DE658445C - Schaufelbefestigung fuer Kreiselmaschinen - Google Patents

Description

Schaufelbefestigungen für Kreiselmaschinen, insbesondere Brennkraft- und Dampfturbinen, bei denen die Schaufelfüße in einer von seitlichen Wangen des Schaufelträgers begrenzten Nut befestigt sind und von Wange zu Wange verlaufende Anker in Querkanälen liegen, die in Umfangsrichtung zwischen den Schaufelfüßen je zweier benachbarter Schaufeln vorgesehen sind, wurden bei Schaufeln mit über die Schaufellänge gleichartig ausgebildetem Schaufelquerschnitt vorgeschlagen, um durch die so bewirkte Versteifung des Radkranzes das namentlich bei hohen Temperaturen eintretende Öffnen der Schaufelnut zu verhindern. Die Schaufeln selbst wurden dabei durch die Schaufelfüße durchdringende Anker ihrerseits befestigt. In der Erkenntnis, daß diese Schaufelbefestigung bei hochbeanspruchten Kreiselmaschinen nicht in der Lage ist, den auftretenden Kräften Widerstand zu leisten, ist es auch bekannt, die Anker als Zwischenstücke zwischen den Schaufeln anzuordnen und die Schaufehl durch die Zwischenstücke zu übergreifen, wobei die Zwischenstücke ihrerseits mit den Schaufelträgerwangen verschweißt sind. Diese Anordnung ermöglicht jedoch ebenfalls nicht die Ausbildung außerordentlich kräftiger, über den Schaufelquerschnitt stark hinausgehender, allen Beanspruchungen an Festigkeit genügender und homogener Schaufelfußausbildungen, deren Bedeutung in dem Maß wächst, je mehr man, namentlich in der Brennkraftturbinentechnik, zu höheren Drücken, Temperaturen und, Umfangsgeschwindigkeiten übergeht. Um die sich damit ergebende Forderung, die gesamte Schaufelnut in erster Linie zur Unterbringung der Schaufelfüße aU:Szμn^tzen und die weitere Bedingung der Versteifung der Radkranzwangen durch Anker gleichzeitig erfüllen zu können, kennzeichnet sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaufelbefestigung für hochbeanspruchte Kreiselmaschinen, insbesondere Brennkraft- und Dampfturbinen, bei der die Schaufelfüße in der von den seitlichen Wangen des Schaufelträgers begrenzten Nut befestigt sind und von Wange zu Wange verlaufende Anker in Querkanälen liegen, die in Umfangsrichtung zwischen den Schaufelfüßen je zweier benachbarter Schaufeln vorgesehen sind, dadurch, daß die durch radiale Verlängerung der Schaufelkanäle in die Schaufelfuße und damit in die Ringnut hinein gebildeten Querkanäle für die Anker zum Schaufelträger zu durch aneinanderliegende Verstärkungen der Schaufelfüße begrenzt sind. Es schließen sich also die Schaufelfüße oder ihre Verstärkungen unmittelbar aneinander an, so daß ihnen an der den Beanspruchungen am stärksten ausgesetzten Wurzel jeder Schaufel dieselben Abmessungen wie bei ankerlosen Schaufelbefestigungen erteilt werden können; außerdem aber versteifen die Anker die Radkranzwangen, so daß eine den höchsten mechanischen und thermischen Beanspruchungen genügende Schaufelbefestigung entsteht.

In weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens ergeben sich besondere Vorteile dadurch, daß die metallischen Anker aus Schweißstoff bestehen, der unter Verbindung der Wangen des Schaufelträgers untereinander, gegebenenfalls auch mit den Schaufeln und der Schaufeln

untereinander, die bis in den Schaufelfuß hinein durchgeführten Schaufelkanäle ausfüllt. Dadurch entsteht eine völlig wärmeleitende Verbindung der ohne diese Verbindung im Betriebe die verschiedensten Temperaturen annehmenden Teile, so daß demgemäß weitere das Lockern der Schaufeln begünstigende Einflüsse ganz oder nahezu ausgeschaltet werden. Man hat zwar schon die feinen Spalte zwischen den Schaufeln to untereinander und den Schaufeln einerseits, den Radkranzwangen andererseits durch ein Lot oder eine Schweiße ausgefüllt. Die sichere Ausfüllung dieser feinen Spalte mit Lot- oder Schweißstoff macht aber ganz erhebliche werkstattechnische Schwierigkeiten, die gemäß der in weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens ausgebildeten Schaufelbefestigung vermieden werden, weil die Ausfüllung der zur Aufnahme der Anker ausgesparten ausgedehnten Räume mit dem Schweißgut verhältnismäßig einfach und gut überwachbar ist. -

