DE821735C - Mehrstufige Turbine mit keramischen Laufschaufeln - Google Patents

Mehrstufige Turbine mit keramischen Laufschaufeln

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DE821735C
DE821735C DEP1159A DEP0001159A DE821735C DE 821735 C DE821735 C DE 821735C DE P1159 A DEP1159 A DE P1159A DE P0001159 A DEP0001159 A DE P0001159A DE 821735 C DE821735 C DE 821735C
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DE
Germany
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blade
blades
rotor
ceramic
rotor blades
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DEP1159A
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DE911043C (de
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Dipl-Ing Christian Schoerner
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MAN AG
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MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3084Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers the blades being made of ceramics

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Vielstufiger, möglichst aus einem Stück bestehender Stahlläufer für Turbinen mit keramischen Laufschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln durch geeignete Auslegung des Schaufelgittens mit hoher Reaktion tragflügelartig ausgebildet und mittels Doppelkeilflächenfuß in Quernuten des Läuferkranzes befestigt sind, welche unter geringer Neigung zur Umfangsrichtung angeordnet sind.
DEP1159A 1948-10-02 1948-10-02 Mehrstufige Turbine mit keramischen Laufschaufeln Expired DE821735C (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DEP1159A DE821735C (de) 1948-10-02 1948-10-02 Mehrstufige Turbine mit keramischen Laufschaufeln

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DEP1159A DE821735C (de) 1948-10-02 1948-10-02 Mehrstufige Turbine mit keramischen Laufschaufeln

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE821735C true DE821735C (de) 1951-11-19

Family

ID=7357102

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DEP1159A Expired DE821735C (de) 1948-10-02 1948-10-02 Mehrstufige Turbine mit keramischen Laufschaufeln

Country Status (1)

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DE (1) DE821735C (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2729422A (en) * 1951-04-06 1956-01-03 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Shaped article of ceramic material
US2783967A (en) * 1952-01-03 1957-03-05 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Ceramic machine parts
US2874932A (en) * 1952-02-25 1959-02-24 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Steel turbine rotors with ceramic blades

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2729422A (en) * 1951-04-06 1956-01-03 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Shaped article of ceramic material
US2783967A (en) * 1952-01-03 1957-03-05 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Ceramic machine parts
US2874932A (en) * 1952-02-25 1959-02-24 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Steel turbine rotors with ceramic blades

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