CH225640A - Gasturbinenläufer. - Google Patents

Gasturbinenläufer.

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CH225640A
CH225640A CH225640DA CH225640A CH 225640 A CH225640 A CH 225640A CH 225640D A CH225640D A CH 225640DA CH 225640 A CH225640 A CH 225640A
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CH
Switzerland
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blades
rotor
turbine
gas turbine
disks
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English (en)
Inventor
Maschinenfabrik Augsburg-Nue G
Original Assignee
Maschf Augsburg Nuernberg Ag
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Publication of CH225640A publication Critical patent/CH225640A/de

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F01D5/066Connecting means for joining rotor-discs or rotor-elements together, e.g. by a central bolt, by clamps

Description


      Gasturbinenläufer.       Es ist allgemein bekannt,     dass    die Wirt  schaftlichkeitder Gasturbine .eine Frage des  Werkstoffes     ist.    Je höher man mit ,der Gas  temperatur     beim    Eintritt in die Turbine  gehen kann, desto besser ist die Wirtschaft  lichkeit. Die     Dauerstandfestigkeit,der    gegen  wärtig vorhandenen     ,Stähle        bezw.    Legierun  gen setzt aber einer beliebigen Temperatur  erhöhung bald eine Grenze. Man hat daher  schon versucht, die am höchsten wärmebean  spruchten Teile, wie .z. B. die Schaufeln,  durch einen Luftstrom oder in anderer Weise  zu kühlen.

   Jede derartige Kühlung bedeutet  aber einen zusätzlichen Aufwand und ver  teuert deshalb die Anlage. Ausserdem wird  dadurch eine Wirkungsgradeinbusse bedingt.  Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man  ferner vorgeschlagen, für die     hochwärmebe-          anspruchten    Teile keramische     Werktsoffe    zu  verwenden.     Bestimmte    keramische Massen  haben selbst bei Temperaturen von<B>1000'</B> C  und mehr noch     Festigkeiten,    die bei den in    Frage kommenden     metallischen    Werkstoffen  bei     weitem    nicht erreicht werden.

       Ausserdem     haben die keramischen Massen die bedeuten  den     Vorteile        des    geringen spezifischen Ge  wichtes.  



  Die Bearbeitungsmöglichkeiten und viele  andere Eigenschaften der     keramischen    Werk  stoffe unterscheiden sie jedoch stark von  metallischen Werkstoffen. Bei der Konstruk  tion von     Gasturbinenläufern    aus keramischen  Werkstoffen muss man     ,auf    diese ganz anders       gearteten    Verhältnisse besonders Rücksicht  nehmen. Besondere Schwierigkeiten bereitet  z.

   B. die Verbindung verschiedener kerami  scher Bauteile miteinander. :So werden bei  spielsweise     die    Füsse der     Gasturbinenschau-          feln    im Betrieb durch die Zentrifugalkräfte  sehr hoch     beansprucht.    Da ferner die kerami  schen Massen bei Raumtemperaturen     keine          Verformbarkeit    aufweisen, muss bei der Be  arbeitung der zu verbindenden Teile grösste  Sorgfalt darauf     verwendet    werden, dass die           aneinanderliegenden    Flächen genau eben  sind, so dass nirgends Druckspitzen auftreten,  die das Werkstück zersprengen könnten.

   Um  diese     Schwierigkeiten    zu vermeiden, hat man  vorgeschlagen, Schaufeln und Läufer aus  einem     Stück.    herzustellen. Bei manchen kera  mischen Werkstoffen ist es aber sehr .schwie  rig, z. B. den kompakten Läufer mit den       verhältnismässibdünnen    Schaufeln aus einem  Stück fehlerfrei herzustellen. Es ist demge  mäss auch     bereits        vorgeschlagen,    auf frei  stehende Schaufeln zu verzichten und in den  Laufscheiben als     Schaufelkanäle    dienende       Durchbrechungen    vorzusehen. Derartige Tur  binen weisen aber einen sehr geringen Wir  kungsgrad auf.