Da das Bestreben besteht, die die Wangen des Schaufelträgers verbindenden Anker vor unnötigen Beanspruchungen zu schützen, kennzeichnet sich die neue Schaufelbefestigung vorteilhaft durch Anordnung von Vorsprüngen oder Ausnehmungen, die mit dementsprechend ausgebildeten Schaufelträger unter Entlastung der Anker von der Fliehkraft der Schaufeln in Eingriff stehen. Diese Vorsprünge oder Ausnehmungen sind schon früh angewandt worden, um die Fliehkräfte der Schaufeln von dem Schaufelträger fernzuhalten. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung tritt jedoch die zusätzliche Wirkung der Ankerentlastung von den durch die Schaufelfliehkräfte hervorgerufenen Beanspruchungen ein.

Einer besonderen Ausbildung bedürfen bei derartigen Schaufelbefestigungen die Schlußschaufeln, um die den Schlußschaufehl zugeordneten Anker oder die Anker der Nachbarschaufeln von den Beanspruchungen durch Fliehkräfte der Schaufehl entlasten zu können. Zu diesem Zweck wird der an dem metallischen Anker anliegende Schaufelteil bei Schlußschaufeln getrennt vom übrigen Schaufelkörper ausgebildet.

Der Schaufelträger selbst kennzeichnet sich dadurch, daß die Größe der Einfüllstellen und ihre Anordnung im Verhältnis zu den Schaufeln so getroffen ist, daß lediglich der zur Schlußschaufel gehörige, aber von ihr getrennte Schaufelfußteil die von ihm ausgeübte Fliehkraft auf den an ihm anliegenden Anker überträgt, während die Fliehkräfte der Schlußschaufel, der Nachbärschaufel sowie aller übrigen Schaufeln vom Schaufelträger aufgenommen werden.

Bestehen die Anker aus Schweiße, so wird bei Herstellung dieser Schweißverbindungen die Lage der Schaufeln in bezug auf den Schaufelträger endgültig festgelegt. Bereits während der Herstellung der Schweißverbindungen muß also die Lage der Schaufeln in bezug auf den Schaufel-'. träger so festgelegt sein, daß die zu Übertragung der Fliehkräfte auf den Schaufelträger bestimmten Vorsprünge der Schaufeln an den Begrenzungsflächen der die Schaufelvorsprünge aufnehmenden Ausnehmungen des Schaufelträgers, beispielsweise einer im Schaufelkanal des Schaufelträgers vorgesehenen Eindrehung, fest anliegen. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die an der unteren Begrenzungsfläche der Schaufelfüße anliegende, die Schaufelnut des Schaufelträgers abschließende Wandung elastisch ausgebildet ist, so daß sie die Schaufeln bereits während der Herstellung der Schweißverbindung selbsttätig in die erforderliche Lage verlegt. Da es bereits vorgeschlagen worden ist, die an den Schaufelfüßen anliegende Wandung des Schaufelträgers als Begrenzungswand eines im Schaufelträger liegenden, gegebenenfalls vom Schaufelträger selbst gebildeten Kühlmittelkanals auszubilden, führt die gleiche Anordnung im vorliegenden Falle dazu, daß sich die elastische Anpressung dieser Wandung an die Schaufelfüße im Betriebe noch unter Wirkung des Kühlmitteldruckes vergrößert, so daß die Wirkung einer metallischen Verbindung und damit ein ungestörter Wärmefluß zwischen Schaufel und Küblmittelkanal entsteht.

Die Zeichnung zeigt eine Ausführung des Erfindungsgedankens am Beispiel eines einkränzigen Laufrades, wie es für Verpuffungsbrennkraf tturbinen Anwendung zu finden vermag.

Abb. ι gibt einen Rädialschnitt durch den Lauf radkranz nach Linie I-I der Abb. 3 wieder. Während dieser Schnitt, wie Abb. 3 zeigt, an einer Stelle liegt, an der gleichartig ausgebildete Schaufeln Verwendung finden, zeigt

Abb. 2 in der Schnittdarstellung der Abb. 1 einen Schnitt nach Linie H-II der Abb. 3, d. h. an einer Stelle, an der eine Schlußschaufel liegt.

Abb. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die Beschaufelung und die angrenzenden Laufradteile gemäß Linie HI-III der Abb. ι in einer Ebene senkrecht zur Laufradachse.

Abb. 4 gibt eine Ansicht des Rückens einer Schaufel,

Abb. 5 die entsprechende Seitenansicht und

Abb. 6 einen Schnitt durch die Schaufel nach Linie VI-VI der Abb. 5 wieder.

Abb. 7 zeigt die Seitenansicht einer Schlußschaufel, während

Abb. 8 einen Schnitt durch die Schlußschaufel nach Linie VIII-VIII der Abb. 7 wiedergibt. Die

Abb. 9 bis'11 zeigen den von der Schlußschaufel getrennten, ihr zugeordneten Schaufelfußteil in der Ansicht des Rückens, in der Seitenansicht und in der Draufsicht. Die

Abb. 12 bis 15 schließlich zeigen die Art der Einführung der Schaufehl und der Schlußschaufeln in den Schaufelkanal an Hand eines

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in Umfangsrichtung verlaufenden Schnittes durch die Schaufeln nach Linie XII-XII der Abb. i.

In den Abb. ι und 2 bezeichnet 1 den Schaufelkranz, während mit 2 die Schaufeln bezeichnet sind, soweit sie nicht Schlußschaufeln sind. Während bei den bisher üblichen Schaufeln der Schaufelkanal 3 (vgl. Abb. 3 und 12 bis 15) in der Höhe des äußeren Laufradumfanges durch den Schaufelfuß abgeschlossen ist, kennzeichnen sich die Schaufeln nach den Abb. 1 und 2 erfindungsgemäß dadurch, daß der Schaufelkanal 3 bis in den Schaufelfuß 4 oder 5 hinein verlängert ist. Entsprechend der Verlängerung der Schaufelkanäle 3 weisen die Wangen 6, 7 des Laufrades bei 8 eine ringförmige Ausnehmung auf, deren innere Begrenzungsfläche 8' mit dem inneren Abschluß 4' oder 5' der Schaufelkanäle 3 durch die Schaufelfüße 4 und 5 abschließt.

Durch diese eigenartige Ausgestaltung der Schaufeln und der Laufradwangen entsteht die Möglichkeit einer Ausfüllung der so entstandenen Räume mit einer Schweiße 9, welche die beiden Wangen 6, 7 des Laufrades 1 miteinander verankert und gleichzeitig eine metallische Verbindung zwischen den Schaufeln und den Laufradwangen herstellt, so daß wesentliche Temperaturunterschiede zwischen den Schaufehl und den Wangen nicht mehr auftreten können. Im übrigen sind die Anker 9 infolge ihrer großen Anzahl und ihrer Querschnitte kräftig genug, um jedes Aufspreizen der Wangen 5, 7, das durch Auftreten normaler Beanspruchungen entstehen könnte, zu verhindern.

Um die Anker 9 vor den Auswirkungen der Fliehkräfte zu schützen, weisen die Schaufeln 2 und die Schlußschaufeln 10 in an sich bekannter Weise nasenartige Vorsprünge 11 oder 21 auf, deren äußere Begrenzungsfläche an der entsprechenden Fläche 12' einer Ausdrehung 12 des Laufradkranzes 1 zur Anlage kommt. Es nimmt also der Laufradkranz 1 über die auf diese Weise entstehenden ringartigen Vorsprünge 13 die Fliehkräfte der Schaufeln auf und entlastet auf diese Weise die Anker 9 vor den Auswirkungen dieser Kräfte.

Damit die Anlage der Vorsprünge 11 oder 21 an den Ringflächen 12' bereits während des zur Verbindung erforderlichen Arbeitsverfahrens, insbesondere während der Herstellung der Verschweißungen 9, gewährleistet ist, ist die an der unteren Begrenzungsfläche der Schaufelfüße 4 oder 5 anliegende, die Schaufelnut abschließende Wandung 14 elastisch ausgeführt. Diese Wandung schließt einen Kühlkanal 15 ab, dem das Kühlmittel über Querkanäle 16 zugeführt wird; entsprechende Kanäle führen das Kühlmittel wieder ab. Die Wandung 14 ist dabei, wie die Abb. ι und 2 deutlich erkennen lassen, aus dem Werkstoff des Laufradkranzes herausgearbeitet und durch nachträgliches Umbördeln sowie Verschweißen mittels der Längsnaht 17 zur Kühlkanaldecke ausgestaltet worden. Die elastische Wandung 14, die durch nachträgliches Bearbeiten an ihrem äußeren Umfang geglättet worden ist, liegt mit elastischem Druck an den Schaufelfüßen 4, 5 an und erhält die Schaufeln auch während des Herstellungsverfahrens in der gewünschten Lage. Im Betriebe selbst versucht die Wandung 14 unter dem Einfluß der hohen Kühlmitteldrücke, die infolge der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades auftreten und Größenordnungen von etwa 200 atü annehmen, auszuwölben. Hierbei wird ein außerordentlich kräftiger Druck auf die Schaufehl zusätzlich zu der auf sie bereits wirkenden Fliehkraft ausgeübt, so daß sich die Vorsprünge 11 fest gegen die Ringflächen 12' pressen, womit eine ununterbrochene metallische Verbindung zwischen den Schaufeln und der Kühlkanaldecke 14 und zum Kühlmittel selbst hergestellt ist.

Eine besondere Ausbildung hatten Schlußschaufeln und Laufradkränze zu erfahren, um zu erreichen, daß die Anker 9, gleichgültig, ob sie den gleichartig ausgebildeten Schaufeln oder den Schlußschaufeln zugeordnet sind, von den Auswirkungen der Schaufelfliehkräfte entlastet sind. Wie die Abb. 7 und 8 zeigen, ist der Schaufelfuß 5 der Schlußschaufeln 10 um so viel schmaler ausgeführt als der Fuß der Schaufeln nach den Abb. 4 bis 6, wie es unter Erhaltung des Schaufelquerschnittes gerade noch möglich ist. Der übrige Teil des Schaufelfußes bei Schlußschaufeln ist, wie die Abb. 9 bis 11 zeigen, als von der Schlußschaufel völlig getrennter Schaufelteil 18 ausgeführt. Die äußere Fläche 5" des Schlußstückes 18 ergänzt sich im Einbauzustand der Schlußschaufeln mit den Flächen 5' zum Abschluß des zwischen Schluß- und Nachbarschaufel gebildeten Schaufelkanals 3. Durch diese Ausbildung der Schlußschaufeln ist es möglich, die Schaufeln im Verhältnis zu den Unterbrechungsstellen der Ringvorsprünge 13 des Laufradkranzes 1 an den Einfüllstelleii so anzuordnen, daß die gesamten Schaufeln einschließlich der Schlußschaufeln ihre Fliehkräfte über die Vorsprünge 11 auf die Ringvorsprünge 13 des Laufradkranzes übertragen, womit sämtliche Queranker 9 von den Auswirkungen der Schaufelfliehkräfte entlastet sind.

Die Abb. 12 bis 15 veranschaulichen diese Anordnung an Hand der während des Einfüllvorganges auftretenden Schaufelstellungen im einzelnen. Die Abb. 12 bis 15 stellen dabei, vermöge der gewählten Schnittdarstellung nach Linie XII-XII der Abb. 1, eine Draufsicht auf die Einfüllstelle in radialer Richtung, zur Achse des Laufrades zu gesehen, dar. Wie die Abb. 12 erkennen läßt, sind die Ringvorsprünge 13 bei 19 und 20 derart unterbrochen, daß die Länge der Unterbrechungen gerade der Länge der Vorsprünge 11 der Schaufeln nach den Abb. 4 bis 6

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entsprechen. Es können also Schaufeln nach diesen Abbildungen ohne weiteres in radialer Richtung, von außen nach innen, d. h. in Richtung auf die Laufradachse zu eingesetzt und dann in der Umfangsrichtung an ihre endgültige Stelle verschoben werden. Der Pfeil in Abb. ι deutet dabei an, wie eine nach den Abb. 4 bis 6 ausgebildete Schaufel nach der Durchführung ihrer Vorsprünge 11 durch die Unterbrechungen ig, 20, vom Beschauer aus gesehen, nach links verschoben wird.

Abb. 13 zeigt diejenige Stellung der Schaufeln, die eintritt, nachdem die letzte der nach den Abb. 4 bis 6 ausgebildeten Schaufeln durch die in Abb. 12 angedeutete Linksverschiebung an ihren endgültigen Platz gelangt ist. Diese Schaufel ist zur besonderen Hervorhebung allein mit der Ziffer 2 bezeichnet worden. Man erkennt, daß ihre Vorsprünge 11 größtenteils unterhalb der Ringvorsprünge 13 liegen, daß also diese Schaufel ihre Fliehkraft völlig auf den Laufradkranz überträgt und damit den zugeordneten Queranker von den Auswirkungen dieser Fliehkraft entlastet. In dieser Stellung der Schaufel 2 ist die noch freie Länge der Unterbrechungen 19, 20 gerade so groß, daß die Vorsprünge 21 der Schlußschaufel 10; die durch getrennte Ausführung des Schlußstückes 18 kleiner sind als die Vorsprünge 11 der nach den Abb. 4 bis 6 ausgeführten Schaufeln, durch sie durchgeführt werden können, so daß die Schlußschaufel 10 durch Rechtsverschiebung an ihre endgültige Stelle gebracht werden kann.

Abb. 14 zeigt die Stellung der Schaufeln in diesem Zustand. Man erkennt, daß auch die Vorsprünge 21 der Schlußschaufeln größtenteils an den Ringvorsprüngen 13 des Laufradkranzes 1 anliegen, so daß auch die Schlußschaufel wie jede andere Schaufel ihre Fliehkraft auf die Ringvorsprünge 13 und damit auf den Laufradkranz ι überträgt. Die freie Länge der Unterbrechungen 19, 20 ist nunmehr gerade noch so groß, daß das Schlußstück nach den Abb. 9 bis ii eingeführt werden kann. Diese Lage ist in Abb. 15 veranschaulicht. Die Verbindung wird fertiggestellt, indem die noch freie Länge der Unterbrechungen 19, 20 durch den Abstand zwischen den Vorsprüngen 11 und 21 ausfüllende parallelepipedische Klötzchen 23 (Abb. 2) ausgefüllt wird, worauf die die Flächen 5", 5' abdeckende Schweiße 9 eingebracht wird. Es sind also die Anker 9 von den Fliehkräften sämtlicher Schaufeln entlastet, und lediglich der Anker 9, der dem Schlußstück 18 gegenüberliegt, hat dessen verhältnismäßig geringe und daher ohne weiteres aufzunehmende Fliehkraftbeanspruchung zu übernehmen. An die Stelle der Klötzchen 23 kann natürlich auch eine entsprechend eingebrachte Schweiße treten. ■ Es liegt im Wesen der Erfindung, daß von der dargestellten Ausführungsform in mannig

fachster Weise abweichende Verwirklichungen möglich sind, ohne daß der Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Schaufelbefestigung für hochbeanspruchte Kreiselmaschinen, insbesondere Brennkraft- und Dampfturbinen, bei der die Schaufelfüße in einer von seitlichen Wangen des Schaufelträgers begrenzten Nut befestigt sind und von Wange zu Wange verlaufende Anker in Querkanälen liegen, die in Umfangsrichtung zwischen den Schaufelfüßen je zweier benachbarter Schaufeln vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die durch radiale Verlängerung der Schaufelkanäle in die Schaufelfüße und damit in die Ringnut hinein gebildeten Querkanäle für die Anker zum Schaufelträger zu durch aneinander anliegende Verstärkungen der Schaufelfüße begrenzt sind.
2. 2. Schaufelbefestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Anker aus Schweißstoff bestehen, der unter Verbindung der Wangen des Schaufelträgers untereinander, gegebenenfalls auch mit den Schaufeln und der Schaufeln untereinander, die bis in den Schaufelfuß hinein durchgeführten Schaufelkanäle ausfüllt.
3. 3. Schaufelbefestigung nach den Ansprüchen ι oder 2, gekennzeichnet durch Anordnung von Vorsprüngen oder Ausnehmungen, die mit dem entsprechend ausgebildeten Schaufelträger unter Entlastung der Anker von der Fliehkraft der Schaufeln in Eingriff stehen.
4. 4. Schaufelbefestigung nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der an dem metallischen Anker anliegende Schaufelfußteil bei Schlußschaufeln getrennt vom übrigen Schaufelkörper ausgebildet ist.
5. 5. Schaufelbefestigung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Einfüllstellen für die Schaufeln und ihre An-Ordnung im Verhältnis zu diesen so getroffen ist, daß lediglich der zur Schlußschaufel gehörige, aber von ihr getrennte Schaufelfußteil die von ihm ausgeübte Fliehkraft auf den an ihm anliegenden Anker überträgt, während die Fliehkräfte der Schlußschaufeln, ihrer Nachbarschaufeln und die Fliehkraft aller übrigen Schaufeln über die Schaufelvorsprünge auf den Schaufelträger übertragen werden.
6. 6. Schaufelbefestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch über die axiale Schaufelbreite hinausgehende Verbreiterung der die Schaufelfüße aufnehmenden Nut des Schaufelträgers im Bereiche der Verlängerungen der Schaufelkanäle und durch Ausfüllung der so ge-

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   bildeten ringförmigen Ausnehmung mit Schweißstoff.
7. 7. Schaufelbefestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Grundflächen der Schaufelfüße anliegende, die Schaufelnut abschließende Wandung elastisch ausgebildet ist.
8. 8. Schaufelbefestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Grundflächen der Schaufelfüße anliegende elastische Wandung als Decke eines Kühlkanals ausgebildet ist, der zweckmäßig vom Schaufelträger selbst gebildet wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen