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Laufschaufelträger für radial beaufschlagte Turbinen Im Bau von radial
beaufschlagten Turbinen befestigt man die Schaufeln jeder Reihe an zwei Schaufeltragringen.
Die frei tragende Schaufelausführung ohne Tragringe ist nach einigen Versuchen wieder
verlassen worden. Dies geschah aus verschiedenen Gründen. Einer der hauptsächlichsten
war, daß die Fliehkraft der frei tragenden Schaufeln in dem Laufrad große Biegungsbeanspruchungen
hervorrief, die sich den Eigenspannungen des umlaufenden Rades überlagerten. Dies
verhinderte sowohl die Ausführung größerer Beaufschlagungsdurchmesser als auch größerer
Schaufellängen.
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Es ist versucht worden, diese Biegungskräfte durch die Kräfte von
entsprechenden Gegengewichten auf der Rückseite des Rades auf7uheben. Doch brachte
auch die Anwendung von Gegengewichten keine Besserung, da entweder die Gewichte
an kurzen Hebelarmen zu schwer wurden und nunmehr durch sie noch größere Fliehkräfte
entstehen mußten, oder es müssen leichtere Gegengewichte an längeren Hebelarmen
angeordnet werden, so daß in unerwünschter Weise die Entfernung zwischen Rad und
Außenwand vergrößert wurde.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie es auf einfache Weise möglich
ist, frei tragende Schaufeln auch für Durchmesser und Schaufellängen, wie sie für
Kondensationsturbinen notwendig werden, ohne Anwendung von Gegengewichten bei gleichzeitiger
Vermeidung zusätzlicher Biegungsbeanspruchung im Laufrad ausführen zu können.
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Zu diesem Zweck verkleinert sich bei einem L aufschaufelträger von
Dampf- oder Gasturbinen, auf den die Fliehkräfte einer frei tragend ausgeführten
Beschaufelung Biegungskräfte ausüben, gemäß der Erfindung der Krümmungsradius der
Verbindungslinie der Mitten der geringsten Wandstärken an den Befestigungsstellen
der Latfschaufelreihen von innen nach außen.
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Um die im Rad auftretenden, den äußeren Kräften' entgegenwirkenden
Kräfte so groß zu erhalten, daß die Forderung nach Wegfall der Biegungsbeanspruchungen
im Rad erfüllt wird, wird erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, die Form des Rades
so auszuführen, daß die Resultierenden aus den in den inneren und äußeren gedachten
Begrenzungsflächen" eines Ringteiles auftretenden Spannungen in oder angenähert
in der Mitte dieser Flächen liegen.
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Diese Ausführungsart von Laufschaufelträgern hat die überraschende
Wirkung, daß 'die durch einseitig angeordnete Laufschaufeln hervorgerufenen Biegungskräfte
durch die entgegengesetzt gerichteten Biegungskräfte des gewölbten Rades ausgeglichen
werden. Die praktische Durchführung des Erfindungsgedankens zeigt dabei, daß der
Krümmungsradius der Verbindungslinie der Mitten der geringsten Wandstärke an den
Befestigungsstellen der Laufscllaufelreihen von innen nach außen kleiner wird.
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Gewölbte Räder sind an sich bekannt. Keine dieser bekannten Ausführungen
zeigt jedoch eine Gesetzmäßigkeit in der Formgebung, geschweige dann eine Gesetzmäßigkeit,
wie sie durch die Erfindung gefordert wird. Bei den bekannten Ausführungen sind'
die Gründe und Erkenntnisse, die zur Ausführung eines Laufschaufelträgers entsprechend
der vorliegenden Erfindung führen, nicht vorhanden.
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Die Erfindung soll an Hand der Abb. z bis q.
näher
erläutert werden. Abb: i zeigt ein übliches Laufrad mit radial beaufschlagter<
. Beschaufelung in frei tragender Ausführung. Das Rad ist in so viele Ringteile
zerlegt, als Schaufelreihen vorhanden sind. In Abb. 2 ist ein mitt-. leger Ringteil
in vergrößertem Maßstab herausgezeichnet. Abb. 3 zeigt das Rad mit denselben Abmessungen
hinsichtlich Durchmesser und axialer Raddicke und mit den gleichen äußeren Kräften
durch die Schaufelfliehkräfte in gewölbter Form. In Abb. q. ist ein Ringteil des
gewölbten Rades, welcher der Lage im Rad nach dem in Abb.2 gezeichneten Teil entspricht,
besonders dargestellt.
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In den Abb. 2 und q. bedeutet P die Fliehkraft der an dem Teil befestigten
Schaufelreihe, R" und Ri die Resultierenden aus den Spannungen in den äußeren und
inneren Begrenzungsflächen i, 2 und 3, q. zu diesem Teil. Für das Gleichgewicht
eines jeden derartigen Ringteiles muß die resultierende Kraft aus den Kräften P,
Ra und R2 zu Null werden. Bei gleichen Abmessungen und bei gleicher äußerer zusätzlicher
Belastung durch die Schaufelfliehkräfte sind Rd und R; für beide Formen des Teiles
nach den Abb. 2 und q. gleich groß. Die axiale Lage der Resultierenden in den Begrenzungsflächen
i, 2 und 3, q. hängt von, der Form des Spannungsverlaufes in axialer Richtung über
diesen Querschnittsflächen ab.
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Da man mit genügender Annäherung -linearen Spannungsverlauf voraussetzen
darf, so entspricht der Forderung nach Vermeidung von Biegungsbeanspruchungen, also
nach gleichförmiger Spannungsverteilung, nur eine Lage der Resultierenden. Die Forderung
ist erfüllt, wenn diese durch die Mittellinien 5 und 6 der Begrenzungsflächen gehen
und wenn gleichzeitig diese Mitten axial so zueinander um einen bestimmten Betrag
a (Abb. q.) verschoben sind, daß die resultierende Kraft aus den Kräften P, R" und
R= zu Null wird. Da die Größe-und Lage der äußeren Kraft P gegeben ist, die Größe
der Kräfte Ra und R2 ohne weiteres berechnet werden kann und ihre Lage in den zu
ihnen gehörenden Flächen vorgeschrieben ist, so ist auch der Betrag A, um den die
beiden Flächen i, 2 und 3, q. zueinander verschoben werden müssen, durch eine einfache
Gleichung zu finden.
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Abb. 5 zeigt ein gewölbtes Rad gemäß der Erfindung, in der auch die
Schaufelbefestigung und die Ausbildung des Radkopfes dargestellt sind. Unter Berücksichtigung
der Einschnitte im Rad für die Schaufelfüße ist dann meistens eine andere Aufteilung
des Rades in Ringteile als die in den Abb. i bis q. zweckmäßiger. In Abb. 5 sind
deshalb die Begrenzungsflächen für die einzelnen Teile ungefähr in die Mitte der
Schaufelfüße gelegt. Die hierfür geltenden Überlegungen sind grundsätzlich dieselben
wie für die Unterteilungen nach den Abb. i bis q..
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Die Linie 9, io, 1i, 12 verbindet die Mitten .der im Rad liegenden
Begrenzungsflächen der einzelnen Ringteile. Ihr Krümmungsradius wird von innen nach
außen kleiner. a1, a2 und a3 sind gemäß obiger Überlegungen die notwendig werdenden
axialen Verschiebungen dieser Begrenzungsflächen zueinander, um bei der gegebenen
einseitigen Radbelastung durch die Fliehkräfte der Beschaufelung das Rad von Biegungsspannungen
frei zu halten.
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Der Radkopf in Abb. 5, der stärker schraffiert dargestellt ist, unterscheidet
sich von den übrigen Teilen dadurch, daß ein außen anschließender Radteil nicht
vorhanden ist. Um auch in der Fläche 7, 8 dieses Radkopfes die Biegungsspannungen
ganz oder zum großen Teil zu vermeiden, soll weiter erfindungsgemäß das Rad am äußersten
Umfang einen axialen Ansatz bekommen, so daß die Resultierende R aus den Fliehkräften
der Schaufeln und des Radkopfes in die oder angenähert in die Mittellinie 9 der
Fläche 7, 8 fällt.
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Die sich nach der Erfindung ergebende Radform ist in Abb. 2 und 5
so dargestellt, daß die Oberflächen der Räder durch eine stetig verlaufende Erzeugende
gebildet wird. Die Erzeugende kann natürlich auch verschiedene Stufen aufweisen.
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Sollte aus baulichen oder sonstigen Gründen die sich ergebende axiale
Versetzung der einzelnen Ringteile zueinander zu hoch ausfallen, so kann man eine
geringere axiale Versetzung ausführen und die übrigbleibenden Kräfte durch bekannte
Mittel, wie z. B. durch Gegengewicht, ausgleichen.