   Ferner hat man versucht, die  Schaufeln einzeln mittels eines     Laval-    oder  eines ähnlichen Fusses in den Läufer einzu  setzen. Da, man bei dieser Anordnung hin  sichtlich der     Ausbildung    des Fusses Rück  sicht auf die Erfordernisse der keramischen  Werkstoffe nehmen muss, wird jedoch die  Schaufelteilung, die schon beim normalen       Lavalfuss    verhältnismässig gross ist, so gross,  dass der anzustrebende höchste Wirkungs  grad nicht erreicht werden kann. Beim Gas  turbinenbau ist aber Ausnützung aller Mög  lichkeiten, also auch höchster Wirkungsgrad  der Turbine, unbedingt erforderlich..  



  Nach der Erfindung werden diese Nach  teile dadurch     vermieden,    dass die am Läufer  umfang     freistehenden    keramischen Lauf  schaufeln auf zwei Seiten von keramischen  Scheiben gehalten werden, die auf der Tur  binenwelle angeordnet sind und unter Zwi  schenschaltung eines elastischen Gliedes       gegeneinandergepresst    werden, wobei die Be  rührungsfläche zwischen den Schaufeln und  den     Läufersehe-iben    einen solchen     VV        inkel    zur  Turbinenachse bilden, dass die Resultieren  den der     Flächenpressungskräfte    sich noch  innerhalb des Schaufelfusses schneiden.

   Es ist  zwar bei Metallturbinen bekannt, die Schau  feln zwischen zwei Laufscheiben einzu  schweissen, oder die Laufscheiben seitlich  gegen die Schaufeln anzupressen, doch hat  dabei natürlich die Frage der     Kräftelenkung     wegen des gänzlich anders gearteten Werk-         stoffes    keine besondere     Beachtung    gefunden.

    Bei der keramischen Turbine ist demgegen  über     aber    von erheblicher Bedeutung, dass  erst mit der besonderen Schaufelbefestigung  nach der Erfindung schädliche     Biegungs-          beanspruchungen    in den Schaufelfüssen ver  mieden werden.     Biegungskräfte    in den     End-          scheiben    lassen sich durch die dort mögliche  verstärkte     Ausbildung    der Scheiben aufneh  men.  



  In der Zeichnung sind mehrere Ausfüh  rungsbeispiele von Turbinenläufern nach der       Irrfindung    in schematischer Weise darge  stellt, und zwar zeigen       Fig.    1 einen Turbinenläufer, der aus zwei       keramischen        Läuferscheiben    besteht,       Fig.    2 einen Turbinenläufer, dessen kera  mische Läuferscheiben auf jeder     Seite    von  einer     Stahlseheibe        abgeschützt        sind,          Fig.    3 einen mehrstufigen Turbinen  läufer.  



  In     Fig.    1 ist der Turbinenläufer senk  recht in die beiden keramischen Läuferschei  ben 1 und 2 unterteilt. Die Schaufeln 3,  welche ebenfalls aus keramischer     Masse    be  stehen,     besitzen    einen     Hammerkopffuss,    der  auf beiden Seiten von den Läuferscheiben 1  und 2 umfasst wird. Infolge der schrägen  Ausbildung der     Berührungsflächen    4 am  Schaufelfuss und 5 an den Läuferscheiben  sind die Kraftlinien bei .der Kraftübertra  gung von den Schaufeln 3 auf die Läufer  scheiben 1 und 2 so gerichtet, dass sie sich  innerhalb des     Hammerkopffusses    schneiden,  so dass Biegung     beanspruchungen    in der  Schaufel nicht auftreten.

   Die     Verspannung     der beiden Läuferscheiben 1 und 2 erfolgt in  der Weise, dass die Läuferscheibe 1 sich  gegen den Bund 7 der Turbinenwelle 8 legt  und die     :Läuferscheibe    2 mittels einer auf der  Turbinenwelle 8     angeordneten    Schrauben  mutter 9 gegen die Laufschaufeln 3 gedrückt  wird. Zwischen der Schraubenmutter 9 und  der     Läuferscheibe    2     ist    ein     elastisches    Glied  in Gestalt einer Schraubenfeder 10 angeord  net, um     Wärmedehnungen    zu ermöglichen.

         Zwischen    den beiden Läuferscheiben 1 und 2      ist     zweckmässigerweise        ein.        -schmaler    Spalt 6  vorgesehen.  



  Bei dem Ausführungsbeispiel nach     Fig.    2  werden die beiden Läuferscheiben nicht un  mittelbar     miteinander    verspannt, sondern  gegen .die Stahlscheiben 12 und 13 - abge  stützt. Der     Ängriff    der     Stützscheiben    12 und  13 an den Stellen 14 der Läuferscheiben 1  und 2 erfolgt in der Höhe der schrägen  Flächen am Schaufelfuss, so dass auf alle  Fälle     Biebgungsbeanspruchungen    auch     in    den  Läuferscheiben 1 und 2 vermieden werden.

    Die     Zusammendrückung    der     Abstützscheiben     12 und 13 erfolgt     in,der    gleichen Weise wie  nach dem     Ausführungsbeispiel    nach der  Fing. 1. Die Scheibe 12 stützt sich gegen den  Bund 7 der     Turbinenwelle    8 und die Scheibe  13 wird unter     Zwischenschaltung        ider    Feder  10 mit     Hilfe,der        Schraubenmuttern    9 gegen  die     Läufersüheibe    2 gepresst.

   Man kann das       elastische    Zwischenglied (Feder 10) auch  dadurch ersetzen, dass man die Stahlscheiben  auf ihren senkrecht zur Wellenachse verlau  fenden Teil 15 so dünn ausführt, dass sie  eine     bestimmte        Elastizität    besitzen und -dem  zufolge federnd wirken. Die Stahlscheibe 12  ist beispielsweise federnd     ausgeführt,    wäh  rend die     Stahlscheibe    13 einer Wärmeausdeh  nung des Turbinenläufers     Widerstand:    leistet  und demzufolge nur in Verbindung mit der  Feder 10 anwendbar ist.

   Selbstverständlich  wird man in der     Praxis    entweder beide       Scheiben,    12     und    13 elastisch oder     starr    aus  führen. Um -eine zu starke     Erwärmung    der  Stahlscheiben 12 und 13 zu vermeiden,     sind     die Läuferscheiben 1 und 2 mit ringförmigen  Rippen 16 ausgebildet, .die in Verbindung  mit ebensolchen Rippen 17 am Turbinen  gehäuse 18 eine     Labyrinth.dichtung    bilden.

         Man    kann auch die     iStahlgcheiben    12 und 13  mit Rippen 16 versehen und zwischen den  beiden     Labyrinthdichtungen    Sperrluft ein  führen, so dass an dieser     Stelle    noch einmal  eine Abdichtung gegenüber dem Gasraum  der Turbine vorhanden ist.  



  Wie man insbesondere aus der     Fig.    3 er  kennt,     eignet    sich die Ausbildung des Tur  binenläufers nach der Erfindung besonders    für     mehrstufige    Turbinen. In der     Fix.    3 ist  ,die Anordnung schematisch für     eine    mehr  stufige Turbine     dargestellt.    Jede     zwischen     zwei Stufen gelegene Läuferscheibe     f9    ist  von     Biegungsbeanspruchungen    praktisch ent  lastet, .da sich die von der Fläche 5 aus,  gehenden     Kraftlinien    innerhalb der Läufer  scheibe treffen.

   Man kann natürlich auch bei  mehrstufigen     Turbinenläufern    die an den  Enden befindlichen     Läuferscheiben    1 und 2  mit Stützscheiben in der gleichen Weise wie  bei der Ausführung nach der     Fig.    2 ver  sehen.  



  Bei der erfindungsgemässen Anordnung       lassen    sich die Läuferscheiben mit .der grösst  möglichen Genauigkeit bearbeiten. Dasselbe  gilt auch für die Schaufeln. Beim Schaufel  fuss werden zunächst .die Seitenflächen in  einer Vorrichtung genau geschliffen, dann  werden- die Schaufeln an diesen Flächen in  einer     Vorrichtung        aneinanderg,elegt,    wobei  zum Ausgleich kleinerer     Ungenauigkeiten          ein        Schlussstück        eingepasst    wird.  



  Man kann     schliesslich    auch die einzelnen       Schaufeln    in an sich bekannter Weise in die  Läuferscheiben     ein;glasieren.    In     diesem    Fall  wird zweckmässig .der Spalt 6 zwischen den  Läuferscheiben sehr klein ausgeführt und  diese ebenfalls     mittels    Glasur     zueaTnmenge-          brannt.    Bei diesem Verfahren ist die erfor  derliche Genauigkeit der bearbeiteten Schau  feln und     Läuferscheiben    nicht so gross, da  die Glasur     in    der Lage ist, geringe Uneben  heiten auszugleichen.  



  Ein     weiterer        Verteil    des Läufers nach  der Erfindung     besteht    darin, dass man kleine  Ungenauigkeiten in der Herstellung dadurch  ausgleichen kann,     dass    man den zusammen  gebauten Läufer bei hohen Temperaturen       zusammenpre:sst,    so dass     etwa        vorstehende     Schaufeln in die Läuferscheiben     an,der    Stelle  5     hineingedrückt    werden. Es kommen somit  alle Schaufeln an den     .Stellen    4 zum Anlie  gen.

   Durch     eingehende    Versuche wurde näm  lich     festgestellt,    dass bei hohen Temperatu  ren .die keramischen Werkstoffe in gewissem  Masse sich     plastisch        verformen    lassen. Auf       diese    Weise kann man auch einzelne schad-      haft gewordene Schaufeln auswechseln. Nach  Einsetzen der neuen Schaufeln     wird    dann  der ganze     Läufer    von neuem einem     Pressvor-          gang    bei hohen Temperaturen ausgesetzt, so  dass die neuen Schaufeln ebenfalls an allen  erforderlichen Stellen zum Anliegen kom  men.

   Die Temperaturen     müssen    dabei für  jede keramische Masse besonders ermittelt  werden. Beim     Zusammenpressen        :des    Läufers  wird der Druck zweckmässig so eingeleitet,  dass.     Biegungsbeanspruchungen    vermieden  werden, also an Stellen, die mit den Flächen  4     bezw.    5 auf demselben Zylindermantel lie  gen.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Gasturbinenlä,ufer, bei welchem Schau feln und Läufer aus keramischen Massen her gestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die am Läuferumfang freistehenden kerami schen Laufschaufeln (3) auf zwei Seiten von keramischen Scheiben (1 und 2) gehalten werden, die auf der Turbinenwelle (8) an geordnet sind und unter Zwischenschaltung eines elastischen Gliedes (10) gegeneinander gepresst werden, wobei die Berührungsflächen (4 bezw. 5) zwischen den Schaufeln (3) und den Läuferscheiben (1 und 2) einen solchen Winkel zur Turbinenachse bilden,
    dass die Resultierenden der Flächenpressungskräfte sich noch innerhalb des Schaufelfusses schneiden. IJNTERANSPRüCHE 1. Gasturbinenläufer nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass, die Läuferscheiben (1 und 2) mittels auf der Turbinenwelle (8) angeordneter Stahlschei ben (12 und 13) zusammengedrückt werden, die in der Höhe der Berührungsflächen (4 und 5) zwischen Läuferscheiben (1 und 2) und Laufschaufeln (3) angreifen. 2. Gasturbinenläufer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlschei ben in ihrem senkrecht zur Turbinenwelle (8) verlaufenden Teil elastisch ausgebildet sind.
    3. Gasturbinenläufer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrstufi ger Ausführung des Turbinenläufers die be nachbarten Läuferscheiben (19) zweier auf einanderfolgender Schaufelkränze aus einem Stück bestehen. 4.
    Gasturbinenläufer nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrstufiger Ausführung des Turbinen läufers die Berührungsflächen (4 bezw. 5) zwischen den Schaufeln (3) und den Zwi- schenläuferscheiben (19) einen solchen Win kel zur Turbinenachse bilden, dass die Resul tierenden der Flächenpressungskräfte sich noch innerhalb der Zwischenläufers@cheiben (19) schneiden.
CH225640D 1941-03-10 1941-12-15 Gasturbinenläufer. CH225640A (de)

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