DE1016982B - Laeufer mit Kuehleinrichtung fuer mit gasfoermigen Arbeitsmitteln betriebene Stroemungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen - Google Patents
Laeufer mit Kuehleinrichtung fuer mit gasfoermigen Arbeitsmitteln betriebene Stroemungsmaschinen, insbesondere GasturbinenInfo
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Description
DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft einen Läufer einer Turbine, eines Kompressors oder einer ähnlichen, mit Schaufeln
versehenen Maschine für gasförmige Strömungsmittel, der mindestens eine — aus mehreren koaxial mit Abstand
nebeneinander angeordneten dünnen, z. B. aus Blech bestehenden Scheiben zusammengesetzte ·—■
Läuferscheibe aufweist, an deren Umfang zumindest eine aus kerbempfindlichem, z. B. keramischem Material
bestehende Schaufel gehalten ist.
Die üblichen Laufradschaufeln bestehen aus dem Schaufelblatt mit Tragflügel- oder ähnlichem Querschnittsprofil
sowie einem Fußteil, der mit Halteklauen in. eine entsprechend geformte Nut des Läufers
eingreift. Es hat sich herausgestellt, daß die allgemein bekannte, sich nach ihrer Spitze hin verjüngende und
in ihrem Querschnitt einem umgekehrten Tannenbaum gleichende Form eines üblichen Schaufelfußes
für die einwandfreie Übertragung der auftretenden Kräfte besonders gut geeignet ist, obgleich schon bei
Metallschaufeln die Herstellung eines sich verjüngenden, genuteten Tannenbaum-Schaufelfußquerschnitts
oder einer ähnlichen Querschnittsform des Fußes eine verhältnismäßig schwierige mechanische Bearbeitung
bedingt, die zu der an sich bereits sehr sorgfältig durchzuführenden Bearbeitung des eigentlichen
Schaufelprofils hinzukommt.
Bei Laufradschaufeln, die aus sehr kerbempfindlichem Material, z. B. aus keramischem Material, hergestellt
sind, hat sich diese Schaufelform jedoch nicht bewährt, da bei spröden und bruchempfindlichen Baustoffen
infolge örtlich begrenzter Konzentration von Spannungsbeanspruchungen, die auf scharfe Kanten,
Verzapfungen od. dgl. zurückzuführen sind, leicht Brüche auftreten. Als solche spröden und bruchempfindlichen
Baustoffe für Schaufeln kommen feuerfeste keramische Stoffe, z. B. gesinterte Oxyde, Silikate,
Carbide oder Boride von Metallen, wie Beryllium, Aluminium oder Titan, in Frage, weiterhin Metall-Keramik-Mischungen,
die aus einem oder mehreren der obengenannten keramischen Stoffe und einem Metall, \vie Nickel, bestehen. Bei der Verwendung
solcher Baustoffe ist eine Ausführung des Schaufelfußes mit schwalbenschwanzförmigem Querschnitt
und gut abgerundeten Ecken, ein Lavalfuß oder eine ähnliche Querschnittsform ohne scharfe Kanten besser
geeignet, weil dadurch gefährliche Spannungskonzentrationen vermieden werden. Solche mit abgerundeten
Kanten ausgeführten Fußprofile sind jedoch wesentlich \veniger belastbar als die bekannten, mehrfach
genuteten Schaufelfüße, was sich besonders bei den den Ausgangspunkt der Erfindung bildenden, aus
mehreren koaxial mit Abstand nebeneinander angeordneten dünnen Scheiben zusammengesetzten
Leichtbau-Läuferscheiben nachteilig auswirkt, da Läufer mit Kühleinrichtung
für mit gasförmigen Arbeitsmitteln
betriebene Strömungsmaschinen,
insbesondere Gasturbinen
Anmelder:
ίο Power Jets (Research and Development)
Limited, London
Limited, London
Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10
München 22, Steinsdorfstr. 10
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien, vom 26. November 1953 und 22. Oktober 1954
Großbritannien, vom 26. November 1953 und 22. Oktober 1954
Sydney William Henry Perry, Cove, Farnborough,
Hampshire (Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
diese nur verhältnismäßig kleine Auflage- und Halteflächen für die Schaufeln bieten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den genannten Mangel zu beseitigen; sie besteht im wesentlichen
darin, daß zumindest die eine an einer eingangs genannten Läuferscheibe gehaltene Schaufel in an
sich bekannter Weise einen verstärkten und an der Läuferscheibe über zwei Haltestücke befestigten
Schaufelfuß aufweist, wobei die je entlang einer Seitenfläche des Schaufelfußes angreifenden Haltestücke
beide die dünnen Scheiben in axialer Richtung überbrücken und an sämtlichen dünnen Scheiben befestigt
sind. Während die kerbempfindlichen Schaufeln sich nunmehr mit genügend großen, vorzugsweise
schwalbenschwanzförmig ausgeführten Halteflächen an den Haltestücken festlegen lassen, können die aus
einem hierfür üblichen, weniger kerbempfindlichen Material hergestellten Haltestücke sicher an den einzelnen
Scheiben des Laufrades gehalten werden.
Einzelheiten und weitere Ausgestaltungen der Erfindung
sind der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hälfte der Turbine eines Gasturbinen-Strahltriebwerkes für ein
Flugzeug und
Fig. 2 eine Teilansicht des Turbinenläufers, in Richtung der Pfeile nach II-II der Fig. 1 gesehen.
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Der in Fig. 1 dargestellte Turbinenläufer besteht aus fünf dünnen Scheiben la, Ib, lc, Id und Ie aus
Metallblech, die mit Abstand nebeneinander angeordnet sind und zwischen zwei kräftigen Endscheiben 2, 3
gehalten werden. Die Scheiben werden von auf einem Ring angeordneten und in gleichem Abstand zueinander
rund um die Achse der Turbine verteilten Schraubenbolzen 4 zusammengehalten. Der Abstand
zwischen den aus Metallblech bestehenden Scheiben ist durch Abstandsringe 5 gesichert, die auf
Bolzen 4 aufgezogen sind. Der Läufer trägt auf seinem Umfang einen Kranz von Turbinenschaufeln 6, die aus kerbempfmdlichem Material, z. B. feuerbeständiger Keramik oder einem der gesinterten Metall-Keramik-Gemische, bestehen, wie sie
genannt wurden.
Bolzen 4 aufgezogen sind. Der Läufer trägt auf seinem Umfang einen Kranz von Turbinenschaufeln 6, die aus kerbempfmdlichem Material, z. B. feuerbeständiger Keramik oder einem der gesinterten Metall-Keramik-Gemische, bestehen, wie sie
genannt wurden.
Die in Fig. 2 nur teilweise dargestellten Schaufeln 6 bestehen aus dem Schaufelblatt 6 a mit tragflügelähnlichem
Querschnitt und einem aus dem gleichen
vorhanden sein würde. Diese geringe Größe der Fläche wird jedoch dadurch ausgeglichen, daß die
Belastbarkeit der mit tannenbaumartigem Querschnitt ausgebildeten Enden der Haltestücke 20 wesentlich
größer ist als die Belastbarkeit der schwalbenschwanzförmigen Schaufelfüße. Es werden also starke spezifische
Drücke in den Haltestücken überall dort auftreten, wo sie in die Scheiben eingreifen. Da die
Haltestücke jedoch aus einem hitzebeständigen Stahl die ίο oder einem Material hergestellt sind, das derartige
starke örtliche Belastungen aushält, werden die zulässigen Beanspruchungen nicht überschritten. Die
Haltestücke 20 können in entsprechender Länge aus Stangenmaterial geeigneter Querschnittsform zugeoben
15 schnitten werden.
