DE2729340A1

DE2729340A1 - Vorrichtung zur schwingungsdaempfung an laeufern von turbomaschinen

Info

Publication number: DE2729340A1
Application number: DE19772729340
Authority: DE
Inventors: Bernard Dr Ing Becker
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1977-06-29
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1979-01-04
Also published as: CH633076A5; SE7807041L; AT363102B; DE2729340C3; US4181038A; DE2729340B2; SE426090B; ATA310178A; IN150116B

Description

KRAFTWERK UNION AKTIiUVGESELLSCHAi¹T Unser Zeichen Mülheim a. d. Ruhr - 3 ~ ^VPA 77 ^p 9^3 ^BRD

Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung an Läufern von Turbomaschinen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung an Läufern von Turbomaschinen, die aus mehreren Läuferscheiben zusammengesetzt und von einem diese durchdringenden Zuganker kraftschlüssig verspannt sind und im Ringspalt zwischen dem Zuganker und dem Innenumfang der Läuferscheiben fliehkraftabhängig wirkende Dämpfungselemente aufweisen.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DT-PS 2 034 088 bekannt. Dabei sind zwischen dem Zuganker und den Läuferscheiben sich bei Fliehkraft aufweitende, axial geteilte Schalen angeordnet, die bei Betrieb der Maschine einen Kontakt zwischen Zuganker und Läuferscheiben herstellen. Eine derartige kraftschlüssige Verbindung zwischen Zuganker und Läuferscheiben ist erforderlich, da die Scheibe sich unter der Fliehkraftwirkung ausdehnt, der Zugankerdurchmesser sich jedoch durch Querkontraktion vermindert. Da die Temperaturdehnungen von Läuferscheiben, Verbindungselementen und Zuganker nicht gleich sind und zudem axiale Verschiebungen auftreten, muß das Dämpfungselement erhebliche Spaltveränderungen überbrücken, ohne den festen Kontakt mit einem oder beiden Teilen zu verlieren. Bei der bekannten Anordnung wird die Anpreßkraft an mindestens einer Kontaktfläche durch Verformung des Dämpfungselementes unter Fliehkraftwirkung erzielt. Da für diese Verformung ein Teil der Fliehkraft verbraucht wird bzw. die zulässige oder mögliche Verformung begrenzt ist, kann

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l± . VPA 77 P 9465 BRJD die verbleibende Restanlagekraft bei schnellen Temperaturänderungen oder kleiner Drehzahl vollständig aufgezehrt und die Dämpfung somit zeitweise unwirksam werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung zu schaffen, bei der Kraftwirkun£;en erzeugt werden, die von Verformungen und Spaltveränderungen nahezu unabhängig sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Dämpfungselemente aus gleichmäßig am Umfang des Ringspaltes verteilten Ringsegmenten bestehen und über je eine diskrete, streifenförmige Anlagefläche auf der Innen- und der Außenumfangsfläche an der Läuferscheibe bzw. dem Zuganker anliegen, daß die Anlageflächen in Längsrichtung der Ringsegmente voneinander beabstandet und in einem derartigen Bereich der Ringsegmente angeordnet sind, daß der Schwerpunkt des Ringsegmentes außerhalb des Bereichs der Anlageflachen liegt.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn der Abstand der Anlageflächen voneinander kleiner ist als der Abstand der radial außenliegenden Anlagefläche vom Schwerpunkt des Ringsegmentes. Darüber hinaus können sich die Ringsegmente zum freien Ende in der Art verjün-S^eni d-aß sich allein auf der Oberseite der Ringsegmente ein zum freien Ende hin vergrößernder Radialspalt ergibt.

Durch diese Ausgestaltung der Dämpfungselemente wird erreicht, daß die Fliehkraft außerhalb des Bereichs der Anlageflächen im Schwerpunkt der Dämpfungselemente angreift und diese somit sowohl an die jeweilige Läuferscheibe wie auch an den Zuganker andrücken, wobei die beiden Auflagekräfte größer sind als die Fliehkraft. Da die Zentrifugalbeschleunigung in Turbomaschinen sehr viel größer als die Erdbeschleunigung ist, lassen sich somit sehr große Anpreßkräfte bei vergleichsweise kleinem Dämpfungselementgewicht erzielen.

