DE10350627A1

DE10350627A1 - Fortlaufende radiale Vorspannvorrichtung für Dampfturbinenschaufeln der Reaktionsbauart und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE10350627A1
Application number: DE10350627A
Authority: DE
Inventors: David Orus Fitts; Ronald Wayne Korzun; John Thomas Murphy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: US6761538B2; RU2331774C2; CN100351496C; CZ20032962A3; CZ302450B6; CN1499043A; RU2003132117A; KR20040038811A; JP2004150433A; KR100823766B1; US20040086387A1; DE10350627B4; JP4406259B2

Abstract

Ein Vorspannfedersegment (38) zum radialen Vorspannen einer Turbinenschaufel (10) innerhalb einer Turbinenrotornut (26) beinhaltet ein im Wesentlichen zu einem kreisförmigen Querschnitt gebogenes Metallblechteil mit einer Lücke (42) zwischen gegenüberliegenden Rändern des Blechteils, wobei das Blechteil ein bogenförmiges Segment in einer Bogenlängsrichtung des Federsegments definiert; und viele längs der Bogenlängsrichtung beabstandete radiale Schlitze (46) in dem Blechteil, um dadurch viele einzelne Federn (44) innerhalb des bogenförmigen Segments zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft die Technik von Dampfturbinenschaufeln und insbesondere eine radiale Vorspannfeder, die für den Einbau von Dampfturbinenschaufeln der Reaktionsbauart in Dampfturbinenrotornuten verwendet wird.
Gemäß herkömmlicher Praxis wird zum radialen Vorspannen von Dampfturbinenschaufeln der Reaktionskraftbauart jede Schaufel in einer Haltenut des Dampfturbinenrotors angeordnet, ein Vorspannstift in eine eng bemessene radiale Lücke zwischen der Schaufelunterseite und der Rotornut eingesetzt und anschließend der Stift gehämmert, so dass sich der Stift in der Rotorradialrichtung plastisch verformt und die Schaufel radial gegen einen Haken in der Haltenut vorspannt. Für jede Schaufel ist ein Vorspannstift vorgesehen und jeder Vorspannstift muss manuell gehämmert werden bis sich die Schaufel in der Rotornut nicht mehr bewegt. Dieser Arbeitsschritt des Hämmerns eröffnet allerdings die Möglichkeit einer Beschädigung der Schaufel sowie des Rotors. Dementsprechend besteht ein Bedarf nach einer verbesserten radialen Vorspanntechnik, die eine Reduzierung der Teilezahl, eine Reduktion der für die Montage des Rotors benötigten Zeit und ein konsi stentes radiales Vorspannen der Schaufeln gegen den Rotornutenhaken ohne die Gefahr einer Beschädigung der Schaufeln und/oder des Rotors erbringt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ersetzt die Vorspannstifttechnik durch radiale Vorspannfedersegmente, die den Arbeitsschritt des Hämmerns eliminieren und die Anzahl der für den Schaufeleinbau erforderlichen einzelnen Teile reduzieren. In dem Ausführungsbeispiel kann das neue radiale Vorspannfedersegment einen "C"-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei jedoch der endgültige Federquerschnitt variieren kann, um die gewünschte Vorspannkraft auf die Schaufeln zu erreichen. Die Spannweite oder Bogenlänge der Federsegmente könnte bis zu 360° betragen, was bedeutet, dass für jede ringförmige Federnut lediglich ein Federsegment erforderlich wäre. Um eine höhere Vorspannkraft auf die Schaufeln zu erreichen können mehr als eine Federnut (beispielsweise ein Paar Seite an Seite gegenüberliegende ringförmige Nuten) verwendet werden, und es kann zum Füllen der einen oder mehreren 360°-Federnuten in jeder Turbinenstufe mehr als ein Federsegment verwendet werden. Ein Vorteil der Verwendung kürzerer Federsegmente liegt in der Erleichterung des Einbaus des Federsegments in der Nut und in der Erleichterung des Einbaus der Schaufeln in der Nut.
In der bevorzugten Anordnung sind in jedem Federsegment zahlreiche (auch als Schlitze bezeichnete) radiale Schnitte ausgebildet, wodurch auf effiziente Weise in jedem Segment viele einzelne Federn entstehen, so dass der Druck der Feder unter einer speziellen Schaufel auf den Ort unter der Schaufel beschränkt ist und die Federvorspannung benachbarter Schaufeln nicht beeinflusst. Die radialen Schlitze können senkrecht zu der Segmentmittellinie oder im gleichen Winkel wie der Schaufelschwalbenschwanzrhombuswinkel ausgebildet sein.
Dementsprechend betrifft die Erfindung in einer Hinsicht ein Vorspannfedersegment zum radialen Vorspannen einer Turbinenschaufel innerhalb einer Turbinenrotornut, wobei die Vorspannfeder aufweist: ein im Wesentlichen ringförmiges Metallblechteil mit einer Lücke zwischen gegenüberliegenden Rändern des Blechteils, wobei das Blechteil ein bogenförmiges Segment in einer Längsrichtung des Federsegments definiert; und viele in Längsrichtung beabstandete radiale Schlitze in dem Blechteil, um dadurch viele einzelne Federn in dem bogenförmigen Segment zu erzeugen.
In weiterer Hinsicht betrifft die Erfindung eine Turbinenrotor- und Schaufelanordnung, die aufweist: einen Rotor, der an seinem Umfang mit einer herumführenden Schaufelbefestigungsnut versehen ist; mehrere Schaufeln, von denen jede einen Befestigungsabschnitt mit einer radial innenliegenden Fläche aufweist, die innerhalb der Schaufelbefestigungsnut aufgenommen ist; eine ringförmige Federnut, die in einem Basisabschnitt der Schaufelbefestigungsnut angeordnet ist, und mindestens ein radiales Vorspannfedersegment, das radial zwischen dem Basisabschnitt der Schaufelbefestigungsnut und dem radial innenliegenden Flächenabschnitt mindestens einer der vielen Schaufeln eingefügt in der ringförmigen Federnut untergebracht ist; wobei das radiale Vorspannfederelement ein im Querschnitt im Wesentlichen ringförmiges Metallblechteil umfasst, das zwischen einander gegenüberliegenden Rändern des Metallblechteils eine Lücke und zumindest einen in dem ringförmigen Blechteil ausgebildeten radialen Schlitz aufweist, um dadurch innerhalb des Federsegments mindestens zwei einzelne Federn zu bilden.
In noch weiterer Hinsicht betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Montieren einer Turbinenschaufel an einem Rotor, bei dem die Turbinenschaufel mit einem positiven Schwalbenschwanzprofil und der Rotor mit einer peripheren schwalbenschwanzförmigen Nut ausgebildet ist, bei dem die schwalbenschwanzförmige Nut einen Basisabschnitt aufweist, der mit einer ringförmigen Federhaltenut versehen ist, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: a) Anordnen eines radialen Vorspannfedersegments mit vorgegebener Bogenlänge in der Federhaltenut; b) Drehen der Schaufel, um dem positiven Schwalbenschwanzprofil zu ermöglichen, in die schwalbenschwanzförmige Ausnehmung zu gleiten; c) Ausüben einer radialen Kraft auf die Schaufel, um dadurch das radiale Vorspannfedersegment zusammenzudrücken; und d) Drehen der Turbinenschaufel in eine gewünschte Ausrichtung, in der das positive Schwalbenschwanz profil vollkommen innerhalb der schwalbenschwanzförmigen Ausnehmung sitzt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine ausschnittsweise Schnittansicht, die eine an einem Rotor angebrachte Turbinenschaufel veranschaulicht, wobei ein radiales Federsegment gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung radial zwischen der Schaufel und dem Rotor angeordnet ist;
2 zeigt eine Seitenansicht auf ein erfindungsgemäßes radiales Federsegment; und
3 zeigt eine Schnittansicht längs der Schnittlinie 3-3 nach 2.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird auf 1 verwiesen, dergemäß eine Turbinenschaufel 10 einen Blattabschnitt 12 und einen Fuß- oder Basisabschnitt 14 aufweist, der in Form eines positiven Schwalbenschwanzprofils 16 ausgebildet ist. Der positive Schwalbenschwanz enthält in radialer Richtung äußere und innenliegende Vorsprünge oder Haken 18, 20, die radial durch einen schmalen Hals 22 beabstandet sind.
