DE2951176A1

DE2951176A1 - Turbinenschaufel-befestigungsanordnung

Info

Publication number: DE2951176A1
Application number: DE19792951176
Authority: DE
Inventors: Katsukuni Hisano; Toshimi Tan
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1980-07-10
Also published as: US4321012A; CH647301A5; JPS5584804A

Description

Turbinenschaufel-Befestigungsanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Befestigen von Laufschaufeln an einem Lauferrad einer Turbine, insbesondere auf eine Anordnung zum Befestigen von Titanlegierungs-Laufschaufeln an einem Läuferrad, das aus einem von den Laufschaufeln im Elastizitätsmodul verschiedenen Material besteht.

Laufschaufeln einer Dampfturbine werden an einem Läuferrad unter Einfügung von Schwalbenschwänzen der Laufschaufeln in am Läuferrad vorgesehene Ausnehmungen befestigt. Neuerdings wird die Dampfturbine von größerer Kapazität hergestellt, womit längere Laufschaufeln in der letzten Stufe verbunden sind. Bei einer herkömmlichen Dampfturbine wird als Material für Laufschaufeln eine Legierung mit 12 % Cr verwendet. Wo aus einer solchen Legierung gefertigte Laufschaufeln länger als beispielsweise 1016 mm gemacht und bei einer Drehzahl von

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^600 U/min verwendet werden, tritt eine Gefahr auf, daß die Laufschaufeln durch Zentrifugalkraft brechen. Daher verwendet man für solche langen Laufschaufeln vorzugsweise ein Material, das so fest wie die 12 % Cr-Legierung und von niedrigem spezifischen Gewicht ist. Als ein solches Material ist eine Titanlegierung bekannt. Der Elastizitätsmodul der Titanlegierung ist im Vergleich mit demjenigen einer für einen Turbinenläufer verwendeten Legierung sehr klein. Daher können, wenn die Laufschaufeln aus der Titanlegierung am Turbinenläufer, der aus einer anderen Legierung als der Titanlegierung hergestellt ist, mit einer herkömmlichen Befestigungsanordnung befestigt werden, wie sie in den Fig. 1 und 2 der JP-OS 50-139205 (1975) gezeigt ist, deren Bemessung nur unter Berücksichtigung der Festigkeit sowohl des Läufermaterials als auch des Laufschaufelmaterials bestimmt ist, ernstliche Probleme auftreten. Bei der Befestigungsanordnung der Laufschaufel und des Läufers unterscheidet sich nämlich die Verformung der Laufschaufel infolge verschiedener auf die Laufschaufel einwirkender Kraft von der des Läufers, und daher werden ungleichmäßige Spannungen in die Laufschaufel und den Läufer eingeführt, und es entstehen konzentrierte Belastungen in einem Teil der Laufschaufel oder des Läuferrades. Eine solche Befestigungsanordnung bringt die Gefahr, daß Risse in einem Bereich größerer Belastung, d.h. in einem Bereich auftreten, in dem die konzentrierten Belastungen entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mechanisch feste Befestigungsanordnung zwischen einer Laufschaufel und einem Läuferrad aus einem Material zu entwickeln, das einen von dem des Materials der Laufschaufeln unterschiedlichen Elastizitätsmodul aufweist. Insbesondere soll die Erfindung eine Befestigungsanordnung zwischen Laufschaufeln aus einer

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Titanlegierung und einem Lauferrad aus einem vom Material der Laufschaufeln unterschiedlichen Material liefern, bei der in der Laufschaufel durch darauf einwirkende Zentrifugalkraft erzeugte Belastungen nicht in einem Teil der Laufschaufel konzentriert, sondern gleichmäßige Belastungen in den Laufschaufeln erreicht werden.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Anordnung zur Befestigung einer Laufschaufel an einem Läuferrad einer Turbine mit einer Mehrzahl von Läuferradvorsprüngeη axial und auswärts vom Umfang des Läuferrades, die Zwischenräume zwischen benachbarten Vorsprüngen begrenzen und Dicken zwischen den Zwischenräumen aufweisen, wenigstens einem im Wurzelteil der Laufschaufel vorgesehenen Laufschaufelvorsprung, der eine dem Zwischenraum und der Dicke der Läuferradvorsprünge gleichartige Form aufweist und in einen der Zwischenräume eingesetzt ist, und wenigstens zwei an jedem der Läuferradvorsprünge und Laufschaufelvorsprünge vorgesehenen und axial untereinander beabstandeten Stützzonen zur Befestigung der Laufschaufel am Läuferrad, mit dem Kennzeichen, daß einer der Vorsprünge höheren Elastizitätsmoduls eine geringere Dicke als die der anderen Vorsprünge aufweist.

