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Hohischaufelturbine mit aus Blech gefalteten Schaufeln Es ist bereits
vorgeschlagen worden, innengekühlte Hohlschaufeln aus einem Stück Blech derart herzustellen,
daß die Schaufelprofilformen durch Aneinaniderreihen mehrerer Blechteile, die im
einzelnen aus 'Schaufelrücken, Schaufelbauch und einer dazwischenliegenden Befestigungsschleife
der Schaufel im Läuferaußenkranz bestehen, gebildet werden, wobei die derart entstehenden
scharfen Ein- bzw. Austrittskanten der Schaufel verschweißt werden. Außerdem sind
vorzugsweise für innengekühlte Turbinen bestimmte Ausführungsformen bekanntgeworden,
bei denen die jeweilige Schaufelprofilform nicht wie in vorstehendem Beispiel durch
aufeinanderfolgende Blechteile gebildet wird, bei dem vielmehr Schaufelbauch und
Schaufelrücken ein und derselben Schaufel über die dazwischen befindliche Befestigungsschleife
unmittelbar zusammenhängen.
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Beiden Ausführungsformen gemeinsam ist die Art der Befestigung im
Außenkranz des Turbinenläufers, die derart erfolgt, daß die Befestigungsschleife
der Schaufel in eine in den Läufer eingearbeitete Ringnut entsprechender Breite
eingeführt und durch einen axial eingesetzten zylindrischen Stift in radialer Richtung
gehalten wird.
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Eine derartige Anordnung hat eine Reihe von Nachteilen, die ihre Verwendung
bei den. heute für Hochleistungs-, Gas- und Abgasturbinen geforderten. hohen Umfangsgeschwindigkeiten
bzw. Temperaturen nicht immer ratsam erscheinen lä:ßt.
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So. liegt z. B. ein Nachteil der obengenannten Anordnung darin, daß
die scharfkantige Eintrittskante
der Schaufeln geschweißt werden
muß. Wird nämlich zur Erzielung geringer Herstellungskosten die Eintrittskante zusammengepunktet,
so entsteht vor allem bei wechselndem Betriebsbereich eine den Wirkungsgrad ungünstig
beeinflussende scharfe Kante. Wie die Erkenntnisse der Strömungslehre gezeigt haben,
ist hier eine gerundete Eintrittskante im Vorteil, die jedoch hier praktischer durch
Abschmelzschweißung mit anschließendem Abarbeiten der Schweißnaht zu erzielen sein
dürfte. Dies steht jedoch mit den an die Einfachheit der Herstellung zu richtenden
Forderungen im Widerspruch, da die im übrigen einfach herzustellende Schaufel hier=
durch infolge der kaum zu umgehenden Handarbeit ganz erheblich verteuert wird. -Läßt
man die Eintrittskante scharfkantig, so ergeben sich außer der Wirkungsgradeinbuße
relativ hohe Stautemperaturen, die zu örtlicher Überhitzung und damit unter Umständen
zur Verzunderung in einem Umfang Anlaß geben können, d-aß sich für die Lebensdauer
nachteilige Festigkeitseinbußen einstellen. Es wäre zwar an sich möglich, die Abwicklung
der erwähnten Schaufeln paarweise so zusammenzuleben, daß wenigstens jede zweite
Eintrittskante gebogen werden kann und nicht zusammengeschweißt werden muß, doch
ist auch dies nur als Behelfslösung anzusehen. -Als weiteren Nachteil der eingangs
erwähnten Bauarten ist die Fixierung der Schaufel in radialer Richtung zu nennen,
da bereits geringfügige Dehnungen zu einem Lockern der Schaufel führen werden und
sie noch erheblich schwingungsempfindlicher machen; als sie auf Grund der ohnedies
sehr geringen Biegungssteifigkeit der Schaufel vor allem in der unter dem eigentlichen
vom Gas oder Abgas bestrichenen Beaufschlagungsgebiet liegenden Zone der Schaufel
ist.
