DE634071C - Laufschaufel fuer Dampf- oder Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Dampfoder Gasturbinen und bezweckt eine verbesserte, aus einem einfachen nach zentrifugalen Kettenlinien geformten dünnen Blech bestehende Laufschaukel für derartige Turbinen zu schaffen, die es ermöglicht, die Festigkeit des Schaufel- und Schaufelträgerbaustoffes möglichst vollständig auszunutzen, um dadurch die Leistung der Turbine den höchsten

ίο Anforderungen anzupassen. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur einfachen Herstellung solcher Laufschaufeln.

Es ist bekannt, Bogenschaufeln aus einfachen, nach zentrifugalen Kettenlinien geformten dünnen Blechen herzustellen. Laufschaufeln dieser Bauart haben im Vergleich zu Turbinenschaufeln gewöhnlicher Bauart und auch zu gefrästen Bogensehaufeln sehr kleines Gewicht und gestatten deshalb den Bau von Laufschaufelkränzen mit sehr großen Austrittsflächen und hohen Umfangsgeschwindigkeiten, was bekanntlich von besonderer Bedeutung für den Niederdruckteil der Turbine ist, und die Herstellung großer Einheiten mit einem einzigen Auslaß bei hohen Drehzahlen gestattet. Bei dieser bekannten Schaufelbauart ist es aber nicht möglich, die Blechstärke, die in gleichmäßiger Dicke verläuft, beliebig herabzusetzen, weil die Schaufein sonst bei großen Belastungen eine Neigung zum Flattern erhalten können.

Um diese Neigung zum Flattern zu verringern, wurde vorgeschlagen, eine Verdikkung der Schaufeleintrittskante durch Umbiegen des Bleches an dieser Kante in Form einer offenen Schleife herbeizuführen. Das macht aber die Schaufel unnötig schwer und nimmt ihr überdies die innere Nachgiebigkeit. Ferner wird durch eine derartige Umbiegung die Dampf- oder Gasführung weniger vorteilhaft, auch kann die Schaufelbefestigung in den Tragringen nicht mehr durch die einfache Umbiegung oder Verdickung der Schaufelenden erfolgen.

Alle diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden und eine schwingungsfreie Laufschaukel der eingangs erwähnten Art geschaffen, die bezüglich der Herabsetzung des Gesamtgewichtes den höchsten Anforderungen entspricht. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das an seinen Einspannenden gehaltene Schaufelblatt an der Einströmungsseite einen Bogen mit kleinerem Gipfelkreishalbmesser als an der Austrittsseite und eine die Blattwölbung bestimmende Gipfellinie aufweist, und daß die Blattstärke vom Eintrittsbogen zum Austrittsbogen hin stetig abnimmt. Hierdurch wird der Schwerpunkt des Schaufelquerschnittes nach der Eintrittskante zu verlegt, was die Neigung zum Flattern wirkungsvoll unterdrückt. Da ferner der Abstand des Gipfelpunktes der Eintrittskante

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Fritz Wettstein in Lidingö, Schweden.

von der die Schaufelenden enthaltenen Ebene kleiner ist als diejenige des Gipfelpunktes der Austrittskante, so gewährleistet die Form des Schaufelblattes eine günstige Führung der Dampf- oder Gasmenge. Außerdem wird durch die Formgebung des Schaufelblattes., und die stetige Querschnittsveränderung der Blattstärke die von der Schaufelblattmasse " ausgeübte Fliehkraftbelastung je Längeneinheit des Schaufelfußes über dessen ganze Länge annähernd gleich, so daß die Schaufelträger möglichst gleichmäßig belastet werden. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung an Hand der in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele.

Die zusammengehörigen Abb. 1 bis 5 stellen eine Laufschaufel gemäß der Erfindung dar, wobei die Schaufelstärke der Deutlichkeit halber in stark übertriebenem Maßstab dargestellt ist.

Abb. ι ist eine Seitenansicht der Schaufel,

gesehen in der Richtung der Turbinenachse.

Abb. 2 ist ein Schnitt winkelrecht zur Turbinenachse durch die Mitte der Schaufel.

Abb. 3 ist eine Ansicht nach Linie 3-3 der Schaufelaustrittskante, Abb. 4 eine Ansicht nach Linie 4^4 auf einen der Schaufelfüße und Abb. 5 eine Ansicht nach Linie 5-5 der Schaufeleintrittskante.

Die zusammengehörigen Abb. 6 und 7 veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bogenschaufel gemäß der Erfindung, wobei Abb. 6 eine Seitenansicht und Abb. 7 eine Ansicht nach Linie y-γ von Abb. 6 darstellt.