Es sind dabei zwei grundsätzlich verschiedene Ausführungsformen

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~ 5"- ^VPA ⁷⁷ ^{ρ 9}^^{65 BRD}

bei gleichem Wirkungsprinzip möglich. Einmal können die Anlageflächen durch sich über die Brei be des Ringsegmentes erstreckende, in radialer Richtung vorspringende Ansätze gebildet und in Umfangsrichtung derart gegeneinander versetzt sein, daß der Abstand des radial innenliegenden Ansatzes zum Schwerpunkt größer ist als der des radial außenliegenden Ansatzes. Zum anderen ist es aber auch möglich, daß die Anlageflachen in Umfangsrichtung der Ringsegmente verlaufen und auf ihrer Innenseite durch einen im Bereich des einen Endes des Ringsegmentes anliegenden umlaufenden Bund am Zugbolzen und auf der außenllegenden Seite des Ringsegmentes durch einen Ln radialer Richtung vorspringenden, in Umfangsrichtung verlaufenden Ansatz gebildet sind.

Zur axialen Festlegung der Ringsegmente können diese breiter als die zugehörigen Läuferscheiben sein und an ihren axialen Stirnseiten die Läuferscheibeninnenkante umfassende Ansätze aufweisen. Es ist auch möglich, daß zur axialen Festlegung der Ringsegmente beiderseits derselben Wellenbunde am Zuganker vorgesehen sind. Ferner kann die axiale Breite der Ringsegmente geringer als die der Läuferscheiben sein, wobei die Läuferscheiben auf ihrem Innenumfang eine segmentbreite, umlaufende Nut zur axialen Festlegung der Ringsegmente aufweisen.

Die Lauferscheiben können aber auch auf ihrem Innenumfang eine umlaufende Ausnehmung zur Aufnahme des die Anlageflächen aufweisenden Abschnittes der Ringsegmente aufweisen, wobei das freie, mindestens auch den Schwerpunkt enthaltende Ende in axialer Richtung aus der Laufer3cheibe herausragt.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Ringspalt zwischen Zuganker und Läuferscheibe mit entsprechend angeordneten Dämpfungselementen;

Fig. 2 ein derartiges Dämpfungseiement in vergrößerter Darstellung;

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~ Q - VPA 77 P 94Γ>3 BRD Fig. 3 bis 5 verschiedene Arten der axialen Festlegung der Dämpfungselemente ;

Fig. 6 die Ausbildung eines Dämpfungselementea zur Erleichterung des Ein- und Ausbaues;

Fig. 7 einen Querschnitt durch den Ring3palt mit einer anderen Art von Dämpfungseiementen;

Fig. 8 einen Längsschnitt durch den Ringspalt mit einem Dämpfungselement nach Fig. 7 in vergrößerter Darstellung und

Fig. 9 ein weiteres Dämpfungselement entsprechend der Anordnung nach Fig. 7.

Wie aus dem Querschnitt nach Fig. 1 zu ersehen ist, sind im Ringspalt 1 zwischen dem Zuganker 2 und einer zugehörigen Läuferscheibe 3 beispielsweise acht Dämpfungselemente 4 angeordnet, die angenähert die Form eines Hingsegmentes aufweisen und über den größten Teil ihrer Länge eme geringere Höhe als die des Ringspaltes 1 haben. Die Einzelheiten eines derartigen Dämpfungselementes 4 sind dabei deui, I.' oher aus Fig. 2 zu erkennen. Das Dämpfungselement 4 weist im C-.ruich des einen Endes an der Innenumfangsflache 5 einen sich über die axiale Breite erstreckenden radialen Ansatz 6 auf, der mit dem Zuganker 2 eine Anlageflache 7 bildet. An der Außenumtλπι^ιlache 8 ist ein radialer Ansatz ^c) vorgesehen, der mit der Läufercoheibe 3 die Anlagefläche 10 bLLdet. Für die Funktionsweise des ÜämpfungseLementes 4 ist es dabei wesentlich, daß die beiden AnlagefLachen 7 und 10 auf einer Seite des Dämp !'ungfieLomentes 4 außerhalb der, Bereiches den Schwerpunkten 11 liegen. Die Auf Lagekräfte können dabei durch einfaches Anwenden der Sätze über das GLeichgewLcht der Kräfte und Momente berechnet werden, '.'ird die Geometrie dabei so gewählt, daß der· eingezeichnete Abstand b des Schwerpunktes 11 von der nach außen gerichteten Anlagefläche 10 größer ist als der Abstand a dor beiden Anlageflächen 7 und 10 voneinander, so sind die beiden Auflagekraft e Pr₇ und P^jQ größer als die im Schwerpunkt 11 angreifende Fliehkraft Pp. Bei Betrieb der Maschine wird also durch Einwirken

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- Sr- -^ - VPA 77 ρ 9463 brd

der Fliehkraft das Dämpfungseiement 4 praktisch um die Anlagefläche 10 gedreht, so daß stets eine feste Anlage des Dämpfungselementes 4 sowohl an der Läuferscheibe 3 als auch am Zuganker sicher gewährleistet ist. Da die Zentrifugalbeschleunigung dabei sehr viel größer ist als die Erdbeschleunigung, lassen sich somit sehr große Anpreßkräfte bei vergleichsweise kleinem Dämpfungsei ementgewicht erzielen. Durch eine gleichmäßige Verteilung dieser Dämpfungselemente 4 über den Umfang des Zugankers 2 können die einzelnen Kräfte so auf den Zuganker einwirken, daß die resultierende Kraftwirkung klein bleibt. Die Dämpfungswirkung entsteht dabei durch die bei jeder Relativbewegung zwischen Zuganker 2 und Läuferscheibe 4 erzeugten Reibungskräfte in den Auflageflächen 7 und 10. Unterschiedliche oder sich verändernde Spalte durch Fertigungstoleranzen, Dehnungen im Betrieb und Verschleiß werden durch eine Drehung der Dämpfungselemente 4 selbsttätig ausgeglichen. Auch axiale Verschiebungen zwischen Läuferscheibe und Zuganker bei der Montage und beim Betrieb werden nicht behindert. Darüber hinaus bleiben auch bei verminderter Drehzahl definierte Auflagekräfte in beiden Kontaktflächen erhalten.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn sich die Dämpfungselemente 4 zum freien Ende hin derart verjüngen, daß sich allein auf der Oberseite 8 der Ringsegmente ein zum freien Ende hin vergrößernder Radialspalt £ ergibt, d. h. daß die Außenumfangsflache 8 schwach

2^lj geneigt verläuft. Dieses Radialspiel c kann dabei so bemessen werden, daß die Summe aller auftretenden Spaltveränderungen durch Fertigungstoleranzen, instationäre Wärmedehnungen, Fliehkraftdehnung, Querkontraktion, Verformung und Verschleiß sich durch eine entsprechende Drehung der Dämpfungselemente 4 selbsttätig ausgleicht.

Zur Sicherung gegen axiale Verschiebungen und ein Herausfallen der Dämpfungselemente sind dabei mehrere Möglichkeiten gegeben. Nach Fig. 3 können beispielsweise die Dämpfungselemente 4 eine größere Breite als die der zugehörigen Läuferscheibe 3 aufweisen und mit radialen Ansätzen 12 und 13 an ihren Stirnseiten die Läuferscheibe 3 seitlich umfassen.

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—S * VPA 77 P 9463 BRD Nach dem Ausfuhrungsbeispiel in Fig. 4 können aber auch die Dämpfungselemente 4 eine geringere Breite als die zugehörige Läuferscheibe 3 aufweisen und in eine umlaufende Nut 14 am Innenumfang 15 der Läuferscheibe 3 eincesetzt sein.

Schließlich ist es aber auch noch möglich, daß entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 der Zuganker 2 seitlich der Dämpgungselemente 4 je einen Wellenbund 16 und 17 aufweist, der ein axiales Verschieben der Dämpfungselemente 4 verhindert.

