DE1103939B

DE1103939B - Device for limiting the maximum speed of a turbine runner

Info

Publication number: DE1103939B
Application number: DEG27065A
Authority: DE
Inventors: Ely George Allen; Granville Elbridge Carleton
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1959-05-14
Filing date: 1959-05-15
Publication date: 1961-04-06

Description

Einrichtung zur Begrenzung der Höchstdrehzahl eines Turbinenläufers Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Begrenzung .der Höchstdrehzahl eines Turbinenläufers durch Anbringen von Sollbruchstellen in der Beschaufelung, die bei Überschreiten einer bestimmten Grenzdrehzahl unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nachgeben.Device for limiting the maximum speed of a turbine runner The invention relates to a device for limiting the maximum speed a turbine rotor by attaching predetermined breaking points in the blading, when a certain limit speed is exceeded under the effect of centrifugal force give in.

Es ist eine Einrichtung dieser Art bekannt, bei der jede Schaufel an -der Läuferscheibe mittels eines Scherstiftes befestigt ist, der so bemessen ist, daß er bei der Grenzdrehzahl abgeschert wird, worantf die ganze Schaufel abgesch@leudert wird. Damit wird beim Versagen der üblichen Drehzahlbegrenzungs-und Sicherheitseinrichtungen eine völlfige Zerstörung der Turbine older der angeschlossenen Arbeitsmaschine verhindert. Ales Nachteil ,dieser bekannten Einrichtung ist die Tatsache anzusehen, d.aß die Schaufelkonstruktion maßgeblich durch das Vorhandensein dies Scherstiftes bedingt ist. Es ist daher nicht möglich, auf die für den jeweiligen Zweck günstigste Art der Schaufelbefestigung zurückzugreifen, beispielsweise die Schaufeln an der Läuferscheibe anzuschweißen. oder die Schaufeln mit schwalbenschiwanzförmigen Füßen zu versehen, die in eine Nut am Umfang der Läuferscheibe eingeschoben werden. Die Schaufelbefestigung mittels Scherstiften ist einerseits verhältnismäßig teuer und andererseits für den normalen Turbinernbetrieh nicht die günstigste Lösung.A device of this type is known in which each shovel is attached to the carrier by means of a shear pin, which is so dimensioned is that it is sheared off at the limit speed, causing the whole blade to shear off will. In this way, if the usual speed limitation and safety devices fail a complete destruction of the turbine older of the connected working machine is prevented. Ales disadvantage of this known device is the fact that the Blade construction largely due to the presence of this shear pin is. It is therefore not possible in the most favorable way for the respective purpose to use the blade attachment, for example the blades on the rotor to be welded on. or to equip the blades with dovetail-shaped feet, which are inserted into a groove on the circumference of the carrier disc. The shovel attachment by means of shear pins is on the one hand relatively expensive and on the other hand for the normal turbine operation is not the cheapest solution.

Demgegenüber ist das Ziel eine Einrichtung der eingangs angegebenen Art, bei der das Anbringen der So-ll.bruchstell:e die Schaufelbefestigung nicht beeinflußt, so daß die für den jeweils vorliegenden Anwendungsfall günstigste Art der Schaufelbefestigung angewendet werden kann.In contrast, the goal is a facility of the type specified above Type in which the attachment of the base does not break the blade attachment influenced, so that the most favorable type for the respective application the blade attachment can be used.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, claß die Sollbruchstelle in dem beaufschlagten Schaufelteil derart angebracht ist, daß nach dem Abbre-chen der radial außerhalb der Sollbruchstelle liegenden Schaufelabschnitte die verbleibenden Schaufelstummel zur Beschleunigung der Turbine nicht ausreichen.According to the invention this is achieved in that the predetermined breaking point class in the applied blade portion is mounted in such a way that after the Abbre- of the blade sections lying radially outside the predetermined breaking point chen the remaining blade stub to accelerate the turbine is not sufficient.

Da bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die Sollbruchstelle iim beaufschlagten Schaufelteil liegt, kann die Verbindung zwischen Schaufelfuß und Läuferscheibe in jeder beliebigen Weise erfolgen, wobei die besonderen Eigenschaften der gewählten Befestigungsart im normalen Betrieb voll erhalten bleiben. Bei Erreichen der Grenzdrehzahl können die abgeschleuderten Massen auf den Mindestwert beschränkt bleiben, da nur die zur Beschleunigung erforderlichen Schaufelteile abbrechen, während der Rest der Schaufeln mit der Läuferscheibe verbunden bleibt. Die erfinidungsgemäße Lösung bringt keine Erhöhung des Turbinengewichts mit sich, und sie kann ohne Schwierigkeit bei vorhandenen Turbinen angewendet werden.Since in the device according to the invention the predetermined breaking point iim acted upon Blade part, the connection between blade root and rotor disk can be in done in any way, taking into account the particular characteristics of the chosen Fastening type are fully retained in normal operation. When the limit speed is reached the ejected masses can remain limited to the minimum value, since only break off the blade parts necessary for acceleration, while the rest of the blades remains connected to the carrier disc. The solution according to the invention does not involve increasing the weight of the turbine, and it can be done without difficulty can be used with existing turbines.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Sollbruchstelle durch eine quer durch die Schaufel verlaufende Bohrung gebildet.According to a preferred embodiment of the invention, the predetermined breaking point is formed by a bore running transversely through the blade.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Läufer von einem ringförmigen Ablenkglied umgeben ist, das die abgebrochenen Schaufelteile nach innen ablenkt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß nach dem Abbrechen einer Schaufel der abgeschleuderte Schaufelteil auf weitere Schaufeln trifft, die dadurch ihrerseits abbrechen, so daß in kürzester Zeit sämtliche Schaufeln abgeschleudert sind, selbst wenn die Sollbruchstellen nicht genau gleich bemessen sind.A preferred development of the invention is that the Runner is surrounded by an annular deflector, which the broken blade parts distracts inward. By this measure it is achieved that after canceling a Shovel the thrown-off part of the shovel hits other blades, which thereby in turn break off, so that all the blades are thrown off in a very short time even if the predetermined breaking points are not dimensioned exactly the same.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Darin zeigt Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Luftturbine, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Läuferumfangs bei der Turbine nach Fig. 1 und Fig. 3 einen Schnitt durch die Schaufeln des Turbinenläufers nach Fig. 2 auf der Höhe der Sollbruchstelle. Fi-. 1 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einer Luftturbine, wie sie zum Antrieb von Strom-oder Notstromaggregaten in Flugzeugen verwendet wird. Als Antriebsmittel dient Preßluft, die durch eine Zuleitung 10 beispielsweise von dem Verdichter eines Strahltriebwerkes geliefert wird. Die Zuleitung 10 ist an einen konisch geformten Einlaßabschnitt 11 angeschlossen, in dem eine Anzahl Leitschaufeln 12 angeordnet ist. Diese richten den Luftstrom auf die Laufschaufeln 13, die an einem Turbinenläufer 14 montiert sind. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Turbinenläufer 14 aus einem Stück mit Gier Welle 15 gebildet. die in Lagern 16 und 17 drehbar gelagert ist. jede Schaufel 13 besteht aus einem beaufschlagten Profilabschnitt 26 und einem Schaufelfuß 27. Die Schaufelfüße 27 sind in herkömmlicher Weise in den Turbinenläufer 14 eingefügt oder .daran zangescllweißt. Am Ende der Welle 15 ist mittels einer Mutter 19 ein Zahnrad 18 befestigt, das mit der «nzutreibenden Maschine, z. B. einem elektrischen Generator, verbunden ist. Die Turbinenabluft wird durch einen Auslaßtei120 in einen Abgaskanal geleitet, der an einem Flansch 21 befestigt ist.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing. 1 shows a schematic sectional view of an air turbine, FIG. 2 shows a perspective view of part of the rotor circumference in the turbine according to FIG. 1, and FIG. 3 shows a section through the blades of the turbine rotor according to FIG. 2 at the level of the predetermined breaking point. Fi-. 1 shows the application of the invention to an air turbine such as is used to drive power or emergency power units in aircraft. Compressed air, which is supplied through a feed line 10, for example from the compressor of a jet engine, is used as the drive means. The feed line 10 is connected to a conically shaped inlet section 11 in which a number of guide vanes 12 are arranged. These direct the air flow onto the rotor blades 13, which are mounted on a turbine runner 14. In the embodiment shown, the turbine runner 14 is formed from one piece with a yaw shaft 15. which is rotatably mounted in bearings 16 and 17. Each blade 13 consists of an acted profile section 26 and a blade root 27. The blade roots 27 are conventionally inserted into the turbine rotor 14 or welded onto it. At the end of the shaft 15 a gear 18 is fastened by means of a nut 19, which is connected to the machine to be driven, e.g. B. an electric generator connected. The turbine exhaust air is directed through an outlet part 120 into an exhaust duct which is attached to a flange 21.

Unter normalen Betriebsbedingungen erfolgt die Regelung der Drehzahl des Turbinenläufers durch Regelung der Luftzufuhr zur Turbine mittels einer Klappe 22, die in Lagern 23 und 24 in der Zuleitung 10 gelagert ist. Die Stellung der Klappe 22 wird über einen Betätigungsarm 25 von der Drehzahlregeleinrichtung verändert. Unter normalen Betriebsbec;ingungen wird also die Drehzahl des Turbinenläufers 14 dadurch auf einem vorher gewählten Wert -ehalten. daß die Luftzufuhr zur Turbine durch die Klappe 22 geregelt wird. Ferner kann in üblicher Tt"eise eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen sein, die bei Überschreiten einer bestimmten Sicherheitsdrehz_alil die Turbine durch Schließen der Klappe 22 abschaltet.The speed is regulated under normal operating conditions of the turbine rotor by regulating the air supply to the turbine by means of a flap 22, which is stored in bearings 23 and 24 in the supply line 10. The position of the flap 22 is changed by the speed control device via an actuating arm 25. Under normal operating conditions, the speed of the turbine rotor is 14 thereby keep at a previously selected value. that the air supply to the turbine is regulated by the flap 22. Furthermore, in the usual way, a safety device be provided that when a certain Sicherheitsdrehz_alil is exceeded The turbine is switched off by closing the flap 22.

Bei der dargestellten Turbine ist eine zusätzliche Einrichtung vorgesehen, die bei Versagen der üblichen Drehzahlregel- und Sicherheitseinrichtungen eine Zerstörung der Turbine oder der angetriebenen Arbeitstna;chine infolge Drehzahlüberhöhung mit Sicherheit verhindert. Zu diesem Zweck ist in dem Ieaufschlagten Profilabschnitt 26 jeder Schaufel 13in cler Nähe des Schaufelfußes eine Öffnung, z. B. eine Bohrung 28, vorgesehen, die sich im wesentlichen <;uer zur Ebene der Läuferscheibe durch en Profilteil der Schaufel erstreckt. Wie aus Fig.3 ersichtlich, wird durch das Vorhandensein der Löcher 28 die Ouerschnittsfläche des Profils an dieser Stelle vermindert, und der geringste Querschnitt liegt in der Ebene der Mittellinie der Bohrung. Die verbleibende Ouer-chnittsfläche des Profils ist so bemessen, daß bei jeder Drehzahl die an dieser Stelle auftretende Spannung größer ist als die in irgendeinem anderen möglicherweise gefährdeten Abschnitt der Schaufelkonstruktion und daß bei der gewählten Grenzdre@hzahl eine Dehnungsbruch des Materials an diesem Querschnitt auftritt. Die diesem Spannungsbruch entsprechende Drehzahl ist vorzugsweise so gewählt, dal sie wesentlich höher liegt als die Sicherheitsdrehzahl, für die das herkömmliche Sicherheitssystem konstruiert ist. Die Achsen der Bohrungen 28 sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie die radiialen Mittellinien der Profilteile schneiden, wobei als radiale 'Mittellinie die radiale Gerade zu verstehen ist, die durch den 'lassemnittelpunktdes Profils verläuft, so daß beiderseits der radialen Mittellinie des Profils etwa gleiche 'Materialmengen vorhanden sind. Diese Maßnahme vermindert die Auswirkungen der Materialbeseitigung auf die Schau:felbelastungsmome nte und die Schwingungseigenschaften bzw. die kritische Drehzahl.An additional device is provided for the turbine shown, destruction if the usual speed control and safety devices fail the turbine or the driven Arbeitsstna; chine due to excessive speed with Security prevented. For this purpose it is in the impacted profile section 26 of each blade 13 in the vicinity of the blade root an opening, e.g. B. a hole 28, provided, which extends essentially through to the plane of the carrier en profile part of the blade extends. As can be seen from Figure 3, the Presence of the holes 28 the cross-sectional area of the profile at this point diminished, and the smallest cross-section lies in the plane of the center line of the Drilling. The remaining cross-sectional area of the profile is dimensioned so that at at any speed the voltage occurring at this point is greater than that at any one another possibly endangered section of the blade structure and that at the selected limit speed, a strain break of the material at this cross-section occurs. The speed corresponding to this voltage break is preferably selected so that because it is much higher than the safety speed for which the conventional one Security system is constructed. The axes of the bores 28 are preferably arranged so that they intersect the radial center lines of the profile parts, wherein the radial straight line that passes through the center point of the Profile runs so that both sides of the radial center line of the profile are approximately the same 'Material quantities are available. This measure reduces the effects of material disposal on the display: rock load moments and the vibration properties or the critical one Rotational speed.

Im Falle eines Versagens des normalen Drehzahlregelsystems und der üblichen Sicherheitseinrichtung, also eines Umstandes, der sonst zu einer gefährlichen Drebzahlü@b:erhöhung der Turbine führen würde. tritt bei der beschriebenen Turbine bei Erreichen einer festgelegten Grenzdrehzahl ein Bruch der Schaufel an der Stelle des kleinsten Querschnitts ein, so,daß der radial außerhalb dieser Stelle liegende Abschnitt der Schaufel abgeschleudert wird. Die Stelle des kritischen Querschnitts an dem Profilabschnitt 26 ist so gewählt, daß die nachdem Bruch an dem Läufer verbleibenden Schaufelteile so klein sind, daß sie kein beschleunigendes Drehmoment mehr ausüben können. Außerdem ist die Sollbruchstelle vorzugsweise so angeordnet, daß die Masse der abgeschleuderten Schaufelbruchstücke gerade den zur Erfüllung der vorstehenden Forderung nötigen Mindestw ert hat.In the event of failure of the normal speed control system and the usual safety device, i.e. a circumstance that would otherwise be dangerous Drebzahlü @ b: increase of the turbine would lead. occurs with the turbine described when a specified limit speed is reached, the blade breaks at the point of the smallest cross-section, so that the one lying radially outside this point Section of the shovel is thrown off. The location of the critical cross section on the profile section 26 is chosen so that the remaining after the break on the runner Blade parts are so small that they no longer exert accelerating torque can. In addition, the predetermined breaking point is preferably arranged so that the mass of the thrown-off blade fragments are precisely those required to fulfill the above Requirement has the necessary minimum value.

Innerhalb des Turbinengehäuses sind Einrichtungen zum Aufnehmen der bei der Bruchdrehzahl vom Läufer abgeschleuderten Schaufelbruchstücke vorgesehen. Hierzu ist rings um den Turbinenläufer ein Auffangring 29 angeordnet, dessen seitliche Breite etwas größer ist als die der Schaufeln 13. Dieser Auffangring 29 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Turbinengehäuse aus einem Stück hergestellt. Das Material und die Form des Halterings 29 sind so gewählt, daß dieser ohne weiteres die abgeschleuderten Schaufelbruchstücke auffängt und nach innen ablenkt. Dabei tritt die zusätzliche Wirkung ein, daß die noch nicht abgebrochenen Schaufeln auf die Bruchstücke schlagen und ihrerseits abgeschleudert werden.Inside the turbine housing are facilities for receiving the Blade fragments thrown off by the rotor at the breaking speed are provided. For this purpose, a collecting ring 29 is arranged around the turbine rotor, the lateral Width is slightly larger than that of the blades 13. This collecting ring 29 is at the illustrated embodiment made with the turbine housing in one piece. The material and the shape of the retaining ring 29 are chosen so that this easily catches the thrown-off blade fragments and deflects them inward. Included there is the additional effect that the blades that have not yet broken off occur hit the fragments and in turn are thrown off.

Der Auffangring 29 kann verhältnismäßig leicht ausgeführt sein, da die Masse der abgeschleuderten Bruchstücke so gering wie möglich gehalten ist. Es hat sich ferner gezeigt, daß die schräg verlaufenden und die radialen Profilmittellinien schneidenden Bohrungen die Schwingungseigenschaften und die Bie;gefes.tigkeit der Schaufeln nicht beeinträchtigen, so daß die grundlegenden konstruktiven Eigenschaften des Läufers, z. B. im Hinblick auf den Widerstand gegen Ermüden, im wesentlichen unbeeinträchtigt bleiben. Es wurde festgestellt, daß die Schwächung des Ouersch@nitts durch eine Bohrung eine größere Steifigkeit der Schaufeln gewährleistet, als dies beispielsweise mit herben der Fa1.1 wäre.The collecting ring 29 can be made relatively easy because the mass of the fragments thrown off is kept as low as possible. It has also been shown that the inclined and the radial profile center lines cutting bores determine the vibration properties and the flexural strength of the Shovels do not affect, so the basic design characteristics of the runner, e.g. In terms of resistance to fatigue, essentially remain unaffected. It was found that the weakening of the Ouersch @ nitts ensures a greater rigidity of the blades than this by a bore for example with bitter the Fa1.1 would be.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Device for limiting the maximum speed a turbine rotor by attaching predetermined breaking points in the blading, when a certain limit speed is exceeded under the effect of centrifugal force yield, characterized in that the predetermined breaking point in the acted upon Blade part is attached such that after breaking off the radially outside the blade sections lying at the predetermined breaking point, the remaining blade stubs not sufficient to accelerate the turbine.

2. Device according to claim 1, characterized in that the predetermined breaking point by a cross through the blade extending bore is formed.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the runner is formed by an annular deflecting member is surrounded, which deflects the broken blade parts inward. Into consideration Printed publications: "SAE-Journal" (Journal of the American Society of Automotive Engineers), 1957, June issue, page 68.