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Gemäß der Erfindung können die genannten Nachteile vermieden werden,
wenn die Schaufel derart aus Blech geschnitten und geformt wird, daß ein Mantelteil
der Schaufel, z. B. der Schaufel-Bauch, über die Befestigungsschleife der Schaufel
mit dem Verdrlängereinsatz derselben oder einer Nachbarschaufel zusammenhängt, während
der die Schaufelprofilform ergänzende zweite Mantelteil der Schaufel, hier also
der Schaufelrücken; vorzugsweise längs der Eintrittskante mit dem ersten Mantelteil
in unmittelbarer Verbindung steht, also eine Einheit bildet. Der zweite Mantelteil
kann weiterhin gleichfalls eine Befestigungsschleife erhalten, die an die zwischen
dem erstere Mantelteil und dem Verdrängereinsatz befindlichen Befestigungsschleife
angelegt und gegebenenfalls mit dieser verbunden wird. Darüber hinaus ist es möglich,
auch das zur Abdeckung der zwischen den Schaufeln offen bleibenden Ringnut am Außenrand
des Läufers erforderlichelDeckblech als Fortsetzung der nicht am Versteifungs- bzw.
Verdrängereinsatz anschließenden Befestigungsschleife auszubilden.
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In den Alb: z a bis i d ist ein Ausführungsbeispiel -des Erfindungsgegenstandes,
bei dem -der Füßhaltestift H im wesentlichen unter der Mittelachse der Schaufel
liegt, in verschiedenen Ansichten bzw. Schnitten dargestellt. Die Schaufel, die
hier ein in sich geschlossenes Ganzes darstellt, besteht aus den - Mantelteilen
Ml und M2, die eine Einheit bilden und lühgs der Austrittskante K miteinander verbunden
sind. An jedes der beiden Mantelteile schließt sich fußseitig eine Befestigungsschleife
an, die mit BI und B2 bezeichnet sind. Die Befestigungsschleife Bi setzt sich in
dem Verdrängungskörper V im Hohlschaufelinnern fort. Die Befestigung der Schaufel
im Läufer L erfolgt durch radiales Einführen der Schaufel in die Ringnut im Läuferaußenkranz
und nachträglich axiales Einschieben des Haltestiftes H. Wie aus Abb. z d ersichtlich
ist, strömt die Kühlluft beim Ausführungsbeispiel von unten an zwei Aussparungen
vorbei in das Hohlschaufelinnere ein. Die Herstellung der Schaufel aus einem ebenen
Blech kann durch mehrmaliges Falten derart erfolgen, daß zunächst die sich an den
Mantelteilen M, anschließende Befestigungsschleife Bi mit dem Verdrängungskörper
hergestellt wird. Hieran schließt sich zweckmäßig die Verbindung des am Befestigungs-
bzw. Verdrlängungseinsatz L' befindlichen, am Mantelteil M1 anliegenden Bördelbandes
des genannten Einsatzes mit dem Mantelteil M1 vorzugsweise durch Punktschweißung.
Die Schaufel erhält damit in sich eine relativ große Festigkeit gegen Schwingungs-
und Ziehbeanspruchungen. Die Fertigstellung des Schaufelprofils erfolgt nunmehr
durch Umbiegen des zweckmäßig bereits vorgelogenen Mantelteiles M2 um die Eintrittskante
E sowie durch das Umlegen der Befestigungsschleife B2 um die Befestigungsschleife
Bi. Im Bedarfsfall können die beiden Befestigungsschleifen ohne weiteres z. B. durch
Einführen einer I#,'-upferelektrode von den Abmessungen des Haltstiftes H von außen
verpunktet werden. EineVerlötung od. dgl. ist gleichfalls möglich. Nach dem Verschweißen,
vorzugsweise Verpunkten, der Austrittskante K ist die Schaufel für den Einbau fertig
und kann in einem einteiligen, oder zweiteiligen Läuferverwendet werden. Wie in
den Abb. r ä und r d durch Strichpunktierung dargestellt ist, kann eine weitere
Versteifung der -Schaufel gegen Schwingungen bzw. zur !Aufnahme der durch die strömenden
Gase ausgeübten Biegungskräfte in der Weise erfolgen, daß z. B. der Mantelteil M.=
fußseitig unterhalb des Beaufschlagungsgebietes in der Nähe der Ein- und Austrittskante
Ansätze besitzt, die in entsprechende, in den: Läufer eingearbeitete Schlitze eingeführt
und mit dem Läuferaußenrand verbunden, vorzugsweise verpunktet werden. Auf die Einarbeitung
von Schlitzen für die Ansätze A kann unter Umständen in den Fällen verzichtet werden,
in denen der Läuferaußenrand schmäler als die Schaufelbreite ist.
