DE2618253C3

DE2618253C3 - Sicherheitseinrichtung für Axialturbinen

Info

Publication number: DE2618253C3
Application number: DE2618253A
Authority: DE
Inventors: Thomas H. M. Phoenix Ariz. Cunningham (V.St.A.)
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1975-04-30
Filing date: 1976-04-27
Publication date: 1979-05-17
Also published as: CA1050432A; DE2618253B2; DE2618253A1; JPS51133611A; FR2309725B1; US3989407A; FR2309725A1; GB1542654A; JPS5441648B2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitseinrichtung für Axialturbinen, mit einem Laufrad, das aus einer Laufradscheibe und fest damit verbundenen bzw. integrierten Laufschaufeln besteht, wobei bei einem Fehler im Turbinenlager sich das Laufrad axial in eine Richtung verschiebt und wobei von einer umlaufenden Sollbruchstelle im Kranzbereich der Laufradscheibe sich unter Fliehkraftwirkung ablösende Bruchstücke des Laufrades von einem in axialer Ausrichtung radial außerhalb des Laufrades befindlichen verstärkten Gehäusering aufgefangen werden, wodurch das Laufrad abgebremst wird.

Eine derartige Sicherheitseinrichtung ist aus der DE-OS 14 26 808 bekannt.

Bei der bekannten Sicherheitseinrichtung ist eine Fangvorrichtung für Bruchstücke des Laufrades vorgesehen, die einen verstärkten Gehäusering aufweist; das Laufrad hat eine Sollbruchstelle, längs der sich bei einer vorgegebenen Drehzahl Teile des Radkranzes mit den Schaufeln vom Laufrad trennen. Bei einer derartigen Fangvorrichtung sind jedoch keine weiteren Vorkehrungen getroffen, urn beim Auftreten einer fehlerhaften Axialverschiebung des Laufrades eine gesteuerte Folge von Ereignissen in Lauf zu setzen, aufgrund deren das Abschleudern von Bruchstücken mit hoher Energie so gering wie möglich gehalten und die bei der Zerstörung auftretende Wärme reduziert wird.

Des weiteren sind Schneiden zur Erzeugung einer Sollbruchstelle am .Laufradkranz einer Axialturbine bekannt (US-PS 29 66 333). Der Schneidvorgang nach diesem Vorschlag basiert auf einer beabsichtigten, nicht notwendigen Zerstörung des Laufrades durch Überdrehzahl, nicht aber auf einer fehlerhaften Axialverschiebung des Laufrades.

Schließlich sind am Gehäuse befestigte Bremsscheiben bekannt, die in Kontakt mit der Ranke des Laufrades einer Axialturbine bei nicht betriebsmäßiger Wellenlage abbremsen (DE-PS 418 795). Derartige Bremsscheiben dienen jedoch lediglich zum Verzögern oder Anhalten eines Läufers.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, bei einer Sicherheitseinrichtung der gattungsgemäßen Art Vorkehrungen zu treffen, um beim Auftreten einer fehlerhaften Axialverschiebung des Laufrades die Turbine sicher abzubremsen und die bei dem Bremsvorgang auftretende Wärme zu reduzieren.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Sollbruchstelle durch eine mit dem Turbinengehäuse verbundene, ringförmig angeordnete Schneidvorrichtung bei fehlerhafter Axialverschiebung des Laufrades erzeugbar ist und daß eine der Laufradscheibenflanke angepaßte und mit der Schneidvorrichtung verbundene Reibpufferanordnung vorgesehen ist die bei fehlerhafter Axialverschiebung des Laufrades in Reibungseingriff mit der Laufradscheibenflanke kommt

Tritt in der Turbine eine fehlerhafte Axialverschiebung des Laufrades auf, wird eine gesteuerte Folge von Ereignissen in Lauf gesetzt indem die Schaufeln des Laufrades von dem sich axial bewegenden Laufrad abgetrennt und die abgetrennten Bruchstücke des Laufrades durch den das Laufrad umgebenden Schutzring aufgenommen werden, wobei die durch den Schneidvorgang auftretende Wärme absorbiert wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand von Untsransprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Gasturbine mit der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung und

F i g. 2 in perspektivischer Darstellung eine Vorderansicht der Reibpufferanordnung gemäß der Erfindung.

F i g. 1 zeigt das eine Ende einer Hochgeschwindigkeitsgasturbine 10. Die Turbine besteht aus einem relativ dünnen Turbinengehäuse 12, einem Laufrad 14, das integral mit einer axialen Welle 16 hergestellt ist. Die Welle 16 ist im Turbinengehäuse mit Hilfe mehrerer Axialdruckkugellager 18 drehbar gelagert. Das Turbinengehäuse 12 umfaßt einen zylinderförmigen Einsatz 19, der als Lagerträger dient und aus hochwertigem Stahl mit hohem Schmelzpunkt gefertigt ist Ein an der Welle 16 vorgesehenes Zahnrad 20 stellt die Verbindung mit einem Zahnradgetriebe her.

Das Turbinengehäuse 12 hat einen Gas- oder Lufteinlaß 22 an seinem linken Ende sowie einen ringförmigen Gaskanal 24, der sich durch das Gehäuse erstreckt, an dem Laufrad 14 vorbeiführt und in eine nicht näher dargestellte, radiale, ringförmige Auslaßöffnung im Turbinengehäuse mündet. Eine Dichtung 32 schließt die die Welle 16 aufnehmende Öffnung des

Gehäuses ab.

Im Turbinengehäuse ist ein relativ dicker Gehäusering 26 konzentrisch zum Laufrad 14 angeordnet Dieser Gehäusering 26 wird von dem Turbinengehäuse 12 umgeben und dient dazu Teile des Laufrades 14, die durch einen Defekt in der Maschine erzeugt und mit hoher Zentrifugalkraft gegen den Gehäusering 26 geschleudert werden, aufzufangen, um zu verhindern, daß derartige Teile mit hoher kinetischer Energie das Turbinengehäuse 12 durchschlagen.

