DE1045730B

DE1045730B - Einrichtung an metallischen Schaufeltraegern zur Befestigung von Laufschaufeln aus sproeden Werkstoffen, insbesondere fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE1045730B
Application number: DEM36192A
Authority: DE
Inventors: Walter Handschuher
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1957-12-18
Filing date: 1957-12-18
Publication date: 1958-12-04

Description

Feuerfeste Werkstoffe, besonders die keramischen, weisen sich bekanntlich durch hohe Sprödigkeit aus; ihre Verwendung für die Herstellung von Turbinenschaufeln bereitet daher erhebliche Einspannschwierigkeiten. Außerdem haben sie auch einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der im allgemeinen auf Stahlbasis aufgebaute Läuferwerkstoff. Dies führt vor allem bei der Befestigung von keramischen Laufschaufeln in Gasturbinenläufern zu beträchtlichen Schwierigkeiten, da die unterschiedlichen Dehnungen zwischen Schaufelfuß und Träger im keramischen Werkstoff Zusatzspannungen hervorrufen, die ihn überbeanspruchen.

Um dies zu vermeiden, hat man schon elastische Schichten zwischen der Nutenwand und dem Schaufelfuß angeordnet, wobei als Material für die elastische Zwischenschicht Gewebe aus keramischen Fasern, z. B. Asbest, Glas- oder Schlackenwolle, empfohlen wurden. Diese Stoffe sind zwar sehr hitzebeständig, doch haben sie nur eine geringe Festigkeit, so daß sie als Zwischenschichten der kraftübertragenden Stützflächen nicht in Frage kommen können. Die bekannten metallischen Werkstoffe hingegen sind bei den hohen Treibmitteltemperaturen nicht mehr elastisch.

Aus diesen Gründen hatte man versucht, durch Anordnung mehrschichtiger metallischer Zwischenlagen zwischen den Stützflächen des Schaufelfußes und der schwalbenschwanzförmigen Befestigungsnut Gleitschichten zu schaffen, so· daß auch bei fehlender Werkstoffelastizität Dehnbewegungen ermöglicht werden könnten. Doch diese mehrschichtigen metallischen Zwischenlagen konnten offenbar wegen der veränderten Reibungsverhältnisse bei hohen Temperaturen nicht befriedigen.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung an metallischen Schaufelträgern zur Befestigung von Laufschaufeln aus spröden Werkstoffen, die mit hammerkopf- oder keilförmigem Fuß versehen sind, dessen Stützflächen an den Gegenstützflächen der in Umfangs- oder axialer Richtung verlaufenden Befestigungsnut des Läufers anliegen. Die Erfindung besteht darin, daß die Gegenstützflächen der Befestigungsnut von dünnen, biegsamen Metallwänden gebildet sind, die auf der dem Schaufelfuß abgewendeten Seite unter der Einwirkung eines Druckmittels stehen, dessen Druck regelbar ist. Eine derartige Einspannung der Schaufeln ermöglicht es, auf den Schaufelfuß in jeder Betriebsphase immer nur den zum Halten der Schaufel notwendigen Stützdruck einwirken zu lassen, so daß Überbeanspruchungen des S chaufel werkstoff es von der Einspannung her ausgeschlossen sind. Die dünne Wandstärke und die Biegsamkeit der die Gegenstützfläche bildenden Wand bieten zugleich die Gewähr für ein sattes Anliegen von Stütz- und Gegenstützflächen, Einrichtung

an metallischen S chaufel trägem
zur Befestigung von Laufschaufeln

aus spröden Werkstoffen,
insbesondere für Gasturbinen

Anmelder:

Mas chinenf abrik
Augsburg-Nürnberg A. G.,
Augsburg 2, Stadtbachstr. 7

Walter Handschuher, Augsburg,
ist als Erfinder genannt worden

war vor allem für Schaufeln aus keramischen Werkstoffen, deren Oberflächen beim Brennen leicht verworfen werden können, grundlegend wichtig ist.

Im folgenden sei die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen zweistufigen Läufer im Axialschnitt, bei dem das Druckmittel unmittelbar auf die dünne Stützwand einwirkt,

Fig. 2 einen zweistufigen Läufer im Axialschnitt, bei dem das Druckmittel nicht unmittelbar auf die dünne, biegsame Stützwand einwirkt,

Fig. 3 einen Läufer im Axialschnitt, bei dem der Stützdruck teilweise durch Fliehgewichte erzeugt wird, Fig. 4 einen Läufer im Axialschnitt, bei dem das Druckmittel zugleich zur Läufer- und Schaufelfußkühlung dient.

Fig. 5 und 6 sind Diagramme, welche die Druckverteilung innerhalb des Läufers in Abhängigkeit vom Abstand r von der Drehachse darstellen. Auf der Ordinate sind die Drücke^ in kg/mm² und auf der Abszisse die Radien r in mm aufgetragen. T₁ und r₂ sind jeweils der innere bzw. der äußere Radius der Stützfläche. Der von der Schaufel ausgelöste Auflagedruck in den Stützflächen ist mit p_A eingetragen.

In Fig. 1 bis 4 sind die Laufschaufeln mit 1 und der stählerne Läufer, der aus mehreren Teilen zusammengesetzt und geschweißt sein kann, mit 2 bezeichnet. Die Schaufeln 1 sind jeweils in Umfangsnuten 3 aufgenommen.

Bei dem Läufer nach Fig. 1 sind die beiden Seitenwände der Umfangsnut als dünne, biegsame Metall-

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wände 4 herausgearbeitet und am Umfang mit dem Läufer verschweißt, derart, daß hinter diesen Wänden 4 Räume 5 entstehen, die zur Aufnahme des durch die Kanäle 6 zugeführten Druckmittels dienen, das dem Raum 7 entnommen wird. Dieser Raum 7 ist nach, einer Seite hin von einer Membran 8 abgeschlossen, die von den Tellerfedern 9 belastet wird, um so dem Druckmittel schon bei nicht rotierendem Läufer einen bestimmten Vordruck aufzuprägen. Der bei der Rotation in dem Kanalsystem und in den Druckräumen 5 sich einstellende Druck ist im Diagramm der Fig. 5 mit der Parabel B-C-D eingetragen.

Bei dem Läufer nach Fig. 2 sind in die Umfangsnut 3 zu beiden Seiten dünne Metallbleche 14 als Stützwände eingesetzt, wobei hinter diesen Blechen wiederum Räume 15 verbleiben, die radial einwärts durch Membranen 20 abgeschlossen sind. In die Druckräume 15 ist ein Füllmittel mit einem geringeren spezifischen Gewicht als das Druckmittel eingebracht, welch letzteres dem Ringkanal 21 durch die Kanäle 16 zugeführt wird und so die Membranen 20 beaufschlagt. Auf diese Weise wird der hohe Druckanstieg bei Läufern mit größeren Abmessungen verringert; es stellt sich nämlich ein Druckverlauf ein, wie er im Diagramm der Fig. 5 mit dem Linienzug E-C-P wiedergegeben ist.

Bei dem Läufer nach Fig. 3 sind die dünnen Metallwände 24 wiederum aus dem Läufermaterial herausgearbeitet und am Umfang mit dem Läufer verschweißt, so daß Druckräume 25 gebildet werden, die mit einem Druckmittel gefüllt sind. In der Umfangsnut sind ferner Führungsleisten 22 angebracht, an denen Fliehgewichte 23 geführt sind. Bei der Rotation des Läufers wird in dem rotierenden Druckmittel ein Druck erzeugt, der durch die Fliehgewichte 23 erhöht wird, und zwar in dem Maße, wie es zur Stützung der Schaufeln 1 erforderlich ist. Der Druckverlauf ist im Diagramm der Fig. 6 mit der Linie G-H wiedergegeben.

Im Läufer nach Fig. 4 dient das Druckmittel gleichzeitig zur Kühlung des Läufers. Analog den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen sind in die Umfangsnut de§ Läufers beidseitig dünne, biegsame Wände 34 eingesetzt, hinter denen die Räume 35 und 35' eingearbeitet sind, die in diesem Falle durch die Kanäle 33 miteinander verbunden sind. Das Druckmittel gelangt durch die Kanäle 36 in den Druckraum 35 und von hier aus durch die Kanäle 33 in den Druckraum 35', von wo aus es über die Kanäle 37 in den Sammelraum 38 geführt wird. Vom Sammelraum 38 wird das Druckmittel durch die Rohrleitung 39 zu einem Kühler gefördert, um dann wieder durch die Kanäle 36 dem Kühlkreislauf zugeführt zu werden. Der Druckmittelumlauf wird dabei selbsttätig durch die Rotation des Läufers bewirkt. Die Druckverteilung im Kanalsystem ist im Diagramm der Fig. 6 mit dem Linienzug I-K-L eingetragen.

Abschließend ist noch darauf hinzuweisen, daß als Druck- und Füllmittel für die Ausführungen nach Fig. 1 bis 3 nicht unbedingt flüssige Stoffe zu verwenden sind, es können vielmehr auch gas- oder dampfförmige oder sogar feste Stoffe, beispielsweise in Pulverform, verwendet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung an metallischen Schaufelträgern zur Befestigung von Laufschaufeln aus spröden Werkstoffen, die mit hammerkopf- oder keilförmigem Fuß versehen sind, dessen Stützflächen an den Gegenstützflächen der in Umfangs- oder axialer Richtung verlaufenden Befestigungsnut anliegen, insbesondere für Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstützflächen der Befestigungsnut (3) von dünnen, biegsamen Metallwänden (4) gebildet sind, die auf der dem Schaufelfuß abgewendeten Seite unter der Einwirkung eines Druckmittels stehen, dessen Druck regelbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Druckmittels proportional der während der Rotation auftretenden Fliehkraft zunimmt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlich neben den Schaufelfüßen angeordneten Druckmittelräume (5) durch Kanäle (6) in der Laufscheibe mit einem zentral angeordneten Druckmittelspeicher (7) verbunden sind, in dem durch zusätzliche Spannmittel (z. B. einer federbelasteten Membran (8), einen Verdrängerkolben od. dgl.) ein Überlagerungsdruck erzeugt wird (Fig. 1).

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckräume (15) mit einem Füllmittel geringeren spezifischen Gewichts als das Druckmittel gefüllt und radial einwärts durch Membranen (20) abgeschlossen sind, die vom Druckmittel beaufschlagt sind (Fig. 2).

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlagerungsdruck von Fliehgewichten (23) erzeugt wird (Fig. 3).

6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckräume (35 und 35') durch Kanäle (33) verbunden sind und das Druckmittel unter Einschaltung eines Kühlers einen Kreislauf beschreibt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel flüssig ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel gas- oder dampfförmig ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel fest, z. B. pulverförmig ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 879 488.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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