Stahlläufer für axial durchströmte Turbinen mit keramischer Beschaufelung. Die Erfindung betrifft einen Stahlläufer für axial durchströmte Turbinen mit kerami schen Schaufeln, mit dessen Hilfe hohe Treib- mitt.eltemperaturen angewendet werden kön nen. Man sucht beim Läufer mit schmied baren Sonderstählen auszukommen, ist. aber bei den hohen Temperaturen, welche die keramischen Werkstoffe erlauben, gezwungen, entweder hochwarmfeste Baustähle mit sehr hohem Legierungsgehalt zu wählen oder sieh in der Auslegung der Schaufelhöhe und Um fangsgeschwindigkeit, also hinsichtlich Schluck fähigkeit und Stufenbelastung, gewisse Be schränkungen aufzuerlegen.
Die Behebung dieser baulichen Einengun gen wird erfindungsgemäss dadurch ermög licht, dass die Oberflächenteile des Läufers zwischen den Schaufelreihen und an der Stirnseite zwecks Vermeidung ihrer Berüh rung durch das Treibmittel durch keramische Plättchen abgedeckt sind.
Dadurch wird die Betriebstemperatur in den Randzonen des Läufers gegenüber der jenigen der Schaufelung abgesenkt Dies ist von Vorteil, da auch für hochlegierte Stähle bei den mit Keramik ermöglichten Tempera turen die Dauerstandfestigkeit stark abnimmt und trotz der spezifisch leichten Keramik schaufeln beachtliche Spannungen an den wulstartigen, den z.
B. hammerkopfförmigen Schaufelfuss umfassenden Kranzteilen des Läu fers auftreten. In der Zeichnung sind mehrere Ausfüh rungsbeispiele von Turbinenläufern nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 einen Meridiansehnitt durch den ersten Stufenteil eines aus einzelnen Scheiben zusammengesetzten Läuferkörpers nach den Linien I-I in Fig. 2 und 3, Fig. 2 einen Teilquerschnitt nach der Linie II-II in Fig.1. Fig. 3 einen Teilquerschnitt nach der Linie III-III in Fig.1. Fig. 4 eine Draufsicht auf ein stirnseitiges Abdeckplättchen,
Fig. 5 einen Meridianschnitt durch die erste Stufenfolge eines Massivläufers, Fig. 6 einen Teilquerschnitt nach der Linie VI-VI in Fig. 5 und Fig. 7 eine Ansicht der Stirnseite des Läu fers mit teilweise abgenommenen Deckplatten.
Bei dem Ausführungsbeispiel. nach Fig.1 weist der Läufer stählerne Scheibenkörper la, 1b, 1c, 1d auf, zwischen deren Kränzen die Keramikschaufeln 2a, 2b, 2c mit. der bekann ten Doppelkegelflächenhalterung angeordnet sind; mit deren Hilfe kann trotz verschiedener Dehnung und Temperatur der zusammenge bauten Teile bei allen Betriebszuständen ein spielfreier und von Zwangskräften unberühr ter Sitz gewährleistet werden.
Die Verbindung der einzelnen Scheibenkörper zu einem ge nügend biegesteifen C*esamtläufer erfolgt bei spielsweise, wie für Scheibe 1.a, 1b dargestellt, über Clewindeansätze 3a, 3b (wobei eine ge- wisse Schrumpfwirkung herangezogen werden kann) oder durch am mittleren Umfang ver teilte Bolzen 4 mit entsprechend geneigtem Kegelsitz zur Kompensierung von Dehnungs- und Temperaturunterschieden.
Letzterer Fall ist für das Scheibenpaar 1b, <I>1c</I> dargestellt, wobei in axialer Richtung jeweils die Ge windewarze 5b, die durchbohrte Stützwarze 6c und der kegelige Sitz des Schraubenkopfes 4 für ein Scheibenpaar hintereinanderliegen. entweder sind diese Verbindungselemente für das nächste Scheibenpaar versetzt angeordnet, oder man benützt gleich den Kopf des Bol zens 4 als Verankerung für die Verbindung des nachfolgenden Scheibenpaares.
Die Schei benkörper sind als Scheiben möglichst gleich mässiger Festigkeit ausgebildet und mit Rück sicht auf möglichst geringe Wärmespannungen bei Änderung des Wärmezustandes des Läu fers weitgehend durch Eindrehungen erleich tert, so dass die entstehenden Hohlräume 7 als Wärmedämmräume wirken können oder in Verbindung mit Bohrungen 8 für eine Durch flutung der Läuferrandzonen durch vorver dichtete Luft verwendet werden können, welche aus Hohlräumen vom Läuferinnern her oder ausgehend von der Läuferstirnseite dem Läu fermantel entlang zugeführt wird, wodurch sich über die Stahlteile ein sich stets erneuern der Luftschleier legt,
da sich diese Kühllift nach einer gewissen Aufwärmung längs der Spalte zwischen den Keramikplättchen dem sich entspannenden Treibmittelstrom zumischt. Der Schutz des Läuferumfanges zwischen den einzelnen Laufschaufelreihen wird von kera mischen Plättehen 9 übernommen, deren keil förmige Befestigungsfortsätze 10 in entspre chenden, in axialer Richtung eingearbeiteten Nuten 11 sitzen, wobei hinsichtlich Form gebung sowohl auf einfache Herstellung als auch auf zwangsfreien, kraftschlüssigen Sitz geachtet ist.
Zu diesem Zweck sind, wie in Fig. 2 an der Stelle der Schnittlinie I-I an gedeutet, die Tragflächen des Schwalben schwanzfusses und die Sitzflächen an der Un terseite der Abdeckplättchen 9 nach einer ge meinsamen Geraden (in dem Schnittbild der Fig.2 nur als Punkt sichtbar) ausgerichtet. Am einfachsten wird die Nut für die Auf nahme der Plättchenköpfe axial angeordnet, so dass z. B. bei einem Läufer mit gleichblei bendem Fusskreisdurehmesser der Beschaufe- lung diese Nuten den gleichmässig verteilten Mantellinien eines Zylinders entsprechen und bequem bearbeitet werden können.
Damit die Besehaufelung und das Bearbeiten dieser axialen Nuten 11 erleichtert wird, sind die die äussern Abstützfläehen aufweisenden Stützringe 12 zu beiden Seiten des Lauf schaufelteilfusses vom Radkörper getrennt vor gesehen. Sie können auch aus besonders zun- derfestem Werkstoff hergestellt sein, oder man kann, wie am Laufkranz 2e angedeutet, diesen Stützring auch unter der Plättehen- abdeckung 9 verschwinden lassen. Es ist, unter der Voraussetzung, dass die Festigkeit des schaufeltragenden Seheibenwulstringes noch genügt, das heisst wenn durch die Nuten<B>1.1</B> .
vom abstützenden Scheibenumfang nicht all zuviel weggenommen wird, möglich, auf diese getrennten Stützringe 12 überhaupt zu ver zichten.
Für die Abdeckung der Läuferstirnseite sind in vorliegendem Beispiel sieh am Um fang zu einem Ring ergänzende Plättchen 13 vorgesehen mit Klauen 14a,, 14b an der Läu ferseite, die sich zwischen entsprechende, war zenförmige Erhebungen 15a, 15b an der Läu ferstirnseite mit kreuzartig angeordneten Keil sitzflächen schieben und mittels einer Schraube 16 darauf festgehalten werden. Für die isolie rende Wirkung wird angestrebt, möglichst viel Hohlräume zwischen den Keramikplättchen und dem Läuferkörper vorzusehen, z.
B. die Hohlräume 17a, 17b an der Plättchenbefest.i- gung 9/11, welche Wirkung zudem durch eine möglichst auf kleinste Auflageflächen be schränkte Berührung der sehr heissen kera mischen Abschirmteile mit dem tragenden Stahlläufer unterstützt werden kann.
Für einen Massivläufer nach Fig. 5 ist wegen der hier vorliegenden baulichen Ab weichungen auf einige andere Möglichkeiten hingewiesen. Der Läufer 18 trägt in im Querschnitt hakenförmigen Ringnuten die Ke ramikschaufeln 19a, 19b mit entsprechend aus- gebildetem Fussprofil für einwandfreien Sitz bei allen Betriebszuständen. Am Kranz 19a ist eine Stenunverbindung bekannter Art für die Einfüllücke 20 der Ringnut veranschaulicht.
Bemerkenswert ist die hier gewählte Ausfüh rung der Abstützung der äussern Schaufelfuss keilsitzfläehe mittels einer spanlos geformten Blechspange 21, die durch Einlassen in den Läuferrand und durch Abbiegen eines Lap pens bequem zum Verhindern des Schaufel- wanderns in Umfangsrichtung herangezogen werden kann.
Die Ausbildung der den Um fang abschirmenden Plättchen 22 und der zu gehörigen axialen Befestigungsnuten 23 ist gleichartig wie vorher, nur wurden aus Grün den einer genügenden Festigkeit der einsei tigen Schaufelabstützung am Läuferwulstring die Teilung der Plättchen wesentlich erhöht, um weniger tiefe Einschnitte desselben zu er halten. Für die Befestigung der einzelnen Plättehen. 24 der Stirnseitenabschirmung sind am Läufer umlaufende, keilartig wirkende Sitzflächen 25 vorgesehen, wobei das Anpres sen der Sitzflächen der Plättchen an die Läu ferstirnseite durch einen gemeinsamen Stahl ring 29 mittels Schrauben 26 erfolgt.
Die Nei gung der durch eine Ringandrehung gebil cleten Sitzflächen am Läufer ist dabei so ge wählt, dass diese sich im montierten Zustand längs eines gemeinsamen Schnittkreises auf der Auflagefläche der Keramikplättchen<U>94</U> am Stahlring 29 schneiden. Schlitze 27 durch brechen die durch die Ringandrehung gebil deten Sitzflächen 25 am Läufer mehrmals, um gegebenenfalls verdichtete Luft dem Randteil des Läufers zuzuführen, die dann durch die IIohlräume unter den Plättchen 22 und durch Ausnehmungen 28 am Schaufelfuss längs des Läuferumfanges vordringen kann.
Steel rotor for axially flowed turbines with ceramic blades. The invention relates to a steel rotor for axially flow-through turbines with ceramic blades, with the help of which high propellant temperatures can be used. One tries to get by with forged special steels for runners, is. But at the high temperatures that the ceramic materials allow, you are forced to either choose high-temperature structural steels with a very high alloy content or to impose certain restrictions on the design of the blade height and circumferential speed, i.e. with regard to swallowing capacity and step loading.
The elimination of these structural restrictions is made possible according to the invention in that the surface parts of the rotor between the rows of blades and on the end face are covered by ceramic platelets in order to avoid them coming into contact with the propellant.
As a result, the operating temperature in the edge zones of the rotor is lowered compared to that of the blades.This is an advantage, as the fatigue strength also decreases significantly for high-alloy steels at the temperatures made possible with ceramics and, despite the specifically light ceramic blades, considerable stresses on the bead-like blades z.
B. hammerhead-shaped blade root comprehensive crown parts of the Läu occur. In the drawing several Ausfüh approximately examples of turbine rotors according to the invention are shown, namely show:
1 shows a meridian section through the first step part of a rotor body composed of individual disks along lines I-I in FIGS. 2 and 3, FIG. 2 shows a partial cross-section along line II-II in FIG. Fig. 3 is a partial cross-section along the line III-III in Fig.1. 4 shows a plan view of a cover plate at the end,
Fig. 5 is a meridional section through the first step sequence of a solid runner, Fig. 6 is a partial cross-section along the line VI-VI in Fig. 5 and Fig. 7 is a view of the end face of the runner with partially removed cover plates.
In the embodiment. According to FIG. 1, the rotor has steel disk bodies la, 1b, 1c, 1d, between the rings of which the ceramic blades 2a, 2b, 2c have. the well th double cone surface mount are arranged; With their help, a backlash-free seat that is untouched by constraining forces can be guaranteed in all operating conditions, despite the various expansion and temperature of the assembled parts.
The connection of the individual disc bodies to a sufficiently rigid C * esamtllaufer takes place, for example, as shown for disc 1.a, 1b, via clew attachments 3a, 3b (whereby a certain shrinkage effect can be used) or by means of distributed over the middle circumference Bolt 4 with a correspondingly inclined conical seat to compensate for expansion and temperature differences.
