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Mehrstufige Turbine mit keramischen Laufschaufeln Die Erfindung befaßt
sich mit einer möglichst betriebssicheren Gestaltung mehrstufiger Turbinenläufer
für höhere Temperaturen aus Stahl mit keramischen Laufschaufeln. Wegen der zu stellenden
Bedingung, alle Bauteile des Läufers mit einer möglichst ausgeglichenen Festigkeit
zu versehen, ist seine Gestaltung bei Einhaltung der Forderung nach möglichst wirtschaftlicher,,
hochlegierten Stahl sparender und trotzdem betriebssicherer Herstellung mit Schwierigkeiten
verbunden. Solche Schwierigkeiten ergeben sich aus folgendem: Die bei einem für
Undichtheitsverluste günstigen Verhältnis Schaufellänge zu Fußkreisdurchmesser zulässigen
Umfangsgeschwindigkeiten sind gegenüber den bei Stahl im normalen Temperaturbereich
üblichen Werten geringer, so daß für die Verarbeitung eines bestimmten Wärmegefälles,
bei keramischen Schaufeln eine größere Anzahl von Dehnungsstufen notwendig ist,
um günstige Energieumsetzungen zu erreichen. Dies bedingt im allgemeinen einen Läufer
großer axialer Baulänge. Die naheliegende Halterung jeder Laufschaufelreihe mit
dem für Keramik erforderlichen Doppelkeilfuß zwischen zwei Scheiben mit entsprechenden
Sitzflächen scheidet wegen der erforderlichen Vielteiligkeit des Läufers, der Schwierigkeit,
bei großer Stufenzahl eine genügende Steifigkeit zu bekommen, und der Schwierigkeit
derAuswechslung einzelner Schaufeln für eine wirtschaftliche Gestaltung aus.
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Bei dem auf alle Fälle anzustrebenden Massivläufer (Rohrtrommel, innen
verrippte Rohrtrommel, Scheibentrommel) besteht die Schwierigkeit wieder in der
Herstellung von Nuten, welche in ihrer Genauigkeit und in der Art ihrer Beschaufelung
einen spielfreien Sitz der Schaufeln gewährleisten können. Axial verlaufende Quernuten
lassen sich bei der Aufeinanderfolge mehrerer Kränze mit etwa gleichem Fußkreisdurchmesser
kaum oder nur äußerst umständlich herstellen. Das übliche Verfahren der Halterung
in einer umlaufenden
geschlossenen Ringnut, ,mit einer örtlichen
Ausweitung zum Einführen der Schaufeln und dem zugehörigen baulich stets eine örtliche
Schwächung bedeutenden Schaufelschloß, hat gerade bei der Keramik große Nachteile,
weil schon aus Einbaugründen ein größeres Spiel der Schaufeln in der Nut unvermeidlich
ist und die Folgen des Klapperns oder Verkantens sehr unangenehm sein können.
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Zur Behebung dieser Schwierigkeiten bei der Schaffung eines betriebssicheren,
vielstufigen Stahlläufers mit keramischen Laufschaufeln wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
die Nuten für den Sitz der Schaufeln unter verhältnismäßig geringer Neigung zur
Umfangsrichtung quer zur Schaufelgitterebene anzuordnen und die Auslegung des Schaufelgitters
so zu wählen, daß die Laufschaufeln eine geringe Umlenkung erhalten. Letzteres ist
zur Erreichung günstiger Strömungsverhältnisse und eines guten Stufenwirkungsgrades
schon vorgeschlagen worden. Im vorliegenden Falle bedeutet dies eine gern begrüßte
Beigabe;. wesentlich ist aber, daß die mittlere Richtung der Skelettlinie des zweckmäßig
gewählten, tragflügelförmigen Profils als maßgebende Richtung für den darunterliegenden
Schaufelfuß mit seinen fluchtenden Doppelkeilflächen verhältnismäßig wenig zur Umfangsrichtung
geneigt ist, so daß die zugehörige Nut sich mit der erforderlichen Genauigkeit ohne
besondere Schwierigkeiten herstellen läßt. Trotz des angestrebten geringen Abstandes
der benachbarten Schaufelkränze in axialer Richtung auf dem aus einem Stück bestehenden
schaufeltragendenLäuferteil bleiben nämlich diese Nuten, namentlich in ihrer Verlängerung,
bequem zugänglich. Sie können mit ihren Sitzflächen im geraden Durchgang ausgearbeitet
werden, die Genauigkeit und die Gleichmäßigkeit der Abmessungen für einen einwandfreien'
Sitz jeder Schaufel kann dabei durch Räumen als Abschlußarbeitsvorgang bei der Fertigung
der Nut gewährleistet werden. Die Passung von Schaufel und Nut beim Einbau soll
möglichst den Haftsitz anstreben, höchstens den Schiebesitz erreichen, weil jedes
größere Spiel durch die Lauferschütterung der Turbine und außermittig angreifenden
Massenkräfte ein Klappern, Verecken, Kantenpressungen mit allen schädlichen Nachwirkungen
zur Folge haben kann. Bei zu engem Sitz oder durch örtliche Oberflächenrauhigkeiten
ist z. B. schon beim Einbau der bei Raumtemperatur im Vergleich zu Stahl recht spröden
Keramikschaufel leicht eine Beschädigung möglich, oder es treten unbeachtete Risse
auf, die sich erst später im Betrieb auswirken. Eine solche Genauigkeit der Herstellung,
wie sie die Betriebssicherheit erfordert, ist eben bei mangelnder Zugängigkeit der
Nut, namentlich in Richtung der Flucht der zu Keilpaaren angeordneten Sitzflächen,
nicht zu- erreichen. Leider läßt sich, ähnlich wie beim Sitz der Schaufel in einer
geteilten Ringnut ein' Aufschleifen der Schaufelsitzflächen auf die Sitzflächen
des Kranzes nicht durchführen; dies muß beim festigkeitsmäßig günstigeren, axial
eingeschobenen Fuß durch' eine für alle Nuten gleichbleibende Maßhaltigkeit-erreicht
werden. Dabei ist es- nicht ausgeschlossen, die letzte Oberflächenbearbeitung durch
ein dem Schaufelfuß gleiches keramisches Schleifstück beim Räumvorgang vorzunehmen.
Die grundsätzliche Möglichkeit der Überbrückung des Spieles durch Glasuren oder
elastische Beilagen keramischer Art ist mit großen Schwierigkeiten verbunden; deshalb
gibt vorliegende Vorschrift eine wesentliche Grundlage für die betriebssichere Gestaltung
von vielstufigen, keramikbeschaufelten Läufern.
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Auch für die Keramikschaufel selbst entstehen wesentliche Vorteile,
welche eine höhere Lebensdauer gewährleisten. Dies erscheint sehr wichtig für ein
thermisch-mechanisch hochbeanspruchtes Bauteil, welches wechselnden Betriebsbedingungen,
namentlich hinsichtlich Temperatur ausgesetzt ist, denn vielfach muß man sich bei
der Auswahl des keramischen Werkstoffes zugunsten der erforderlichen T'emperaturwechselunempfindlic'hkeit
mit einer mäßigeren mechanischenDauerbeanspruchung begnügen. Um so mehr ist es angebracht,
der Gestaltfestigkeit der Schaufel und ihrem betriebssicheren Sitz im Läuferkranz
größte Aufmerksamkeit zu widmen. Hierfür ist die aus der Auslegung des Gitters mit
einer Reaktion wesentlich größer als 0,5 sich ergebende Tragflügelschaufel äußerst
günstig. Durch die Vermeidung allzu großer Dickenunterschiede, starker Flächenkrümmungen
und Verwindungen, durch das Fehlen herausstehender Ecken liegt eine für die Fertigung
äußerst zweckmäßige Form vor, welche den Brandverzug bei der gewünschten Profilgenauigkeit
am sichersten -,Toraussehen läßt (Nacharbeiten am Profil sollen wegen der Kompliziertbeit
des Profilumrisses und der Härte des Werkstoffes vermieden werden) und auch einen
ausgeglichenen inneren Spannungszustand bedingt. Namentlich letzterer Umstand ist
bei der hohen Beanspruchung der Schaufel von besonderem Wert.
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Ferner ist zu beachten, daß, abgesehen von der festigkeitsmäßig günstigen
Gestaltung der Schaufel (verhältnismäßig schmale Fußquerschnitte können in gerader
Fortsetzung des Tragflügelprofil_s ohne Schwerpunktsversetzungen, überstehende Ecken
usw. ausgeführt werden), durch die nach Art von Streckenprofilgittern gestaffelte
Anordnung der Schaufeln (auch bei geringen Werten Teilung zu Profillänge) bei der
erwähnten Auslegung für die tragenden stählernen Kranzköpfe zwischen den Schaufelnuten
günstige Querschnitte übrigbleiben. Trotz der geringeren Randbelastung der Läufer=
kranzteile durch das kleinere spezifische Gewicht der Keramik ist diese Tatsache
bei höherer Betriebstemperatur doch von Bedeutung, weil r. wie schon erwähnt, bei
hohen Temperaturen, wo Keramik als Baustoff sich lohnt, die Warmfestigkeit der tragenden
Stahlteile und die spezifische Belastbarkeit verhältnismäßig schnell nachläßt, die
Wärmeabdämmung schwierig und die besondere Kühlung der Stahlteile umständlich ist,
a. für einen Massivläufer mit vielen Schaufelkränzen einheitlicher Werkstoff für
die Verhältnisse einer mittleren Stufe gewählt werden kann und für die kürzeren
Schaufeln der
vorhergehenden Stufen durch größere Werte 'IL die
verminderte Festigkeit durch vergrößerte Querschnitte der Tragköpfe ausgeglichen
werden können.
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Zum Vergleich sei erwähnt, daß gerade bei der sonst üblichen Auslegung
mit Gefälleanteilen im Laufrad kleiner als 5o%, also z. B. bei Anwendung der sogenannten
Parsons-Profile für die Schaufelung, der Querschnittsübergang zu einem in etwa axialer
Richtung eingeschobenen Fuß, der noch ausreichend Platz für einen stählernen Tri,gkopf
am Kranz übrigläßt, wesentlich ungünstiger ist, so daß auch die eben angedeutete
Möglichkeit des Aufbaues eines Läufers aus Einzelscheiben in diesem Falle verhältnismäßig
wenig aussichtsreich erscheint.
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Die Abb. i und 2 wiederholen an sich Bekanntes über die Auslegung
einer Turbinenstufe für einen hohen Gefälleanteil im Laufrad, wodurch die für Keramik
günstige Schaufelform entsteht.
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Abb. i zeigt schematisch das Leit- und Laufgitter einer Stufe mit
Geschwindigkeitsrichtungen und ungefähren Profilformen, wie sie sich aus den in
Abb.2 dargestellten Geschwindigkeitsdreiecken ergeben. Dieses gilt zunächst für
den Schaufelschnitt im Teilkreisdurchmesser; für andere Schaufelschnitte weichen
die Verhältnisse unter Beachtung des Drall-Satzes für die Strömung nur sehr wenig
ab, und es ist daher die erforderliche Verwindung der Leit-und Laufschaufeln zur
Anpassung an die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ziemlich unbedeutend. Es ist
ersichtlich, daß die absoluten Geschwindigkeitsrichtungen vor und nach der Stufe
nach verschiedenen Seiten, von der Axialrichtung aus gerechnet, abstreben, während
die Richtungen der Relativgeschwindigkeiten w1 und w2 am Ein-und Austritt des Laufschaufelgitters
in ihrer Richtungsorientierung wenig voneinander abweichen. Dies bedingt eine starke
Reaktion für die Laufschaufelung, allerdings auch einen etwas größeren Axialschub,
dagegen wird die Verlu.stziffer im Laufkranz wegen der geringen Umlenkung des Arbeitsmittels
und der strömungstechnisch günstigen Form eines Tragflügelprofils wesentlich günstiger.
Zum Vergleich sei erwähnt, daß bei normaler Reaktionsbeschaufelung mit 5o% Gefälleanteil
des Laufrades (im Mittelschnitt), bei der bekanntlich das eine der Austrittsdreiecke'
kongruent und auch die Umlenkung für Leit- und Laufgitter dieselbe ist, sich das
Aussehen der Dreiecke für andere Schaufelschnitte ziemlich ändert, so daß erhebliche
Verwindungen namentlich der Laufschaufeln zur Erreichung stoßfreien Anströmens erforderlich
sind.
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Abb. 3 zeigt als Beispiel die konstruktive Auswirkung der Gestaltungsvorschrift
auf einen vielstufigen Turbinenläufer, und zwar stellt sie den Ausschnitt aus einem
Trommelläufer dar, der innen Verstärkungsringe aufweist in der Ebene seiner Schaufelkränze
i, 2 und 3. Die Laufschaufelprofile 4, 5 von Kranz i haben unterhalb des tragflügelförmigen
Laufschaufelprofils den stabartigen Fuß mit gegeneinandergerichteten Keilflächen,
welche unabhängig vom Temperaturverlauf in den Bauteilen und unabhängig von der
spezifischen Wärmeausdehnungszahl der zusammengebauten Werkstoffe das kraftschlüssige
feste Sitzen der Schaufelsüße in den Nuten des Läuferkranzes bei allen Betriebszuständen
gewährleistet. Die angedeutete Fußplatte dient gleichzeitig zum Abdecken des stählernen
Scheibenkreuzes. Die Nuten sind in diesem längs des Umfanges nach Art von gestaffeltt-n
Streckenprofilgittern angeordnet. Durch die flache Agstellung der Tragflügellaufschaufeln
kann auch bei enger axialer Teilung der Schaufelkränze eines mehrstufigen Läufers
die Nut in geradem Durchgang ausgearbeitet und durch Räumen fertiggemacht werden,
wodurch Hens,tellungsgenauigkeit und Gleichmäßigkeit -der Abmessungen für einen
einwandfreien Sitz jeder Laufschaufel wesentlich erhöht wird.