DE2242448A1

DE2242448A1 - Laufrad fuer stroemungsmaschine

Info

Publication number: DE2242448A1
Application number: DE2242448A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Techn Hagen
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1972-08-29
Filing date: 1972-08-29
Publication date: 1974-03-07
Also published as: US3922109A; GB1438983A; FR2198530A5

Description

toe/br

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION

MÜNCHEN GMBH ' 22 L? L Lb

München, den 22. August I972

Laufrad . für Str-ömungs. maschine

Die Erfindung bezieht sich'auf ein- Laufrad für Strömungsmaschinen, bestehend aus einem aus zäh elastischem Werkstoff hergestellten
Radkörper und in Profilnuten dieses Radkörpers eingebrachten, aus hochwarmfestern Werkstoff gefertigten Laufschaufeln. Um Laufräder für Kleingasturbinen herzustellen, kennt man heute im wesentlichen zwei Hauptherstellungsverfahren: Gießen im Stück und Bauen aus
Einzelteilen.

Das Gießen im Stück hat den Vorteil, dass das Herstellungsverfahren billig istj allerdings werden Turbinenräder aus Schaufelwerkstoff gegossen, d.h. hochwarmfestern Werkstoff, der aber ziemlich spröde ist und keine Dehnbarkeit besitzt. Gerade bei den häufig wechselnden Temperaturverhältnissen, wie sie in einer Kraftfahrzeuggasturbine vorliegen, treten in der Zone des Schaufelfußes unterschiedliche, hohe Spannungen auf, die von der unterschiedlichen Temperatur
zwischen Schaufelradmitte und Schaufelradkranzzone herrühren. Bei längerem Betrieb entstehen daher zwischen den Schaufeln Haarrisse, , die weniger zum Abreißen einer einzelnen Schaufel, als vielmehr

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zum Zerreißen, bzw. Platzen der gesamten Turbinenscheibe führen. Während· bei Abreißen einer einzelnen Schaufel im Betrieb in der Regel keine Splitter die Turbinenwandungen durchschlagen, erhalten größere Stücke der Scheibe aufgrund ihres hohen Gewichtes eine wesentlich höhere kinetische Energie, so daß eine zerplatzende Scheibe zur unmittelbaren Gefährdung der Umgebung der Turbine führt. Man hat sich bisher damit geholfen, die Radialzone der Laufräder mit einer Panzerung zu umgeben, in der sich die Bruchstücke fangen sollen.

Die oben gezeigten Nachteile treten bei einem gebauten Laufrad nicht auf; zwar sind dort die Schaufeln aus dem oben erwähnten hochwarmfesten Werkstoff hergestellt, doch der Radkörper selbst ist aus einem zäh elastischen Schmiedewerkstoff gefertigt, der elastische Verformung zuläßt. Hierdurch werden Wärmespannungen, wie sie beim oben angeführten gegossenen Läufer zu dessen Zerstörung führen, vom Werkstoff aufgenommen und führen zu keine*» weiteren Beschädigung. Der Nachteil des gebauten Läufers liegt darin, daß einerseits der Läufer Aufnahmevorrichtungen für die Schaufeln aufweisen muß, die mit sehr kleiner Toleranz ausgearbeitet sein müssen, und dass andererseits der Schaufelfuß dazu passend mit ebenso kleiner Toleranz ausgebildet sein muß, wobei das Bearbeiten des hochwarmfesten Schaufelmaterials besondere Schwierigkeiten bereitet.

Bekannt sind auch geschweißte Läufer, doch ergibt Sich für· diese an den Einschweißstellen besonders hohe Bruchgefahr.

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Auf abc der Erfindung ist es nun, eine Läuferausgestaltung zu finden, -::!' 'einerseits an die Fertigungsgenauigkeit" keine hohen Anforderungen ri. :11t, andererseits aber ein Zerplatzen des Läufers oder ein Alrr.".i icn ei".zeln<m Schaufeln verhindert.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Laufschaufeln in die Profilnuten-hart eingelö tender eingeschweißt sin-1, und :iv.'isehen Schaufelblatt und Schaufelfuß mit einer kragenartiger Erweiterung versehen sind, die zusammen einen geschlossenen Reifen bilden, der mit dem Radkörper einen von den Schaufelfüßen unterbrochenen Rinrraun bildet.