Die Abb. 8, 9 und 1.0 veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung von Schaufeln gemäß der Erfindung. Dabei stellt Abb. 8 in ausgebreitetem Zustand eine Unterlage dar, die zur Herstellung der veränderlichen Schaufelstärke dient. Abb. 9 und 10 zeigen eine ' Aufspannvorrichtung, welche zur Bearbeitung des Schaufelbleches dient, und zwar ist Abb. 9 ein Schnitt nach der Linie 9-9 von Abb. io, und Abb. 10 stellt einen Schnitt nach Linie 10-10 der Abb. 9 dar.

Die Abb. 11 und 12 veranschaulichen eine Ziehvorrichtung, um den Bogenschaufeln ihre bo endgültige schalenförmige Gestalt zu geben. Dabei ist Abb. 11 ein Schnitt nach der Linie 11-11 von Abb. 12 und Abb.12 ein Schnitt nach Linie 12-12 der Abb. 11.

'Die Linie 13 in Abb. 1 stellt den Schaufelfuß bzw. die beiden Schaufelfüße einer Bogenschaufel dar. Im vorliegenden Falle haben die Schaufelfüße, wie ersichtlich, eine kreisrunde Form und sind in entsprechenden Nuten auf z. B. .ringförmigen Schaufeltragringen befestigt, die in den Abbildungen als unwesentlich nicht gezeigt sind. Die in die Schaufel eingezeichneten Linien 14-21 stellen Linien gleicher Schaufelstärke dar, und zwar nimmt die Schaufelstärke von der inneren Schaufelbegrenzung 13 nach außen hin ab, -..■wobei z. B. der Unterschied ' der Schaufel- ^tärke zwischen je zwei aufeinanderfolgenden ''linien gleich groß ist. Aus dem Verlauf der eingezeichneten Linien gleicher Schaufelstärke ist ersichtlich, daß die Schaufeleintrittskante 22 bedeutend stärker ist als die Schaufelaustrittskante 23, wie. dies auch aus Abb. 3 und 5 hervorgeht, welche die Schaufelaustritts- bzw. Schaufeleintrittskante in der Ansicht zeigen und wobei, wie früher erwähnf, die Schaufelstärke deutlichkeitshalber in stark übertriebenem Maßstab dargestellt ist. Über die ganze Länge des Schaufelfußes 13 ist dagegen die Schaufel, wie aus Abb. 4 hervorgeht, vorzugsweise mit gleichbleibender Stärke ausgeführt. Der in Abb. 2 dargestellte Schnitt zeigt deutlich die allmählich abnehmende Schaufelstärke von der Schaufeleintrittskante 22 zur Schaufelaustrittskante 23.

Wie aus den Abb. 3 und 5 hervorgeht, ist der von der Schaufeleintrittskante 22 gebildete Bogen bedeutend kürzer bzw. niedriger als der von der Austrittskante 23 gebildete Bogen. Dieser Unterschied wird besonders groß bei Schaufeln, die, in der Umfangsrichtung des Schaufelrades gemessen, verhältnismäßig breit sind, d.h. deren Schaufelfuß 13 verhältnismäßig lang ist. Dadurch und durch den Schaufelwinkel in der Mitte bzw. an der höchsten Stelle der Schaufel entsteht der beträchtliche Unterschied in der Höhe der Schaufel zwischen der Eintritts- und Austrittskante. Würde die Schaufel in bekannter Weise überall mit gleicherStärke ausgeführt werden, dann würde die Schaufel bei ihrer Umdrehung an ihrem Austrittsende eine bedeutend größere Fliehkraftbelastung auf den Schaufelträger ausüben als an ihrem Eintrittsende. Durch eine entsprechende Verteilung der Schaufelstärke, d. h. durch eine „ entsprechende Lage der Linien gleicher Schaufelstärke 14 bis 21, ist es dagegen möglich, eine gleichförmige oder nahezu gleichförmige Fliehkraftbelastung des Schaufelträgers über die ganze Länge des Schaufelfußes 13 zu erhalten. Da die Stärke des Schaufelfußes 13 aus baulichen Rücksichten über ihre ganze Länge unveränderlich ist, ergibt sich hierbei auch eine gleichmäßige Beanspruchung des Schaufelfußes. Es ist ferner ersichtlich, daß man durch eine entsprechende Verdickung der Schaufelstärke egen die Eintrittskante und Verminderung gegen die Austrittskante bei gleichbleiben- izo dem Schaufelgewicht eine kleinere Fliehkraftbelastung durch die Schaufel erhalten kann,

da nämlich dadurch die auf großem Kreishalbmesser liegenden und hohen Fliehkräften ausgesetzten Schaufelteile dünner und leichter sind.

Die oben beschriebene Verteilung der Schaufelstärke ist ferner von großer Bedeutung für die Widerstandsfähigkeit der Schaufel gegen das Flattern. Das Flattern von Turbinenschaufeln oder Flügeln von Flugmaschinen kann bekanntlich nur erklärt werden durch eine übereinander gelagerte Quer- und Verdrehungsschwingung, wodurch die Schaufel oder der Flügel aus dem umströmenr den Arbeitsmittel ständig Energie aufnimmt.