Es hat sich gezeigt, daß günstigste Beanspruchungsverhältnisse erzielt werden, wenn der Winkel α, um
den die Druckflächen 20 a der Haltestücke 20 gegen die radiale Richtung geneigt sind, nicht kleiner aus
Material und einstückig mit dem Schaufelteil 6a her- 20 geführt wird als 30°.
gestellten Fuß, der sich in eine Fußplatte 6 b und Die oben beschriebene Maßnahme gestattet es, eine
einen Fußteil 6 c gliedert, dessen axialer Querschnitt Ausführung der aus keramischem oder ähnlichem
etwa Schwalbenschwanzform mit abgerundeten Kan- Material hergestellten Schaufeln mit einem im Querten
hat. Die Schaufeln 6 sind am Umfang des schnitt tannenbaumartig ausgebildeten Fuß zu verTurbinenlaufrades
in der Weise angeordnet, daß die 25 meiden. Wenn nämlich die keramischen Schaufeln
unteren Flächen des schwalbenschwanzförmigen Fuß- unmittelbar in den aus Scheiben zusammengesetzten
teiles 6 c sich an Vorsprüngen am Umfang der Blecn- Läufer der Turbinen eingesetzt wären, müßten die
scheiben 1 α bis 1 e abstützen und die Seitenflächen 6 d Scheiben sehr dicht nebeneinander angeordnet sein,
des Schwalbenschwanzes sich in axialer oder im um unzulässig hohe Beanspruchungen an dem Fuß der
wesentlichen axialer Richtung erstrecken. Zwischen 30 Schaufeln auszuschließen. Durch die Verwendung von
jedem Paar einander benachbarter Schaufeln 6 liegt Haltestücken, die aus einem Material hergestellt sind,
ein Haltestück 20, dessen Querschnitt etwa keilförmig das wesentlich höhere Flächenbeanspruchungen aufist
und dessen sich verjüngender Keilteil in radialer nehmen kann, wird diese Schwierigkeit praktisch
Richtung nach innen ragt, während seine Seitenflächen überwunden, und es können mit erheblich größerem
axial oder im wesentlichen axial ausgerichtet sind. 35 gegenseitigem Abstand angeordnete Scheiben für den
Der in radialer Richtung außenliegende Teil jedes Aufbau des Laufrades der Turbine verwendet werden.
Haltestückes 20 hat Seitenflächen 20 a, die an Die einzige Begrenzung liegt darin, daß die tragenden
den Seitenflächen 6d des Schwalbenschwanzes der Fachen zwischen den Halteteilen und den Metall-Schaufelfüße
an seinen beiden Seiten anliegen, wäh- scheiben in der Lage sein müssen, eine gesamte Berend
der in radialer Richtung innenliegende, sich 40 lastung aufzunehmen, die gleich der Belastung ist, die
verjüngende Teil 20 b des keilförmigen Haltestückes von den Halteflächen zwischen den Schaufelfüßen und
einen Querschnitt von tannenbaumartiger Form hat, den Haltestücken aufgenommen wird,
dessen Vorsprünge in entsprechende, in axialer Rieh- Um den Turbinenläufer und die Schaufeln zu
tung verlaufende Nuten in den Blechscheiben la kühlen, kann Kühlluft in die Zwischenräume zwischen
bis Ie eingreifen. Die Zentrifugalkräfte der Schaufeln 45 den Metallscheiben la bis Ie eingeführt werden. Die
werden so über die Haltestücke 20 auf die Metall- Endscheiben 2 und die ersten vier Mitteilscheiben 1 α
scheiben Ια bis Ie übertragen. bis Id sind mit Löchern 22a, 22b, 22c, 22d, 22e ver-Wie
aus Fig. 1 hervorgeht, liegen die Schaufel- sehen, deren Größe von der Einlaßseite des Läufers
fuße 6 c und die Haltestücke 20 in axialer Richtung her stetig abnimmt, um die gewünschte Verteilung
und überbrücken sämtliche Metallscheiben 1 α bis 1 e. 50 der Luft auf die Zwischenräume zwischen den
Die Schaufeln 6 und die Haltestücke 20 sind gegen
axialer Verschieben durch die Endscheiben 2, 3 gesichert, die außen bis über den Umfang der Metallscheiben reichen.
axialer Verschieben durch die Endscheiben 2, 3 gesichert, die außen bis über den Umfang der Metallscheiben reichen.
Die Druckflächen 6 d der Schaufelfüße 6 c liegen an 55
den Gegenflächen 20 α der Haltestücke auf ihrer gesamten axialen Länge an, so· daß eine sehr große
Stützfläche für die Übertragung der Zentrifugalkräfte
zur Verfügung steht. Da diese Stützfläche verhältnismäßig groß ist, ergibt sich nur eine sehr geringe 60 Schließlich strömt die Luft durch Schlitze zwischen spezifische Flächenpressung zwischen diesen Teilen. den einander benachbarten Rändern der Fußplatten 6 d Außerdem ist die Schwalbenschwanzform des Fußes
mit ihren abgerundeten Kanten besonders gut geeignet, gefährliche Spannuugskonzentrationen zu vermeiden. - 65 ihrer Unterseite bis zu ihrer Spitze hindurchführen. Da das Laufrad aus einzelnen Scheiben zusammen- Der Schaufelfuß kann auch anders geformt sein als
den Gegenflächen 20 α der Haltestücke auf ihrer gesamten axialen Länge an, so· daß eine sehr große
Stützfläche für die Übertragung der Zentrifugalkräfte
zur Verfügung steht. Da diese Stützfläche verhältnismäßig groß ist, ergibt sich nur eine sehr geringe 60 Schließlich strömt die Luft durch Schlitze zwischen spezifische Flächenpressung zwischen diesen Teilen. den einander benachbarten Rändern der Fußplatten 6 d Außerdem ist die Schwalbenschwanzform des Fußes
mit ihren abgerundeten Kanten besonders gut geeignet, gefährliche Spannuugskonzentrationen zu vermeiden. - 65 ihrer Unterseite bis zu ihrer Spitze hindurchführen. Da das Laufrad aus einzelnen Scheiben zusammen- Der Schaufelfuß kann auch anders geformt sein als
nach Art eines Schwalbenschwanzes. Voraussetzung ist nur, daß unzulässige Spannungshäufungen in begrenzten
Querschnitten sicher vermieden werden. So
Scheiben zu erreichen. Die Kühlluft wird von dem Kompressor abgezweigt und dem Turbinenläufer
durch einen die Welle umgebenden, nicht dargestellten Ringkanal zugeführt.
Die Luft aus den Zwischenräumen zwischen den Scheiben la bis Ie des Läufers strömt durch Löcher
20 c in den Haltestücken 20 in die offene Räume 26 unter den plattenförmigen Teilen 6b der Schaufelfüße,
wo sie eine wärmeisolierende Schicht bildet.
in den Schaufelkanal.
Zusätzlich kann ein gewisser Teil der Luft durch Bohrungen in den Schaufeln selbst strömen, die von
gesetzt ist, sind die tragenden Flächen zwischen den
Haltestücken 20 und den Scheiben la, 16 usw.
wesentlich kleiner als die tragende Fläche, die bei
Haltestücken 20 und den Scheiben la, 16 usw.
wesentlich kleiner als die tragende Fläche, die bei
einem entsprechend breit ausgeführten vollen Laufrad 70 kann man z. B. den bekannten Wulstfuß anwenden
und jedes Halteglied, dementsprechend so ausbilden,
daß es an den Seitenflächen des Wulstfußes der Schaufel innig anliegt.
Claims (10)
1. Läufer einer Turbine, eines Kompressors oder einer ähnlichen, mit Schaufeln versehenen
Maschine für gasförmige Strömungsmittel, der mindestens eine — aus mehreren koaxial mit Abstand
nebeneinander angeordneten dünnen, z. B. aus Blech bestehenden Scheiben zusammengesetzte
— Läuferscheibe aufweist, an deren Umfang zumindest eine aus kerbempfindlichem, z. B.
keramischem Material bestehende Schaufel gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaufel (6) in an sich bekannter Weise einen verstärkten und an der Läuferscheibe über zwei
Haltestücke (20) befestigten Schaufelfuß (6 c) aufweist, wobei die je entlang einer Seitenfläche des
Schaufelfußes angreifenden Haltestücke (20) beide die dünnen Scheiben (la bis Xe) in axialer Richtung
überbrücken und an sämtlichen dünnen Scheiben befestigt sind.
2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes in Umfangsrichtung der
Läuferscheibe zugleich zwei benachbarte Schaufeln (6) entlang je einer Schaufelfußseite festhaltende
Haltestück (20) in im wesentlichen radial verlaufenden Ouerausnehmungen der dünnen Scheiben
(1 α bis 1 e) der Läuferscheibe verankert ist.
3. Läufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Halterung der Haltestücke
(20) dienenden Querausnehmungen der dünnen Scheiben (la bis Xe) als vom äußeren Umfang
dieser Scheiben aus im wesentlichen radial nach innen verlaufende Quernuten ausgebildet sind, in
welche die Haltestücke (20) mit einem in Umfangsrichtung der dünnen Scheiben Haltemittel aufweisenden
Fußteil (20 b) von außen her eingreifen.
4. Läufer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelfüße (6 c) einen
schwalbenschwanzf örmigen Querschnitt haben, dessen schräg nach unten außen gerichtete Schwalbeuschwanzflächen
(6 d) im wesentlichen in axialer Richtung verlaufen, und die Haltestücke (20) entsprechende,
schräg nach oben außen gerichtete Gegenflächen (20 a) aufweisen, die an den Seitenflächen
(6 c?) des Schwalbenschwanzes anliegen.
5. Läufer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestücke (20) im wesentlichen
einen Keilquerschnitt haben, dessen radial nach innen sich verjüngender Fußteil {20b) Haltevorsprünge
aufweist, die in entsprechende seitliche Erweiterungen der Quernuten der Scheiben (la
bis Ie) jeder Läuferscheibe eingreifen, während die radial weiter außen liegenden Seitenflächenteile
(20 a) des Keiles an den Seitenflächen (6 d) der schwalbenschwanzförmigen Schaufelfüße (6 c) anliegen.
6. Läufer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verjüngten keilförmigen Fußteile
(20 b) der Haltestücke (20) als seitliche Erweiterungen axial zum Läufer verlaufende Vorsprünge
(Halterippen) aufweisen, so daß ihr Querschnitt eine tannenbaumartige Form hat.
7. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Läuferendscheibe
(2) und einige der dünnen Scheiben (la, Ib, lc, Xd) Löcher (22a, 22b, 22c, 22d, 22c)
zum Zuführen von Kühlluft in die Zwischenräume zwischen den Scheiben (1 α bis 1 e) aufweisen.
8. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel
(α), um den die Druckflächen (20a) der Haltestücke
(20) gegen die radiale Richtung geneigt sind, größer als 30° ist.
9. Läufer nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Kühlluftbohrungen (20 c) in den Haltestücken
(20), welche die Zwischenräume zwischen den dünnen Scheiben (1 a, Ib, Xc, Id, 1 e) mit den
Schaufelkanälen verbinden.
10. Läufer nach den Ansprüchen 7 und 9, gekennzeichnet durch die Fußunterseite mit der
Schaufelspitze verbindende, im Innern der Schaufel angeordnete Kühlluftkanäle.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 841663, 818 442,
580, 550 328, 375 539;
schweizerische Patentschriften Nr. 279 434,
499;
499;
französische Patentschriften Nr. 997 690, 993 590;
britische Patentschrift Nr. 200 474.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 709 699/201 9.57
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB328211X | 1953-07-06 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=10344491
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DEN9134A Expired DE962027C (de) | 1953-07-06 | 1954-07-02 | Rotor fuer eine Gasturbine |
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DEN9133A Expired DE956822C (de) | 1953-07-06 | 1954-07-02 | Turbinenschaufel fuer den Rotor einer Turbine |
DEN9134A Expired DE962027C (de) | 1953-07-06 | 1954-07-02 | Rotor fuer eine Gasturbine |
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CH (2) | CH328211A (de) |
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GB (2) | GB751010A (de) |
NL (2) | NL92044C (de) |
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