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Befestigung von Keramikschaufeln für axial durchströmte Turbinen Die
Erfindung betrifft eine Befestigung von. Keramikschaufeln in den etwa axial verlaufenden,
schwalbenschw.anzförmiben Nuten des Sta"hlläuferkran7e.s einer .axial durchströmten
Turbine. Gerade bei hohen Treibmitteltemperaturen hat eis sich als besonders zweckmäßig
erwiesen., für Schäufel und Läufer, entsprechend der zu erwartenden Betriebstemperatur
der Bauelemente, verschiedene, Werkstoffe mit günstigem Verhältnis Festigkeit:
spezifischem Gewicht zu verwenden. Trotzdem, ist auch bei dieser vorteilhaft erscheinenden
Gestaltungsweise im Sinn einer langen Lebensdauer auf die besondere Eisenart .der
Werikstoffe zu achten, und alle Eigenschaften weitgehend auszunutzen. Abgesehen
von der Beachtung der verschiedenen. Wärme-,_lehnun.g sind in diesem Sinn einerseits
Maßnahmen zu treffen, die den. spröden Werkstoffcharakter der Iieratni?kschaufelfiiße
.berücksichtigen; andererseits ist auf eine weit,gehenide Eindämmung deis Wärmezuflusses
zu den stählernen Tragteilen des Läuferkranzes zu achten, zumal :aus wirtschaftlichen
Gründen ,dafür die Verwendung hochlegierter, warmfester Stähle oder Hartmetalle
mäglic hst vermieden werden soll und auch besondere Kühlverfahren. dieses Bauteils
meist sehr umständlich sind.
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Erfind.ungsbemäß werden daher die :durch die Flieh',kraft belasteten
Stützflächen des Schaufelfußes in mehrere Teilstützflächenfelder aufgelöst, deren
Flächensumme kleiner ist als die zur Verfügung stehende gesamte SchwalbenschwanzstÜtzfläche
bei angenommener satter Auflage des Schaufelfußes. Es sollen also nur mehrere parallel
zur gemeinsamen Keilschneide verlaufende Leistenflächen oder, durch eine weitere:
Aufteilung auch dieser Leistenflächen, nur warzenartige Einzelstützflächen die kraftschlüssige
Verbindung zwischen
Schaufel undLäufer herstellen,. Damit erreicht
man eine bessere Lastverteilung am Sehwalbenschnvanzfuß und an der Einleitstelle
der Stützreaktionen eine.,günsti.ge Anpaseung der Oberflächenfarm an :die 'besondere
Eigenart des spröden. Keramikkörpers. Außer der dadurch bedingten: Erhöhung der
Bauteilfestigkeit 'des Keramikfußes wird für den Tragkopf arn LäuferstahHkraniz
der Wärmezufluß von der beheizten Schaufel her eingedämmt. Der unmittelbare Wärmeeinfall;
vorm treibgasdurchströmten Ringraum her .kann dabei zudem n'oc'h in bekannter Weise
'durch besondere Maßnahmen., wie z. B. Abdeckung, wärmedämmende Gestaltung. der
Oberfläche, vermindert werden, so,daß 'unabhängig von der 'sich einstellenden niedrigeren
Bauteiltemperatur die zur Verfügung gestellte Dauerstandsfestigkeit ohne besondere
Bauteilkühlung möglichst hoch wird. Durch die Erschwerung des Wärmeübenganges zum
Tragkopf an. der Sitzstelle des Schaufelfußes wird eine 'beachtliche Übertemperatur
des' Keramikteils möglich. Dabei bleiben die . igegenseiti.gen Verschiebungen der
tragenden Scbwalbenschwanzflächen an Fuß und Nut .begrenzt., so daß beim Abstellen
der Turbine aus hoher Last oder höher Temperatur auch die Gefahr des Festtklemmens
kleiner wird; zumal die Aufteilung der Bertzhrflächen in Leisten oder Warzenfelder
:das Lösen begünstigt. Diese Vorteile fallen um so mehr ins Gewicht, je größer die
Schaüfelabmes'sungen. selbst sind.
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Der einwandfreie Sitz einer Turbinenschaufel in der Läufernut ist
-bekanntlich abhängig von den Temperaturen,, .die sich im Betrieb auf beiden. Seiten.
(Keramikfuß, Kra@nztragkopf) einstellen und die durch die Möglichkeiten der Wärmeableitung
nach innen. 'gegeben sind. Durch :die Unterteilung der Abstützfläche
kann der anfallende Stützanteil .unter den örtlich günstigsten Bedingungen aufgenommen
werden; dabei wirddieGefahrvonDruckspannungss#pitzen verkleinert, welche bei spröden
Körpern leicht die Ursache von Brüchen darstellen. Außerdem kann der anzustrebende
ausgerundete Übergang von' den:Oberflächen : der Leistenoder Warzenfelder zu den
tiefer liegenden Oberflächen des Keramikgrundkörpers durch geeignete Gestaltung
zur Erhöhung der Bäuteilfestigkeit herangezogen werden" indem durch Anlehnung an
die Bruchausbildung druckbelasteter Körper mit örtlich begrenzter Aufbringung der
Druckkräfte die dabei in Erscheinung tretenden Spannungsfelder innerhalb des Keramikfußes
berücksichtigt werden. Bei der Lösung mit Warzenfeldern :lcann man sogar eine örtliche
gestaltungsmäßige Anpassung erreichen, und zwar einerseits .zur Beriioksichtigung
der Zusatzkräfte am Schaufelfuß als Folge der - Formvenzerrung .durch die verschiedene
Temperaturverteilung an Fuß :und Nut, andererseits zur Angleichung an. die natürliche
Umnsetzung der an -den v'erschied'enen Stellen verschieden großen Anteile der Stützreaktion
der Fliehkraft. Es sind nämlich auf der Breitseite der Schwalbenschwanzfußstützflächen
die Massenkräfte nicht gleich, weil das Schaufelblattprofil in dieser Richtung verschieden
:dick ist; ferner sind auch bei satter Auflage längs der -ganzen Höhe dieser Flächen
die oberen Bereiche verhältnismäßig stärker belastet.. Über die Größe der Felder
läßt sieh auch die Temperaturverteilung am Fußteil und längs der Stützwanigen der
Schwal'ben-_ schwanznut beeinflussen und damit wieder rückwirkend eine gewisse Steuerung
der bei Betriebserwärmung auftretenden Zusatzkräfte erreichen.
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In Weiteraushi.ldung der Erfindung können die aus dem Grundkörper
des Schaufelfußes hervortretenden Leistenflächen auch :getrennt- ausgeführt werden;
sie werden dann mit ihrer balli,gen, Profilseite in entsprechenden Ausnehmungen
des Keramikfußes geführt. Damit erreicht man eine gewisseEinstel:lmöglichkeit'der
so entstandenenPrismenbeilagen an eine Temperaturverzerrung der Schwalbenschwanzformen
von Fußteil und Nut. Solche Formänderungen, die sehr wesentlich für das auftretende
Kräftespiel: an der Schaufelfußbefestigung sind, werden sich nicht nur bei einem
stationären beißen Betriebiszustand einstellen, sondern können namentlich auch bei
Laständerungen wegen der Wärmeleitungsträbheit vielfach zu Verhältnissen führen,
die durch örtliche Spannungsspitzen auf die Dauer der Betriebssicherheit der Schaufeln,
schädlich 'sind.
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Erwähnt sei noch, daß in bekannter Weise alle Berührflächen mit metallischen
und keramischen Überzügen versehen werden können, durch welche namentlich die Stellen,
für welche eine Bearbeitung nötig ist, geschützt werden können, um. :den Brennspannungszustand
des Schaufelfußes nicht stören zu müssen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Keramikschaufelbefestigung
nach der Erfindung .dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen. Teilschnitt durch
die Eiii,spannstefle der Keramikschaufel in der Läufernut, Fig. 2 eine Seitenansicht
einer einzelnen Keramikschaufel, Fig. 3 eine besondere Ausbildung der Unterteilung
der Schaufelsitzfläche in Einzelstützflächen und Fig. 4 einen Teilschnitt durch
die Einspannstelle einer Keramikschaufel in der Läufernut unter Anwendung besonderer
Profilstäbe.
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Die Keramikschaufel nach Fig. i 'besteht aus .dem Blatteil r und dem
schwalbenschwanzförm:igen Schaufelfuß 2. Sie wird innerhalb der Axialnut des Läufers
3 mittels der Gegenstützflächen am Einlegekeil 4 in spannungslosem, temperaturunabhängigem
Formschluß :gehalten. Die Kraftübertragung zwischen Schaufel und Läufer erfolgt
durch mehrere parallel zur .gemeinsamen Keilschneide verlaufende Lei.sten:flächen.
5. Diese 'können noch, wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, durch weitere Aufteilung
in einzelne warzenartige Einzelstützflächen: 6 zerlegt werden. Die Größe dieser
Felder, in der F.ig-. a mit A h und A b angegeben, ist der Stützlastverteilun.g
bzw. der möglichen Verformung durch mechanische Kräfte oder thermische Dehnungen
angepaßt. Ebenso kann der Anschluß an den Grundkörper des Schaufelfußes durch Ausrundung
der übergangsstellen.
zur jeweiligen Erhebung der Warze keramikgerecht
gestaltet, d.. h. den Bruchbedingungen des spröden. Körpers angepaßt werden.
Die Form der warzen.förmigen Einzelstützflächen 6 braucht nicht, wie in Fig. 2 dargestellt,
quadratisch oder rechteckig sein, sondern kann auch kreisförmige, ovale oder die
in Fig. 3 abgebildete Flächengestalt haben. In der Fig. q. sind am Schwalbenschwanzfuß
2 der Keramikschaufel statt der erhabenen Stützfelder, d. h. der Leistenflächen
5 oder warzenförmige EinzeIstützflächen: 6, flachballige Längsnuten 7 vorgesehen,
in welche entsprechend geformte Profilstäbe 8 aus keramischem Werkstoff eingelegt
sind. Sie liegen mit ihrer durchgehenden oder auch unterteilten, flachen Seite an
den ebenen Keilwänden. der Läufernut an, von. denen jeweils zwei den Tragkopf g
begrenzen.