DE1426780A1

DE1426780A1 - Turbinenlaeufer

Info

Publication number: DE1426780A1
Application number: DE19631426780
Authority: DE
Inventors: Adolf Frankel
Original assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Current assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Priority date: 1962-08-22
Filing date: 1963-08-21
Publication date: 1969-05-08
Also published as: GB987016A; US3209838A; CH404695A

Description

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.-^T-g. Wilhelm Reicljel

Fia Kfuri/Main-1 -1426780

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P 14 26 780. 2 28. Jan. 1969

3589 Associated Electrical Industries, Ltd., London, England

Turbinenläufer

Die Erfindung betrifft Turbinenläufer und deren Schaufelräder oder Schaufelscheiben und bezieht sich insbesondere -auf Halterungen und Verspannungen für die Schaufeln von Turbinenlaufrädern oder Läuferscheiben.

Eine große Dampfturbine besitzt zwei oder mehrere Gehäuse. In federn Gehäuse ist der Turbinenläufer mit auf dem Umfang verteilten Schaufelgruppen versehen. Jede Schaufelgruppe bildet eine Turbinenstufe. Es ist sehr wichtig, daß der zwischen den Schaufeln hindurchströmende Dampf an ..den Schaufelaußenkanten einer Turbinenstufe nicht entweicht. Um den Dampfstrom auf den Raum zwischen den Schaufeln zu begrenzen, ist normalerweise ein Umhüllungsring oder Abschlußring vorgesehen. Pur das Hochdruck- und Zwischendruckgehäuse einer Turbine werden im allgemeinen unterteilte, konisch zulaufende Ummantelungsringe verwendet. Jedes Ringsegment ist mit einer Gruppe von Schaufeln, z.B. sieben Schaufeln, verbunden. Zwischen den aneinanderstoßenden Ringsegmenten befindet sich ein Spalt, um ¥ärmeausdehnungen zu ermöglichen. Die Umhüllungsringsegmente dienen gleichzeitig zum Haltern und Verspannen der Schaufeln und vermeiden daher Schaufelschwingungen und die Gefahr eines Schaufelbruchs infolge dieser Schwingungen.

Insbesondere bei Turbinenstufen mit großen äußeren Schau-

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felraddurchmessern und daher hohen Umfangsgeschwindigkeiten, wie es stets in den letzten Stufen des Niederdruckgehäuses der Pail ist, besitzt die normale,, konisch zulaufende Ummantelung mehrere Nachteile. Durch die hohen Umfangsgeschwindigkeiten entstehen große Zentrifugalkräfte, die die herkömmlichen Nietverbindungen zwischen den Um- / hüllungsringsegmenten und den Außenkanten der Schaufeln außerordentlich stark beanspruchen. Außerdem entstehen in der Ummantelung infolge der Zentrifugalkraft in Verbindung mit anwachsenden Überbrückungsabständen zwischen den zu verbindenden Schaufeln sehr große Biegespannungen.

Eür die letzten Stufen-des Niederdruckgehäuses ist normalerweise ein kontinuierlicher, konisch zulaufender oder · zylindrischer Umhüllungsring oder ein .Deckband nicht geeignet, obwohl dadurch die Turbinenlaufräder sehr gut gegen Schaufelbrüche geschützt werden. Dies ist äa.r.äuf zurückzuführen, daß sich die Schaufeln und die Schaufel-, scheibe, auf der die Schaufeln befestigt sind, während des Betriebs infolge der Zentrifugalkraft in radialer-Richtung ausdehnen und verlängern, so daß der Abstand zwischen den Schaufelspitzen zunimmt. Da der Umhüllungsring die Abstandsänderungen zwischen den Schaufelspitzea nur unter Erzeugung außerordentlich hoher mechanischer Spannungen in der gesamten Anordnung aufnehmen kann, war es notwendig, den Umhüllungsring zu unterteilen, Jedes Segment des Umhüllungsringes hält den Abstand zwischen seinen Schaufelspitzen etwa konstant, so daß die äußersten Schaufeln einer Schaufelgruppe sich in Umfangsrichtung durchbiegen müssen." Die Durchbiegungen werden für die Schaufeln am Ende einer Schaufelgruppe fortschreitend größer. ■■'....-. .

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Ein Ziel der Erfindung ist ein verbesserter Turbinenliiufer mit Schaufelhalterungen, bei denen die oben erwähnten Nachteile zumindest vermindert sind. Ein Turbinenläufer mit mindestens einem Schaufelkranz, bei dem die Schaufel durch Verspannungs- und Halterungselemente verbunden sind, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Halterungsringsegment zwischen zwei benachbarten Schaufeln erstreckt und an den beiden Schaufeln befestigt ist, und daß sich ;jedes Halterungsringsegment in radialer Richtung über einen Umfangskreis hinaus nach außen wölbt, auf dem die Befestigungsstellen der Halterungsringsegmente mit den Schaufeln liegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Abbildungen beschrieben.

Pig. 1 zeigt einen Seitenquerschnitt durch ein Schaufelrad oder eine Schaufelscheibe, die auf dem läufer einer Dampfturbine befestigt ist.

Pig. 2 ist ein Schnitt senkrecht zur Achse des in Pig. 1 dargestellten Läuferrades und zeigt nur einen Teil des äußeren Randes des Läuferrades.

Pig. 3 zeigt einen senkrecht zur Strömungsrichtung des Dampfes verlaufenden Schnitt durch zwei Läuferscha.ufein einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Pig. 4 zeigt eine dritte AusxUhrungsform der Erfindung. Es ist wie in Pig. 2 ein ochnitt durch einen Teil des äußeren Randes eines Läuferrades dargestellt.

Pig. 5 ist eine Ansicht der in Pig. 3 gezeigten Ausführungs·

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form, wenn man von außen in radialer Richtung nach innen blickt. '

In Pig. 1 ist ein Schaufelrad oder eine Schaufelssheibe 5 dargestellt, von denen mehrere auf der Turbinenwelle befestigt sind. Das läuferrad 3 besteht aus einer Nabe 3 H und einem dünnen, scheibenförmigen !eil 3D,, dessen Außenrand nasDhinell bearbeitet ist, so daß er sich dem Fußprofil der Schaufeln 5 anpaßt. Wie Pig. 2 zeigt verstärkt sich an der Stelle 5A die Wand jeder Schaufelspitze, und an jeder axial verlaufenden Seite der Schaufelspitze erstreckt sich in axialer Richtung eine unterschnittene Auskehlung 5B. Zwischen zwei benachbarten . Schaufel-n ist jeweils ein ümmante lungs rings egme nt 7 angeordnet. Das Ringsegment 7 besitzt einen Hauptteil' 7A, der sich in radialer Richtung über einen Umfangskreis R hinaus nach außen wölbt. Auf dem Umfangskreis R liegen die Stellen, bei denen das Umhüllungsringsegment 7 mit den Schaufeln verbunden ist. An den Enden 7B der Ringsegmente 7 befindet sich ein Wulst,der der Auskehlung 5B in den Schaufelspitzen angepaßt ist, so daß die Enden der Ringsegmente 7 in die Auskehlungen 5B eingeschoben werden können. Damit ist'jede Schaufelspitze in"~ bezug auf die benachbarte Schaufelspitze auf dem umfang festgelegt.

Die Krümmung des Hauptteils 7A verläuft nach einer Kettenlinie. Die Form und Ausbildung eines Ummantelüngsringsegmentes versteht .man leichter, wenn man die verbesserte Wirkungsweise "«ines derartigen Ringsegmentes betrachtet. .

Die Zentrifugalkraft ruft bei Nenndrehzahl des Turbinen- ' läufers eine prozentuale Verlängerung des Abstandes '

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zwisohea den Schaufelspitzen hervor. Die prozentuale "Verlängerung kann man naoh "bekannten Verfahren aus der veranschlagten Spannungsverteilung in der (Ourbinenscheibe und den !urbinenschaufeln "berechnen. Da das Umhüllungsringsegment ebenfalls der Zentrifugalkraft ausgesetzt ist, greifen an jedem seiner Massenteilchen nach außen gerichtete Kräfte an. In irgendeinem beliebig ausgewählten Zwischenstück des Ringsegments treten daher infolge der Zentrifugalkraft Zugspannungen auf, die versuchen, das Zwischenstück zu verlängern. Die durch__die Zentrifugalkraft verursachte Gesamtverlängerung des Umhüllungsringsegments sollte im Idealfall· der Verlängerung des Abstandes ,zwischen den Schaiifelspitzen, dia durch die Einwirkung der Zentrifugalkraft auf die Schaufeln und QJurbinenscheibeh hervorgerufen wird, entsprechen, obwohl sich gemäß der Erfindung schon eine gute Annäherung vorteilhaft auswirkt. -

Im Hinblick auf die Krümmungsform des Ringsegments ist die Zugspannung f, die man in der Kettenlinie benötigt, um die prozentuale Verlängerung e zwischen den Schaufelspitzen an der Stelle zu erhalten, an der das Ringsegment mit der Schaufel befestigt ist, gegeben durch

f a E · β, - '

wobei E der Elastizitätsmodul des Umhüllungsmaterials ist. Die gesamte Zugkraft £ in der Kettenlinie ist gegeben durch

P » f · A,
wobei A die Querschnittfläche des gewölbten Teils 7A

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ist.. Die gesamte Zugkraft P muß eine radiale Komponente W/2 haben, wenn ¥ die gesamte auf die Umhüllung' einwir- ' kende;'Zentrifugalkraft ist. Diese Bedingung muß erfüllt werden, wenn i'n der Anordnung keine Biegespannungen auftreten sollen, wie es gewünscht ist. Hieraus folgt'daß

sin a = W/2 ' .. ' ' -

sein muß, wobei a der Winkel zwischen der■..Bogensehne und der !Dangente an die Kettenlinie bei der Befestigungs- · stelle ist. Der Verlauf dar Kettenlinie ist nach herkömmlichen mathematischen Verfahren durch den Winkel a ■ und dem bekannten Abstand !zwischen den Befestigungsstellen oder Verbindungsstellen gegeben.

Die auf das Ringsegment einwirkende Zentrifugalkraft, die an den Segmentenden gleich W/2 ist, muß auf die Schaufelspitzen übertragen werden. Pig. 2zeigt eine Befestigungsmöglichkeit, die diese Zugspannung von dem Ringsegment auf die Schaufeln.übertragen kann.

Wie bereits erwähnt, kann man von dem exakten theoretischen Verlauf der Kettenlinie des Ummantelungringsegmenta;. 7 etwas abweichen. Dadurch kann man den Entwurf und die Herstellung der Ringsegmente vereinfachen. Die theore- ■. tische Kettenlinie kann man z.B. duroh eine geeignet gewählte Parabel oder einen Kreisbogen ersetzen, ohne daß außerordentlich hohe. Biegespannungen auftreten·.

In vielen. Fällen ist es wünschenswert, eine Abstützung zwischen den Läuferschaukeln vorzusehen,' und zwar an einer Stelle, die zwischen dem Schaufelfuß und der Schaufel-

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spitze liegt. Man kann ein Sützband oder Halterungsband verwenden, dessen Segmente genau so geformt sind wie die oben beschriebenen Umhüllungsringsegmente.

l«'ig. 2 zeigt eines der Bandsegmente 27, die einen gekrümmten oder gewölbten Hauppteil -27 A und radiale Endteile 27 E besitzen, die zwischen dem Schaufelfuß und der Schaufelspitze mit Nieten 29 an den Schaufeln 5 befestigt sind. Die Krümmungsform des Hauptteils 27 A wird in der- oben beschriebenen Weise durch die Verlängerung des gegenseitigen Schaufelabstandes an den Stellen bestimmt, bei denen die Bandsegraente 27 mit den Schaufeln verbunden Bind. Die in 3?ig. 5 gezeigte Befestigungsart für die Bandsegmente 27 kann man auch benutzen, um die Umhüllungsringsegmente an den Schaufelspitzen zu befestigen.