Üblicherweise werden diese Dämpfungselemente 4 zunächst in die Innenbohrung der Läuferscheibe 3 eingesetzt, wobei die Dämpfungselemente 4 radial verlaufende Stirnflächen 18 und 19 aufweisen. Zweckmäßigerweise weist jedoch ein Schlußelement 4' - wie es in Fig. 6 dargestellt ist - parallelflankige Stirnflächen 20 und 21 auf, wobei auch die angrenzenden Stirnflächen 22 und 23 der Nachbarelemente 4 parallel zueinander verlaufen, so daß dieses Element 4' entsprechend dem angegebenen Pfeil 24 eingesetzt werden kann, wenn alle anderen Elemente 4 bereits in der Scheibe 3 suageordnet sind. Dadurch läßt sich das in Umfangsrichtung erforderliche Gesamtspiel bis auf das für die freie Bewegung der Dämpfungselemente notwendige Naß begrenzen, so daß durch eine Verschiebung dieser Elemente praktisch keine Unwucht entstehen kann.

Eine weitere prinzipielle Ausfuhrungsform der Dämpfungselemente ist in den Fig. 7 his 9 dargestellt. Dabei verlaufen die Anlageflächen 31 und 32 der ebenfalls ringsegmentförmig ausgebildeten Dämpfungselemente 30 nicht in axialer Richtung, wie nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, sondern in Umfangsrichtung des Ringspaltes. Die Anlagefläche 31 wird dabei durch einen an einem Ende des Dämpfungselementes 30 anliegenden Bund 33 des Zugankers 2 gebildet, während die außenliegende Anlagefläche 32 durch einen radialen Ansatz 34 an der Außenumfangsfläche 35 des Dämpfungselementes 30 gebildet ist. Dabei liegen auch hier die Anlageflächen 31 und 32 auf einer Seite des Dämpfungselementes 30 außerhalb des Bereiches des Schwerpunktes 36 und weisen eine derartige Geometrie auf, daß der Abstand b des Schwerpunktes 36 von der außenliegenden Anlagefläche 32 größer ist als der Abstand a der beiden Anlage-

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_9 - ^VPA 77 P 94-63 BRD flächen 31 und 32 voneinander.

Somit ergibt sich auch hier im Betrieb der Maschine durch Einwirken der Fliehkraft eine feste Anlage der beiden Flächen 31 und 32 am Zugbolzen 2 bzw. der Läuferscheibe 3· Zur axialen Festlegung weisen auch hier die Dämpfungselemente 30 an ihren Stirnseiten radial nach außen ragende Ansätze 37 und 38 auf, die die Läuferscheibe 3 an ihrem Innenumfang umschließen. Gleichfalls ist die Außenumfangsfläche 35 der Dämpfungselemente 30 zum freien Ende hin abgeschrägt, so daß sich ein Radialspalt ε zunehmender Größe ergibt, um ein selbsttätiges Ausgleichen aller Spaltveränderungen zu ermöglichen.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Dämpfungselement 40 praktisch nur im Bereich der beiden Anlageflächen 41 und 42 innerhalb der Radscheibe 3 gehalten. Dabei weist diese Radscheibe abgestufte Eindrehungen 43 und 44 auf, wobei der Ansatz 45 am Außenumfang 46 des Dämpfungselementes 40 in der erweiterten Nut 43 gehalten ist und daa vordere Ende des Dämpfungselementes 40 auf dem Bund 47 des Zugankers 2 aufliegt. Der Schwerpunkt 48 dieses Dämpfungselementes 40 liegt dabei außerhalb der Läuferscheibe 3» so daß auch hierbei definierte Kräfte an den Anlageflächen 41 und 42 bei Betrieb der Maschine angreifen. Zwischen der Eindrehung 44 und der Umfangsfläche 46 des Dämpfungselementes 40 ist gleichfalls der sich in axialer Richtung vergrößernde Radiaispalt ς vorgesehen, um Spaltveränderungen selbsttätig auszugleichen.

Mit den beschriebenen Dämpfungselernenten und deren Anordnungen im Ringspalt zwischen dem Zuganker und den Läuferscheiben ergeben sich somit genau bestimmbare fiiehkraftabhängige Anpreßkräfte, die jedoch ohne Verformung dieser Dämpfungselemente erreicht werden und somit auch bei sich ändernden Spaltweiten stets die gleiche, allein drehzahlabhängige Größe aufweisen.

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Claims

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Patentansprüche

!Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung an Läufern von Turbomaschinen, die aus mehreren Läuferscheiben zusammengesetzt und von einem diese durchdringenden Zuganker kraftschlüssig verspannt sind und im RLngspalt zwischen dem Zuganker und dem Innenumfang der Läuferscheiben fliehkraftabhängig wirkende Dämpfungselemente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (4, 30, 40) aus gleichmäßig am Umfang des Ringspaltes (1) verteilten Ringsegmenten bestehen und über je eine diskrete, streifenförmige Anlagefläche (.7» 10; 31» 32; 41,

42) auf der Innen- und der Außenumfangsfläche an der Läuferscheibe (3) bzw. dem Zuganker (2) anliegen, daß die Anlagefläche (.7, 10; 31, 32; 41, 42) in Längsrichtung der Dämpfungselemente (4, 30, 40) voneinander beabstandet sind und in einem derartigen Bereich der Dämpfungselemente (4, 30, 40) angeordnet sind, daß der Schwerpunkt (.11, 36, 48) der Elemente (4, 30, 40) außerhalb des Bereiches der Anlageflächen liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) der Anlageflächen (7, 10; 3I, 32; 41,42) voneinander kleiner ist als der Abstand (b) der radial außenliegenden Anlagefläche (10, 32, 42) vom Schwerpunkt (11, 36, 48) des Dämpfungselementes (4, 30, 40).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dämpfungselemente (4, 30, 40) zum freien Ende hin verjüngen derart, daß sich allein auf der Oberseite (8, 35, 46) ein zum freien Ende hin vergrößernder Radialspalt (ξ ) ergibt.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen (7, 10) durch sich über die Breite des Dämpfungselementes (4) erstreckende, in radialer Richtung vorspringende Ansätze (6, 9) gebildet und in Umfangsrichtung derart gegeneinander versetzt sind, daß der Abstand des radial innenliegenden Ansatzes (6) zum Schwerpunkt (11) größer ist als der des radial außenliegenden Ansatzes (9)·

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5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen (31, 32; 4-1, 42) in Umfangsrichtung der Dämpfungseiemente (30, 40) verlaufen und auf der Innenseite durch einen im Bereich des einen Endes des Dämpfungselementes (30, 40) anliegenden, umlaufenden Bund (33, 4-7) am Zugbolzen (2) und auf der außenliegenden Seite (35, 4-6) der Dämpfungselemente (30, 40) durch einen in radialer Richtung vorspringenden, in Umfangsrichtung verlaufenden Ansatz (34, 45) gebildet sind.
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6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (4, 30) breiter als die zugehörigen Läuferscheiben (3) sind und an ihren axialen Stirnseiten die Läuferscheibeninnenkante umfassende Ansätze (12, 13; 37» 38) aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur axialen Festlegung der Ringsegmente (4) beiderseits derselben Wellenbunde (16, 17) am Zuganker (2) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Breite der Dämpfun^selemente (4) geringer ist als die der Läuferscheiben (3) un^ daß die Läuferscheiben (3) auf ihrem Innenumfang (15) eine segmentbreite, umlaufende Nut (14) zur axialen Festlegung der Dämpferelemente (4) aufweisen.
9· Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferscheiben (3) auf ihren Innenumfang an eine Stirnseite angrenzende, abgestufte umlaufende Ausnehmungen (43, 4-4) zur Aufnahme des die Anlageflächen (41,42) aufweisenden Abschnittes der Dämpfungselemente (40) aufweisen und daß das freie, mindestens auch den Schwerpunkt (48) enthaltende Ende in axialer Richtung aus der Läuferscheibe (3) herausragt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Schlußsegment (4¹) dienenden Dämpfungselement die Stirnflächen (20, 21) in Umfangsrichtung und auch die jeweils angrenzenden Stirnflächen (22, 23) der Nachbarelemente (4) parallel zueinander verlaufen.

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