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Keramiklaufschaufel für axial durchströmte Kreiselradmaschinen Die
Erfindung hefaßt sich mit der Gestaltung der Befestigung von keramischen Laufschaufeln
in Stahlläufern, welche in axial verlaufenden Nuten desLäuferkranzes eingesetzt
sind. Aus Herstellungsgründen ist die Form des Schwalbenschwanzfußes sehr geeignet.
Der Schwalbenschwanzfuß mit einer Flächenneigung der seitlichen Stützflächen. zur
Zugrichtung während des Betriebes, die praktisch mit der Schaufelachse zusammenfällt,
läßt auch die bestmögliche Gestaltfestigkeit der gebrannten Schaufel erwarten. Diese
Gestaltfestigkeit ist für dtie hochbeanspruchten Schaufeln von Kneiselradmaschinen
mit hohen Temperaturen und hoher Schnelläufigkeit bei großem Durchsatz von wesentlicher
Bedeutung, wenn Maschinen ausreichender Lebensdauer mit gutem thermischem Wirkungsgrad
bei tragbarem Aufwand entstehen sollen. Die bei flacher Stützflächenneigung auftretendesanftereKraftumlenkung
von den zugbeanspruchten Schaufelhlatteilen zur Schulter des Schaufelfußes gibt
infolge des damit verbundenen allmählicheren Querschnittsüberganges vom Blatt zum
Fuß kleinere Spannungsspitzers, weil solche Formen entsprechend, der Eigenart des
keramischen Werkstoffes kleinere zusätzliche innere Spannungen verursachen, die
durch die Verarbeitung und die innere Struktur des Werkstoffes bei den Vorgängen
des Brennens und Schwindens, ausgelöst werden. Bei einem so hoch beanspruchten Bauteil
wie einer Laufschaufel ist es. auf jeden Fall notwendig, daß gerade an der entscheidenden;
Stelle der Schaufelblattw urzel möglichst wenig zusätzliche und schwer kontrollierbare
Spannungen auftreten und Gestaltung und Fertigung darauf abgestimmt werden können,.
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Die Anwendung dies, flachen Keilsitzes der Schaufel in entsprechenden
Nuten des Läufers äußert sich allerdings in beachtlichen seitlichen Schuibkräften
auf die Stützflächen der Läufertragköpfe, die aber
infolge der Nachbarschaft
gleichartig beanspruchter Teile längs des ganzen Umfanges sich gegenseitig auffangen.
Immerhin ist es auch für keramischen Werkstoff trotz seiner sehr hohen Druckfestigkeit
zweckmäßig, die Kräfte auf so große Flächen zu verteilen., daß die rechnungsmäßige
spezifische Druckbelastung eine gutes Stück unterhalb der zulässigen Werkstoffdruckfestigkeit
bleibt, weil der schädliche Einfluß örtlich überhöhter Druckspannungen infolge mangelnder
Güte der Oberfläche bzw. infolge von Formänderungen der stählernen Radteile im Betrieb
beachtet werden muß.
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Erfindungsgemäß wird der Schwalbenschwanzfuß der Keramikschaufel so
ausgebildet, d;aß die Neigung der beiden Stützflächen des schwalbenschwanzförmigen.
Fußteiles zur Schaufelzugrichtung während des Betriebes einem Tangenswert entspricht,
der das Zwei- bis Dreifache des Verhältnisses der zulässigen Zugfestigkeit zur Druckfestigkeit
des jeweils verwendeten keramischen Werkstoffes beträgt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführangsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und' zwar zeigt Fig. i in schematischer Weise einen Schnitt in Scheibenmittelebene
durch den Kranz einer Stufe mit Keramikschaufel, wobei Maßnahmen, wie sie. bei heißen
Turbinen zur Erhaltung des Formschlusses von Stahl und, Keramik trotz verschiedener
Wärmeausdehnung Verwendung finden, außer acht gelassen wurden, Fig. 2 eine Ansicht
einer Schaufel.
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Aus Strömungsgründen liegt bekanntlich Teilung und' Breite des Schaufelgitters
fest, d. h. man, hat am Läuferumfang zur Unterbringung der Schaufelfüße i und der
Kranztragköpfe 2 einen bestimmten Querschnitt zur Verfügung (Fig. i). Das läuft
darauf hinaus, daß die Ausladung des Schwalbenschwanzfußes (Fig. 2) (= 2 .- "I-
# A) gegenüber 2 der Weite A des Anschlußquerschnittesi des Schaufelblattes 3 ein
gewisses Maß nicht überschreiten darf. Nach einer einfachen Betrachtung dien Kräfteverhältnisse
am Keil liegt damit das Verhältnis der auf die Flächeneinheit bezogenen Spannungen
überschlägig fest. Es verhalten sich die mittlere Zugspannung zur mittleren Druckspannung
wie etwa (a-i). Für die Festlegung der Form des Schwalbenschwanzes bleibt noch die
Wahl der Neigung übrig, woben folgende Einflüsse zu beachten sind: Für den gleichen
Wert A (a- i) der SchwaIbenschwanzausiladung wird mit steigendem 4E die Fußmasse
kleiner und bei gleicher Pressung an der Stützfläche kann die zugeordnete Flieh'kraftzugspannung
des Schaufelblattes größer gewählt werden. Stärkere Kraftumlen-kung bei größerem
<#e bedeutet aber einen größeren Zuschlag auf die rechnungsmäßige mittlere Fliehkraftzugbeanspruchung
an der Schaufelwurzel wegen der bereits erwähnte zusätzlichen Spannungen, d. h.
man erreicht bei größerer Neigung der Sitzflächen und einer gegebenen zulässigen
Zugbeanspruchung des Werkstoffes eher die Auslegungsgrenze. Andererseits ist eine
allzu flache Neigung, so günstig sie für die Gestaltfestigkeit sich auswirken mag,
aus folgenden Überlegungen nicht erwünscht. Die Befestigung eines keramischen Bauteilsi
in einer stählernen Fassung soll ja für alle möglichen Betriebszustände trotz der
verschiedenen spezifischen Wärmedehnungen. formschlüssig bleiben. Durch die bekannte
Keilsitzflächena,nordnung mit einer bestimmten Aus, richtung derselben wird, dieser
temperaturunabhängige Formschluß gewährleistet, wobei allerdings ein Gegeneinandergleiten
sich berührender Flächen aus Stahl und, Keramik unvermeidbar ist. Würde nun der
Keilwinkel 2 - e zu klein gewählt werden und, unterhalb des Reibungswinkels dieser
Gleitbewegung unter Berücksichtigung dien fertigungsimäßig üblichen: Oberflächengüte
liegen, so bestünde die Gefahr, daß sich der Schaufelfuß unter der Fliehkraft-massenwirkung
bei Betriebswärme in der Nut einklemmt, ohne beim Kaltwerden der Turbine in seine
spannungslose Ausgangslage zurückgleiten zu können, wodurch unkontrollierbare schädliche
Druckspannungen auftreten können.
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Bei sehr kleinem -#:E ist es bezüglich der Radscheibe offensichtlich,
daß mit der zunehmenden radialen Erstreckung des Schaufelfußes und des Tragkopfes
der lastaufnehmende Sche-ibenringquer schnitt mit tangentialem Zusammenhang immer
kleiner und die daran hängende Randlast immer größer wird. Je kleiner der mittlere
Beaufsch.lagungsdurchmesser der Schauflung bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit,
d. h. gleicher Stufenbelastung ist, um so größer sind die Fliehkraftbeanspruchungen
und um so ausgeprägter ist diese Erscheinung. Im Bereich der für keramische Werkstoffe
erst bedeutungsvoll werdenden Betriebstemperaturen dei Schau@felung ist wegen der
sehr wesentlich abgesunkenen Warmfestigkeit der Stahlteile für eine gleichmäßige
Auslastung der Bauteilkombination besondere Rücksicht auf gerade diese Stahlteile
zu nehmen und daher der kleinen Keilflächenneigung eine Grenge gesetzt.
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Erfindungsgemäß ist daher die Neigung der Stützflächen des Schwalbenschwanzkeiles
am Schaufelfuß zur Fliehkraftzugrichtung, d, h. zur Schaufelachse, innerhalb folgender
Grenzen gewählt: