EP2623716A1 - Verfahren zum Auslegen einer Laufschaufel - Google Patents

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EP2623716A1
EP2623716A1 EP12153627.0A EP12153627A EP2623716A1 EP 2623716 A1 EP2623716 A1 EP 2623716A1 EP 12153627 A EP12153627 A EP 12153627A EP 2623716 A1 EP2623716 A1 EP 2623716A1
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EP
European Patent Office
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blade
vibration
modal
modes
stress
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12153627.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bertold Lübbe
Christoph Hermann Richter
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Publication of EP2623716A1 publication Critical patent/EP2623716A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/16—Form or construction for counteracting blade vibration

Definitions

  • the invention relates to a method for designing a blade.
  • an electric generator is conventionally driven by a steam turbine.
  • the steam turbine has a turbine shaft on which a plurality of blades is arranged.
  • the turbine shaft is coupled to drive with the generator shaft of the generator.
  • faults can be transmitted to the generator shaft, which can propagate up to the turbine shaft.
  • the disturbances can occur either jerky, such as electrical short circuits, or periodic, such as unbalanced loads.
  • the periodic disturbances occur either at the mains frequency or at a multiple of the mains frequency.
  • the disturbances can lead to torsional vibrations of both the generator shaft and the turbine shaft.
  • the torsional vibrations of the turbine shaft can in turn cause vibrations of the blade. Due to the vibrations, the blade is subject to a stress load, which is particularly great at the blade root and can lead to a reduction in the life of the blade.
  • the object of the invention is to provide a method for laying a blade, so that the stress load of the blade is reduced due to vibrations of the blade and thus the life of the blade is long.
  • the inventive method for designing a blade for an axial flow machine comprises the steps: Determining a blade geometry and material properties of the blade; Determining a vibrational excitation at the blade root of the blade as a boundary condition and computationally determining the vibration of the blade following the vibration excitation; Determining modal coordinates by decomposing the oscillation process into a predetermined number of the lowest frequency oscillation modes; Calculating modal stress tensors of the blade for each of the two dominant vibration modes; Calculating strain tensors from the modal coordinates and the modal stress tensors of the two dominant vibration modes; Altering the blade geometry and / or the material properties such that the modal characteristics of the two dominant modes of vibration are varied such that the voltages of the stress tensors at the life-sustaining location of the blade are lower than the voltages of the stress tensors at the lifetime-leading location prior to modification.
  • the oscillation process can be determined by calculation both with a periodic and with a jerk-like excitation.
  • the computationally determined oscillation process can be decomposed by a linear combination into a plurality of oscillation modes. Each of the vibration modes has a characteristic natural frequency.
  • the coefficients of the liner combination are collected in the modal coordinates.
  • the design of the vane represents the two dominant modes of the vibra- tion in their modal coordinates with opposite signs.
  • the two dominant modes of vibration have the largest modal coordinates in terms of magnitude.
  • the modal stress tensors are calculated for each of the two dominant modes of vibration.
  • the superposition of the modal stress tensors of the two vibration modes is computationally determined using the modal coordinates, whereby the stress tensors are obtained.
  • the two modal stress tensors at the partial superimposition partially cancel each other out at certain points of the blade, in particular at the blade root, so that the voltages of the stress tensors are small.
  • the geometry of the blade is changed to alter the modal characteristics of the two modes of vibration such that the attenuation of the stresses at the life-sustaining location of the blade results in lower voltages of the stress tensors than before modification.
  • the material properties, such as the modulus of elasticity, of the blade can be changed. It is conceivable that by repeating the method steps in an iterative process, the blade geometry is gradually improved with respect to the stresses occurring in the oscillation process. By reducing the stresses at the life-sustaining location, the life of the blade is advantageously long.
  • the modal properties are preferably the natural frequencies, the participation factors and / or the modal stress tensors.
  • the participation factors indicate with which proportion the two oscillation modes are involved in the oscillation process.
  • the essential properties for reducing the stresses occurring in the oscillation process are the natural frequencies, because they are easier to influence than the other properties.
