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Träger für die Leit- bzw. Umkehrschaufeln hochbeanspruchter Kreiselmaschinen,
insbesondere von Verpuffungsbrennkraftturbinen Bei Kreiselmaschinen, in -denen Arbeitsmittel
hoher Temperatur Anwendung finden, sind sehr häufig die feststehenden Leit- bz.w.
Umkehrschaufeln diejenigen Schaufeln, die den höchsten Wärmebeanspruchungen unterworfen
sind. Das ist vor allem dann der Fall, wenn nicht der gesamte Umfang der Beschatt-e,
gleichmäßig und dauernd beaufschlagt wird, sondern wenn nur eine Teilbeaufschlagung
stattfindet. In diesem Fall haben nämlich die Laufschaufeln, die mit dem Rad-oder
Trommelkörper umlaufen, bei jeder Umdrehung auf dem unbeaufschlagten Teil des Umfanges
Zeit und Gelegenheit, sich abzukühlen. Hierauf ist es zurückzuführen, daß die mittleren
Temperaturen von Laufschaufeln erheblich unter denen der feststehenden Schaufeln
liegen, womit sich entsprechende Rückschlüsse auf die Wärmebeanspruchungen ergeben.
Die Leit- bzw. Umkehrschaufeln sind dagegen in der Lage zu den Düsen, die das Arbeitsmittel
führen,' unveränderlich; sie werden daher den Wirkungen des Arbeitsmittelstromes,
solange dieser durch . die Düsen geführt wird, pausen- und unterbrechungslos ausgesetzt.
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Man hat diese Feststellung nicht unbeobachtet gelassen. Aus diesem
Grunde hat man bereits früher für die feststehenden Schaufeln eine besonders wirksaine
Kühlung vorgesehen oder Werkstoffe verwandt, welche die erhöhten Wärmebeanspruchungen
ohne Schwierigkeiten aufzunehmen vermochten. Nun sind aber nicht nur die Leitschaufeln
selbst den erhöhten Wärmebeanspruchungen ausgesetzt, sondern auch die Wandungen,
in welche der Leitschaufelfuß eingesetzt ist, vorzugsweise die Flächen, an welchen
das heiße Arbeitsmittel vorbeiströmt.
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Man hat diesen Beanspruchungen dadurch Rechnung zu tragen gesucht,
daß man die gekühlten Leitschaufeln in einen möglichst dünnwandig ausgebildeten,
ebenfalls gekühlten Träger einsetzte, der in das ihn aufneh=
tuende
Radgehäuse eingepaßt, vorzugsweise eingeschweißt ist. Es ist auch schon bekanntgeworden,
bei Leitvorrichtungen für Dampf-oder Gasturbinen, deren von einer Trennwand getragene
Leitkanäle von Leitschaufeln und Füllstücken begrenzt sind, die Leitschaufeln und
Füllstücke sowohl an ihren Ein- als auch an ihren Austrittsflächen, die in den Ebenen
der Stirnflächen der Trennungswand liegen, miteinander, außerdem die Schaufeln und
die Füllstücke mit den Stirnflächen der Trennungswand selbst und schließlich auch
noch Schaufeln und Füllstücke, die in einen die Trennung swand gleichmittig umgebenden
Ring eingesetzt sind, an ihren Ein- und Austrittsflächen finit den Stirnflächen
dieses Ringes zu verschweißen. Auf diese Weise kann die Wärmebeanspruchung der Wandungsflächen
bereits in erheblichem Maße herabgesetzt werden. Bei derartigen Anordnungen war
es aber unvermeidbar, daß an der Stelle, in der die Leitschaufelfüße in derartige
Träger eingesetzt sind, Werkstoffanhäufungen auftreten, die den Wärmeabfluß aus
dem Arbeitsmittel, insbesondere aus den bei Verpuffungsbrennkraftturbinen als Treibmittel
in Betracht kommenden Verbrennungsgasen, an das Kühlmittel erschweren.
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Vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zur Ermöglichung
eines einwandfreien Dauerbetriebes auch die Beseitigung dieses noch verbleibenden
Mangels erforderlich ist. Die gekennzeichnete Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Träger für die Leit- bzw. Umkehrschaufeln gelöst, der aus zwei gesonderten,
zu beiden Seiten der Schaufelreihe oder -reihen angeordneten dünnwandigen Ringen
oder Ringstücken besteht, die außer über das sie aufnehmende Radgehäuse nur mittels
der von ihnen getragenen Schaufeln in Verbindung stehen. Durch eine derartige Maßnahme
gelingt es, mit einem Mindestaufwand an Masse und demgemäß unter Fortfall aller
Werkstoffanhäufungen einen Träger für die feststehenden Schaufeln auszubilden, welcher
dem Kühlmittel die Möglichkeit gibt, in jeder Weise frei mit den Schaufelfüßen zur
Berührung `zu kommen. Außerdem wird erreicht, daß die Berührungsflächen zwischen
dem Kühlmittel und dem Schaufelwerkstoff so nahe wie möglich an den. die Wärme aufnehmenden
Teil der Schaufel lieranführbar sind. Das ist wesentlich, weil die Wärmeabfuhr davon
abhängt, daß der Weg von dein die Wärme aufnehmenden Teil der Schaufel bis zum Wärme
abgebenden Teil so kurz. wie möglich ist, um das zur Abführung der Wärme erforderliche
Temperaturgefälle so gering wie möglich halten zu können. Das Temperaturgefälle
seinerseits bestimmt das Maß, um das die Temperatur des Schaufelfußes höher sein
'muß als die Temperatur des Kühlmittels. Auf diese Weise gelingt es, die Wirksamkeit
der Schaufelfußkühlung hinsichtlich der Herabziehung der Temperatur des im Arbeitsmittelstrom
liegenden Schaufelteiles zu vergrößern, so daß die Erfindung nicht nur zu erhöhter
Betriebssicherheit des Trägers selbst, sondern auch derjenigen der Schaufeln führt.
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Die vorzugsweise winkelförmig gestalteten Trägerringe bzw. Tragringstücke
können mit den Schaufeln außer in Umfangsrichtung, beispielsweise durch peripher
verlaufende Schweißnähte, in an sich bekannter Weise dadurch verbunden sein, daß
in den Schaufelzwischenräumen die Ringe bzw. Ringstück verbindende Queranker, vorzugsweise
aus Schweiße, vorgesehen sind. Da die Queranker lediglich zur Auffüllung einer Schaufelausnehmung
dienen, die bei jeder üblichen Schaufel vom Schaufelwerkstoff selbst ausgefüllt
ist, entstehen durch diese Anker keinerlei betriebsgefährdende Werkstoffanhäufungen,
während sie andererseits nur die feste Verbindung der Seitenringe untereinander,
der Seitenringe mit den Schaufeln und der Schaufeln untereinander fördern.
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Die vom Kühlmittel bespülte Oberfläche kann noch dadurch vergrößert
werden, daß die Schaufelfüße über die den Kühlmittelkanal teilweise bildende Begrenzungsfläche
des Trägers vorstehen und die dadurch erzeugten, peripher verlaufenden Nischen zwischen
den Schaufelfüßen und dem Träger, vorzugsweise durch Schweiß- oder Lötnähte, unter
Herstellung einer festen, dichten und wärmeleitenden Verbindung zwischen Schaufelfüßen
und Träger ausgefüllt sind.
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Weisen die Schaufelfüße zwischen ihren mit den Seitenringen verbundenen
Flanken zum Kühlmittelkanal des Trägers zu offene, schlitzförmige Ausnehmungen,
etwa in Forin peripher verlaufender Ausfräsungen, auf, so ergibt sich die Möglichkeit,
die mit dein Kühlmittel zur Berührung kommenden Flächen noch näher an den die Wärme
aufnehmenden Teil der Schaufein heranzuziehei6 Einer besonderen Ausgestaltung bedarf
das Verfahren zur Herstellung derartiger Schaufelträger entsprechend der Tatsache,
daß die Seitenringe oder Seitenringstück e, solange sie nicht mit dem Turbinengehäuse
verbunden sind, lediglich über die Schaufeln bzw. deren Queranker in Verbindung
stehen. Denn in dem Bestreben, das Herstellungsverfahren möglichst einfach und billig
auszugestalten, würde man versucht sein, die dünnwandigen Winkelstücke unmittelbar
finit den einzelnen Schaufeln zu verschweißen. Ein derartiges Verfahren würde jedoch
zu der Schwierigkeit führen, daß sich das ringförmige Winkelstück
in
seiner Lage zu den einzelnen Schaufeln so verzieht,. daß die gesamte Anordnung unbrauchbar
wird. Es würde auch nicht möglich sein, die Winkelstücke so fest einzuspannen,
daß die richtige Lage der .einzelnen Teile während und nach der Schweißung erhalten
bleiben würde. Denn diese Vorrichtungen müßten so kräftig sein, daß die Zugänglichkeit
zu den Schweißstellen leiden würde. Zur Beseitigung der sich aus diesen Überlegungen
ergebenden Schwierigkeiten müßte ein besonderes Herstellungsverfahren entwickelt
werden.
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Dieses Verfahren kennzeichnet sich in weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens
dadurch, daß in einem beide Ringe oder Ring= stücke enthaltenden -ringförmigen,
einheitlichen und steifen Werkstoffblock zunächst eine Schaufelnut eingearbeitet
wird, in sie die Schaufeln eingesetzt und letztere mit dem Werkstoffblock, gegebenenfalls
unter gleichzeitiger Herstellung der, Queranker, metallisch, also fest, dichtend
und wärmeleitend verbunden werden, worauf eine peripher verlaufende Ausnehmung des
Werkstoffblockes hergestellt wird, deren Größe geradedieDurchführung des nächsten
Bearbeitungsvorganges ermöglicht, etwa überstehende Schaufelfüße, beispielsweise
durch peripher verlaufende Ringe aus Schweiße o. dgl., mit dem Werkstoffblock verbunden
werden und schließlich, zweckmäßig nach Einarbeitung eines den Zutritt des Kühlmittels
zum Schaufelinneren gewährenden ringförmigen Schlitzes in den Schaufelfüßen. - nach
Erweiterung der peripheren Ausnehmung zum Kühlmittelkanal -, der so ausgebildete
Schaufelring mit dem zu seiner Aufnahme dienenden Radgehäuse verbunden, also vorzugsweise
eingepaßt und eingeschweißt wird.
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Die Zeichnung zeigt in Abb. i eine Ausführung des Erfindungsgedankens
am Beispiel des Umkehrschaufelträgers einer Verpuffungsbrennkraftturbine am Querschnitt
durch denselben. Die Abb. z bis 5 veranschaulichen, ebenfalls an Hand von Querschnitten
durch den Schaufelträger, Einzelstadien seiner Herstellung.
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In Abb. i bezeichnet i das als Curtisrad ausgebildete, mit den zwei
Schaufelkränzen 2 und 3 versehene Laufrad der Brennkraftturbine, während mit q.
das Düsenstück bezeichnet ist, das den Treibmittelstrom aus einer nicht gezeichneten
Verpuffungskammer über ein nicht gezeichnetes Düsenventil auf die Turbinenbeschaufelung
entläßt. Diese besteht außer aus den beiden Schaufelreihen :2 und 3 des Laufrades
i aus einem Segment mit einer Reihe von Umkehrschaufeln 5, wobei sich das Segment
mindestens auf die Länge des Düsenbogens 4 erstreckt. Der Träger der Umkehrschaufeln
5 ist erfindungsgernäß wie folgt ausgebildet: Der Träger besteht- aus zwei gesonderten,
zu beiden Seiten der Leitschaufelreihe 5 angeordneten dünnwandigen Ringen bzw. Ringstücken
6 und 7, die außer über das sie aufnehmende Radgehäuse 8 nur mittels der von ihnen
getragenen Schaufeln 5 in Verbindung stehen. Das geschieht vorzugsweise durch in
den Zwischenräumen der Schaufeln 5 liegende Queranker 9 aus Schweiße, deren Kopfenden
mit zwei peripher verlaufenden Ringen g' bzw. 9" aus Schweiße zusammenfallen; zur
Aufnahme dieser aus Schweiße bestehenden Ringe g', 9 " . weisen die Schaufeltragringstücke
6, 7 bei 6' bzw. 7' entsprechende ringförmige Ausnehmungen auf. Die Füße 5' der
Schaufeln stehen über die den Kühlmittelkanal i o bildende Begrenzungsfläche 6"
bzw. 7" etwas vor. Dadurch entstehen -ringförmig verlaufende, winkelförmige Nischen
i i, die durch Schweißringe 12 ausgefüllt sind. Auf diese Weise sind die bogen-
bzw. winkelförmig gestalteten Tragringstücke 6 bzw. 7 miteinander verbunden, soweit
sie nicht über das Turbinengehäuse in Verbindung stehen, wobei die diesbezüglichen
Schweißnähte mit 13, 1.4 bezeichnet sind. In den Füßen der Schaufeln 5 ist noch
eine zum Kühlmittelkanal io zu offene, schlitzförmige Ausnehmung t 5, etwa durch
periphere Ausfräsung, vorgesehen, durch die es gelingt, das durch den Kühlmittelkanal
io geführte Kühlmittel möglichst nahe an den die Wärme aufnehmenden Teil der Leitschaufeln
5 heranzuführen. DieWärmeabführung wird dabei noch dadurch erleichtert, daß in an
sich bekannter Weise in einer Längsausnehmung der Schaufeln 5 aus hoch wärmeleitfähigen
Stoffen, wie Kupfer, bestehende Kerne 16 angeordnet sind,- die in eine Fußplatte
16' übergehen. Dadurch, daß sich die Ausnehmung 15 in den aus hoch wärmeleitfähigen
Werkstoffen bestehenden Schaufelkern und -kernfuß hineinerstreckt, kann das Kühlmittel
alle wärmeleitenden Teile gut erreichen, zumal Kern und Kernfuß mit der Schaufel
und dem Schaufelfuß ihrerseits wieder wärmeleitend, beispielsweise durch Ausfüllung
der Zwischenräume mit Lot, verbunden sind.
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Die Abb. 2 bis 5 veranschaulichen, welches Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Umkehrschaufelträgers Anwendung findet.
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Abb. 2 zeigt zunächst im Querschnitt einen ringförmigen Werkstoffblock,
der so ausgebildet- ist, daß er die Querschnitte der Teile 6 und 7 enthält. In den
Werkstoffblock eingearbeitet ist bereits die Schaufelnut 17 mit den ringförmigen
Ausnehmungen 6' bzw:7', die zur Aufnahme der Schweißringe 9' bzw. 9" der Abb. i
bestimmt sind;
die Gesamtausnellinung 17, 1ä erstreckt sieh über
den die eigentliche Schaufelnut bildenden Teil 17 hinaus noch auf einen Raum, der
später vom Kühlkanal io der Abb. i gebildet wird.
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Abb. 3 zeigt ein nach Abb. 2 vorgearbeitetes Schaufeltragringstück
nach Einsetzen der Schaufeln 5 und nach Herstellung der Queranker g und der Schweißringe
g', g". Nunmehr ist das Ganze starr genug, um gemäß Abb. q. aufgeschlitzt werden
zu können. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die über die Begrenzungsflächen
6" bzw. 7" überstehenden Enden der Schaufelfüße 5' bzw. 5" mit dem Werkstoffblock
unter Ausfüllung der 'Nischen ii mittels der aus Schweiße bestehenden Ringe 12 zu
verbinden. Nuninehr werden nach Abb. 5 die Seitenringstü cke 6 und 7 bis auf die
Bearbeitungszugaben, die zur endgültigen Fertigstellung des Gehäuses S der Abb.
i nach dem Einschweißen des Leitschaufelsegmentes abgenommen werden müssen, völlig
herausgearbeitet. Ein derartiges, im Querschnitt nach Abb. 5 ausgearbeitetes Leitschaufelseginent
wird als Ganzes in das Gehäuse S der Abb. i eingepaßt und nach dem Einpassen mit
diesem über die Schweißnähte 13, 1q. verbunden, womit sich die bereits beschriebene
Anordnung und Ausbildung nach Abb. i ergibt. -