DE1049872B

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Publication number: DE1049872B
Application number: DENDAT1049872D
Authority: DE
Priority date: 1953-06-04
Publication date: 1954-02-05
Also published as: FR1105343A; US2861775A; CH325226A; GB748903A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1049 INTERNA¹};. KL. F 01 d ~ f& ANMELDETAG: 28. MAI 1954

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

AUSGABE DER PATENTSCHRIFT:

5. FEBRUAR 1959

30. JULI 1959

STIMMT OBEREIN MIT AUSLEGESCHRIFT 1 049 872 (P 12034 I a / 14 c)

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für Axialturbinen oder -verdichter, welche einen hohlen rohrförmigen Schaufelschaft von stromlinienförmigem Querschnitt aufweist, dessen eines Ende an einem Schaufelfuß befestigt ist.

Die Erfindung besteht in erster Linie darin, daß das Fußende sowohl der druckseitigen als auch' der saugseitigen Fläche des Schaufelschaftes in an sich bekannter Weise zu einer Schleife geformt und dicht um einen Draht gelegt ist und in je einer von zwei quer zur Schaufelachse und mit Abstand voneinander verlaufenden, hinterschnittenen Nuten des Schaufelfußes eng anliegt, wobei die Schleifen, Drähte und Nuten im Querschnitt keilförmig ausgebildet sind und die Keilscheitel nach der Schaufelspitze hin weisen.

In Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens können die im Schaufelfuß vorgesehenen Nuten gerade ausgebildet und parallel zueinander angeordnet werden; sie können aber auch im wesentlichen entsprechend der Bogenform der Flächen des Schaufelschaftes gebogen ausgebildet werden. Schließlich ist es erfindungsgemäß noch vorteilhaft, wenn der Schaufelfuß aus einem Block besteht, in dessen Oberfläche die Nuten eingeschnitten sind; es kann aber der Schaufelfuß auch aus einem Block bestehen, der um das Fußende des Schaufelschaftes herumgegossen ist.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Meridianschnitt durch das Laufrad eines einstufigen Axialverdichters mit Laufschaufeln nach einer der Ausführungen der Erfindung,

Fig. 2 ein radial einwärts gesehenes Bild der in Fig. 1 dargestellten Schaufel,

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III-III von Fig. 2,

Fig. 4 ein Schrägbild der in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Schaufel,

Fig. 5 eine Teilendansicht eines Laufrades mit Schaufeln nach einer anderen Ausführung der Erfindung,

Fig. 6 eine Ansicht des in Fig. 5 gezeigten Laufradteils, radial einwärts gesehen,

Fig. 7 und 8 Axialansichten von zwei Alternativbauformen der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schaufel,

Fig. 9 ein radial einwärts gesehenes Bild einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 10 und 11 Schnitte nach den Linien X-X bzw. XI-XI in Fig. 9,

Fig. 12 ein radial einwärts gesehenes Bild einer noch weiteren Ausführungsform,

Fig. 13 einen Schnitt nach Linie XIII-XIII in Fig. 12.

Schaufel für Turbinen oder Verdichter

Patentiert für:

Power Jets (Research & Development) Limited, London

Beanspruchte Priorität: GroBbritannien vom 4. Juni 1953 und 21. Mai 1954

15 Leslie Thomas Whitehead, Pyestock, Farnborough₁ Hampshire (Großbritannien), ist als Erfinder genannt worden

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Wie aus den Fig. 1 bis 4 zu ersehen ist, weist eine Schaufel einen rohrförmigen Schaufelschaft 1 auf, der aus Blech hergestellt und zum geforderten Stromtinienquerschnitt mittels eines Formwerkzeugs gebogen , und danach entlang den Stoßkanten des Bleches an der S chaufel aus tri ttskante zusammengeschweißt ist, wie bei Ic angedeutet. Die Schweißung wird nicht ganz bis zum Fußende der Schaufel ausgeführt, sondern es bleibt an diesem Ende ein Stück unverschweißt, so jdaß an der Stromabwärtskante ein Schlitz im Schaufelschaft 1 verbleibt. Die Eintrittskante der Schaufel wird am Fußende auf die gleiche Länge aufgeschlitzt.

Der Schaufelschaft oberhalb der Schlitzenden bildet den vom Verdichterluftstrom berührten Teil der Schaufel.