Durch die Schweiß-oder Lötverbindungen 'zwischen Schaufel und Radkörper ist in an sich bekannter Weise ein Läufer geschaffen, der zähen Radkörper und hochwarmfeste^f Schaufeln zugleich aufweist, aber erst durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schaufel, die durch das Abstützen mit ihren kragenartigen Erweiterung gegen die der Nachbarschäufein an Biegeschwingungen in Bereich der Schweißstelle gehindert ist, wird eine dauerfeste Schweißverbindung ermöglicht. Insbesondere aber ist eine Lötverbindung durch die erfindungsgemäße · Ausgestaltung der Schaufeln ermöglicht, da der Bereich des Schaufelfußes nicht mehr den heißen Gasen ausgesetzt ist; im übrigen ermöglicht die Lötverbindung sehr große Toleranzen, da man alle hierdurch vorhandenen Fugen mit Lötmittel vergießen kann. Sollten beim Löten unzulässige Spannungen auftreten, ist es möglich, durch Temperieren eine derartige Rekristallisation des Lötmittels zu erzielen, daß das gesamte Laufrad an seinen Verbindungsstellen praktisch spannungsfrei ist.

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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Schaufelfuß zwei oder mehrere paarweise übereinander angeordnete und zueinander geneigte Seitenflächen auf, die in eine oder mehrere untereinander in den Radkörper eingebrachte Sohwalbensohwanznuten passend eingreifen. Eine derartige Nutform ist, obwohl sie nicht so tief zu verlaufen braucht wie die für den sogenannten Tannenbaumfuß oder den sogenannten Hammerfuß, bisher für mit Preßsitz in den Radkörßer eingebrachte nicht verwendbar gewesen, da/noher angreifender Fliehkraft der keilförmige Schaufelfuß die Schwalbenschwanznut aufweiten kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Nutgrund einer jeden Schwalbensohwanznut zwischen Radkörper und Schaufelfuß Vertiefungen auf. Hierdurch wird erreicht, daß nur noch,schmale Stege die Schaufel von unten her abstützenj sollte der Schaufelfuß wegen grober Bearbeitungsriefen oder gußbedingter Formfehler nicht in die Nut passen, so kann er gewaltsam eingebracht werden, da sich in diesem Fall die schmalen Stege wegbiegen. Die Nutflächen, die im Betrieb durch die an der Schaufel angreifenden Fliehkräfte belastet werden, nehmen beim gewaltsamen Einbringen keinen Schaden. Die Vertiefung ist außerdem geeignet, festes oder flüssiges Lötmittel aufzunehmen.

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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden insbesondere die Seitenflächen von Schaufelfuß und Nut miteinander hart verlötetι diese Ausgestaltung der Erfindung sieht vor_p daß die Lötstelle demnach auf Zug und a.uf Soherung belastet wird» Es können somit Lötmittel und Form des Schaufelfußes aufeinander abgestimmt werden^ z.B. wird der von beiden Seiten des Schaufelfußes eingeschlossene Winkel sehr klein sein, wenn das Lötmittel im -wesentlichen nur auf Scher* ung belastet werden darf, und verhältnismäßig groß, wenn das Lötmittel hohen Zugkräften Widerstand bietete -

Da das Lötmittel je nach Temperatur unterschiedliche Festigkeitswerte zeigt, ist gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung jede der untereinander angeordneten Schwälbensehwanznuten mit einem anderen Flanken» winkel versehen; hierdurch ist es möglich, gemäß des radialen Temperaturverlaufs im Laufrad zum jeweils vorliegenden Temperaturbereich und den dazugehörigen charakteristischen Eigenschaften des Lötmittels einen passenden Flankenwinkel zu wählen»

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Nutgrund eine vom eingesetzten Schaufelfuß nicht verdeckte Ausbuchtung' mit bogenförmigen Querschnitt auf» Hierdurch wird das Auftreten von Kerbspannungen und somit das Entstehen von Radialrissen im Nutgrund:_s bzw. bei Berührungsstellen zwischen Schaufelfuß und Nutgrund· vermiedene,

Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß durchströmt ein Kühlmittel, insbesondere Luft₅ den von Sehaufelerweiterung und Radkörper begrenzten Ringraum und von dort aus gegebenenfalls in die ei*«

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Schaufeln eingebrachte Höhlungen und Kühlkanäle. Hierdurch wird verhindert, daß die eingelöteten Schaufelfüße zu heiß werden; vdterhin ist es möglich, die den Schaufelfüßen entzogene Wärme zu einem Sonderzweck, z.B. zur Fahrzeugheizung, zu nutzen, oder dem Gasturbinenprozess wieder zuzuführen, indem die erhitzte Luft mit der vom Wärmetauscher kommenden Luft gemischt und der Brennkammer zugeführt wird.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Montage eines erfindungsgemäßen Laufrades, wie es oben beschrieben ist; hierbei werden Lötmaterial, insbesondere in Form von Draht oder Blechstreifen, in die Vertiefungen und die Schaufeln in die Nuten eingebracht, und nachher der Radkörper auf Löttemperatur erhitzt. Dieser heiße Radkörper wird einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß in derart schnelle Umdrehung versetzt, daß das flüssige Lötmittel durch die Wirkung der Fliehkraft in die Fugen zwischen Radkörper und Schaufel gedrückt wird und diese Fugen ausfüllt; hierbei kann der Ringraum mit einem Füllmittel, wie z.B. Sand, versehen werden, das das Austreten von flüssigen Lötmittel verhindert. Das derartig montierte Laufrad kühlt bei weiterer Rotation ab, sodaß das Lötmittel in den von ihm ausgefüllten Fugen erstarrt. Das seitliche Austreten von flüssigem Lötmaterial wird in einer Vorriohtung verhindert, in der ein erfindungsgemäßes Laufrad montiert werden kannf hierbei wird der Radkörper in an sich bekannter Weise eingespannt und in Drehung versetzt. Die Aufnahmevorrichtung drückt hierbei beiderseits eine Dichtscheibe an den Radkörper , wodurch verhindert wird, dass flüssiges Lötmittel oder Füllsand aus dem rotierenden Laufrad austrete?. diese beiden Dichtscheiben können beheizbar sein und die gesamte

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zum Lötprozess benötigte Wärme liefern.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen zum eingespannten Radkörper konzentrischen, umlaufenden Reifen auf, auf dessen innerer Oberfläche sich die kragenartigen Erweiterungen der Schaufeln mit ihrer dem Schaufelblatt zugewandten Fläche abstützen. Wenn die Schaufeln in die Nuten eingesetzt werden, nehmen sie eine Undefinierte Lage ein> wenn Schaufelfuß und Nut mit sehr großer Toleranz gefertigt sind. Durch die beim Rotieren des Laufrades, angreifenden Kräfte werden die Schaufeln mit ihrer kragenartigen Erweiterung gegen den erfindungsgemäßen, umlaufenden Ring gepreßt. Hierbei weisen alle Schaufeln denselben Achsabstand und dieselbe . radiale Richtung auf, unabhängig davon, ob jeweils zwischen Schaufel und Radkörper Fugen auftreten oder nicht. Die Fugen werden mit Lötmaterial vergossen, und nach Abkühlen des Laufrades behalten die Schaufeln ihre Lage bei. So ist beim Herstellen des Laufrades die Verwendung größter Toleranzen ermöglicht ·, ohne dap die Formgenauigkeit desjfertigen Laufrades Einbußen erleiden müßte.

In der Abbildung ist ein Teil des erfindungsgemäßen Laufrades als Änwendungsbeispiel im Radialschnitt gezeigt. Im Radkörper 1 sind Nuten eingebracht, in die die Schaufeln 2 eingelötet sind. Die Schaufeln 2 bestehen aus dem Schaufelblatt 3* dem Schaufelfuß 5 und der kragenartigen Erweiterung 4. Die kragenartige Erweiterung 4 zweier benachbarter Schaufeln 2 berührt sich; die dem Schaufelblatt zugewandte Seite.der kragenartigen Erweiterung 4 einen Absatz mit kreiszylinderförmiger Oberfläche, die zur Aufnahme in der Lötvorrich-

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tung dient. Der von den kragenartigen Erweiterungen gebildete Ring begrenzt zusammen mit Radkörper 1 den Ringraum 9· Die Nut besteht aus drei untereinanderliegenden Schwalbenschwanznuten mit jeweils unterschiedlichem Plankenwinkel. Der Nutgrund weist eine bogenförmige Ausbuchtung 7 auf," in die Nutgründe der beiden oberen Schwalbenschwanznuten sind Vertiefungen 6 eingebracht, die £ur Aufnahme des .Lötblechs dienen. Die oberen Ränder der Nut sind abgeschrägt, um eine Kerbstelle am Schaufelfuß 5 zu vermeiden. An den beiderseitigen Schrägflächen 8 ist die Schaufel mit dem Radkörper 1 verlötet.

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Claims

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Pat-entansprüche

Laufrad -für.Strömungsmaschinen, bestehend aus einem aus zäh - elastischem Werkstoff gefertigten Radkörper₉ und in Profilnuten dieses Radkörpers eingebrachten* aus hochwarmfestem Werkstoff hergestellten !laufschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Lowfschäufein (2) in die Profilnuten hart eingelötet oder - - eingeschweißt sind und zwischen Schaufelblatt (3) und Schaufelfuß (5) mit einer kragenartigen Erweiterung (4) versehen sind, die zusammen einen geschlossenen Reifen bilden, der mit dem Radkörper (1) einen von den Schaufeifüßen (5) unterbrochenen Ringraum (9) bildet.

2. Laufrad nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß der Sehauf el= fuß (5) zwei oder mehrere paarweise übereinander angeordnete • und zueinander geneigte Seitenflächen (8) aufweist/ die in eine oder mehrere untereinander in den Radkörper (1) eingebrachte Schwalbenschwanznuten eingreifen^.

5.·-Laufrad nach Anspruch 2_S daduroh gekennzeichnet, daß der Hutgrund einer jeden Sehtoalfoensehwanznut zwisehen Radkörper

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und Schaufelfuß (5) Vertiefungen (6) aufweist.

4. Laufrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere die Seitenflächen (8) von Schaufelfuß (5) und Nut miteinander hart verlötet sind.

5. Laufrad nach Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die untereinander angeordneten Schwalbenschwanznuten jeweils unterschiedliche Plankenwinkel aufweisen.

6. Laufrad nach Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Nutgrund eine vom eingesetzten Schaufelfuß (5) nicht verdeckte Ausbuchtung (7) mit bogenförmiger Querschnittkanten aufweist.

7. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmittel, insbesondere Luft, den von Schaufelerweiterung (4) und Radkörper (l) begrenzten Ringraum (9) durchströmt, und gegebenenfalls von dort aus in der Schaufel eingebrachte Höhl-

. ungen und KUhlkanäle eintritt.

8. Verfahren zur Montage eines Laufrades nach Anspruch 1 bis 7,

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dadurch gekennzeichnet, daß der Radkörper (1) auf Löttemperatur erhitzt wird, nachdem Lötmaterial, Insbesondere in Form von Draht oder Blechstreifen, in die Vertiefungen (6) und die Sohaufeln (2) in die Nuten eingebracht wurden.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet _s daß der erhitzte Radkörper in rasche Umdrehung versetzt wird,sodaß das flüssige Lötmaterial die Fugen zwischen Radkörper (1) und Schaufel (2) füllt. . ■

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9* dadurch gekennzeichnet, daß in die Ausbuchtungen γ[) Heiz- und/oder Lötmittel* bzw. zum Plasmaschweißen benötigte Medien eingebracht werden.

11. Vorrichtung zum Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie beiderseits des von ihr in bekannter Weise eingespannten und angetriebenen Radkörpers (1.) an diesem anliegende, mitrotierende Dichtscheiben aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

- konzentrisch mit dem eingespannten Radkörper (1) ein Reifen umläuft, auf dessen innerer Oberfläche sich die kragenartigen Erweiterungen (4) der Schaufeln $2) mit ihrer dem Schaufelblatt zugewandten Fläche abstützen.

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