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Temperaturunabhängige Verbindung von keramischen und metallischen
Maschinenteilen Die Verbindung von Bauteilen aus Werkstoffen mit verschiedener spezifischer
Wärmeausdehnung wird dann schwierig, wenn im Betrieb höhere Temperaturen auftreten
und von der Baugruppe eine gewisse Festigkeit verlangt wird, denn gerade bei keramischen
Bauteilen besteht ein erheblicher Formeinfluß auf die Gestaltfestigkeit, der beachtet
werden muß, um ein Höchstmaß von Betriebssicherheit im jeweiligen Bedarfsfall zu
erreichen. Die Festigkeitsanforderungen können sehr verschieden sein. Zum Beispiel
spielt 1>ei Ausfütterungen von Brennkammern oder Reaktionsräumen mittels Keramik
die Warmfestigkeit derselben eine geringere Rolle als die Hitzebeständigkeit, trotzdem
ist eine betriebssichere, in allen Wärmezuständen spielfreie Befestigung der Auskleidungselemente
bei den auftretenden Betriebserschütterungen, Zündwellen usw. von großer Bedeutung.
Ein weiteres Beispiel sind die thermodynamisch hochwertigen Axialgebläse, die bekanntlich
neben engen Spitzen spielen und eine hohe Oberflächengüte der verwendeten Schaufeln
verlangen. Für staubhaltige Luft ist daher eine gewisse Verschleißfestigkeit anzustreben,
um nicht nach kurzer Betriebszeit einen unerwünschten Wirkungsgradabfall zu bekommen.
Die bei der Verdichtung auftretenden Temperaturerhöhungen sind zwar nicht erheblich,
die Betriebsbedingungen erfordern immerhin eine beachtliche Gestaltsfestigkeit und
spielfreie Befestigung der Schaufeln in dieser sehr raschläufigen Maschine, namentlich
soll die Lage der Schaufel zum Läufer und Zylinder durch unvermeidliche Verschiebungen
der temperaturunabhängigen Schaufelbefestigung das Spitzenspiel im Betrieb nicht
allzusehr beeinträchtigen. Solche Verdichter können bekanntlich auch für die Förderung
von vorgewärmter oder heißer Luft oder sonst
eines Wärmeträgers
dienen, wie auch in dem Kreislauf eines chemischen Arbeitsverfahrens eingeschaltet
sein, wo chemisch unempfindliches Schaufelmaterial erwünscht ist. Dasselbe gilt
auch für im Betrieb heiße Kreiselradmaschinen, in denen eine Expansion des Arbeitsmittels
stattfindet. Damit erhalten die für die Befestigung von keramischen Schaufeln in
Stahlteilen vorgeschlagenen Maßnahmen zum Ausgleich der verschiedenen Wärmedehnungen
der in Form- und Kraftschluß zueinanderstehenden Teile eine wesentliche Bedeutung.
Sie sind aber den Forderungen der Keramik auf eine möglichst hohe Gestaltfestigkeit
des fertiggebrannten Stückes, namentlich bezogen auf den hochbeanspruchten Schaufelfuß,
anzupassen. Um unabhängig vom jeweiligen Wärmezustand Zwangskräfte bei der Einspannung
zu vermeiden und andererseits Verlagerungen durch Aufhebung des Formschlusses zu
verhindern, wird bekanntlich die geometrische Anordnung der Sitzflächen am Schaufelfuß
und am ihn umfassenden Teil des Läuferkranzes so gewählt, daß diese gegenläufige
Keilflächen oder Kegelflächen bilden mit Ausrichtung nach einer Geraden bzw. einem
Kreis, die sich im Meridianschnitt als Punkt der Schaufelachse in der Schaufelmittelebene
projizieren. Dies führt praktisch jedoch zu Schaufelfußformen, die wegen der Eigenart
der Fertigung keramischer Bauteile, z. B. durch Vergießen eines Schlickers in Gipsformen,
Nachteile iür die Festigkeit des Bauteiles haben.
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Erfindungsgemäß werden daher die Sitzflächenpaare derart angeordnet,
daß der gemeinsame Fluchtpunkt außerhalb der Fläche zwischen den vier Mittelpunkten
der im allgemeinen notwendigen Keilflächenpaare bzw. der Kegelflächenmeridiane liegt,
so daß die Winkel gegen die Fliehkraftzugrichtung für beide Sitztlächenpaare größer
als 9o° sind. Dadurch erhält der Schaufelfuß eine den Anforderungen der Keramik
besser entsprechende Form. Vom größten Querschnitt des 1~ ußes ab nimmt der Querschnitt
bis zur Schaufelspitze ständig ab, wodurch die Entstehung von Hohlräumen und porigen
Stellen mit verminderter Festigkeit bei der gegossenen Schaufel weitgeliendst vermieden
wird. Man erhält so auch allmählichere Querschnittsübergänge gerade an den Kraftumlenkstellen
der Hammerkopfschultern und damit eine bessere Annäherung der Gestaltsfestigkeit
des fertigen Bauteiles an die Festigkeit des glatten Prüfstabes.
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Bei der Wahl der Neigung der tragenden Flächen ist auf die Festigkeitsverhältnisse
der Stahlteile Rücksicht zu nehmen, außerdem auf die Reibungsziffer zwischen Keramik
und Stahl zu achten, um ein Festklemmen der Schaufelfußkeilflächen bei gegenseitiger
Verschiebung unter Temperatur und unter Fliehkraftwirkung zu vermeiden. Zur weitgehenden
Ausschaltung des Einflusses von Herstellungs- und Bearbeitungsungenauigkeiten ist
an sich ein möglichst großer Keilwinkel erwünscht, wegen der anzustrebenden Verformungssteifigkeit,
z. B. des Wulstrandes der Laufscheibe (im Falle einer Ringnutbefestigung der Schaufel),
aber begrenzt. Wenn auch noch für das stützende und den Formschluß wahrende zweite
innen liegende Keil-oder Kegelflächenpaar durch Beilagen oder durch Einpassung eine
gewisse Korrektur mangelnder Herstellungsgenauigkeit der Nutweite und Schaufelfußbreite
möglich ist, wird es auf alle Fälle zweckmäßig sein, die Neigung dieser Flächen
zueinander so groß wie möglich zu machen. Das bedeutet einen kleinen Unterschied
in der Neigung zwischen tragender und stützender Fläche. Die am unteren Fußende
stehenbleibenden Ecken des Schaufelfußes brauchen auch keinen besonderen Festigkeitsanforderungen
zu genügen.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele einer Verbindung
von keramischen Bauelementen mit solchen aus Metall entsprechend der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Abb. i die keramische Schaufel einer Kreiselradmaschine in der bisherigen
Ausführungsart, Abb. z eine Keramikschaufel entsprechend der Erfindung in einem
Querschnitt des Schaufelrades. Abb. 3 eine Stirnansicht auf das Schaufelrad und
einen Schnitt nach der Linie 111-11I in Abb. 5, Abb. 4 einen Schnitt durch das Schaufelrad
nach der Linie IV-IV in Abb. 3 mit Seitenansicht einer Schaufel, Abb. 5 eine Draufsicht
auf eine Schaufel, Abb.6 den Querschnitt durch die Wand einer Feuerungskammer.
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In der Abb. i ist die bekannte Anordnung der Sitzflächen a1, a2 und
b1, b2 am Fuß einer keramischen Schaufel rundherum um den Fluchtpunkt o auf der
Schaufelachse gezeigt. Die Sitzflächen sind entweder Kegelflächen bei einer Ringnutbefestigutig
oder Keilflächen bei einer Befestigung in axial eingearbeiteten geraden Profilnuten.
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Die Abb. 2 zeigt gemäß der Erfindung die Vertauschung der Lage der
tragenden Sitzflächen a1, a2 gegenüber den nur stützenden Sitzflächen b1, 62 zur
im Betrieb auftretenden Zugrichtung bei einer in einer Ringnut zwischen den Laufscheibenhälften
i und 2 eingespannten Schaufel 3. Der Fluchtpunkt o liegt außerhalb des aus den
'Mittelpunkten der Sstzflächen a1, a2 und b1, bz gebildeten Vierecks, und zwar in
Richtung der Zugkraft C. Die den Formschluß sichernden Sitzflächen b1, b2 sind aus
baulichen Gründen am Ring ,4 angeordnet, den man auch zur Festhaltung der einzelnen
Schaufeln in Umfangsrichtung verwenden kann. Bei zusammenhängenden Radhälften, d.
1i. bei einer eingedrehten Ringnut kann man beim Beschaufeln auch ein Prisma mit
den Flächen b1, 62 unterschieben, das sich auf dem Nutgrund abstützt. Um die Wulstränder
der beiden Tragscheiben beim Betrieb der Beschauflung mit hoher Temperatur keinen
allzu ungünstigen Beanspruchungsverhältnissen (namentlich infolge der entstehenden
hohen Seitenschübe) auszusetzen, wird man den Winkel a1, o, a2 verhältnismäßig
groß wählen.
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Die Abb. 3, 4 und 5 zeigen in mehreren Ansichten eine Lösung nach
dein Erfindungsgedanken für den Fall einer Schaufelbefestigung in axial eingearbeiteten
Nuten des Läufers. hier ist es möglich, die für die Kraftumlenkung günstigen und
daher der
Gestaltfestigkeit förderlichen sehr flachen Keilsitzflächen
anzuwenden, da die entstehenden beachtlichen Seitenschübe als Folge der Fliehkraftmassenwirkung
der Schaufel für die einzelnen Schaufeln des Radumfanges sich gegenseitig abstützen.
Die Schaufel 5 besitzt einen keilförmigen Fuß zur Anlage an den tragenden Seitenflächen
dl, a2 der Nuten im Stahlläufer 6. Der Formschluß erfolgt durch die ebenfalls
keilförmigen Sitzflächen b1, b2 eines eingeschobenen prismatischen Stäbchens 7 aus
Stahl, wobei es auch gelingt, auftretende maßliche Abweichungen in einem gewissen
Bereich auszugleichen. Bemerkenswert ist auch die Abschirmung der stählernen Läuferteile
durch den zwanglos entstehenden Luftspalt 8 unterhalb der Fußplatte der keramischen
Schaufel. Es sei noch bemerkt, daß bei entsprechenden Platzverhältnissen der Fuß
und die zugehörige Läufernut nicht lotrecht zur Scheibenebene angeordnet zu sein
brauchen, wie dies in der Abb. 3 dargestellt ist. Man erhält im Gegenteil hinsichtlich
der Gestaltfestigkeit der Schaufel infolge des zügigeren Spannungsflusses Vorteile,
wenn dieser keilförmige Fuß in seiner Hauptlängsrichtung sich mehr in die Richtung
der Sehne des Schaufelblattes dreht und die Fußplatte der Schaufel in Anlehnung
an diese Verzerrung mehr einen Parallelogrammumriß bekommt.
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Die Anordnung der Sitzflächen am unteren Schaufelfußende ist deshalb
besonders vorteilhaft, weil hier das Temperaturfeld der Schaufel schon gleichmäßiger
ist, was für die Wirksamkeit der zugrunde gelegten Formänderungen besonders günstig
ist. Der hauptsächliche Temperaturabfall tritt nämlich auf dem Fußstück bis zur
Wärmeableitstelle am tragenden Hammerkopfsitz ein, so daß die für die Schaufelfestlegung
maßgebenden Fußteile etwas mehr im Wärmestromschatten liegen. Außerdem ist für die
Lage der Sitzflächen entsprechend der Erfindung die Auswirkung des Fliehkraftzuges
auf die Passung der sich gegeneinander abstützenden Flächen von wesentlich geringerer
Bedeutung.
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Die in den Abb. 2 bis 5 für Schaufeln dargestellte temperaturunempfindliche,
formschlüssige Befestigung läßt sich auch auf die keramischen Plattenelemente bei
ausgekleideten Feuerungen oder Brennkammern anwenden. In der Abb. 6 ist ein Schnitt
durch einen Teil einer Kammerauskleidung dargestellt. Die Flächenelemente 9 sind
auf ein durch Bespülung mit Luft kälter gehaltenes Stahlgerüst io montiert worden
und bestehen aus einem geeigneten temperaturwechselbeständigen keramischen Werk-Stoff.
Die ineinanderstoßenden Plattenelemente 9 bilden einen keilförmigen Riegel i i,
der mit den Sitzflächen a1, d2 im Stahlgerüst io aufliegt. Die Formschfußflächen
b1, b2 sind am prismatischen Stäbchen 12 angeordnet. Der Fluchtpunkt o der Sitzflächen
a1, a2 und b1, b2 liegt hier auch außerhalb des Vierecks, das aus den Mittelpunkten
der vier Sitzflächen gebildet wird.
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In der Abb. 6 ist in der rechten Plattenreihe angedeutet, daß auch
eine Linienberührung zur Sicherstellung des Formschlusses genügt. Diese erfolgt
durch Einschieben von Stahlbolzen unter Verwendung einer Beilage, welche zum Ausgleich
von Herstellungsungenauigkeiten in einfacher Weise Korrekturen erlaubt.