DE620694C - Einrichtung zur Befestigung von Laufschaufeln bei Dampf- oder Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Dampfoder Gasturbinen derjenigen Art, deren Laufschaufeln in geraden, schräg gegen die Umfangsrichtung des Schaufelträgers verlaufenden Nuten befestigt sind, und bezweckt, eine verbesserte Befestigung für solche Schaufeln zu schaffen.

Bei dieser Art von Turbinen ist es üblich, die Schaufelnuten in den Turbinenrädern oder Tragringen derart schräg zur Umfangsrichtung anzuordnen, daß die Nuten auf mindestens einer Seite des Schaufelträgers auslaufen, was aber eine für dessen Festigkeit ungünstige Unterteilung des Baustoffes be-

*5 deutet. Dies ist auch der Fall, wenn die schräg gestellten Schaufelnuten in besonders vorgesehene Erhöhungen auf dem Tragkranz eingefräst sind, denn in beiden Fällen müssen die von den Nuten durchbrochenen Außenteile des Schaufelträgers von dessen Innenteilen getragen werden. Demzufolge muß der Schaufelträger entsprechend stärker, d. h. schwerer ausgeführt werden, was wegen der dadurch erhöhten Wirkung der Fliehkraft

²S und aus anderen Gründen, zu vermeiden ist. Diese Schwierigkeit wird durch die vorliegende Erfindung beseitigt und die einfache Herstellung einer leichten und festen Turbinenbauart dadurch ermöglicht, daß bei An- wendung von in schräg gegen die Umfangsrichtung des- Schaufelträgers verlaufenden Nuten befestigten Laufschaufeln die beiden Enden der Schaufelnuten innerhalb der als Drehfläche, z. B. einer Zylinder- oder Kegelfläche, ausgebildeten Umfangsfläche des Schaufelträgers allmählich auslaufen.

Die Erfindung soll näher unter Hinweis auf die Abb. 1 bis 20 der Zeichnung in Verbindung mit Bogenschaufeln, wie sie z. B. in der Patentschrift 530 895 gezeigt sind, beschrieben werden.' Bei dieser Schaufelart weist die Erfindung besondere Vorteile auf. Sie ist jedoch nicht auf diese Art beschränkt, sondern kann auch bei gewöhnlichen Turbinenschaufeln Verwendung finden, soweit dieselben gerade, schräg gegen die Umfangsrichtung des Schaufelträgers verlaufende Befestigungsnuten für die Laufschaufeln besitzen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.

Die zusammengehörenden Abb. 1 bis 5 stellen verschiedene Ansichten und -Querschnitte durch ein Stück eines Schaufeltragringes mit Schaufelbefestigungen gemäß der Erfindung dar.

Abb. 6 veranschaulicht die Herstellungsweise der Befestigungsnuten.

Abb. 7 und 8 sind zwei Ansichten eines Teiles eines Schaufelkranzes mit aus zwei Teilen zusammengesetzten Bogenschaufeln.

Abb. 9 und 10 zeigen in vergrößertem Maßstab eine Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung für eine zusammengesetzte Bogenschaufel, z. B. wie in Abb. 7 und 8 dargestellt.

Die zusammengehörenden Abb. n bis 13 sind verschiedene Ansichten eines Stückes eines Schaufelkranzes mit schalenförmig ge-

wölbten Bogenschaufeln und Befestigungsnuten gemäß der Erfindung.

Die gleichfalls zusammengehörenden Abb. 14 bis 20, die verschiedene Ansichten und Quer- - 5 schnitte durch «in Stück eines Schaufeltragringes darstellen, zeigen eine Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung, die eine besonders gute Schwingungsdämpfung bei Bogenschaufeln bewirken kann. In den Abbildungen bezeichnet 2 einen Teil eines Schaufeltragringes, in dem die erfindungsgemäß ausgebildeten, im Querschnitt schwalbenschwanzartigen Befestigungsnuten 3 für zwischen den Tragringen zweckmäßig kettenlinienartig verlaufende Bogenschaufeln angeordnet sind, die starr oder sich leicht einformend ausgebildet sein können, aus dünnem Blech bestehen und mit ihren zu einem Schaufelfuß 4 verdickten geraden Enden in die Nuten 3 eingreifen. Die Schaufelringe sind in bekannter Weise durch Streben 5 miteinander verbunden, die teilweise durch Zwischenringe 6 (Abb. 7, 12, 15, 16) getragen werden.

Der Schaufelträgring 2, der selbstverständlich auch einen Teil eines Rades oder einer Trommel darstellen kann, ist radial nach außen durch eine Drehfläche 7, z. B. eine Zylinder- oder Kegelfläche, begrenzt. Da die, Schaufelnuten 3 geradlinig gefräst sind, laufen sie allmählich in der Umfangsnäche 7 aus, wie dies deutlich aus Abb. 1 hervorgeht. Dieses Auslaufen der Nuten in der Umfangsfiäche des Tragringes ist, wie· oben erwähnt, von größter Bedeutung für die Festigkeit des Tragringes. Würden nämlich die Nuten wie bei bekannten Bauarten in den Seitenflächen des Tragringes auslaufen, so würde dadurch der stetige Zusammenhang der äußeren Teile des Tragringes in der Umfangsrichtung unterbrochen. Die äußeren Teile wären dann nicht mehr sebsttragend und müßten von den Innenteilen des Ringes oder Rades getragen werden, so daß die Bauart entsprechend schwerer ausfällt. Laufen dagegen die Nuten in der Umfangsfiäche des Kranzes aus, so wird eine stetige: Veränderung des Kranzquerschnittes ohne scharfe Übergänge erhalten, so daß die Festigkeit des Kranzes wesentlieh gegen das Vorbekannte verbessert wird und auch die äußeren Teile des Kranzes selbsttragend sein können.

Das Auslaufen der Befestigungsnuten 3 in der äußeren Umfangsfiäche 7 des Tragkranzes 2 wird, wie aus Abb. 2 ersichtlich, durch den geradlinigen Verlauf der unter kleinen Schaufelwinkeln aneinander vorbeigehenden schmalen Schaufelfüße 4 ermöglicht. Deswegen ist es möglich, die Breite des Schaufelkranzes ohne Schwierigkeit so groß zu wählen, daß die Nuten in der Umfangsfiäche und nicht in den Seitenflächen des Kranzes auslaufen. Die obenerwähnten Bogenschaufeln eignen sich besonders für Befestiguiigsanordnungen gemäß der Erfindung, da sie mit besonders schmalen Füßen und verhältnismäßig kleinen Schaufelwinkeln ausgeführt werden können, wodurch das Auslaufen der Nuten in der Umfangsfiäche des Tragringes schon bei verhältnismäßig schmalem Kranz erreicht werden kann.

Die Ausbildung und' der Verlauf der Schaufelnuten geht deutlich aus Abb. 3 bis 5 hervor, die Querschnitte nach den Linien IH-III₃ IV-IV und V-V von Abb. 2 darstellen. Diese Abbildungen zeigen auch, daß der Schaufelfuß 4 die Nut 3 nicht ganz ausfüllt, was ein leichtes Einsetzen und Herausnehmen der Schaufeln ermöglicht. Wenn eine Schaufel z. B. herausgenommen werden soll, wird sie zuerst tiefer in die Nut hineingedrückt, wobei sie frei und leicht herausgenommen werden kann. Wie weiter aus Abb. 2 und 3 ersichtlich, sind an beiden Enden des Schaufelfußes 4 Paßstücke 8 in bekannter Weise in die Schaufelnuten eingedichtet. Diese Paßstücke verhindern eine Verschiebung der Schaufeln in den Nuten und dienen somit zur Sicherung der Schaufeln in denselben.

Aus Abb. 6 ist die Herstellungsweise der Befestigungsnuten 3 ersichtlich. Vorzugs-Aveise wird zuerst eine gerade Nut mit parallelen Wandungen senkrecht zur äußeren Begrenzungsfläche 7 eingefräst. Darauf wird in zwei Arbeitsgängen, wie in der Zeichnung dargestellt, mit entsprechend schief gestellten Fräsen 9 die schwalbenschwanzartige Ausformung der Nut erreicht. Hierbei können die Fräsen einen solchen Querschnitt haben, daß die Nut nach innen einen halbkreisförmigen Abschluß erhält, was aus Festigkeitsrücksichten vorteilhaft ist. Da, wie aus der Abbildung ersichtlich, zufolge der Schiefstellung der Fräsen 9 die Schaufelnutenquerschnitte an ihrer Mündung sich etwas erweitern, kann an Baustoff (d. h. Gewicht) etwas erspart werden, wenn der durch diese Erweiterung zur Tragung der Schaufel unwirksam gemachte Baustoff entfernt wird, was z. B. dadurch erreicht werden kann, daß man die Mündungslinie des wirksamen Teiles der Schaufelnut als Erzeugende für eine rings um den Schaufelträger verlaufende Hohlkehle nimmt, wie diese in Abb. 6 mit 24 und in Abb. 2 mit 25 angedeutet ist.

Die zusammengehörenden Abb. 7 und 8 stellen eine aus zwei Blechstreifen 10 und 11 zusammengesetzte Bogenschaufel dar sowie deren Befestigung in Nuten 3 gemäß der Erfindung. Die Abb. 7 ist einfachheitshalber bildlich gehalten. Es sind nur eine einzige

doppelte Bogenschaufel ίο, ii und auch nur der Schnitt durch die Tragringe 2 und 6 und ferner die Streben 5 gezeigt. Die eine Kante 12 der Schaufel 11 liegt auf ihrer ganzen Länge an der Innenfläche der Schaufel 10 an, wobei sich die beiden Teilschaufeln 10 und 11 überlappen. Eine solche zusammengesetzte Schaufel bjetet unter anderem den Vorteil, daß durch die entstehende doppelt gewölbte Schaufelform eine Versteifung entsteht.

Abb, 10 stellt einen Schnitt gemäß X-X von Abb. 9 dar. Wie aus diesen beiden Abbildungen ersichtlich ist, sind die schief in der Nut 3 stehenden Schaufelhälften 13 und 14 durch keilförmige Füllkörper 15 in der schwalbenschwanzartigen Nut festgehalten. Die eingedichteten Paßstücke 8 dienen wieder zur Sicherung der Schaufeln in der Längsrichtung der Nut.

Die zusammengehörenden Abb. 11 bis 13 zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel die Befestigung von schalenförmig gewölbten Bogenschaufeln 16 in auslaufenden Nuten 3 gemäß der Erfindung. Die Schaufeln 16, die vorzugsweise aus auf passende Stärke geschliffenen Blechen hergestellt sind, sind durch Pressen oder Ziehen über eine Form oder durch Hämmern in eine schalenförmige Gestalt gebracht. Diese schalenförmige Gestalt ist in den Abbildungen erkenntlich gemacht durch die eingezeichneten Linien 18, welche Schnitte der Schaufeln mit durch die Drehachse gehenden Ebenen darstellen, ferner durch die Linien 19, welche Schnitte der Schaufeln mit Ebenen parallel zur Zeichnungsebene von Abb. 13 darstellen, und schließlich durch Linien 20 in Abb. 11, welche Schnitte 'durch die Schaufeln von Ebenen rechtwinklig zur Drehachse darstellen. Bei der dargestellten Ausführungsform verschwindet die doppelte Wölbung der Schaufeln allmählich gegen die Schaufelenden hin, so daß die Schaufeln in die gerade verlaufen- , den Nuten 3 eingesetzt werden können.

Durch die Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung wird es möglich, die Schaufelnuten 3 und damit die Schaufelfüße 4 lang zu machen, so daß die Anzahl der doppelt gewölbten Schaufeln klein gewählt werden kann.

Besonders bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Schaufelfüße in den dicht nebeneinanderliegenden Nuten aneinander vorbeiführen zu können, wie schon in Abb. 8 gezeigt und in Abb. 11 mit der gestrichelten Linie 21 angedeutet. Dies hat bei Blechschaufeln eine günstige Schwingungsdämpfung zur Folge, wie näher unter Bezugnahme auf die Abb. 14 bis 20 erklärt werden soll.

Es ist nämlich beim Bauen von radial beaufschlagten Turbinen für hohe Leistungen und hohe Drehzahlen, wie z.B. 140000kW bei 3000 Umdrehungen pro Minute, von Wichtigkeit, das Gewicht der umlaufenden Massen möglichst niedrig zu halten. Dies wird ermöglicht durch die Verwendung von Bogenschaufeln der obenerwähnten Art, die z. B. in der Patentschrift 530 895 beschrieben ist. Die Bogenschaufeln können dabei in ihrer Mitte mit einer Stärke von nur etwa ι mm ausgeführt werden, welche Stärke aber nach den Enden hin um das 3- bis 5 fache erhöht wird. Zufolge ihrer geringen Wandstärke können derartige Schaufeln ohne Gefahr bedeutenden Schwingungen ausgesetzt werden. Andererseits aber werden die Schaufein zufolge ihres geringen Gewichts empfindlich für Schwingungsimpulse, die von Schwankungen in der regelmäßigen Dampf- oder Gasströmung durch die Turbine herrühren.

Bei Bogenschaufeln, die seitlich einander mehr oder weniger überlappen, ohne jedoch miteinander in Berührung zu treten, wird der durch den zwischen den überlappenden Schaufelteilen entstandenen Durchtrittskanal ausströmende Dampf oder das Gas einer periodisehen Änderung seiner Strömungsgeschwindig- ' keit unterworfen, sobald die Schaufelschwingungen eine gegenseitige Transversalbewegung dieser Schaufelteile hervorrufen. Diese durch die abwechselnde Verdünnung und Erweiterung des Strömungskanals bewirkte Geschwindigkeitsänderung des Dampfes verbraucht Energie von den Schaufelschwingungen und übt daher eine kräftig dämpfende Wirkung auf die Schaufelschwingungen aus, so daß deren Amplitude niedrig gehalten werden kann und von der Größe der Impulse und der Dämpfungsarbeit abhängig wird. Selbstverständlich wird auch die dämpfende Wirkung der Überlappung mit abnehmendem Schaufelabstand erhöht.

Wie aus den Abb., 14 bis 20 hervorgeht, wird es durch die Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung möglich, große Überlappungsflächen von dicht aneinander verlegten Schaufelseiten zu erhalten. Durch Änderung der Schaufelabmessungen können die überlappenden Flächen eine andere Form als die der Abb. 14 'erhalten. Vorzugsweise wind die Breite der Überlappung nach den Schaufelenden hin zunehmend gemacht, sie kann aber auch über die ganze Schaufellänge gleichgehalten oder z. B. gemäß Abb. 8 oder 11 gewählt werden.

Wie aus Abb. 14 ersichtlich, bilden die vorderen und hinteren Schaufelkanten nicht ebene Kurven, sondern sind einer doppelten Krümmung unterworfen, derart, daß die Vorderkante 22 in seitlicher Ansicht eine Einbuchtung und die Hinterkante 23 in seitlicher Ansicht eine Ausbuchtung aufweist, die z. B. dadurch entstehen können, daß die in eine

Ebene ausgebreitete .Schaufel, wie in Abb. 17 dargestellt, mi't-kifefsbogenfÖrrnigen Vorder- und Hinte^anten 22 und 23 ausgebildet ist. Die doppelt gekrümmte Kurvenform bietet den Vorteil, daß der von der Fliehkraft bestimmte Kettenlinienbogen an der Vorderkante 22 etwas enger als an der Hinterkante 23 der Schaufel wird (s. Abb. 16), was für die Gestaltung des zwischen den Schaufeln entstehenden Durchtrittskanals günstig ist. Man hat somit unabhängig von der Schaufellänge und dem Befestigungswinkel ein Mittel in der Hand, die Kettenlinienform auch bei dünnen Btechschaufeln in für die Strömungs-Verhältnisse günstiger Richtung zu beeinflussen.

Die Abb. 18 und 19 zeigen in. größerem Maßstab Einzelheiten der Abb. 14 und 15. Abb. 20 stellt einen Querschnitt gemäß XX-XX der Abb. 18 dar.

Obgleich die Erfindung bei Bogenschaufeln der oben beschriebenen Art besondere Vorteile bietet, weist die Befestigungsanordnung, nach der Erfindung auch bei anderen Schaufelformen und -arten ihre in der Einleitung erwähnten allgemeinen Vorteile auf, die einen erheblichen Fortschritt der Technik bedeuten.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einrichtung zur Befestigung von in schräg gegen die Umfangsrichtung des Schaufelträgers verlaufenden Nuten befestigten Laufschaufeln bei Dampf- oder Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden der Schaufelnuten innerhalb der als Drehnäche, z. B. einer Zylinder- oder Kegelfläche, ausgebildeten Umfangsfläche des Schaufelträgers allmählich auslaufen.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen