DE1016982B - Laeufer mit Kuehleinrichtung fuer mit gasfoermigen Arbeitsmitteln betriebene Stroemungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Läufer einer Turbine, eines Kompressors oder einer ähnlichen, mit Schaufeln versehenen Maschine für gasförmige Strömungsmittel, der mindestens eine — aus mehreren koaxial mit Abstand nebeneinander angeordneten dünnen, z. B. aus Blech bestehenden Scheiben zusammengesetzte ·—■ Läuferscheibe aufweist, an deren Umfang zumindest eine aus kerbempfindlichem, z. B. keramischem Material bestehende Schaufel gehalten ist.

Die üblichen Laufradschaufeln bestehen aus dem Schaufelblatt mit Tragflügel- oder ähnlichem Querschnittsprofil sowie einem Fußteil, der mit Halteklauen in. eine entsprechend geformte Nut des Läufers eingreift. Es hat sich herausgestellt, daß die allgemein bekannte, sich nach ihrer Spitze hin verjüngende und in ihrem Querschnitt einem umgekehrten Tannenbaum gleichende Form eines üblichen Schaufelfußes für die einwandfreie Übertragung der auftretenden Kräfte besonders gut geeignet ist, obgleich schon bei Metallschaufeln die Herstellung eines sich verjüngenden, genuteten Tannenbaum-Schaufelfußquerschnitts oder einer ähnlichen Querschnittsform des Fußes eine verhältnismäßig schwierige mechanische Bearbeitung bedingt, die zu der an sich bereits sehr sorgfältig durchzuführenden Bearbeitung des eigentlichen Schaufelprofils hinzukommt.

Bei Laufradschaufeln, die aus sehr kerbempfindlichem Material, z. B. aus keramischem Material, hergestellt sind, hat sich diese Schaufelform jedoch nicht bewährt, da bei spröden und bruchempfindlichen Baustoffen infolge örtlich begrenzter Konzentration von Spannungsbeanspruchungen, die auf scharfe Kanten, Verzapfungen od. dgl. zurückzuführen sind, leicht Brüche auftreten. Als solche spröden und bruchempfindlichen Baustoffe für Schaufeln kommen feuerfeste keramische Stoffe, z. B. gesinterte Oxyde, Silikate, Carbide oder Boride von Metallen, wie Beryllium, Aluminium oder Titan, in Frage, weiterhin Metall-Keramik-Mischungen, die aus einem oder mehreren der obengenannten keramischen Stoffe und einem Metall, \vie Nickel, bestehen. Bei der Verwendung solcher Baustoffe ist eine Ausführung des Schaufelfußes mit schwalbenschwanzförmigem Querschnitt und gut abgerundeten Ecken, ein Lavalfuß oder eine ähnliche Querschnittsform ohne scharfe Kanten besser geeignet, weil dadurch gefährliche Spannungskonzentrationen vermieden werden. Solche mit abgerundeten Kanten ausgeführten Fußprofile sind jedoch wesentlich \veniger belastbar als die bekannten, mehrfach genuteten Schaufelfüße, was sich besonders bei den den Ausgangspunkt der Erfindung bildenden, aus mehreren koaxial mit Abstand nebeneinander angeordneten dünnen Scheiben zusammengesetzten Leichtbau-Läuferscheiben nachteilig auswirkt, da Läufer mit Kühleinrichtung

für mit gasförmigen Arbeitsmitteln

betriebene Strömungsmaschinen,

insbesondere Gasturbinen

Anmelder:

ίο Power Jets (Research and Development)
Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien, vom 26. November 1953 und 22. Oktober 1954

Sydney William Henry Perry, Cove, Farnborough,

Hampshire (Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

diese nur verhältnismäßig kleine Auflage- und Halteflächen für die Schaufeln bieten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den genannten Mangel zu beseitigen; sie besteht im wesentlichen darin, daß zumindest die eine an einer eingangs genannten Läuferscheibe gehaltene Schaufel in an sich bekannter Weise einen verstärkten und an der Läuferscheibe über zwei Haltestücke befestigten Schaufelfuß aufweist, wobei die je entlang einer Seitenfläche des Schaufelfußes angreifenden Haltestücke beide die dünnen Scheiben in axialer Richtung überbrücken und an sämtlichen dünnen Scheiben befestigt sind. Während die kerbempfindlichen Schaufeln sich nunmehr mit genügend großen, vorzugsweise schwalbenschwanzförmig ausgeführten Halteflächen an den Haltestücken festlegen lassen, können die aus einem hierfür üblichen, weniger kerbempfindlichen Material hergestellten Haltestücke sicher an den einzelnen Scheiben des Laufrades gehalten werden.

