an, insbesondere bei einer maximalen Verkippung.
  • Geben die Deckplatten eine maximale Verkippung der Laufschaufeln vor, indem alle Deckplatten aneinander anliegen, so kann eine gleichmäßige Kräfteverteilung mit einer günstigen Hebelwirkung über die stabilen Deckplatten erfolgen.
  • Eine zusätzliche Entlastung der aneinander angedrückten Laufschaufeln kann erreicht werden, wenn sie bei einer maximalen Verkippung zusätzlich zu einer Anlage an den Deckplatten an einem weiteren Bereich aneinander anliegen. Einen für eine solche zusätzliche Anlage geeigneten Bereich können die Fußplatten bilden, da die Laufschaufeln im Bereich der Fußplatten an einer großen Fläche aneinander anliegen können. Es ist alternativ auch möglich, dass die Laufschaufeln bei einer maximalen Verkippung allein an ihren Fußplatten aneinander anliegen.
  • Vorteilhafterweise sind die Laufschaufeln bei einer Verkippung verformungsfrei gehalten, wodurch eine Materialschonung der Laufschaufeln erreicht wird. Auch die Schaufelfüße sind hierbei zweckmäßigerweise verformungsfrei gehalten. Die Schaufelfüße sind hierzu vorteilhafterweise in Umfangsrichtung frei beweglich im Schaufelhalter gelagert.
  • Die Beweglichkeit der Laufschaufeln kann in einfacher Weise erreicht werden, wenn die Verkippung eine Rotation um eine definierte Drehachse ist.
  • Eine einfache und robuste bewegliche Lagerung der Schaufelfüße im Schaufelhalter ist erreichbar, indem die Schaufelfüße jeweils mittels eines Bolzens im Schaufelhalter befestigt sind.
  • Hierbei kann eine Verkippung um eine definierte Drehachse besonders einfach erreicht werden, wenn der Bolzen eine Drehachse für die Verkippung vorgibt.
  • Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
  • Es zeigen:
    • FIG 1 einen Ausschnitt aus einem Schaufelkranz einer Dampfturbine mit einer Anzahl von radial ausgerichteten Laufschaufeln,
    • FIG 2 die Laufschaufeln aus FIG 1 in einer maximalen Verkippung in Umfangsrichtung und
    • FIG 3 einen weiteren Schaufelkranz mit einem anderen Schaufelhalter und anderen Schaufelfüßen.
  • FIG 1 zeigt eine Anzahl von Laufschaufeln 2 eines Schaufelkranzes 4, der Teil eines Läufers einer Regelstufe einer Dampfturbine ist. Der Übersichtlichkeit halber sind nur fünf Laufschaufeln 2 des Schaufelkranzes 4 dargestellt. Jede Laufschaufel 2 umfasst eine Deckplatte 6, eine Fußplatte 8 und ein zwischen der Deckplatte 6 und der Fußplatte 8 liegendes Antriebssegment 10, das entsprechend einer guten Dampfstromführung aerodynamisch geformt ist und bei einer Anströmung durch Heißdampf diesen für einen rotatorischen Antrieb des Schaufelkranzes 4 umlenkt. Außerdem weisen die Laufschaufeln 2 einen Schaufelfuß 12 auf, mit dem die Laufschaufeln 2 in einem Schaufelhalter 14 befestigt sind. Hierzu bildet der Schaufelhalter 14 mit jedem Schaufelfuß 12 eine Schaufelbindung, in der der Schaufelfuß 12 durch eine Bolzen 16 im Schaufelhalter 14 gehalten ist.
  • FIG 1 zeigt die Laufschaufeln 2 in einer radialen Ausrichtung. Bei dieser Ausrichtung ist jeweils zwischen einander benachbarten Seitenflächen 18 der Deckplatten 6 ein kleiner Spalt 20 von etwa 0,1 mm vorhanden, der aufgrund von Fertigungstoleranzen im Bereich von einigen 100stel mm schwanken kann. Ein etwas schmalerer Spalt 24 ist jeweils zwischen einander benachbarten Seitenflächen 22 der Fußplatten 8 vorhanden, der sich bis zwischen einander benachbarten Schaufelfüße 12 fortsetzt, dort aber etwas breiter sein kann. Zur besseren Sichtbarkeit sind die Spalte 20, 24 in FIG 1 recht breit dargestellt.
  • Die Bolzen 16 sind im Schaufelhalter 14 fest angeordnet, wobei die Schaufelfüße 12 jeweils um die Bolzen 16 in Umfangsrichtung 26 verkippbar gelagert sind. In radialer Ausrichtung, die durch eine Linie 28 angedeutet ist, bilden die Deckplatten 6 einen Umfang 30 mit einem Radius 32 von einer Rotationsachse 34 des Läufers bzw. des Schaufelkranzes 4.
  • In FIG 2 sind die Laufschaufeln 2 in Umfangsrichtung 26 aus der radialen Ausrichtung um einen Winkel 36 von etwa 2° verkippt, der der besseren Erkennbarkeit halber vergrößert dargestellt ist. Die Verkippung erfolgt hierbei um die Bolzen 16, die eine Drehachse 38 für die Verkippung vorgeben. Die Bolzen 16 bilden zusammen mit den Schaufelfüßen 12 und entsprechenden Freiräumen der Schaufelbindungen um die Schaufelfüße 12, die zur Schaffung einer Bewegungsfreiheit der Schaufelfüße 12 vorhanden sind, ein Kippmittel zum Verkippen der Laufschaufeln 2.
  • Bei der in FIG 2 dargestellten Verkippung liegen die Deckplatten 6 sämtlicher Laufschaufeln 2 des Schaufelkranzes 4 in Umfangsrichtung 26 aneinander an, so dass sich alle Laufschaufeln 2 über die Deckplatten 6 aneinander abstützen.
  • Die Deckplatten 6 bilden so einen geschlossenen, sich in sich abstützenden Schaufelring. Eine Kraft in Umfangsrichtung 26 auf eine Laufschaufel 2 verteilt sich somit zumindest im Wesentlichen gleichmäßig auf alle Laufschaufeln 2 des Schaufelkranzes 4. Dadurch dass alle Laufschaufeln 2 zwischen benachbarten Laufschaufeln 2 eingeklemmt sind, kann keine der Laufschaufeln 2 alleine wesentlich schwingen und sich beispielsweise in einer Eigenschwingung aufschwingen. Eine Schwingung findet hauptsächlich durch eine Schwingung des Schaufelkranzes 4 als Ganzes statt, der ein stabileres Schwingungsverhalten aufweist als eine einzelne Laufschaufel 2.
  • Bei der in FIG 2 gezeigten Verkippung der Laufschaufeln 2 werden wegen Fertigungstoleranzen ungleich breite Spalte 20 ausgeglichen, so dass eine Laufschaufel 2 mit einem breiten Spalt 20 zu einer benachbarten Laufschaufel 2 keiner größeren Belastung ausgesetzt ist als eine andere Laufschaufel 2, die durch einen kleinen Spalt 20 von einer benachbarten Laufschaufel 2 beabstandet ist. Auf diese Weise wird eine Selbstanpassung der Laufschaufeln 2 an ungleiche Spalte 20 erreicht.
  • Durch das Verschwinden aller Spalte 20 hat sich der Umfang 30 der radial ausgerichteten Laufschaufeln 2 auf einen etwas kleineren Umfang 40 verkleinert, der durch einen etwas kleineren Radius 42 der tangentialen Mitten der äußeren Umfangsflächen 44 der Deckplatten 6 charakterisiert ist.
  • Bei einem Anliegen aller Deckplatten 6 aneinander können die Laufschaufeln nicht weiter verkippt werden, da hiermit eine weitere Reduzierung des Umfangs 40 einhergehen würde, was durch die Ausdehnung der Deckplatten 6 verhindert wird. Daher ist bei einem Anliegen aller Deckplatten 6 aneinander eine maximale Verkippung der Laufschaufeln 2 vorgegeben.
  • Zur weiteren Entlastung der Laufschaufeln 2 liegen bei dieser maximalen Verkippung der Laufschaufeln 2 zusätzlich zu den Deckplatten 6 auch die Fußplatten 8 einander benachbarten Laufschaufeln 2 aneinander an, so dass sich die Laufschaufeln 2 auch über die Seitenflächen 22 der Fußplatten 8 aneinander abstützen können. Auf diese Weise kann einem Durchbiegen der Laufschaufeln 2 in Umfangsrichtung 26 bei einer an die Laufschaufeln 2 in Umfangsrichtung 26 angreifenden Kraft entgegengewirkt werden. Die Schaufelfüße 12 können hierbei ebenfalls aneinander anliegen.
  • FIG 3 zeigt Laufschaufeln 2 eines Schaufelkranzes 4 mit anderen Schaufelfüßen 46 und einem anderen Schaufelhalter 48. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in den FIGen 1 und 2, auf das bezüglich gleichbleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlichen gleichbleibende Bauteile sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Der Schaufelhalter 48 weist für jeden Schaufelfuß 46 eine Bohrung 50 und einen Schlitz 52 auf, der geringfügig weiter ist als der Schaufelfuß 46 an der betreffenden Stelle. So verbleibt zwischen Schaufelfuß 46 und Begrenzung des Schlitzes 52 bzw. der Schlitzwand ein kleiner Spalt 54, der ein Verkippen des Schaufelfußes 46 und damit der Laufschaufel 2 in Umfangsrichtung zulässt, so dass die Deckplatten 6 und die Fußplatten 8 ohne eine elastische Deformation der Laufschaufeln 2 aneinander anstoßen können.
  • In den Bohrungen 50 gelagerte Bolzen 16 der Schaufelfüße 46 sind auf zwei Kreisen 56, 58 mit unterschiedlichen Radien angeordnet, so dass die Deckplatten 6 verschieden weit entfernt von den Drehachsen 38 angeordnet sind. Beispielsweise sind die Bolzen 16 der Schaufelfüße 46 abwechselnd auf beiden Kreisen 56, 58 angeordnet, so dass jeder zweite Bolzen 16 auf dem Kreis 56 und die jeweils dazwischen liegenden Bolzen 16 auf dem Kreis 58 angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein Schwingungsverhalten des Schaufelkranzes 4 als Ganzem weiter verbessert werden, da die unterschiedlichen Laufschaufeln 2 unterschiedliche Eigenschwingungen aufweisen. Außerdem kann die statische Fliehkraftspannung in Stegen 60 zwischen den Schlitzen 52 relativ gering gehalten werden. Alternativ sind auch andere Verteilungen der Bolzen 16 auf den beiden Kreisen 56, 58 oder auf mehr Kreisen denkbar.

Claims (9)

  1. Schaufelkranz (4) für eine Turbomaschine mit einer Anzahl von Laufschaufeln (2), die jeweils eine Deckplatte (6), eine Fußplatte (8), ein dazwischen liegendes Antriebssegment (10) und einen Schaufelfuß (12) zur Befestigung der Laufschaufel (2) aufweisen, und mit einem Schaufelhalter (14), in dem die Schaufelfüße (12) befestigt sind,
    gekennzeichnet durch ein Kippmittel zum Verkippen der Schaufelfüße (12) in Umfangsrichtung (26) relativ zum Schaufelhalter (14) während eines Betriebs der Turbomaschine.
  2. Schaufelkranz (4) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (2) bei einer maximalen Verkippung einen geschlossen sich abstützenden Schaufelring bilden.
  3. Schaufelkranz (4) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatten (6) bei einer Verkippung der Laufschaufeln (2) aneinander anliegen.
  4. Schaufelkranz (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatten (6) eine maximale Verkippung der Laufschaufeln (2) vorgeben, indem alle Deckplatten (6) aneinander anliegen.
  5. Schaufelkranz (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass bei einer maximalen Verkippung die Fußplatten (8) aneinander anliegen.
  6. Schaufelkranz (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (2) bei einer Verkippung verformungsfrei gehalten sind.
  7. Schaufelkranz (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verkippung eine Rotation um eine definierte Drehachse (38) ist.
  8. Schaufelkranz (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelfüße (12) jeweils mittels eines Bolzens (16) im Schaufelhalter (14) befestigt sind.
  9. Schaufelkranz (4) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (16) eine Drehachse (38) für die Verkippung vorgibt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3087484A1 (fr) * 2018-10-18 2020-04-24 Safran Aircraft Engines Aube de turbomachine

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