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.