DE919802C - Einrichtung zur Befestigung von Laufschaufeln fuer axial durchstroemte Kreiselradmaschinen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 4 NOVEMBER 1954

M 15407 Ia/46 f

Kreiselradmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Befestigung von Laufschaufeln für axial durchströmte Kreiselradmaschinen und bezieht sich im besonderen auf eine Einrichtung zur Befestigung von Turbinenschaufeln aus hochwarmfesten, keramischen Massen. Bei der fortschreitenden Steigerung der Treibmitteltemperaturen beispielsweise von Gasturbinen haben sich Keramikschaufeln hinsichtlich der erforderlichen Hitzebeständigkeit den stählernen Turbinenschaufeln gegenüber als überlegen erwiesen. Auch die mechanische Festigkeit dieses Schaufelwerkstoffes ist bei den hohen Fliehkraftbelastungen, welche in einer solchen raschläufigen Strömungsmaschine im Betrieb auftreten, noch durchaus ausreichend und befriedigend. Bei der Befestigung derartiger Laufschaufeln aus keramischem Werkstoff in einer stählernen Läuferscheibe ist jedoch ein besonderes Augenmerk darauf zu richten, daß an den Schaufelsitzflächen keine örtlich engbegrenzten Druckspannungsspitzen, her- ao rührend beispielsweise aus einer Verlagerung im Schaufelsitz, entstehen können, weil die daraus resultierenden Überanstrengungen des Keramikmaterials mehr oder minder rasch zu ihrer Zerstörung führen würden. Es hat sich weiterhin als as zweckmäßig erwiesen, die keramischen Maschinenbauteile unbearbeitet in die Befestigungsnut des Turbinenrotors einzusetzen, weil sie gerade in dem Zustand, in welchem sie aus dem keramischen Brennprozeß hervorgegangen sind, ihre höchste

Festigkeit besitzen. Ein Schleifvorgang, durch welchen etwaige Ungenauigkeiten und Unebenheiten am Schaufelsitz beseitigt werden könnten, würde lediglich eine beträchtliche Verminderung der Bauteilfestigkeit bedeuten, weil dadurch der vom Brennvorgang her im Keramikscherben vorhandene Gleichgewichtszustand der Eigenspannungen gestört würde. Man muß daher die allen keramischen Werkstücken eigentümlichen maß liehen to Abweichungen, welche in der Größenordnung von einigen Prozent liegen, bei der konstruktiven Gestaltung und Behandlung dieser Bauteile weitgehend berücksichtigen. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, den Schaufelfuß von keramischen Turbinenschaufeln mit metallischen oder nichtmetallischen Armierungen zu versehen, welche an Stelle des von ihnen geschützten Keramikscherbens auf die erforderlichen Sitzflächenmaße und Oberflächengüten bearbeitet werden. Die innige Verbindung derartiger Überzüge mit dem keramischen Werkstoff konnte jedoch bisher noch nicht bei allen betrieblichen Zuständen, denen das betreffende keramische Bauelement unterworfen war, in befriedigendem Maße gewährleistet werden, sondern gab vielfach zu Störungen Anlaß.

Wie bereits erwähnt, ist es an sich eine im keramischen Werkstoff selbst begründete Eigentümlichkeit, daß infolge des erforderlichen Brennvorganges Schwindungsunterschiede und Herstellungsungenauigkeiten in gewissen Grenzen unvermeidbar sind und daß daher die Einzelschaufeln ein und derselben Brennofenbeschickung und Herstellungsserie auch hinsichtlich der Krümmungsverhältnisse z. B. des Schaufelblattes mehr oder minder starke Abweichungen aufweisen, welche eine individuelle Behandlungsweise erst recht notwendig machen. Beim Zusammenbau von keramischen Einzelschaufeln zu Radkränzen kommt es darauf an, neben der Einhaltung funktionsbedingter Toleranzen jedes einzelne Schaufelblatt so auszurichten, daß die Schwerachse mit der Zentrifugalrichtung zusammenfällt. In jedem anderen Fall treten zusätzliche Biegekräfte auf, die die Festigkeit einzelner ungünstig eingebauter Schaufeln stark herabsetzen und damit die Laufsicherheit des ganzen Rades gefährden. Es wurden aus diesem Grunde schon Vorrichtungen konstruiert, in welchen beispielsweise gleich ein ganzer Satz von Turbinenlaufschaufeln auf einmal unter dem Einfluß der Fliehkraft ausgerichtet und die mit Armierungen versehenen Sitzflächen entsprechend bearbeitet werden können. Derartige Vorrichtungen sind jedoch teuer und umständlich im Gebrauch und erhöhen zudem wesentlich die Herstellungskosten; außerdem lösen sie darüber hinaus nur teilweise das Problem, weil bei einem solchen Verfahren ein Schleifvorgang für das Keramikmaterial eingeschaltet ist, welcher die bereits genannten ungünstigen Auswirkungen bezüglich der mechanischen Festigkeit des betreffenden Bauteiles in sich birgt.