Die beiden Fußenden des Schaufelschaftes 1, die durch die Schlitze begrenzt werden, werden aus ihrer ursprünglichen Stromliniengestalt heraus zu zwei einander gegenüberliegenden, einander parallelen ebenen Enden la verformt, welche sich im wesentlichen in Sehnenrichtung der Schaufel erstrecken. Das sich an die konvexe Fläche des Schaufelschaftes 1 anschließende Fußende la verläuft mehr oder weniger tangential zu dieser Fläche, während das sich an die konkave Fläche anschließende Fußende la annähernd entlang der Sehnenlinie der Schaufel verläuft. Der Abstand zwischen den beiden Fußenden la ist an-

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nähernd gleich dem Maximum der Schaufelschaftdicke. Die Fußenden Io stehen über die Übergangsflächen Id mit dem Schaufelschaft in Verbindung.

Der untere Teil jedes der Fußenden la ist auswärts und aufwärts um einen Draht 2 gebogen, der in Sehnenrichtung quer oder schräg zur Schäufelachse verläuft, und bildet eine Schleife 1 b, die dem Draht eng angepaßt ist und seinem Querschnitt entspricht. Der Draht hat einen im wesentlichen keilförmigen Querschnitt,· dessen Scheitel radial nach außen, d. h. zur Schaufelspitze hin gerichtet ist, wobei sein Querschnitt von zwei sich an einem Ende schneidenden Geraden und einem Kreisbogen eingeschlossen wird. Der Draht kann also einen etwa birnenförmigen Querschnitt aufweisen.

Die Schaufel weist weiterhin einen Fuß block 3 auf, in dessen obere Fläche zwei längsverlaufende, jeweils · an einer Seite unterschnittene Parallelnuten eingearbeitet sind, wobei der Querschnitt und der Abstand der Nuten dem Querschnitt und dem Abstand ao der keilförmigen Ansätze des Schaufelschaftes 1 entspricht. Die keilförmigen Ansätze werden vom Ende her in diese Nuten geschoben und sitzen fest in ihnen, so daß sich die Außenflächen der Schleifen 1 b eng an die Flächen der Nuten anlegen. Die Tiefe der Nuten ist so gewählt, daß die Ubergangsfläche 1 rf am Ende des Arbeitsteils des Schaufelsohaftes 1 annähernd auf gleicher Höhe mit der oberen Fläche des Blocks 3 liegt.

Die Schaufel ist, wie aus Fig. 1 hervorgeht, auf einem Läufer befestigt, "welcher aus zwei Blechscheiben 4 und 5 besteht, die Flansche 4a und 5 a bilden, an welchen Verstärkungsringe 6 und 7 durch Punktschweißung befestigt sind. Der Fußblock 3 ist an seinen Endflächen mit Rillen 3 a versehen, in welche die Flansche 4a, 5a greifen, um die Schaufel gegen die Fliehkraft zurückzuhalten. Die Scheiben 4 und 5 sind weiterhin mit Winkelprofilringen 8 und 9 ausausgestattet, deren sich radial nach innen erstreckende Ringteile mit den benachbarten Scheibennächen punktverschweißt sind, während die axial abstehenden Ringteile der benachbarten Scheiben 4 und, 5 zusammengeschraubt sind, um die Schaufelfußblöcke 3 zwischen sich festzuklemmen.

Der Fußblock 3 kann alternativ irgendeine andere Form, z. B. Tannenbaumform, erhalten.

Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die Fußblöcke 3 so geformt, daß die Schaufel 1 im Läufer (4,5) im erforderlichen Winkel angeordnet sind. Wenn die Fußblöcke 3 in den Läufer (4, 5) eingebaut sind, liegen die Seitenflächen benachbarter Blöcke in Umfangsrichtung aneinander und stützen sich gegen- . einander ab.

Die Drähte 2 wirken unter radialer Beanspruchung wie ein Keil, der danach strebt, den Werkstoff der Schleife Ib zwischen sich und der Nutenwand einzuklemmen. Die Schleife 1 b, der Draht 2 und die Nutenwände wirken mit ihren ganzen Flächen aufeinander, so daß der Reibungswiderstand gegen relative Bewegung beträchtlich ist. Je größer die Radialbeanspruchnng ist, um so größer ist die Keilwirkung und um so größer ist der Reibungswiderstand auf die Schaufel. Auf diese Art und Weise können die keilförmigen Ansätze nicht im ganzen aus den Nuten herausgezogen werden, ohne die Fußblöcke 3 zu verformen oder zu zerbrechen. Der Verformung der Blöcke 3 wird jedoch von den Seitenflächen der benachbarten Blöcke, die, wie bereits erwähnt, aneinanderliegen und einander halten, entgegen gewirkt.

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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sitzt der Schaufelschaft 1 in einem Fußblock 3, der seinerseits an. Läufer befestigt ist. Der Schaufelschäft 1 kann jedoch auch unmittelbar mit dem Läufer verbunden werden. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, ist ein Verdichter mit einer Reihe hohler Sahaufeln 1 versehen, die an ihren Wurzelenden abgeflachte Teile aufweisen, welche in: der bereits beschriebenen Form zu Schleifen Ib geformt sind. In diesem Falle werden jedochdieFußenden zuerst gegeneinander unddann nach außen und aufwärts um den Draht 2 gebogen, so daß die Schleifen 1 b in bezug auf eine Aahsebene symmetrisch gerichtet sind. Die Fußenden sind so gebogen, daß die keilförmigen Ansätze, die von den Schleifen 1 b gebildet werden, einen gleichbleibenden Querschnitt aufweisen.

Die Schaufeln sind gemäß Fig. 5 auf einer festen Läuferscheibe 11 befestigt, die mit unterschnittenen Nuten an ihrer Umfangsfläche versehen ist, wobei die Nuten mit ihrem Querschnitt und Abstand dem Querschnitt und Abstand der keilförmigen Schaufelansätze entsprechen, die von den Enden her in die Nuten geschoben sind. Die Nuten sind im vorliegenden Falle beiderseits unterschnitten. Wie aus Fig. 6 zu ersehen ist, sind die Nuten in einem solchen Winkel zur Läuferachse eingearbeitet, daß die Schaufeln im geforderten Winkel zur Achsrichtung stehen.

Die Ausführungsform nach Fig. 7 unterscheidet sich von der nach den Fig. 1 bis 4 dadurch, daß der Block 3 eine einzige, beiderseits unterschnittene Nut erhält, deren Breite dem Gesamtabstand zwischen den Außenflächen der Schleifen 1 b entspricht. Diese Nut wird in Längsrichtung von einem mittig liegenden Abstandsstück 12 unterteilt, wobei die keilförmigen Fußenden des S chaufel schaftes 1 in die beiden so gebildeten Nuten greifen.

Die in Fig. 8 dargestellten Schleifen Ib der Schau felschafte 1 werden durah Biegen der flachen Fußenden gebildet,, und zwar werden sie nach innen um den Draht 2 gebogen, anstatt nach außen wie bei der vorhergehenden Ausführungsform. Die Schleifen 1 h verlaufen in bezug auf die Radialrichtung symmetrisch wie bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform.

Jede beliebige der verschiedenen beschriebenen Schleifenformen kann sowohl in Verbindung mit einem besonderen oder getrennten Fußblock nadln den Fig. 1 bis 3 als auch mit einer festen Läuferscheibe nach den Fig. S und 6 verwendet werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen liegen die Übergangsflächen 1 d zwischen den Fußenden und dem Arbeitsteil der Schaufel sowie die obere Fläche des Fußblocks 3 in einer Ebene senkrecht zur Schaufelachse. Bei einem sich verjüngenden Läufer können sie auch zu ihr geneigt verlaufen. Ähnlich sind die Ubergangsflächen dort, wo die unterschnittenen Nuten in. einen sich verjüngenden massiven Läufer eingearbeitet sind, zur Schaufelachse unter einem Winkel geneigt, welcher der Verjüngung des Läufers entspricht.

Die Fußblöcke der beschriebenen Ausführungsform können üblicherweise aus einem Stück Stangenwerkstoff geschnitten werden, aus dem die Nuten ausgearbeitet werden. Ein geeigneter Werkstoff ist Magnesiumlegierung. Bei einigen anderen Werkstoffen, die benutzt werden können, z. B. Aluminium oder Titanlegierung, ist es nicht möglich, so enge Nuten, wie in den Fig. 3 und 8 gezeigt, einzuarbeiten. In diesem Falle ist es vorzuziehen, die Bauform nach Fig. 7, bei der eine breitere Nut mit einem Abstands-

