DE592204C

DE592204C - Shear-resistant disc

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Publication number: DE592204C
Application number: DEM121019D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1932-09-11
Filing date: 1932-09-11
Publication date: 1934-02-03

Description

Bei schubfesten Scheiben,' welche aus konzentrischen, durch Zwischenstege in radialer Richtung fest verbundenen Ringkörpern aufgebaut sind, werden durch. axial auftretende Kräfte auf die einzelnen Ringkörper Biegungsbeanspruchungen ausgeübt, die von den Ringkörpern selbst aufgenommen werden. Auf diese Weise tritt eine außergewöhnlich günstige Beanspruchungsverteilung ein, und es können mit kleinen Wandstärken große axiale Kräfte beherrscht werden. Es gibt jedoch Fälle, wo ungewöhnlich große Axialkräfte aufgenommen werden müssen oder wo außerordentlich dünne Wandstärken bei an sich beträchtlichen Axialkräften einzuhalten sind. Schließlich tritt häufig die Forderung auf, mit möglichst kleiner axialer Baulänge auszukommen, wodurch die Ringkörper an Festigkeit einbüßen.In the case of shear-resistant disks, which consist of concentric ones, through intermediate webs in radial ones Direction firmly connected ring bodies are built by. axially occurring Forces exerted on the individual ring bodies bending stresses by the ring bodies be recorded yourself. In this way an extraordinarily favorable stress distribution occurs, and it can With small wall thicknesses, large axial forces can be mastered. However, there are cases where unusually large axial forces must be absorbed or where extremely thin Wall thicknesses must be adhered to in the case of considerable axial forces. Eventually occurs often the requirement to get along with the smallest possible axial length, whereby the Ring body lose strength.

Die vorliegende Erfindung will eine Lösung angeben, wie in den geschilderten Fällen die Festigkeit der Scheibe gegen Druck oder Schub gesteigert werden kann. Der Weg der Lösung besteht darin, daß die mit den Ringkörpern in radialer Richtung fest verbundenen, im wesentliehen radial gerichteten Zwischenstege auch im unbelasteten Zustand eine in axialer Richtung gegeneinander versetzte Lage haben.The present invention aims to provide a solution, as in the cases described Strength of the disc against pressure or thrust can be increased. The way of the solution consists in the fact that the ring bodies firmly connected in the radial direction, essentially radially directed intermediate webs also in the unloaded state one in the axial direction have staggered positions.

Es ist bekannt, druckbelasteten Scheiben zur Erhöhung ihrer Festigkeit eine kegelige oder parabolische, d.h. geneigte Gestalt zu geben. Die Erhöhung der Festigkeit gegen Axialkräfte beruht hierbei darauf, daß infolge der Neigung der Scheibenebene bei Verformungen Änderungen im Durchmesser auftreten, welche Radialspannungen ihre Entstehung ver-•danken und Tangentialspannungen hervorrufen. Die so entstehenden Tangentialspannungen verhüten eine weitergehende Verformung und nehmen die durch die Axialkräfte entstehenden Beanspruchungen auf.It is known to give pressure-loaded disks a conical shape to increase their strength or parabolic, i.e. inclined, shape. Increasing the strength against Axial forces are based on the fact that, due to the inclination of the plane of the disk, deformations occur Changes in the diameter occur which owe their origin to radial stresses and cause tangential stresses. The resulting tangential stresses prevent further deformation and absorb the stresses caused by the axial forces.

Ähnliche Verhältnisse treten auch bei Neigung der Zwischenstege nach vorliegender Erfindung auf. Sie sind aber nur eine verhältnismäßig unwichtige Nebenerscheinung und können der Scheibe keine merkliche Erhöhung der Schubfestigkeit erteilen. Bei der für die Durchführung der vorliegenden Erfindung vorteilhaftesten Ausführungsform, bei welcher die Neigung der Zwischenstege so gerichtet ist, daß sie unter Belastung an den Stoßstellen von Ringkörpern und Zwischenstegen die großen Durchmesser zu verringern, die kleineren zu vergrößern bestrebt ist, und bei welcher vorzugsweise die Zwischenstege einseitig zu den Ringkörpern angeordnet werden, tritt sogar hierdurch eine Vergrößerung der größten Tangentialspannungen an den freien Enden der Ringkörper auf.Similar conditions also occur when the intermediate webs are inclined according to the present invention on. But they are only a relatively unimportant by-product and can do that Disc do not give a noticeable increase in shear strength. At the for the implementation of the present invention most advantageous embodiment, in which the inclination of the Intermediate webs are directed so that they are under load at the joints of ring bodies and spacers to reduce the large diameters, to enlarge the smaller ones strives, and in which preferably the intermediate webs on one side to the ring bodies are arranged, this even results in an increase in the greatest tangential stresses at the free ends of the ring body.

Die vorteilhafte Wirkung der Anordnung nach vorliegender Erfindung beruht auf ganz neuen Erkenntnissen und Wirkungen, welche durch den Aufbau der aus Ringkörpern und Zwischenstegen bestehenden Scheibe bedingt sind und deshalb für anders aufgebaute kegelige oder parabolische Scheiben keine Geltung haben oder wenigstens nicht in einem praktisch in Betracht kommenden Maße. Wie anfangs erwähnt, erfolgt die Aufnahme von Axialkräften bei Scheiben, welche aus konzentrischen,The advantageous effect of the arrangement according to the present invention is based on entirely new knowledge and effects, which through the construction of the ring bodies and Intermediate webs existing disc are conditional and therefore for differently constructed conical or parabolic disks have no validity or at least not in a practically in Considerable dimensions. As mentioned at the beginning, axial forces are absorbed for panes consisting of concentric,

durch Zwischenstege verbundenen Ringkörpern aufgebaut sind, durch auf die Ringkörper ausgeübte Biegungskräfte. Die Erfindung will die Zwischenstege derart anordnen, daß diese Biegungskräfte verkleinert werden. Sie macht sich zu diesem Zwecke die Tatsache zunutze, daß infolge der starken Bemessung der Ringkörper gegenüber den kleinen Zwischenstegen bei unterschiedlicher Ausdehnung der Ringkörper verhältnismäßig hohe Radialspannungen in den Zwischenstegen auftreten, hoch gegenüber den aus dem gleichen Grund in Scheiben normaler Bauart auftretenden Radialspannungen. (Zur Vermeidung von Mißverständnissen t5 sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die hohen, radial gerichteten Biegungsbeanspruchungen, die bei schubbelasteten Scheiben normaler Bauart auftreten, für diese Betrachtung keine Bedeutung haben.) In weiterer Ausbildung der Erfindung werden mit Hilfe dieser verhältnismäßig hohen Radialspannungen dadurch Biegungskräfte auf die Ringkörper ausgeübt, daß die Angri Ispunkte der Zwischenstege an den Ringkörpern gegeneinander versetzt werden. Praktisch wird diese Versetzung dadurch am einfachsten erreicht, daß die die Ringkörper verbindenden Zwischenstege im unbelasteten Zustand eine gegenüber der radialen Richtung geneigte Lage haben. Wie erwähnt, treten die Radialspannungen dann auf, wenn die Ringkörper sich unterschiedlich ausdehnen. Dieser Fall tritt z. B. ein, wenn Scheiben der betrachteten Bauart umlaufen. Die unter der Fliehkraft in geschlossenen Ringen auftretenden Spannungen wachsen bekanntlich mit dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit, d. h. bei gegebener minutlicher Drehzahl mit dem Quadrat des mittleren Durchmessers. Den Spannungen sind die ίο Ausdehnungen verhältnisgleich, wodurch entsprechend den Durchmesserunterschieden in ■den einzelnen Ringkörpern das Bestreben zu verschiedener Ausdehnung auftritt. Aber auch bei feststehenden Scheiben können derartige Ausdehnungsunterschiede hervorgerufen werden, z. B. durch Temperaturunterschiede. Solche Temperaturunterschiede zwischen den Ringkörpern treten beispielsweise auf, wenn Scheiben der betrachteten Bauart als Träger radial beaufschlagter Schaufelreihen von Gas- und Dampfturbinen dienen, da sich in derartigen Beschauflungen das Treibmittel innerhalb der Beschauflung durch Ausdehnung unter Arbeitsabgabe fortlaufend abkühlt. ring bodies connected by intermediate webs are built up by exerted on the ring bodies Bending forces. The invention aims to arrange the intermediate webs in such a way that these bending forces are reduced. she makes for this purpose use the fact that due to the strong dimensioning of the ring body compared to the small intermediate webs with different expansion of the ring body relatively high radial stresses occur in the intermediate webs, high compared to the radial stresses that occur in disks of normal construction for the same reason. (In order to avoid misunderstandings t5 it is expressly pointed out that the high, radially directed bending stresses that occur with shear loaded discs normal construction occur, have no meaning for this consideration.) In further Training of the invention are with the help of these relatively high radial stresses thereby bending forces exerted on the ring body that the attack I points of the intermediate webs are offset against each other on the ring bodies. This transfer becomes practical the easiest way to achieve this is that the intermediate webs connecting the annular bodies in the unloaded state have an inclined position relative to the radial direction. As mentioned, the radial stresses occur then on when the ring bodies expand differently. This case occurs e.g. B. a if Rotate panes of the type under consideration. The under centrifugal force in closed It is well known that the stresses occurring in rings increase with the square of the circumferential speed, d. H. at a given minute speed with the square of the mean Diameter. The ίο expansions are proportional to the tensions, which means accordingly the diameter differences in ■ the individual ring bodies the endeavor different expansion occurs. But even with fixed panes such Expansion differences are caused, z. B. by temperature differences. Such Temperature differences between the ring bodies occur, for example, when discs of the type under consideration as a carrier of radially acted blade rows of gas and Steam turbines are used because the propellant is in such blading within the Blading cools continuously by expanding with work output.

Insbesondere hat es sich bei den durch das Hinzutreten der Fliehkraft besonders hoch beanspruchten umlaufenden Scheiben herausgestellt, daß die durch die auftretenden Axialkräfte und Fliehkräfte auf die Ringkörper ausfio geübten Biegungskräfte dann eine Verminderung erfahren, wenn die Stoßstellen zwischen Stegen und Ringkörpern mit abnehmendem Durchmesser gegenüber der radialen Ebene in der Richtung auf diejenigen Ringkörperenden verlegt werden, welche unter der Belastung die stärkste Durchmesservergrößerung erleiden. Durch eine solche Verlegung der Stoßstellen ist also eine Verringerung der Beanspruchungen zu erreichen.In particular, it has been particularly high in the case of the addition of centrifugal force claimed revolving disks that the axial forces that occur and centrifugal forces exerted bending forces on the ring body then cause a reduction experience when the joints between webs and ring bodies with decreasing diameter Relocated to the radial plane in the direction of those ring body ends which suffer the greatest increase in diameter under the load. By relocating the joints in this way, there is a reduction in the stresses to reach.

Bei der Verwendung von Scheiben der betrachteten Bauart als Träger radial beaufschlagter Schaufelreihen ergibt es sich als vorteilhaft, die Zwischenstege an einem Ende der Ringkörper anzuordnen, so daß die Rückseite der Scheiben möglichst glatt ausfällt und eine möglichst geringe Oberfläche aufweist. Hierdurch wird der schädliche Wärmeaustausch zwischen den Treibmittelmengen auf beiden Seiten der Scheibe maßgeblich vermindert. Um diesen Vorteil auch bei einem Scheibenaufbau nach vorliegender Erfindung zu erreichen, wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Rückwand der Scheibe mit einer glatten kegelförmigen oder parabolischen Begrenzungsfläche zu versehen. Werden in bekannter Weise mehrere solcher radial beaiifschlagte Schaufelgruppen tragender Scheiben axial hintereinandergeschaltet, so entsteht hierbei der weitere Vorteil, daß bei der Rückführung des aus einer Schaufelgruppe außen austretenden Treibmittels nach der Mitte zu zwecks Eintritts in die innerste Schaufelreihe der nächsten Schaufelgruppe zwischen den kegelig gestalteten Rückseiten der Scheiben ein gleichbleibender oder langsam sich verengender Querschnitt für den Durchfluß geschaffen werden kann, so daß ungewollte Geschwindigkeitsänderungen und Wirbelbildungen vermieden werden können.When using disks of the type under consideration as a carrier, radially loaded Rows of blades, it is advantageous to arrange the intermediate webs at one end of the ring body, so that the back the panes are as smooth as possible and have the smallest possible surface area. This eliminates the harmful heat exchange between the propellant quantities on both Sides of the disc significantly reduced. To this advantage even with a pane structure to achieve according to the present invention, is in a further embodiment of the invention suggested the rear wall of the disc with a smooth conical or parabolic boundary surface to be provided. Are several such in a known manner radially acted groups of blades of bearing disks are arranged axially one behind the other, this is how here the further advantage that when returning the from a blade group propellant escaping from the outside towards the center for the purpose of entering the innermost row of blades of the next group of blades between the conically shaped rear sides of the discs a constant or slowly narrowing cross-section created for the flow can be, so that unwanted changes in speed and vortex formation can be avoided.

Um bei derartiger Ausbildung der Scheiben als Schaufelträger einen vorteilhaft genau radial nach außen gerichteten Schaufelkanal zu erhalten, ist es zweckmäßig, daß die axiale Länge der Ringkörper mit wachsendem Durchmesser zunimmt. Die größere Länge der Ringkörper setzt hierbei gleichzeitig in vorteilhaftester Weise die mit größerer Umfangsgeschwindigkeit anwachsenden Beanspruchungen herab.With such a design of the disks as a blade carrier, an advantageously exactly radial To obtain outwardly directed blade channel, it is appropriate that the axial length the ring body increases with increasing diameter. The greater length of the ring body at the same time sets in the most advantageous manner those with a higher peripheral speed increasing stresses.

Die Abbildungen geben beispielsweise Ausführungen von Scheiben nach der Erfindung "» wieder.The figures show, for example, designs of discs according to the invention "» again.

Die Abb. 1 zeigt als Beispiel einen senkrechten Schnitt durch zwei axial hintereinandergeschaltete Gruppen von radial beaufschlagten Dampfturbinenschaufeln, welche durch Scheiben nach vorliegender Erfindung getragen werden.As an example, Fig. 1 shows a vertical section through two axially connected one behind the other Groups of radially acted steam turbine blades carried by disks according to the present invention will.

Die Abb. 2 gibt eine der gemäß der Erfindung ausgeführten Scheiben der Abb. 1 in größerem Maßstabe wieder, wobei die axiale Versetzung der Stoßstellen zwischen Ringen und Stegen durch Schrägstellung der Stege erreicht ist.Fig. 2 shows one of the discs of Fig. 1 made according to the invention in a larger format Scale again, with the axial offset of the joints between rings and webs is achieved by inclining the webs.

Die Abb. 3 veranschaulicht eine Scheibe der gleichen Art wie in Abb. 2 mit dem Unterschied, daß die Stege in genau radialer Richtung verlaufen, wodurch die axiale Verschiebung deutlicher zum Ausdruck kommt.Fig. 3 shows a disk of the same type as in Fig. 2 with the difference that that the webs run in an exactly radial direction, whereby the axial displacement is more clearly expressed.

In Abb. ι tritt der Dampf bei 1 in die erste Schaufelgruppe ein, durchströmt sie von innen nach außen und verläßt sie bei 2. Er fließt dann durch den Querschnitt 3 von außen nach innen zurück, um bei 4 in die zweite Schaufelgruppe einzutreten, welche _: ebenfalls von innen nach außen durchströmt und bei 5 verlassen wird. Es besteht .z. B. die erste ruhende Scheibe aus den Ringkörpern 6 bis 14 und den Zwischen-Stegen 15 bis 22, die die Ringkörper elastisch verbinden. Am äußeren Umfang ist die Scheibe mittels des dünnen, elastischen Ringes 23 gegen das Gehäuse 24 abgestützt. Die letzte umlaufende Scheibe besteht in ähnlicher Weise aus den Ringkörpern 25 bis 34, welche durch die elastischen Zwischenstege 35 bis 43 verbunden sind. Am inneren Umfang ist die Scheibe mittels des dünnen, elastischen Ringes 44 gegen den Wellenteil 45 abgestützt. Diese umlaufende Scheibe wird z. B. durch einen nach rechts gerichteten Axialschub belastet, da der Druck am glatten Rücken der Scheibe niedriger ist als an der beschaufelten' Vorderseite. Hierdurch wird auf die Ringkörper eine Drehbeanspruchung im Uhrzeigersinn ausgeübt, welche beispielsweise am Ringkörper 26 das Ende, welches die Schaufel 46 trägt, aufweitet. Im gleichen Sinn wirkt die von den Schaufehl 46 auf den Ringkörper 26 ausgeübte Fliehkraft.In Fig. Ι the steam enters the first blade group at 1, flows through it from the inside to the outside and leaves it at 2. It then flows back through the cross-section 3 from the outside to the inside to enter the second blade group at 4, which _: also flows through from the inside to the outside and is left at 5. There is .z. B. the first stationary disc from the ring bodies 6 to 14 and the intermediate webs 15 to 22, which elastically connect the ring bodies. On the outer circumference, the disk is supported against the housing 24 by means of the thin, elastic ring 23. The last revolving disk consists in a similar way of the ring bodies 25 to 34, which are connected by the elastic intermediate webs 35 to 43. On the inner circumference, the disk is supported against the shaft part 45 by means of the thin, elastic ring 44. This rotating disc is z. B. loaded by a rightward axial thrust, since the pressure on the smooth back of the disc is lower than on the bladed 'front. As a result, a clockwise rotational stress is exerted on the ring body, which, for example, on the ring body 26, expands the end that carries the blade 46. The centrifugal force exerted by the blade body 46 on the ring body 26 acts in the same way.

Wie aus der vergrößerten Darstellung in Abb. 2 hervorgeht, will sich der dem Ringkörper 26 benachbarte Ringkörper 25 infolge der durch den größeren Durchmesser bedingten erhöhten Wirkung der Fliehkraft stärker ausdehnen als der Ringkörper. 26, der Ringkörper 27 dagegen infolge der durch den kleineren Durchmesser bedingten verringerten Wirkung der Fliehkraft weniger, so daß im Steg 35 eine nach außen gerichtete, im Steg 36 eine nach innen gerichtete Zugkraft auftritt. Ist nun, wie in der Abbildung dargestellt, der Angriffspunkt des Steges 3*5 am Ringkörper 26 weiter entfernt von dem am stärksten aufgeweiteten Ende des Ringkörpers 26 als der Angriffspunkt des Steges 36, so wird eine Biegungskraft entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugt, welche die herrschenden Beanspruchungen herabmindert. Die Versetzung der Angriffspunkte der Stege 35 und 36 am Ringkörper 26 ist in der Abbildung dadurch erreicht worden, daß die Stege eine Neigung gegen die radiale Ebene aufweisen. Da die von den Ringkörpern und Stegen erzeugten radial gerichteten Kräfte in rein radialer Richtung wirken, so ist für die Erzeugung der beschriebenen zusätzlichen Kraft die axiale Lage des mittleren Teiles auf dem mittleren Durchmesser der Stege maßgebend, nicht die axiale Lage an der Stoßstelle selbst, wodurch die Einwirkung infolge der hierdurch gegebenen Vergrößerung des wirksamen Hebelarms der durch die radialen Kräfte erzeugten Biegungskraft bedeutend vergrößert wird. Die Wirkung ist die gleiche, als ob jeder Steg bei Einbehaltung seiner mittleren Lage senkrecht gestellt würde, wie e.s zur Verdeutlichung in Abb. 3 dargestellt ist, in der die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.As can be seen from the enlarged view in Fig. 2, the ring body wants to 26 adjacent ring bodies 25 due to the due to the larger diameter increased effect of centrifugal force expand more than the ring body. 26, the ring body 27, on the other hand, as a result of the reduced effect caused by the smaller diameter the centrifugal force less, so that in the web 35 an outward, in the web 36 one after inward tensile force occurs. Now, as shown in the figure, is the point of attack of the web 3 * 5 on the ring body 26 further away from the most widened At the end of the ring body 26 as the point of application of the web 36, a bending force is counteracted clockwise generated, which reduces the prevailing stresses. The offset of the points of application of the webs 35 and 36 on the ring body 26 is shown in the figure has been achieved in that the webs have an inclination with respect to the radial plane. Since the radially directed forces generated by the ring bodies and webs are in pure act in the radial direction, it is necessary to generate the additional force described the axial position of the central part on the mean diameter of the webs is decisive, not the axial position at the joint itself, whereby the effect as a result of this given enlargement of the effective lever arm generated by the radial forces Bending force is significantly increased. The effect is the same as if every jetty were at Retention of its middle position would be placed vertically, as e.s for clarification in Fig. 3 is shown in which the same reference numerals are used.

Als besonders vorteilhafte Ausführung zeigen die Abb. 1 und 2 Scheiben, bei denen die Stege 15 bis 22 und 35 bis 43 an ein Ende der . Ringkörper 6 bis 14 und 25 bis 34 verlegt sind, wobei die Rückwand der Scheiben eine glatte, kegelförmige Begrenzung aufweist und so dem Wärmeaustausch eine möglichst kleine Fläche darbietet. Bei dieser Formgebung tritt auch die geringste Wandreibung an der glatten Rückenfläche auf sowohl in bezug auf die tangential gerichtete Relativbewegung durch die Drehbewegung der Scheiben als auch in bezug auf die radiale, einwärts gerichtete Strömung des Treibmittels selbst. Weiterhin verdeutlicht die Abb. 1, wie durch kürzere Ausführung der innen gelegenen Ringkörper eine rein radiale Strömung des Treibmittels im Mittel verwirklicht werden kann. ,,, Die hochbeanspruchten äußeren Ringkörper behalten bei dieser Ausführung ihre volle Länge, und die Schrägstellung des Scheibenrückens wird auf Kosten der von der Fliehkraft wenig beanspruchten Ringkörper kleineren Durchmessers erreicht. Die gezeigten Ausführungen stellen nur Beispiele dar, an welche die Erfindung in keiner Weise gebunden ist.As a particularly advantageous embodiment, Figs. 1 and 2 show discs in which the Web 15 to 22 and 35 to 43 at one end of the. Ring bodies 6 to 14 and 25 to 34 are laid, wherein the rear wall of the discs has a smooth, conical boundary and so the Heat exchange presents the smallest possible area. This shape also occurs the lowest wall friction on the smooth back surface both in relation to the tangentially directed relative movement due to the rotary movement of the disks as well as in with respect to the radial inward flow of the propellant itself. Furthermore Fig. 1 illustrates how the inner ring bodies are made shorter a purely radial flow of the propellant can be realized in the middle. ,,, The highly stressed outer ring body retain their full length in this version, and the inclination of the back of the disc is on Cost of the ring bodies of smaller diameter, which are less stressed by centrifugal force achieved. The embodiments shown represent only examples to which the invention in is not bound in any way.

Hervorgehoben sei noch die vorteilhafte Querschnittsbemessung des Kanals 3 der Abb. 1, welcher infolge der gegenseitigen Neigung der Scheibenrücken trotz des stark schwankenden Durchmessers einen in radialer Richtung gleichbleibenden Querschnitt aufweist, so daß schädliehe Geschwindigkeitsänderungen im durchfließenden Treibmittel verhindert werden.The advantageous cross-sectional dimensioning of channel 3 in Fig. 1 should also be emphasized, which as a result of the mutual inclination of the disc backs despite the strongly fluctuating Diameter has a constant cross-section in the radial direction, so that damaging Changes in speed in the propellant flowing through are prevented.

Claims

Patent claims:

1. Shear-resistant disc, which consists of concentric, connected by intermediate webs Ring bodies consists, characterized in that the fixedly connected to the ring bodies in the radial direction, im essentially radially directed intermediate webs even in the unloaded state have mutually offset position in the axial direction.

2. Shear-resistant disc according to claim 1, characterized in that the the ring body connecting bridges in the un-

loaded conditions have an inclined position relative to the radial direction.

3. Shear-resistant disc according to claim 1 or 2, characterized in that the Joints between webs and ring bodies with decreasing diameter Relocated to the radial plane in the direction of those ring body ends which experience the greatest increase in diameter under the load.

4. Shear-resistant disk according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the intermediate webs at one end of the ring body are laid, the rear wall of the disc being smooth conical or parabolic Has limitation.

5. Shear-resistant disc according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the axial length of the ring body increases with increasing diameter.

1 sheet of drawings