DE919802C - Einrichtung zur Befestigung von Laufschaufeln fuer axial durchstroemte Kreiselradmaschinen - Google Patents
Einrichtung zur Befestigung von Laufschaufeln fuer axial durchstroemte KreiselradmaschinenInfo
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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)
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
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DEM15407A DE919802C (de) | 1952-09-06 | 1952-09-07 | Einrichtung zur Befestigung von Laufschaufeln fuer axial durchstroemte Kreiselradmaschinen |
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Publications (1)
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ID=25798587
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