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Seitlich belastete Scheibe, vorzugsweise Schaufelträger für Kreiselmaschinen,
insbesondere Dampf- oder Gasturbinen Scheiben, paus denen durch Einstechen von Nuten
Ringe ausgearbeitet sind, sind bekannt. Sie werden insbesondere als Schaufelträger
für Kreiselmaschinen, vorzugsweise Dampf-oder Gasturbinen, verwendet. Es ist schon
vorgeschlagen worden, die Steifigkeit derartiger Scheiben durch Ausnutzung des Verwindungswiderstandes
der ausgearbeiteten Ringe zu erhöhen und zu diesem Zweck eine Schrägstellung der
Scheiben mittels elastischerAbstützung bewußt zuermöglichen. Eine besonders -gute
Ausnutzung des Verwindungswiderstandes der Ringe tritt bekanntlich dann ein, wenn
unter Verdickung der Ringwurzeln die Ringlängen gleich oder ,größer als 1/z
X 11b _X D sind, worin b die radiale Ringdicke an der Ringwurzel und
D der mittlere Durchmesser ,des Ringes ist, alles in Zentimeter gemessen. Hierbei
sollte die Ringlänge von den Ringenden bis zur Mitte des durchgehenden Scheibenteils
bemessen werden., Inzwischen sind die Belastungen, welche derartigen Scheiben zugemutet
werden müssen, infolge des Fortschrittes der Technik immer höher geworden. Beispielsweise
sind die Drücke, denen Schaufelträger von Dampfturbinen, ausgesetzt sind, gestiegen,
gleichzeitig aber auch die Dampfmengen, mit denen die Scheiben beaufschlagt werden.
Größere Dampfmengen ermöglichen die Anwendung größerer Scheibendurchmesser und damit
eine größere Anzahl von Schaufelreihen, Es stieg also sowohl die Fläche, welche
dem Druck ausgesetzt ist, als auch der Druckabfall entlang der Scheibe.
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Trotz dieser stetig steigenden Belastung hat man es bisher für eine
Stoffvergeudung gehalten, die freien Ringlängen der ausgearbeitoten
Ringe
`wesentlich
über den angegebenen Wert Teich 1,1., '<: 1
b X D zu
vergrößern. Bei
| 1!b |
| einer Ringlänge gleich dem Wert '/.N |
| ist die höchste Biegungsb eanspruchung |
| der Rin<Ywurzel etwa gleich der.höchsten ''t |
gentialbeanspruchung am Ringende. Eine u-c@=' __ tere Verlängerung des Ringes b
@eeinfltil.'@t die höchste Biegungsheanspruchung an der Ringwurzel nicht,. sondern
setzt nur die höchste Tangentialspannung im Ringe herab. Da auf der .anderen Seite
bei einer Vergrößerung der freien Ringlängen zur Ausarheitung der Ringe von einer
dickeren Scheibe ausgegangen wer. den muß und infolge der Notwendigkeit, tiefere
Nuten .auszustechen, die Bearbeitungskosten -wachsen, so hat man bewußt von .i1.17
weiteren wesentlichen Vergrößerung der freien Ringlängen abgesehen. Man hat es vielmehr
vorgezogen, in Fällen hoher Belastung zwar von einer dickeren Scheibe auszugehen.
aber den durchgehenden Scheibenteil stärker zu belassen, indem etwa die gleichen
freien Ringlängen ,ausgearbeitet wurden. Hierdurch wird zwar .eine größere Steifigkeit
der Scheibe erreicht, aber gleichzeitig die Wärmebeweglichkeit nachteilig vermindert.
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Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es in vielen
Fällen bei der Erzielung einer hohen Scheibenfestigkeit nicht so@ sehr auf die Herabsetzung
der höchsten Beanspruchung ankommt als darauf, die durch die Belastung hervorgerufenen
Formänderungen gering zu halten. Beispielsweise ist es bei Schaufelträgern für radial
beaufschlagt:e Turbinen nachteilig, wenn sich die Scheiben zu stark schräg stellen,
-weil sich dann die ruhenden und umlaufenden Schaufeln in axialer Richtung gegeneinander
verschieben. Insbesondere vermeidet man aber gern die Durchmesseränderungen der
Schaufelkränze. Schließlich macht es gerade bei Scheiben, die sehr hohen Druckunterschieden
ausgesetzt sind, Schwierigkeiten; die Ringe, welche die Scheibe gegen den Scheibenträg,-r
nachgiebig abstützen sollen, gleichzeitig ausreichend elastisch und doch genügend
-widerstandsfähig gegen den Druckunterschied herzustellen. Genau wie bei Dampfkesseln
der Innendruck in den Wandungen eine Zugspannung erzeugt, die im Verhältnis des
Radius des Kessels zur Wandstärke größer ist als der Innendruck, tritt auch hier
eine entsprechend vervielfachte Tangentialspannung in den elastischen Ringen auf.
Unter diesem Gesichtspunkt betrachtet, wird tatsächlich eine Vergrößerung der Ringlänge
über den oben angegebenen Wert 1/, X 1lb X D vorteilhaft. Die Erfindung erkennt
aber weiter, daß die bei der Bestimmung des Verwindungswider= standes der Ringe
berechtigterweise getroffene Näherungsannahme, der-durchgehend stehenbleibende Teil
der Scheibe beeinflusse die Höhe des Verwindungswiderstandfes der Ringe .nicht,
für Vergleiche bezüglich des Ablaufs Agier elastischen Linie der Ringe nicht mehr
@titrifft, besonders wenn der durchgehende rll'eil der Scheibe eine wesentliche
axiale Dick#_° annimmt. Bei der Ermittlung des Verwindungswiderstandes der Ringe
befindet inan sich .auf der sicheren Seite, -wenn man als Ringlänge die Entfernung
von der Mitte des durchgehenden Scheibenteils bis zum Rinende einführt. Die von
dem durcligelieriden Sch,eihenteil auf den Ring selbst durch die axiale Ausdehnung
der Verwindung zwischen Ring und durchgehendem Scheibenteil ausgeübte Versteifung
wirkt sich m einer Erhöhung des. Venvindungswiderst,and,es aus. Bei. einer Einführung
einer derartig bestimmten Ringlänge in die Formel erhält man. also eher zu kleine
Werte. Anders liegen die Verhältnisse bei der Ermittlung der größten radialen Aufweitung
bzw. Zusammenpressoung der Ringe. Die entsprechenden Durchmesserveränderungen werden
durch die Versteifung der Ringe innerhalb des durchgehenden. Scheibenteils größer,
als sie sich bei einer gleichartigen Bestimmungsweise der Ringlänge wie oben errechnen
würden.. Es gehört zu einer Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, d.aß für die
Bestimmung der höchsten Tangentialbeanspruchung entsprechend der durch die Verwindung
hervorgerufenenDurchmesserveränderung nur die freie Ringlänge in, die entsprechenden
Formeln eingeführt werden darf.
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Bei der Untersuchung der Verhältnisse, inwieweit sich die Verwindung
der einzelnen Ringe durch Vergrößerung der freien Länge der Ringe verringern läßt,
ergibt sich, daß die geringste Verwindung :eintritt, wenn die freie Ringlänge gleich
1,27 :@: 1 b :<; D gemacht -wird. Es zeigt sich aber weiterhin, dal';
innerhalb des Gebietes einer Ringlänge von [0,8 bis i,71 : y'b XD sich die
-Neigung, welche durch die Verwindung eintritt,- wenig ändert. Schließlich wird
noch der Vorteil erreicht, daß bei dem genannten günstigsten
Wert der Ringlänge
gleich 1,27 _1)
eine Verwindung des Ringes ,an der Ringwurzel überhaupt keine
Änderung des D ur chmessers am freien Ringende herbeiführt. Aber auch innerhalb
des Bereiches, in welchem die Ringlänge gleich [o,8 bis 1,7] `k=. 1 b77-1)
-ist, hält sich die Durchmesseränderung am freien Ringende in einer Größenordnung,
welche ,als praktisch einflußlos bezeichnet werden kann.
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In Verfolg dieser Erkenntnisse schlägt die Erfindung vor, daß im Bereiche
hoher Verformung die freie Länge (einseitig gemessen) mindestens eines der ausgearbeiteten
Ringe
[o,8 bis 1,7) X jlb X-D beträgt, worin b die
radiale Ringdicke an der Ringwurzel und D der mittlere Ringdurchmesser (alles gemessen
in Zentimeter) ist. Unter dem Ausdruck einseitig gemessen ist hierbei zu verstehen,
daß auch bei beiderseitig- ausgearbeiteten, Ringen immer nur die freie Ringlänge
einer Seite in die Formel eingeführt -werden darf. Eine Scheibe, bei welcher im
Bereiche hoher Verformung die freie - Ringlänge dieser Formel entspricht, bietet
den großen Vorteil, daß sie -einerseits die -geringstmägliche D!urchbi; -gung aufweist
und daß andererseits die Ringenden ihren Durchmesser unter der Belastung praktisch
nicht mehr ändern. Hinzu -kommt noch der Vorteil, daß sich innerhalb des angegebenen
Bereiches der Ringlänge ,auch die Durchmesserveränderung. ,an den Ringenden, die
durch eine Durchmesserveränderung an der Ringwurzel infolge einer Aufweitung durch
die Fliehkraft veranlaßt wird, in geringen Grenzen hält. In der Nähe des kleinsten
,angegebenen Wertes -ist die durch Aufweitung an der Ringwurzel hervorgerufene Durchmesserveränderung
,am freien Ringende praktisch Null, steigt bei dem Mittelwert vo-n r,27
X jlb _X D auf etwa ein Viertel der Aufweitung an der Ringwurzel an, @um
dann wieder abzufallen. . Sie äußert sich in dem - ganzen Bereich in. umgekehrter
Richtung wie die Aufweitung in der Ringwurzel und bewirkt damit eine Durchmesserverkleinerung
des freien Ringendes. Diese Erkenntnis macht sich vorteilhaft -bei den Ringen bemerkbar,
welche zur Abstützung der Scheibe mit den freien Enden am Scheibenträger befestigt
werden.. Handelt es sich beispielsweise um ein -Schaufelrad, welches mit den Enden
des innersten Ringes auf eine Welle aufgep,aßt oder aufgeschrumpft wird, so kann
dieses Rad niemals durch Einwirkung der Fliehkraft locker -werden. Soweit die Ringenden
,aufgeschrumpft werden, kann die Schrumpfung entsprechend gering bemessen sein.
Andererseits tritt eine Rückwirkung der Schrumpfung auf die Lage der Ringwurzel
innerhalb der .angegebenen Bemnessungsgrenze praktisch nicht auf. Bei dem
günstigsten Wert 1,27 X 1/b X D kann der Durchmesser .an den freien Ringenden beliebig
geändert werden, ohne daß der durchgehende Scheibenteil irgendwie in Mitleidenschaft
gezogen wird. Es ist auf Grund dieser besonders günstigen Verhältnisse nunmehr möglich,
den Abstützungsring, welcher genügend elastisch sein muß, um der Scheibe die erforderliche
Schrägstellung zu ermöglichen, so. stark zu bemessen, daß er den auftretenden Druckunterschieden
ohne Überbeanspruchung standhält. In weiterer Ausbildung der Erfindung wird daher
vorgeschlagen, daß die Scheibe am tragenden Maschinenteil durch Abstützung der Enden
eines Ringes befestigt - ist, dessen freie Länge (einseitig gemessen) [o,8
bis 1,7] X j/b X D beträgt, worin b die radiale Ringdicke an der Ringwurzel und
D der mittlere Ringdurchmesser (alles gemessen in Zentimeter) ist.
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Die ,angeführten Vorteile treten aber bei Schaufelträgern auch dann
schon ein, wenn nach dem Vorschlag der Erfindung die freie Ringlänge (einseitig
gemessen) des der Abstützstelle nächstgelegenen Schnufeltragringes [o,8 bis
1,7] X 1!b X D beträgt, worin b die radiale Ringdicke an der Ringwurzel
und D der mittlere Ringdurchmesser (alles gemessen in Zentimeter) ist. Nicht nur
werden schon hierdurch in der beschriebenen Weise sämtliche Durchbiegungen der Scheibe
verringert, sondern es wird insbesondere die Durchbiegung ermäßigt, welche der Abstützungsring
.aufzunehmen hat, da dieser ja den Unterschied zwischen der Neigung des der Abstützstelle
nächstgelegenen Schaufeltragringes gegenüber derAbstützstelle ausgleichen muß.
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Die Abbildungen stellen beispielsweise Ausführungen des Erfindungsgedankens
dar. In Abb. i. ist i ein Schaufelrad einer Dampfturbine mit einem rabenartig ausgeführten
Versteifungsring 2. Aus diesem Versteifungsring isst ein Verlängerungsring 3 ausgearbeitet,
welcher den Bemessungsvorschriften der vorliegenden Erfindung entspricht. Es ist
daher möglich, bei 4. diesen Verlängerungsring 3 auf die Welle 5 aufzuschrumpfen,
ohne daß ein Lockerwerden der Schrumpfung bei Schrägstellung des Versteifungsrun
ges 2 oder bei Ausdehnung -desselben unter der Fliehkraftwirkung befürchtet werden
muß. Auch bleibt ein Einfluß der Schrumpfungsstelle 4. auf die Lage des Versteifungsringes
2 wirkungslos. Beiläufig sei erwähnt, daß bei diesem Rad versucht wurde, auch die
Schrunmpfung in der Radmitte bei 6 so auszuführen, daß sie möglichst einflußlos
.auf die sich unter Belastung einstellende Schrägstellung des Versteifungsringes
2 bleibt.
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-Die Abb. 2 zeigt demgegenüber eine vollkommenere Durchführung des
Erfindungsgedankens. Die Scheibe i ist wieder durch einen Versteifungsring 2 verstärkt.
An den Versteifungsring 2 ist ein besonderer Unterstützungsring 3 angelenkt, der
bei 4 und 6 auf die Welle 5 aufgeschrumpft ist. Dieser Ring ist etwa mit der günstigsten
Länge entsprechend der Formel 1,27 X rlb X D aus= geführt,
so, daß hier eine besonders günstige Abstützung ,geschaffen wurde. Die Nefgang der
Scheibe i und des Versteifungsringes 2 ist einflußlos auf die Enden 4 und 6 des
Unterstützungsringes 3, und umgekehrt sind
auch die Schrumpfungen
bei q. und 6 einflußlos ,auf die Scheibe i. Soweit sich die Scheibe i unter der
Fliehkraft ausdehnt, werden die Durchmesser der Ringenden bei .1 und 6 sich verkleinern
und die Schrumpfung festigen. Im Rahmen der angegebenen Bemessung hält sich diese
Verkleinerung jedoch in geringen Grenzen.
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Die Abb. 3 zeigt eine Scheibe, bei welcher die Ringe i und 2 bereits
der Regel nach der vorliegenden Erfindung genügen und daher die Schrägstellung der
Scheibe so gering wird, daß ein besonderer Versteifungsring überflüssig ist, vielmehr
der Unterstützungsring 3 gleichzeitig als Versteifungsring angesehen wird. Infolge
der geringen Schrägstellung der Scheibe kann der Ring 3 bei q. -und 6 auf die Welle
5 aufgeschrumpft werden, ohne daß hierdurch eine fühlbare Beeinflussung der' Scheibenschrägstellung
erfolgt und ohne daß eine Überbeanspruchung des Ringes 3 eintreten könnte.
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Aus den Abbildungen ist ersichtlich, zu wie einfachen Bauformen der
vorliegende Erfindungsgedanke auch für hochbelastete Scheiben führt; insbesondere
gelingt es, entsprechend den Ausführungen nach Abb.2 und 3 auch bei hohen Belastungen
mit geringen Wandstärken ,auszukommen und so eine hohe Wärmebeweglichkeit zu sichern.
Hingewiesen sei ,an dieser Stelle noch auf die Möglichkeit, abnehmende Ringdicke
nach den Ringenden zu bei der Berechnung dadurch zu berücksichtigen, daß beispielsweise
eine Ausführung entsprechend der punktierten Darstellung bei 7 in Abb. i :auf eine
gleichbleibende Ringdicke zurückgeführt wird, indem die tatsächliche Ringform durch
einen Ring gleichen Gesamtquerschnittes ersetzt ist, der durch Auffüllung der fehlenden
Ringdicke mittels des Materials am äußersten Ringende auf gleichen Querschnitt gebrachtwird.
Man stellt sich bei dieser Berechnungsweise vor, dar ein Teil des Materials am Ringende
7 auf die Stelle 8 verteilt sei, wobei zu berücksichtigen ist, daß bei 9 eine Nute
zur Einwvalzung der Schaufeln vorgesehen wurde.