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Schaufel mit einseitiger Befestigung für radial beaufschlagte Gas-oder
Dampfturbinen Bei radialer Beaufschlagung der Überdruckbeschaufelung von Gas- oder
Dampfturbinen kommen zu den Erfordernissen einer strömungstechnisch günstigen Gestaltung
der Schaufelprofile noch die festigkeitstechnischer Art, die sich hier im Gegensatz
zur axialen Beaufschlagung mit den ersteren nicht ohne weiteres decken. Um diese
Schwierigkeiten zu umgehen, werden bei allen zur Zeit gebauten Radialturbinen die
Schaufeln an ihren beiden Enden durch je einen Schaufeltragring gehalten. Schaufeltragringe
stellen aber aus naheliegenden Gründen festigkeitstechnisch selbst eine sehr schwache
Form dar. Dieser Umstand wirkt sich dahingehend aus, daß trotz Zulassung wesentlich
höherer Beanspruchung dieser Ringe, als sonst im Turbinenbau für die umlaufendem
Teile üblich ,ist, die erzielbaren Umfaägsgeschwindigkeiten bei weitem nicht die
Größe erreichen, wie dies bei radialer Beaufschlagung erwünscht oder erforderlich
wäre. Die Folge is-t der Zwang zur Anwendung des Gegenlaufprinzi»s oder der Mehrscheibenanordnung,
also der Zwang zu Maßnahmen sehr nachteiliger Art. So schränken diese Maßnahmen
unter anderem das Anwendungsgebiet solcher Turbinen sehr stark ein, erhöhen die
Herstellungskosten außerordentlich und erschweren Montage, Demontage und die Überwachung
der Turbineninnenteile.
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Es sind auch Wege bekanntgeworden, ohne
Schaufeltragringe
auszukommen. Dann aber sind hei Verwendung üblicher Schaufeln die erreichbaren Umfangsgeschwindigkeiten
noch kleiner als bei Verwendung von Schaufeltragringen oder die Herstellungskosten
der Schaufeln für hohe Umfangsgeschwindigkeiten auf Grund der dann notwendig werdenden
besonderen Schaufelform sehr hoch.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet, für Schaufeln mit
einseitiger Befestigung eine Form zu schaffen, die beste festigkeits- und strömungstechnische
Eigenschaften in sich vereinigt und weiter eine weitgehende Senkung der Herstellungskosten
nicht nur der Beschaufelung, sondern der gesamten Turbinenanlage ergibt. Erfindungsgemäß
wird daher vorgeschlagen, daß bei Überdruckschaufeln für radial beaufschlagte Gas-
oder Dampfturbinen mit einseitiger Befestigung der Durchmesser D des größten in
das Schaufelprofil eintragbaren Kreises gleich oder größer ist als das o,4fache
des Radius R des die Schaufelprofillinie auf der Schaufeleintrittsseite berührenden
Kreisbogens mit der Schaufelaustrittskante als Mittelpunkt und daß die so profilierte
Schaufel einen Hohlraum erhält. Mit dieser Schaufelform wird es möglich, solche
festigkeitstechnischen Eigenschaften zu erreichen, daß trotz nur einseitiger Befestigung
bei mäßigen Beanspruchungen wesentlich höhere Umfangsgeschwindigkeiten erzielt werden
können, als dies bei Verwendung mit Schaufeltragringen möglich ist. Die höchsten
festigkeitstechnischen Eigenschaften erhält man, wenn der größte in das Schaufelprofil
eintragbare Kreis mit der Profillinie des Schaufelblattes auf der Treibmitteleintrittseite
völlig zusammenfällt, der Schaufelhohlraum gegen das freie Schaufelende hin offen
ist und sich nur über einen Teil des Schaufelblattes erstreckt. Dabei kann der Wert
R/D bis auf 0,55 und mehr, je nach den besonderen Verhältnissen und Notwendigkeiten,
gesteigert werden. Dann erhält man Schaufellängen, die eine gleiche Schluckfähigkeit
der Radialturbine wie bei Axialturbinen gleicher Drehzahl und gleicher Gefälleverarbeitung
ergeben.
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Außer den erwähnten hohen festigkeitstechnischen Eigenschaften zeichnen
sich solche Profile noch dadurch aus, daß sie gegen sehr verschiedene Anströmrichtungen
des Treibmittels weitaus unempfindlicher sind als die sonst üblichen Profile, so
daß mit ihnenauch Höchstwirkungsgrade über einen weiten Leistungsbereich gewährleistet
sind. In gewissen Fällen ergel.-#en sich Vorteile, wenn man den Radius der Profillinie
in der Nähe des Überganges derselben in den Schrägabschnitt des Schaufelkanals kleiner
macht als den Radius zum größten in das Schaufelprofil eintragbaren Kreises.
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Die. mit der vorgeschlagenen Schaufelform erreichbaren hohen Festigkeitseigenschaften
finden ihre Erklärung in dem Umstand, daß die der Fliehkraft unterworfenen Schaufelmassen
im Verhältnis zu den erzielbaren Trägheitsmomenten sehr klein sind. Die Umfangsgeschwindigkeiten
können so gesteigert werden, daß es möglich wird, in solchen Fällen, hei denen man
bisher das Gegenlaufprinzip oder die Mehrscheibenbauart anwenden maßte, nunnielir
ohne Gegenläufigkeit mit einem einzigen radialen Durchgang auszukommen. Mit dem
gleichzeitigen Wegfall der Schauf°ltragringe bedeutet dies bereits die Beseitigung
aller obenerwähnten Nachteile bekannter Radialturbinenbauarten einschließlich der
hohen Herstellungskosten.
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Die Vereinfachung und die Verminderung der Herstellungskosten der
"Turbine können aber noch weitergetrieben werden, wenn die Schaufel auf ihrer Befestigungsseite
in einen Kreiszylinder als Schaufelfuß übergeht, insbesondere wenn dabei dieses
Schaufelfußprofil innerhalb des Schaufelblattprofils liegt. Den Fuß und auch den
fußnahen Teil des Schaufelblattes wird man dann zweckmäßig voll belassen, d. h.
man wird den Schaufelhohlraum vom freien Ende nur bis zu einer gewissen Tiefe vorsehen.
Wenn man dann gleichzeitig bis oder bis in die Nähe des oben angegebenen größten
Verhältniswertes R/D gehr, so kann man den Fußquersclin itt ??ind seit, Widerstandsmoment
so groß machen, daß sie den, notwendigen festigkeitstechnischen Anforderungen entsprechen.
Bei dieser Schaufelfußgestaltung wird die Schaufel durch eine zylindrische Bohrung
im Schaufelträger gehalten. Die Schaufel kann also einmal aus nach dem Blattprofil
fertig gezogenem Material mit nur geringer mechanischer Nacharbeit hergestellt werden,
das andere Mal entfallen trotzdem jegliche Schaufelzwischenstücke. Für jede Teilung
und für jeden Austrittswinkel ist die Schaufel einschließlich Fuß gleich. Die erforderliche
Teilung wird durch die Abstände der Bohrungen in den Schaufelträgern bestimmt, der
erforderliche Schaufelaustrittswinkel durch Verdrehen der Schaufel in der zylindrischen
Bohrung des Schaufelträgers eingestellt.
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Je nach den besonderen Verhältnissen können die zur Aufnahme des Schaufelfußes
notwendigen Bohrungen im Schaufelträger durchgehend oder nicht durchgehend sein.
Im ersten Falle besteht die Möglichkeit, die Schaufel auf der Rückseite des Schaufelträgers
durch Versteminen oder durch eine andere das gleiche bewirkende Maßnahme gegen Herausfallen
oder Verdrehen zu sichern. Im zweiten Falle soll der Schaufelfuß zu demselben Zweck
unmittelbar hinter der Übergangsstelle vom Schaufelblatt zum Schaufelfuß eine die
Umfangsrichtung tangierende Bohrung erhalten, durch die ein seitlich überstehender
Stift geführt wird, dessen überstehende Enden in einer in Umfangsrichtung verlaufenden
Rille des Schaufelträgers zu liegen kommen und z. B. durch Verstemmen der Rillenränder
gehalten werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dein Schaufelfuß eine axiale
dünne konische Bohrung zu geben, in die ein konischer Stift getrieben wird, so daß
der Schaufelfuß in der Bohrung des Schaufelträgers fest gepreßt wird.
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Die festigkeitstechnischen Eigenschaften der Schaufel kann man weiter
noch verbessern, wenn der Schaufelhohlraum vorn Kopfende gegen den Schaufelfuß hin
sich verjüngt. Diese Verjüngung kann stetig oder sprungweise vor sich gehen, der
Hohlraum zylindrisch oder konisch begrenzt und auch von zwei parallel verlaufenden
und ineinandergreifenden Bohrungen gel)ildet sein. Festigkeits-und
fertigungstechnisch
ist es günstig, wenn die geringste Wandstärke der Hohlschaufel etwa dem zehnten
Teil des Durchmessers des größten in das Schaufelprofil eintragbaren Kreises entspricht.
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Um auch die ström,ungs- und festigkeitstechnischen Verhältnisse am
Schaufelkopf möglichst gunstig zu gestalten, soll der Kanalabschluß hier unter Wahrung
eines geringen axialen Spaltes unmittelbar durch die Oberfläche des anderen Schaufelträgers
gebildet werden. Es sollen also nicht nur keine Schaufeltragringe, sondern auch
keine Deckbärider für diesen Kanalabschluß verwendet werden. Solche Deckbänder unterliegen
einerseits einer erlieblichen Fliehkraft und wurden somit die Schaufel erheblich
lxlasten. Andererseits unterbrechen solche Deckbänder die seitliche Führung des
arbeitenden Dampfstrahles vor und hinter jeder Schaufelreihe sowohl auf der Schaufelfuß-
als auch auf der Schaufelkopfseite und erzeugen ,hier erhebliche Querrandverluste,
was übrigens auch für die sonst üblichen Schaufeltragringe gilt. Also auch von diesem
Gesichtspunkt aus betrachtet, ermöglicht die neue Schaufelgestaltung erhebliche
Verbesserungen. In Richturig der Verminderung der Querrandverluste können aber im
vorliegenden Falle weitere bedeutsame Maßnahmen getroffen werden. So soll weiter
die Schaufel am Kopf über den ganzen Umfang oder über den größten Teil des Umfanges
zugeschärft werden, und zwar soll die Zuschärfung von innen, also vom Schaufelhohlraum
aus, erfolgen. Mit dieser Art Zuschärfung werden nicht nur die schädlichen Auswirkungen
eines Streifens auf ein Mindestmaß verringert, sondern gleichzeitig eine Reihe strömungstechnischer
Vorteile erzielt. Zunächst bleibt der Kanalquerschnitt auf der ganzen Schaufelblattlänge
voll erhalten im Gegensatz zu der sonst üblichen einseitigen Schaufelzuschärfung.
Des weiteren wird aber in Verbindung mit dem bis zur Grenze des strömungstechnisch
Zulässigen getriebenen lZundkopfprofil auch die durch den Schaufelspalt strömende
Treibmittelmenge wesentlich vermindert, da diese erst einmal unter Überwindung des
Spaltquerschnitts an einer Stelle in den Hohlraum eindringen und dann wieder unter
Überwindung des Spaltquerschnitts an einer anderen Stelle aus dem Schaufelhohlraum
austreten muß. Bei diesem Vorgang verwirbelt die Eintrittsenergie des Treibmittels
im Hohlraum sehr vollkommen, da die Spaltstellen bei der vorliegenden Profilform
sehr weit auseinanderliegen, der Hohlraum verhältnismäßig groß ist und die Richtung
und Größe der Zu-und Abströmgeschwindigkeiten des Treibmittels in den bzw. aus dein
Schaufelhohlraum sowohl der Richtung als auch der Größe nach an jeder Spaltstell^_
völlig verschieden sind.
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Die Abb. 1 bis 7 zeigen Ausführungsbeispiele für den l?rfindungsgegeristand,
und zwar die Abb. i bis 3 Schaufelprofile, wobei 2 den größten in das Profil eilltr<lgbaren
Kreis mit dein Durchmesser D und 3 den auf der Schaufeleintrittseite die Profillinie
4 berührenden Kreisbogen mit der Schaufelaustrittskante i als Mittelpunkt bedeutet.
In Abb. i und 2 fällt die Schaufelprolilliilie mit dem Kreis 2 zusammen, und zwar
in Abb. i bis an die Stelle der Profillinie, an der sie in den Bereich des Schrägabschnittes
des Schaufelkanals übergeht, während in Abb. 2 der Radius r der Profillinie in der
Nähe des Überganges derselben in den Bereich des Schrägabschnittes des Schaufelkanals
kleiner ist als der des in das Profil eintragbaren größten Kreises. In Abb. 3 weicht
das Schaufelprofil auf der Schaufeleintrittseite von dem e rwi ähnten Kreis in gewissem
Maß ab.
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Die übrigen Abb.4 bis 7 zeigen die Schaufel mit den erwähnten Varianten
für die Schaufelbefestigung und der Hohlraumausbildung, und zwar die Abbildungen
mit dem Zusatz a in Umfangsrichtung und die mit dem Zusatz b vom Kopfende her gesehen.
4 ist wieder jeweils die Profillinie für das Schaufelblatt, 5 der Verlauf der Hohlraumwandungen,
6 der für die Schaufelzuschärfung, 7 der für den Zylinderfuß. 1n Abl).4a ist der
Fuß auf der Rückseite des Schaufelträgers 8 bei 9 verstemmt. In Abb. 5 ist io der
Stift, der teils Weiner Bohrung des Schaufelfußes steckt und teils in einer Rille
des Schaufelträgers liegt, so daß durch Verstemmen der Rille oder durch Verlöten
oder Verschweißen des Stiftes mit dem Schaufelträger die Schaufel gegen Verdrehen
und Herausfallen gesichert ist. In Abb. 6 ist i i eine komische Bohrung von der
Schaufelträgerrücl;seite her, in die ein entsprechender konischer Stift zwecks Festpressens
des Fußes in der Bohrung getrieben ist. In Abb.7 wird die konische Bohrung 12 im
Schaufelfuß und das Einbringen des konischen Stiftes durch den Schaufelhohlraum
von der Schaufelkopfseite her durchgeführt.