DE60112690T2

DE60112690T2 - Anordnung von Strömungsleitelementen

Info

Publication number: DE60112690T2
Application number: DE60112690T
Authority: DE
Inventors: Matthew Montgomery
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2000-11-04
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2021-10-30
Also published as: JP4027640B2; JP2002147203A; EP1205633A2; DE60112690D1; US6379112B1; EP1205633B1; EP1205633A3; EP1580400A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine strukturell verstimmte Anordnung von strömungsleitenden Elementen, wie einer Reihe von Rotorlaufschaufeln, die in einer Turbomaschine zum Verringern der Schwingung verwendet werden, die in den Statorleitschaufeln auftritt, die in der Turbomaschine verwendet werden, und zum Verringern der Anfälligkeit der Anordnung strömungsleitender Elemente auf das Phänomen des gestimmten Arbsorbiert-Werdens (tuned absorbed phenomenon).
Turbomaschinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln, die in alternierenden Reihen angeordnet sind, sind zerstörerischen Schwingungen in Folge der aerodynamischen Wirkung mit anderen Laufschaufelreihen, die relativ dazu rotieren, ausgesetzt. Weiterhin können die Rotorlaufschaufeln in einer Reihe schwingen, wenn sie durch Strömungsverformungen hindurch rotiert werden, die durch Statorleitschaufeln in einer benachbarten oder nahen Reihe verursacht werden. Zusätzlich lassen die rotierenden Strömungsverformungen in Folge der Rotorlaufschaufeln Statorleitschaufeln in einer benachbarten oder nahen Reihe schwingen.
Das Ändern der Anzahl von Statorleitschaufeln in 180° Segmenten, z.B. 40 Statorleitschaufeln in einem oberen Segment und 42 Statorleitschaufeln in einem unteren Segment, verringert das Schwingen der benachbarten Rotorlaufschaufeln. Das ergibt sich deshalb, weil die unterschiedlichen umfangsmäßigen Abstände der Statorleitschaufeln die Rotorlaufschaufeln mit zwei unterschiedlichen Frequenzen während einer jeden Rotorumdrehung schwingen lassen. In einer ähnlichen Weise verringert das Ändern der Rotorlaufschaufelanzahl Statorschwingungen.
Schwingende Rotorlaufschaufeln sind anfällig für ein schädliches Phänomen, welches als "abgestimmt absorbiert" oder "Modenlokalisierung" ("tuned absor bed" oder "mode localization") bekannt ist. Dieses Phänomen bewirkt, dass die Schwingungsenergie einer gesamten Rotoranordnung auf nur ein paar der Laufschaufeln oder strömungsleitenden Elemente in dem Rotor konzentriert wird, was zu starker Schwingung und vorzeitigem Versagen dieser Laufschaufeln oder strömungsleitenden Elemente führt. Ein Faktor, der zu diesem Phänomen beiträgt, ist das strukturelle Koppeln durch die Rotorscheibe zwischen Laufschaufeln mit ähnlichen Eigenfrequenzen.
Verschiedene Konstruktionen, die nicht gleichförmige Beabstandungen der Laufschaufeln zeigen, sind in DE 44 21 604 C , US-A-4,253,800 und US-A-4,474,534 gezeigt.
Gemäß der Erfindung wird eine Anordnung von strömungsleitenden Elementen gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung von strömungsleitenden Elementen, die als eine Laufschaufelreihe zur Verwendung in einer Turbomaschine bekannt ist, bereitgestellt. Die Anordnung beinhaltet breit ausgedrückt, eine Mehrzahl von strömungsleitenden Elementen, die an einer Scheibe angebracht sind und in einem kreisförmigen Muster mit vier Quadranten um die Scheibe verteilt sind. Jedes strömungsleitende Element in einem ersten und einem zweiten der Quadranten hat vorzugsweise eine größere Masse als jedes strömungsleitende Element in einem dritten und einem vierten der Quadranten, wobei jeder erste und jeder zweite Quadrant zwischen dem dritten und dem vierten Quadranten angeordnet ist. Die strömungsleitenden Elemente sind ferner derart angeordnet, dass die Anzahl der strömungsleitenden Elemente in dem ersten und dem zweiten Quadrant jeweils geringer ist als die Anzahl von strömungsleitenden Elementen jeweils in dem dritten und dem vierten Quadranten.
