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Turbinenläufer mit keramischer Beschaufelung 1)ie Erfindung betrifft
Turhinenläufer tnit keramischen Schaufeln, mit deren Hilfe ohne besondere Bauteilkühlung
und Wärmeentzug aus dem Arbeitsprozeß hohe T reibmitteltemperaturen angewendet werden
können und damit ein günstiger thermischer lustlutzungsgrad zu erwarten ist. Aus
naheliegen-(len baulichen Gründen sucht man beim Läufer mit schmiedbaren Sonderstählen
auszukommen, ist aber bei den angestrebten hohen Temperaturen, für die keramische
Werkstoffe als besonders vorteilhaft erscheinen, gezwungen, entweder hochwarmfeste
Baustähle mit sehr hohem Legierungsgehalt zu wählen oder sich in der Auslegung der
Schaufelhöhe und Umfangsgeschwindigkeit, also hinsichtlich Schluckfähigkeit und
Stufenbelastung, gewisse l'#e@cltriittkttngen aufzuerlegen. Zur Behebung dieser
baulichen Einengungen ist erfindungsgemäß der Läufer durch eine Art von Plattierung
mit keramischen Teilen' vor der unmittelbaren Berührung durch die heißen Treibgase
bewahrt. Dadurch wird seine Betriebstemperatur in den Randzonen gegeniüber derjenigen
der Schaufelung wesentlich abgesenkt. Dies ist unbeditIgt notwendig, da. auch für
.hochlegierte Stähle bei den für Keramik besonders zuträglichen Temperaturen die
Dauerstandsfestigkeit sehr wesentlich abnimmt und trotz der spez. leichten Keramikschaufeln
beachtliche Spannungen an den wulstartig den 'hammerkopfähnlichen Schaufelfuß umfassenden
Kranzteilen des Läufers auftreten. Das Verzundern der in Betrieb sehr heiß werdenden
Läuferteile wird ebenfalls herabgesetzt. Die Isolierwirkung
der
Plattierung wird wesentlich durch die Anordnung von Luftspalten, oder Hohlräumen
und eine möglichst auf umbedingt notwendige kleinste Auflageflächen beschränkte
Berührung der sehr heißen keramischen Abschirmteile zum tragenden Stahlläufer unterstützt.
Auch kann diesen Hohlräumen vom Läuferinnern her oder ausgehend von der Läuferstirnseite
dem Läufermantel entlang eine gewisse Menge entsprechend verdichteter Luft zugeführt
werden, wodurch sich über die Stahlteile ein sich stets erneuernder Luftschleier
legt, da sich diese Kühlluft nach einer gewissen Aufwärmung längs der Spalte der
Keramikplattierung dem sich entspannenden Treibmittelatram zumischt. Die Plattierung
selbst ist zwecks Vermeidung von Wärmespannungen in kleine Elemente aufgelöst, für,
deren Befestigung eine der bekannten Keilflächensitzanordnungen angewandt wird,
um eine für alle Betriebszustände spielfreie und von Zwangskräften unibelastete
Halterung im stählernen Läufer zu gewährleisten.. Am einfachsten wird diese Nut
für die Aufnahme der Blättchenköpfe axial angeordnet, ;so daß z. B. bei einem Läufer
mit gleichbleibendem Fußkreisdurchmesser der Beschaufelung diese Nuten den gleichmäßig
verteilten Mantellinien eines Zylinders entsprechen und bequem bearbeitet werden
können. Die Aufteilung des Läuferumfanges auf die einzelnen Isolierelemente hat
neben den Wärmespannungen auch noch die Tatsache zu berücksichtigen, daß das Zerschneiden
des tangentialen Zusammenhanges durch die vorhin erwähnten Befestigungsnuten keine
allzu große Verminderung der Tragfähigkeit der schaufeltragenden Läuferringwulste
im heißen Betriebs.-zustand mit sich bringt.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Turbinenläufern
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Abb. r einen Meridianschnitt durch
den ersten Stufenteil eines aus einzelnen Scheiben zusammengesetzten Läuferkörpers
nach den Linien 1-I in Abb. 2 und 3, Abb. 2 einen Teilquerschnitt nach der Linie
II-11 in Abb. r, Abb.3 einen Teilquerschnitt nach der Linie III-I1I in Abb. r, A!bb.
4 eine Draufsicht auf ein stirnseitiges Abdec.kplättchen, Abb.5 einen Meridianschnitt
durch die erste Stufenfolge eines Massivläufers, Abb.6 einem Teilquerschnitt nach
der Linie VI-VI in Abb. 5, Abb. 7 eine Ansicht der Stirnseite des Läufers mit teilweise
abgenommenen Deckplatten.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. r besteht der Läufer aus den
stählernen Scheibenkörpern ja, rb, 1a, rd, zwischen deren Kränzen die Keramikschaufelgitter
2a, 2b, 2C mit der bekannten Doppelkeilflächenhalterung angeordnet sind, mit deren
Hilfe in allen Betriebszuständen, trotz verschiedener Dehnung und Temperatur der
zusammengebauten Teile ein spielfreier und von Zwangskräften uniberührter Sitz gewährleistet
werden kann. Die Verbindung der einzelnen Scheibenkörper zu einem genügend biegesteifen
Gesamtläufer erfolgt beispielsweise, wie für Scheibe 1a, 1b dargestellt, über Gewindeansätze
3a, 3b, wobei eine gewisse Schrumpfwirkung herangezogen werde kann, oder durch am
mittleren Umfang verteilte Bolzen 4 mit entsprechend geneigtem Kegelsitz zur Kompensierung
von Dehnungs- und Temperaturunterschieden. Letzterer Fall ist für das Scheibenpaar
rb, rc dargestellt, wobei in axialer Richtung jeweils die Gewindewarze 5b und die
durchbohrte Stützwarze 6c mit dem gegenüberliegenden kegeligen Sitz des Schraubenkopfes4
für ein Scheibenpaar hintereinanderliegen. Entweder ist diese Reihenfolge von Verbindungselementen
für das nächste Scheibenpaar versetzt angeordnet oder man benutzt gleich den Kopf
des Bolzens 4 als Verankerung für die Verbindung des nachfolgenden Scheibenpaares.
Der Kranz jedes Scheibenkörpers ist entsprechend den Querschnittsanforderungen einer
Scheibe möglichst gleichmäßiger Festigkeit und mit Rücksicht auf möglichst geringe
Wärmespannungen bei Änderung des Wärmezustandes des Läufers weitgehend durch Eindrehungen
erleichtert, so daß die entstehenden Hohlräume 7 als Wärmedämmräume wirken können
oder in Verbindung mit geeigneten. Bohrungen 8 für eine Durchflutung der Läuferrandzonen
durch vorverdichtete Luft, zur Ausbildung eines wirksam isolierenden Luftschleiers
über den tragenden Scheibenkränzen, verwendet werden können. Der Schutz des Läuferumfanges
zwischen den einzelnen Laufschaufelreihen wird erfindungsgemäß von kleinen, keramischen
Platten 9 übernommen, deren keilförmige Befestigungsfortsätze ro in entsprechenden
in axialer Richtung eingearbeiteten Nuten 1 r sitzen, wobei hinsichtlich Formgebung
sowohl auf einfache Herstellung als auch auf zwangsfreien kraftschlüssigen Sitz
geachtet ist. Damit die Beschaufelung und das Bearbeiten dieser axialen Nuten r
r erleichtert wird, sind die äußeren Abstützflächen 12 zu beiden Seiten des Laufschaufelteilfußes
vom Radkörper getrennt vorgesehen. Sie können auch aus besonders zunderfestem Werkstoff
hergestellt sein oder man kann, wie am Laufkranz 2c angedeutet, diesen Stützring
auch unter der Blättchenabdeckung 9 verschwinden lassen. Es ist unter der Voraussetzung,
daß das Biegewiderstandsmoment des schaufeltragenden Scheibenwulstringes noch genügt,
d. h. wenn durch die Nuten r r vom abstützenden Scheibenumfang nicht allzuviel weggenommen
wird, möglich, auf diese getrennten Stützringe 12 überhaupt zu verzichten.
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Für die Abdeckung der Läuferstirnseite sind in vorliegendem Beispiel
12 sich am Umfang zu einem Ring ergänzende Plättchen 13 vorgesehen mit je einem
Ansatz an der Läuferseite, bestehend aus den Klauen i4a, 14b, die sich über entsprechende
warzenförmige Erhebungen 151, 15b an der Läuferstirnseite mit kreuzrißartigen Sitzflächen
schieben und mittels einer Schraube 16 darauf festgehalten werden. Für die isolierende
Wirkung wird angestrebt, möglichst viel Hohlräume zwischen Keramikplattierung
und
Läuferkörper vorzusehen, z. B. die Hohlräume 17 a, i76 an der Plättchenbefestigung
9 und i i.
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Für einen Massivläufer nach Abb. 5 läßt sich das Bauprinzip nach der
Erfindung in ähnlicher Weise verwirklichen. Wegen der hier vorliegenden baulichen:
Abweichungen sei sauf einige andere Möglichkeiten hingewiesen. Der Läufer 18 trägt
in hakenförmige Ringnuten die Keramikschaufelreihen 19a, i96 mit entsprechend ausgebildetem
Fußprofil für einwandfreien Sitz bei allen Betriebszuständen. Am Kranz iga ist eine
Stemmverbindung bekannter Art für die: Einfüllücke 2o der Ringnut veranschaulicht.
Bemerkenswert ist die hier gewählte Ausführung der Abstützung der äußeren Schaufelfußkeilsitzfläche
mittels einer spanlos geformten Blechspange 21, die durch Einlassen in den Läuferrand
und durch Abbiegen eines Lappens bequem zum Verhinderndes Schaufelw:and@er:ns in
Umfangsrichtung herangezogen werden kann. Die Ausbildung der den Umfang abschirmenden
Plättchen 22 und der zugehörigen axialen Befestigungsnuten 23 ist gleichartig wie
vorher, nur wurde aus Gründen einer :genügenden Festigkeit der einseitigen Schaufelabstützung
am Läuferwulstring die Teilung der Plättchen wesentlich erhöht, um weniger tiefe
Einschnitte desselben zu erhalten:. Für die Befestigung der einzelnen Plättchen
24 der Stirn.-seitena'bschirmung sind umlaufende Kegelsitzflächen 25 vorgesehen,
wobei das, Anpressen der Sitzflächen der Plättchen an die Läuferstirnseite durch
einen gemeinsamen Stahlring 29 mittels Schrauben 26 erfolgt. Schlitze 27 durchbrechen
den Kegelstützring 25 iam Läufer mehrmals, um gegebenenfalls verdichtete Luft dem
Randteil des Läufers zuzuführen, die dann durch die Hohlräume unter dem Plättchen
22 und durch Ausnehmungen 28 am Schaufelfuß längs des Läuferumfangs vordringen 'kann,