Dadurch, daß der verhältnismäßig niedere Teil der Schaufel auf der Seite der Eintrittskante mit verhältnismäßig großer Stärke ausgeführt wird, erhält die Schaufel an dieser Stelle eine große Steifigkeit. Dies erschwert das x\uftreten einer seitlichen Schwingung an dieser Stelle und da eine Schwingung der Austrittskante allein in Übereinstimmung mit dem oben Gesagten kein Flattern verursachen kann, ist das Flattern auf diese Weise wirksam erschwert. Ein weiterer Vorteil der verhältnismäßig großen Schaufelstärke an der Eintrittskante besteht darin, daß die Wirkung der an dieser Stelle der Schaufel oft auftretenden Schaufelanfressungen von geringerer Bedeutung ist.

Bei dem in Abb. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel stellen die Linien 24 wieder Linien gleicher Schaufelstärke dar. In diesem Beispiel liegen die Linien gleicher Schaufelstärke, wie ersichtlich, auf mit der Turbinenachse gleichachsigen Kreisflächen, d. h. die Schaufeln sind auf ein und demselben Kreishalbmesser von gleichbleibender Stärke. Auch bei dieser Ausführungsform ergibt sich offenbar eine verhältnismäßig größere Schaufelstärke an der Eintrittskante 25 gegenüber der Austrittskante 26. Die Schaufelstärke kann gemäß der vorliegenden Erfindung noch auf manche verschiedene Weise geändert werden.

Das Wesentliche dabei ist aber immer, daß die Schaufelstärke in der Richtung des die Schaufel durchströmenden Treibmittels von der Eintritts- zur Austrittskante abnimmt. Gleichzeitig nimmt die Schaufelstärke vorzugsweise vom Schaufelfuß nach außen hin ab, so daß eine annähernd gleichmäßige Beanspruchung des Schaufelbaustoffes durch die auftretenden Fliehkräfte erhalten wird und die Schaufelbeanspruchung auch in der Nähe des Schaufelfußes in zulässigen Grenzen bleibt.

Bogenschaufeln gemäß vorliegender Erfindung werden vorzugsweise aus auf gleichförmige Stärke gewalztem Blech hergestellt.

Es ist offenbar, daß die Herstellung der veränderlichen Schaufelstärke in der gewünschten unregelmäßigen Verteilung über die ganze Schaufel mit Hilfe von gewöhnlichen Arbeitsverfahren schwierig und zeitraubend ist. In der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren angegeben, nach welchem das zur Herstellung der Schaufel verwendete Blech leicht auf die gewünschte Stärke gebracht werden kann. Dieses Verfahren ist beispielsweise durch die Abb. 8 bis 10 veranschaulicht. Der gestrichelte Linienzug 27 in Abb. 8 stellt eine Bogenschaufel im abgewickelten Zustand in einer Ebene dar. Die ganz ausgezogenen Linien 28 stellen wieder Linien gleicher Schaufelstärke dar und entsprechen in ihrer Lage den Linien gleicher Schaufelstärke 14 bis 21 in Abb. 1. Wie aus Abb. 8 ersichtlich, sind die Linien 28 über die Grenzen der Schaufel 27 hinaus verlängert. Gemäß vorliegendem Verfahren werden nun aus verhältnismäßig dünnem Blech Formen ausgeschnitten gemäß der von den Linien 28 dargestellten Form, wobei diese Formen im übrigen, wie aus Abb. 8 hervorgeht, begrenzt und aufeinandergelegt sind. Man erhält dadurch, wie ersichtlich, eine sattelförmige Unterlage, die bei Verwendung einer zweckentsprechenden Stärke der Formbleche gerade derjenigen Stärke entspricht, um welche die Stärke des für die Schaufelherstellung verwendeten Bleches vermindert werden soll. Dieses für die Herstellung der Schaufel dienende Blech ist in Abb. 8 durch den gestrichelten Linienzug 29 angedeutet. Das Blech 29 wird nun, wie aus Abb. 9 und 10 ersiehtlieh, auf einer Aufspannvorrichtung befestigt. Diese Aufspannvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem halbkreisförmigen Körper 30, dessen Außenfläche 31 genau nach einem Kreis gedreht ist und der an zwei Mittenbohrungen 32 und 33 drehbar, z. B. auf einer Drehbank, gelagert ist. . Das Schaufelblech 29 ist an seinen beiden Enden zwischen zwei Platten 34, 35 festgeklemmt und kann durch Anziehen der beiden Schrauben 36 und 37 unter großer Spannung zum Anlegen über die Kreisfläche 31 gebracht werden. Zwischen die Kreisfläche 31 und das Schaufelblech 29 ist dabei die aus den Formblechen 28 bestehende Unterlage gelegt. Dadurch erhebt sich die Außenfläche des Schaufelbleches 29 über eine gewisse kreisförmige Fläche um einen Betrag entsprechend der Stärke, um welche das Schaufelblech 29 vermindert werden soll. Das Schaufelblech 29 kann somit durch einen einfachen Arbeitsvorgang, wie z. B. Drehen oder Schleifen, zweckmäßig unter Umdrehung der Aufspannvorrichtung 30, auf die gewünschte veränderliche Schaufelstärke gebracht werden.

Es ist offenbar, daß dieses Arbeitsverfahren auch auf andere Weise ausgeführt werden kann. An Stelle der kreisförmigen Unterlage

3o kann eine ebene Unterlage verwendet werden. Dabei kann als Bearbeitungsvorgang für die Wegschaffung der überschüssigen Blechstärke wieder Schleifen oder ein anderer Arbeitsvorgang zur Herstellung der in diesem Falle erforderlichen ebenen Fläche auf der freiliegenden Seite des Schaufelbleches benutzt werden. Anstatt die gewünschte Schaufelstärke durch ein Fortarbeiten des überschüssigen Blechtnaterials zu erhalten, kann dies auch durch Auswalzen des Schaufelbleches erhalten werden, wobei das Schaufelblech wieder über eine entsprechende Unterlage gelegt ist. In diesem Falle muß die Unterlage aus verhältnismäßig sehr hartem

• Material bzw. Blech hergestellt werden, damit beim Auswalzen nur die Stärke des darüber gelegten Schaufelbleches vermindert wird. Nachdem das Schaufelblech, wie beschrieben, auf die gewünschte Stärke gebracht ist, muß es durch einen weiteren Arbeitsvorgang in seine endgültige schalenförmige Gestalt gebracht werden. Dies kann, wie in Abb. 11 und 12 dargestellt, dadurch geschehen, daß das Schaufelblech 29 über eine entsprechend ausgebildete Form 38 gespannt bzw. gezogen wird. Dabei kann das Schaufelblech an seinen beiden Enden zwischen den Platten 39 und 40 eingespannt sein. Durch Anziehen der Schrauben 41 und 42 wird dabei offenbar das Schaufelblech in seinem mittleren Teil so lange gestreckt, bis es über die ganze Aus,-dehnung an die Form 38 anliegt und damit seine endgültige schalenförmige Gestalt erhält. Die fertige Schaufel wird darauf erhalten durch Ausschneiden aus dem Blech 29 nach der gestrichelten Linie 43. Zur Herstellung der schalenförmigen Gestalt der Schaufel kann an Stelle des reinen Ziehvorganges, wie oben beschrieben, auch eine Verbindung eines Zieh- und Preßvorganges verwendet werden, wobei die Form 38 durch eine entsprechende, über dieselbe passende hohle Preßform ergänzt wird.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   i. Laufschaufel für Dampf- und Gasturbinen, bestehend aus einem einfachen nach zentrifugalen Kettenlinien geformten dünnen Blech, deren Enden in ringförmigen Schaufelträgern gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß das an seinen Einspannenden gehaltene Schaufelblatt an der Einströmungsseite einen Bogen mit kleinerem Gipfelkreishalbmesser als an der Austrittsseite und eine die Blattwölbung bestimmende Gipfellinie aufweist, und daß die Blattstärke vom Eintrittsbogen zum Austrittsbogen hin stetig abnimmt.

   • 2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstärke des Schaufelblattes über die Länge des Eintrittsbogens sowie der seitlichen Einspannenden gleichbleibend ist und von diesen Querschnitten aus zum Austrittsbogen hin allseitig stetig abnimmt.

   3. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Schalenwölbung des Schaufelblattes und _ die ihr entsprechende stetige Querschnittsveränderung der Blattstärke die von der Schaufelblattmasse ausgeübte Fliehkraftbelastung je Längeneinheit der Einspannstelle über deren ganze Länge annähernd gleich ist.

   4. Verfahren zur Herstellung von Laufschaufeln nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Blech von gleicher Stärke über eine Unterlage gespannt wird, deren Oberfläche so ausgebildet ist, daß durch einen danach folgenden einfachen Auswalz- oder Bearbeitungsvorgang an sich bekannter Art (z. B. Drehen oder Schleifen) auf der Seite der freien Blechoberfläche die gewünschte Stärkenverteilung über die ganze Ausdehnung des Schaufelbleches erhalten wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Oberflächengestalt der Unterlage durch eine Zwischenlage ungleicher Stärke zwischen einer Kreisfläche bzw. einer Ebene und dem zu bearbeitenden Schaufelblech erhalten wird.

   6. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage aus einer Anzahl entsprechend ausgeschnittener und aufeinandergelegter dünner Bleche besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen