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Aus Scheiben zusammengesetzter Läufer für Turbinen oder Verdichter
Die Erfindung bezieht sich auf einen Läufer für Turbinen oder Verdichter, der aus
mehreren durch Schweißung miteinander verbundenen Scheiben zusammengesetzt ist,
von denen einander benachbarte Scheiben mittels zur Drehachse konzentrischer, nahe
der Schweißung angeordneter Paßflächen aneinander zentriert sind.
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Bekanntlich sind geschweißte Läufer von Turbinen und Verdichtern im
Betrieb gefährdet, weil sich die einzelnen Scheiben des Läufers infolge unterschiedlicher
Erwärmung verschieden stark ausdehnen. Diese Ausdehnungsunterschiede machen sich
besonders in radialer Richtung bemerkbar. Sie müssen bei den bekannten Läuferkonstruktionen
von dem kurzen, zwischen den Scheiben liegenden Verbindungsteil ausgeglichen werden,
wodurch dieser Teil und vor allem die dnrinliegende Schweißnaht stark auf Biegung
beansprucht wird. Biegespannungen führen aber leichter als beispielsweise Zug- oder
Druckspannungen zu einer Zerstörung der Schweißnaht.
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Es ist schon vorgeschlagen worden, in der Nähe der Schweißnaht an
den einander zugewandten Seiten zweier Scheiben Zentrier-Paßflächen anzubringen,
die nicht nur dem Zentrieren dienen, sondern mit deren Hilfe auch nach außen wirkende
Druckkräfte von der wärmeren, also der sich stärker ausdehnenden Scheibe auf die
benachbarte kältere Scheibe übertragen werden können, so daß nur noch geringe Ausdehnungsunterschiede
von der Schweißnaht ausgeglichen werden müssen. Um die gewünschten Druckkräfte übertragen
zu können,
muß die Paßfläche der wärmeren Scheibe in radialer Richtung
innen an der Paßfläche der kälteren Scheibe anliegen.
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Bei diesen, Ausführungen wird aber nur iuf die Ausdehnung der Scheiben
bei der Erwärmung Rücksicht genommen. Ist ein geschweißter Läufer für längere Zeit
in Betrieb, so tritt infolge der Plastizität des Materials eine dauerndeVerformung
ein, wodurch die Wärmespannungen verschwinden. Wenn der Läufer jetzt außer Betrieb
gesetzt wird, so ziehen sich die wärmeren Scheiben stärker zusammen als die kälteren
Scheiben. Die Paßflächen heben sich voneinander ab, es tritt eine Rad.ialverschiebung
der Scheibenumfänge gegeneinander auf, und die Schweißnaht wird stark auf Biegung
beansprucht.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
daß jede der so aneinander zentrierten Scheiben zu jeder _an ihr zentrierten Scheibe
hin mindestens eine Vater-Paßfläche und eine Mutter-Paßfläche aufweist. Wie bereits
die Ausdrucksweise, sagt, umfaßt jeweils die Mutter-Paßfläche der einen Scheibe
die Vater-Paßfläche der anderen Scheibe, so daß radial nach außen und radial nach
innen gerichtete Druckkräfte übertragen. werden können.. Insbesondere wenn die die
Paßflächen tragenden Zentrierkränze stark ausgebildet werden, ist eine unterschiedliche
Dehnung der Scheiben weder beim Erwärmen noch beim Abkühlen möglich. Eine Gefährdung
der Schweißnaht ist ausgeschlossen. Die Formänderungskräfte könnten nur zu einer
Verwölbung der Scheiben führen. Dieser Verformungszustand läßt sich aber leicht
im voraus berechnen, so daß auch die auftretenden Spannungen genau zu überblicken
sind.
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In vielen Fällen ist es vorteilhaft, daß jede der so aneinander zentrierten
Scheiben zu jeder an ihr zentrierten Scheibe hin. mindestens zwei Va.ter-Paßflächen
und zwei Mutter-Paßflächen aufweist. Es ist bekannt, daß man den Läuferscheiben
vorzugsweise einen ganz bestimmten Querschnitt gibt, damit sie bei den auftretenden
Fliehkräften einen Körper gleicher Festigkeit bilden. Damit dieser Querschnitt nicht
gestört wird, müssen die die Paßflächen tragenden Zentrierkränze außen an die Kontur
angesetzt werden. Die Masse eines Kranzes muß wegen der zusätzlich auftretenden
Fliehkräfte möglichst klein gehalten werden. Es ist aber eine bestimmte Druckfläche
zur Übertragung der auftretenden Kräfte notwendig. Weiterhin ist es ungünstig, wenn
die in den Kränzen während der Kraftübertragung auftretenden Spannungen bis weit
in den Querschnitt eindringen, welcher für einen Körper gleicher Festigkeit erforderlich
ist. Dieses Eindringen von Spannungen- ist am ehesten möglich, wenn die Kräfte mittels
nur zweier Paßflächenpaare übertragen werden. Beide Überlegungen führen dazu, in
manchen Fällen eine größere Anzahl kleinerer Paßflächenpaare - ähnlich wie eine
Verzahnung - vorzusehen. Hiermit wird einerseits die Masse des Kranzes verkleinert
und andererseits die die Druckkräfte übertragende Gesamtfläche in einzelne Teilflächen
unterteilt. Die von den verkleinerten Teilflächen ausgehenden Spannungen können
damit nicht so tief in den Baustoff der Scheiben eindringen. Der innerhalb des Profils
gleicher Festigkeit liegende Teil der Scheiben wird also höchstens unbedeutend durch
überlagerte Spannungen höher beansprucht.
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Die Paßflächen können zylindrisch oder kegelig sein. Während im ersten
Fall die radialen Druckkomponenten unmittelbar übertragen werden, tritt im zweiten
Fall bei der Übertragung radialer Kräfte je nach Neigung der Kegelmantelfläche eine
geringe axiale Kraftkomponente auf, welche die Schweißnaht unter Umständen in axialer
Richtung in geringem Maße auf Zug beanspruchen kann, wodurch keine Schäden entstehen
können. Dagegen hat ein durch kegelige Paßflächen begrenzter Zentrierkranz den Vorteil,
daß er wegen seiner Form ein .größeres Widerstandsmoment besitzt und die Spannungen
über cinebreitere Grundfläche ableiten kann.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele,
die in der Zeichnung dargestellt sind. Hierin zeigt Fig. i einen geschweißten Läufer,
dessen Scheiben auf beiden Seiten je eine zylindrische Vater-Paßfläche und eine
zylindrische Mutter-Paßfläche aufweisen, und Fig. 2 einen Läufer, dessen Scheiben
auf beiden Seiten je zwei kegelige Vater-Päßflächen und zwei kegelige Mutter-Paßflächen
aufweisen.
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Der Läufer nach Fig. i besteht aus zwei äußeren Scheiben i und 2,
welche zur Aufnahme der Wellenenden dienen, und aus den mittleren Scheiben 3, 4
und 5, welche an ihrem äußeren Umfang die Laufschaufeln 6 tragen. Die einzelnen
Scheiben sind miteinander durch Schweißnähte 7 verbunden, deren Flanken jeweils
mit einer der Scheiben und deren Grundfläche mit einem Deckring 8 verschweißt sind.
Die Kontur eines Körpers gleicher Festigkeit ist bei der Scheibe 3 gestrichelt eingetragen.
An dieses Profil setzen sich die Zentrierkränze 9 und io an. Diese Zentrierkränze
tragen die Paßflächen i i und 12, wobei z. B. die Mutter-Paßfläche i i der Scheibe
4 die Vater- Paßfläche i i der Scheibe 5 und die Mutter-Paßfläche i2 der Scheibe
5 die Vater-Paßfläche i2 der Scheibe q. umfaßt.
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Im Betrieb erreicht die Scheibe 5 die höchste Temperatur, da das Arbeitsmittel,
welches durch ihren Schaufelkranz strömt, den höchsten Druck und dielöchsteTemperatur
aufweist. DieScheibe 3 wird eine niedrigere Temperatur' erreichen und sich weniger
stark ausdehnen als die Scheibe 4 und die Scheibe 5. Während der Erwärmung wird
also das Paßflächenpaax ii zwischen den Scheiben 3 und 4 ein Radialdruck nach außen
von der Scheibe4 auf die Scheibe 3 übertragen. In gleicher Weise wird ein radialer
Druck von der Scheibe 5 nach außen auf die Scheibe 4 ebenfalls über ein Paßflächenpaar
i i geleitet. Bei längerer, ununterbrochener Betriebszeit tritt infolge der bei
höherer Temperatur sinkenden Streckgrenze eine dauernde Verformung des Materials
ein, und die Wärmespannungen werden ausgeglichen. Bei der Abkühlung nach dem
Abschalten
der Turbine oder des Verdichters zieht sich die Scheibe 5 stärker zusammen als die
Scheibe 4.. Es wird also ein radial nach innen gerichteter Druck über das Paßflächenpaar
12 von der Scheibe 5 auf die Scheibe 4. übertragen. In gleicher Weise wird über
das Paßflächenpaar 12 von der Scheibe 4 auf die Scheibe 3 ein mach innen gerichteter
Druck geleitet. Da die Streckgrenze bei der im Stillstand geringen Endtemperatur
so hohe Werte besitzt, daß sich das Material nicht mehr plastisch verformen kann,
bleibt der während des Abkühlens aufgezwungene Spannungszustand in dein Läufer erhalten,
welcher aber bei einer erneuten Erwärmung wieder spannungsfrei wird.
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In Fig. 2 ist ein Läufer dargestellt, der in allen Teilen mit dem
der Fig. i übereinstimmt und auch die gleichen Bezugszeichen trägt, aber jeweils
vier Paare aufcinanderli.egender Paßflächen 13, 1q., 15 und 16 besitzt, die jeweils
auf der Mantelfläche eines zur Drehachse konzentrischen, spitzwinkligen Kegels liegen.
Bei der Erwärmung wird von der wärmeren auf die kältere Scheibe eine Druckkraft
über die Paßflächenpaare 13 und 15 übertragen, während bei der Abkühlung eine Druckkomponente
von der sich stärker zusammenziehenden Scheibe auf die benachbarte Scheibe über
die Paßflächenpaare 14 und 16 geleitet wird.
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In ähnlicher Weise werden auch radiale Druckkomponenten von den mit
Laufschaufeln versehenen Scheiben 3 bzw. 5 auf die äußeren Scheiben i bzw. 2 oder
umgekehrt übertragen.
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Die dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung
des Erfindungsgegenstandes; sie können in beliebiger Weise abgewandelt werden. Beispielsweise
können die beiden äußeren Scheiben i und 2 ebenfalls Laufschaufeln tragen oder ganz
fortgelassen werden, wobei die Scheiben 3 und 5 die Wellenenden aufnehmen müßten.
Je nach Bedarf könnten auch sechs, acht oder noch mehr Paßflächenpaare angewendet
werden. Es ist schließlich auch möglich, eine ungerade Zahl von Paßflächenpaaren,
etwa drei, fünf oder mehr, zu verwenden.