DE1551176A1

DE1551176A1 - Laufschaufel fuer Dampf- oder Gasturbine

Info

Publication number: DE1551176A1
Application number: DE19661551176
Authority: DE
Inventors: Flatt Dipl-Ing Friedrich
Original assignee: Escher Wyss GmbH
Current assignee: Sulzer Escher Wyss GmbH
Priority date: 1966-05-16
Filing date: 1966-07-26
Publication date: 1970-01-29
Also published as: CH448130A

Description

Laufschaufel für Dampf- oder Gasturbine.

Erhöhung der Leistungsabgabe einer Dampf- oder ßaeturbin:

durch Erhöhung der in der Zeiteinheit durchtretenden Arbsite-

mittelmen,ge bei gleichbleibendem Druck bedingt eine Vergrös-

serung des freien Durchtrittaquerschnittea für das Arbeite-

mittel. Besonders in den Endetufen sind dabei .grvsee Arbeite-

mlttelvolumina zu verarbeiten, so daae dort die Laufschaufeln

eine beträchtliche Länge erhalten. Schon heute werden bei

mit 3Q®0 U/Min. laufenden Dampfturbinen in den Endetufen

f

Laufschaufeln mit einer Länge von über 1000 mm vorgesehen.

Dabei beträgt die Länge der Schaufeln mindeatena ein Fünftel

des Aussendurchmessers des beschaufelten Rades.

Bei oc langen Laufschaufeln ergibt sich indessen der

Nachteil, dass infolge der grossen auf die chaufel° wirkauien

Fliehkräfte die Beanspruchung im Schaufalfuses in dessen

Nähe gehr ron2 wird. Man sah sich duW#r gzen, zehr

breite Schufel fUese r-izzuwendeigi. mid dis axiale .drei V,G 3'it.p.

Schaufelung nach aussen abnehmen zu lassen, was indessen den Wirkungsgrad der Turbinenstufe beeinträchtigt. Es ist auch die Massnahme bekannt, zwecks Herabsetzung der Fliehkräfte für die Laufschaufel einen Baustoff mit niedrigem spezifischen Gewicht zu verwenden, a .. B. Titan. Solche Baustoffe, insbeson- dere Titan, sind jedoch teuer.

Die Erfindung betrifft nun eine Laufschaufel verhäl.tniemässig grosser Länge für Dampf- oder Gasturbine und besteht darin, dass das Schaufelblatt mindestens zwei im wesentlichen in Richtung der Blattfläche aneinandergereihte Blatteile auf- weist, die voneinander verschiedenes spezifischen Gewicht haben.
Auf diese Weise ist -es möglich, die hliehkraftbeanspruchung des Schaufelfeisses wesentlich herabzusetzen ohne dann die ganze Schaufel aus teuerem spezifisch leichterem Werkstoff hergestellt sein raune.

Eine ganz besonders gute Wirkung längst sich mit der Erfindung dadurch erreichen, dass die Platteile geringeren spezifischen Gewichte in den radial zur Laufradaehse äusseren Partien des Schaufelblattes -:i.tid die Blatteile grösseren epezifiaehen Gewichts in den radial zur Laufradachse inneren Partien den Schaufelblattes raummässig vorherrschen.

Da näm i I.oh die auf die 14Iaeehe xz_Iae t bezogene Pliehiraf. -

bei einer bestimmten Umdrehungczahl :iss Varbinenlaufradee

proportional zum Abstand von der Drehachse ist, ergibt diese Massnahme den Vorteil, dass vor allem die für die Beanspruchung am Schaufelfuse besonders in Betracht fallenden Fliehkräfte der weit aussen liegenden Teile der Schaufel vermindert werden. Der teure leichte Baustoff wird somit an jenen Stellen verwendet, an denen sich mit seiner Verwendung eine besonders starke Verminderung der Fliehkraft erzielen lässt, während im innern Bereich der billigere Haustoff beibehalten wird. Während als Baustoff mit grösserem spezifischen Gewicht insbesondere Stahl bzw. eine Stahllegierung in Frage kommt, wird als Baustoff mit geringerem apezifischen Gewicht vorzugsweise Titan oder eine Titanlegier verwendet (beispielsweise eine Legierung von Titan mit 5,5 - 7o® % Aluminium, 3,5 - 4,5% Vanadium, max. 0,08 y6 Kohlenstoff, max. 0,45 % Eisen,-max. . 0,07 % Stickstoff, maz. 0,013 % Wasserstoff, max. 0,20 % Sauerstoff). Wegen seiner Widerstandsfähigkeit gegen Tropfenschlagerosion erweist sich die Verwendung dieses Baustoffes besonders günstig für Dampfturbinenstufen, die im Nassdampfgebiet arbeiten, bei welchen die Schaufeln, vor allem im äusseren Bereich, durch Tropfenschlag gefährdet sind. Für die Blatteile geringeren spezifischen Gewichts können aber auch andere Baustoffe mit geringerem spezifischen Gewicht als Stahl verwendet werden, wie z.H. Aluminium oder Magnesium und deren Legierungen.

In der Zeichnung an Hand welcher die Erfindung eher

erläutert wird, sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen-

standes vereinfacht dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer Dampfturbinenlaufechaufel, gesehen

in Umfangsrichtung des Laufrades.

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht einer weiteren Laufschaufel, gesehen in

Umfangsrichtung des Laufrades,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 3,

Fig. 6 - 10 Ausführungsbeispiele der Verbindung zwischen

zwei Blatteilen einer Laufschaufel,

Fig. 11 eine Ansicht einer weiteren Laufschaufel, gesehen in

Umfangsrichtung des Laufrades, ,

Fig. 12 einen Schnitt nach der Linie XII-III in Fig. 11,

Fig. 13 und 14 Ansichten anderer Laufschaufeln,

Fig. 15 einen Schnitt nach der Linie XV-XV in Tig. 14,

Fig. 16 Ansicht eines weiteren Aueführungsbeiepiel®, wieder

gesehen in Umfangsrichtung des Laufrades,

Fig. 17 einen Schnitt nach der Linie XVII-XVII in Fig. 16,

Fig. 18 Ansicht einer weiteren Hufschaufel, gesehen in

Umfangsrichtung den Laufrades und

Fig. 19 einen Schnitt nach der Linie XIX-ZIä in 1i&. 18.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Laufschaufel besitzt ein

Schaufelblatt 1 und einen nur teilweise gezeigten Schaufelfuee 2. Das Schaufelblatt 1 weist zwei im wesentlichen in Richtung der Blattfläche aneinandergereihte Blatteile 3 und 4 auf, die voneinander verschiedenes spezifisches Gewicht haben. Das radial zur haufradachse äussere Blatteil 4 ist aus einem Werkstoff geringeren spezifischen Gewichts als das radial zur haufradachse innere Blatteil 3, d.h. das Blatteil 4 ist aus einer Titanlegierung hergestellt, während das Blatteil 3 und auch der Schaufelfuss 2 aus einer Stahllegierung besteht. Die beiden Blatteile 3 und 4 sind durch Hartlöten miteinander ver- bunden, Verbindungsflächen 5 bzw. 6 der anoinandergereihten Blatteile 3 und 4 verlaufen geneigt zur Mattfläche, damit eine möglichst grosse Fläche für die Hartlötung entsteht. Ausserdem sind an der Verbindungsstelle die äusseren Enden 7 und 8 der Blatteile 3 und 4 etwas verstärkt, d.h. sie stehen etwas über das Strömungsprofil der Schaufel vor. .

Bei der in Pig: 3 bis 5 dargestellten Laufschaufel be- steht das Schaufelblatt 1 wieder aus einem radial äueeeren Blatteil 4 und einem radial inneren Blatteil 3. Die Verbinduner. flachen 5 und 6 verlaufen senkrecht zur Schaufellängsrichtung und sind durch einen Schweisavorgang miteinander verbunden.
Im Bereich der Schweissverbindung :ist das Profil des Schaufelblatten ge Genüber dem Strömungsprofil der Schaufel wieder e twaa verdickt, d.h. mit umlaufenden Wulsten 9, 10 versehen, damit sich eine grössere Verbindungsfläche ergibt.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Verbindung (Hartlötung oder Schweissverbindung) verläuft die Verbindungslinie 11 der an- . einandergereihten Blatteile 3 und 4 wellenförmig länge der Blattfläche hin und her. Teile der Verbindungslinie 11 haben dabei eine im wesentlichen in Längsrichtung der Schaufel ver- laufende Richtung, d.h. eine in Längsrichtung der Schaufel verlaufende Richtungskomponente.
Bei der in Fig. ?und 8 dargestellten mechanischen Ver- bindung der Blatteile 3 und 4 greifen riegel- und hammerartige Elemente 121 und 122 des Blatteils 3 in entsprechende Ausspa- rungen des Blatteils 4 ein, wobei die durch die Verbindungs- linie 11 bestimmten Verbindungsflächen 5 und 6 in tbafangerichtung des Laufrades verlaufen.
Bei der in Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsform haben die Verbindungspartien 13 und 14 der Blatteile 3 und 4 wieder einen Querschnitt der grösser als das Profil den Schaufelblattes ist. Dabei sind die Verbigdungspartien 13, 14 zweier in Umfangrichtung des Laufrades benachbarter Schaufeln soweit vergrössert, dass sie einander berühren und als Dämpfungselemente gegen Schaufelschwingungen dienen können. Die Blatteile 3 und 4 sind dabei mechanisch mittels einer ichwalbeti;3c;hwanzverbindung miteinander verbunden, deren Schwalbenschwänze 15 und Nuten 16 in Umfangsrichtung des Laufrades und über die ganze Länge der Verbindungselemente 13 bzw. 14 verlaufen. Statt durch die gezeigten Schwalbenschwänze und Nuten 15, 16 könnten die Verbindungselemente 13 und 14 gewünschtenfalls auch durch in Achsrichtung des Laufrades oder in Richtung des Strömungsprofils der Laufschaufel verlaufende Schwalbenschwänze und Nuten miteinander verbunden sein.
Bei der Laufschaufel nach Fig. 11 und 12 reicht das mit dem Schaufelfuss 2 aus einem Stück bestehende Blatteil 3 über die ganze Längsrichtung der Schaufel. Es ist indessen an seinem radial zum Laufrad äusseren Ende stark verjüngt und trägt in Strömungsrichtung zu- und abetrömseitig Blatteile 41 und 42, die aus Material geringeren spezifischen Gewichte als das Blatteil 3 bestehen. Die Blatteile 4'', 3, 42 bilden im radial äusseren Teil des Schaufelblattes miteinander das Schaufelprofil, wie besonders aus Fig. 12 ersichtlich ist.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 13 reicht das radial innere Blatteil 3 nicht bis ans äussere Schaufelende, sondern die Blatteile 41 und 42 vereinigen sich dort in der radial äusseren Blattpartie 43. wie die Verbindungslinie 111 und 112 nach Fig. 11, verläuft auch die Verbindungslinie 11 der Schaufel nach Fig:.13 mit stark in Längsrichtung der Schaufel verlaufender Komponente, wodurch eine sehr langgezogene und damit grosse Fläche für die Lüt- mder Schweissverbindung entsteht. Besonders grosse Verbindungsflächen der-Blatteile 3 und 41 bzw. 42 weist die in Fig. 14 und 15 dargestellte Lauf-Schaufel auf. Sowohl der Blatteil 3 als auch der Blatteil 41 und 42 erstrecken sich über die ganze Längsrichtung der Schaufel. Um die Beanspruchung der Schaufel, insbesondere des Schaufelfusses durch die Fliehkräfte möglichst klein zu halten, herrschen die Blatteile 41, 42 geringeren spezifischen Gewichts in den radial zur Laufradachse äusseren Partien des Schaufelblattes, der Blatteil 3 gröeseren spezifischen Gewichts aber in den radial zur Laufradachse inneren Partien des Schaufelblattes.raummässig vor.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 16 und 17 ist der radial innere Blatteil 3 mit einer Feder,17 versehen, die sich in Längsrichtung der Schaufel erstreckt und in eine Nut 18 des Blatteils 4 passend eingreift. Damit ergibt sich eine sehr grosse Verbindungsfläche für die Hartlötung.

Die in Fig.'18 und 19 dargestellte Schaufel hat ein aus zwei in Richtung der Blattfläche aneinandergereihten Blatteilen 3 und 4 bestehendes Schaufelblatt. Beide Blatteile erstrecken sich über die gesamte Längsrichtung der Schaufel und sind längs einer geradlinig die ganze Länge des Schaufelblattes durchlaufenden Verbindungslinie 11 miteinander verbunden. Der Schaufelfuss 2 und der Blatteil 3 bestehen aus einem Werkstoff grösseren spezifischen Gewichts, nämlich Stahl,

. während vier Blatteil 4 aus einem Werkstoff leichteren epezifi-

schen Gewichts, nämlich Titan oder einer Titanlegierung her-

_ gestellt ist.

Als mechanische Verbindungen zwischen den in Richtung

der Blattfläche aneinandergereihten Blatteilen sind in den

Aueführungebeispelen eine Schwalbenschwanzverbindung (Fig. 9

und 10) und eine Riegel- und Nammerkopfverbindung (Fig. ? und

$) gezeigt. Die Blatteile können aber auch durch eine Niet-

verbindung .miteinander verbunden werden die beispielsweise

anstelle der Lötverbindung die. in Fig. -1 und 2 oder die in .

gig. 16 gezeigten Blatteile 3 und 4 verbinden könnte.

Bei besonders langen Schaufeln kann es vorteilhaft sein,

drei- oder mehrererlei Blatteile-voneinander verschiedenen

spezifischen Gewichte au verwenden. Diese Blatteile werden

vorteilhafterweiee so aneinandergereihtt daea die radial zur

haufradachee zu äusserst liegenden Blattpartien das geringste

spezifische Gewicht und-die radial weiter innen liegenden

Blattpartien von Teil. zu Teil fortschreitend grdeaeree spezi-

fisches Gericht aufhreieen.

Claims

F a t e n t a n s p r ü c h e 1.) Laufschaufel verhältnismässig grosser länge, für Dampf-oder Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (1) mindestens-zwei im wesentlichen in Richtung der Blattfläche aneinandergereihte Blatteile (3. 4, 41, 42@ aufweist, die voneinander verschiedenes spezifisches Genwicht haben. 2. Laufschaufel nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die aneinandergereihten Blatteile (3, 4. 41. 42) aus metallischem Werkstoff bestehen. 3. Laufschaufel nach Anspruch lt dadurch gekennzeichnet, dann die Blatteile (4, 41. 42) geringeren spezifischen Gewichts in den radial. zur Lsufradschse äusseren Partien den Sefelblattee, und die Blatteile (3) grösseren spezifischen Gewichts in den radial zur 1sufradschee inneren Partien des Schaufelblattes (l) raussässig vorherrschen. 4. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch &skennssichnet, des* das Schaufelblatt (1) ein radial zur h-- tcbes rew Blatteil (4) geringeren spezifischen Gewichts uM ein radier. zur Laufre i=*ras Matten (3) grö»avvn spezifischen Gewichts aufweist.

Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch ge@retseißh4. iss , die Blatteile (,3,e 4, 41, 4 dUrch tau oder Scb»4*« h miteinander verbunden sind.

6. Kaufschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blatteile (3; 4, 41, 42) durch Elektronenstrahlßchx,gesung miteinander verbunden sind. 7.--Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflüchen der_aneinandergereihten Blatteile (3;_441, 42) geneigt zur Blattfläche verlaufen. B. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung zumindest eines Teils .der Verbindungslinie .der aneinandergereihten Blatteile (3, 4, 41, 42) eine in* '. Längsrichtung der Schaufel verlaufende Komponente aufweist. 9. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blatteile (3, 4, 41, 42) durch eine mechanische Verbindung nach Art einer Schwalbenschwanzverbindung, Nietverbindung oder dergleichen miteinander verbunden sind. 10. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungspartie der Blatteile (3, 4) miteinander einen Querschnitt, hat, der grösser als der Querschnitt des Schaufelprofils ist. 11. Laufschaufel-.nach-Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,, dass die Verbindungspartien-(13, 14) zweier benachbarten Schaufelneinander berühren und als Dämpfungselemente gegen Schaufelschwingungen ausgebildet sind. 12..haufsehaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blatteil (3) grösseren spezifischen Gewichts aus Stahl oder einer Stahllegierung, der Blatteil (4, 41, 42) geringeren spezifischen Gewichts aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellt ist. 13. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blatteil (3) grösseren spezifischen-Gewichts mit dem Schaufelfuss (2) aus einem Stück besteht. 14. Kaufschaufel nach Anapruchl, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Schaufelprofils gemessen in Achsrichtung des Laufrads im radial zur haufradachse äusseren Teil des Schaufelblattes (1) grösser ist als im radial inneren Teil des Schaufelblattes.