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In vielen Fällen kann es auch zweckmäßig sein, die Funktionen der
Mantelteile M1 und M2 zu vertauschen. Ebenso kann natürlich auch der Verdrängungs-
bzw. Versteifungseinsatz eine andere Form erhalten,: z. B,. als U-Profil ausgebildet
sein, oder aber der aus Abb: z b ersichtliche, am Mantelteil M1 anliegende Bördelrand
.-kann ein- oder beiderseitig nochmals aufgebogen sein od. dgl., wodurch
sich
eine Vergrößerung der Innenoberfläche ergibt. Die Zuführung der Kühlluft kann auch
durch entsprechende Bohrungen oder Aussparungen im Außenkranz des Läufers vorgenommen
werden. Bei einer Ausführung der Turbine mit Kühlluftzuführung an; den Stirnseiten
der Läufer ist es auch möglich, die Kühlluftbohrungen oder Nuten zwischen den Haltestiften
N und. dem Läuferaußenrand anzuordnen.
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In Abb. 2 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel im Schrägriß dargestellt,
wobei jedoch der untere Bereich des Mantelteiles M2 nicht wiedergegeben ist. Die
Lage des Mantelteiles M2 sowie der Befestigungsscheibe B2 vor der endgültigen Fertigstellung
der Profilform ergibt sich aus- der gestricheltenDarstellung des Mantelteiles M2
in dieser Abbildung. In dieser Lage ist es ohne weiteres möglich, den Verdränger-
bzw. Versteifungseinsatz V mit dem Mantelteil Ml zu verbinden, vorzugsweise zu verschweißen.
Im Bedarfsfall kann auch eine Verbindung des Verdränger- bzw. Versteifungseinsatzes
V mit dem Mantel M2 vorgenommen werden. Zur Herstellung des Zusammenhanges mit den
Abb. i a bis i d ist hier der HaltestiftH gleichfalls eingezeichnet.
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In Abb. 3 a, 3 b und q. sind zwei weitere Ausführungsbeispiele des
Erfindungsgegenstandes veranschaulicht. Bei dieser Anordnung befindet sich der Fußhaltestift
in an sich bekannter Weise zwischen je zwei benachbarten Schaufeln. Der Mantelteil
Ml schließt sich über die Befestigungsschleife Bi an den Verdränger- bzw. Versteifungseinsatz
an, während der Mantelteil M= längs der Eintrittskante mit dem :Mantelteil Ml unmittelbar
verbunden ist und von der Befestigungsschleife B2 in radialer Richtung gehalten
wird. Die Befestigungsschleife B2 setzt sich in einem sog. Fußdeckblech F fort,
durch das der zwischen den Schaufeln verbleibende offene Teil der Ringnut im Läuferaußenkranz
abgeschlossen werden kann. Eine zusätzliche Fixierung dieses Fußdeckbleches F am
Läufer selbst wird vielfach nicht zu vermeiden sein, doch ist durch einen derartigen
Aufbau immerhin erreicht, daß die gesamte Schaufel einschließlich Verdränger- bzw.
Versteifungseinsatz und Fußdeckblech aus einem ebenen Blechstück hergestellt werden
kann. Diese Anordnung kann in vorteilhafter Weise auch bei der Schaufelbauart entsprechend
Abb. i a bis i d sinngemäß in Anwendung gebracht werden.
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Die Montage dieser Schaufel erfolgt durch aufeinanderfolgendes Überschieber
der einzelnen Schaufelelemente, wobei die Schlußschaufel an der Eintrittskante verschweißt
werden muß.
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Die Bauart gemäß Abb. 3 kann sowohl für einteilige wie für zweiteilige
Läufer zur Anwendung gebracht werden und kann im ersten Fall als offener, im zweiten
Fall als geschlossener Ring vormontiert werden, wobei vielfach die Anwendung von
Montageringen mit größerem Durchmesser als der des zu beschaufelnden Läufers vorteilhaft
ist. Auch hier ist es möglich, den Verdränger- bzw. Versteifungseinsatz mit den
Mantelteilen M., und M1 zu @eischweißen, wobei wie oben die Fertigstellung der Profilform
erst nach der Herstellung dieser Ver-Bindung erfolgen kann. Bezüglich der Gestaltung
des Verdränger- bzw. Versteifungseinsatzes gelten die bereits unter Abb. i erwähnten
Gesichtspunkte gleichfalls. Die in entsprechende Einschnitte oder Aussparungen im
Läuferrand eingesetzten Ansätze A sind auch hier in erster Linie bei zweiteiliger
Ausführung des Läufers realisierbar, wie z. B. aus Abb. 3 b hervorgeht. Die in der
gleichen Abbildung an dem Versteifungs- bzw. Verdrängereinsatz V angebrachten Pfeile
sollen andeuten, daß hier eine Verbindung mit den radialen Seitenwänden der Ringnut
des Läufers vorgenommen werden kann, wodurch eine nicht unerhebliche Versteifung
der Schaufel im Läufer zu erzielen ist. Ebenso ist es möglich, die Befestigungsschleifen
Bi und/oder B2 mit Bördelrändern zu versehen, die in analoger Weise am Läufer befestigt
werden können. Ein derartiger Bördelrand bringt, auch wenn er nicht mit dem Läufer
verschweißt wird, eine ganz erhebliche Versteifung der Fußpartie der Schaufel mit
sich. Ähnliche Wirkungen ließen sich z. B. durch im wesentlichen senkrecht zur Befestigungsschleife
auf diese aufgebrachte Versteifungsrippen erzielen.
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Als vielfach besonders vorteilhaft hat hier eine Ausführung der Versteifungsrippen
entsprechend Abb. 5 zu gelten. Derartige Rippen können aus einem ebenen oder konischen
Blech durch Bohren eines Loches längs der Mittelachse M, die wie bei der fertig
montierten 'Schaufel mit der Mittelachse des Fuß'haltestiftes zusammenfällt, und
durch Umbiegen des Bördelrandes R auf einer oder beiden Seiten der Schenkel U der
Versteifungsrippen hergestellt werden. Der bzw. die Schenkel U werden mit Befestigungsschleifen
B'1 bzw. B2 verbunden. Wie die bereits erwähnten Bördelränder der Befestigungsschleifen
können auch die Schenkel U der Versteifungsrippen den radialen Wänden der Ringnut
im Läufer angepaßt sein. Wenn eine Verbindunig ohne weiteres möglich ist, kann diese
auch über etwaige Bördelränder an den Befestigungsschleifen erreicht werden. In
Abb. 6 ist die praktische Ausführung in einem Anwendungsbeispiel wiedergegeben (linke
Hälfte Ansicht, rechte Hälfte Mittelschnitt). Die Abbildung zeigt einen Schnitt
durch den Außenrand des Läufers, wobei die Blickrichtung auf den Mantelteil Ml gerichtet
ist. Die hier durch die Befestigungsschleife B2 verdeckte Befestigungsschleife Bi
hat seitlich Bördelränder W1, die an die entsprechend dem Verlauf der Ringnut gebogenen
Schenkel U der senkrechten Versteifungsrippen angelegt und mit diesen verbunden,
vorzugsweise verschweißt sind. Die U-Schenkel sind an ihrem oberen Ende umgebogen
und können so auch am Läuferaußenrand befestigt werden. Die Stabilität der Versteifungsrippen
U' gegen seitliche Kräfte wird hier dadurch gewährleistet, daß die seitliche Kante
der Befestigungsschleife B, bis unmittelbar an die Versteifungsrippen heranreicht.
Die gleiche Wirkung könnte noch durch zusätzliche Auflagen auf den Befestigungsschleifen
oder Zwischenlagen erzielt werden. Je nach den besonderen Verhältnissen kann der
gegenüberliegende Schenkel
der Versteifungsrippe auch anders gestaltet
werden, wenn z. B. auf die Kühlluftzuführung Rücksicht genommen werden muß. Das
Fußdeckblech F schließt sich hier gleichfalls wie bei dem Ausführungsbeispiel in
Abb: 3 unmittelbar an die- Befestigungsschleife B an.
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Eine gute Arretierung gegen Schwingungen und Biegungsbeanspruchüng
kann auch gemäß Abb.7 durch einen mittels Bohrungen in den Läufer L eingesetzten
Zwischenstift Z erzielt werden, an dem sich die U-Schenkel der Versteifungsrippen
W abstützen. Ein derartiger Zwischenstift stellt gleichzeitig eine gute radiale
Fixierung der Schaufel sicher; vor allem wenn die halbkreisförmige Aussparung in
der Versteifungsrippe für den Stift erst nach dem Einsetzen der Schaufel in den
Läufer eingearbeitet wird.