DE846342C

DE846342C - Turbinenleitapparat aus keramischen Werkstoffen

Info

Publication number: DE846342C
Application number: DEM995D
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl-Ing Dr-In Schuette; Andreas Zoulas
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1944-11-26
Filing date: 1944-11-26
Publication date: 1952-08-11

Description

Turbinenleitapparat aus keramischen Werkstoffen

Die Erfindung betrifft einen Leitapparat aus

keramischen Werkstoffen für Turbinen, die mit

Gasen oder Dämpfen hoher Temperatur beauf-

schlagt werden. Bekanntlich wird der Wirkungs-

grad einer Gasturhinenacelage um so günstiger, je

höher die Gastemperatur beim Eintritt in die Tur-

üitle ist. Jedoch wird der `\'eiterentwicklung sehr

bald eine Grenze gesetzt, da man mit den vorhan-

denen \\'erkstoffeil im Dauerbetrieb nur Tempera-

tureti von etwa Zoo, C zulassen kann. Der am

höchsten beanspruchte Teil einer Turbine ist ge-

wöhnlich der Turbinenläufer finit den Schaufeln,

wobei die sehr großen Zentrifugalkräften ausge-

setzten Schaufelte fast die Gastemperatur anneh-

men. Maie hat daher schien sehr viele Nfühe auf die

Ausbildung des Turbinenläufers verwendet und

auch bereits brauchbare Konstruktionen gefunden.

Ein aussichtsreicher Weg ist u. a. die Verwendung

eines Kühlmittels zur Kühlung des Läufers. Man

kann z. B. bei Verwendung von Wasser als Kühl-

mittel Gastemperaturen von weit über izooo° C zu-

lassen, ohne dabei hochlegierte Werkstoffe ver-

Nvenden zu müssen. Durch die Anwendung der

Kühlung wird natürlich dem Gas Wärme ent-

zogen und dadurch der Wirkungsgrad der Anlage

herabgesetzt. Wenn sich die Kühlung jedoch auf

den Läufer beschränkt, bleibt der Wärmeentzug

in erträglichen Grenzen, so daß man mit sehr

guten Gesamtwirkungsgraden der Anlage Blei Gas-

ten nperaturen von tooo bis t2oo° C rechnen kann.

Nun wird aber auch der Leitapparat und das Turbinengehäuse mit den hohen Temperaturen beaufschlagt, so daß auch hier entsprechende Vorkehrungen getroffen werden müssen. Es ist naheliegend, auch hier .die gleiche Kühlung wie beim Läufer vorzusehen. Eine Nachrechnung der abgeführten Wärme zeigt jedoch ein derartiges Abnehmen des Wirkungsgrades, daß man von den hohen Temperaturen praktisch keinen Vorteil mehr hat, sondern mit wesentlich geringeren Temperaturen hinsichtlich des Wirkungsgrades dasselbe erreicht. Es muß daher unter allen Umständen der Leitapparat ungekühlt ausgeführt werden. Dies läßt sich jedoch wegen der hohen Temperaturen praktisch nur durch die Verwendung keramischer @,\'erkstoffe durchführen. Die bauliche Gestaltung ist aber nicht einfach, da die notwendige Verbindung der keramischen mit den metallischen Werkstoffen große Schwierigkeiten bereitet. Der Grund hierfür liegt in erster Linie in der stark unterschiedlichen Wärmedehnung, dann aber- auch in der schlechten Wärmeleitung der keramischen Werkstoffe. Weiter ist von Bedeutung, daß wegen der ganz anderen Bearbeitungsmöglichkeit ein Verschrauben, Vernieten usw. nicht in Frage kommt. Die keramischen Werkstoffe besitzen außerdem meistens eine mehr oder weniger starke Empfindlichkeit gegen Temperaturunterschiede, so daß man gezwungen ist, die keramischen Bauteile in Einzelteile kleiner Abmessungen aufzuteilen, woraus sich wieder neue Schwierigkeiten beim Zusammenbau ergeben. Der Leitapparat, der aus einzelnen kleinen Segmenten besteht, ist den heißen Gasen unmittelbar ausgesetzt und wird wegen der schlechten Wärmeleitung sehr heiß. Die Ausdehnung ist aber nur gering. Faßt man nun diese heißen keramischen Einzelteile in einem Stahlring oder irgendeinem Stahlgehäuse, so ergeben sich große Schwierigkeiten, da der Stahlring sich infolge seiner ungefähr zehnmal so großen Ausdehnungszahl wesentlich stärker ausdehnt.

Nach der Erfindung werden zur Behebung dieser Schwierigkeiten die einzelnen keramischen Schaufeln von einem Stahlring umfaßt, der aus mehreren Segmenten besteht, die durch Federkraft zusammengehalten werden. Ein derartig aufgebauter Leitapparat kann dann in einem Leitapparatträger oder einem Gehäuse gelagert werden, wobei zur Wahrung der Mittigkeit auch bei vorhandenem Spiel zwischen Leitapparat und Leitapparatträger an sich bekannte radiale Bolzen verwendet werden können. Zwischen den keramischen Schaufeln und .dem unterteilten Stahlring wird zweckmäßig eine Isolierschicht angeordnet, um die Erwärmung des Stahlringes durch die heißen Turbinenschaufeln möglichst klein zu halten. In Weiterbildung der Erfindung kann auch um den Stahlring, insbesondere zur Kühlhaltung der Federn, Kühlluft oder ein anderes geeignetes Kühlmittel geleitet werden.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele eines Leitapparates nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Abb. i einen Querschnitt durch den Leitapparat, Abb.2 in größerem -Maßstabe einen Teil eines Längsschnittes durch den Leitapparat nach der Linie 11-II in Abb. i, Abb.3 in gleichem Maßstaue wie Abb.2 eine Draufsicht auf einen Teil des Leitapparates in Richtung des Pfeiles A, Abb. 4 einen Querschnitt durch den Leitapparat in anderer Ausführung, Abb. 5 wieder in größerem Maßstare einen Teil eines Längsschnittes durch den Leitapparat nach der Linie V-V in Abb. 4, Abb.6 in gleichem Maßstabe wie .A1>1>.5 eine Draufsicht auf einen Teil des Leitapparates in Richtung des Pfeiles I3.
Bei dem Leitapparat nach den Abb. i liis 3 sind die keramischen Schaufeln i mit ihrem Fuß 2 segmentartig zusammengesetzt. Um die Schaufelfüße 2 ist ein Band 3 aus einer Wärmeisoliermasse gelegt; die möglichst etwas federnd sein soll. Sämtliche Schaufeln i mit dem Isolierband 3 werden durch einen in beispielsweise vier Teile aufgeteilten Stahlring 4 zusammengehalten. Die einzelnen Teile ,des Stahlringes 4 weisen an ihren Enden angeschweißte Flansche 5 auf, die durch Bolzen 6 und Federn 7 zusammengepreßt werden. Dieser so zusammengehaltene Leitapparat ist in einem Ring 8 gelagert. Die Aufhängung in diesem Ring 8 erfolgt durch an sich bekannte radiale Bolzen 9, die für eine mittige Lagerung auch bei Veränderung des Spieles sorgen. Bei Erwärmung nehmen die Schaufeln i die höchsten Temperaturen an. Die Ausdehnung und die dadurch bedingte Vergrößerung des Durchmessers ist jedoch gering. Die Ringsegmente 4 werden zwar infolge der Isolierschicht 3 nicht so heiß, können aber trotzdem infolge des wesentlich größeren Ausdehnungskoeffizienten des Stahles gegenüber Keramik eine größere Längenänderung erfahren. Durch die Federn 7 wird dafür gesorgt, daß trotzdem der gesamte Leitapparat kraftschlüssig zusammengehalten wird. Um bei Demontage ein Herausfallen der Schaufeln i zu vermeiden, ist in der Horizontalebene ein Keil io vorgesehen, der in eine entsprechende Aussparung der beiden zu Seiten der Horizontalebene liegenden Schaufelfüße 2 eingreift. Das Stahlland 4 ist durch Rippen 4a versteift, so daß ein Aufliegen bei der Montage und damit ein Herausfallen der Schaufeln verhindert wird.
In dem Zwischenraum zwischen dem Band 4 und dem Ring 8 wird Kühlluft eingeleitet, die insbesondere dafür zu sorgen hat, daß die Federn 7 nicht zu heiß werden.
Bei der Ausführung nach den Abb. 4 bis 6 sind wiederum die Leitschaufeln finit i und die Füße der Leitschaufeln mit 2 bezeichnet. Während in der Abb. ii die Federn verhältnismäßig dicht an den heißen Leitschaufeln liegen, sind bei der Ausführung nach den Abb.4 bis 6 die Federn sehr weit nach außen verlegt, so daß die Kühlhaltung in diesem' Falle wesentlich einfacher wird. Die Schaufeln werden von einem Stahlring umfaßt, der aus acht Einzelsegmenten besteht. Jedes Segment ist aus einem sich dem Umfang der Leitschatifelfiiiie 2 anschmiegenden Blech iii, mehreren Rippen 12, zwei Endflanschen 13 und einem Federteller 14 zusammen geschweißt. Die einzelnen Segmente werden durch Federn 15 auf die Leitschaufeln i gepreßt. Die Federn 15 stützen sich gegen eine Kappe i 6 ab, die auf ein Führungsstück 17 aufgeschra rillt ist. I)as hiihrungsstück 17 ist am Geliiiuse tS befestigt. Uin einen gleichmäßigen Anpressungsdruck sämtlicher Federn i5 zu erhalten, stützen sich je zwei benachbarte Flansche 13 gegen einen Bolzen 19 211i, der zur Ermöglichung einer Bewegung der einzelnen Segmente gegeneinander in einem ovalen Loch gelagert ist. Die Mutter )16 sowie der Federteller 14 hallen kleine Bohrungen 20 und 21, durch die Kühlluft in den Raum zwischen (lern Gehäuse rund den Leitschaufeln i eintreten kann. I )lese Kühlluft hat in erster Linie den Zweck, die Federn 1 5 kühl zu halten. Auch die Bolzen 19 kö titleti durch entsprechende Maßnahmen gekühlt werden.

Claims

P A T E N T ANS P R L- C H E i. Turbinenleitapparat aus keramischen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen keramischen Schaufeln (i) von einem Metalleilig (4) tiinfal.it werden, der aus mehreren Segmenten besteht, die durch Federkraft zusammengehalten werden.
2. Turbinenleitapparat nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, claß zwischen den keramischen Schaufelfüßen (2) und dem Segmentring (4) eine Wärmeisolierschicht (3) angeordliet ist.
3. Turbinenleitapparat nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (4) an ihren Enden mit radialstehenden Flanschen (5) versehen sind, von denen die einander gegenüberstehenden benachbarten Ringsegmente mittels Bolzen (6) und Federn (7) gegeneinandergedrückt werden. ,
4. Turbinenleitapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Laufschaufeln (i) zusammenfassende Metallring (4) mittels an sich bekannter radialer Bolzen (9) innerhalb des Gehäuseringes aufgehängt ist.
5. T url» nenleitapparat nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in der Horizontalebene des Schaufelkranzes auf beiden Seiten je ein Keil (io) angeordnet ist', der zwischen die beiden Schaufelfüße (2) der zu Seiten der Horizontalebene liegenden Schaufeln (t) greift.
6. Turbinenleitapparat nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (4) mit einem Federteller (14) versehen sind, gegen den eine am Gehäuse abgestützte Feder (t5) drückt, so daß die Ringsegmente (4) gegen die Schaufelfüße (2) gepreßt werden.
7. Turbinenleitapparat nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gegeneinanderstehenden Flansche (13) benachbarter Ringsegmente sich mittels eines Bolzens oder Keiles (i9) gegeneinander abstützen. B. Turbinenleitapparat nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützmuttern (16) für die Federn (15) und die Federteller (14) mit Bohrungen (2o und 21) für den Durchtritt eines Kühlmittels versehen sind.