The latter case is shown for the pair of washers 1b, <I> 1c </I>, with the threaded rollers 5b, the pierced support boss 6c and the conical seat of the screw head 4 for a pair of washers lying one behind the other in the axial direction. either these connecting elements are offset for the next pair of discs, or the head of Bol zens 4 is used as an anchor for connecting the next pair of discs.
The disc bodies are designed as discs of uniform strength as possible and, with due regard for the lowest possible thermal stresses when the heat state of the runner changes, largely facilitated by indentations, so that the resulting cavities 7 can act as thermal insulation spaces or in conjunction with holes 8 for a By flooding the runner edge zones with pre-compressed air can be used, which is fed from cavities from the inside of the runner or starting from the runner face along the runner casing, whereby a constantly renewed air curtain is placed over the steel parts,
because this cooling lift mixes with the relaxing blowing agent stream after a certain warming up along the gap between the ceramic plates. The protection of the rotor circumference between the individual rows of blades is taken over by kera mix plates 9, the wedge-shaped attachment projections 10 sit in corresponding, machined grooves 11 in the axial direction, with regard to the shape giving both easy production and a positive, non-positive fit .
For this purpose, as indicated in Fig. 2 at the point of the section line II, the wings of the swallow's tail foot and the seats on the underside of the cover plate 9 according to a common straight line (in the sectional view of Figure 2 only as a point visible) aligned. The easiest way is to take the groove on the plate heads axially so that, for. For example, in the case of a rotor with a constant root diameter of the blading, these grooves correspond to the uniformly distributed surface lines of a cylinder and can be easily machined.
So that the blading and the machining of these axial grooves 11 is facilitated, the support rings 12 having the outer support surfaces are seen separately from the wheel body on both sides of the blade part root. They can also be made of a material that is particularly hard-wearing, or, as indicated on the running ring 2e, this support ring can also be made to disappear under the plate cover 9. It is, provided that the strength of the blade-bearing Seheibenwulstringes is sufficient, that is, if through the grooves <B> 1.1 </B>.
from the supporting disc circumference is not taken away too much, possible to waive these separate support rings 12 at all ver.
To cover the runner face, in the present example see at the beginning of a ring supplementary plate 13 is provided with claws 14a ,, 14b on the runner side, which is between corresponding, was zen-shaped elevations 15a, 15b on the runner face with cross-like wedge Slide the seats and hold them in place with a screw 16. For the isolie-generating effect, the aim is to provide as much cavities as possible between the ceramic plate and the rotor body, for.
B. the cavities 17a, 17b on the platelet fastening 9/11, which effect can also be supported by contact of the very hot ceramic shielding parts with the supporting steel rotor, which is limited to the smallest possible contact surfaces.
For a solid rotor according to FIG. 5, because of the structural deviations present here, reference is made to some other possibilities. The rotor 18 carries the ceramic blades 19a, 19b with a correspondingly designed foot profile for a perfect fit in all operating states in annular grooves that are hooked in cross section. A stenun connection of a known type for the filler gap 20 of the annular groove is illustrated on the rim 19a.
Noteworthy is the execution of the support of the outer blade root wedge seat surface selected here by means of a non-cutting sheet metal clasp 21, which can be conveniently used to prevent the blade from wandering in the circumferential direction by letting it into the rotor edge and by bending a flap.
The formation of the order shielding plate 22 and the associated axial fastening grooves 23 is the same as before, only the green enough strength of the einsei term blade support on the runner bead ring, the pitch of the plate is significantly increased to keep the same less deep cuts . For fastening the individual panels. 24 of the face shield are provided around the runner, wedge-like acting seat surfaces 25, whereby the pressing of the seat surfaces of the platelets to the runner face is carried out by a common steel ring 29 by means of screws 26.
The inclination of the seat surfaces on the runner formed by a ring twist is selected so that, in the assembled state, they intersect along a common cutting circle on the bearing surface of the ceramic plates <U> 94 </U> on the steel ring 29. Slits 27 break through the seat surfaces 25 formed by the annular turning on the runner several times to supply compressed air to the edge part of the runner, if necessary, which can then penetrate through the cavities under the plate 22 and through recesses 28 on the blade root along the runner circumference.