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Anordnung zur Senkung der Wärmebeanspruchungen und Temperaturspannungen
an den Kanten- und Eckstücken im übrigen einheitlich gegossener Maschinen-, insbesondere
Hohlräume aufweisender Brennkraftturbinenteile Vorliegende Erfindung betrifft eine
Anordnung zur Senkung der Wärmebeanspruchungen und Temperaturspanmuigen in den Kanten-und
Eckstücken .im übrigen einheitlich gegossener Maschinen-, insbesondere Hohlräume
aufweisender Brennkraftturbinenteile. Werden die Kanten- bzw. Eckstücke in üblicher
Weise vom Gußkörper gebildet, so wirken zwei gleichzeitig auftretende Umstände zusammen,
um diese Wärmebeanspruchungen und Temperaturspannungen auf ein besonders hohes Maß
anwachsen zu lassen. Zunächst bringt die Herstellung der Kante oder Ecke als Teil
eines Gußstückes -es unvermeidlich mit. sich, daß an den Kanten und Ecken Verdickungen
der Wandstärke und damit Werkstoffanhäufungen auftreten. Schon mit Rücksicht auf
etwaige Kernverlagerungen ist selbst dem Bestreben, derartige Verdickungen der Wandstärke
zu vermeiden, eine natürliche Grenze gesetzt, so daß die so bedingte Werkstoffanhäufung
die Spannungen vergrößert, die durch den infolge des Temperaturgefälles eintretenden
Wärmefluß durch die Wandung auftreten müssen. Andererseits treten derartige Kanten
und Ecken, wenn die zugehörigen Maschinenteile zur Führung hocherhitzter Mittel,
wie überhitzten Dampfes, Brenngase usw., dienen, regelmäßig dort auf, wo diese -Mittel
besonders hohe Geschwindigkeiten annehmen. Das zeigt sich insbesondere bei Brennkraftmaschinen,
vorzugsweise Brennkraftturbinen, indem derartige Kanten dort an den Sitzflächen
von Ventilen, an den Übergängen zwischen einzelnen Brennkammerteilen, an den Anschlüssen
von Düsen usw. angeordnet sind. Nun ist es allgemein be= kannt, daß der Wärmeübergang
zwischen wärmeübertragendem Mittel und wärmeaufnehmender Wandung mit der Geschwindigkeit
des Mittels stark, in der Nähe der Schallgeschwindigkeiten sogar sprunghaft, zunimmt.
Unter dem Einfluß der so gerade auf Werkstoffanhäufungen zur Auswirkung kommenden
erhöhten Wärmeübergänge werden die Kanten und Ecken Überbeanspruchungen ausgesetzt,
so daß nach verhältnismäßig kurzer Zeit, bei völlig unversehrtem Gußkörper im übrigen,
eine Beschädigung der Kanten und Ecken, vor allem die Bildung von Haarrissen und
Sprüngen, festzustellen ist. Dadurch kann beispielsweise bei gekühlten Maschinenteilen
das
Kühlmittel nicht nur entweichen, sondern es könnten die heißen
Gase ihrerseits in die Kühlräume eindringen, infolge ihrer durchweg höheren Spannung
das Kühlmittel zurückdrängen und so zur völligen Zerstörung des Gußstückes Anlaß
geben.
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Demgemäß setzt. sich vorliegende Erfindung zur Aufgabe, derartige
Kanten und Ecken in Gußstücken so auszubilden, daß Werkstoffanhäufungen und darüber
hinaus Verdickungen der Wandstärke völlig vermieden werden; im Gegenteil, die Wandstärke
soll verringert und die Ecke oder Kante von einem besonders geeigneten zuverlässigen
Werkstoff gebildet werden, um die erhöhten Wärme- und Temperaturbeanspruchungen,
die sich aus den hohen, an den Ecken und Kanten auftretenden Geschwindigkeiten des
wärmeübertragenden .Mittels unvermeidlich ergeben, mit Sicherheit zur Aufnahme zu
bringen.
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Die so gekennzeichnete Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Kanten-oder Eckstücke aus besonderen, im Gußkörper angeordneten, mit ihm
starr verbundenen Einsätzen bestehen und, zweckmäßig dessen gegebener Formgebung
folgend, mindestens an den Kanten bzw. Ecken eine gegenüber dem Gußkörper verminderte
Wandstärke besitzen.
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Es ist zwar schon bekanntgeworden, verschiedenartige Maschinenteile,
die einem größeren Wärmespiel unterliegen, durch elastisch ausgeführte Wandungen
zu verbinden. Man hat zu derartigen, insbesondere in Form von Kanten- und Eckstücken
erscheinenden elastischen Verbindungsmitteln gegriffen, um die Aufnahme des Wärmespieles
durch Stopfbüchsen, die erhebliche Nachteile besitzen, zu vermeiden. Während sich
die bekannte Anordnung somit zwangsläufig deshalb ergab, weil die beiden an sich
verschiedenartigen Maschinenteile irgendwie verbunden werden mußten und bei der
Verbindung lediglich darauf zu achten war, daß dem Wärmespiel Rechnung getragen
wurde, werden gemäß der Erfindung Teile eines gegossenen Maschinenteils, dessen
Herstellung als einheitliches Stück durch Gießen sich ohne weiteres anbietet und
auch immer in dieser Weise vorgenommen worden ist, durch Einsatzstücke ersetzt,
weil man nur diesen Einsatzstücken die Formgebung geben kann, die sie befähigt,
die Wärme- und Temperaturbelastungen ohne Überbeanspruchung aufzunehmen bzw. abzuleiten,
wobei angesichts dieses erheblichen technischen Vorteils ohne weiteres die Kosten
und Schwierigkeiten in Kauf zu nehmen sind, die sich durch diese Ausbildung des
Maschinenteils ergeben müssen.
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In weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens werden die durch
Verminderung der Wandstärke der Einsätze Min Gußkörper entstehenden Hbhlräume als
Kühlräume ausgebildet, wobei sie insbesondere mit vorhandenen Hohl- und Kühlräumen
des Gußstückes zu solchen zu vereinigen sind. Vorteilhaft werden die Einsätze als
ringförmige Winkelstücke ausgebildet; mit dem Gußstück können sie dabei durch Einschweißen
verbunden sein. Weisen die Winkelstücke etwa senkrecht zueinander stehende Schenkel
auf oder ist ihr Querschnitt U-förmig, so ergibt sich eine besonders nachgiebige
Ausbildung, die den Vorteil hat, den verschieden großen Wärmeausdehnungen, die einzelne
Wandungen derartiger Gußstücke im Verhältnis zueinander annehmen können, Rechnung
zu tragen.
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Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens,
und zwar gibt Abb. i einen Längsschnitt durch das gesteuerte Abschlußventil einer
Verpuffungskammer wieder, über das die Brenngase nach vollendeter Verpuffung zu
den Düsen der Brennkraftturbine hin entlassen werden.
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Abb.2 zeigt dagegen im Längsschnitt die Ausbildung des Abschlusses
eines Brennkraftmaschinenteils, wie er an dem Übergang zwischen dem zylindrischen
und dem konischen Teil einer Verpuffungskammer oder an dem Übergang zwischen einem
Ventilgehäuse und dem es tragenden Maschinenteil Anwendung zu finden vermag.
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In Abb. i bezeichnet i das auch bei üblicher Ausführung doppelwandig
ausgebildete Gußstück, das somit einen Kühlraum 2 einschließt. Das Ventil selbst
ist mit 3, der Ventilschaft mit .i bezeichnet. Der Ventilschaft steht -unter dem
Einfluß einer nicht gezeichneten Steuerung, durch die sich das Ventil
3, unterstützt durch den Verpuffungsdruck, den die Brenngase nach vollendeter
Verbrennung angenommen haben, von seinem ringförmigen Sitz 5 abhebt, so daß die
Brenngase zunächst mit überkritischer Geschwindigkeit bei noch verengtem Austrittsquerschnitt,
später mit langsam abnehmender Geschwindigkeit am Kantenstück 5 vorbeiströmen.
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Wäre das gesamte Ventilgehäuse einschließlich des Ventilsitzes 5 als
einheitliches Gußstück ausgebildet, so würde das Kantenstück 5 somit außerordentlich
hohen Wärmebeanspruchungen und Temperaturspannungen ausgesetzt sein, denen es im
Dauerbetrieb nicht gewachsen wäre. Denn zunächst zeigt sich, daß die Bildung des
Ventilsitzes 5 unter allen Umständen zu einer Werkstoffanhäufung führt. Selbst wenn
bei der Fertigung von vornherein auf diese Umstände Rücksicht genommen würde, ließe
sich die Werkstoffanhäufung nicht vermeiden, weil die Werkstoffanhäufung; die zur
Bildung des Ventilsitzes zu verwirklichen ist, wiederum zu gering ist, als daß sie
durch
entsprechende Formgebung der inneren Begrenzungsfläche des Gußstückes ausgeglichen
werden könnte. Die Kernlage würde sich jedenfalls nicht so genau bestimmen und während
des Gusses erhalten lassen, daß der Versuch eines Ausgleiches Aussichten auf eine
praktische Auswirkung hätte. Gerade diese somit unvermeidbare Werkstoffanhäufung
würde aber infolge der bei der Ventileröffnung auftretenden außerordentlich hohen
Wärmeübergänge, die bei der Beaufschlagung des Sitzes mit den unter Höchstdruck
und Höchsttemperatur stehenden, mit Höchstgeschwindigkeit strömenden Brenngasen
auftreten müssen, solchen Temperaturspannungen unterworfen, daß sie ihnen auf die
Dauer nicht standzuhalten vermag.
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Die damit sich ergebende Riß- und Sprunggefahr des Gußkörpers an und
in der Nähe des Ventilsitzes ist nun erfindungsgemäß dadurch beseitigt worden, daß
das Kantenstück 5 aus einem besonderen, im Gußkörper i angeordneten und mit ihm
über die Schweißnähte 6 und 7 starr verbundenen Einsatz 8 besteht und, bei 8' der
gegebenen Formgebung des Gußstückes i folgend, vor allem an den Kanten bzw. Ecken
eine gegenüber dem Gußkörper stark verminderte Wandstärke 9 besitzt. Damit fallen
zunächst alle Werkstoffanhäufungen im Bereich erhöhter Brenngasgeschwindigkeiten
fort; an ihre Stelle treten vielmehr außerordentlich dünne Wände, die keinen nennenswerten
Temperatursprüngen ausgesetzt und daher von Temperaturspannungen weitestgehend entlastet
sind. Das im Querschnitt U-förmige Ringstück 8 kann gesondert hergestellt, bearbeitet
und überprüft werden, wobei die besondere Möglichkeit gewährleistet ist, für das
Einsatzstück denjenigen Werkstoff zu wählen, der ohne Rücksicht auf Vergießbarkeit
und die durch die Herstellung als Gußstück bedingten Besonderheiten den auftretenden
Anforderungen am besten genügt. Schließlich können die Kerne, die zur Herstellung
des Kühlraumes 2 im Gußstück i dienen, besonders einfach befestigt bzw. abgestützt
werden. Auch die Beseitigung der Kernmasse selbst nach dem Güß wird erleichtert,
so daß sich die Anordnung der bisher erforderlich werdenden, zu diesem Zweck dienenden
Putzen erübrigt.
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Es war bereits erwähnt worden, daß das Einsatzstück 8 einen U-förmigen
Querschnitt besitzt. Der dadurch entstehende Hohlraum i a wird naturgemäß angesichts
der Anordnung der Kühlräume 2 im Gußstück i ebenfalls als Kühlraum ausgebildet und
demgemäß unmittelbar an- den Kühlraum 2 angeschlossen bzw. mit ihm vereinigt. Hätte
das Gußstück i keinen Kühlraum, so würde der entstehende Hohlraum io als solcher
bestehen bleiben. Er hätte dann den Vorteil, eine Luftisolierung zu bilden, die
den Wärmeübergang aus dem Teil 8 in den Teil i, der zur Aufnahme großer Wärmemengen
weniger geeignet wäre als dzr Teil 8, zu verringern bzw. gänzlich zu beseitigen.
Es liegt im Wesen der Erfindung, daß der so entstehende Hohlraum ebenso als Kühlraum
ausgenutzt werden könnte, wenn ein Bedürfnis hierzu auftritt.
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Abb. i zeigt schließlich, daß sämtliche Wandungen des Einsatzstückes
8 eine Wandstärke besitzen, die geringer ist als die Wandstärke des Gußstückes i,
so daß sämtliche Spannungen, die durch die hohen Wärmebeanspruchungen auftreten
könnten, auf ein im Dauerbetrieb erträgliches Maß vermindert sind.
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Die für die Düsenventile von Verpuffungs- -kammern nach Abb. i erfindungsgemäß
vorgeschlagene Anordnung hat in Abb.2 eine sinngemäße Anwendung bei dem Anschluß
eines mit Kühlräumen i i versehenen Gußkörpers 12 an einen anderen. Maschinenteil
gefunden. Der Gußkörper 12 kann dabei das zylindrische Mittelstück einer Verpuffungskammer
sein, an das sich konische Ein- und Auslaßenden ansetzen. Er kann ebensogut das
Gehäuse eines Ventils darstellen, das auf einem anderen Maschinenteil befestigt
wird. Es besteht die weitere Möglichkeit, das Eck-oder Kantenstück als Ventilsitz
etwa in der Ausbildung auszuführen, die in Abb. i am Düsenventil einer Verpuffungskammer
beispielsweise veranschaulicht ist. Auch die Kühlräume i i können in der verschiedensten
Weise ausgebildet sein. Es besteht zunächst die Möglichkeit der im Querschnitt ringförmigen
Ausbildung. Die Kühlräume i i können aber auch als zylindrische Ausbohrungen des
Gußstückes 12 ausgebildet und auf einer Kreislinie nebeneinander angeordnet sein,
wobei eine derartige Anordnung besonders bei Verpuffungskammern vorteilhaft ist.
Unabhängig von diesen Ausführungsmöglichkeiten kennzeichnet sich die erfindungsgemäß
getroffene Ausbildung wie folgt.
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Das Kantenstück des Gußkörpers besteht aus einem besonderen, mit dem
Gußkörper über die Schweißnähte 13, 14 fest verbundenen Einsatz 15, der, bei 15'
der gegebenen Formgebung des Gußkörpers 12 folgend, eine gegenüber dem Gußkörper
stark verminderte Wandstärke besitzt. Dabei stehen die beiden Schenkel des ringförmigen
Winkelstückes etwa senkrecht aufeinander, so daß ein äußerst nachgiebiger Kantenabschluß
des Gußstückes entsteht, der den verschiedenen Wärmeausdehnungsbestreben der Außen-
und Innenwandung des Gußkörpers 12 Rechnung trägt. Durch die Verminderung der Wandstärke
des Einsatzes gegenüber der Wandstärke des Guß-
Stückes und durch
die Anordnung des gesamten Einsatzes entsteht ein Hohlraum 16, der mit dem Kühlraum
i i des Gußstückes zu einem gemeinsamen Kühlraum vereinigt ist. Das Kühlmittel kann
also die hochbeanspruchte und deshalb besonders dünn gehaltene Ecke 17 des Einsatzstückes
15 besonders gut erreichen, so daß die Wärmeabfuhr an dieser Ecke zuverlässig gewährleistet
ist. Demgemäß halten sich die Temperaturspannungen trotz des verhältnismäßig hohen
Wärmeüberganges, der an den Kanten 17 einzutreten vermag, in den im Dauerbetrieb
aufzunehmenden Grenzen, so daß die Gefahr der Riß- und Sprungbildung im Kantenstück
15 beseitigt ist, da, an die Stelle der bisher unvermeidlichen Werkstoffanhäufung
eine, starke Verminderung der Wandstärke getreten ist. Selbstverständlich kann die
Ecke 17 in genau der gleichen oder einer ähnlichen Weise als Ventilsitz ausgebildet
werden, wie dies für den Gegenstand der Abb. i gezeigt worden ist. Ebenso besteht
die Möglichkeit, die für den Gegenstand der Abb. i dargelegten Vorteile nach der
Auswahl geeigneter Werkstoffe und der Durchführung der Fertigung, auch beim Gegenstand
der Abb. 2 anwendeM zu können.
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Es liegt im Wesen der Erfindung, daß das, was in den Ausführungsbeispielen
der Abb. i und z dargelegt worden ist, entsprechend bei jedem anderen gegossenen
Maschinenteil Anwendung zu finden vermag, wenn bei demselben infolge besonders hoher
Wärmeübergänge auf weitgehende Entlastung von Temperaturspannungen und Wärmebeanspruchungen
geachtet werden muß.