Setzt man nun solche Keramikschaufeln, welche nach dem bisherigen Verfahren an ihren Sitzflächen bearbeitet wurden, in die Ringnut eines Stahlläufers ein, so werden unter Umständen Einzelschaufeln darunter sein, deren Sitzgüte den Anforderungen in bezug eines Zusammenfalten der Schwerachsenrichtung mit der Wirkungslinie der Zentrifugalkräfte der Schaufel noch nicht vollkommen entspricht. Während des Betriebes werden sich solche Schaufeln aber unter dem Einfluß der Fliehkraftwirkung nachzurichten versuchen. Diese Nachrichtbewegung kann entweder in einer Meridianebene des Läufers erfolgen, was zur Folge hat, daß die guten Auflageverhältnisse der Schaufelsitzflächen beeinträchtigt werden, oder aber auch in der Radebene selbst, d. h. in Richtung der Drehbewegung der Läuferscheibe, was wiederum zu Kraftwirkungen mit den Nachbarschaufelfüßen führt. Stehen z. B-. zwei Schaufeln, welche das Bestreben haben, in der Radebene extrem abweichende Ausrichtbewegungen auszuführen, unmittelbar nebeneinander, so können die dabei geweckten Zusatzbeanspruchungen an den Schaufelfüßen untragbare Werte annehmen, welche zur Zerstörung der betreffenden Schaufeln und damit meist des ganzen Schaufelgitters führen können.

Weiter wurde bereits vorgeschlagen, keramische Turbinenschaufeln, an deren Schaufelfuß entweder ein einziges Anlageflächenpaar mit flachem Keilneigungswinkel oder je ein Sitz- und je ein Stützflächenpaar mit Ausrichtung der jeweiligen Flächenneigung nach einer gemeinsamen, in der Schaufelmittelachse gelegenen Schnittlinie angeordnet sein können, derart in die Befestigungsnut eines stählernen Läufers einzusetzen, daß die eine Seite der Gegenflächen als feste Ringnutwände ausgebildet sind, während die auf der anderen Seite der Mittelebene des Schaufelkranzes liegenden Sitzflächen besonderen Profilsegmenten angehören, welche in bekannter Weise eingestemmt oder angeschweißt werden. Bei einer derartigen Schaufeleinspannung können indessen unkontrollierbare, die mechanische Festigkeit des keramischen Werkstoffes gefährdende Druckspannungen entstehen. Um eine nachgiebige Fixierung einer Keramikschaufel zu ermöglichen, wurde eine der außenliegenden Anlageflächen an einem elastisch verformbaren Teil der Läuferscheibe angeordnet. Damit war zwar für die betreffende Schaufel eine 1x0 Nachrichtmöglichkeit in einer einzigen Ebene gegeben. Aus der dazu etwa senkrecht stehenden Schaufelebene heraus konnten jedoch immer noch Zwangskräfte eingeleitet werden, welche die Werkstückfestigkeit gefährden. Eine ähnliche beschränkte Beweglichkeit im Laufkranz in einer Richtung ist übrigens auch bei Stahlschaufeln bekannt; sie wirkt sich dort insbesondere in bezug auf eine thermische Ausdehnung der stählernen Schaufeln günstig aus. Schließlich ist bei Stahlschaufeln noch eine An-Ordnung von U-förmig profilierten Befestigungsdrähten bekanntgeworden, welche, um den Schaufelfuß herumgelegt, eine einfache Schaufelfixierung ermöglichen. Eine weitere nachgiebige Befestigung von Stahlschaufeln in der Läufernut besteht sodann noch darin, daß federnde Beilagen zwischen je zwei

Schaufeln oder zwei Schaufelgruppen eingesetzt werden, welche der Schaufelung gestatten, in axialer und tangentialer Richtung zu federn und in radialer Richtung sich frei auszudehnen. Damit erreicht man, daß trotz starker Ausdehnung der Schaufeln durch Erhitzen keine unzulässige Beanspruchung des Schaufelfußes stattfindet und jene auch bei starker Abkühlung des Treibmittels in ihren Fassungen eingespannt bleiben. Alle diese ίο bekannten Einrichtungen genügen jedoch nicht den Forderungen nach einer zwangsfreien Befestigung keramischer Schaufeln in der Nut eines stählernen Turbinenläufers.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einer Laufschaufel aus keramischen Massen trotz ihrer zuverlässigen Lagerung in radialer Richtung in der Läuferscheibe noch eine gewisse Beweglichkeit zu verleihen, um eventuelle Abweichungen im Schaufelsitz noch ausgleichen zu können. Die einao zelnen Schaufeln des Laufschaufelgitters sollen also nicht mehr wie bisher völlig starr in die Läufernut eingespannt werden, sondern ihre Befestigung in derselben erfolgt derart, daß die Einzelschaufel auch während des Betriebes die Möglichkeit hat, Eigenbewegungen in zwei zueinander etwa senkrecht stehenden Richtungen gleichzeitig auszuführen. Die Lagerung einer derartigen Schaufel nach der Erfindung ist daher zu vergleichen mit den Bewegungsfreiheiten eines Kreuzgelenkes. Es ist natürlich auch möglich, die Befestigung einer Keramikschaufel so vorzunehmen, daß sie Eigenbewegungen nur in einer Bewegungsebene ausführen kann, etwa in Richtung der Drehbewegung des Läufers oder etwa nur senkrecht dazu. Um die betreffende Schaufel in die Lage zu versetzen, während des Betriebes noch selbsttätig Nachrichtbewegungen in Richtung des rotierenden Schaufelgitters oder senkrecht dazu oder gleichzeitig in beiden Richtungen auszuführen, ist gemäß der Erfindung jede Schaufel mindestens auf einer Seite des Schaufelfußes, mit welcher sie in Berührung mit dem Fuß der Nachbarschaufel steht, in Höhe der Tragflächen so stark ausgebaucht, daß sich die freien Schaufelfußenden sogar bei eventuellen extremen Eigenbewegungen gegenseitig nicht berühren können. Gleichzeitig sind die eigentlichen Anlageflächen des Schaufelfußes zylindrisch ausgebildet. Die gewünschte Eigenbeweglichkeit in der Rotationsebene des Schaufelgitters erreicht man auch noch dadurch, daß jede zweite Schaufel mit ihrem Schaufelfuß in U-förmig profilierte Beilagen eingeführt wird, welche am oberen Rand ihrer beiden Schenkel je eine Umbördelung aufweisen. Auf diese Weise wird mit Sicherheit vermieden, daß außer der Fliehkraftbelastung, herrührend von der Rotation des Schaufelverbandes in der Kreiselradmaschine, keine zusätzlichen, unkontrollierbaren Zusatz- oder Zwangskräfte an der Einspannstelle des Keramikschaufelfußes geweckt werden können. Bo In Weiterausbildung der Erfindung ist es schließlich noch möglich, den Schaufelfuß einer keramischen Laufschaufel in einem gesonderten Formstück zu lagern, wobei dieses selbst wiederum Eigenbewegungen in der Fassung der Läuferscheibe ausführen kann. Zum Zweck einer !temperaturunabhängigen Befestigung und Verbindung der Schaufel mit diesem gesondert hergestellten Formstück können in an sich bekannter Weise am Schaufelfuß zwei Sitzflächenpaare angeordnet sein, von denen das eine die volle Fliehkraftbelastung erhält, während das andere lediglich zur Wahrung des Formschlusses bei allen betrieblichen Zuständen der Schaufel dient.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Keramikschaufeln gemäß der Erfin- dung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. ι einen Querschnitt durch ein Schaufelgitter mit Keramikschaufeln, welche eine Eigenbewegung in der Bewegungsrichtung des Läufers ausführen können,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Schaufelgitter mit Keramikschaufeln, von denen jede zweite am Schaufelfuß U-förmig profilierte Beilagen aufweist,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Turbinenschaufel, welche Eigenbewegungen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers ausführen kann,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine einzelne Turbinenschaufel, deren Schaufelfuß in einem gesonderten Formstück eingesetzt ist.