Der Rotor 24 ist mit einer ringförmigen Haltenut ausgebildet, die um den Umfang des Laufrads als ein schwalbenschwanzförmiger Schlitz 26 ausgebildet ist, mit einem in radialer Richtung äußeren breiten Nutenabschnitt 28, der dazu dient, den äußeren positiven Vorsprung 18 aufzunehmen, mit einem radial innenliegenden breiten Nutenabschnitt 30, der dazu dient, den innenliegenden positiven Vorsprung 20 aufzunehmen, und mit einem mittleren schmalen Nutenabschnitt 32, um den schmalen Hals 22 aufzunehmen. Eine Unterseite 33 des schmalen Nutenabschnitt 32 bildet einen sogenannten "Haken" der durch den innenliegenden Vorsprung 20 auf dem positiven Schwalbenschwanzprofil 16 in Eingriff genommen wird. Innerhalb der Basis 34 des schwalbenschwanzförmigen Schlitzes ist eine ringförmige Federhaltenut 36 ausgebildet, die sich vollständig um den Umfang des Laufrads erstreckt. Die Nut selbst erstreckt sich in Querschnittsrichtung (entsprechend 1) gesehen im Wesentlichen über einen Winkel von 180°. Innerhalb der Nut 36 ist ein Vorspannfedersegment 38 gezeigt, das radi al zwischen der Basis 34 des Schwalbenschwanzschlitzes und der radial innenliegenden Fläche 40 des Schwalbenschwanzes der Schaufel eingefügt ist. Wie oben erwähnt, kann abhängig von der für die Schaufeln erforderlichen radialen Vorspannung mehr als eine Nut 36 verwendet werden. Das Federsegment 38 spannt die Schaufel in eine radiale Richtung nach außen vor, wobei die Schaufel radial gegen den Haken 33 vorgespannt wird.
Es wird nun auf 2 und 3 eingegangen, gemäß denen das Vorspannfedersegment 38 aus einem Federstahlblech (z.B. X-750) hergestellt ist, das mit einer zwischen gegenüberliegende Rändern des Blechteils angeordneten Lücke 42 zu einer (im Querschnitt) kreisförmigen Gestalt aufgerollt ist. Diese Lücke ermöglicht, dass sich die Feder, wie im weiteren hier beschrieben, zusammendrücken lässt, und sie muss ausreichend breit dimensioniert sein, so dass sich die gegenüberliegenden Ränder der Feder nicht gegenseitig berühren, wenn die Schaufel in die Nut eingebracht wird.
Wie in 2 gezeigt, weist das Federsegment 38 eine Bogenlänge von etwa 80° auf, jedoch kann die Bogenlänge von einer sehr kurzen Länge (vorzugsweise mindestens der Bogenlänge einer einzelnen Schaufel) bis zu praktisch 360° variieren.
Einzelne Federn 44 werden in dem Federsegment 38 auf effiziente Weise ausgebildet, indem viele tiefe, radiale Schnitte oder Schlitze 46 vorgesehen sind, die entlang dem Bogen des Segments beabstandet sind. D.h., die radialen Schlitze 46 schaffen innerhalb des einzelnen Federsegments 38 mehrfache einzelne Federn 44. Wie aus 2 zu entnehmen, erstrecken sich die radialen Schlitze 46 um mehr als 180° um das Segment 38, wobei die genaue Tiefe der Schlitze variiert werden kann, um gewünschte Federeigenschaften zu erreichen.