Wie die Figuren 4 und 5' zeigen, besitzt jedes Ummantelungssegment und Bandsegment 37 einen gewölbten Teil 37 A und radiale Endteile 37 E, die.mit Meten 39, die sich durch die Schaufeln 5 hindurchstrecken, mit den benachbarten Bandsegmenten verbunden sind. Die Nieten 39 erstrecken eich senkrecht durch die Schaufeln, so daß sie die Zugkraft der Ummantelung zum Teil als Spannung_f zum Teil als Schub aufnehmen. Hauptsächlich werden die Meten jedoch auf Scherung beansprucht. Bei der in l?ig. 5 gezeigten Anordnung besteht der gesamte Ummantelungsring aus zwei Ringen A und B, die nebeneinander liegen. Ausführliche Spannungsuntersuchungen zeigen, daß Ummantelung mit rhomboidischer Form (wie es Pig. 5 zeigt) Schubspannungen ausgesetzt sind. Die Schubspannungen sind umso größer, je mehr der Rhombus von der rechteckigen Form abweicht und je breiter er ist. Die Neigung der kurzen Stirnseiten des Rhombus wird durch

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die Schaufelgeometrie'"bestimmt. Wie man leicht einsieht, werden die Schubspannungen vermindert, .wenn man die Ummantelung in zwei Ringe A und B aufteilt.

Wenn man es wünscht, kann man die Ummantelung In mehrere nebeneinanderliegende Ringe aufteilen* .

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Claims

Patent-Ansprüche

1. Turbinenläufer mit mindestens einem Schaufelkränz, bei dem Schaufeln durch Halterungsteile verbunden sind ,dadurch gekenn, zeichnet, daß mehrere Halterungsringsegmente (7, 27, 37) einen oder mehrere Halterungsringe bilden, daß sich jedes Halterungsringsegment zwischen zwei benachbarten Schaufeln (5) erstreckt und mit ihnen verbunden ist, und daß sich jedes Halterungsringsegment in radialer Richtung über einen Umfangskreis (R) hinaus nach außen wölbt oder krümmt, auf dem die Befestigungstellen der Ringsegmente mit den Schaufeln liegen.

2. Turbinenläufer nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Krümmungsform der Ringsegmente eine Kettenlinie ist.

3. Turbinenläufer nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsform der Ringsegmente ein Kreisbogen ist.

4. Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsform der Ringsegmente eine Parabel ist.

5. Turbinenläufer nach einem oder mehreren Ansprüchen 1-4, d^a durch gekennzeichnet, daß die beiden benachbarten Halterungsringsegmente (27, 37) an jeder Läuferschaufel (5) durch bolzenähnliche Bauteile (29, 39) miteinander verbunden

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sind, die sich zwischen den "beiden Ringsegmenten senkrecht durch die Schaufeln erstrecken und die Zugspannungen von dem einen Ringsegment auf das andere übertragen. ■ ·

6. Turbineηlaufer nach einem oder mehreren Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsringsegmente in radialer Blickrichtung rhombenförmig oder, im wesentlichen rhombenfö'rmig sind, und daß die Haltefungsringsegmente

in mehreren nebeneinanderliegenden konzeötrischen . Ringen (A,B).angeordnet sind.

7. Turbinenläufer nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 - 6, d a d u r c h g e k e η η ζ ei c h η e t, daß die Halterungsringsegmente (7s 37) die Läufer·» schaufeln (5) an den radialverlaufenden Schaufel- · spitzen miteinander verbinden. -

8». Turbinenläufer nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 -6, dad u r c hg e kβ η η ζe ί οh ηe t, daß die Halterungsringsegmente (27) die Schaufeln (5) in der Mitte zwischen den radlälverlaufenden Schau-- ■ feispitze» und den radialverlaufenden Sohaufelfüßen miteinander verbinden« ■ ^v-

9» Haiterungsringsegment für einen Turbinenlaufer nach einem oder mehreren Ansprüchen 1-8=,

10. Halterungsringsegment nach Ansprcu 9, dadurch g e k e η s e i ο h n~-e t, daß das Halterungsringsegment(7, 27, 57) derart gewöXbt ist_s daß bei siormaleiE Betrieb Biegesparmungen ia dem Kingsegment vermieden werden,

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11. lurMne mit einem EurMnenläufer nach einem oder mehreren Ansprüchen 1-8. ,

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