In Fig. ι ist mit 1 die Läuferscheibe z. B. einer Gasturbine bezeichnet, in deren Nut 2 die keramischen Laufschaufeln 3 eingesetzt sind. Der Schaufelfuß 4 einer jeden Schaufel ist dabei etwa in der Höhe ihrer Anlageflächen an den Gegenstützflächen der Läufernut so ausgebaucht, daß sich die einzelnen Schaufeln 3 gegenseitig nur linienförmig berühren und dadurch in der Lage sind, Eigenbewegungen in Richtung des Pfeiles, d.h. also in der Drehbewegungsebene des ganzen Schaufelgitters auszuführen. Jede Schaufel 3 kann sich je nach ihrem Aufrichtmoment einzeln für sich in der angegebenen Richtung bewegen, ohne daß dabei das Ende des eigenen Schaufelfußes oder das der Nachbarschaufel gedrückt wird. Diese freie Beweglichkeit der Einzelschaufeln kann auch dadurch ermöglicht werden, daß, wie in Fig. 2 dargestellt, der Schaufelfuß 14 jeder zweiten Turbinenschaufel 13 in U-förmig profilierte Beilagen 15 eingesetzt ist, welche am oberen Rand der beiden Schenkel je eine Umbördelung 16 aufweisen. Diese Beilagen 15 können aus metallischem Werkstoff, z. B. Kupferblech, oder einem anderen geeigneten Material gefertigt sein. Durch die wulstförmigen Umbördelungen 16 wird zwischen den Schaufelfüßen 15 der Einzelschaufeln 13 der für die gewünschte Bewegungsfreiheit erforderliche Spielraum geschaffen. In der Fig. 2 ist mit 11 die Läuferscheibe und mit 12 die Nut zum Einsetzen und Befestigen der Schaufeln 13 bezeichnet.

In der Fig. 3 ist weiter eine einzelne Turbinenschaufel 23 dargestellt, welche im Betrieb Eigenbewegungen in einer Meridianebene des Läufers 21, d. h. senkrecht zu seiner Rotationsebene ausführen kann (s. Pfeilangabe). Die Schaufel23 ist zu diesem Zweck mit ihrem Schaufelfuß 24 gelenkig in der Nut 22 gelagert. Der Krümmungsradius r der

Schaufelsitzflächen ist dabei um einen gewissen Betrag kleiner als der entsprechende der Gegenstützfläche der Läuferfassung.

Es ist natürlich auch durchaus möglich, die beiden Einzelbewegungen nach Fig. ι und 2 bzw. 3 zu kombinieren und der keramischen Turbinenschaufel eine kreuzgelenkähnliche Bewegungsmöglichkeit in der Läufernut zu verleihen. Sie ist dann in der Lage, Eigenbewegungen in zwei zueinander etwa senkrecht stehenden Richtungen gleichzeitig auszuführen.

Diese freien Drehbewegungen können, wie in Fig. 4 abgebildet, schließlich auch über Armierungselemente erfolgen, welche am Schaufelfuß aufgebracht sind. Zu diesem Zweck wird der Schaufelfuß 34 der Keramikschaufel 33 in einem gesonderten, die Schaufeleigenbewegungen ermöglichenden Formstück 35 gelagert. Dieses kann aus metallischem Werkstoff (Kupferblech) oder einem anderen hierfür geeigneten Material gefertigt sein. Eine temperaturunabhängige Verbindung zwischen dem Keramikschaufelfuß 34 und dem gesonderten Formstück 35 erzielt man dabei in bekannter Weise dadurch, daß man hierfür zwei Sitzflächenpaare vorsieht. Das eine Flächenpaar 36 wird allein von der Schaufelfliehkraft belastet, während das zweite Paar 37 zur Wahrung des Formschlusses dient. Die beiden Sitzflächenpaare 36 und 37 sind so geneigt, daß sie sich in einer gemeinsamen Schnittlinie (in Fig. 4 nur als Punkt ο erkenntlich) schneiden. Mit den Positionen 31 und 32 ist in Fig. 4 wiederum der Läufer bzw. die Läuferringnut bezeichnet.

Durch die erfindungsgemäße Lagerung einer keramischen Turbinenschaufel ist es möglich, Biegungsbeanspruchungen, welche von in die Läufernut schief eingesetzten Schaufeln herrühren, vollkommen auszuschalten. Biegekräfte mit den gleichen Richtwirkungen können jedoch bei einer Turbinenlaufschaufel innerhalb eines Schaufelgitters zusätzlich noch auftreten, wenn die Turbine unter Belastung läuft. Diese Kräfte sind zwar im Verhältnis zur Zentrifugalkraft klein, stellen aber doch für den spröden keramischen Werkstoff nicht unwesentliche Zusatzbeanspruchungen dar, zumal die höchsten Spannungen am Übergang vom Blatt zum Fuß auftreten, wo sowohl die fiiehkraftbedingten Zugspannungen als auch die durch den Temperaturgradienten in der Schaufel verursachten Wärmespannungen ihre Höchstwerte erreichen. Beschreiben die Achsen der Schaufel beim Leerlauf der Turbine eine Ebene (die Radebene), so wird bei Vollast diese Bewegungsebene zu einem flachen Kegel deformiert, falls die Schaufeln erfindungsgemäß in der Nut des Läufers gelagert sind. Die Schaufeln suchen den Gaskräften auszuweichen, wobei jedoch die Auslenkung infolge des kleinen Verhältnisses Gaskraft: Fliehkraft klein und in durchaus vertretbaren Grenzen bleibt. Eine Drehung der Schaufel um ihre Längsachse, etwa in Segelstellung, kann ohnehin nicht eintreten, da beide Ausweichbewegungen auf die Radebene und Meridianebene beschränkt bleiben.

Die Erfindung kann nicht nur bei Turbinenschaufeln aus keramischen Werkstoffen erfolgreich angewandt werden, sondern es ist auch möglich, durch die aufgezeigte Lösung ähnlich ungünstige Einspannverhältnisse bei Schaufeln aus metallischen Baustoffen zu verbessern. Schließlich ist es möglich, die Erfindung bei allen Arten von axial durchströmten Kreiselradmaschinen anzuwenden, z. B. bei Axialverdichtern, Pumpen usw.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Befestigung von Laufschaufeln für axial durchströmte Kreiselradmaschinen, insbesondere von Turbinenschaufeln aus hochwarmfesten, keramischen Massen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der Schaufel mit ihrem Schaufelfuß in der Läuferscheibe nach Art eines Kreuzgelenkes erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel mindestens auf einer Seite des Schaufelfußes, mit welcher sie in Berührung mit dem Schaufelfuß der Nachbarschaufel steht, etwa in Höhe ihrer Anlageflächen in der Läufernut eine Ausbauchung aufweist, so daß sich die freien Schaufelfußenden bei auftretenden Eigenbewegungen der Schaufel gegenseitig nicht berühren können.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen des Schaufelfußes eine zylindrische Form aufweisen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Schaufelfuß jeder zweiten Schaufel U-förmig profilierte Beilagen angeordnet sind, welche am oberen Rand der beiden Schenkel je eine Umbördelung aufweisen.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß in einem gesonderten, Schaufeleigenbewegungen nach Art eines Kreuzgelenkes ermöglichenden Formstück gelagert ist, welches aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß in bekannter Weise zwei nach einer gemeinsamen Schnittlinie fluchtende Sitzflächenpaare aufweist, mit welchen er in dem gesonderten Formstück gelagert ist, wobei das Formstück selbst kreuzgelenkähnliche Eigenbewegungen in der Fassung der Läuferscheibe ausführen kann.

Angezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 834 475, 830 854, S26996, 818442, 818276, 573 248, 554 britische Patentschrift Nr. 664 986; USA.-Patentschrift Nr. 2 434 935.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

9562 10.54