DE1223623B

DE1223623B - Laufrad fuer Heissgasturbinen

Info

Publication number: DE1223623B
Application number: DEP20523A
Authority: DE
Inventors: Robert Pouit
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1957-04-19
Filing date: 1958-04-17
Publication date: 1966-08-25
Also published as: CH370596A; FR75183E; GB878367A; US3055633A; FR1245518A

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für Heißgastur- Laufrad für Heißgasturbinen binen, bestehend aus zwei axial zusammengespannten Scheiben, in deren schwalbenschwanzförmigen Ringnut die Schaufeln so gehalten sind,daß sie beim Zusammenspannen der Scheiben radial nach innen wandern.
Diese Laufräder sind jedoch nicht frei von Nachteilr,n. Werden sie in Turbinen mit sehr hoher Wärmebelastung verwendet, in denen im Verlauf der Erwärmung des Laufrads und unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft Formänderungen auftreten, so ergeben sich erhebliche Materialspannungen auf dem Laufradumfang. Derartige Materialspannungen sind im Hinblick auf die dadurch ausgelösten Gefahren und Nachteile im Betrieb der Turbine unerwünscht.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Laufrad zu schaffen, bei dem derartige Materialspannungen nicht mehr auftreten, indem sich die die Beschaufelung aufnehmenden Scheibenteile selbsttätig den Änderungen ihrer Abmessungen infolge der Erwännung und der Zentrifugalkraft anpassen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß die Scheiben am Umfang radiale Schlitze aufweisen, deren Abstand der Schaufelführung entspricht. Dadurch wird erreicht, daß die Scheibenränder unter Ausnutzung der Schlitzweite sowohl bei ihrer Zusammenziehung als auch bei ihrer Dehnung nachgeben können, ohne daß dadurch in den Füßen der Schaufeln oder im Umfangsbereich der Laufradscheiben Materialspannungen auftreten. Ein solches Laufrad kann deshalb mit wesentlich höheren Temperaturen beaufschlagt werden, ohne daß hierdurch eine erhöhte Materialbeanspruchung in Kauf genommen werden müßte.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn in weiterer Ausbildung der Erfindung der Umfangsbereich der Scheiben seitlich nach außen vorstehend verdickt ist. Durch die beim Umlauf der Scheiben entstehende Zentrifugalkraft wird dann ein im verspannenden Sinn auf die Sockel wirkendes Biegemoment erzeugt. Bei geeigneter Bemessung der Verdickungen kann erreicht werden, daß die von den Ansätzen der Beschaufelung auf den Umfangsbereich der Scheiben unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft ausgeübten Momente etwa aufgehoben werden können. Dadurch ist es möglich, bei erwärmter Turbine die Verspannkraft der Schaufel so groß zu halten, wie sie im Ruhezustand bei kalter Turbine ist.
Besteht das Laufrad aus einem Werkstoff, dessen Festigkeit sich mit ansteigender Temperatur sehr schnell verschlechtert, was insbesondere bei Leichtmetall-Legierungen der Fall ist, so erweist es sich als zweckmäßig, gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung die radialen Schlitze in Spannringen zu bilden, welche an den Scheiben befestigt sind. Diese Spannringe können dann aus einem besonderen Werkstoff, beispielsweise aus Federstahl bestehen, der weniger temperaturempfindlich ist und daher die Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften im restlichen Teil des Laufrads ausgleicht.
In dem letztgenannten Fall der Verwendung von die radialen Schlitze aufnehmenden Spannringen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Schaufelfüße zusätzlich auf den Scheiben abzustützen. Das erfolgt erfindungsgemäß durch einen auf wenigstens eine der Scheiben nach ihrer Stoßstelle aufgekeilten Flansch. Vorzugsweise weist der Flansch Ansätze auf, die dazu dienen, die Schaufeln zu zentrieren und mitzunehmen. Diese Anordnung führt zu einer weiteren Verbesserung des elastischen Verhaltens des Laufrads und damit zur Verhinderung schädlicher Materialspannungen.
Die durch die Erfindung erzielbaren technischen Vorteile bestehen vor allem darin, daß durch die Ausschaltung schädlicher Materialspannungen am Umfang des Laufrads erheblich höhere Betriebstemperaturen beherrscht werden können, die ihrerseits zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads der Turbine führen. Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben; es zeigen die F i g. 1 und 2 Teilansichten eines Turbinenlaufrads gemäß einer ersten Ausführungsforin der Erfindung im Schnitt und F i g. 3 eine den F i g. 1 und 2 ähnliche Ansicht eines Laufrads gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Die in den Zeichnungen dargestellte Heiß * gastarbine weist ein aus zwei zusammeng gespannten Scheiben 1 a, 1 b gebildetes Laufrad auf. Auf dem Umfang des Laufrads sind Schaufeln 2 angeordnet, deren Füße 9 in einer im Querschnitt schwalbenschwanzförmigen Ringnut mit entsprechend gestalteten Vorsprüngen 4 a, 4 b eingesetzt sind. Der schwalbenschwanzförmige Querschnitt entsteht hierbei nach den F i g. 1 und 2 durch Ansätze 5 a und 5 b. Beim Verspannen der Scheiben durch ein Spannmittel, das beispielsweise in F i g. 1 mit Schrauben 6 und rohrförmigen Muttem 6 a verwirklicht ist, werden die Vorsprünge 4 a, 4 b und damit,die Schaufeln 2 radial nach innen verschoben. .
Der Laufradkörper 1 erhält eine gewisse Elastizität im Umfangssinn durch in den Scheiben 1 a und 1 b gemäß dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel auf ihrem Umfangsbereich angeordnete radiale Schlitze 36.
Gemäß dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die Ansätze 5 a und 5 b und die radialen Schlitze 36 nicht unmittelbar im Körper der Scheiben 1 a und 1 b, sondern auf Spannringen 37 a und 37 b, die an den Scheiben 1 a und 1 b durch Schrauben oder entsprechend wirkende Vorrichtungen, z. B. wie dargestellt, durch Schrauben 6 mit Muttern 6 a befestigt sind.
Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbei-#spiel. sind die Umfangsbereiche 38 a und 38 b der Scheiben seitlich nach außen vorstehend verdickt. Beim Umlauf eines solchen Laufrads wirkt auf diese Teile die Zentrifugalkraft ein, welche durch den Pfeil F wiedergegeben ist. Dadurch entsteht ein nach innen auf die Schaufelfäße zu gerichtetes Biegemoment, das das Biegemoment ausgleicht, welches infolge der Zentrifugalkraft von den Vorsprüngen 4 a, 4 b der Schaufeln seinerseits auf den Umfangsbereich. der Scheiben erzeugt wird. Demzufolge ist die Verspannung der Schaufeln bei warmer Turbine und umlaufendem Laufrad wenigstens genauso groß wie im Ruhezustand derTurbine, ohne daß durch dieseMaßnahme schädliche Materialspannungen in den Scheiben auftreten.
Eine entsprechende Maßnahme ist bei der Ausführungsform gemäß den F i g. 1 und 2 ebenfalls anwendbar, weil hierfür die Verwendung von Spannringen 37 a und 37 b, wie sie in F i g. 3 dargestellt sind, nicht erforderlich ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 werden die Schaufeln auf den Scheiben 1 a und 1 b mit ihren Füßen 9 zusätzlich durch einen auf wenigstens eine der Scheiben 1 a und 1 b nahe ihrer Stoßstelle.aufgekeilten Flansch 46 abgestützt. Dieser Flansch kann Ansätze 47 tragen, die dazu dienen, die Schaufeln zu zentrieren und mitzunehmen.
Wie ersichtlich, wird durchdie Erfindung ein Laufrad für Heißgasturbinen geschaffen, dessen Schaufeln immer elastisch, aber ohne Spiel auf die sie tragenden Teile mit einer Spannung aufgespannt sind, die entweder konstant ist oder mit der Umfangsgeschwindigkeit vergrößert wird, und zwar unabhängig davon, wie groß die unterschiedlichen Ausdehnungen in den verschiedenen Temperaturbereichen sind und stets so erfolgt, daß keine schädlichen Materialspannungen in den hochbelasteten Teilen des Turbinenlaufrads auftreten können.

Claims

Patentansprüche: 1. Laufrad für Heißgasturbinen, bestehend aus zwei axial zusammengespannten Scheiben, in deren schwalbenschwanzförmigen Ringnut die Schaufeln so gehalten sind, daß sie beim Zusammenspannen der Scheiben radial nach innen wandern, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (la, 1 b) am Umfang radiale Schlitze (36) aufweisen, deren Abstand der Schaufelteilung entspricht.
2. Laufrad für Heißgasturbinen nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsbereich (38a, 38b) der Scheiben seitlich nach außen vorstehend verdickt ist. 3. Laufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Schlitze (36) in Spannringen (37a, 37b) aus Federstahl gebildet sind, welche an den Scheiben (la, lb) aus Leichtmetall-Legierang befestigt sind. 4,. Laufrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelfüße (9) durch einen auf wenigstens eine der Scheiben (la, lb) nahe ihrer Stoßstelle aufgekeilten Flansch (46) zusätzlich abgestützt sind. 5. Laufrad nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (46) Ansätze (47) zur Zentrierung und Mitnahme der Schaufeln trägt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 967 778, 862 231, 843 042, 814 545, 735 184, 68 359; britische Patentschriften Nr. 770 249, 710 119.