Einzelheiten und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hälfte der Turbine eines Gasturbinen-Strahltriebwerkes für ein Flugzeug und

Fig. 2 eine Teilansicht des Turbinenläufers, in Richtung der Pfeile nach II-II der Fig. 1 gesehen.

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Der in Fig. 1 dargestellte Turbinenläufer besteht aus fünf dünnen Scheiben la, Ib, lc, Id und Ie aus Metallblech, die mit Abstand nebeneinander angeordnet sind und zwischen zwei kräftigen Endscheiben 2, 3 gehalten werden. Die Scheiben werden von auf einem Ring angeordneten und in gleichem Abstand zueinander rund um die Achse der Turbine verteilten Schraubenbolzen 4 zusammengehalten. Der Abstand zwischen den aus Metallblech bestehenden Scheiben ist durch Abstandsringe 5 gesichert, die auf
Bolzen 4 aufgezogen sind. Der Läufer trägt auf seinem Umfang einen Kranz von Turbinenschaufeln 6, die aus kerbempfmdlichem Material, z. B. feuerbeständiger Keramik oder einem der gesinterten Metall-Keramik-Gemische, bestehen, wie sie
genannt wurden.

Die in Fig. 2 nur teilweise dargestellten Schaufeln 6 bestehen aus dem Schaufelblatt 6 a mit tragflügelähnlichem Querschnitt und einem aus dem gleichen

vorhanden sein würde. Diese geringe Größe der Fläche wird jedoch dadurch ausgeglichen, daß die Belastbarkeit der mit tannenbaumartigem Querschnitt ausgebildeten Enden der Haltestücke 20 wesentlich größer ist als die Belastbarkeit der schwalbenschwanzförmigen Schaufelfüße. Es werden also starke spezifische Drücke in den Haltestücken überall dort auftreten, wo sie in die Scheiben eingreifen. Da die Haltestücke jedoch aus einem hitzebeständigen Stahl die ίο oder einem Material hergestellt sind, das derartige starke örtliche Belastungen aushält, werden die zulässigen Beanspruchungen nicht überschritten. Die Haltestücke 20 können in entsprechender Länge aus Stangenmaterial geeigneter Querschnittsform zugeoben 15 schnitten werden.

Es hat sich gezeigt, daß günstigste Beanspruchungsverhältnisse erzielt werden, wenn der Winkel α, um den die Druckflächen 20 a der Haltestücke 20 gegen die radiale Richtung geneigt sind, nicht kleiner aus

Material und einstückig mit dem Schaufelteil 6a her- 20 geführt wird als 30°. gestellten Fuß, der sich in eine Fußplatte 6 b und Die oben beschriebene Maßnahme gestattet es, eine einen Fußteil 6 c gliedert, dessen axialer Querschnitt Ausführung der aus keramischem oder ähnlichem etwa Schwalbenschwanzform mit abgerundeten Kan- Material hergestellten Schaufeln mit einem im Querten hat. Die Schaufeln 6 sind am Umfang des schnitt tannenbaumartig ausgebildeten Fuß zu verTurbinenlaufrades in der Weise angeordnet, daß die 25 meiden. Wenn nämlich die keramischen Schaufeln unteren Flächen des schwalbenschwanzförmigen Fuß- unmittelbar in den aus Scheiben zusammengesetzten teiles 6 c sich an Vorsprüngen am Umfang der Blecn- Läufer der Turbinen eingesetzt wären, müßten die scheiben 1 α bis 1 e abstützen und die Seitenflächen 6 d Scheiben sehr dicht nebeneinander angeordnet sein, des Schwalbenschwanzes sich in axialer oder im um unzulässig hohe Beanspruchungen an dem Fuß der wesentlichen axialer Richtung erstrecken. Zwischen 30 Schaufeln auszuschließen. Durch die Verwendung von jedem Paar einander benachbarter Schaufeln 6 liegt Haltestücken, die aus einem Material hergestellt sind, ein Haltestück 20, dessen Querschnitt etwa keilförmig das wesentlich höhere Flächenbeanspruchungen aufist und dessen sich verjüngender Keilteil in radialer nehmen kann, wird diese Schwierigkeit praktisch Richtung nach innen ragt, während seine Seitenflächen überwunden, und es können mit erheblich größerem axial oder im wesentlichen axial ausgerichtet sind. 35 gegenseitigem Abstand angeordnete Scheiben für den Der in radialer Richtung außenliegende Teil jedes Aufbau des Laufrades der Turbine verwendet werden. Haltestückes 20 hat Seitenflächen 20 a, die an Die einzige Begrenzung liegt darin, daß die tragenden den Seitenflächen 6d des Schwalbenschwanzes der Fachen zwischen den Halteteilen und den Metall-Schaufelfüße an seinen beiden Seiten anliegen, wäh- scheiben in der Lage sein müssen, eine gesamte Berend der in radialer Richtung innenliegende, sich 40 lastung aufzunehmen, die gleich der Belastung ist, die verjüngende Teil 20 b des keilförmigen Haltestückes von den Halteflächen zwischen den Schaufelfüßen und einen Querschnitt von tannenbaumartiger Form hat, den Haltestücken aufgenommen wird, dessen Vorsprünge in entsprechende, in axialer Rieh- Um den Turbinenläufer und die Schaufeln zu tung verlaufende Nuten in den Blechscheiben la kühlen, kann Kühlluft in die Zwischenräume zwischen bis Ie eingreifen. Die Zentrifugalkräfte der Schaufeln 45 den Metallscheiben la bis Ie eingeführt werden. Die werden so über die Haltestücke 20 auf die Metall- Endscheiben 2 und die ersten vier Mitteilscheiben 1 α scheiben Ια bis Ie übertragen. bis Id sind mit Löchern 22a, 22b, 22c, 22d, 22e ver-Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegen die Schaufel- sehen, deren Größe von der Einlaßseite des Läufers fuße 6 c und die Haltestücke 20 in axialer Richtung her stetig abnimmt, um die gewünschte Verteilung und überbrücken sämtliche Metallscheiben 1 α bis 1 e. 50 der Luft auf die Zwischenräume zwischen den Die Schaufeln 6 und die Haltestücke 20 sind gegen
axialer Verschieben durch die Endscheiben 2, 3 gesichert, die außen bis über den Umfang der Metallscheiben reichen.

Die Druckflächen 6 d der Schaufelfüße 6 c liegen an 55
den Gegenflächen 20 α der Haltestücke auf ihrer gesamten axialen Länge an, so· daß eine sehr große
Stützfläche für die Übertragung der Zentrifugalkräfte
zur Verfügung steht. Da diese Stützfläche verhältnismäßig groß ist, ergibt sich nur eine sehr geringe 60 Schließlich strömt die Luft durch Schlitze zwischen spezifische Flächenpressung zwischen diesen Teilen. den einander benachbarten Rändern der Fußplatten 6 d Außerdem ist die Schwalbenschwanzform des Fußes
mit ihren abgerundeten Kanten besonders gut geeignet, gefährliche Spannuugskonzentrationen zu vermeiden. - 65 ihrer Unterseite bis zu ihrer Spitze hindurchführen. Da das Laufrad aus einzelnen Scheiben zusammen- Der Schaufelfuß kann auch anders geformt sein als

nach Art eines Schwalbenschwanzes. Voraussetzung ist nur, daß unzulässige Spannungshäufungen in begrenzten Querschnitten sicher vermieden werden. So

Scheiben zu erreichen. Die Kühlluft wird von dem Kompressor abgezweigt und dem Turbinenläufer durch einen die Welle umgebenden, nicht dargestellten Ringkanal zugeführt.

Die Luft aus den Zwischenräumen zwischen den Scheiben la bis Ie des Läufers strömt durch Löcher 20 c in den Haltestücken 20 in die offene Räume 26 unter den plattenförmigen Teilen 6b der Schaufelfüße, wo sie eine wärmeisolierende Schicht bildet.

in den Schaufelkanal.

Zusätzlich kann ein gewisser Teil der Luft durch Bohrungen in den Schaufeln selbst strömen, die von

gesetzt ist, sind die tragenden Flächen zwischen den
Haltestücken 20 und den Scheiben la, 16 usw.
wesentlich kleiner als die tragende Fläche, die bei

einem entsprechend breit ausgeführten vollen Laufrad 70 kann man z. B. den bekannten Wulstfuß anwenden

und jedes Halteglied, dementsprechend so ausbilden, daß es an den Seitenflächen des Wulstfußes der Schaufel innig anliegt.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Läufer einer Turbine, eines Kompressors oder einer ähnlichen, mit Schaufeln versehenen Maschine für gasförmige Strömungsmittel, der mindestens eine — aus mehreren koaxial mit Abstand nebeneinander angeordneten dünnen, z. B. aus Blech bestehenden Scheiben zusammengesetzte — Läuferscheibe aufweist, an deren Umfang zumindest eine aus kerbempfindlichem, z. B. keramischem Material bestehende Schaufel gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (6) in an sich bekannter Weise einen verstärkten und an der Läuferscheibe über zwei Haltestücke (20) befestigten Schaufelfuß (6 c) aufweist, wobei die je entlang einer Seitenfläche des Schaufelfußes angreifenden Haltestücke (20) beide die dünnen Scheiben (la bis Xe) in axialer Richtung überbrücken und an sämtlichen dünnen Scheiben befestigt sind.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes in Umfangsrichtung der Läuferscheibe zugleich zwei benachbarte Schaufeln (6) entlang je einer Schaufelfußseite festhaltende Haltestück (20) in im wesentlichen radial verlaufenden Ouerausnehmungen der dünnen Scheiben (1 α bis 1 e) der Läuferscheibe verankert ist.

3. Läufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Halterung der Haltestücke (20) dienenden Querausnehmungen der dünnen Scheiben (la bis Xe) als vom äußeren Umfang dieser Scheiben aus im wesentlichen radial nach innen verlaufende Quernuten ausgebildet sind, in welche die Haltestücke (20) mit einem in Umfangsrichtung der dünnen Scheiben Haltemittel aufweisenden Fußteil (20 b) von außen her eingreifen.

4. Läufer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelfüße (6 c) einen schwalbenschwanzf örmigen Querschnitt haben, dessen schräg nach unten außen gerichtete Schwalbeuschwanzflächen (6 d) im wesentlichen in axialer Richtung verlaufen, und die Haltestücke (20) entsprechende, schräg nach oben außen gerichtete Gegenflächen (20 a) aufweisen, die an den Seitenflächen (6 c?) des Schwalbenschwanzes anliegen.

5. Läufer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestücke (20) im wesentlichen einen Keilquerschnitt haben, dessen radial nach innen sich verjüngender Fußteil {20b) Haltevorsprünge aufweist, die in entsprechende seitliche Erweiterungen der Quernuten der Scheiben (la bis Ie) jeder Läuferscheibe eingreifen, während die radial weiter außen liegenden Seitenflächenteile (20 a) des Keiles an den Seitenflächen (6 d) der schwalbenschwanzförmigen Schaufelfüße (6 c) anliegen.

6. Läufer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verjüngten keilförmigen Fußteile (20 b) der Haltestücke (20) als seitliche Erweiterungen axial zum Läufer verlaufende Vorsprünge (Halterippen) aufweisen, so daß ihr Querschnitt eine tannenbaumartige Form hat.

7. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Läuferendscheibe (2) und einige der dünnen Scheiben (la, Ib, lc, Xd) Löcher (22a, 22b, 22c, 22d, 22c) zum Zuführen von Kühlluft in die Zwischenräume zwischen den Scheiben (1 α bis 1 e) aufweisen.

8. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α), um den die Druckflächen (20a) der Haltestücke (20) gegen die radiale Richtung geneigt sind, größer als 30° ist.

9. Läufer nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Kühlluftbohrungen (20 c) in den Haltestücken (20), welche die Zwischenräume zwischen den dünnen Scheiben (1 a, Ib, Xc, Id, 1 e) mit den Schaufelkanälen verbinden.

10. Läufer nach den Ansprüchen 7 und 9, gekennzeichnet durch die Fußunterseite mit der Schaufelspitze verbindende, im Innern der Schaufel angeordnete Kühlluftkanäle.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 841663, 818 442, 580, 550 328, 375 539;

schweizerische Patentschriften Nr. 279 434,
499;

französische Patentschriften Nr. 997 690, 993 590; britische Patentschrift Nr. 200 474.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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