  • the vibration excitation is preferably periodic and the natural frequency of the lower frequency vibration mode of the two dominant vibration modes is lower and the natural frequency of the higher frequency vibration mode of the two dominant vibration modes is higher than the frequency of the vibration excitation.
  • the vibration excitation is preferably a tangential forticianbeatung, whereby a occurring during operation of the turbomachine rotor strand vibration is simulated. It is preferred that when computationally determining the oscillation process on the blade root, a fixed end is specified as a boundary condition. Preferably, the life-sustaining location is the most stress-loaded location of the blade, in particular a location on the blade root.
  • the mathematical determination of the oscillation process, the modal stress tensors and / or the stress tensors is preferably carried out by a finite element method. The mathematical determination of the oscillation process, the modal stress tensors and / or the stress tensors preferably takes into account the centrifugal forces which occur during operation of the rotor blade.
  • the decomposition of the oscillation process preferably takes place in the at least ten lowest frequency oscillation modes. It has surprisingly been found that with the use of ten vibration modes in the decomposition of the vibration process, a sufficiently high accuracy is obtained in the computational determination of the modal coordinates.
  • the voltages are computationally determined reference voltages, in particular Mises comparison voltages. Comparative stresses are advantageously good measures of the stress load on the blade and are also more vivid sizes than the stress tensors.
  • the amplitudes of the voltages are preferably averaged over one or more periods of the two dominant modes of vibration.
  • a blade 1 an airfoil 2, which is fixedly mounted on a blade root 3 and has a front edge 5, a trailing edge 6 and a remote from the blade root 3 blade tip 4.
  • the two side surfaces of the blade 1 are referred to as a pressure side 7 and a suction side 8.
  • the blade 1 with its blade root 3 fixed to a shaft (not shown in the figures) mounted a turbomachine. By torsional vibrations of the shaft, the blade 1 can be put into a vibration process.
  • the blade 1 is divided into a plurality of finite elements 9.
  • the blade root 3 is given as a fixed end, whereas the blade tip 4 is given as a loose end.
  • an acceleration is given, which acts on a point of the blade root 3 and is directed tangentially to the surface of the shaft.
  • the vibration excitation can be both jerky, i. be specified as a single event, as well as periodically as a boundary condition for calculating the oscillation process.
  • the frequency of the vibration excitation is the mains frequency or an integer multiple of the mains frequency.
  • FIG. 1 the vibration process of the blade 1 is shown after the first vibration mode.
  • the first vibration mode is characterized by the lowest frequency natural frequency of the blade 1.
  • FIG. 1 shows the blade 1 in its rest position 10 (solid lines) and a deflected blade 11 (dashed lines).
  • the vibration process according to the first vibration mode is characterized by a vibration node 12 on the blade root 3.
  • the deflection 15 of the blade 1 is at the blade tip 4 maximum.
  • the vibration process of the blade 1 is shown after the second vibration mode.
  • the second vibration mode is the vibration mode with the second lowest natural frequency of the blade 1. Also shown is the rest position 10 (solid lines) of the blade 1 and a deflected blade 11 (dashed lines).
  • the oscillation process according to the second oscillation mode is characterized by two oscillation nodes, namely a first oscillation node 12 on the blade root 3 and a second oscillation node 14, which is arranged radially slightly outside the center of the airfoil 2 in the radial direction. Between the first vibration node 13 and the second vibration node 14, a vibration belly 16 is formed.
  • the first and second modes of vibration are the dominant modes of vibration.
  • the deflected blades 11 off FIGS. 1 and 2 are recorded at the same time of the oscillation process.
  • the voltages of the first and second modes of vibration result in a superposition of the two modes of vibration at least partial cancellation of the stresses on the leading edge 5 and / or at the trailing edge 6 in the region of the blade root 3.
  • the leading edge 5 and the trailing edge 6 in the region of the blade root 3 are the locations of the blade 1, which in a vibration process are the strongest voltage, ie it is here the life-sustaining locations 17 of the blade. 1
  • the procedure for laying out the blade 1 is to be carried out as follows: determining a blade geometry and material properties of the blade 1; Defining the vibration excitation at the blade root 3 of the blade 1 as a periodically occurring tangential graspstraddling as a boundary condition and computationally determining the vibration excitation following vibration process of the blade 1 by a finite element 9 method, being specified as a further boundary condition of the blade root as a fixed end; Determining modal coordinates by decomposing the oscillation process into the ten lowest frequency oscillation modes; Calculating modal stress tensors of the blade 1 for each of the two lowest frequency vibration modes; Calculating stress tensors from the modal coordinates and the modal stress tensors of the two lowest frequency vibration modes; Modifying the blade geometry and / or the material properties such that the natural frequencies of the two low-frequency vibration modes are changed so that the voltages of the stress tensors on the blade root 3 of the blade 1 are lower than the voltages of the stress tensors on the blade

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Abstract

Ein Verfahren zum Auslegen einer Laufschaufel (1) für eine Axialströmungsmaschine weist die Schritte auf: Festlegen einer Schaufelgeometrie und Materialeigenschaften der Laufschaufel (1); Festlegen einer Schwingungsanregung am Schaufelfuß (3) der Laufschaufel (1) als Randbedingung und rechnerisches Bestimmen des auf die Schwingungsanregung folgenden Schwingungsvorgangs der Laufschaufel (1); Bestimmen von modalen Koordinaten durch Zerlegen des Schwingungsvorgangs in eine vorherbestimmte Anzahl der niederfrequentesten Schwingungsmoden; Rechnerisches Bestimmen von Modalspannungstensoren der Laufschaufel (1) für jede der zwei dominanten Schwingungsmoden; Rechnerisches Bestimmen von Spannungstensoren aus den modalen Koordinaten und den Modalspannungstensoren der zwei dominanten Schwingungsmoden; Verändern der Schaufelgeometrie und/oder der Materialeigenschaften derart, dass die modalen Eigenschaften der zwei dominanten Schwingungsmoden derart verändert werden, dass die Spannungen der Spannungstensoren am lebensdauerführenden Ort (15) der Laufschaufel (1) niedriger als die Spannungen der Spannungstensoren am lebensdauerführenden Ort (15) vor dem Verändern sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslegen einer Laufschaufel.
  • Zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kraftwerk wird herkömmlich ein elektrischer Generator von einer Dampfturbine angetrieben. Die Dampfturbine weist eine Turbinenwelle auf, auf der eine Vielzahl an Laufschaufeln angeordnet ist. Die Turbinenwelle ist zum Antreiben mit der Generatorwelle des Generators gekuppelt. Bei elektrischen Störfällen können Störungen auf die Generatorwelle übertragen werden, die sich bis zur Turbinenwelle fortpflanzen können. Die Störungen können entweder stoßartig, wie beispielsweise bei elektrischen Kurzschlüssen, oder periodisch, wie beispielsweise bei Schieflasten, auftreten. Die periodischen Störungen treten dabei entweder mit der Netzfrequenz oder mit einem Vielfachen der Netzfrequenz auf.
  • Die Störungen können zu Torsionsschwingungen sowohl der Generatorwelle als auch der Turbinenwelle führen. Die Torsionsschwingungen der Turbinenwelle können wiederum Schwingungen der Laufschaufel verursachen. Aufgrund der Schwingungen unterliegt die Laufschaufel einer Spannungsbelastung, die insbesondere am Schaufelfuß groß ist und zu einer Verminderung der Lebensdauer der Laufschaufel führen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Auslegen einer Laufschaufel zu schaffen, so dass die Spannungsbelastung der Laufschaufel aufgrund von Schwingungen der Laufschaufel vermindert wird und somit die Lebensdauer der Laufschaufel lang ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslegen einer Laufschaufel für eine Axialströmungsmaschine weist die Schritte auf: Festlegen einer Schaufelgeometrie und Materialeigenschaften der Laufschaufel; Festlegen einer Schwingungsanregung am Schaufelfuß der Laufschaufel als Randbedingung und rechnerisches Bestimmen des auf die Schwingungsanregung folgenden Schwingungsvorgangs der Laufschaufel; Bestimmen von modalen Koordinaten durch Zerlegen des Schwingungsvorgangs in eine vorherbestimmte Anzahl der niederfrequentesten Schwingungsmoden; Rechnerisches Bestimmen von Modalspannungstensoren der Laufschaufel für jede der zwei dominanten Schwingungsmoden; Rechnerisches Bestimmen von Spannungstensoren aus den modalen Koordinaten und den Modalspannungstensoren der zwei dominanten Schwingungsmoden; Verändern der Schaufelgeometrie und/oder der Materialeigenschaften derart, dass die modalen Eigenschaften der zwei dominanten Schwingungsmoden derart verändert werden, dass die Spannungen der Spannungstensoren am lebensdauerführenden Ort der Laufschaufel niedriger als die Spannungen der Spannungstensoren am lebensdauerführenden Ort vor dem Verändern sind.
  • Der Schwingungsvorgang lässt sich sowohl mit einer periodischen als auch mit einer stoßartigen Anregung rechnerisch bestimmen. Der rechnerisch bestimmte Schwingungsvorgang lässt sich durch eine Linearkombination in eine Mehrzahl von Schwingungsmoden zerlegen. Dabei weist jede der Schwingungsmoden eine charakteristische Eigenfrequenz auf. Die Koeffizienten der Linerkombination werden in den modalen Koordinaten gesammelt. Bei der Zerlegung des Schwingungsvorgangs in die Schwingungsmoden ist darauf zu achten, dass das Design der Schaufel die zwei dominanten Moden des Schwingungsvorgangs in ihren modalen Koordinaten mit entgegengesetzten Vorzeichen darstellt. Die zwei dominanten Schwingungsmoden weisen die betragsmäßig größten modalen Koordinaten auf. Gemäß der Erfindung werden die Modalspannungstensoren für jede der zwei dominanten Schwingungsmoden berechnet. In dem darauf folgenden Schritt wird die Überlagerung der Modalspannungstensoren der zwei Schwingungsmoden mit Hilfe der modalen Koordinaten rechnerisch bestimmt, wodurch die Spannungstensoren erhalten werden. Durch die entgegengesetzten Vorzeichen der zwei modalen Koordinaten heben sich die zwei Modalspannungstensoren bei der Überlagerung an gewissen Stellen der Laufschaufel zumindest teilweise auf, insbesondere am Schaufelfuß, so dass die Spannungen der Spannungstensoren gering sind.
  • Gemäß der Erfindung wird die Geometrie der Laufschaufel so verändert, dass die modalen Eigenschaften der zwei Schwingungsmoden derart verändert werden, dass die Abschwächung der Spannungen am lebensdauerführenden Ort der Schaufel zu geringeren Spannungen der Spannungstensoren als vor dem Verändern führt. Des Weiteren können die Materialeigenschaften, wie beispielsweise das Elastizitätsmodul, der Laufschaufel verändert werden. Denkbar ist, dass durch Wiederholen der Verfahrensschritte in einem iterativen Prozess die Schaufelgeometrie schrittweise bezüglich der im Schwingungsvorgang auftretenden Spannungen verbessert wird. Durch die Verringerung der Spannungen am lebensdauerführenden Ort ist die Lebensdauer der Laufschaufel vorteilhaft lang.
  • Bevorzugt sind die modalen Eigenschaften die Eigenfrequenzen, die Beteiligungsfaktoren und/oder die Modalspannungstensoren. Die Beteiligungsfaktoren geben dabei an, mit welchem Anteil die zwei Schwingungsmoden an dem Schwingungsvorgang beteiligt sind. Die wesentlichen Eigenschaften zur Verminderung der im Schwingungsvorgang auftretenden Spannungen sind die Eigenfrequenzen, weil sie leichter als die anderen Eigenschaften beeinflussbar sind.
  • Die Schwingungsanregung ist bevorzugt periodisch und die Eigenfrequenz der niederfrequenteren Schwingungsmode der zwei dominanten Schwingungsmoden niedriger und die Eigenfrequenz der höherfrequenteren Schwingungsmode der zwei dominanten Schwingungsmoden höher als die Frequenz der Schwingungsanregung ist. Somit ist vorteilhaft sichergestellt, dass es im Betrieb der die Laufschaufel aufweisenden Strömungsmaschine nicht zu einer Schwingungsanregung der Laufschaufel in einer ihrer Eigenfrequenzen kommt.
  • Die Schwingungsanregung ist bevorzugt eine tangentiale Fußpunktbeschleunigung, wodurch eine im Betrieb der Strömungsmaschine auftretende Rotorstrangschwingung simuliert wird. Es ist bevorzugt, dass beim rechnerischen Bestimmen des Schwingungsvorgangs am Schaufelfuß ein festes Ende als Randbedingung vorgegeben wird. Bevorzugtermaßen ist der lebensdauerführende Ort der am stärksten spannungsbelastete Ort der Laufschaufel, insbesondere ein Ort am Schaufelfuß. Das rechnerische Bestimmen des Schwingungsvorgangs, der Modalspannungstensoren und/oder der Spannungstensoren erfolgt bevorzugtermaßen durch eine Finite Elemente Methode. Bevorzugtermaßen werden beim rechnerischen Bestimmen des Schwingungsvorgangs, der Modalspannungstensoren und/oder der Spannungstensoren die im Betrieb der Laufschaufel auftretenden Fliehkräfte mit berücksichtigt.
  • Die Zerlegung des Schwingungsvorgangs erfolgt bevorzugt in die mindestens zehn niederfrequentesten Schwingungsmoden. Es hat sich überraschend ergeben, dass bei der Verwendung von zehn Schwingungsmoden bei der Zerlegung des Schwingungsvorgangs eine ausreichend hohe Genauigkeit beim rechnerischen Bestimmen der modalen Koordinaten erhalten wird.
  • Es ist bevorzugt, dass die Spannungen rechnerisch bestimmte Vergleichsspannungen sind, insbesondere Mises-Vergleichsspannungen. Vergleichsspannungen sind vorteilhaft gute Maße für die Spannungsbelastung der Laufschaufel und sind zudem anschaulichere Größen als die Spannungstensoren. Die Amplituden der Spannungen werden bevorzugt über eine oder mehrere Perioden der zwei dominanten Schwingungsmoden gemittelt.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Die Figuren zeigen eine perspektivische Ansicht einer Laufschaufel. Es zeigt
    • Figur 1
    die Laufschaufel im Ruhezustand sowie in einem Zustand während des Schwingungsvorgangs in der ersten Schwingungsmode und
    Figur 2
    die Laufschaufel im Ruhezustand sowie in einem Zustand während des Schwingungsvorgangs in der zweiten Schwingungsmode.
  • Wie es aus Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, weist eine Laufschaufel 1 ein Schaufelblatt 2 auf, welches an einem Schaufelfuß 3 fest angebracht ist und eine Vorderkante 5, eine Hinterkante 6 sowie eine vom Schaufelfuß 3 abgewandte Schaufelspitze 4 aufweist. Die zwei Seitenflächen der Laufschaufel 1 sind als eine Druckseite 7 und als eine Saugseite 8 bezeichnet. Im Betrieb ist die Laufschaufel 1 mit ihrem Schaufelfuß 3 fest an einer Welle (in den Figuren nicht gezeigt) einer Strömungsmaschine angebracht. Durch Torsionsschwingungen der Welle kann die Laufschaufel 1 in einen Schwingungsvorgang versetzt werden.
  • Zum Berechnen des Schwingungsvorgangs ist die Laufschaufel 1 in eine Vielzahl von Finiten Elementen 9 unterteilt. Als Randbedingung zum Berechnen des Schwingungsvorgangs ist der Schaufelfuß 3 als ein festes Ende vorgegeben, wohingegen die Schaufelspitze 4 als ein loses Ende vorgegeben ist. Als Schwingungsanregung ist eine Beschleunigung vorgegeben, die an einem Punkt des Schaufelfußes 3 angreift und tangential zur Oberfläche der Welle gerichtet ist. Die Schwingungsanregung kann sowohl stoßartig, d.h. als einmaliges Ereignis, als auch periodisch als Randbedingung zum Berechnen des Schwingungsvorgangs vorgegeben werden. Im Falle der periodischen Schwingungsanregung ist die Frequenz der Schwingungsanregung die Netzfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz.
  • In Figur 1 ist der Schwingungsvorgang der Laufschaufel 1 nach der ersten Schwingungsmode dargestellt. Die erste Schwingungsmode ist durch die niederfrequenteste Eigenfrequenz der Laufschaufel 1 charakterisiert. Figur 1 zeigt die Laufschaufel 1 in ihrer Ruhelage 10 (durchgezogene Linien) sowie eine ausgelenkte Laufschaufel 11 (gestrichelte Linien). Der Schwingungsvorgang gemäß der ersten Schwingungsmode ist durch einen Schwingungsknoten 12 am Schaufelfuß 3 charakterisiert. Die Auslenkung 15 der Laufschaufel 1 ist an der Schaufelspitze 4 maximal.
  • In Figur 2 ist der Schwingungsvorgang der Laufschaufel 1 nach der zweiten Schwingungsmode dargestellt. Die zweite Schwingungsmode ist dabei die Schwingungsmode mit der zweitniedrigsten Eigenfrequenz der Laufschaufel 1. Ebenfalls dargestellt ist die Ruhelage 10 (durchgezogene Linien) der Laufschaufel 1 sowie eine ausgelenkte Laufschaufel 11 (gestrichelte Linien). Der Schwingungsvorgang nach der zweiten Schwingungsmode ist durch zwei Schwingungsknoten charakterisiert, nämlich einen ersten Schwingungsknoten 12 am Schaufelfuß 3 und einen zweiten Schwingungsknoten 14, der radial etwas außenseitig von der Mitte des Schaufelblatts 2 in radialer Richtung angeordnet ist. Zwischen dem ersten Schwingungsknoten 13 und dem zweiten Schwingungsknoten 14 ist ein Schwingungsbauch 16 ausgebildet. In dem hier dargestellten Beispiel sind die erste und die zweite Schwingungsmode die dominanten Schwingungsmoden.
  • Die ausgelenkten Laufschaufeln 11 aus Figuren 1 und 2 sind zu einem gleichen Zeitpunkt des Schwingungsvorgangs aufgenommen. Bei einem Vergleich der ausgelenkten Laufschaufeln 11 aus Figuren 1 und 2 fällt auf, dass die Auslenkungen 15 der Laufschaufeln 1 an der Schaufelspitze 4 nach entgegengesetzten Seiten zur Ruhelage 10 erfolgen. Die Spannungen der ersten und der zweiten Schwingungsmode führen bei einer Überlagerung der beiden Schwingungsmoden zumindest zu einer teilweisen Aufhebung der Spannungen an der Vorderkante 5 und/oder an der Hinterkante 6 im Bereich des Schaufelfußes 3. Die Vorderkante 5 und die Hinterkante 6 im Bereich des Schaufelfußes 3 sind die Stellen der Laufschaufel 1, die bei einem Schwingungsvorgang am stärksten spannungsbelastet sind, d.h. es handelt sich hier um die lebensdauerführenden Orte 17 der Laufschaufel 1.
  • Das Verfahren zum Auslegen der Laufschaufel 1 ist wie folgt durchzuführen: Festlegen einer Schaufelgeometrie und Materialeigenschaften der Laufschaufel 1; Festlegen der Schwingungsanregung am Schaufelfuß 3 der Laufschaufel 1 als eine periodisch auftretende tangentiale Fußpunktbeschleunigung als Randbedingung und rechnerisches Bestimmen des auf die Schwingungsanregung folgenden Schwingungsvorgangs der Laufschaufel 1 durch eine Finite Elemente 9 Methode, wobei als weitere Randbedingung der Schaufelfuß als ein festes Ende vorgegeben wird; Bestimmen von modalen Koordinaten durch Zerlegen des Schwingungsvorgangs in die zehn niederfrequentesten Schwingungsmoden; Rechnerisches Bestimmen von Modalspannungstensoren der Laufschaufel 1 für jede der zwei niederfrequentesten Schwingungsmoden; Rechnerisches Bestimmen von Spannungstensoren aus den modalen Koordinaten und den Modalspannungstensoren der zwei niederfrequentesten Schwingungsmoden; Verändern der Schaufelgeometrie und/oder der Materialeigenschaften derart, dass die Eigenfrequenzen der zwei niederfrequentesten Schwingungsmoden derart verändert werden, dass die Spannungen der Spannungstensoren am Schaufelfuß 3 der Laufschaufel 1 niedriger als die Spannungen der Spannungstensoren am Schaufelfuß 3 vor dem Verändern sind, wobei die Spannungen rechnerisch bestimmte Vergleichsspannungen, insbesondere Mises-Vergleichsspannungen sind, die über eine Periode der niederfrequentesten Schwingungsmode gemittelt sind.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Auslegen einer Laufschaufel (1) für eine Axialströmungsmaschine mit den Schritten:
    - Festlegen einer Schaufelgeometrie und Materialeigenschaften der Laufschaufel (1);
    - Festlegen einer Schwingungsanregung am Schaufelfuß (3) der Laufschaufel (1) als Randbedingung und rechnerisches Bestimmen des auf die Schwingungsanregung folgenden Schwingungsvorgangs der Laufschaufel (1);
    - Bestimmen von modalen Koordinaten durch Zerlegen des Schwingungsvorgangs in eine vorherbestimmte Anzahl der niederfrequentesten Schwingungsmoden;
    - Rechnerisches Bestimmen von Modalspannungstensoren der Laufschaufel (1) für jede der zwei dominanten Schwingungsmoden;
    - Rechnerisches Bestimmen von Spannungstensoren aus den modalen Koordinaten und den Modalspannungstensoren der zwei dominanten Schwingungsmoden;
    - Verändern der Schaufelgeometrie und/oder der Materialeigenschaften derart, dass die modalen Eigenschaften der zwei dominanten Schwingungsmoden derart verändert werden, dass die Spannungen der Spannungstensoren am lebensdauerführenden Ort (15) der Laufschaufel (1) niedriger als die Spannungen der Spannungstensoren am lebensdauerführenden Ort (15) vor dem Verändern sind.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    wobei die modalen Eigenschaften die Eigenfrequenzen, die Beteiligungsfaktoren und/oder die Modalspannungstensoren sind.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2,
    wobei die Schwingungsanregung periodisch ist und die Eigenfrequenz der niederfrequenteren Schwingungsmode der zwei dominanten Schwingungsmoden niedriger und die Eigenfrequenz der höherfrequenteren Schwingungsmode der zwei dominanten Schwingungsmoden höher als die Frequenz der Schwingungsanregung ist.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei die Schwingungsanregung eine tangentiale Fußpunktbeschleunigung ist.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei beim rechnerischen Bestimmen des Schwingungsvorgangs am Schaufelfuß (3) ein festes Ende als Randbedingung vorgegeben wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei der lebensdauerführende Ort (15) der am stärksten spannungsbelastete Ort der Laufschaufel (1) ist, insbesondere ein Ort am Schaufelfuß (3).
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
    wobei das rechnerische Bestimmen des Schwingungsvorgangs, der Modalspannungstensoren und/oder der Spannungstensoren durch eine Finite Elemente (9) Methode erfolgt.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei beim rechnerischen Bestimmen des Schwingungsvorgangs, der Modalspannungstensoren und/oder der Spannungstensoren die im Betrieb der Laufschaufel auftretenden Fliehkräfte mit berücksichtigt werden.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
    wobei die Zerlegung des Schwingungsvorgangs in die mindestens zehn niederfrequentesten Schwingungsmoden erfolgt.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
    wobei die Spannungen rechnerisch bestimmte Vergleichsspannungen sind,
    insbesondere Mises-Vergleichsspannungen.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10,
    wobei die Amplituden der Spannungen über eine oder mehrere Perioden der zwei dominanten Schwingungsmoden gemittelt werden.
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