So wie es hier verwendet wird, bezieht sich das Wort Turbomaschine auf Vorrichtungen, wie beispielsweise Gasturbinenmaschinen und Dampfturbinen, die durch den Austausch von Energie mit einem Arbeitsfluid unter Verwendung alternierender Reihen von rotierenden Laufschaufeln und nicht rotierenden Leitschaufeln oder Statoren arbeiten.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 zeigt eine Anordnung strömungsleitender Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2 zeigt eine Schnittseitenansicht eines Turbinenmoduls für eine Verkehrsflugzeug-Gasturbinenmaschine, die eine Anordnung aus strömungsleitenden Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen 1 zeigt eine Anordnung 10 von strömungsleitenden Elementen, beispielsweise eine Rotoranordnung, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung 10 kann in Turbinenmaschinengeräten, beispielsweise einer Gasturbinenmaschine und einer Dampfturbine verwendet werden. So wie vorangehend erwähnt, ist die Anordnung 10 strukturell verstimmt, um die Schwingungen zu reduzieren, die in Statorleitschaufeln in den Turbinenmaschinengeräten auftreten, und um die Anfälligkeit der Anordnung wie beispielsweise einer Rotoranordnung auf das Phänomen des gestimmt Arbsorbiert-Werdens verringert.
Die verstimmte Anordnung 10 hat eine Mehrzahl von fluidleitenden Elementen oder Rotorlaufschaufeln 24 und 26, die in einer Reihe angeordnet sind. Die strömungsleitenden Elemente 24 und 26 erstrecken sich um eine Scheibe 14 in einem kreisförmigen Muster mit vier Quadranten 16, 18, 20 und 22. Die strömungsleitenden Elemente 24 und 26 können an der Scheibe 14 in einer geeigneten, im Technikgebiet bekannten Weise angebracht oder befestigt sein.
In der verstimmten Anordnung 10 alternieren zwei Typen von Quadranten mit strömungsleitenden Elementen. Die Anzahl von strömungsleitenden Elementen oder Laufschaufeln 24 und 26 und die Masse der individuellen strömungsleitenden Elemente oder Laufschaufeln 24 und 26 sind zwischen den zwei Typen von Rotorlaufschaufel-Quadranten verschieden. Die Quadranten 16 und 20 sind jeweils vorzugsweise von dem ersten Typ von Quadrant, während die Quadranten 18 und 22 jeweils vorzugsweise von dem zweiten Typ von Quadrant sind.
Der erste Typ von Quadrant weist N schwerere strömungsleitende Elemente oder Laufschaufeln 24 auf, während der zweite Typ von Quadrant N + 1 leichtere strömungsleitende Elemente oder Laufschaufeln 26 aufweist, wobei N eine ganze Zahl ist. 1 zeigt beispielsweise eine Anordnung, bei der gilt N = 9. Man hat herausgefunden, dass das Ändern der Anzahl der strömungsleitenden Elemente oder Laufschaufeln zwischen benachbarten Quadranten tendenziell Statorleitschaufelschwingung in der Turbomaschine verringert.
Die strömungsleitenden Elemente oder Laufschaufeln 24 in dem ersten Typ von Quadrant sind von größerer Masse als die strömungsleitenden Elemente oder Laufschaufeln 26 in dem zweiten Typ von Quadrant. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis der Masse von jedem strömungsleitenden Element 24 zu der Masse von jedem strömungsleitenden Element 26 etwa (N + 1) : N. Das Ändern der Masse der strömungsleitenden Elemente zwischen benachbarten Quadranten hat zwei vorteilhafte Effekte. Der erste Effekt ist das Ändern der Schwingungsfrequenz der strömungsleitenden Elemente in jedem Quadranten und so Opponieren gegen das Phänomen des gestimmten Absorbierens durch das Verringern des strukturellen Koppelns der Schwingung zwischen den Quadranten. Der zweite Effekt ist das Ausgleichen des zentrifugalen Zugs auf die Scheibe 14 durch das Ausgleichen der geringeren Anzahl von strömungsleitenden Elementen des ersten Quadrantentyps durch ein schwereres strömungsleitendes Element 24.
Es wird nun auf die 2 Bezug genommen. Ein Turbinenmodul für ein Verkehrsflugzeug-Gasturbinentriebwerk ist gezeigt. Das Turbinenmodul weist eine Mehrzahl von Rotoranordnungen oder Rotorstufen 10 auf, von denen eine oder mehrere eine Anordnung strömungsleitender Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen kann. Das Turbinenmodul weist auch eine oder mehrere Stufen von umfangsmäßig verteilten Statorleitschaufeln 32 axial versetzt von den strömungsleitenden Elementen 24 und 26 auf.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Kontext einer speziellen Ausführungsform davon beschrieben wurde, werden dem Fachmann, der die vorangegangene Beschreibung gelesen hat, andere Alternativen, Modifikationen und Variationen ersichtlich. Deshalb ist es beabsichtigt, diejenigen Alternativen, Modifikationen und Variationen mit zu umfassen, die in den breiten Umfang der angefügten Ansprüche fallen.
Aus dem Vorangegangenen erkennt man, dass eine verbesserte Anordnung von strömungsleitenden Elementen zur Verwendung in einer Turbomaschine beschrieben wurde, welche die Schwingung der Statorleitschaufeln in der Turbomaschine verringert und die Anfälligkeit eines Rotors gegen das Phänomen des abgestimmten Absorbiert-Werdens verringert.

Claims

Anordnung von strömungsleitenden Elementen zur Verwendung in einer Turbomaschine, aufweisend: Eine Mehrzahl von strömungsleitenden Elementen (24, 26); dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsleitenden Elemente in einem Kreismuster mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Quadranten (16, 18, 20, 22) angeordnet sind; und wobei die strömungsleitenden Elemente in dem einen Quadranten jeweils eine Masse haben, die verschieden ist von der Masse eines jeden strömungsleitenden Elements, welches in den zwei benachbarten Quadranten angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, aufweisend eine Scheibe (14), wobei die Mehrzahl von strömungsleitenden Elementen (24, 26) an der Scheibe (14) angebracht ist, und von dieser wegragt.
Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die strömungsleitenden Elemente in dem ersten und dem zweiten Quadranten jeweils eine Masse haben, die verschieden von der Masse eines jeden strömungsleitenden Elements ist, die in zwei benachbarten Quadranten positioniert sind, und wobei der erste und der zweite Quadrant (16, 20) eine Anzahl von strömungsleitenden Elementen (24) beinhalten, die verschieden ist von der Anzahl von strömungsleitenden Elementen (26) in dem dritten und vierten Quadranten (18, 22).
Anordnung nach Anspruch 3, wobei der erste und der zweite Quadrant (16, 20) jeweils N strömungsleitende Elemente (24) beinhalten und wobei der dritte und der vierte Quadrant (18, 22) jeweils N + 1 strömungsleitende Elemente (26) beinhalten, wobei N eine positive ganze Zahl ist.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Verhältnis der Masse einer jeden individuellen Laufschaufel (24, 26) in dem ersten und dem zweiten Quadranten (16, 20) zu der Masse einer jeden individuellen Laufschaufel in dem dritten und vierten Quadranten (18, 22) etwa (N + 1) : N ist, wobei N eine ganze Zahl ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die strömungsleitenden Elemente eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln aufweisen, die in einer Reihe ausgerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die strömungsleitenden Elemente (24) in einem Quadranten eine andere Anzahl haben als die strömungsleitenden Elemente in jedem benachbarten Quadranten zum Verringern von Schwingung in benachbarten Statorreihen in der Turbomaschine.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die strömungsleitenden Elemente in einem Quadranten jeweils eine Masse haben, die verschieden ist von der Masse von jedem strömungsleitenden Element, welches in den zwei benachbarten Quadranten positioniert ist, um die Tendenz der Anordnung zum Zeigen eines Verhaltens mit abgestimmtem Absorbiert"-Werden zu verringern.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die strömungsleitenden Elemente in zwei diametral gegenüberliegenden Quadranten (16, 20) eine niedrigere Elementenzahl haben und eine größere Masse haben als die strömungsleitenden Elemente in den verbleibenden Quadranten (18, 22), um so zentrifugalen Zug an der Scheibe auszugleichen.