DE564477C

DE564477C - Vorrichtung zur Kuehlung der Schaufeln von Brennkraftturbinen durch Waermeabfuhr ausdem Schaufelfuss ueber in demselben liegende kuehlmitteldurchflossene Organe

Info

Publication number: DE564477C
Application number: DEH130006D
Authority: DE
Original assignee: E H HANS HOLZWARTH DR ING
Current assignee: E H HANS HOLZWARTH DR ING
Priority date: 1931-12-29
Filing date: 1931-12-29
Publication date: 1932-11-19
Also published as: DE597556C

Description

Es ist im Brennkraftmaschinenbau versucht worden, die Kühlung der Schaufeln durch Wärmeabfuhr aus· dem Schaufelfuß vorzunehmen, indem die Kühlwanne auf ein mit dem Schaufelfuß wärmeleitend verbundenes, kühlmitteldurchflossenes Einsatzorgan des Schaufelträgers übertragen wurde; das kühlmitteldurchflossene Organ lag dabei in dem durch Gabelung der Schaufelfüße entstandenen Zwischenraum. Der durch die Fliehkraft entstehende hohe Kühlmitteldruck bewirkte selbsttätig eine gute, wärmeleitende Anlage der weichen, schmiegsamen Wandungen des z. B. aus Kupfer bestehenden Kühlrohres an die Schaufelfüße. Durch Ausfüllung der Fuge zwischen Kühlrohr und Schaufelfüßen mit Lot oder durch Verschweißung derselben konnte einerseits eine Überbeanspruchung des Kühlrohrwerkstoffes bei der Dehnung durch den hohen Kühlmitteldruck bis zur völligen Anlage der Rohrwandungen an die Schaufelfüße beseitigt und andererseits eine unmittelbare metallische Verbindung zwischen den an der Wärmeabfuhr beteiligten Teilen geschaffen werden.

Zu gewissen Schwierigkeiten führte bei diesen Vorschlägen jedoch die Kühlmittelzu- und -abführung. Wird sie beispielsweise durch Verwendung hahnkükenartiger Kegelbolzen vorgenommen, die in Bohrungen des Laufradkranzes und der Warzen des Kühlrohres dichtend eingetrieben und in ihrer Lage festgehalten werden, so unterliegen derartige lösbare Verbindungen stets der Gefahr der Undichtigkeit, so daß beispielsweise als Kühlmittel verwendetes Wasser austreten und zu einem Abschrecken der Schaufeln bzw. zur Korrosion derselben, wenn sie stark eisenhaltig sind, führen würde. Man kann zwar diese Gefahr durch Sicherungen auf ein praktisch nicht mehr in Betracht kommendes Maß einschränken; in jedem Falle aber ist eine unlösbare Verbindung besser wie jede noch so gut gesicherte, lösbare Verbindung. Außerdem hat die geschilderte Ausbildung der Kühlmittelzu- und -abführung den Nachteil, daß der Laufradkranz mehrere Ouerbohrungen zur Einführung der hahnkükenartigen Kegelbolzen erhalten muß, so daß eine gewisse Schwächung des Radkranzes eintritt.

Vorliegende Erfindung setzt sich zur Aufgabe, diese Schwierigkeiten und Nachteile durch eine Ausbildung und Anordnung des kühlmitteldurchflossenen Organs zu erreichen, bei der alle lösbaren Verbindungen fortfallen und eine seitliche Durchbohrung und damit Schwächung¹ der Radkranzwangen entbehrlich wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das kühlmitteldurchflossene j Organ vom Schaufelträger selbst gebildet j wird. Beide Teile bestehen also aus einem Stück, so daß Verbindungsmittel und demgej maß auch lösbare Verbindungsmittel zwischen beiden Teilen nicht mehr auftreten; aus dem gleichen Grunde fallen die seitlichen Durch-

bohrungen der Radkranz wangen weg; das vom Schaufelträger selbst gebildete kühlmitteldurchflossene Organ kann unmittelbar durch Bohrungen in demselben mit dem Kühlmittel vorratsbehälter bzw. einer Druck- oder Saugpumpe in Verbindung stehen.

In weiterer Durchführung der Erfindung kann das im Schaufelfuß liegende kühlmitteldurchflossene Organ von zwei Ringkränzen ίο in der Schaufelrinne gebildet werden, deren Kämme dichtend miteinander verbunden sind. Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn die Ringkränze durch Umbiegen des freien Teiles eines oder beider Ringkränze mittels einer einzigen Verbindungsnaht, beispielsweise einer Lot- oder Schweißnaht, miteinander vereinigt sind.

Erhebliche Vorteile entstehen, wenn die eingebauten Schaufeln unter sich mit den die Schaufelrinne begrenzenden Radkranzwangen und mit den Wandungen des kühlmitteldurchflossenen Organs oder einzelne dieser Teile miteinander fest verbunden, beispielsweise verlötet oder verschweißt sind. In diesem Falle bilden beide Wangen durch Vereinigung mit den Schaufelfüßen einen rohrartigen Körper, der die Festigkeitseigenschaften eines aus einem Stück bestehenden Rohrkörpers gleichen Querschnittes aufweist. Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens, und zwar gibt

Abb. ι einen senkrechten Querschnitt durch den Radkranz vor Bildung,

Abb. 2 einen Querschnitt nach Bildung des kühlmitteldurchflossenen Organs und nach Einbau der Schaufeln wieder.

Abb. 3 zeigt einen senkrechten Längsschnitt in Radmittenebene durch den Schaufelkranz mit eingebauten Schaufeln, während schließlich

Abb. 4 einen waagerechten Schnitt durch den Schaufelkranz nach Linie IV-IV der Abb. 3 wiedergibt.

Die Abb. 5 und 6 zeigen schematische Darstellungen über die Festigkeitsverhältnisse bei erfindungsgemäß ausgebildeten Schaufelkränzen.

In allen Abbildungen bezeichnet ι den Lauf radkranz, aus dessen Werkstoff die Ringkränze 2 in der Schaufelrinne 12 herausgearbeitet sind. Wie Abb. 2 zeigt, werden die freien Teile beider Ringkränze nach der Radmittenebene zu umgebogen und durch die einzige Lot- oder Schweißnaht 13 dichtend miteinander verbunden. Hierauf werden in üblicher Weise durch eine oder mehrere nicht gezeichnete Füllstellen die Schaufeln 5 eingeführt und an ihren Platz geschoben. Die Schaufelfußzinken 6 umgeben dabei das kühlmitteldurchflossene Organ 2, 13 eng anliegend an seinen äußeren Flanken; sie füllen den verbleibenden Raum der Schaufelrinne 12 zwischen den Schaufelkranzwangen 4 des Laufradkranzes 1 vollständig aus. Die Schaufelfußzinken 6 tragen Schultern 7, über welche sie sich an gleichartig ausgebildete Schultern 7' des Laufradkranzes zur Aufnahme der Fliehkräfte fest anlegen. Zu dem gleichen Zweck können auch andere Vorrichtungen dienen, beispielsweise die bekannte zahnartige Ausbildung der Schaufelfüße.

Nach dem Einbau der Schaufeln werden die Fugen zwischen den Schaufelfußzinken 6 und den Wangen 4, die Fugen zwischen den Schaufelfußzinken 6 und äußeren Flanken des kühlmitfeldurchflossenen Organs 2, 13 sowie die Fugen 11 zwischen den einzelnen Schaufeln 5 durch Verschweißung oder Verlötung ausgefüllt und dadurch der Radkranz 1 mit den Schaufelfußzinken 6 und den Teilen 2 und 4 zu einem festen Ganzen verbunden. Im Wesen der Erfindung liegt es naturgemäß, daß man auch nur einzelne dieser Fugen verlötet oder verschweißt, wenn beispielsweise geringere Beanspruchungen auftreten. Die Verlötung erfolgt am zweckmäßigsten in einer Wasserstoffatmosphäre, in der bekanntlich bei genügender Aufheizung der zu verlötenden Teile ein selbsttätiges Eindringen des Lotmittels zwischen die Fugen durch Kapillarwirkung eintritt.

Abb. 3 zeigt die Zu- und Abführung des Kühlmittels durch den Schaufelträger 1, 4. Vor dem Umbiegen der Ringkränze 2 werden in den Hohlraum 3 des kühlmitteldurchflossenen Organs Trennwände 8 eingesetzt und beispielsweise durch Verlötung oder Verschweißung befestigt. Diese Querwände 8 teilen den Hohlraum 3 in eine oder mehrere Abteilungen. Eine oder entsprechend dieser Unterteilung mehrere Zuflußbohrungen 9 und Abflußbohrungen 10 im Schaufelträger vermitteln den Durchfluß des Kühlmittels durch den Hohlraum 3 oder seine verschiedenen Abteilungen. Dadurch entsteht ein Kühlmittelkreislauf oder mehrere Kreisläufe des Kühlmittels, über welche die Wärmeabfuhr aus den Schaufelfüßen und damit aus den Schaufeln bewirkt wird. In an sich bekannter Weise können die Bohrungen 9 und 10 zu einer Zentralbohrung des Schaufelträgers geführt werden, über die sie mit Kühlmittel versorgt werden bzw. über die das aufgeheizte Kühlmittel abgezogen wird.

Abb. S zeigt in schematischer Darstellung die Verhältnisse, die eintreten, wenn die Schaufeln untereinander und mit den Radkranzwangen 4 bzw. mit dem kühlmitteldurchflossenen Organ 2, 13 zu einem starren Ganzen verbunden werden, während Abb. 6 dieselben A^erbältnisse im Falle der Nichtver-

bindung der Teile darstellt. Man erkennt, daß im Falle der Abb. ι der Schaufelkranz mit den eingebauten Schaufeln als ein unter dem Innendruck des Kühlmantels stehendes dickwandiges Rohr aufgefaßt werden kann, welches der Formgebung der Teile entsprechend etwa im Kreise gebogen ist. Dagegen ähneln die Verhältnisse im Falle der Nichtverbindung der Teile einem längsweise aufgeschnittenen Rohr, wie dies Abb. 6 veranschaulicht. Das Verhältnis der Festigkeitseigenschaften des nicht verlöteten oder verschweißten Radkranzes zu denen des zu einem festen Ganzen verlöteten oder verschweißten Radkranzes wird also ungefähr das gleiche sein wie das Verhältnis der Festigkeitseigenschaften der Vergleichsrohre. Bezeichnet man mit R den Außenradius in cm, r den Innenradius in cm, ρ den Innendruck in atü, bt die Tan-

■>.<> gentialspannung in kg/cm², W das Widerstandsmoment in cm³ der Rohrwand auf 1 cm Länge, δ die höchste Biegungsbeanspruchung des längs aufgeschnittenen Rohres in kg/cm², und nimmt man R = 6 cm, r = 2 cm und

as /> = 200 atü an, so ergibt sich die größte Tangentialspannung des unter dem Innendruck stehenden dickwandigen Rohres

β, =-- o,3 ρ + ßi^r (^

0,7j

(K r u e g e r , Zeitschr. d. VDI 28. 8. 1909). Aus den angegebenen Zahlenwerten ergibt sich aus dieser Formel eine Beanspruchung von 370 kg/cm². Dagegen ist beim ausgeschnittenen Rohr gleicher Abmessung und gleichen Innendruckes die Höchstspannung

ο ~™

r)

2ΪΓ

Setzt man in diese Formel die Zahlenwerte ein, so ergibt sich eine Beanspruchung von 1200 kg/cm². Die größte Beanspruchung ist also beim aufgeschnittenen Rohr 3,25mal so groß wie beim unverletzten Rohr. In entsprechendem Maße vermindern sich also die Beanspruchungen der Radkranzwangen im Falle der Verbindung von Schaufeln, Wangen und gegebenenfalls kühlmitteldurchflossenem Organ gegenüber den Beanspruchungen der Radkranzwangen im Falle der Xichtverbindung dieser Teile. Da die Laufradscheibendicke von den Radkranzabmessungen abhängig ist, kann das gesamte Laufrad und damit auch die Laufradwelle bei Zulassung der gleichen Beanspruchungen maßgeblich gegenüber einer Ausbildung verkleinert werden, bei der die Schaufeln, Wangen und kühlmitteldurchflossenes Organ nicht zu einem starren Ganzen vereinigt sind. Die Verbindung hat den weiteren Vorteil, daß kleine Undichtigkeiten der Schweißnaht 13 durch die den Abschluß nach außen besorgenden, abdichtenden Schweißnähte zwischen den Schaufeln und Radkranzwangen ungefährlich werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Kühlung der Schaufeln von Brennkraftturbinen durch Wärmeabfuhr aus dem Schaufelfuß über in demselben liegende kühlmitteldurchflossene Organe, dadurch gekennzeichnet, daß das kühlmitteldurchflossene Organ vom Schaufelträger selbst gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Schaufelfuß liegende kühlmitteldurchflossene Organ von zwei Ringkränzen in der Schaufelrinne gebildet wird, deren Kämme dichtend miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkränze durch Umbiegen des freien Teiles eines oder beider Ringkränze, insbesondere zur Radmittenebene zu, mittels einer einzigen Verbindungsnaht, vorzugsweise einer Schweiß- oder Lötnaht, miteinander vereinigt sind.

4. Vorrichtung nach einem der An-Sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebauten Schaufeln unter sich mit den die Schaufelrinne begrenzenden Radkranzwangen und mit den äußeren Flanken des kühlmitteldurchflossenen Organs oder wenigstens einzelne dieser Teile untereinander fest verbunden, vorzugsweise verlötet oder verschweißt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen