CH418360A

CH418360A - Turbomaschine

Info

Publication number: CH418360A
Application number: CH1413663A
Authority: CH
Inventors: Rosslyn Harris Frank; Frankel Adolf
Original assignee: Ass Elect Ind
Priority date: 1962-11-21
Filing date: 1963-11-19
Publication date: 1966-08-15

Description

Turbomaschine Die vordeigemd@e Erfindung belrifft eine Turboma- schine müt einem mehrkränzig beschaufelten Läufer.

Es ist bekannt, die Schaufeln einfies Tumbinenläu- fers auf ihrem Umfang normaleirweise mittels eines Deckbandes zu umhüllen, welches sichi ein- oder mehmbeilng über denn ganzen Umfang dien Schaufeln erstrecken kann,

wobei jedem Teil aderi jedes Segment ein Schaufelpaket umhüllt und diese Deckbiandte,ile an jeder Schaufel des Paketeis mit Hilfe von an den Schaufelenden ausgebildeten Aufnnetzapfen befestigt werden.

Eiaue weitere Möglichkeit besteht darin, jede Schaufel an ihrem freien End- oder im Bereiche der- selben mit sich quer erstneckenden Teilten zu verse- heni, die in Verbindung mit ,

den angmenzendm Schau feln die gewünschte Umhüllung bilden. Die vorlie- gende Erfindung bezweckt die Schaffung einer Tur bomaschine mit verbessertem beschaufelle.m Läufer, beispielsweise einem Dampf- oder Gasturbine oder eines Axialkompressors, wobei die Schaufeln,

mit sich quer in dieser Amt und Weise ierstreckenden Teilen ausgerüstet sind, und insbesondere sehr gute Schau- felschwingungscharakfieriistiken ,aufweisen.

Die erüinidunigsigemässe Turbomaschünie mit mehr- kränzig besehaufeltem Läufen ist dadurch gekenn zeichnet, dass jede Schaufel mindestens eimies Schau felkranzes mit einem sich quer zur Drehachse dies Läufers und umfänglich erstreckenden Hüllglied ver sehen ist,

das in Verbindung mit den Hüllgliedern der andern Schaufeh, den Schaufelkranz umhüllt und dass jedes Hüllglied nur mit einer Schaufel starr ver¯- bu irden ist wobei im Betrieb unter dem Einsfluss der

Zentrifugalkraft die, Hülglieder je zwenzr benachbar ter Schaufeln, wimkverbun(den sind und sie die Rela- tivbewegunig zwischen(den benachbarten" Schaufeln in Umifangsriehtung des Schaufelkranzes behinidem. Ausfühmunigsbe!ispiele deis

Erfinidunigs"ge gemistan,- dies werden anschliessend anhand von Figuren erläu tert. Es zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht einer Scheibe oder eines Rades eines, Dampftunbinenläufers, Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Scheibe gemäss Fig. 1,

in Blickrichtung des Pfeiles 1I in grösserem Massstab, Fig. 3 einten Schnitt idurch die Anordnung gemäss Linie III-III :

der Fig. 2, Fig.4 einen Schnitt .gemäss Linste IV-IV der Fig. 2, Fig.5-9 Schnitte., analog @demjenngen gemäss Fig. 4, durch andere Ausführungen,

Fig. 10 einte Aufsicht auf sieh überlappende Teile von zwei Hüllglüedem einer andern, Konstruktions- ausfühnung, Fig. i l und 12 Schnitte gernüss :

den Linnen XI-XI und XII--XII,der Fig. 10, Fig. 13 eine Aufsicht auf snchi überlappende Teile mehrerer HM glie@der in einen weitem, Ausführunigs- form,

Fig. 14 einen Schnitt gemäss Linie XIV-XIV der Fig. 13.

In den Fig. 1-4 ist :eine Scheibe 1 einfies Turbi- nenMufers ersichitdich, die, eine sder Aufnahme der Läuferwelle dienende Mittelöffnung 3 aufweiset. Die Umfangsfläche der Scheibe 1 ist mit einier bearbeite ten Ausnehmunig versehen,

in die in bekannter Weisse die Füsse einer Vielzahl von Turbinenschaufeln 5 eingeführt werden. Jede Schiaufel 5 ist im Querschnitt ta,agflügelähnlnch und bes,it zti an ihrem Kopfende ein an diesem befestigtes Hül@lgliod 7.

In radialer Richturig ,gegen die! Läuferachse hin. betrachtet, ist jedes Hüllglied 7 trapezförmig ausge- bildet und an i dem Schaufel RTI ID="0001.0254" WI="24" HE="4" LX="1448" LY="2618"> @demamtbefestigt,

dass zwei parallele Seiften A und B mit den entsprechenden parallelen Seften der anliegenden Hühgäed i;

,m bezüg- lich dem Umfang dies Kranzes, in einer Linie liegen, d. h. ausgerichtet sind oder. fluchten. Das.

Profil der Schaufeil 5 emstnech sich zwischen den beiden weiter auseinandediegenden Ecken des Rhomboides. Die radial, innen liegende Fläche des Hüllgliedes 7 ist mit Vorsprüngen oder Lappen 9 versehen. Eine Niete 11,

welche durch die Lappen 9 und .die Schaufelspitze hindurchnagt, verbindet das Hüllglied 7 mit der Schaufel 5.

Die radial aussen liegende Fläche des Hüllgliedes weist einen die beiden weiter auseinan- derliegenden Eckpunkte des Rhombus verbindenden Grat 13 auf.

Die Dicke,desr Hüllgliedes 'rammt nach beiden Seiten vom Grat 13 weg nach ,aussen, d. h. von demjenigen Teil des Hüllgliedes 7, welches mit der Schaufel 5 verbunden ist, .ab.

Es herrschet zwischen idem Hüllglied 7 der einem Schaufel 5 und den diesem bienachbamben beidem Gliedern 7 der andern, Schaufeln ein keines, jedoch vonbestimmbes Spiele. Wie :

aus den Fig. 2 und 4 her vorgeht, sind die Kanten X und! Y Judas Hüllghedes. 7 mit einer flachem, Nute 21 versehen.

Zwischen, je zwei benachbarten Gledem 7 befindet sich ein Vesbin- dungselement 23 H förmigen Querschnittes,

dessen einer Schenkel an beiden Enden gekürzt .ist und des sen Stieg 23ST sich zwischen den ,d;

ne Öffnung seitlich begnenzenden Flanken der beiden seich gegenüberlie- genden flachen Nutten erstreckt. Der längere Schen- kel 23 L des Verbindungselementes 23 ist auf der dmehachsennäheiren Innenseite dem zwei sich folgen- <RTI

ID="0002.0136"> den HiilLgliedeT 7 gelegen und der kürzere Schenkel 23S auf der drehachsenweibern Ansisienseite.. DieAb- messungen des Elementes 23 sind demamt,, dass dieses radial und auf dem Umfang, jedoch nicht in dreh axialer Richtung bezüglich der Scheibe 1 frei gleiten kann,

so dass es sich: nicht versehentlich von den bei den Hüllgliiedem, welche es normalezweisie festhalten, lösen kann.

Im Betrieb wind sich bei (einem Turbomaschine mit einem demamtig beschaufelten Läufer und Fehlen sol- cher 23 jede Schaufeil 5 mit ihrem Hüllglned 7 bezüglich Schwinlgunggsfnequenz verhalten,

als ob sie von den benachbariben Schaufeln uniabhängig wäre. Obschon in ,diesem Hinblick vor- teilhafterweise zwischen den Spitzen der benachbar ten Schaufeln,

keine formschlüssige Verbindung her- gestellt wind und sie sich daher bezüglich Längenaus dehnung ohne sich unter dein Einflwis einier demarti- gen Verbindung zu biegen, frei ergeben können,

er gaben sich bezüglich Schaufelschwingungen durch die varbeschriebene Verbindung der Schaufelspitzen günstige Effekte. Die Vembindungseelemenhe 23 kön nen eine d eemamäge lose Verbindung dien Schaufein sicherstellen.

Wennder Läufer der Maschine sich mit der Non- maldnehzahl drehfit, wemdien zdie Elemente 23 durch die Zentrifugalkmaft nach aussen getrieben, so dass die radial äussern Flächen der Schenkeel 23L gegen,

die radial innern Flächen der Hüllglieder 7 ,geprens@st wer- den. Die Reibungseknak zwischen den Elementen 23 und den Hülliglieedern 7 wird von der Grösse der Massteil der Hüllglieder sowie von der Drehzahl und dem Reibunigskoe±fiznenten zwischen RTI ID="0002.0262" WI="6" HE="4" LX="1704" LY="324"> den sich

beruh- realden Flächen abhängen. Es -ist auf diese Weise möglich, eine Verbindung zwischen den benachbaT- ten Schaufeln herzustellen, wobei diese Vembinduneg bezüglich wirkungsvoll ist und trotzdem für die keine starre, son dern.

eine lose Vemhindung idarsbellt.

In Fig. 5 ist einte .andere erisichtilich, in welcher die radial innern den flachen Nuten 21 gegenüberliegenden Flächen der HüllIglieider 7 ausge nommen sind, so,

@dasis der längere Schemikd 23L des Elementeis 23 mit dem Hauptteil der unvteni Flächen der Hüllglieder, flüchtend ist, wodurch, die Bildung von Turbulenz im die Hüllglieider 7 übemstreich@enden Dampf vermieden wind.

Fig. 6 zeigt eine weibeme Ausführung, in welcher das Element 23 als kurzer Stift ausgebildet ist wel- cheT lose zwischen halbkreisförmigen Ausnehrnungen 31 in den Bereichen der KantenX undY der Hüll- gliedeT 7 eingeschoben ist.

In i den drei vorstehend beischmiebenen Formen von Verbindungsielementien 23., sind die zwischen dem und den beiden. Hülllglie- dem 7 auftretenden Kräfte Reibungskräfte.

In der in Fig. 7 damgestellten, Ausführung ist das Verbindungsglied 23 praktisch T-förmig, wobei die Arme des T dazu dienen, dass das Verbindungsglied nicht nadiail nach innen fällt. Der Mittelschenkel des T erweitert sich radial nach innen zu, ebenso und in gleichem Massee die Wände der Ausnehmungen 21.

Wenn seich im Betrieeb das Glieid 23 unter dem Ein- fluss der radial mach ausisen bewegen will, tritt zwischen dem Mittelschenkel des T-förmi- gen Verbindunegselemenees 23 und den beiden Seiten der Hüllglicider 7 einte Keilwirkung,auf,

welche den erwünschten Kupplungsgrad sichemsetelk: Der Keil- winkel kann dabei derart ,gewählt werden, dass die Vembindungselemenibe auch im muhenden Zustande des Läufers, verkeilt bleiben, @d. h. ,

die Keilvembindung selbsthemmend ist oder üben derart, dass das Verbin dungselement sich in @dmesem Zustande naidial frei nach innen bewegen kann.

Alle vier vorstehend beschriebenen Formen von Vembinldungselementen 23 sind Aals, stamme Körper au sr gebildefit. Esse ist indes auch möglich, sie elastisch zu gestallten, beispielsweise,

in Form eirein blattförmigen Spinatfeder, wie (diesig in Fig.. 8 ,damgestellt isst, oder als streifenförmige Blatt- oder Haamadelfe@deer gemäss Fig. 9.

Eine andere Möglichkeit bietet die Verwen dung fe,demniden Matemialis für die in den Fig. 4-7 damgestellten Formen, welcheis Material den im In- nem derartiger Maschinen auftretenden Temperatu- ren,

widerstehen raus e, also z. B. ein organisches Material auf Kunststoffbasis, wie Nylon u. a. Es ist wichtig sicherzustellen,

dass i @diesie Verbindungsiele- mente sich im Betrieb nicht von den Hüllgliedezn brennen können. In den Fig. 10-12 ist einte weitere Au sführunigs- form. ersichtlich,

in welchen die Verwendung speziel ler Verbindungselemenba vermieden ist. In dieser Konstruktion wind von der Taulache. Gebrauch ge macht, dass die Steifheit auskriagender Teile der Hüllglieder 7, von deren Abstand vom Befestigungs ort an der Turbinenschaufel abhängt.

Es wird daher jede der Kanten X undY mit zwei separaten, .dünnelrn Endteilen XA und XB sowie YA und YB versehen5 woben dir, Teile XA und YB mit den Hauptfellen der radial innern Seiten, der Hüllgliede@r,

7 fluchten und die Teile XB und YA mit den anliegenden Teilen der radial äussern Seiten der Hüllglieder 7 (Fig. 11 und 12).

Da dm e Teile XA und YA sowie die Teile XB und YB sich übemlappenn,

würde eine Auswärtsbewegung der Temle XA und YB eine Reibungsverbindung zwi schen den zwei benachbarten HUglieldemn hervoxru- fei. Wie aus Fig. 10 exsichssich,

sind die Teile XA und YB weiter von den Befeistigungsorten ihrer Hüll- glie@der entfernt als -die Teile XB und YA. Es folgt daraus, dass im.

Betrieb die Zentrifugalkraft versucht, die gewünschte VeTbindunig zwischen den Teilen XA und YA einerseits und den Teilen; XB und YB ande- nerseits herzustellen.

In! den Filg. 13 und 14 ist eine weitere Ausfüh rungsform damgestellt, welche zur Anwendung ge langt, wenn der Bereich dien Blefese ggumg dem Schaufel 5 sich ungefähr panaHel zu den Kantern X undY des Hüllgliedes 7 erstreckt. Wird:

.dafür gesorgt, dass die Kante X von ihrer, Schaufel 5 beträchtlich weiter weg liegt als die Kante Y vorn der ihrigen und wenn ferner so gebaut wind, dass das zur, Kanine X gehörende Hüll- glied auf der Innenseite, .des Hüllglied'es mit ,

der Kante Y aufliegt und zwar so, dass den Bereich der Kante X auf dem Bereich den Kante Y Neigt (Fig. 14), wird im Betrieb die Zentrifugalkraft das, eine Hüllglied im Bereich der Kanute X nach aussen. in,

ferste Berührung mit dem Bereich .dien Kante Y .des indem Hüllg,ie@des bringen, woben die, Reibungskräfte die gewünschte Verbindung zwischen. ,den benachbarten Schaufeln 5 schaffen.

Damit der Schwerpunkt des Hüllgliedes 7 auf dem gleichen Radius wie dem Schwerpunkt der Schaufel 5 liegt, kann die dargestellte Ausführung geändert werden, indem die zwei Teile dies Hüllglne- des 7 gleich lang aber vemschieiden starr ausgeführt werden,

anstatt sie verschieden lang zu gestalten,. Be züglich Läuferkonstruktion wird, diese Ausführung normalerweise vorzuziehen .sein.

Bei jeder der vombeschrlebenen Konstruktionen wird die Tendenz der gegenseitigen Bewegung in Umfangsrichtung der Uäufemscheibe zwischen den Schaufelspitzen durch die tatsächliche Verbindung der benachbarten Schaufelspitzen vewinigert. Es wind hervorgehoben, dass,

alle Schaufelspitzen auf diese Weise miteinander verbunden sind. Bei der bekann ten Art der Bildung von Schaufelpaketen mit z. B.

sieben Schaufeln das Paket, von welchen jedes sein einzelnes Hüllglield aufweist, werden) in einem Turbi- nenläufer mit 350 Schaufeln in der Stufe immerhin. 50 Schaufelpakete entstehen,

von welchen jedes sich bewegen oder bezüglich den benachbarten Schaufel paketen in Umfangsrichtung schwingen kann.

Bei den vorbeschrsebenen neuen Ausführungen sind die Hüllgkeider 7 von den Schaufeln getrennt hergestellt und werden ,anschliesisend an diesen befe- stigt. Die Erfindung ist auch anwendbar auf einen Turbinenläufer,

bei welchem jeder Kopf der Schau feln 5 mit sich beidseits oder nur auf einer Seite vor^- stehendien Teilen versehen ist, welche mit den be- nachbarter Schaufeln oder denen vorstehenden Tei len den Schaufelkra,niz des Tunbineneades umhüllen.

Die vorstehende Erfindhmig wurde an Ausfüh- rungsbeispielen für eine RTI ID="0003.0254" WI="21" HE="4" LX="1378" LY="697"> Dampfturbine beschrieben. Es ist jethoch offensichtlich, dass die Turbomaschine auch eine Gasturbine, oder ein Axiaskompre,ssor sein kann..

Claims

PATENTANSPRUCH Turbomaschine mit mehmkränzig beschaufeltem Läufer, dadurch :gekennzeichnet, (dass jede Schaufel (5) mindestens Beines Schaufelkmanmels, mit einem sich quer zur Drehachsie, Ides Läufers und umfänglich er- streckenden Hüllglied (7)

versehen ist, dass in Verbin- dung mit den Hülliglned:rn .der. andern. Schaufeln (5) den Schaufelkranz umhüllt und dass jedes Hüllglied (7) nur mit einer Schaufell (5) starr verbunden ist,

wobeä im Betrieb unten .dein Einfluss der Zentrifugal- knaft .die Hüllglieder (7) je zweien benachbarter Schaufeln (5) wIrkverbunden sind und sie die Rela- tivbewegung zwischen den benachbartem Schaufeln in Umfanigsnichitunig,des:

behindern. UNTERANSPRÜCHE 1. Maschine nach dadurch ge kennzeichnet, dalss benachbarte; Hülllglieder, sich ge genseitig teilweise überdecken, um im, Betrieb, z. B.

dem der Maschine eine Wirkverbin dung zwischen den Schaufeln (5) herzustellien (Fig. 10-14).

2. Maschine nach Patentanspruch und Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Hüll- glied (7) eine zeneale Zone aufwehst, in welcher es mä dem Schaufes (5) vembundeln ist sowie zwei Seitenr- zonen (X, Y),

welche sich quer zum Umfang und beiidseits dien mutigen Zone emsrtnreckeu, wobei einte der Seitenzonen (Y) bezüglich Auswärtsbiegung durch die Zenrtmifwgalklnaft beideuttend steifer ist als die andere(X) und,dass ,

die weniger steife Seitenzone (X) derart angeordnet ist, dass sie auf der radiaii innern Seite (der steifere Zone (Y) des blenachbanten Hüll- gliedes (7) so liegt, dass im Betrieb die weniger steife Seitenzone (X) jedes Hüllgliedes (7)

durch die Zen- trifugalkraft nach aussen in Reibungsverbindung mit der steifere Seitenzone (Y) des benachbarten Hüll gliedes gepresst und eine Verbindung dieser Hüll- gliedtenle,erre,ichit wind (Fig. 13, 14),. 3.

Maschine nach Patentanspruch und Unteman- spruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Schaufel (5),ein Hüllglicid (7) vomgesclhenn ist, welches ,

an seinem Ende im Bereiche einer seiner Seleenkan- ten (A, B) mit der Schaufeil verbunden ist und, dass die Endkante (X) des eineüi Hüllglie:deis (7) und, die Endkante (Y) ;des :

anschliessenden Hüllglmedes (7) sich demamt überdecken, dass der näher ihnen Schaufel (5) gelegene Teil (XB, YA) dem Endkante, (X bzw.Y),

 radial ausserhalb des benachbarten Hüllgliedteils liegt und dass der Teil (XA bzw. YB) der Endkante (X bzw.

Y), welche von ihrer Schaufel (5) weiter ent fernt ist, radial auf der innern Seite des Teiles: des benachbarten Hüllglides (7) liegt und dass ferner im Betrieb der weniger steife Teil (XA bzw. YB) jeder Endkante(X bzw.

Y) jedes Hüllgliedes (7) sich unter der Zentrifugalkraft nach aussen in Reibungsverbin- dung mit dem steifern Teil (XB bzw. YA) jeder End- kante (X bzw. Y) des benachbarten Hüllgliedes. (7) biegt, um die Wirkverbindung zwischen den Schau feln (5) herzustellen (Feg. 10-12).

4. Maschine nach Patentanspruch, dadurch, ge kennzeichnet, dass getrennte Verbindungselemente (23) vorgesehen sind, welche zwischen zwei sich fol genden Hüllgliedern eieigen und dazu dienen, im Be triebe bei vonbestmmtom Drehzahl die Schaufeln zu kuppeln (Feg. 1, 2 und 4-9).

5. Maschine nach Patentanspruch und Unrberan- spruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ven- bindungseslemenit (23) einen Steg (23S7 aufweist, welchen sich zwischen! zwei. benachbarten Endkanten benachbanüer HäUglieder (7)

erstrneckt und welchem auf seinem radial innern Ende eine Erweiterung (23L) besitzt, welche sich im Betrieb an die zwei Hüllgli;eder anlegt, um durch Reibung die Kupplung zwischen den Schaufeln smchezzustellen (Fig. 2, 4, 5, 7):

6. Maschine nach Patentanspüuch, ,und Untreman- spruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Fläche der Vembmeitemung demamt ausgebildet ist, dass. sie im Betrieb;

mnndesrIens im Noirmmalsbetmieb der Maschine, in einem Ausnehmung in den Hüllglie- dern (7) aufliegt (Feg. 7).

7. Maschine nach Patentanspruch. und Unbeman- Spruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ele- ment (23) .die Form einer Druckfeder aufweist, wel che mindestens anniähemd U för!migen Querschnitt besitzt,

wobei die Basis des U am radial äussern Ende einer dem U entsprechenden Ausnehmung zwischen zwei sich folgenden Hüllglied endtöilen liegt und die Seiten des U federn an den Flanken dieser Ausneh- mung aufJ:iegen, um ;die Schaufeln miteinander zu kuppeln (Feg. 9). B.

Masche nach Patentians:pruch und Unteran spruch 4, dadurch gekennzeichnet, -dass jedes Ele ment (23) atabförmmg ausgebildet und dazu vongesie- hen:

ist, zwischen zwei sich jemgänzenden Ausnehmunl gen, (31) zweier benachbarter Hüllglieder (7) zu lie gen, wobei die Stabachse sdes Elemienteis parallel zur Richtung dem Endkanten diesem Hüllllglieder liegt (Feg. 6).

9. Maschenre nach Patensanspruch und Unteran spruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ele- ment (23) als spimalfärmig aufgewundene Blattfeder ausgebildet ist und in ,sich ergänzenden Ausnehmun- gen zwischen zwei benachbarten Hüllgliedern (7) liegt,

wobei die Feidemlängsachee in Richtung dler Endkanten diesieu Hüllglieder vemläu- umrd die Elasti- zität der Feder dazu idien, d'iieise ,gegen die Wände der Ausnehmung zu pmessien,

um eine Kuppelung zwischen dien Schaufeln (5) zu erzeugen (Feg. 8),. 10. Maschine nach Patentanspruch und Unfieman- spmuch 4, -dadurch gekennzeichnet, dass die Verbin- dungselemente (23)

aus einem organischen Material auf Kunststoffbasis hemgestesllb ,sind, welche :den in der Maschenire auftretenden Tempematumbeidingungen widerstehen. 11. Masschiene nach und Unteran- sprä:

chen 4 unid 10, dadurch, gekennzeichnet, dass als organisches Material Nylon :dient.