-
Radialturbine Die Erfindung betrifft die Gestaltung radialer Turbinenstufen
zur Entspannung von heißem Arbeitsgas bei der Strömung von außen nach innen. Diese
Bauart ist für die Verarbeitung hoher Betriebstemperaturen sehr geeignet, auch dann,
wenn diese die Verwendung hoch.-#va.rmfester Sonderwerkstoffe (Keramik), insbesondare
für die Schauflung, erfordern. Das verarbeitbare Gefälle, bezogen auf die mechanisch
zulässige Umfangsgeschwi:ndigkeit, und die Ausnutzung desselben sind günstig, vor
allem bei Anwendung von Austrittsdiffusoren, die bequem unterzubringen sind. Die
Schaufelverluste innerhalb der Stufe bleiben besonders gering bei einer Gefällevertei.lung,
bei welcher die Reaktion im Laufrad mäßig ist, d. h. die erforderlichen. Umlenkungen
in demselben begrenzt sind. Sehr wesentlich ist aber auch, daß der Stoßverlust am
Radeintritt klein bleibt, um so mehr als aus Festigkeitsgründen radial stehende
Schaufelwände im Bereich der hohen 'Umfangsgeschwindigkeiten und Temperaturen bevorzugt
werden müssen.
-
Erfindungsgemäß wird zwischen Leitringaustritt und Laufradeintritt
ein ausreichender schaufelloser Ringraum vorgesehen, und zwar mit einer Abnahme
der Meridianströmungsbreite nach innen. Damit wird erreicht, daß in diesem Bereich
die zunehmende absolute Zuströmgeschwindigkeit zum Laufrad eine solche Aufrichtung
zur Umfangsrichtung erfährt, daß die relative Anströmung zum radial stehenden Laufschaufeleintritt
praktisch stoßfrei erfolgt. Außerdem wird der Ausgleich der Geschwindigkeitsverteilung
hinter dem Leitgitter vollkommener erfolgen. Ferner ist auch bei pulsierender Energiezuteilung,
d. h. zeitlich verschiedenem Stufengefälle, z. B. bei getrennter Abgasführung
hinter
Kolbenmaschinen oder bei Anschluß an pulsierende Brennkammern, die Beaufschlagurng
und Energieausnutzung günstiger. Im ersteren Fall können ohne weiteres. an dem.
Grenzen der Teilströme längs dest Umfangs. auch Zungen innerhalb, das. sonst schaufellosen
Ringraumes angeordnet werden.
-
Um die konstruktive Anpassung für geringe Ab-@veichungen der Anströmung
vom konstruktiv verwirklichten Schaufeleintritt zu erl.eiichtern, wird ferner im
halboffenere Radkörper auch die stirnseitige Begrenzung im äußersten Durchmesserbereich
fortgelassen. Dann wird auch eine leichte -Ankrümmung des nun freien Schaufelendes
an die ankommende Strömung möglich, und die Spalte an den Seiten des überstehenden
Schaufelblattes gestattet eine gewisse Auffüllung des Strömungstotraumes auf der
Kehrseite des Bauchstoßes. Diese Maßnahmen entsprechend der Erfindung sind für .eine
zweckmäßige Auslegung der Radialstufe -b&-sonder,- wertvoll, wenn mit Rücksicht
auf hohe Betriebstemperaturen die äußeren Laufradbeile aus keramischem Werkstoff
hergestellt werden,, um für genägende Lebensdauer am Außenrad hohe Werte des maßgebenden
Verhältnisses der Warmfestigkeit zum spezifischen Gewicht zur Verfügung zu stellen.
Gerade wegen, der Einfiüss e der Gestaltungsformen auf die Bauteilfestigkeit keramischer
Bauelemente ist es in diesen Fällen zweckmäßig,, die Einhaltung radial stehender
Schaufelwände anzustreben, die sich an die radialen Einschnitte des Schaufelträgers
zur zuverlässigen Befestigung der keramischen Schaufeln mittels SchwaIbemschwan.zformen
organisch anschließen.
-
Der stählerne Laufkörper, erstreckt sich dabei nicht bis im, den Bereich
der hohen Umfangsgeschwindigkeiten; sein äußerer Rand mit den Tragköpfen fair die
außerhalb angeordnete keramische Srhaufl.wng liegt also weit innerhalb, so daß die
auftretenden mechanischen Beanspruchungen mäßiger sind und auch bei höheren Arbeitstemperaturen
leichter noch von Stahl reit mehr öder weniger Legierungs:anteid zuverlässig beherrscht
werden, können. Die keramischen Bauelemente des Laufkörpers mittels, des Erfindungsgedankens
mit plattenartigem Charakter (möglichst in Richtung der Fliiehkmftwirkung) ausführbar,
können so gestaltet sein, daß senkrecht zur Schaufelblattebene und der ihr sich
anschließenden Sch-,val-bensch-#vanzfußmittelebene zu beiden Seiten des Blattes
noch Ansätze vorgesehen. sind, um den Strömungtskanal am Laufkörperaußenrand entgegen
der mutigen Abströ:mung des Arbeitsmittels abzugrenzen. Die Laufspiele brauchen
dämm auf dieser Seite nicht so- klein sein, denn gewisse Verschiebungen des. Laufzeuges
zum Gehäuse im Betrieb lassen sich doch nicht vermeiden. Aus. Herstellungsgründen
und kann man aber auch die beiden senkrecht zueinander stehenden Blatteile trennen
und jeden Teil für sich am Scheibentragkörper befestigen. D!a;s eigentliche arbeitaufnehmende
Blatt sitzt in dtwa axial parallel stehenden Kreuznuten, während die Abdeckungsblätter
für die Schaufellücken. in Umfangsrichtung mittels eines Hammerkopffußes in entsprechenden
Ringnuten gehaltem werden.
-
Zur Verringerung des Wärmeeinfalls zur Lagerung und zur Erhöhung der
Lebensdauer des Stahlteiles wird es, je nach der Temperatur des Arbeitsmittels nützlich
sein, die Stahltragscheibe noch zu kühlen, entweder durch eine Bespülung mit Kühlmitteln
von der Innenseite der Welle her oder durch Wärmeschutzmaßnahmen auf der beheizten
Außenseite, z. B@. im Grund: des Strömungskanals. Die Schaufein des Stahlteils,
die sich gegen den Austritt zu umkrummen, zur Sicherung der Treibmittelumlenkung
unter Anstrebung möglichst senkrechten Austritts, können sich unmittelbar an die
radial stehenden Blätter des Keramikschaufelsatzes anschließen. Gegebenenfalls ist
auch eine gewisse Versetzung an der Anschlußstelle in Umfangsz-ichtung angebracht,
um bei der notwendigen einfachen Gestaltung des Keramikteils, gegeben durch die
Eigenart des Werkstoffs und seiner Verarbeitung, weitere Verbesserungen der Strömungsverhältnisse
im Laufrad zu erreichen.
-
Die Güte der Umsetzung wird auch bei der Radialbanart von der Einhaltung
kleiner Spiele an der offenen Seite des Laufkörpers abhängen. Die Einstellung der
.Spiele im Betrieb :isst schwer zu überwachen, da diese von der axialen Festlegung
des Läufers, der möglichen Abnutzung der dazu verwendeten Axiallager, ferner von
den: Wärmedehnungen, von Gehäuse und Laufkörper bei den auftretenden. Temperaturen,
namentlich bei oft schnellen Änderungen des Belastungszustandes des Triebwerks b;einflußt
werden. Trotz der kantenartigen Oberfläche des Laufkörpers auf der offenen Seite
wirkt sich ein Streifen oder Anlaufen der fasten stirnseitigen: Gehäuseabdeckung
ungünstig aus, zumal die keramischen Werkstoffe wesentlich stoßempfindlichem sind
als, metallische Werkstoffe. Deshalb wird in Weiterausbildung der Erfindung die
feste Gehäusewand :etwas zurü;ckgesetzty insbesondere im äußeren Bereich des Laufrades,
der von der Keramikschanflung eingenommen isst, und die Dichtung an mehreren vorstehenden
D,ichtl.eisten oder Lamellen durchgef"h t, die aus. eingestemmten dünnwandigen Blechstreifen.
einfach herzustellen sind und auch bei Abnutzung oder Streifschäden leicht wieder
erneuert werdenkönnen. Die Verlegung derselben kann ebenso radial erfolgen, wie
es bei den vorbeilaufenden Schaufelkanten der Fall ist. In der Abdichtwirkung ist
jedoch eine Verbesserung möglich, wenn ihre Längserstreckung etwa senkrecht zur
Grenzschichts.trömung an der Deckelwand gelegt wird, welche unter dem Einfluß des,
Druckgefälles entgegen der Dre richtung des Laufrades in. Buhnen von logarithmischen
Spiralen von außen nach innen verläuft.
-
Eine radialbeaufschlagte Turbinenstufe entsprechend der Erfindung
ist in mehreren Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt
Fig. r in schematischer Weise die Hälfte eines Axialschnittes durch eine radiale
Turbinenstufe,
Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Hälfte einer
radialen Turbinenstufe mit teilweiser Keramikbeschaufelun g, Fig. 3 eine Teilansicht
der keramischen Schaufelreihe von der offenen Stirnseite her in Richtung des Pfeiles
A,
Fig. a eine perspektivische Ansicht einer Keramikschaufel mit Kreuzblatt,
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 2 in. Umfangsrichtung abgewickelt,
Fig. 6 einen Axialschnitt durch den Turbinenla.ufkörper in abgewandelter Form und
Fig.7 einen Teilausschnitt der Stirnansicht von Teil i 1, 27 und 28 in der Richtung
des Pfeiles B.
-
In Fig. i ist .ein Radialläufer dargestellt, der aus der Welle i,
dem Scheibenstern 2 und dem -,#£ustrittalaufstern 3 besteht. Die Gehäuseteile, welche
den Trei.bgas.trom zu- und abführen, setzen sich zusammen aus der Zuführspirale
oder dem Ringraum 4, dem Leitgitter 5 (Durchmesserbereich d.-d.), dem anschließenden
Spaltringraum 6 (Durchmesserbereich d.,-d.) vor Eintritt in den Laufkörper und schließlich
dem Austrittsdiffulsor 7 mit dem Gehäusedeckel B. Erfindungsgemäß nimmt die Meridianströmungsbnqite
im Zulauf zum Laufrad ständig ab, namentlich soll der Ringraum 6 im Durchmesserbereich
d,-d3 eine entsprechende radiale Tiefe besitzen., um im Zusammenspiel mit der Verändertung
der lichten Breite (b2 C b1) eine Geschwindigkeitsumsetzung des Treibmittels zu
bewirken, welche einen stoßfreien Eintritt in die radial stehende Schauflu.ng des
Scheibensterns 2 gewährleistet. Die dadurch erreichte radiale Relativanströmun.g
an die besonders heißen und mechanisch beanspruchten Laufradrandteile ergibt infolge
des erreichten Unterschieds der Anströmgeschwindigkeit gegenüber der Düsenaustrittsgesch«#indigkeit
schon eine nennenswerte Absenkung der Stautemperatur gegenüber der Temperatur vor
dem Leitapparat. Die Eintrittsradbreite b3, die größer als b., ist, entspricht sowohl
der relativen Anströmung als auch der Querschnittsverengung einschließlich möglicher
Ablösungserscheinungen auf dem Schaufelrücken. Zur weitgehenden -\,-.ermeidung derselben
ist es vorteilhaft, wenn die Scheihensternrückwand im Bereich der Durchmesser d.-d4
ausgenommen .ist, um ein .luffüllen des erwähnten Totraume-s zu erleichtern, was
besonders bei Teillastverhältnissen oder sonstigem von der Auslegung abweichendem
Betriebszustande wichtig sein kann.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fi:g. 2, und 3 ist @ve,en der Anforderungen
des Heißbetriebes an die mechanischen Eigenschaften. der Baustoffe des Laufkörpers
der äußere Teil desselben mit keramischen Schaufeln besetzt, deren überlegenes Verhältnis
der Zugfestigkeit zum spezifischen Gewicht bei hohen Temperaturen ausgenutzt werden
soll. Der Läufer selbst besteht aus der Welle io und dem Schaufelträger ii mit Schwalbenschwanznuten
12 am Umfang zur Aufnahme der schon erwähnten Keramikschaufeln g; durch Niete verbunden
ist eine weitere Scheibe 13 mit den bekannten gekrümmten Schaufelformen 13" eines
Austri.ttslaufsterns zur Umlenkung des Treibm:it@telstroms auf möglichst senkrechten
Austritt, wobei im diffusorartig gestalteten Gehäusedeckel mit Nabenverkleidung
14 in bekannter Weise der Austrittsverlust durch Druckrückgewinn weiter vermindert
wird. Die Lage der radialen Leitwände des Laufkörpers im Bereich der keramischen
Schaufeln g und der Schaufeln 1311 kann aus Strömungsrücksichten in Umfangsrichtung
versetzt sein (vgl. Maß u in Fig. 3). Wegen der verschiedenen spezifischen Wärmedehnung
von Keramik und Stahl sind für einen temperaturunabhängigen Formschluß die Befestigung
der Schaufel g in der Nut 12 bekannte Regeln zu -beachten, durch welche die Zuordnung
der Stützflächen zu den Gege:nstützflächen eines eingelegten Prismas 15 festgelegt
sind. In den Tragköpfen zwischen den Nuten 12 des Laufkörpers i i sind Verbindungsschrauben
16 für die Verbindung des Laufkörpers i i mit der Welle io angeordnet. Eine eventuell
notwendige Kühlung des Läufers: i i wird durch den Einsatz 17" erreicht, der bei
der gewählten Anordnung :den Hohlraum -i 7 b für den Durchfluß von gasförmigen oder
flüssigen Kühlmitteln ausnutzt. Es ist auch möglich, daß der Grund des Strömungskanals
an der Scheibe 13 zwischen den Schaufeln 13,1 eine besonders wärmedämmende Oberflächenausbildung
bekannter Art erhält. Damit kann erreicht werden, d:aß unter Ausnutzung der besonderen
Eigenschaften verschiedener Materialien, wie Keramik und Sonderstahl, eine ausgeglichene
Lösung für höchste Werkstoffausnutzung und möglichst gleich große Lebensdauer im
Zusammenhang mit den örtlich auftretenden Betriebstemperaturen und Beanspruchungen
entsteht.
-
Aus der Fig. 2 ist ferner die für hohe Tetnperaturen besonders geeignete
elastische Gestaltung der Führungswände für das Arbeitsmittel am Eintritt in das
Laufrad., z. B. den, Leitring 18, zu erkennen, wobei die anschließenden Wände 1g11,
19b des genügend langen, schaufellosen Ringraumes sich gemäß der Erfindung in der
Breite zum Laufradeintrstt hin entsprechend verengen.. Die Ringwand igb ist mit
einem feststehenden Labyrinthdichtring 2o verbunden, welcher dem entsprechend ausgearbeiteten
Außenrad des Flansches der Welle io zugeordnet ist., und zu einer Ringkammer 2i
zusammengefaßt, über deren Öffnungen 2:2 verdichtete Luft, die bei 23 in die Ringkammer
2i eintritt, für eine zusätzliche Kühlung der umlaufenden Teile zugeführt werden
kann.
-
Die perspektivische Darstellung einer einzelnen Keramikschaufel nach
Fig.4 läßt erkennen,, daß außer dem in Richtung des Schwalbenschwanz.fußes gelegten
Schaufelblatt g, noch die beiden seitlich angewachsenen Abdeckflügel24,25 vorgesehen
sind, welche im eingebauten Zustand zusammen mit den Nachbarschaufeln eine Begrenzung
des Strömungskanals im Laufkörper nach einer Stirnseite zu bilden und dabei auch
die Tragköpfe: des Scha,ufelträge,rs abdecken.
Aus der Fig. 5 ist
die Ausbildung der Gehäuses-tirnseite, namentlich im Bereich der umlaufenden keramischem
Schaufeln;, durch eine Abwicklung des Schnittes V-V von Fig. 2 in Umfan@gsriehtung
zu ersehen. Die feste Wand ist zurückgesetzt; nur eingestemmte Dichtungsstreifen
26 mit dem bekannten U-förmigem Profil verringern den so, entstandenen großen Spalt
e gegenüber der Umlaufspur X-X der Schaufelenden auf das. erwünschte kleine Maß
s, so daß Anlaufschäden durch Verlagerung und Dehnungen sich nicht so schädlich
auswirken körnen. DIe Dichtungsstreifen 26 können radial oder schräg angeordnet
sein.
-
In. Fig. 6 trägt -die Scheibe ii in Schwalbenschwanznuten 12 radial
stehende Keramikschaufeln 27 mit praktisch ebenem Blatt, während. die stirnseitige
Abdeckung des Strömungskanals in den Schaufellücken längs des Umfangs durch: keramische
Platten 22 hergestellt wird, deren mach bekannten Richtlinien.in Formschluß
von Temperatureinflüssen unabhängig gemachter Hakenfuß (= einseitiger Hammerkopf)
in einer Ringnut der Laufkörperteile i i und 13 spielfrei festgehalten wird. Die
räumliche Lage und grundsätzliche Gestalt der aufgelös@ten keramischen Schaufelelemente
27 ist aus der Fig. 7 zu erse.hen.