DE6800951U - Laeufer einer axialstroemungsmaschine. - Google Patents

Description

AEG-KANIS TURBINENFABRIK GMBH 85 Nürnberg 2, Frankenstraße 70 - 80

Crüger/ja Erf.-Nr.: Ve 10/077

Läufer einer Axialströmungsmaschine

Die Neuirungg betrifft einen Läufer einer Axialströmungsmaschine mit mehrstufiger Beschaufelung.

Laufschaufeln sind die wichtigsten Elemente von Strömungsmaschinen, da sie auf die Erzeugung der geforderten Leistung den größten Einfluß haben. Sie sind hochbeansprucht, da sie außer auf Biegung auch durch Fliehkräfte belastet werden; ferner kommen meistens noch Schwingungsbeanspruchungen hinzu.

Da die Schaufeln fast immer komplizierte Formen haben und genau hergestellt werden müssen, werden sie seit eh und je einzeln gefertigt und dann in den bzw. die Läufer eingesetzt. Dieses Verfahren hat erhebliche Nachteile zur Folge, da der Kraftfluß in den Schaufeln, besonders im Bereich der Einspannung, kompliziert ist, zusätzliche Biege- und Schubsρannungen sowie Kerbwirkungen schwer zu vermeiden sind und die Art der Befestigung einen zusätzlichen Unsicherheitsfaktor darstellt. Die Schaufeln müssen in ihren Fußführungen zum Einscheiben eine gewisse, wenn auch ge-

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ringe Toleranz aufweisen, können also kaum mit strammem Sitz befestigt werden. Außerdem wird diese Toleranz im Betrieb infolge der Fliehkraftdehnungen noch größer, so daß der Einspannungsgrad der Schaufeln im Betrieb meistens nicht genau genug bekannt ist. Die Folge davon sind erhebliche Unsicherheiten in der Festigkeitsberechnung und besonders bei der Ermittlung der Eigenschwingungszahlen.

Es ist daher naheliegend und auch ein relativ alter Wunschtraum, die Schaufeln nicht einzeln anzufertigen und in den Läufer einzusetzen, sondern mit diesem aus einem Stück herzustellen bzw. herauszuarbeiten (z.B. Jahrbuch 1939 der deutschen Luftfahrtforschung S. II 165). Es sind auch schon verhältnismäßig frühzeitig derartige Beschaufelungen hergestellt worden (z»3. Bericht 171 der Lilienthal-Gesellschaft für Luftfahrtforschung 19^3, S. 11). Dabei wurden die Schaufeln - d.h. die zwischen diesen befindlichen Strömvuigskanäle - aus de» vollen Läufer herausgefräst. Allerdings handelte es sich dabei immer nur um einstufige Ausführungen«

In neuerer Zeit sind auch mehrstufige Läufer hergestellt worden, deren sämtliche Schaufeln mit dem Läufer aus einem Stück bestehen. Die Zwischenräume und Strömungskanäle werden dabei auf eiektromechanische Weise herausgearbeitet.

Diese Ausführung und Bearbeitungsart ist jedoch sehr aufwendig und kostspielig, da es sehr schwierig ist, die komplizierten Zwischenräume und Kanäle so exakt herauszuarbeiten, daß die Schaufelprofile mit ihren dünnen Austrittskanten, ihren Anschärfkanten usw. genau in der gewünschten Form stehenbleiben. Ein geringes Versehen bei der Bearbeitung macht den ganzen Läufer bereits zum Aus-

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schuß, da von der exakten Ausführung der Schaufeln der Wirkungsgrad entscheidend abhängt und es hierbei auf Bruchteile eines Prozentes ankommt.

Nachteilig ist es zudem, daß an dem Material infolge der Bearbeitung mit Säuren beim elektrochemischen Verfahren Korrosionsermüdung auftritt, was die Dauerfestigkeit bedeutend vermindert und dadurch die oben erwähnten Vorteile hinsichtlich der Einspannungsverhältnisse wieder weitgehend vernichtet. Um diesen Nachteil su vermeiden., könnte prinzipiell eine nechanische Nachbearbeitung erfolgen, was jedoch wiederum äußerst kompliziert wäre und zusätzliche Kosten verursachen würde.

Ein weiterer Nachteil der erwähnten Schaufelbauart besteht darin, daß die Haterlalfaserh nicht in Richtung der Hauptbeanspruchung, also radial, sondern in axialer Richtung verlaufen, also die Pasern durch die Bearbeitung zerschnitten werden. Dadurch wird ebenfalls die Dauerfestigkeit vermindert. Der schwerwiegendste Nachteil zeigt sich jedoch im Reparatur- oder Schadensfall, weil bereits dann, wenn eine einzige Schaufel bricht, der ganze Läufer erneuert werden muß, da es keine Möglichkeit gibt, auf einen in dieser Weise beschädigten Läufer anstelle der gebrochenen Schaufeln neue auf einwandfreie Art zu befestigen, so daß sie ebenso fest mit dem Läufer verbunden sind wie die ursprünglichen.

Es muß jedoch auch bei guter Bedienung und Behandlung immer damit gerechnet werden, daß einmal ein Schaufelschaden eintritt. So kann z.B. bei einer Kesselumschaltung oder anderen Manipulationen Wasser in die Turbine eintreten, was fast immer zu Schaufelschäden führt. Es kann auch vorkommen, daß die Wasseraufbereitung nicht einwandfrei arbeitet, Rohwasser in den Kondensator einbricht oder

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dgl., was su Anfressungen und Zerstörungen von Schaufeln« Bauerbrüchen durch Korrosioneeraüdung u.a. führen kann. Bei Industriekraftwerken, die Proseedampf benötigen, können Säureeinbrüche auftreten. So kann eine Vielzahl von Ursachen für einen möglichen Schaufelschaden genannt werden, wobei jeder - auch nur geringe - Schaufelschaden einen neuen Läufer erfordert.

Ferner muß darauf hingewiesen werden, do£ es bei der erwähnten Ausführungsart auch nicht möglich ist, die Schaufeln aus einem hochwertigeren Material herzustellen als den Läufer. Der gosamte Läufer muß vielmehr aus dem Material gefertigt werden, das die höchstbeanspruchte Schaufelstufe erfordert. Nebtn den erhöhten Ver^stoffkosten ergibt sich noch ein zusätzlicher Hachteil dadurch, daß hochlegierte Werkstoffe schlechte Laufeigenschaften in den Lagern haben, da das Schmieröl infolge der Legierungselemente geringere Adhäsion am Zapfen hat, so daß leichter Lagerschäden auftreten können. Werden an den Zapfen Buchsen aus geeigneterem Material aufgezogen oder solche aufgespritzt, so vermindert das wiederum die kritische Drehzahl und bringt Probleme der Laufruhe bzw. -unruhe mit sich, da diese Elemente besonders bei hochtourigen Maschinen, hochbeansprucht werden und sich bei ungünstigen Verhältnissen lockern können.

Ein weiterer Nachteil der massiven Läufer besteht darin, daß Werkstoffmangel, Lunker oder dgl. viel eher möglich sind und nur schwer festgestellt bzw,, überhaupt nicht erkannt werden, so daß es zu schweren Schaden, Betriebsstörungen, Laufunruhe und Instabilitäten infolge Inhomogenitäten und thermischer Unwucht kommen kann. Werden jedoch solche Mangel während der Bearbeitung festgestellt, so ist der finanzielle und zeitliche Verlust enorm.

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Die aufgezählten mannigfachen Nachteile will die Neuerung vermeiden«. Sie besteht darin, daß der Läufer entsprechend der Stufenzahl aus mehreren kreis- oder kreisringförmigen Scheiben zusammengesetzt ist, an deren radial äußeren Umfang die Schaufeln aus dem Vollen herausgearbeitet sind. Zweckmäßigerweise sollen die Scheiben als Scheiben gleicher Festigkeit ausgebildet sein.

Die Schaufeln können durch verschiedenartige Verfahren
herausgearbeitet sein, wie z.B.

a) durch Fräsen;

b) durch Kopierdrehen;

c) durch Schleifen, wobei dieses auch in Ergänzung zu
einem anderen Bearbeitungsverf&hren angewandt werden
kann;

d) durch Erodieren, also elektroerosive Bearbeitung;

e) durch Elysieren, also elektrochemische Bearbeitung;

f) durch Aus- bzw. Anschmieden.

Insbesondere wird gemäß weiterer Ausbildung; der Erfindung vorgeschlagen, daß das Schmieden durch gleichzeitiges und gleichmäßiges radial einwärts gerichtetes Einwirken mehrerer gleichmäßig über den Umfang der Scheiben verteilter Schmiedestempel erfolgt.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt, dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1

eine schematische Darstellung der Herstellung einer beschaufelten Scheibe durch ein
Schmiedeverfahren,

Fig. 2-6 verschiedene Möglichkeiten für die Herstellung eines Läufers aus einzelnen Scheiben.

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Gemäß Fig. 1 werden an dem äußeren Umfang einer kreisringförmigen Scheibe 1 die Schaufeln durch ein Schmiedepreßverfahren hergestellt. Dabei wirken mehrere gleichzeitig über den Umfang der Scheibe 1 verteilte Schmiedestempel 10 gleichmäßig und gleichzeitig radial einwärts ein, wobei in mehreren Arbeitsgängen die Schaufelformen herausgearbeitet werden.

Fig. 2 zeigt eine Welle 2, bei der kreiaringförmige Scheiben 1 auf entsprechenden Absätzen aufgeschrumpft sind. . Der Läufer nach Fig. 3 besteht aus mehreren kreisförmigen Scheiben 1 und zwei Endscheiben 3 mit den Wellenzapfen, die durch außeraittige Zuganker, deren Achse mit 4 gekennzeichnet ist, miteinander verbunden sind. Ebenso könnte aber auch ein zur Wellenachse koaxialer Anker verwendet werden.

Nach Fig. 4 weisen die Scheiben 1 bzw. die Endscheiben 3 Ringschultern 5 mit zur Wellenachse konzentrischen Gewinden b auf, mit deren Hilfe die Scheiben 1 durch Verschrauben verbunden werden. Die Gangrichtung dieser Befestigungsgewinde 6 muß so gewählt werden, daß sie durch das Betriebsmoment zugedreht werden kann. Die Scheiben 1 sind dabei als Scheiben gleicher Festigkeit ausgebildet, da diese Form für eine rotierende Scheibe bekanntlich die günstigste ist.

In der Fig. 5 ist ein geschweißter Läufer dargestellt, wobei Scheiben Λ und Endscheiben 3 durch in Umfangsrichtung verlaufende Schweißnähte 7 an Ringschultern 5 verbunden sind. Eine weitere Möglichkeit des Läuferzusammenbaus aus einzelnen Scheiben besteht nach Fig. 6 darin, daß ringförmige Verbindungsmuffen 8 mittels Gewinde die Ringschul-■fcsrn 5 der Scheiben 1 verbinden. Dabei ist zu empfehlen, daß die Verschraubungen durch Sicherungselemente oder durch leichte Verschweißung gegen ein Lösen gesichert werden.

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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Herstellung sogenannter Massivstufen oder -kränze, wobei die Schaufeln jeder Stufe mit ihrem Kranz bzw. ihrer Radscheibe aus einem Stück bestehen, keine Einspannungsprobleme auftreten, da deren Verbindung absolut fest und rechnerisch erfaßbar ist. Gegenüber der Herstellung eines ganzen beschaufelten Läufers aus einem Stück ergibt sich durch die Aufteilung des Läufers in einzelne beschaufelte Scheiben die Möglichkeit, die Schaufelkanäle in viel einfacherer Weise, mit weitaus geringerem Aufwand und wesentlich genauer herauszuarbeiten, ferner kann jede derartige Scheibe zuverlässiger geprüft werden, woraus sich eine höhere Betriebssicherheit ergibt, ganz abgesehen von der Tatsache, daß das Ausschußrisiko bedeutend vermindert ist, da Werkstoff mangel, Fehlstellen, Lunker, Fremdeinflüsse und dgl. bei Einzelscheiben kaum auftreten und auch leicht von Anfang an erkannt werden können.

Bei Bearbeitungsfehlern oder betrieblichen Schäden wie beispielsweise Schaufelbruch, Beschädigung von Anschärfkanten o.a., brauchen nur die betreffenden Scheiben ausgewechselt zu weiden.

Darüber hinaus ist es möglich, für die verschiedenen Stufen unterschiedliche Werkstoffe zu wählen, so wie sie für Temperatur, Druck, Überhitzungsgrad, Feuchtigkeitsgehalt bzw. Gaszustand und Beanspruchung jeweils am zweckmäßigsten sind* Insbesondere wird es dadurch auch möglich_? für die Lauferenden Werkstoffe mit guten Laufeigenschaften zu wählen.

Eine besonders günstige und vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht im An- oder Ausschmieden der Schaufelformen am äußeren Durchmesser der Radscheiben. Bei dieser Bearbeitungsart werden gleichzeitig alle Schaufelka-

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näle in den Scheibenrohling hineingeschlagen oder -gepreßt. Nach außen heben sich dabei die radial nach innen wirkenden Schlag- bzw. Druckkräfte auf. Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß keine Fasern zerschnitten werden und daß daher die Festigkeit, insbesondere die Dauerfestigkeit an den höchstbeanspruchten Übergangsstellen der Schaufelblätter in das Läufermaterial nicht vermindert wird.

Andere Möglichkeiten, die Schaufeln am radial äußeren Durchmesser der Scheiben herauszuarbeiten, bestehen im Fräsen, Kopierdrehen, Schleifen, Erodieren, also elektroerosiver, oder Elysieren, d.h. elektrochemischer Bearbeitung. Diese Verfahren können auch nebeneinander angewendet werden.

Die erfindungsgemäße Lehre, nämlich die Laufschaufeln mit dem diese tragenden Läuferteil für jede Stufe aus einem Stück herzustellen, kann entsprechend auch bei Leitschaufeln angewendet werden.

8 Seiten Beschreibung 10 Patentansprüche

Claims (8)

AEG-KANIS TURBINENi1ABRIK GMBH 35 Nürnberg 2, Frankenstrasse 70-80 Crüger/Ja Erf.-Nr.; We 10/077 14. Juli 1971 G 63 009 51>8 Schutzansprüche

1. Läufer einer Axialströmungsmaschine mit mehrstufiger Beschaufelung, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer entsprechend der Stufenzahl aus mehreren, kreis- oder kreisringförmigen Scheiben (1) zusammengesetzt ist, an deren Umfang die Schaufeln aus dem Vollen herausgearbeitet sind.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (1) als Scheiben gleicher Festigkeit ausgebildet sind.

3. Läufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln durch elektroerosive oder elektrochemische Bearbeitung herausgearbeitet sind.

4-. Läufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln herausgeschmiedet sind.

5. Läufer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit aus dem Yoülen herausgearbeiteten Schaufeln versehene kreisringförmige Scheiben (1) auf die Welle (2) aufgeschrumpft sind.

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6. Läufer nach den Ansprüchen 1 und ?, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben 0Ό nittelr- Zuganker mit den mit Wellenzapfen versehener. Er.. - cheiben (3) verbunden sind.

7. Läufer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Scheiben (1) mit zur Achse konzentrischem Gewinde versehene Ringschultern (5) vorgesehen sind, an denen die Scheiben durch Verschraubung miteinander verbunden sind.

8. Läufer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (1) durch eine Scbweissung an den RingGchultern (5) miteinander verbunden sind.

9· Läufer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass aiit einem Gewinde versehene ringförmige Verbindungsmuffen (8) vorgesehen sind, mit denen die Ringschultern (5) zweier benachbarter Scheiben (1) verschraubt sind.