Die Bogenlänge jeder Feder 44 innerhalb des Segments 38 ist so bemessen, dass für jede auf dem Rotor 24 angebrachte Schaufel eine eigene Feder zur Verfügung steht. Dementsprechend würde die Segmentlänge und die Länge der einzelnen Feder, falls ein Segment beispielsweise sechs benachbarte Schaufeln zu tragen hat, entsprechend gewählt werden, um eine Feder 44 pro Schaufel vorzusehen. Kürzere Segmente erleichtern einen Einbau sowohl des Segments 36 als auch der Schaufel 10, während mit längeren Segmenten 36 die Zahl der erforderlichen Teile weiter reduziert wird. Unabhängig von der Wahl der Segmentlänge, sorgt die Federsegmentkonfiguration in der beschriebenen Form für einen örtlich begrenzten Druck unter jeder Schaufel, ohne die radiale Federvorspannung an benachbarten Schaufeln zu beeinflussen.
Die Vorgehensweise des Einbaus ist wie folgt. Das eine oder die mehreren Vorspannfedersegmente 38 werden in der Federnut 36 in dem Rotor 24 angeordnet. Zu beachten ist, dass die Lücke 42, wie in 1 zu sehen, vorzugsweise in einem Winkel von 90° gegenüber einer Position angeordnet ist, an der das Federsegment mit der radial innenliegenden Fläche 40 der Schaufel in Berührung steht. Die Schaufel 10 wird eingebaut, indem diese zunächst an ihrer ungefähren Umfangsposition an dem Rotor platziert wird. Anschließend wird die Schaufel 10 gedreht bis das positive Schwalbenschwanzprofil 16 der Schaufel in die minimale Breite, d.h. den schmalen Nutenabschnitt 32 der Rotornut passt. Die Schaufel wird anschließend radial in Richtung der Rotormittellinie gedrückt, wobei eine Vorspannfeder 44 zusammengedrückt wird, bis sich der positive Schwalbenschwanzprofilhaken 20 radial innerhalb des Rotorhakens 33 befindet. Die Schaufel 10 wird anschließend in ihre geeignete Ausrichtung für den Betrieb, wie sie in 1 dargestellt ist, zurückgedreht und in Umfangsrichtung in ihre endgültige Stellung bewegt.
Ein Vorspannfedersegment 38 zum radialen Vorspannen einer Turbinenschaufel 10 innerhalb einer Turbinenrotornut 26 beinhaltet ein im Wesentlichen zu einem kreisförmigen Querschnitt gebogenes Metallblechteil mit einer Lücke 42 zwischen gegenüberliegenden Rändern des Blechteils, wobei das Blechteil ein bogenförmiges Segment in einer Bogenlängsrichtung des Federsegments definiert; und viele längs der Bogenlängsrichtung beabstandete radiale Schlitze 46 in dem Blechteil, um dadurch viele einzelne Federn 44 innerhalb des bogenförmigen Segments zu erzeugen.
Die Erfindung wurde zwar anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, von dem gegenwärtig angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, es ist allerdings selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt sein soll, sondern vielmehr vielfältige Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.

10: Turbinenschaufel
12: Blattabschnitt
14: Basisabschnitt
16: Schwalbenschwanzprofil
18, 20: Innenliegende Vorsprünge oder Haken
22: Schmaler Hals
24: Rotor
26: Schwalbenschwanzförmiger Schlitz
28: Äußerer breiter Nutenabschnitt
30: Innerer breiter Nutenabschnitt
32: Schmaler Nutenabschnitt
33: Unterseite
34: Basis
36: Ringförmige Federhaltenut
38: Vorspannfedersegment
40: Radial innenliegende Fläche
42: Lücke
44: Einzelne Federn
46: Radialschlitze

Claims

Vorspannfedersegment (38) zum radialen Vorspannen einer Turbinenschaufel (10) innerhalb einer Turbinenrotornut (26), wobei das Vorspannfedersegment aufweist: ein im Wesentlichen rundes Metallblechteil mit einer Lücke (42) zwischen gegenüberliegenden Rändern des Blechteils, wobei das Blechteil ein bogenförmiges Segment in einer Bogenlängsrichtung des Federsegments definiert; und eine Anzahl längs der Bogenlängsrichtung beabstandete radiale Schlitze (46) in dem Blechteil, um dadurch eine Anzahl einzelner Federn (44) innerhalb des bogenförmigen Segments zu erzeugen.
