DE554391C - Druckfeste Scheibe - Google Patents

Description

Es gibt Fälle, in denen konzentrisch zueinander angeordnete Ringkörper derart abgestützt werden müssen, daß sie sich bei Änderung des Wärmezustandes des sie umgebenden Mittels frei ausdehnen und zusammenziehen können, während die Abstützung fähig sein muß, erhebliche Schübe in axialer Richtung aufzunehmen. So wird z. B. die Fliehkraft der Schaufeln bei Turbinen, die in radialer Strömungsrichtung beaufschlagt werden, vorteilhaft an beiden Schaufelfüßen durch Ringe aufgenommen. Während der eine Ring, genannt Kopfring, frei zwischen den entsprechenden Ringen der benachbarten Schaufelreihen schwebt, wobei er von dem anderen Ring über die Schaufel hinweg in zentrischer Lage gehalten wird, muß dieser andere Ring, genannt Fußring, zentrisch abgestützt werden und außerdem das in der zugehörigen Schaufelreihe erzeugteDrehmoment übertragen.

Hierbei ist es von außerordentlicher Wichtigkeit, daß die zwischen den Kopfringen der benachbarten Schaufelreihen befindlichen Fußringe allen bei Temperaturschwankungen des Antriebsmittels infolge Wärmedehnung auftretenden Veränderungen der Durchmesser ebenso frei und schnell folgen können wie die benachbarten Kopfringe. Jeder Unterschied in den Wärmedehnungen und damit in den Durchmessern führt sofort zur Abnutzung der die Abdichtung bewirkenden feinen Spitzen zwischen den Schaufelringen, wodurch entsprechend vergrößerte Dampfverluste auftreten. Da es sich um Dichtungsspiele in der Größenanordnung von 0,1 bis 0,2 mm handelt, so bedeutet eine Vergrößerung dieser Spiele um 0,1 bis 0,2 mm bereits eine Verdoppelung der Dampfverluste.

Bei radial beaufschlagten Turbinen muß die unter Wahrung dieser Wärmebeweglichkeit der Fußringe erfolgende Abstützung nieht nur das Drehmoment übertragen. ■ Mit der Arbeitsabgabe, welche während der radial gerichteten Strömung entlang der Scheibe fortschreitet, dehnt sich bekanntlich das treibende Mittel aus und verringert seine Spannung! Hierdurch treten Druckunterschiede zwischen den beiden Seiten der Abstützung auf und damit erhebliche Axialschübe,, die von der Abstützung aufgenommen werden müssen, wobei die Abstützung gleichzeitig gegen diese Druckunterschiede abdichten muß.

Schließlich muß noch die Forderung aufgestellt werden, daß Gewicht und Raumbedarf der Abstützung möglichst gering sind, da Gewicht und axiale Länge der umlaufenden Teile in bekannter Weise die Baulänge der Turbine oder die Anzahl der axial hintereinanderschaltbaren Stufen bestimmen (kritische Drehzahl, Lagerabstand). Die Beschränkung von Gewicht und axiale Länge der umlaufenden Teile ist bei freifiiegender Anordnung, die sich bei radial beaufschlagten Turbinen vorteilhaft anwenden läßt, besonders wichtig.

Die Forderungen, die eine solche Abstützung erfüllen muß, sind also Zentrierung der

Ringkörper, Übertragung des Drehmoments der Beschaufelung,- Gewährung ausreichender Wärmebeweglichkeit für die Ringkörper, Aufnahme des. .auftretenden Axialschubes, Ab-S dichtung gegen den auftretenden Druckunterschied, geringes Gewicht der Abstützung und geringe axiale Länge der Abstützung.

Man hat versucht, diesen Forderungen dadurch gerecht zu wenden, daß man die Fußringe durch Einstechen tiefer Nuten in eine entsprechend verdickte Scheibe erzeugte und sie mit der Scheibe aus einem Stück bestehen ließ. Die Forderungen, Zentrierung der Ringkörper, Übertragung des Drehmomentes der Beschaufelung und Abdichtung gegen den auftretenden Druckunterschied, sind mit dieser Anordnung in einfacher und billiger Weise zu erfüllen. Um der Forderung nach Aufnahme des auftretenden Axialschubes nachzukommen, wurde der vollwandig bestehen bleibende Teil der Scheibe so stark bemessen, daß er rechnerisch dem Axialschub ohne Überbeanspruchung Widerstand leisten kann. Die sich hierbei ergebende Dicke der Scheibe beträgt an den hochbeanspruchten Stellen das Vielfache der radialen Dicke der für die Beschaufelung vorgesehenen Fußringe. Immerhin ergeben sich bei nicht zu hohen Beaufschlagungsdrücken bezüglich der Forderungen nach geringem Gewicht der Abstützung und geringer axialer Länge der Abstützung noch erträgliche Verhältnisse. Dagegen erfolgt die Durchiwärmung oder Abkühlung der dicken Scheiben viel langsamer als diejenige der Ringe. Da die Fußringe mit.der wärmeträgen Scheibe aus einem Stück bestehen, können sie den in ihnen auftretenden Wärmespannungen nicht nachgeben, während sich die zwischen ihnen umlaufenden Kopfringe der benachbarten Schaufelreihen frei dehnen. Eine Aufrechterhaltung· der feinen Dichtungsspiele bei betriebsmäßigen Belastungsschwankungen ist daher nicht möglich. Die Erfüllung der wichtigsten Forderung, Gewährung ausreichender Wärmebeweglichkeit für die Ringkörper, muß also aufgegeben werden, so daß eine erhebliche Verschlechterung des Turbinenwirkungsgrades auftritt. Die bekannte Lösung ist zwar in der Herstellung verhältnismäßig wirtschaftlich, ergibt aber keine hochwertige Turbine.

Nun hat man bereits bei radial beaufschlagten Turbinen die Erfüllung der Forderung nach Gewährung ausreichender . Wärmebeweglichkeit für die Ringkörper erreicht, und zwar unter Beibehaltung der vollwandigen Scheiben als Abstützung. Bai dieser Lösung , werden einerseits die Fußringe auf nur einem Durchmesser an den tragenden Scheiben durch dünnwandige, elastisch an Fußring und Scheibe angelenkte Ringe abgestützt und hierdurch vor jeglicher Verformung (die Dehnung durch Fliehkraft ausgenommen) geschützt, andererseits werden, die Scheiben dadurch von der Aufnahme des Axialschubes weitgehend entlastet, daß auf ihrer Rückseite Labyrinthe angeordnet sind, die von Dampf gleichen Druckverlaufs wie in der Beschau-. feiung durchströmt werden. Hiermit ist man tatsächlich den ersten fünf Forderungen gerecht geworden..

Dagegen ist diese Lösung bezüglich der Forderungen nach geringem Gewicht der Abstützungen, geringer axialer Länge der Abstützung durch die Vielzahl der sperrigen, nicht gewichtslosen Teile erheblich belastet. Hinzu treten weitere Nachteile, welche die Wirtschaftlichkeit der Lösung weitgehend verringern. Die gelenkige Abstützung der Fußringe erfordert nämlich die Anfertigung So von zwei zusätzlichen Ringen pro Fußring, die nicht nur jeder an jedem Ende auf genaue Paßdurchmesser gedreht werden müssen, sondern für die auch in Fußring und Scheibe je eine Passung vorzusehen ist. Die zwei Ringe und sechs Passungen je Fußring bedeuten eine erhebliche Steigerung der Herstellungskosten. Bei Anordnung von mehreren axial hintereinander geschalteten Schaufelreihen wird die Ausführung der Entlastung jeder Scheibe durch auf der Rückseite angeordnete Labyrinthe sogar unausführbar, so daß eine solche axiale Hintereinanderschaltung nicht anwendbar ist, ganz abgesehen von der axialen Länige der Abstützung. Schließlich bleibt infolge der hohen Herstellungskosten je Stufe und der Unmöglichkeit, mehrere Schaufelreihen axial hintereinander anzuordnen, die Lösung auf Turbinenbauarten beschränkt, welche durch An-Wendung gegenläufiger Drehkörper die Stuf en ■ zahl der Turbine auf ein Mindestmaß herabsetzen, aber hierbei weitere Verwicklungen (Aufteilung der angetriebenen Maschine) in Kauf nehmen müssen. Die durch die Labyninthe auf der Rückseite der Scheiben entstehenden Dampfverluste sind dabei beträcht-. Hch und treten bei Turbinen mit gegenläufigen Drehkörpern zweimal auf.

Die letztgenannte Lösung ist also bedeu- no tend unwirtschaftlicher in der Herstellung als die erste, und die Ersparnis an Dampfverlusten in der Beschaufelung, welche sich aus der Einhaltung kleinster Dichtungsspiele infolge ausreichender Wärmebeweglichkeit der Fußringe ergibt, wird durch Verwicklung der Bauart erkauft und durch die zusätzlichen Labyrinthverluste fast völlig aufgehoben.

Demgegenüber setzt sich vorliegende Erfindung zur Aufgabe, höchste Wirtschaftlichkeit in der Herstellung mit der Erfüllung sämtlicher Forderungen zu verbinden.

Zum Verständnis der Erfindung muß kurz auf die Beanspruchung von Scheiben, wie sie bei den bisherigen Lösungen Verwendung fanden, eingegangen werden. Derartige Scheiben, die eine größere radiale als axiale Ausdehnung aufweisen, leiten ihren Verformungswiderstand von zwei grundverschiedenen Spannungsarten ab.

Infolge relativer, radialer Verlagerung der ίο Fasern zueinander treten radiale Spannungen in Durchmesserrichtung auf.

Infolge absoluter, radialer Verlagerung der Fasern gegenüber der Entfernung von der Mittelachse, welche die Fasern im unbelasteten Zustande hatten, treten tangential Spannungen in Umfangsrichtung auf.

Der Verlauf beider Spannungen ist grundverschieden. Die radialen Spannungen können die Beanspruchungen nur von einem Durchmesser auf einen anderen Durchmesser übertragen, während die tangentialen Spannungen in sich geschlossen sind und deshalb die Beanspruchungen selbst endgültig aufnehmen. Die tangentialen Spannungen haben andererseits die besondere Eigenschaft, bei gleicher Verformung umgekehrt proportional zum Durchmesser anzuwachsen. Bei großer radialer Ausdehnung eines Ringkörpers nehmen sie also nach innen hin beträchtlich zu. Ist der Ringkörper mit einer Mittelbohrung versehen, so erreichen die auf dem kleinsten Durchmesser, also in der Mittelbohrung auftretenden Tangentialspannungen beträchtliche Werte und werden noch dadurch erheblich erhöht, daß die auf dem äußeren Durchmesser auftretenden Beanspruchungen zum großen Teil durch radiale Spannungen nach innen übertragen werden, örtldch auftretende, hohe Beanspruchungen sind die Folge, und die axialen Wandstärken müssen entsprechend groß bemessen wenden.

In der Einsicht, daß die axiale Ausdehnung (Wandstärke) nicht genügend vermindert werden kann, um die Abstützung bei hinreichender Schubfestigkeit zu befähigen, Wärme ausreichend schnell aufzunehmen und abzugeben, sucht die Erfindung diese Fähigkeit durch entsprechende Verkleinerung der radialen Ausdehnung (Wandstärke) zu erreichen. In der Erkenntnis, daß Ringkörper, die auf zwei verschiedenen Durchmessern abgestützt sind und an den Abstützungen in axialer Richtung durch Schub belastet werden, auch dann noch einen erheblichen Verformungswiderstand behalten, wenn ihre Ausdehnung in radialer Richtung geringer wird als in der Scheibenachsrichtung, besteht die Erfindung darin, daß die Ringkörper in der Radialrichtung weniger ausgedehnt sind als in der Scheibenachsenrichtung, so daß axial auftretende Kräfte im wesentlichen durch in radialer Schichtung innerhalb jeden Ringkörpers angenähert gleichmäßig verteilte Tangentialspannungen aufgenommen werden. Bei derartigen Ringkörpern verschwinden die radial gerichteten Druck- und Zugspannungen praktisch völlig, so daß die für jeden Durchmesser auftretenden Beanspruchungen unmittelbar auf fast gleichem Durchmesser durch Tangentialspannungen aufgenommen werden müssen. Hierdurch tritt eine bisher unerreichte Ausnutzung des Werkstoffes ein, da die Beanspruchungen nicht mehr in radialer Richtung nach einer bereits hoch beanspruchten Stelle des Ringkörpers übertragen werden, sondern sich über die gesamte radiale Ausdehnung des Ringkörpers praktisch gleichmäßig verteilen. Dieser Fortfall der radial gerichteten Zug- und Druckspannungen und die hiermit verbundene gute Verteilung der Tangential.-spannungen ist die Folge der Annäherung von Außen- und Innendurchmesser des Ringkörpers, also der geringen radialen Ausdehnung, da sich die bei gleicher Verformung dem Durchmesser umgekehrt proportionalen Tangentialspannungen bei annähernd gleichen Durchmessern kaum verändern. Die Werkstoffausnutizung wird eine überraschend gute, und es wird möglich, auch bei geringen Wandstärken einen ausreichenden Verformungswiderstand ohne Überbeanspruchung zu erzeugen. Für die Wärmebeweglichkeit ist es hierbei ohne Bedeutung, daß die geringe Ausdehnung der Ringkörper nunmehr in radialer Richtung liegt.

Es liegt in der Eigenart der für schubbelastete Scheiben üblichen Berechnungsart, daß eine solche Erkenntnis nicht in folgerichtiger Weiterentwicklung der bisherigen Erkenntnis gefunden werden konnte.

An und für sich macht es schon Schwierigkeiten, die bisher verwendeten Ringkörper, die eine größere radiale als axiale Ausdehnung aufweisen, unter Berücksichtigung der radialen und tangentialen Beanspruchungen und ihrer gegenseitigen Beeinflussung durch die Querzusammenziehung zu berechnen. Eine solche Berechnung kann nur unter gewissen vereinfachenden Annahmen erfolgen und wird selbst dann noch äußerst verwickelt, xio So wird für Scheiben mit größeren Wandstärken, entsprechend der Bernoullischen Annahme bei der Biegungstheorie des Balkens, die Annahme getroffen, daß alle Punkte der Scheibe, die vorher auf einer zur Mittelebene senkrecht gezogenen Geraden lagen, auch nach der Formänderung noch auf einer Geraden liegen, die der Symmetrie wegen die Symmetrieachse der Scheibe schneiden muß.

Bezeichnet man diese Geraden als elastische Linien parallel zur Scheibenmittelachse, so wird also bei der Berechnung von Scheiben

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angenommen, daß diese elastischen Linien parallel zur Scheibenmittelachse als gerade Linie bestehen bleiben.

Eine solche Annahme ist bed der Berechnung von Ringkörpern, die eine geringere Ausdehnung in Radial richtung als in Axialrichtung besitzen, völlig unzutreffend. Der Spannungsverlauf ist hier ein derart verschiedener, daß der tatsächliche Verlauf der elastischen Linien parallel zur Scheibenmittelachse einen grundlegenden Einfluß ausübt und eine neue Theorie abgeleitet werden muß, bevor eine Abschätzung des zu erwartenden Verformungswiderstandes und der auftretenden Beanspruchungen vorgenommen werden konnte. Die Ableitung der neuen Theorie, zu der die neue Erkenntnis anregte, bestätigte nachträglich die Richtigkeit der Erkenntnis. • Auch die Berechnungstheorie der sich bei dem Aufbau einer druckfesten Scheibe aus den neuen Bauteilen unter der gegenseitigen Beeinflussung der Ringkörper und Verbindungen ergabenden Beanspruchungen mußte entwickelt werden, bevor die Richtigkeit der neuen erfinderischen Erkenntnis zu beweisen war. Es ergab sich, daß die radialen Wandstärken der Ringkörper und die axialen Wandstärken der verhältnismäßig kurzen Verbindungen genügend klein gewählt werden können, um eine ausreichende Wärmebewegldchkeit der so gebildeten Scheibe zu sichern.

In ihrer Anwendung auf radial beaufschlagte Turbinen macht die Erfindung schließlich einen letzten Schritt zur äußersten Vereinfachung· des Aufbaues, indem sie die Fußringe der Beschaufelung als Bauteile für die schubfeste Scheibe verwendet, wobei, wie beschrieben, ihr Verformungswiderstand gegenüber axialen Schüben, welche an zwei verschiedenen Durchmessern angreifen, durch elastische Abstützung der Fußringe gegeneinander zur Versteifung der so gebildeten Scheibe ausgenützt wird. Ein solcher Aufbau erfüllt alle aufgestellten Forderungen in ausreichendem Maße; insbesondere werden Gewichte und axiale Länge der Abstützung bei niedrigsten Herstellungskosten auf ein Maß verringert, welches bisher für unmöglich gehalten wurde. Weiterhin ist ausreichende Wärmebeweglichkeit der Ringkörper dadurch gesichert, daß alle Teile wenigstens . in einer Richtung (entweder in radialer oder in axialer) eine gegebene Größtstärke nicht überschreiten, so daß der gesamte Aufbau den Temperäturschwankungen genügend schnell folgt und sich alle Teile gleichzeitig dehnen können. ■

Die AusbHdung der Scheibe aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten, untereinander gelenkig verbundenen Ringkörpern kann in der verschiedensten Art und Weise getroffen werden. Unter gelenkiger Verbindung ist dabei jede Verbindung verstanden, die einerseits die druckdichte Verbindung der einzelnen Ringe untereinander gewährleistet, während sie andererseits ausreichende Verformung der einzelnen Ringkörper zuläßt. Eine derartige Verbindung ist beispielsweise dann vorhanden, wenn die einzelnen Ringkörper getrennt voneinander ausgebildet, aber z. B. über ringartige Ansätee miteinander verklammert sind.. Eine bezüglich der Herstellung einfachere Ausführungsform ergibt sich jedoch, wenn die einzelnen Ringkörper durch dünnwandige Zwischenstege miteinander verbunden werden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß derartige dünne Zwischenstege zwischen den einzelnen Ringkörpern genügend elastisch sind und doch genügend fest bemessen werden können, um die auftretenden Verformungen und Beanspruchungen aufzunehmen. Ist die axiale Wandstärke der Zwischenstege gleich oder kleiner wie die radiale Wandstärke der Ringkörper, so ist auch die Bedingung genügender Wärmebeweglichkeit der Zwischenstege erfüllt.

Da der Verformungswinkel der Ringkörper stetig ansteigen niuß, um Überbeanspruchungen in den Verbindungsstegen zu vermeiden, muß hierbei der Ringkörper, der an dem kraftübertragenden Organ (Welle, Trommel, Gehäuse oder Zwischenstück) befestigt ist, eine radiale Dicke und axiale Länge aufweisen, bei welcher der am Fuß des Steges auftretende Verformungswinkel unter Belastung etwa ebenso groß ist wie der an dieser Stelle auftretende Verformungswinkel des unmittelbar benachbarten Ringkörpers.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung unter starker Verzerrung zur Sicht- too barmachung der Verformung unter Belastung beispielsweise ziwei Ausführungen des Erfindungsgedankens für innen befestigte Scheiben. Gemäß Abb. 1 besteht die druckfeste Scheibe aus mehreren getrennt voneinander ausgebildeten, konzentrisch zueinander angeordneten und untereinander gelenkig verbundenen Ringkörpern 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8. Den Ausführungsbeispielen sind dabei die Verhältnisse zugrunde gelegt, wie sie beispielsweise bei radial beaufschlagten Turbi- . nen auftreten können. Der Druck fällt auf der Eintrittsseite des Arbeitsmittels von der Spannung P₁ innen auf die Spannung p₂ außen ab, während er auf der anderen Seite von der Spannung p₂ außen auf die Spannung p₃ innen weiter absinkt. Bei einer derartigen Druckverteilung bildet sich die gezeichnete Verformung der Ringkörper 1 bis 8 heraus. Man erkennt, daß die Ringe dnfolge der gegenseitigen gelenkigen Abstützung über die ringförmigen Ansätze 9 bis 19 der Durchbiegung

durch den einseitigen überdruck Widerstand entgegensetzen, ohne daß es einer zusätzlichen Abstützung der Ringkörper bedarf. Zum gleichen Ergebnis kommt man durch die S Festigkeitsnachrechnung mit Hilfe der neu entwickelten Theorie.

Abb. 2 zeigt eine gegenüber Abb. ι vereinfachte Ausführungsform, wobei dem Verformungsbild dieselben Druckverhältnisse

ίο unterlegt worden sind wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Die gelenkige Verbindung ist bei dieser Ausführungsform in einfachster Weise durch dünnwandige Zwischenstege hergestellt worden, die sowohl die druckdichte Verbindung der einzelnen Ringkörper gewährleisten als auch elastisch und fest genug sind, um die auftretenden Verformungen und Beanspruchungen aufzunehmen. Das Ausführungsbeispiel zeigt dabei eine Verlegung der Stegfüße 25 bis 32 in die Mitte der Ringkörper 20 bis 24. Diese Ausbildung hat den besonderen Vorteil, daß beim Umlauf der Scheibe die Fliehkräfte keine zusätzlichen Verdrehungskräfte erzeugen. Im Wesen der Erfindung liegt jedoch dieses Merkmal nicht; die Füße der Stege können ebenso einseitig zu den Ringkörpern oder sogar an deren Enden liegen, insbesondere bei feststehenden Scheiben. Hierbei kann der mittlere Druck an beiden Seiten verschieden sein, ohne daß der Druck selbst stetig abfällt; der Druck kann z. B. auf einer Seite gleichbleiben und nur auf einer Seite abfallen.

Um Überbeanspruchungen in den Verbindungsstegen>33 bis 36 zu vermeiden, muß der innerste Ringkörper 20, der auf die kraftübertragende Welle 37 abgestützt ist, eine radiale Dicke und axiale Länge aufweisen, bei der der an der Wurzel 25 des Steges 33 unter Belastung auftretende Verformungswinkel etwa ebenso groß ist wie der an dieser Stelle auftretende Verformungswinkel des benachbarten Ringkörpers 21, obwohl die Enden des innersten Ringkörpers unter Vorspannung

45, oder auf andere Weise auf der Welle befestigt sind und deshalb keine freie Bewegungsmöglichkeit besitzen. Durch Bemessung der axialen Wandstärke der Zwischenstege gleich oder kleiner wie die radiale Wandstärke der Ringkörper wird eine ungehinderte Erwärmung der letzteren und eine freie Ausdehnungsmöglichkeit gesichert.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   ' i. Schubfeste Scheibe, insbesondere für Maschinen mit radialströmendem Arbeitsmittel, die aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten und auf zwei verschiedenen Durchmessern gelenkig abgestützten Ringkörpern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkörper in der Radialrichtung weniger ausgedehnt sind als in der Scheibenachsenrichtung, so daß axial auftretende Kräfte im wesentlichen durch in radialer Schichtung innerhalb jeden Ringkörpers angenähert gleichmäßig verteilte Tangentialspannungen aufgenommen werden.
2. 2. Schubfeste Scheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkörper durch in Ouerebenen zur Scheibenachse liegende Zwischenstege miteinander verbunden sind.
3. 3. Schubfeste Scheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkörper durch Zwischenstege, mit denen sie aus einem Stück bestehen, untereinander verbunden sand.
4. 4. Schubfeste Scheibe nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Wandstärke der Zwischenstege etwa gleich ist der radialen Wandstärke der Ringkörper oder wenig von ihr abweicht.
5. 5. Schubfeste Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper, der an dem kraftübertragenden Organ befestigt ist, eine radiale Dicke und axiale Länge aufweist, bei der der an dem Fuß des Steges unter Belastung auftretende Verformungswinkel etwa ebenso groß ist wie der an dem anderen Ende desselben Steges unter dem Einfluß des benachbarten Ringkörpers auftretende Verformungswinkel.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen