-
Laufrad für axialdurchströmte Kreiselradmaschinen, insbesondere Gasturbinen
Die Erfindung befaßt sich mit hochbeanspruchten Laufscheiben mit 'Mittelbohrung
für axial beaufschlagte Kreiselradmasciiinen, insbesondere Gasturbinen mit hohen
Betriebstemperaturen in Leichtbauweise. Namentlich bei Gestaltung ohne Kühlung des
Rades und der Schaufelung ist wegen der beschränkten Warmfestigkeit der für diese
Verhältnisse noch geeigneten Werkstoffe, z. B. hochlegierte Stähle oder Keramik,
die zulässige Umfangsgesch@\-indigkeit der an der Radscheibe befestigten Laufschaufelung
für einen gegebenen Gasdurchsatz und damit das Stufengefälle begrenzt. Für die Verarbeitung
eines gegebenen Wärmea fälles ist aber ein geringer Bauaufwand, d. h. eine geringe
Stufen zahl mit möglichst hoher Umfangsgeschwindigkeit, erwünscht, und zwar in Leichtbauweise,
weil gerade dann diese Strömungsmaschinen mit hoher Bauteiltemperatur um so schneller
und sicherer die Betriebsbedingungen ändern können. Es ist Aufgabe der Erfindung,
solche Laufräder mit großer Mittelbohrung zu beherrschen, wodurch auch bei großer
Stufenzahl pro Welle eine genügend hoch liegende biegekritische Drehzahl erreicht
werden kann.
-
Nach der Erfindung wird der Scheibenkörper aus zwei zur Scheibenmittelebene
symmetrischen Tellerkörpern zusammengesetzt, die am Kranz zusammenhängen können
und an den Nabenenden, d. h. am Teller.innenrand, axial belastet werden, wodurch
an
dieser Stelle die vom der Fliehkraftwirkung herrührenden, für
die Werkstoffausnutzung maßgebenden Spannungsverhältnisse verbessert werden. Die
Lebensdauer und Belastbarkeit der Stufe ist bei LaufradscheibenmitMittelbohrung
aus einem Werkstoff von gegebener Warmfestigkeit maßgebend von der Tangentialspannung
am Innenrand bestimmt. Ein gewisser Abbau dieser Spannung ist gerade bei Leichtbauweise
und den vielfach vorkommenden verhältnismäßig großen Mittellbohrungen infolge der
gewünschten Schnelläufigkeit und Steifigkeit der Welle trotz großer Stufenzahl von
großer Bedeutung für die betriebssichere Gestaltung.
-
Es ist hierbei von der Tatsache auszugehen, daß an Tellerfedern, das
sind kegelige Schalen mit Mittelbohrung, mit gleichmäßiger, am Umfang der Ränder
verteilterAxialbelastung bei gewisser Formgebung und Auslegung ein ähnlicher Spannungsverlauf
mit negativen Vorzeichen der Scheibe entsteht, wie er durch die Fliehkraft in der
Scheibe zustande kommt. Durch geeignete Bemessung der an den Nabenenden gegen die
Radmittelebene wirkenden Schubbelastung kann also ein mehr oder weniger großer Abbau
der hohen Tangentialspannungen am Scheibeninnenrande erreicht werden, wenn man die
Scheibe durch eine genügend große Hinterdrehung in der Nabenmitte federungsfähig
nach Art zweier an den großen Rändern. aneinandergelegter kegelige-r Teller macht.
Ist die Schaufelung an einem einzigen Scheibenkranz angeordnet, so sind die Kegelteller
etwa auf halbem Durchmesser zu einem Kranz vereinigt. Bei Anordnungen, bei denen
die Schaufeln zwischen den Rändern von zwei Tragscheiben längs einer Ringnut gefaßt
werden oder zwischen deren kegeligen Sitzflächen eingeklemmt, sind, ist lediglich
die Form dieser Tragscheiben im Sinne solcher kegeliger Tellerfedern festzulegen.