Ausgestaltungen dieser Anordnung sind in den Ansprüchen 2 und 5 gekennzeichnet.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Anordnung zur Befestigung von Laufschaufeln an einem Läuferrad einer Turbine mit einer Mehrzahl von in den Wurzelteilen der Laufschaufeln gebildeten Laufschaufelfingern, die sich axial mit Zwischenräumen dazwischen erstrecken, einer Mehrzahl von Läuferradfingern des

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Läuferrades, die sic"h radidnach außen erstrecken und jeweils in die von den Laufschaufel fingern definierten Zwischenräume eingefügt sind und ihrerseits Zwischenräume definieren, in denen die Laufschaufelfinger aufgenommen sind, und einer Mehrzahl von Befestigungszapfen, die untereinander radiale Abstände aufweisen und alle Finger axial so durchsetzen, daß die Laufschaufeln durch die Befestigungszapfen an wenigsten zwei radial untereinander beabstandeten Zonen am Läuferrad befestigt sind, mit dem Kennzeichen, daß die aus einer Titanlegierung bestehenden Laufschaufel- finger mit geringerem Elastizitätsmodul als dem des Läuferrades eine größere axial am mittleren Teil zwischen den zwei radial am meisten getrennten Befestigungszapfen gemessene Durchschnittsdicke als die Durchschnittsdicke der Läuferradfinger aufweisen.

Ausgestaltungen dieser Anordnung sind in den Ansprüchen 5 und 6 gekennzeichnet.

• Die Erfindung gibt also eine Laufschaufelbefestigungs-

anordnung an, die im Laufschaufelwurζelteil gebildete Laufschaufelfinger und im Läuferradwurzelteil bebildete : Lauferradfinger in einer derartigen Anordnung auf-

weist, daß die Finger der Laufschaufel in zwischen

den Fingern des Läuferrades definierte Zwischenräume eingefügt sind, wodurch wenigstens zwei voneinander radial beabstandete Eingriffteile vorgesehen sind. Die Durchschnittsdicke des Laufschaufelfingers ist größer als die des Lauferradfingers, der aus einem Material mit höherem Elastizitätsmodul als dem der Laufschaufelfinger hergestellt ist, wodurch im Laufschaufelwurzelteil erzeugte Belastungen gleichmäßig gemacht werden.

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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; daran zeigen:

Fig. 1 eine Sennit tansicht eines ^eLIi eines Turbinenläufers;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Turbinenschaufel-Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht einer Abänderung der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Turbinenschaufel-Befestigungsanordnung; und

Fig. 5 eine Schnittansicht eines anderen Ausführungebeispiels einer Turbinenschaufel-Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung.

Anhand der Fig. 1, 2 und 3 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben.

In Fig. 1 sind Niederdruckendstufen-Lauf schaufeln 3 dargestellt, die ringförmig angeordnet und an einem Läuferrad 5 eines Turbinenläufers 7 befestigt sind. Die Befestigungsanordnung 9 zwischen der Laufschaufel 3 und dem Läuferrad 5 ist in Fig. 2 am besten veranschaulicht.

Gemäß Fig. 2 sind die Laufschaufeln 3 an ihren Schwalbenschwänzen oder Wurzelteilen 11 gabelförmig gestaltet und zu einer Mehrzahl von VorSprüngen oder Fingern 13 geformt. Jeder der Finger 13 erstreckt sich radial und

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zum Teil in Umfangsrichtung, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Finger 13 haben jeweils eine in Axialrichtung des Turbinenläufers 7 genommene und durch ihre Seitenflächen 15 definierte Dicke. Die Dicke nimmt allmählich und stufenweise von der Wurzel 17 zur Spitze 19 ab. Zwischen den Fingern 13 sind Zwischenräume 12 zur Aufnahme der Finger 21 des Läuferrades 5 gebildet.

Das Läuferrad 5 ist ebenfalls zu einer Mehrzahl von Fingern 21 an seinem Umfang ausgebildet. Die Formen der Finger 21 des Läuferrades 5 sind den Fingern I3 der Laufschaufeln 3 mit Ausnahme ihrer Dicke gleichartig. Zwischen den Fingern 21 des Läuferrades 5 sind Zwischenräume zur Aufnahme der Finger I3 der Laufschaufeln 3 gebildet.

Sowohl die Finger 13 als auch die Finger 21 weisen eine Mehrzahl von Bohrungen 23, 25 in gegenseitiger axialer Ausrichtung auf, wenn die Finger I3 der Laufschaufeln 3 zwischen die Finger 21 des Läuferrades eingefügt sind. Alle Finger 13 und 21 weisen Boh-

radial
rungen 24, 29, die/gleiche Abstände von den Bohrungen 23, 25 aufweisen und axial untereinander ausgerichtet sind, und Bohrungen 31» 33 auf, die radial gleiche Abstände von den Bohrungen 27, 29 aufweisen und axial untereinander ausgerichtet sind.

In diese Bohrungen 23, 25, 27, 29, 31 und 33 der Finger 13 und 21 sind Zapfen 35, 37* 39 starr eingefügt, so daß die Laufschaufeln 3 und das Läuferrad 5 fixiert sind. Die Laufschaufel 3 1st also am Läuferrad durch die Zapfen 35, 37, 39 befestigt. Daher greift die Laufschaufel 3 in das Läuferrad 5 durch die Zapfen 35, 37, 39 ein, und eine auf die Laufschaufel 3 einwirkende Zentrifugalkraft wird vom Läuferrad 5 an den Zapfen 35, 37, 39 aufge-

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nommen. Es ist vorzuziehen, daß die Laufschaufel 3 vom Läuferrad 5 an den Zapfen 35, 37» 39 gleichmäßig abgestützt wird, auch wenn ein Unterschied der Elastizitätsmoduln zwischen der Laufschaufel 3 und dem Läuferrad 5 vorliegt.

Wenn eine Beanspruchung an der Laufschaufel 3 oder dem Lcuferrad 5 durch auf die Laufschaufel 3 einwirkende Zentrifugalkraft verursacht wird, ergibt sich die folgende Gleichung gemäß dem Fook'sehen Gesetz:

P/A =£x E (1),

worin P die Zentrifugalkraft (kg),

A die Querschnittsfläche (mm ), S die Beanspruchung und

2 E den Elastizitätsmodul (kg/mm )

bedeuten.

A, soll die gesamte Querschnittsfläche der Finger der Laufschaufel 3 längs einer zur Radialrichtung senkrechten Richtung und bei einer Durchschnittsdicke der Finger 13 bedeuten, und E_b soll der Elastizitätsmodul der Laufschaufel 3 sein; A_r soll die Gesamtquerschnittsfläche der Finger 21 des LLuferrades 5 längs einer zur Radialrichtung senkrechten Richtung und bei einer Durchschnittsdicke der Finger 21 ausdrücken_/und E_r soll der Elastizitätsmodul des Läuferrades 5 sein. Wenn in der Laufschaufel 3 und dem Läuferrad 5 im wesentlichen die gleiche Belastung verursacht ist, d.h. wenn die sowohl in der Laufschaufel 3 als auch im Läuferrad 5 erzeugten Beanspruchungen nicht an einem besonderen Teil davon

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konzentriert sind, ergeben sich die folgenden Gleichungen gemäß der Gleichung (1):

P/A_b -^xE₁₅ (2)

P/A_r =€xE_r (3)

Aus den Gleichungen (2) und (3) erhält man die folgende Beziehung:

V^Ar V^Eb

Aufgrund der Gleichung (4) stellt man fest, daß, um eine Beanspruchungskonzentration im Befestigungstell zu vermeiden, falls der Elastizitätsmodul E. der Laufschaufel 3 nahezu gleich dem Elastizitätsmodul E des Läuferrades 5 ist, die Querschnittsfläche A. der Laufschaufel 3 nahezu gleich der Quersohnittsfläche A_r des Läuferrades 5 ist, und falls der Elastizitätsmodul E_fe geringer als der Elastizitätsmodul E ist, die Querschnittsfläche A, der Laufschaufel 3 größer als die Querschnittsfläche A_r des Läuferrades 5 sein sollte.

Die stufenartig vorragenden Finger 13, 21 sowohl der Laufschaufel 3 als auch des Läuferrades 5 haben je eine bestimmte Durchschnittsdicke T. bzw.TL zwischen

b r

den StUtzzonen. Die Durchschnittsdicke T. bzw. T_ ist ein Wert, der durch Teilen der Summe der Dicke der Wurzel und der Dicke der Spitze erhalten wird, oder die Dicke im mittleren Teil (27 oder 29) zwischen zwei StUtzzonen (23 oder 25, 3I oder 33)· Da die Umfangslängen der Finger I3, 21 im wesentlichen gleich sind, wird die obige Gleichung (4) folgendermaßen ausgedruckt:

W' V^T

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ORIGINAL INSPECTED

In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Laufschaufel 3 aus einer Ti-Legierung mit 5 % Al und 2,5% Sn (im folgenden einfach Ti-Legierung bezeichnet), die mehr als 795 N/mm Zugfestigkeit und 1,2 xlO^ N/mm² Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur hat. Das Läuferrad 5 besteht aus einem Stahl mit 3,5 % Ni,

1,75 % Cr, Mo und V, der mehr als 824N/mm Zugfestigkeit und 2,1 xlO^N/mm Elastizitätsmodul aufweist. Die Zapfen 35» 37» 39 bestehen jeweils aus einem Stahl mit 5 % Cr, 1,3 # Mo und V und einer Zugfestigkeit von 1727 N/mm² bis I933 N/mm². Daher sorgt man, um die in der Laufschaufel 3 und im Läuferrad 5 erzeugten Beanspruchungen gleichmäßig zu machen, gemäß der Gleichung (5) vorzugsweise dafür, daß die folgende Beziehung eingehalten wird:

T_h/T = = 1,75 = 1,7-1.8 ⁰ ^r 1,2 ⁵

Falls also die Dicke T, des Finger 13 der Laufschaufel 3 etwa das 1,7-*' l,8fache der Dicke T des Fingers 21 des Läuferrades 5 beträgt, werden die sowohl in den Fingern 13 als auch in den Fingern 21 durch Zentrifugalkraft infolge der Drehung der Laufschaufel 3 erzeugten Beanspruchungen nicht an einem bestimmten Teil des Fingers 13 oder 21 konzentriert. In einem Beispiel einer Befestigungsanordnung zwischen der Laufschaufel 3 und dem Läuferrad 5 hat der Finger 21 eine Länge von etwa 15Ο mm und eine Dicke von 18 mm, 12 mm, 6 mm an der Wurzel bzw. im mittleren Teil bzw. an der Spitze. Die bei einer solchen Befestigungsanordnung unter der Belastung entsprechend der Zentrifugalkraft erzeugten Beanspruchungen sind etwa 255 N/mm² bzw. 245 N/mm² bzw. 235 N/mm².

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Bei diesem AusfUhrungsbeispiel werden keine Beanspruchungen an einen besonderen Stützbereich konzentriert, die Verteilung der Belastung ist also an den Stützbereichen gleichmäßig gemacht.

Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Finger 13 und 21 der Laufschaufel 3 und des Läuferrades 5 jeweils die gleiche Form wie die eines herkömmlichen Fingers einer Laufschaufel oder eines Läuferrades mit Ausnahme des Verhältnisses der Dicke zwischen dem Laufschaufel finger 13 und dem Lauferradfinger 21.

In Fig. 4 ist eine Abänderung des in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung veranschaulicht. Diese Befestigungsanordnung zwischen einer Laufschaufel 103 und einem Läuferrad 105 ist die gleiche wie die in Fig. 1 bis 3 gezeigte mit der Ausnahme, daß die Finger 113 und 121 der Laufschaufel 103 und des Läuferrades 105 gerade abgeschrägte Seitenflächen statt der abgestuft ausgebildeten Seitenflächen aufweisen. Die Durchschnittsdicke T,, T der Finger 113 und 121 sind jeweils die Dicken, die durch Teilen der Summe der Wurzelteildicke und der Spitzenteildicke der Finger 113 oder 121 erhalten werden. Die Dicke des Fingers 113 der Laufschaufel 3 wird so bestimmt, um der Gleichung (5) zu genügen, so daß die Belastungen der Finger 113 und 121 zwischen den Zapfen 35» 37, 39 untereinander gleich sind. Daher sind die in den Fingern 113 und 121 erzeugten Belastungen an jedem der Zapfen 35» 37» 39 gleichmäßig gemacht. Diese Befestigungsanordnung hat den Vorteil, daß die Laufschaufel 103

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und das L uferrad 105 im Vergleich mit der in den Fig. bis 3 dargestellten Befestigungsanordnung leicht maschinell zu bearbeiten sind, da die Finger 113 und 121 gerade abgeschrägte Seitenflächen haben.

Außerdem soll noch ein anderes Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 5 beschrieben werden.

In fig. 5 hat eine Laufschaufel 20J) Weihnachtsbaumtyp-Finger 213, und ein Läuferrad 205 hat ebenfalls gleichartig gestaltete Finger 221, die die Finger· 2Ij; aufnehmen. Wenn die Laufschaufel 203 rotiert, wird die Zentrifugalkraft aufgrund der Drehung der Laufschaufel 203 von drei Ausbauchteilen 202, 204, 206 aufgenommen, die Ausbauchteile 202, 204, 206 sind also Stützzonen. Um die Belastungen unter den Ausbauchteilen 202, 204, 206 zwischen der Laufschaufel 203 und dem Läuferrad 205 konstant zu machen, d.h. um die in der Laufschaufel 203 oder dem Läuferrad 205 erzeugten Spannungen an den Stützzonen der Laufschaufel 203 oder desJLäuferrades 205 gleichmäßig zu machen, wird die Dicke der Laufschaufelfinger 213 gemäß der Gleichung (5) bestimmt, wobei man die Durchschnittsdicke T, bzw. T der Finger 213 und 221 verwendet, die durch Teilen der Summe der Ausbauchteildicken durch die Zahl der Ausbauchteile erhalten wird. Die Formen der Finger 213 und 221 sind im wesentlichen die gleichen wie die eines herkömmlichen Laufschaufelfingers oder eines herkömmlichen Läuferrad fingers des Weihnachtsbaumtyps.

Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß die Laufschaufel 203 länger als die Laufschaufel 3 oder 103 gemacht werden kann, da die Breite der Laufschaufel 203 axial an ihrem Wurzelteil ausgedehnt werden kann.

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Falls die Laufschaufeln 3, 103, 203 einen Unterschied des Elastizitätsmoduls von mehr als 20 % im Vergleich mit dem Läuferrad 5, 105, 205 aufweisen, wendet man vorzugsweise die Erfindung an.

Die Befestigungsanordnung zwischen der Laufschaufel und dem Läuferrad gemäß der Erfindung ist mechanisch fest, da sich die an verschiedenen Stützzonen der Laufschaufel erzeugten Beanspruchungen gleichmäßig machen lassen, wenn die Laufschaufel einen anderen Elastizitätsmodul als das Läuferrad aufweist, an dem die Laufschaufel befestigt wird.

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Claims

Patentansprüche

My Anordnung zur Befestigung einer Laufschaufel an einem Läuferrad einer Turbine mit einer Mehrzahl von Läuferradvorsprüngen axial und auswärts vom Umfang des Läuferrades, die Zwischenräume zwischen benachbarten Vorsprüngen begrenzen und Dicken zwischen den Zwischenräumen aufweisen,

wenigstens einem im Wurzelteil der Laufschaufel vorgesehenen Laufschaufelvorsprung, der eine dem Zwischenraum und der Dicke der Läuferradvorsprünge gleichartige Form aufweist und in einen der Zwischenräume eingesetzt ist, und

wenigstens zwei an jedem der Läuferradvorsprünge und Laufschaufelvorsprünge vorgesehenen und axial untereinander beabstandeten Stützzonen zur Befestigung der Laufschaufel am Läuferrad,

dadurch gekennzeichnet, daß einer der Vorsprünge (21; 121; 221) höheren

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Elastizitätsmoduls (E ) eine geringere Dicke (T ) als die der anderen Vorsprünge (13; 113; 213) aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Laufschaufel (3; 103; 203) aus einer Titanlegierung mit geringerem Elastizitätsmodul (E,) als dem des Läuferrades (5; 105; 205) besteht und der Laufschaufelvorsprung (13; H3> 213) eine größere Durchschnittsdicke (T^), erhalten durch Teilen zweier an den Stützzonen gemessener, am meisten beabstandeter Dicken, als die der Läuferradvorsprünge (21; 121; 221) aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Laufschaufelvorsprung (13; 113; 213) eine Durchschnittsdicke (T,) aufweist, die durch Multiplikation der Durchschnittsdicke (T_r) der Läuferradvorsprünge (21; 121; 221) mit dem Verhältnis des Elastizitätsmoduls (E_r) des Lc,uferrades (5; 105; 205) zum Elastizitätsmodul (E,) der Laufschaufel (3; 103; 203) erhalten wird.
4. Anordnung zur Befestigung von Laufschaufeln an einem Läuferrad einer Turbine mit einer Mehrzahl von in den Wurzelteilen der Laufschaufeln gebildeten Laufschaufelfingern, die sich axial mit Zwischenräumen dazwischen erstrecken, einer Mehrzahl von Läuferradfingern des Läuferrades, die sich radial nach außen erstrecken und jeweils in die von den Laufschaufelfingern definierten Zwischenräume eingefügt sind und ihrerseits Zwischenräume definieren,.in denen

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die Laufschaufelfinger aufgenommen sind,und einer Mehrzahl von Befestigungszapfen, die untereinander radiale Abstände aufweisen und alle Finger axial so durchsetzen, daß die Laufschaufeln durch die Befestigungszapfen an wenigstens zwei radial untereinander beabstandeten Zonen am Läuferrad befestigt sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß die aus einer Titanlegierung bestehenden Laufschaufelfinger (13; 113; 213) mit geringerem Elastizitätsmodul (E_b) als dem (E_r) des Läuferrades (5; 105; 205) eine größere axial am mittleren Teil zwischen den zwei radial am meisten getrennten Befestigungszapfen (35* 39) gemessene Durchschnittsdicke (T₁₀) als die Durchschnittsdicke (T_r) der L^uferradfinger (21; 121; 221) aufweisen.
5. Anordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Laufschaufelfinger (13; 113; 213) und die Lauferradfinger (21; 121; 221) zu ihrer Spitze hin abnehmende Dicken aufweisen.
6. Anordnung nach Anspruch 5*
dadurch gekennzeichnet,

daß die Laufschaufelfinger (13; 113; 213) eine Durchschnittsdicke (T,) aufweisen, die durch Multiplikation der Durchschnittsdicke (T ) der Lauferradfinger (21; 121; 221) mit dem Verhältnis des Elastizitätsmodul.«? (E_r) des Läuferrades (5; 105; 205) zum Elastizitätsmodul (E_b) der Laufschaufeln (3+ 103; 203) erhalten wird.

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