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Befestigung keramischer Schaufeln in Stahlbauteilen von Kreiselmaschinen
Für den lietriel> von Gasturbinen mit höhen Treihmitteltemperaturen, deren :Anwendung
mit Rücksicht auf den thermischem Wirkungsgrad des Kreisprozesses erwünscht ist,
hat man verschiedentlich die Verwendung keramischer Baustoffe wegen ihrer ziemlich
hohen Festigkeit in diesem Temperaturbereich vorgeschlagen. Dieser neuartige Werkstoff
kommt insbesondere für Leit- und Laufschaufeln in Frage, also für Bauteile, die
dem heißen Gasstrom in besonderem Maße ausgesetzt sind. Der Vorteil besteht darin,
daß jede unnötige Abführung von Wärme aus dem Prozeß durch eine irgendwie geartete
Bauteilkühlung, wie sie bei Verwendung von Schaufeln aus hochlegierten Stählen im
Gebiet hoher Temperaturen immer noch notwendig ist, wegfällt und damit die Ausnutzung
der Brennstoffwärme günstig wird. Der Verwirklichung standen jedoch bisher große
Schwierigkeiten im Wege, da für die Halterung von Keramikschaufeln in stählernen
Bauelementen, seien diese Teile des Läufers oder Teile des Gehäuses (Leitschaufelträger,
Gehäusewände), wegen der verschiedenen Wärmedehnungszähl von Stahl und Keramik und
auch wegen der verschiedenen Betriebstemperaturen keine zuverlässige Lösung vorlag.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, hier einen Weg zu .zeigen, wobei auf die bei Keramik
möglichen Fertigungsverfahren weitgehend Rücksicht genommen ist.
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Ähnliche Probleme treten auch auf anderen Gebieten der Technik auf,
z. B. die zuverlässige Halterung von feuerfesten Auskleidungselementen an Stahlgerüsten
für Kesselfeuerungen.
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Da bekanntlich bei Erwärmung eines Bauteils die Dehnungen vori einem
bestimmten, 'bei der Formänderung festgehaltenen Punkt strahlenförmig ausgehen,
bleibt die Formschlüssigkeit zweier ineinander greifender - Teile erhalten, wenn
die Berührflächen mit derartigen strahlenförmigen
Erzeugenden zusammenfallen.
Dies führte bei der Befestigung von Keramikwalzen auf Stahlwellen zur Anwendung
von Kegelflächenpaaren als Berührflächen, wobei unter einem Paar von Kegelflächen
jeweils die beiden sich berührenden und aufeinander gleitenden Kegelflächen der
beiden miteinander zu verbindenden Bauteile zu verstehen ist. Wenn die Kegelspitzen
der kegeligen Flächenpaare dieser gegeneitiandergerichteten Sitzflächen zusammenfallen,
ist die Gewähr gegeben, daß trotz verschiedener spezifischer Wärmedehnungen und
auch verschiedener Temperaturen irn Betrieb der kraftschlüssige Zusammenhalt des
Keramikteils mit der Stahlfassung jederzeit vorhanden ist.
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Nach der Erfindung werden die bisherigen Nachteile bei der Befestigung
der keramischen Schaufeln in stählernen Schaufelträgern unter Ausnutzung dieser
Erkenntnis dadurch behoben, daß der Fuß der Schaufeln längs gegeneinandergerichteter
Kegel-oder Keilflächenpaare am tragenden Stahlbauteil aufliegt und die Spitzen der
Kegelflächen oder die Schneiden der Keilflächen im Schaufelfuß zusammenfallen.
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Die Erfindung stellt vor allem insofern einen wesentlichen technischen
Fortschritt dar, als ihr die Erkenntnis zugrunde liegt, daß diese Befestigungsart
auch dann anwendbar ist, wenn die Temperatur örtlich verschieden ist, was im Fuß
der Keramikschaufeln immer der Fall ist.
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Die Verwendung von Keilpaaren beruht auf der Erkenntnis, daß man bei
der Wärmedehnung auch eine beliebige Achse des Körpers festhalten kann, wenn man
Verschiebungen auf der Achse selbst zuläßt. Auf diese Weise kann der im Turbinenbau
so beliebte Hammerkopffug auch bei Keramikschaufeln Anwendung finden.
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Ist die Temperatur im Raum der Befestigung konstant oder ändert sie
sich räumlich linear, dann muß man die Kegelspitzen bzw. die Keilschneiden in der
Mitte zwischen die Berührungsstellen zusammenlegen. Normalerweise fällt aber die
Temperatur im Schaufelfuß von der Schaufelwurzel her zuerst stark und im unteren
Fußende schwächer ab (konkaver Verlauf). Dann muß man die Kegelspitzen bzw. Keilschneiden
nach der Schaufelwurzel zu verlegen. Das Entgegengesetzte gilt, wenn die Temperatur
im unteren Fußteil steiler abfallen sollte als im oberen (konvexer Verlauf). Sind
schließlich die Temperaturverläufe im Fuß und dem umschließenden Gehäuseteil in
der Form verschieden (z. B. im Fuß konvex und im Gehäuse konkav). dann muß man die
Spitzen bzw. Schneiden auseiiianderrücken oder ineinanderschieben, je nachdem der
Schaufelfuß wärmer oder kälter ist als der linearen Temperaturverteilung entspricht.
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Durch das Verschieben der Spitzen und Schneiden 'kann man aber auch
erreichen, daß bei steigender Temperatur in der Verbindung eine Vorspannung entsteht
oder auch eine Vorspannung, die im kalten Zustand vorhanden war, abgebaut wird.
Dadurch ergeben sich konstruktiv ganz neue Mög-
lichkeiten.
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Durch die Erfindung werden die bisherigen Nach- i teile bei der Befestigung
der keramischen Schaufeln in stählernen Schaufelträgern beseitigt und dabei viele
Schwierigkeiten behoben, die bisher der praktischen Anwendung von Keramikschaufeln
in Gasturbinen entgegenstanden. Bei jeder Temperaturverteilung in der Befestigung
bleibt der Formschluß der Auflage erhalten, und in der Betriebswärme ändern sich
die beim Einbau aufgebrachten Spannungen nicht oder in der vom Konstrukteur gewünschten
Weise.
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Bei räumlich verschiedener Temperatur im Raum der Befestigung tritt
eine gewisse Verkrümmung der Kegel- oder Keilflächen ein; die Abweichungen an der
jeweiligen Sitzfläche der beiden Bauteile sind in der Regel nur von derselben Größenordnung
wie die übliche Herstellungsgenauigkeit. Das kommt daher, daß die Sitzflächen immer
verhältnismäßig kleine Abmessungen haben, und daher, weil die Verkrümmung durch
entsprechende Wahl der Lage des Fluchtpunktes n und der Öffnungswinkel der Kegel-
und Keilflächen in tragbaren Grenzen gehalten werden können.
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In der Zeichnung sind mehrere :\tisfüliruiigsl)eispiele von Schaufelbefestigungen
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Abb. i einen axialen Schnitt durch
einen Teil des Läufers mit Ansicht einer Laufschaufel.
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Abb. 2 schematisch eine Turbinenstufe mit Leit-und Laufschaufel, Abb.3
eine Teilansicht des Leitschaufelkranzes in Richtung des Pfeiles A, Abb. q. eine
Ansicht eines Teils einer Schaufel und ihres Fußes in größerem Maßstab, Abb. 5 und
6 je einen Schnitt durch Schaufelfuß und Radscheibe mit verschiedenen .-\nschltißquerschnitten
an den Berührflächen.
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A.bb. i zeigt den zylindrischen Fuß einer Keramikschaufel i einer
Gasturbine oder auch einer heiße, säurehaltige Dämpfe fördernden Pumpe. Die Sitzflächen
innerhalb des zweiteiligen Radkranzes 2a und 2b sind gegeneinandergerichtete Kegelflächen
mit gemeinsamer Spitze 0, Oii auf der Schaufelachse. Der Ort, an dem diese
gemeinsame Spitze auf der Schaufelachse liegen muß, ergibt sich aus dem Temperaturverlauf
im Raum der Befestigung.
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Abb. 2 gibt schematisch eine Turbinenstufe mit keramischem Leitradgitter
und keramischen Laufschaufeln wieder. Diese Laufschaufeln 3 sind zwischen den Radscheibenhälften
.4a, 4b eingeklemmt, welche durch die Schrauben 5 zusammengehalten werden. Die Sitzflächen
sind in diesem Fall ballige Keilflächenpaare, deren Erzeugende, sowohl der äußeren
Anschlagflächen wie der inneren, sich längs eines und desselben Kreises m um die
Drehachse schneiden. Entscheidend für die Aufrechterhaltung des Formschlusses bei
allen Temperaturen ist hier, daß die Schaufelfüße nicht einen geschlossenen Ring
bilden. Ist das der Fall, z. B. hei Halterung eines Keramikringes zwischen zwei
Stahlscheiben, dürfte nur ein Kegelflächenpaar zur Festlegung herangezogen werden,
dessen Spitze in der Turbinenachse liegt.
Die Abb. 2 zeigt ferner
zusammen mit Abb. 3 die Halterung der einzelpen keramischen Leitschaufeln 7 in einem
Stahlring 6, in dessen U-förmigen Stegen ebene Keilflächenpaare eingeschliffen sind.
Hier werden die Leitschaufelfüße axial eingeschoben. Die Schnittgeraden je zweier
zusammengehöriger Keilflächen einer Anschlagseite fallen wieder in Punkt n zusammen.
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Es kann dabei sehr zweckmäßig sein, die eigentliche Auflagefläche
einer Anschlagseite größer zu machen als diejenige der Gegenseite. Namentlich bei
Laufschaufeln, die der Fliehkraftwirkung unterworfen sind, trägt die innere Kegel-
oder Keilfläche praktisch die ganze Belastung. Es ist also von Vorteil, sie größer
zu machen als die äußere Anschlagfläche. Das wird dadurch erleichtert, daß sie durch
die Wärmeableitung zur Wellenmitte und ihre größere Entfernung von der beheizten
Schaufelwurzel sowieso kälter und zur Aufnahme der Auflagekraft geeigneter ist.
Während im Laufschaufelfuß der Quersc'hnittsverlauf durch die Festigkeit des Werkstoffes
und die Betriebstemperatur an den einzelnen Stellen mehr oder weniger festliegt,
ist am Scheibenkranz nur die zur Gegenhalterung der inneren Auflagefläche der Schaufel
bestimmte Kranzgegend wesentlich von Festigkeit und Betriebstemperatur beeinflußt.
Der "lnschlußquerschnitt der Auflagefläche für die äußere Kegel-oder Keilfläche
des Schaufelfußes an den Scheibenkranzkörper kann 'klein oder groß gewählt werden
wie in den Abb.4 und 5 gezeigt ist. Je nachdem wird der Temperaturverlauf in der
Schaufel und dem entsprechenden radialen Stück des Kranzes in gewissen Grenzen beeinflußt
werden können, weil die Wärmeabfuhr von der inneren und äußeren Auflagefläche der
Schaufel zum Kranz sich ändert. Man kann diese Tatsache benutzen, um noch eine bessere
Formschlüssigkeit der aufeinanderliegenden Flächen zu erreichen. Unter Umständen
'kann auch eine gewisse elastische Verformung bei dünnwandigen Anschlüssen der Auflageflächen
an den Kranzkörper mit in Rechnung gesetzt werden.
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Entsprechend der Abb. 4 'kann man jedoch, mit den Bezeichnungen und
Bauformen des Beispiels nach 11b1). i ausgedrückt, die Kegelspitze der Sitzkegel
oder die Schnitte der Keile jeder Anschlagseite auseinanderrücken oder auch in Richtung
der gegenüberliegenden Anschlagseite verschieben. Dann werden bei gleichbleibendem
-\,1>stand der Anschlagflächen die öffnungswinkel der Kegel und der Keile steiler
oder flacher. Man macht davon Gebrauch, wenn der Temperaturverlauf im Schaufelfuß
in seiner Form abweicht von dem im umgebenden Stahlteil. Diese Maßnahme kann aber
auch dazu dienen, beim Auftreten der verschiedenen Dehnungen auf der Keramik- und
der Stahlseite eine zunehmende oder abnehmende Verspannung der Teile gegenüber dem
Zustand beim Zusammenbau zu erreichen; sie muß sich natürlich durch entsprechende
Wahl der Winkel den Werkstoffeigenschaften sowie den jeweiligen durch die Konstruktion
bedingten Kraftwirkungen anpassen. Durch das selbsttätige Verspannen bei Betriebswärme
kann auf alle Fälle das Lockern der Verbindung vermieden werden. Außerdem ist es
bei der Keramik von 'besonderem Vorteil, wenn die gewünschte Vorspannung erst im
Betrieb allmählich wirksam wird, wo die keramischen Werkstoffe durch die höhere
Temperatur etwas elastischer werden. Der Zusammenbau kann dann bei Raumtemperatur
ohne Vorspannung durchgeführt werden und auf diese Weise wird die Gefahr von Beschädigungen
und Brüchen infolge einer aufgebrachten zu hohen Vorspannung beim Zusammenbau beseitigt.
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Bezüglich des Ausmaßes der Verschiebung der Fluchtpunkte
0, und 01, sind allerdings nur geringe Werte zulässig, da der Schaufelfuß,
wenn er sich nicht lockern soll, zusätzliche Zugspannungen erhält, die im Rahmen
der sonstigen Belastung ertragen werden müssen. Deshalb ist das Verhältnis dieser
Verlagerung der Fluchtpunkte zu der Höhe der Kegel- oder zum Abstand der Keilschneide
von den Keilflächen immer nur klein.