Das Lavfrad 14 besteht vorzugsweise aus Material hoher Festigkeit, z. B. aus einer Titanlegierung mit sehr hohem Schmelzpunkt Die geringste Dicke weist die Laufradscheibe 28 geringfügig radial innerhalb der Füße der Laufschaufeln 30 auf.

Die Turbine hat weiterhin eine ringförmige Reibpufferanordnung 34 die zwischen Laufrad 14 und Lager 18 angeordnet ist, wobei diese Reibpufferanordnung 34 eine Vorderfläche 35 aufweist, die in axialer Richtung einen geringen Abstand von der einen Flanke des Laufrades 14 aufweist Diese Vorderfläche 35 hat eine Formgebung, die im wesentlichen der Laufradscheibenflanke angepaßt ist Die Welle ist durch eine relativ große zentrale öffnung 36 in der Reibpufferanordnung 34 durchgeführt, wobei die Reibpufferanordnung außerdem wenigstens drei versenkte Bohrungen 38 zur Aufnahme von Gewindebolzen 40 aufweist, welche die Reibpufferanordnung 34 ortsfest mit dem Turbinengehäuse 12 verbinden. Die Köpfe der Gewindebolzen 40 besitzen in einer Vertiefung liegend einen axialen Abstand von der Vorderseite 35 der Reibpufferanordnung 34.

In die Reibpufferanordnung 34 sind eine Vielzahl von Schneidstiften 42 eingebettet die in Achsrichtung verlaufen und aus relativ hartem Material, z. B. Wolframkarbid bestehen. Die bei der dargestellten Ausführungsform vorhandenen .iwölf Schneidstifte 42 sind ringförmig in der Reibpufferanordnung 34 angeordnet und liegen dabei der Sollbruchseite des Laufrades axial gegenüber. Außerdem stehen die Schneidstifte 42 axial geringfügig über die Vorderfläche 35 in Richtung des Laufrades 14 vor.

Der erste Kontakt des Laufrades 14 findet bei fehlerhafter Axialverschiebung mit den Schneidstiften 42 statt die sich durch den schmalen Bereich der Laufradscheibe 28 hindurchschneiden und dadurch die Schaufeln 30 von dem Laufrad abtrennen. Die Anordnung der Schneidstifte 42 ist dabei so gewählt daß sichergestellt ist, daß die Schaufeln abgetrennt werden, wenn sie sich noch innerhalb des axialen Bereiches des Gehäuseringes 26 befinden. Aus diesem Grunde werden alle Bruchstücke des Laufrades 14 beim Abtrennen nach außen gegen den Gehäusering 26 geschleudert und dabei innerhalb des Turbinengehäuses 12 aufgefangen bzw. aufgenommen, wodurch die Turbine ein vermindertes Schwungmoment erhält

Sobald das Laufrad 14 in Reibeingriff mit der relativ großen Oberfläche der Reibpufferanordnung 34 kommt, wird ein wesentlicher Teil der in der Turbine vorhandenen Energie von der Reibpufferanordnung 34 absorbiert Da die Reibpufferanordnung 34 leicht schmilzt und die oberflächig abgeschmolzenen Teile dieser Reibpufferanordnung von dem ausströmenden Gas abgeführt werden, übersteigt die Temperatur der Reibpufferanordnung nicht deren relativ niedrigen Schmelzpunkt Die Temperatur, die das aus dem Kanal 24 austretende Strömungsmittel aufweist, wird dabei relativ niedriggehalten. Die erzeugte Hitze wird auf diese Weise von den Punkten des Zerstörungseingriffs am Laufrad 14 bei dessen Bremsung im Falle eines Defektes im Lager abgeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sicherheitseinrichtung für Axialturbinen, mit einem Laufrad, das aus einer Laufradscheibe und damit fest verbundenen bzw. integrierten Lauf schaufein besteht, wobei bei einem Fehler im Turbinenlager sich das Laufrad axial in eine Richtung verschiebt und wobei von einer umlaufenden Sollbruchstelle im Kranzbereich der Laufradscheibe sich unter Fliehkraftwirkung ablösende Bruchstücke ι ο des Laufrades von einem in axialer Ausrichtung radial außerhalb des Laufrades befindlichen verstärkten Gehäusering aufgefangen werden, wodurch das Laufrad abgebremst wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollbruchstelle durch eine mit dem Turbinengehäuse (12) verbundene, ringförmig angeordnete Schneidvorrichtung (42) bei fehlerhafter Axialverschiebung des Laufrades (14) e.-zeugbar ist und daß eine der Laufradscheibenflanke angepaßte und mit der Schneidvorrichtung (42) verbundene Reibpufferanordnung (34) vorgesehen ist, die bei fehlerhafter Axialverschiebung des Laufrades (14) in Reibungseingriff mit der Laufradscheibenflanke kommt

2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibpufferanordnung (34) am Turbinengehäuse (12) befestigt ist und daß die Schneidvorrichtung (42) sich in Achsrichtung von der Reibpufferanordnung weg auf das Laufrad (14) zu erstreckt

3. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidvorrichtung (42) aus einer Vielzahl von sich in Achsrichtung erstreckenden Stiften besteht, die in die Reibpufferanordnung ringförmig eingebettet sind.

4. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (12) im wesentlichen aus Aluminium, die Reibpufferanordnung (34) im wesentlichen aus Messing, das Laufrad (14) im wesentlichen aus einer *o Titanlegierung, und die Schneidvorrichtung (42) im wesentlichen aus Wolframkarbid besteht