DE879345C - Befestigung von Keramikschaufeln fuer axial durchstroemte Turbinen - Google Patents

Description

• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE:. i. Befestigung von Keram:ilcschaufeln für axial durchströmte Turbinen hoher Temperatur in etwa axial verlaufenden, schwalbenschwanzförmigen Nuten des Stahlläuferkranzes., dadurch :gekennzeichnet, daß die durch die Fliehkraft belasteten Stützflächen .des Schaufelfußes in Teilstifitz.flächen aufgelöst sind. z. Befestigung von Keramikschaufeln nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstützflächen als mehrere parallel zur gemeinsamen Keilschneide verlaufende Leistenflächen oder als warzenarti.ge Einzelstützflächen ausgebildet sind. 3. Befestigung von Keramikschaufeln nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützflächen der Leisten- oder Warzenifelder erhaben über dem eigentlichen Grundkörper des Keram,ikschaufelfußes stehen. q.. Befestigung von Keramikschaufeln: nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Form, Größe und Verteilung der einzelnen Teilstützflächen über dem. Keramikgrundncörper als auch der ausgerundete Anschluß zwischen denselben örtlich verschieden und den jeweiligen Kräfteverhältnissen und Formveränderungen .des Schaufelfußes angepaßt sind. 5. Befestigung von Keramikschaufeln. nach Anspruch i, dadurch :gekennzeichnet, daß die leistenartigen Teilstützflächen: als besondere Profilstäbe aus keramischem Werkstoff ausgebildet sind, die mit ihrer balligen Profilseite in entsprechenden Ausnehmungen des Kerami'kschaufelfußes eingesetzt werden.