Vorspannfedersegment nach Anspruch 1, bei dem das Blechteil aus einem rostfreien Stahl gefertigt ist.
Vorspannfedersegment nach Anspruch 1, bei dem das bogenförmige Segment (38) sich entlang einer Anzahl Schaufeln in der Bogenlängsrichtung erstreckt.
Vorspannfedersegment nach Anspruch 1, bei der sich jeder der vielen radialen Schlitze (46) um einen Winkel von mehr als 180° um das Blechteil erstreckt.
Turbinenrotor- und Schaufelanordnung, die aufweist: einen Rotor (24), der mit einer um seinen Umfang herumführenden Schaufelbefestigungsnut (26) versehen ist; eine Anzahl Schaufeln (10), von denen jede einen Befestigungsabschnitt mit einer radial innenliegenden Fläche (40) aufweist, die innerhalb der Schaufelbefestigungsnut aufgenommen wird; eine ringförmige Federnut (36), die in einem Basisabschnitt (34) der Schaufelbefestigungsnut angeordnet ist, und mindestens ein in der ringförmigen Federnut sitzendes radiales Vorspannfedersegment (38), das radial zwischen dem Basisabschnitt (34) der Schaufelbefestigungsnut (26) und dem radial innenliegenden Flächenabschnitt (40) mindestens einer der mehreren Schaufeln eingefügt ist; wobei das radiale Vorspannfederelement (38) ein im Querschnitt im Wesentlichen rundes Metallblechteil umfasst, das zwischen gegenüberliegenden Rändern des Metallblechteils mit einer Lücke (42) ausgebildet ist und zumindest einen in dem runden Blechteil ausgebildeten radialen Schlitz (46) umfasst, um dadurch mindestens zwei einzelne Federn (44) innerhalb des Federsegments zu bilden.
Anordnung nach Anspruch 5, bei der das Blechteil aus einem rostfreien Stahl gefertigt ist.
Anordnung nach Anspruch 5, bei der das bogenförmige Segment (38) sich in der Bogenlängsrichtung entlang einer Anzahl Schaufeln erstreckt.
Verfahren zum Montieren einer Turbinenschaufel (10) an einem Rotor (24), bei dem die Turbinenschaufel (10) mit einem positiven Schwalbenschwanzprofil (16) und der Rotor (24) mit einer peripheren schwalbenschwanzförmigen Nut (26) ausgebildet ist, wobei die schwalbenschwanzförmige Nut einen Basisabschnitt (34) aufweist, der mit einer ringförmigen Federhaltenut (36) ausgebildet ist, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: a) Anordnen eines radialen Vorspannfedersegments (38) mit vorgegebener Bogenlänge in der Federhaltenut; b) Drehen der Schaufel, um dem positiven Schwalbenschwanzprofil (16) zu ermöglichen, in die schwalbenschwanzförmige Ausnehmung (26) zu gleiten; c) Ausüben einer radialen Kraft auf die Schaufel (10), um dadurch das radiale Vorspannfedersegment (38) zusammenzudrücken; und d) Drehen der Turbinenschaufel (10) in eine gewünschte Lage, in der das positive Schwalbenschwanzprofil (16) vollkommen innerhalb der schwalbenschwanzförmigen Ausnehmung (26) untergebracht ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Vorspannfedersegment ein im Wesentlichen rundes Metallblechteil mit einer Lücke (42) zwischen gegenüberliegenden Rändern des Blechteils umfasst, wobei das Blechteil ein bogenförmiges Segment in einer Bogenlängsrichtung des Federsegments definiert; und eine Anzahl radiale Schlitze (46), die in dem Blechteil längs der Bogenlängsrichtung beabstandet angeordnet sind, um dadurch eine Vielzahl von einzelnen Federn (44) innerhalb des bogenförmigen Segments zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Blechteil aus einem rostfreien Stahl gefertigt ist.