Claims

stück in der Mitte vorgesehen ist, anzuwenden. Die Fußblöcke sollen von der Stange in einem solchen Winkel abgetrennt werden, daß die Schaufeln in dem geforderten Winkel am Läufer angebracht werden können, wie in Fig. 2 gezeigt. Bei allen beschriebenen Ausführungsformen sind die Schleifen 1 b und der Draht 2 in Sehnenrichtung nicht gewölbt oder gebogen. Diese Anordnung macht die Übergangsflächen Id zwischen den abgeflachten Teilen la und der Schaufel 1 erforderlich, und es können diese Übergangsflächen, besonders bei einer stark gewölbten Schaufel, eine beträchtliche Ausdehnung haben. Die Übergangsflächen werden auf Biegung beansprucht, und es tritt in ihnen eine Beanspruchungskonzentration auf. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 9 bis 11 sind die Schleifen la und der Draht 2 im Grundriß gekrümmt, wobei beide konzentrischen Kreisbögen folgen. Entspreohend ist es möglich, die Übergangsfläche Id über einen Teil der Schaufelsehne gänzlich wegzulassen, wie in Fig. 10 gezeigt, und die Flächengröße der Übergangsflächen an den vorderen und hinteren Kanten zu verringern. Die Schleifen 1 b passen in die unterschnittene Nut eines Fußblocks 3, welcher durch ein mittiges Abstandsstück 12 längsunterteilt ist, entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 7, wobei die Nuten und das Abstandsstück im Grundriß gebogen sind, um sich der Biegung der Schleifen 1 b anzupassen. Die Nut ist von gleichbleibender Breite, so daß die Schleifen vom Ende aus wie bei den anderen Ausführungsformen hineingleiten können. Die Nut im Block wird durch Fräsen hergestellt. Das Abstandsstück 12 erhält geringen Anzug, so daß es'gegen Fliehkraft zurückgehalten wird. Der Schaufelschaft 1 ist weiterhin mit einem inneren Aussteifungssteg 13 versehen, der einen Winkelquersdhnitt aufweist, wobei ein Arm durch Punkt- oder Heftschweißung an der Innenseite einer Schaufelfläche befestigt ist, während -der andere Arm mit seiner Kante mit der Innenseite der anderen Fläche in Verbindung ist. Bei einer Abänderung können die Schleifen dem Schaufelumriß über einen Teil der Schaufelsehne folgen und dann zur hinteren Schaufelkante zusammenlaufen, wobei die Nut sich im Grundriß in entsprechender oder passender Weise verjüngt. Auf diese Art und Weise würde sieb das Flächenstück der Übergangsflächen 1 d zur hinteren Schaufelkante hin weiter verringern. Die Schaufel würde in die Nut von ihrer Vorderkantenseite aus eingeführt werden. Bei einer Ausführungsform nach den Fig. 12 und 13 folgen die Schleifen dem Schaufelumriß entlang der ganzen Länge beider Flächen in Sehnenridhtung, so daß die beiden Übergangsflächen Id gänzlich entfallen. Das Fußende der Schaufel lagert in einem angegossenen Fußblock 14. Bei dieser Ausführungsform wird das Schweißen des Drahtes durch irgendeinen Klebstoff zwischen dem Schaufelteil 1 und dem gegossenen Metall des Fußblocks ergänzt. Der eigentliche Sdhaufelteil 1 kann aus Stahlblech, aus einer Aluminium- oder einer Titanlegierung hergestellt sein. Anstatt ihn aus Blech durch Biegen mit Hilfe eines Formwerkzeuges in seine Gestalt zu ίο bringen, kann er auch aus Rohrwerkstoff der erforderlichen Querschnittsform, wie in Fig. 6 gezeigt, hergestellt werden. Das Rohr wird auf die erforderliche Entfernung vom Fußende aus entlang der vorderen und hinteren Schaufelkante aufgeschlitzt, und die Teile unterhalb der Schlitzenden werden verformt, um die bereits beschriebenen Schleifen zu bilden. Patentansprüche:

1. Schaufel für eine Axialturbine oder einen Axialverdichter, welche einen hohlen rohrförmigen Schaufelschaft von stromlinienförmigem Querschnitt aufweist, dessen eines Ende an einem Schaufelfuß befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fußende sowohl der druckseitigen als auch der saugseitigen Fläche des Schaufelschaites (1) in an sich bekannter Weise zu einer Schleife (1 b) geformt und dicht um einen Draht (2) gelegt ist und in je einer von zwei quer zur Scliaufelachse und mit Abstand voneinander verlaufenden, hinterschnittenen Nuten des Schaufelfußes (3, 14) eng anliegt, wobei die Schleifen, Drähte und Nuten im Querschnitt keilförmig ausgebildet sind und die Keilscheitel nach der Schaufelspitze hin weisen.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten gerade und parallel zueinander sind (Fig. 2, 4, 6).

3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten im wesentlichen entsprechend der Bogenform der Flächen des Schaufelschaftes gebogen sind (Fig. 9, 12).

4. Schaufel nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß aus einem Block (3) besteht, in dessen Oberfläche die Nuten eingeschnitten sind {Fig. 1, 2).

5. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß aus einem Block (14) besteht, der um das Fußende des Schaufelschaites herumgegossen ist (Fig. 13).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 391 880, 634039, 097,881279;

britische Patentschrift Nr. 650424; schweizerische Patentschrift Nr. 284 187.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen