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Laufschaufelträger für nicht gegenläufige, radial beaufschlagte Turbinen
Im Bau von radial beaufschlagten Turbinen konnten bisher aus festigkeitstechnischen
Gründen nur Umfangsgeschwindigkeiten bis etwa 185 m/Sek. ausgeführt werden. Bei
nicht gegenläufigen Turbinen dieser Bauart ist das Wärmegefälle, das mit einer radial
beaufschlagten Beschaufelung einer Scheibe mit derartigen Umfangpgeschwindigkeiten
verarbeitet werden kann, gering, und demnach sind auch die Temperaturunterschiede
des die Scheibe umgebenden Arbeitsdampfes niedrig. Damit bleiben die Temperaturspannungen
in der Scheibe in mäßigen Grenzen. Auch die zusätzlichen Fliehkraftbeanspruchungen
sind gering, so daß die Ausführung derartiger Scheiben keine Schwierigkeiten bereitet.
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Bei gegenläufigen radial beaufschlagten Turbinen, bei welchen auf
einer kurzen radialen Erstreckung einer Scheibe große Gefälle verarbeitet werden
können, liegen die Verhältnisse ungünstiger. Der Temperaturunterschied des die Scheibe
umgebenden Arbeitsdampfes ist in diesem Falle beträchtlich und würde in der Scheibe
Temperaturspannungen erzeugen, die zusammen mit den Fliehkraftbeanspruchungen unzulässig
hohe Werte ergeben. Diese Schwierigkeit konnte'durch Auflösung der Scheiben in mittengleich#e
Ringe behoben werden, da die größten Umfangsgeschwindigkeiten höchstens 185 m/Sek.
betragen und bis zu diesem Werte die Fliehkraftbeanspruchung umlaufender Ringe in
mäßigen Grenzen bleibt.
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Die Erkenntnis, daß man bei Vermeidung von Schaufeltragringen und
Verwendung frei tragender Überdrucklaufschaufeln unter gleichzeitiger Beseitigung
oder wenigstens weitgehender Verminderung der schiefen Belastung durch ihre eigenen
Fliehkräfte auch für solche Turbinen größere Schaufellängen und größere Beaufschlagungsdurchmesser
ausführen kann, machte es möglich, nunmehr auch bei nicht gegenläufigen radial beaufschlagten
Turbinen auf einer Scheibe große Wärmegefälle, wie sie z. B. bei Kondensationsturbinen
vorkommen, zu verarbeiten.
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Die für solche Maschinen zu beherrschenden größten Umfangsgeschwindigkeiten
betragen z. B. 3oo bis 400 m/Sek. Die Fliehkraftbeanspruchungen im Schaufelträger
werden dann an sich schon groß, können aber noch in zulässigen Grenzen gehalten
werden. Der Temperaturunterschied im Arbeitsdampf würde aber allein unzulässig hohe
Temperaturspannungen im Schaufelträger erzeugen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, eine Form für den
Läufer einer nicht gegenläufigen radial beaufschlagten Turbine zu finden, die bei
größten Umfangsgeschwindigkeiten und zulässigen Beanspruchungen große Leistungen
und große Wärmegefälle auf der radialen Erstreckung des Läufers zu verarbeiten gestattet.
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Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, den Laufschaufelträger in
mehrere Scheiben unter Wahrung eines Zwischenraumes oder mehrerer Zwischenräume
zwischen je zwei Scheiben mit abnehmendem Durchmesser zu unterteilen, und
zwar so, daß auf allen oder
mehreren von benachbarten Scheiben nicht
verdeckten Flächen der Stirnseiten dieser Laufscheiben je eine Anzahl Laufschaufelreihen
befestigt ist.
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Bei der Auflösung des Laufschaufelträ gemäß der Erfindung ist es wichtig,
daß je'
Scheibe eine Anzahl von Schaufelreihen er äl ,
und zwar so viele,
daß der auf Grund des verarbeitbaren Wärmegefälles entstehende Temperaturunterschied
in dem diesen Läuferteil beaufschlagenden Arbeitsdampf Temperaturspannungen in der
in Frage kommenden Teilscheibe in gerade noch zulässigem Maße erzeugt, um die Zahl
der Teilscheiben möglichst gering zu halten. Ebenso wichtig ist es, zwischen
je zwei Scheiben Zwischenräume vorzusehen, um die Wärmeübertragungen von
den heißeren Scheiben auf die kälteren möglichst zu vermeiden. Würde man für jede
Laufschaufelreihe eine Scheibe vorsehen und würde man diese Scheiben als Scheiben
gleicher Dicke ausführen und ohne Zwischenräume unmittelbar aneinandersetzen, wie
dies, allerdings aus dem Grunde, um eine Schaufelreihe mit der zugehörigen Scheibe
aus einem Stück fertigen zu können, bereits vorgeschlagen wurde, so würde man die
von den gemäß der Erfindung ausgeführten Läufer geforderten Eigenschaften auch nicht
angenähert erzielen.
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Bei der erfindungsgemäß ausgeführten Läuferform können die kleinsten
äußeren Scheiben durchgehend beschaufelt werden. Scheiben mit kleineren Umfangsgeschwindigkeiten
als 185 in/Sek. können zusätzlich in Ringe unterteilt werden.
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Die Abb. i bis 3 der Zeichnung zeigen Ausführungsbeispiele
für Laufschaufelträger gemäß der Erfindung.
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Der Laufschaufelträger der Abb. i ist doppelseitig beschaufelt. Der
Dampf strömt bei i ein und verläßt die erste Schaufelgruppe bei ?" um wiederum bei
3 der Beschaufelung der anderen Scheibenseite zugeführt zu werden. Bei4 teilt
sich der Dampfstrom. Der eine Teil des Dampfes strömt weiter bis 6, während
der andere Teil wieder bei 5 eingeleitet wird. 7 ist die mittlere
größte Teilscheibe, die einen doppelflutigen Niederdruckteil trägt und mit den Wellenenden
24 und 25 mittels Flanschen und Schrauben verbunden ist. Zu beiden Seiten
der Scheibe 7
sind eine Anzahl Scheiben 8, 9, io, ii, ig, und 13 mit
abnehmenden Durchmessern angeordnet, die auf ihrem äußeren Scheibenteil die Beschaufelung
eines einflutigen Hoch- oder Mitteldruckteiles tragen. Abb. -- zeigt einen
einseitig beschaufelten Laufschaufelträger mit Labyrinthscheibe auf der anderen
Seite für den Ausgleich des axialen Dampfschubes. Die größte Scheibe 14 ist hier
beispielsweise mit den Wellenenden aus einem Stück gefertigt, 15 und 16 siiid wiederum
weitere Teilscheiben mit abnehmenden Durchmessern zur Aufnahme von Laufschaufelreihen.
17 ist die Labyrinthscheibe fü.r den Schubausgleich. Abb. 3 hat grundden
gleichen Läuferaufbau wie Abb. 2, die Labyrinthscheibe jetzt ebenfalls felt. Der
Dampf strömt bei 18 zu und bei ig wieder die erste Schaufelgruppe, um bei 2o der
anderen Scheibenseite zuzuströmen. Bei 2,1 wechselt der Dampf nach 2?, hin zum zweitenmal
die Scheibenseiten, um bei 23 die Beschaufelung endgültig zu verlassen. Der
zweimalige Seitenwechsel des Dampfes ist mit Rücksicht auf möglichst große und günstige
Ausnützung der beiden Scheibenseiten für Unterbringung von Schaufelreihen bei gleichzeitigem
Schubausgleich vorgenommen wordeit.
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Wie aus diesen Abbildungen ersichtlich, ist jede Teilscheibe eines
Läufers nur Dampfzuständen mit geringen Temperaturunterschieden ausgesetzt.
- Gleichzeitig sind die Scheiben so angeordnet, daß die Scheiben mit kleinstem
Durchmesser Dampf von höchster und die Scheiben mit größtem Durchmesser Dampf von
möglichst niedriger Temperatur erhalten. Damit ist erreicht, daß die Temperaturspannungen
in einer Teilscheibe in zulässigen Grenzen bleiben und daß die Scheiben, die auf
Grund ihrer großen Durchmesser hohe zusätzliche Fliehkraftbeanspruchungen erhalten,
hinsichtlich ihrer festigkeitstechnischen Eigenschaften durch hohe Dampftemperaturen
nicht beeinflußt werden.
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Diese Vorteile werden vor allem durch die Maßnahme, die größte Scheibe
in der Mitte und die übrigen Scheiben mit abnehmendem Außendurchinesser axial zu
deren beiden Seiten anzuordnen, erreicht, wie dies aus den Abb. i bis
3 ersichtlich ist.
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Für die größte Teilscheibe, die den größten Fliehkräften ausgesetzt
ist, ist es zweckmäßig, diese möglichst als Scheibe gleicher Festigkeit auszuführen.
Die Verbindung dieser Scheibe mit den Wellenstücken geschieht entweder durch Flanschen
und Schrauben (Abb. i) oder dadurch, daß sie mit den Wellenstücken aus einem Stück
gefertigt wird. Bei Verbindung mittels Flanschen und Schrauben erhält die Scheibe
auf ihrem inneren Teil auf beiden Seiten in bekannter Weise eine axiale Verdickung,
in der die Gewindelöcher für die Verbindungsschrauben vorgesehen werden können,
ohne den eigentlichen Scheibenkörper gleicher Festigkeit zu unterschneiden und züi
schwächen.
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Vom festigkeitstechnischen Standpunkt und für die bauliche Durchführung
vorteilhaft ist die Maßnahme, die größte Scheibe auf ihrem äußeren Rand auf beiden
Seiten gleichartig züi beschaufeln (Abb. i). Damit wird sowohl eine gleichmäßige
Erwärmung des Scheibenkranzes
erreicht als auch zusätzliche Biegungsbeanspruchung
durch Schaufelfliehkräfte vermieden. Ist die Dampfmenge gering, so daß Einflußbauart
des Niederdruckteils notwendig wird, so können auch bei einseitiger Anordnung der
Niederdrucklaufschaufelreihen an der Scheibe Biegungsbeansprachungen durch deren
Fliehkräfte in der Scheibe dadurch vermieden werden, daß die Scheibe auf ihrem beschaufelten
Teil eine der Beschaufelung abgekehrte Krümmung erhält (Abb. 2 und 3).
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Die kleineren Scheiben werden auf übliche Weise, z. B. mittels Kegelbüchsen
oder elastischer Ringe, auf der Welle oder deren Flanschverbindung befestigt und
zentriert. Die Kraftübertragung geschieht durch Keile oder Radialbolzen.
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Um einen stetigen Verlauf der Oberfläche des in mehrere Teilscheiben
aufgelösten Schaufelträgers zu erhalten, werden die sich der größten Scheibe anschließenden
kleineren Scheiben mit einer Kegelmantelfläche oder Wölbung versehen. Diese Formgebung
ist auch aus festigkeitstechnischen Gründen vorteilhaft, wenn auch die inneren Schaufelreihen
ohne Tragringe ausgeführt werden. Die Fliehkräfte der Beschaufelung und der Scheibe
heben sich dann weitgehend auf.
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Sind die zu beiden Seiten eines solchen Laufschaufelträgers wirkenden
Dampfkräfte ausgeglichen, so können die einzelnen Teilscheiben mit geringen zusätzlichen
Biegungsbeanspruchungen durch die axial wirkenden Dampfkräfte ausgeführt werden,
indem man die einzelnen Scheiben in verschiedenen, auf der Scheibenfläche verteilten
Punkten gegeneinander abstützt. Die Berührungsflächen zweier Scheiben sollen aber
möglichst klein ausgeführt werden, um nicht den Wärmeübergang von einer Scheibe
zur anderen zu begünstigen. Die isolierende Wirkung des zwischen zwei Scheiben befindlichen
Abstandes kann zusätzlich durch Einbau dünner Blechstreifen zwischen je zwei Teilscheiben
erhöht werden.