-
Die Einleitung des Nabenachse,rnschubes kann durch einfache axiale
Verspannung über Bunde und Muttern, auch unter Zwischenschaltung von Federn erfolgen.
Man wird aber gleichzeitig unter Gewährleistung der Erhaltung der Mittigkeit der
Scheiben eine möglichst weitgehende Dehnungsmöglichkeit sicherstellen, um so mehr,
als die Dehnung der Bauteile (Scheibe, Welle usw.) im Betrieb, abhängig von ihren
verschiedenen Betriebstemperaturen, die gar nicht von vornherein so genau festgelegt
werden können, und namentlich durch ihre werkstoffbedingten eigenen spezifischen
Längsdehnungen recht verschieden sein kann. Durch die bekannte Kühlung der Welle,
die bei großer Stufenzahl für die Begrenzung der kritischen Drehzahl durch den hohen
Elastizitätsmodul manche Vorteile bringen mag, kann die Welle die Wirkung eines
vorgespannten Zugankers bekommen, aber alle möglichen Bedarfsfälle können durch
die Kühlhaltung der Welle allein nicht in befriedigender Weise gelöst werden. Man
kann auch den Wärmeeinfall von den heißen Scheiben zur tragenden Welle, der ja hauptsächlich
durch Wärmestrahlung erfolgt, durch Anwendung entsprechender Oberflächenbehandlung,
Zwischenschaltung von Strahlungssch,irmen usw. abdämmen. Auch das Anfahren und .Abstellen
sowie eine möglichst schnelle Änderung der Betriebsbelastung erfordert eine weitgehende
wärmeelastische Bauweise, wobei das Zusammensetzen des Läufers aus kleinen Bauelementen
Vorteile bringt. Verwendet man für Gasturbinen mit hoher Betriebstemperatur ohne
besondere Bauteilkühlu,ng am Läufer keramische Werkstoffe wegen ihrer verhältnismäßig
günstigen Warmfestigkeit, so setzt dies Maßnahmen voraus, die trotz der geringen
spezifischen Dehnfähigkeit dieser Scheiben gegenüber der durchgehenden Stahlwelle
jedes Lockerwerden im Betrieb verhindern. Die bekannte Anordnung von radialen Keilen
zur Erhaltung der Mittigkeit mag bei kleinen Dehnungsunterschieden ge-
nügen,
die Beilage federnder Glieder, z. B. Federn, federnde Scheiben, ist auch hier auf
alle Fälle empfehlenswert.
-
Soll außerdem die Tellerfederwirkung auf die Scheibe erfolgen, so
sind im allgemeinen, für die Schuberzeugung sehr kräftige Federn erforderlich. Diese
sind aber bei vielstufigen Gasturbinen für hohe Treibgastemperaturen, jedoch ohne
besondere Bauteilkühlung, selten baulich so günstig anzuordnen, daß ihre federnde
Eigenschaft unter allen Umständen nicht unter der Betriebswärme leidet; auch die
Überwachung dieser Federn im Betrieb dürfte nicht ganz einfach sein. Es wird daher
in weiterer Ausbildung der Erfindung an Stelle der Verwendung solcher Federelemente
und der üblichen Radialkeile an ebenen Bunden die Radnabe auf gegeneinandergerichteten
Kegelflächen der durch die Scheibenbohrung durchgeführten Welle aufgesetzt. Unter
Benutzung der Tatsache, da(3 beim Verschrauben von Teilen verschiedener Wärmedehnung
Bolzen mit kegeligen Sitzflächen geeignet sind, bei denen die Kegelspitze in der
Berührfläche der beiden Teile liegt, wobei für die Erreichung einer zusätzlichen
Verspannung durch Erwärmung ein etwas flacherer Kegelwinkel nötig ist, kann man
bei Anwendung dieser Kegel für die Befestigung der Laufradscheiben auf der durchgehenden
Welle, diesen bezogen. auf die Mittelebene des meist symmetrischen Radprofils, eine
ähnliche Flächenneigung geben. Man erreicht also damit, daß beim Warmwerden im Betrieb,
d. h. bei Abnahme der zulässigen Werkstoffanistrengung und beim Größerwerden der
Scheibenspannung infolge der Fliehkraftwirkungautomatisch über die Sitzkegel unter
Erhaltung der Mittigke.it der Scheiben und ohne jedes Lockern der Axialschub auf
die Nabenenden auftritt, der die Spannungsverhältnisse der Scheibenmitte verbessert.
Die flachen Kegelsitze der Scheiben ergeben bei Betriebswärme zwar aucheine Komponente
auf die Scheiben nabe, die radial nach außen geht, deren Betrag aber durch die Reibung
in der Sitzfläche von Scheibe und Welle nicht besonders ins Gewicht fällt. Sollte
dieser Eimfluß jedoch nicht wünschenswert für die Festigkeitsverhältnisse hochbeanspruchter
Scheiben sein, so könnten diese durch Hinterdrehen der Nabe außerhalb dieses Kegelslitzes
weitgehend davon entlastet werden unter Inkaufnahme einer örtlichen Spannungserhöhung
in dem entsprechenden Ringsatz. Nennenswerte Einflüsse auf die Zulässigkeit der
Mittighaltung der Scheibe im Betrieb durch die
Kegelflächen, herrührend
von den neben den Wärmeausdehnungen noch auftretenden Spannungsdehnung gen an der
Scheibennabe, sind nicht vorhanden, da durch die Überlagerung der Tellerfederwirkung
auf die Fliehkraftspannungszustände in der Scheibe die wirksamen Spannungen verhältnismäßig
klein bleiben und keine Formänderung von Bedeutung bewirken können.
-
Es ist dabei zweckmäßig, die Kegelringe so auszubiIden, daß die Wärineleitwege
von Anfang und finde der 13erührfläche der Scheibe zur Sitzfläche des Ringes auf
der kälteren Welle möglichst gleich lang sind (vgl. Hinterdrehung am Ring 5a der
Abb. i und 2). Man kann diese Hinterdrehung so bemessen, daß im Restquerschnitt
bei unzulässig hohem Achsschub die Streckgrenze überschritten wird und durch die
entstehende Verformung Brüche einzelner Keramikscheiben oder eine Havarie aller
Stufen vermieden werden. Die durch die gegebene Bauvorschrift ermöglichte Verbindung
von elastisch ausgebildeten, Stahlteilen mit den ihrer Werkstoffnatur nach spröden
Keramikbauteilen gestattet also eine gewisse Ausweichverformung und erhöht damit
indirekt die Betriebssicherheit.
-
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit besteht darin, die hinterdrehte
Nabe der Turbinenscheibe in Kegelsitzen der Welle zu fassen, deren Kegelspitzen
in der Scheilrcniri,ittelebene liegen, die daher auch keine Kräfte auf die Scheibennabe
übertragen können, aber außerdem dazu praktisch senkrechte Kegelflächen (fest an
der Welle oder Teilen von ihr) anzuordnen, die, nach LUberbrückung eines gewissen
Einbauspieles durch die Betriebswärme zur Anlage mit der Scheibennabe gekommen,
einen Schub auf die Nahenenden ausüben können, wobei infolge der Neigung sogar eine
Komponente in Richtung der Scheibenbohrung auftreten wird.
-
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsheispiele von Turbinenlaufrädern
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Längsschnitt durch einen
dreistufigen Läufer mit Kegelflächensitz, der gleichzeitig zur Mittighaltung der
Scheiben und zur Erzeugung des Nabenschulies dient, Fig. 2 einen Längsschnitt durch
einen dreistufigen Läufer mit Kegelflächens-itz zur Mittighaltung der Scheiben und
getrennten Anschlagkegelflächen zur Übertragung des Nabenschulies, Fig. 3 einen
Längsschnitt durch einen dreistufigen Läufer, hei welchem die Kegelfläche für die
Mittighaltung der Scheiben und für die Erzeugung des Nabenschubes auf einem Ring
vereinigt sind und Fig..l einen Längsschnitt durch einen einstufigen Läufer mit
getrennten Scheibenhälften, die in einer Ringnut zwischen sich die Schaufeln aufnehmen.
-
Die Laufscheibenform ist bei den Ausführungen nach den Fig. i bis
3 in der Nabenmitte sehr stark hinterdreht, so daß die zu beiden Seiten der Radmittelebene
entstehenden Querschnittsverläufe des Radp-ofils tellerartigen Charakter erhalten.
Diese Hinterdrehung verringert die starke Querschnittsanhäufung in der Nabengegend
bei hochbeanspruchten Scheiben, erleichtert also schnellere Wechsel des Wärmezustandes
und ist besonders als keramische Brennform leicht und mit gleichmäßiger Baustoffgüte
herzustellen. Bei der Festlegung der Form ist, wie schon, erwähnt, die Eigenart
dieser Tellerfedern zu berücksichtigen und eine stark durchgewölbte Kegelform zu
wählen:, welche bei der Verformung durch Axialdruck an den Rändern in der Hauptsache
Druckspannungen in radialer und in Umfangsrichtung aufweist.
-
Der Nabenschub erfolgt bei der Ausführung nach der Fig. i über die
entweder auf der Welle festen Kegelsitzflächen q oder über die aufgeschobenen Doppelkegelringe
5, wobei deren Neigung flacher als dem Kegel 0A entsprechend ist und mit zunehmender
Betriebswärme einen zunehmenden Nabenischub bedingt. Die dabei entstehende Komponente
nach außen wird entweder für die Laufradscheibe als erträglich erachtet (namentlich
unter Berücksichtigung der auftretenden Reibungskräfte), oder sie kann durch eine
axiale Eindrehung 6 außerhalb des Kegelsitzes von der eigentlich tragenden Scheibe
ferngehalten werden. In der Fig. i ist bei den Scheiben 2h, 2c auch noch eine Möglichkeit
angedeutet, den Nabenschub durch die Längsdehnung eines zwischengelegten Ringes
7 aus einem Werkstoff höherer spezifischer Wärmeausdehnung zu erzeugen; der Ring
wird dabei am einfachsten gleich in die Hinterdrehung 6 eingelegt. In diesem Fall
braucht der Kegelsitz sich nicht mehr an der Schuberzeugung zu beteiligen, er wird
nur mehr der Zentrierung dienen und deshalb seinen Mittelpunkt im Durchstoßpunkt
o der Welle durch die Scheibenmittelebene haben.
-
Bei Fig. 2 handelt es sich um einen Läufer gleichen Aufbaues, nur
daß hier in Abänderung zu der oben geschilderten Bauart die von der Mittighaltung
getrennte Nabenschuberzeugung durch eine besondere Kegelfläche 8 erfolgt, deren
Normale eine Komponente nach der Turbinenscheibenmitte zu hat. Diese Kegelflächen
treten aber erst nach Überbrückung eines gewissen Spieles, d,. h. nach Erneichungeiner
gewissen Betriebswärme des Läufers, in Wirksamkeit. Diese als Nabe.nschubwiderlager
(entweder zu zweien an Zwischenringen 9 oder ein zeln an auf der Welle abgestützten
Ringen io angeordnet) dienende Kegelflächen sind praktisch senkrecht zu den für
die Mittighaltung vorgesehenen Kegelsitzflächen .4, 5 gerichtet, deren Erzeugende
im schon erwähnten Punkt o zusammenlaufen.
-
Wie Fig. 3 zeigt, können die Kegel für die Mittighaltung und diejenigen
für den Nabenschub auch an einem Ring 9a bzw. ioa vereinigt sein. Zur Übertragung
des Drehmomentes sind in allen drei Fällen an den Stirnseiten der Nahen Klauen i
i vorgesehen. Das Drehmoment einer Stufengruppe wird jeweils an den Bunden bzw.
Muttern auf die Turbinenwelle übergeleitet.
-
Die Erfindung ist auch anwendbar bei Läufern, bei denen die Laufschaufelung
in je einer Ringnut von zwei Tragscheiben gelagert wird. Hier ist die absolute Vermeidung
jedes Lockerns im kalten und warmen Zustand eine Notwendigkeit für die Betriebss,icherlieit
solcher Bauarten. Fig. 4 zeigt als
Beispiel einen einstufigen Läufer
dieser Art. Danach wird die Schaufelung 12 von zwei Tragscheiben 13a und 136 seitlich
gefaßt, die sich über die kegelflächigen Ringe 14. auf der Welle 15 abstützen. Die
Ringe 14 besitzen außerdem nach Art von Kegelrädern Zähne 16 zur Aufnahme des Drehmomentes,
welche in Lücken 17 der erweiterten Nabe der Tragscheibe eingreifen. Über e,ineStirnfläch@enverzahnung
geht das Drehmoment von dem Kegel@sitzring 14 über den aufgeschrumpften Bund 18
oder auf der anderen Seite über die Mutternbeilage id und Mutter 2o auf die Welle
15 über. Die erwähnten Kegelflächen dienen nur zum Mittighalten. Ihre Kegelspitze
liegt daher in der Symmetrieebene des Läufers. Der Bund 18 bzw. die Mutternbeilage
ig weist ferner als Nabenschubwiderlager je eine weitere Kegelfläche 21 auf, an
die sich die Nabenstirnenden bei Erreichung einer gewissen Erwärmung. anlegen und
bei weiterer Erwärmung in zunehmendem Maße eine axiale Schubbelastung erhalten.
Zur Entlastung des Kranzkopfes bei den Tragscheiben 13a und 136 vom Biegemoment
der Achskomponente des an den kegeligen Anlageflächen wirksamen Schaufelzuges, sind
nach beiden Seiten der Tragscheiben noch in bekannter Weise die Stützscheiben 22
angeordnet, welche die Klemmverbindung am Schaufelfuß zusätzlich axial zusammendrücken
soll. Diese Kräfte werden wieder in Kegelflächen 23 erzeugt, welche ebenfalls auf
dem Bund 18 bzw. auf der Mutternbeilage ig angeordnet sind und eine oben schon öfter
erwähnte flachere Neigung besitzen, um beim Auftreten von Dehnungsunterschieden
im Betrieb axiale Schubkräfte ausüben zu können.
-
Eine gewisse Ungenauigkeit bei der Herstellung der Teile und der Spiele
kann zwar Abweichungen von der beabsichtigten Schulgröße zur Folge haben, es bedingt
aber namentlich bei Herstellung der Laufscheiben aus keramischen Werkstoffen eine
Überschreitung des Schubes nur eine Verlagerung der resultierenden Spannungen aus
Fliehkraftwirkung und Nabenschub in das Gebiet der Druckspannungen, worin gerade
die keramischen Werkstoffe verhältnismäßig unempfindlich sind.
-
Es ist schließlich noch von besonderem Wert, daß durch die axiale
Verspannung der verschiedenen Scheibennaben auf der Welle eine erhebliche Steigerung
der Wellensteifigkeit eintritt, so daß die biegekritische Drehzahl des Läufers günstig
beeinflußt wird.
-
Die im Sinne einer erhöhten Beweglichkeit des Kegelsitzes wirkende
Unterbrechung der kegeligen Sitzflächen durch Rillen ist geeignet, die unmittelbare
Übertragung des jeweiligen Stufendrehmomeiltes vom Rad auf die Welle in einfacher
Weise zu bewerkstelligen. Es brauchen nur in jedem sich an der Kegelfläche zentrierenden
Bauteil einander gegenüberliegende Rillen mit einer Tiefe ungefähr gleich dem halben
Kugeldurchmesser und in entsprechen der Neigung eingearbeitet zu werden, so daß
die eingelegten Kugeln nach Art des bekannten Radiax- oder Ringrillenwälzlagers
ein gewisses Drehmoment übertragen können, wobei der Wegfall der Klauen außerdem
eine Verkürzung der axialen Stufen fbaulänge bewirken kann.