-
Technisches
Gebiet
-
Die Erfindung betrifft einen Schaufel-Schwingungsdämpfer zur
Dämpfung
von Schaufelschwingungen von Laufschaufeln gemäss den Merkmalen des Oberbegriffes
des Patentanspruches 1.
-
Um die Schwingungen bzw. Vibrationen
von Laufschaufeln in Turbinen oder Verdichtern axialer Bauweise
zu dämpfen
werden bereits seit längerem
Schaufel-Schwingungsdämpfer
eingesetzt, deren Dämpfungsprinzip
auf der Vernichtung der Schwingungsenergie durch Reibung basiert.
Derartige Dämpfer
werden beispielsweise in Flugzeugtriebwerken, in Axialturbinen von
Gasturbinen, eingesetzt. Beispiele für solche, auf dem Prinzip der
Reibung basierende Schaufel-Schwingungsdämpfer sind z. B.
aus
EP-A-0 918 139 und
US-A-3 666 376 bekannt.
Die Schaufel-Schwingungsdämpfer
werden zwischen benachbarten Laufschaufeln eingebaut und durch die
während
des Betriebes auftretende Fliehkraft an die Schaufeln angepresst.
Werden die Schaufeln zu Schwingungen angeregt, tritt an der Kontaktstelle
zwischen Schaufel und Schaufel-Schwingungsdämpfer Gleitreibung auf, die
zu einer Dämpfung
der Schwingung führt.
Eine wesentliche Kenngrösse für einen
effizient arbeitenden Dämpfer
ist das Produkt aus Normalkraft an der Kontaktstelle und dem Reibungskoeffizienten
des Dämpfers.
Die Normalkraft ist ihrerseits im wesentlichen durch die Masse des
Dämpfers
und die Beschleunigung in Richtung der Normalkraft infolge der Rotation
bestimmt. Für
jeden Anwendungsbereich gibt es einen optimalen Wert für das Produkt
aus Normalkraft und Reibungskoeffizient und damit auch für die Masse
des Dämpfers.
Au sserdem muss der Dämpfer
in Richtung der Schwingungsauslenkung eine möglichst hohe Steifigkeit aufweisen,
um effizient arbeiten zu können.
Um diesen Materialanforderungen gerecht zu werden, werden bisher
metallische Werkstoffe wie Stahl oder je nach Einsatztemperatur
des Dämpfers
auch Nickelbasis-Lagierungen eingesetzt, wie dies beispielsweise
auch in
US-A-4 101 245 beschrieben ist.
-
Die ständig steigenden Anforderungen
für Laufräder in Turbinen
und Verdichtern führen
zu Konstruktionen, bei denen die Anforderungen an die Steifigkeit
der Schaufel-Schwingungsdämpfer steigt,
wobei gleichzeitig eine immer geringere Dichte der Dämpfer gefordert
wird. Bei sehr steifen Laufschaufeln, bei denen die Schaufel-Schwingungsdämpfer radial
innen, unter der Plattform der Laufschaufeln in einem Dämpfungshohlraum
angeordnet sind, ist es mit den bekannten Mitteln kaum mehr möglich Dämpfer mit
genügender
Steifigkeit und genügend
kleiner Masse herzustellen.
-
Darstellung
der Erfindung
-
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung,
Schaufel-Schwingungsdämpfer
der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei hoher Steifigkeit
eine geringe Masse aufweisen.
-
Diese Aufgabe löst ein Schaufel-Schwingungsdämpfer mit
den Merkmalen des Patentanspruches 1.
-
Der Schaufel-Schwingungsdämpfer ist,
wie bekannt, zwischen benachbarten Laufschaufeln des Rotors angeordnet
und steht während
des Betriebes infolge der auftretenden Fliehkräfte in Reibkontakt mit den Laufschaufeln.
Der erfindungsgemässe
Schaufel-Schwingungsdämpfer ist
im wesentlichen aus einem nichtmetallischen, leichten, steifen Werkstoff
hergestellt und ist damit hervorragend geeignet, um Schaufelschwingungen
von Laufschaufeln axial überströmter Rotoren
zu dämpfen.
-
Besitzt der nichtmetallische Werkstoff
ein Verhältnis
von Elastizitätsmodul „E" zur Dichte „p", der grösser ist
als 25 × 106 m2/s2, so weist er ein Verhältnis von Steifigkeit zu Dichte
auf, das bestens geeignet ist, auch bei hohen Anforderungen an den
Rotor, eine hohe Lebensdauer und gute Dämpfungseigenschaften zu vereinigen.
-
Besonders günstig ist die Wahl eines keramischer
Werkstoffes. Dies vor allem dort, wo geringe Reibungskoeffizienten
gefragt sind und/oder bei sehr hohen Einsatztemperaturen bis über 700°C. Als besonders vorteilhaft
haben sich Schaufel-Schwingungsdämpfer
aus Siliziumkarbid bzw. Siliziumnitrid erweisen.
-
Ebenfalls sehr vorteilhaft kann der
Schaufel-Schwingungsdämpfer
aus einem Fasenverbundwerkstoff hergestellt werden. Als besonders
günstig
hat sich die Wahl von Kohlefasern und/oder Glasfasern als Faserwerkstoff
in dem Verbundwerkstoff herausgestellt. Der Anteil der Verstärkungsfasern
am Gesamtvolumen beträgt
etwa 30 vol.-%. bis 70 vol.-%. und bewegt sich insbesondere in einem
Bereich von 40 vol.-% bis 60 vol.-%. Schaufel-Schwingungsdämpfer aus einem Faserverbundwerkstoff
sind günstig
in der Herstellung und bestens geeignet für den Einsatz bei mittleren
und tiefen Temperaturen.
-
Sind die im Faserverbundwerkstoff
verwendeten Fasern unidirektional, so lässt sich die Steifigkeit gezielt
in der gewünschten
Richtung erhöhen.
Besonders günstig
ist es beispielsweise, wenn die Fasern unidirektional etwa in Reibungsrichtung
ausgerichtet sind. Die Fasern liegen dabei vorzugsweise in Form
kontinuierlicher Fasern oder in Form eines Gewebes vor.
-
Als Matrix des Faserverbundwerkstoffes
sind für
Temperaturen bis 200°C
Epoxidharze besonders gut geeignet oder für Temperaturen bis zu 400°C thermoplastische
Materialien, wie insbesondere PEEK.
-
Ein Rotor, bei dem erfindungsgemässe Schaufel-Schwingungsdämpfer radial
innen, unterhalb von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Plattformen
der Laufschaufeln angeordnet sind, weist besonders tiefe Schwingungsamplitude
der Laufschaufeln und damit eine höhere Lebensdauer derselben
auf.
-
Auch die Schaufeln von Rotoren, bei
denen die erfindungsgemässen
Schaufel-Schwingungsdämpfer in
Nuten von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Konsolen angeordnet
sind, weisen sehr günstige
Schwingungswerte und eine höhere
Lebensdauer auf.
-
Weitere bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand weiterer abhängiger
Patentansprüche.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand
anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen,
welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es
zeigen rein schematisch:
-
1 einen
Teil eines Rotors im Schnitt quer zu seiner Rotationsachse mit erfindungsgemässem Schaufel-Schwingungsdämpfer;
-
2 in
Vergrösserung
den Bereich mit dem Schaufel-Schwingungsdämpfer aus 1 mit einem Schaufel-Schwingungsdämpfer leicht
abgewandelter Geometrie ;
-
3 in
einer analogen Darstellungsweise zu 1 eine
andere Ausführungsform
eines Rotors mit einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfers;
-
4 in
Vergrösserung
den Bereich mit dem Schaufel-Schwingungsdämpfer aus 3; und
-
5 ein
Beispiel für
einen Faserverbundwerkstoff mit unidirektional ausgerichtete Fasern,
wie er zur Herstellung eines erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfers verwendet
werden kann;
-
6 ein
Beispiel für
einen Faserverbundwerkstoff mit einer Gewebeverstärkung, wie
er zur Herstellung eines erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfers verwendet
werden kann; und
-
7a, 7b weitere Ausführungsformen
des erfindungsgemässen
Schaufel-Schwingungsdämpfers.
-
Die in den Zeichnungen verwendeten
Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste
zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren
gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebene
Ausführungsform
steht beispielhaft für
den Erfindungsgegenstand und hat keine beschränkende Wirkung.
-
Wege zur Ausführung der
Erfindung
-
Die 1 und 3 zeigen jeweils einen Teil
eines Rotors 10, 10' im
Schnitt durch seine Drehachse (nicht dargestellt). Der Rotor 10, 10' weist eine
Rotorscheibe 12 auf, in der Laufschaufeln 14 befestigt
sind. Für
die Befestigung sind die Laufschaufeln 14 mit ihren Schaufelfüssen 16 axial
in dafür
vorgesehenen, sich axial erstreckende Radialnuten 17 der
Rotorscheibe 12 eingeschoben. Die Schaufelblätter 18 der
Laufschaufeln 14 stehen radial nach aussen von der Rotorscheibe 12 ab.
Die Laufschaufeln 14 weisen benachbart zur Oberfläche der
Rotorscheibe 12 Plattformen 20 auf, die sich jeweils
von den Schaufeln 14 weg in Umfangsrichtung erstrecken.
-
In 1 begrenzen
die Plattformen 20 je zweier benachbarter Laufschaufeln 14 zusammen
mit der Rotorscheibe 12 einen Dämpfungshohlraum 22.
In anderen Ausführungsformen
des Rotors kann der Dämpfungshohlraum 22 ausserdem
noch von weiteren Bauelementen, wie beispielsweise den Schaufelfüssen 16 begrenzt
sein. Im Dämpfungshohlraum 22 ist
radial innen, unterhalb der Plattformen 20 ein erfindungsgemässer Schaufel-Schwingungsdämpfer 24 aus
einem keramischem Werkstoff, in diesem speziellen Beispiel aus Siliziumkarbid
an geordnet, der zur Dämpfung
der während
des Betriebes auftretenden Schwingungen der Laufschaufeln 14 dient.
Je nach den spezifischen Anforderungen könnte hier als keramischer Werkstoff
auch Siliziumnitrid eingesetzt sein, oder aber ein Faserverbundwerkstoff,
wie er weiter unten beschrieben ist. Die radial innen liegenden
Oberflächen
der Plattformen 20 bilden Reibungskontaktflächen 26,
die während
des Betriebes mit den Reibflächen 27 der
erfindungsgemässen
Schaufel-Schwingungsdämpfer 24 in
Reibkontakt stehen. In 2 ist
dies deutlich zu erkennen. Durch die Reibung zwischen den Reibflächen 27 der
erfindungsgemässen
Schaufel-Schwingungsdämpfer 24 und
den Reibkontaktflächen 26 der
Laufschaufeln 14 wird während
des Betriebes Schwingungsenergie vernichtet und dadurch die Schwingung
der Laufschaufeln gedämpft und
so deren Lebensdauer erhöht.
-
Bei der in den 3 und 4 gezeigten
Ausführungsform
des Rotors 10' ist,
im Gegensatz zu der Ausführungsform
des Rotors 10 in den 1 und 2 der Dämpfungshohlraum 22 nicht
im Bereich zwischen den Plattformen 20 und der Rotorscheibe 12 angeordnet,
sondern im Bereich der Schaufelspitzen 28. Die Laufschaufeln 14 weisen
im Bereich ihrer Schaufelspitzen 28 sich in Umfangsrichtung
erstreckende Konsolen 30, auch Deckplatten genannt, auf,
die primär
der Strömungsführung im
Bereich der Schaufelspitzen 28 dienen sollen. Wie in der
vergrösserten
Darstellung der 4 deutlich
erkennbar, weisen die Konsolen 30 jeweils Konsolennuten 32 auf,
die sich ebenfalls in Umfangsrichtung erstrecken und deren Öffnungen
aufeinander zu weisen. Die Konsolennuten 32 begrenzen zusammen
wiederum einen Dämpfungshohlraum 22,
der je einen Schaufel-Schwingungsdämpfer 24` aufnimmt.
Die radial gegen innen ausgerichteten Oberflächen der Konsolennuten 32 dienen
als Reibkontaktflächen 26 und
stehen während
des Betriebes mit den Reibflächen 27 der Schaufel-Schwingungsdämpfer 24' in Reibkontakt.
Entsprechend der spezifischen Anforderungen im Bereich der Schaufelspitzen
sind die hier eingesetzten Schaufel-Schwingungsdämpfer 24' aus einem Faserverbundwerkstoff
gefertigt. Aber auch hier ist es natürlich je nach Anforderungsprofil
denkbar keramische Schaufel-Schwingungsdämpfer einzusetzen.
-
Insbesondere bei Laufschaufeln 14 mit
einer grossen radialen Länge
können
Konsolen 30, wie sie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben
sind, auch im Bereich zwischen den Schaufelspitzen 28 und
den Plattformen 20 ausgebildet sein. Solche Konsolen 30 werden dann
nicht Deckplatten genannt und dienen im Gegensatz zu den Deckplatten
nicht der Strömungsführung sondern
der Stabilisierung der Schaufeln. Aber auch solche Konsolen 30 können zur
Aufnahme von Schaufel-Schwingungsdämpfern 24, 24' eine entsprechende in
Umfangsrichtung ausgerichtete Nut 32 aufweisen.
-
Erfindungsgemäss ist der in den 3 und 4 gezeigte Schaufel-Schwingungsdämpfer 24' aus einem faserverstärkten Kunststoff
hergestellt. Ein Beispiel für
einen unbearbeiteten Materialblock, aus dem ein erfindungsgemässer Schaufel-Schwingungsdämpfer 24', beispielsweise
durch Fräsen
gewonnen werden kann, ist in 5 gezeigt.
Als Verstärkungsfasern
dienen in diesem Fall kontinuierliche, unidirektional ausgerichtete Kohlefasern 42,
die in einer Matrix 44 aus PEEK eingebettet sind und zwar
mit einem Volumenanteil von etwa 60 vol.-%. Der Schaufel-Schwingungsdämpfer 24' wird derart
aus dem Materialblock herausgearbeitet, dass die Fasern etwa in
Reibrichtung ausgerichtet sind. Statt der unidirektionalen Fasern 42 können auch
Gewebe 46 in die Matrix 44 eingebettet sein, wie
dies in 6 veranschaulicht
ist. In beiden Fällen
können
statt PEEK als Matrix 44 natürlich auch andere thermoplastische
Kunststoffe, wie aromatische Polyetherketone und Polyimide, oder
aber Epoxidharze verwendet werden. Statt der Kohlefasern 42 können auch
Glasfasern und/oder Aramidfasern oder auch ein Gemisch aus diesen
Fasern zum Einsatz kommen. Besonders bei Geweben 46 ist
es möglich
entsprechend der auftretenden Reibrichtungen zwischen den Reibkontaktflächen 26 der
Laufschaufeln 14 und den Reibflächen 27 der Schaufel-Schwingungsdämpfer 24' die Fasern
der einen Richtung steifer, z. B. in
Form von dickeren Faserbündeln,
und die der anderen Richtung etwas weniger steif, in Form von dünneren Faserbündeln, auszugestalten.
Unterschiedliche Steifigkeiten lassen sich aber z. B.
auch durch die Verwendung von Kohlefasern in der einen und von Glasfasern
in der anderen Richtung erreichen. Auch Laminate aus mehreren Schichten
und somit mit mehr als zwei Richtungen von unidirektionalen Fasern
sind für
die Schaufel-Schwingungsdämpfer
aus Faserverbundwerkstoffen geeignet. Bei in Schichten aufgebauten Schaufel-Schwingungsdämpfern 24, 24' ist es auch
denkbar zur Verstärkung
dünne Metallschichten
zwischen den nichtmetallischen Schichten vorzusehen.
-
Bei speziellen Anforderungen an den
Reibungskoeffizienten ist es möglich
die Reibfläche
27, 27' der Schaufel-Schwingungsdämpfer 24, 24' mittels einer
speziellen Reibschicht 29 zu bilden, wie dies in den 7a, 7b gezeigt ist. Als Reibschicht 29 kann
eine dünne
Metallschicht mit dem Körper 31 des
Schaufel-Schwingungsdämpfers 24, 24' verbunden werden
(7a). Ebenso kann diese
Reibschicht 29 aber auch gebildet werden durch das disperse
Einbringen spezieller Komponenten, wie z. B.
Blei, PTFE oder ähnlichem zur
Minderung des Reibungskoeffizienten oder aber harter Metalle oder
Kunststoffe zur Erhöhung
des Reibungskoeffizienten, in die oberste Schicht des Körpers 31 des
Schaufel-Schwingungsdämpfers 24, 24' (7b). Dabei spielt es jeweils
keine Rolle ob der Körper 31 des
Schaufel-Schwingungsdämpfers 24, 24' aus einem keramischen
Werkstoff (7a) oder
einem Faserverbundwerkstoff (7b)
besteht. Eine Verbindung zwischen einer metallischen Reibschicht 29 und
a) einem keramischen Körper 31 kann
beispielsweise durch Kleben oder Löten, und b) einem Körper aus
Faserverbundwerkstoff kann beispielsweise durch Kleben oder Pressschweissen
erfolgen.
-
Der Vorteil des erfindungsgemässen Schaufel-Schwingungsdämpfers 24, 24' aus im wesentlichen
einem nicht metallischen Werkstoff liegt in seiner geringen Masse
und seiner hohen Steifigkeit, was zu einem idealen Verhältnis von
E-Modul und Dichte ρ,
führt.
Dies gilt selbst bei Wahl einer metallischen Reibschicht 29 oder
dünnen
metallischen Zwischenschichten im Körper 31 des Schaufel-Schwingungsdämpfer 24, 24', da die Masse
eines solchen Schaufel-Schwingungsdämpfer 24, 24' immer noch
viel geringer ist als die Masse eines ganz aus Metall gefertigten
Schaufel-Schwingungsdämpfers,
wie er heute eingesetzt wird. Dass Verhältnis von E-Modul und Dichte ρ ist jeweils
grösser
als 30∙106 m2/s2. Dabei ist durch entsprechende Wahl des
nichtmetallischen Materials, d. h.
der Keramik oder des Faserverbundwerkstoffes, der Art der Keramik
bzw. der Zusammensetzung des Faserverbundwerkstoffes (Kohle- und/oder
Glas- und/oder Aramidfaser, Anteil 30–70 vol.-%, Länge, Ausrichtung
und Volumenanteil der Fasern, Epoxidharz oder thermoplastisches
Kunststoff als Matrix) und der Ausgestaltung der Reibschicht 29 eine
individuelle Anpassung auch an sehr hohe Anforderungen, z. B.
bezüglich
Steifigkeit, Masse, Reibungskoeffizient und Temperaturbeständigkeit
möglich.
-
In der unten gezeigten Tabelle 1
sind beispielhaft für
erfindungsgemässe
nichtmetallische Werkstoffe der E-Modul, die Dichte, und das Verhältnis von
E-Modul zu Dichte für
einige ausgewählte
Materialien im Vergleich mit den typischen Werten für sonst
verwendeten Stahl bzw. Nickelbasislegierung angegeben.
-
-
Es ist selbstverständlich,
dass die geometrische Form der Schaufel-Schwingungsdämpfer
24,
24' nicht auf die
gezeigten Formen beschränkt
ist, sondern beliebig ist. So können
z. B. Formen, wie sie in
US-A-4 101 245 ,
EP-A-O 918 139 und
US-A-3 666 376 beschrieben
sind, erfindungsgemäss
aus nichtmetallischen Werkstoffen hergestellt sein.
-
Zur Dämpfung der Schaufelschwingungen
werden die erfindungsgemässen
Schaufel-Schwingungsdämpfer 24, 24' in bekannter
Weise während
des Betriebes durch die auftretenden Fliehkräfte von radial innen gegen
die Reibkontaktflächen 26, 26' der Laufschaufeln 14 gedrückt und
stehen so mit diesen in Reibkontakt, so dass sie ihre dämpfende
Wirkung entfalten können.
-
- 10,
10'
- Rotor
- 12
- Rotorscheibe
- 14
- Laufschaufel
- 16
- Schaufelfuss
- 17
- Radialnut
- 20
- Schaufelblatt
- 20
- Plattform
- 22
- Dämpfungshohlraum
- 24,
24'
- Schaufel-Schwingungsdämpfer
- 26
- Reibkontaktflächen
- 27
- Reibfläche
- 28
- Schaufelspitze
- 29
- Reibschicht
- 30
- Konsole
- 31
- Körper
- 32
- Konsolennuten
- 42
- Kohlefaser
- 44
- Matrix
- 46
- Gewebe