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Schaufelringbefestigung für radialbeaufschlagte Kreiselmaschinen,
insbesondere Dampfturbinen Die beiden Grundbauteile einer radialbeaufschlagten Turbine,
Schaufelring und Scheibe, stellen Körper gänzlich verschiedener Masse und Oberfläche
dar. Die Folge hiervon ist, daß diese Teile sich bei Erwärmung und Abkühlung sowie
bei Verformung durch äußere mechanische Kräfte, z. B. durch. ,die Fliehkraft, sehr
verschieden verhalten,. Bei Erwärmung z. B. stellt sich der Ring mit seiner kleinen
Masse und seiner großen Oberfläche viel schneller auf den neuen Zustand ein als
die Scheibe, d. h. er dehnt sich schneller als die Scheibe. Würde man eine starre
Verbindung zwischen Ring und Scheibe wählen, so würden durch die Dehnungsunterschiede
derart erhebliche Beanspruchungen auftreten, daß der Baustoff sie nicht aufnehmen
könnte, ohne in seinem Gefüge zu leiden: Das führt zur Lösung der starren Verbindung
zwischen Ring und Scheibe und zur Anwendung von Bauformen, die eine freie und unabhängige
Dehnung von Ring und Scheibe ermöglichen.
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Von den verschiedenen, sich hierbei bietenden Möglichkeiten behandelt
die Erfindung den Fall, daß die Verbindung zwischen Schaufelring und Scheibe durch
einen elastischen Rohrkörper hergestellt ist, der mit dem Fußtragring aus einem
Stück besteht und mit dem anderen Ende in die Scheibe eingesetzt ist. Bei den bisher
bekanntgewordenen Vorschlägen dieser Art geht das
elastische Rohrstück
am scheibenseitigen Ende in eine Verdickung über, mit der es in die Scheibe eingesetzt
ist. Der zur Übertragung des Drehmomentes nötige Kraftschluß wird bei diesem Vorschlag
durch eine Stemmverbindung hergestellt.
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Dem Bekannten gegenüber besteht die Erfindung darin, die scheibenseitige
Verstärkung des elastischen Rohrstückes durch einen an der Scheibenoberfläche anliegenden
Ringwulst zu bilden. Die sich hierdurch ergebenden Vorteile sind sowohl baulicher
wie betrieblicher Art. Besonders wichtig ist, daß durch den vor der Scheibenoberfläche
liegenden Ringwulst die an der Verbindungsstelle zwischen Rohransatz und Scheibe
auftretenden Spannungen und Verformungen gewissermaßen gegenüber dem übrigen Rohrstück
isoliert werden. Baulich gewinnt man den Vorteil, daß der Ringwulst zur Festlegung
des Einbaumaßes dient; denn wenn er an die Radscheibe zum Anliegen kommt, so bestimmt
es hierdurch eindeutig die axiale Lage des Ringverbandes. Es ist nicht möglich,
den Ringkörper etwa zu weit in die Nut einzuschieben, noch ist es erforderlich,
die Nut im Hinblick auf die Sicherstellung der axialen Ringlage mit besonderer Genauigkeit
einzustechen.
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Die Beherrschung der Spannungen und Verformungen im elastischen Rohrkörper
kann weiterentwickelt werden. Seine Wandstärke muß so gewählt werden, daß einerseits
eine Wärmeübertragung zwischen den Schaufelringen und der Scheibe weitgehend unterbunden
ist, andererseits der Schaufelring bei seiner Verformung möglichst frei und unbehindert
ist. Hierbei treten jedoch in dem zylinderförmigen Verbindungsstück mit wachsender
Aufweitung so erhebliche Biegungsbeanspruchungen auf, daß der Baustoff dann nicht
mehr in der Lage ist, sie aufzunehmen. Um hier Abhilfe zu schaffen, bleibt nichts
anderes übrig, als den zylinderförmigen Verbindungsring zu schlitzen, also den Baustoffverband
in sich aufzulösen und hierdurch die Tangentialspannungen gewissermaßen aufzutrennen.
Neben anderen Nachteilen ist bedenklich, daß durch das Aufschlitzen die Dampfdichtheit
des Abschlusses verlorengeht.
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Wenn man die Verhältnisse untersucht, so zeigt es sich, daß die Momente,
die im Verbindungsring zwischen Schaufelfußtragring und Scheibe durch die Aufweitung
des Schaufelfußtragringes entstehen, an der Ansatzstelle des Verbindungsringes vom
Schaufelfußtragring sehr groß sind, dann aber verhältnismäßig schnell, ähnlich der
Form einer Hyperbel, abklingen. Der Baustoff wird also an dieser Ansatzstelle hoch
beansprucht, während der übrige Teil des Verbindungsquerschnittes nur verhältnismäßig
geringen Beanspruchungen unterliegt. Diese hohe Beanspruchung hat man, wie bereits
erwähnt, dadurch mildern können, daß man den Ring schlitzte. Die Erfindung geht
einen anderen Weg, und zwar geht sie von der Überlegung aus, daß man einen Weg finden
müßte, der eine gleichmäßigere Heranziehung des gesamten Querschnittes zur Aufnahme
der Beanspruchungen ermöglicht, denn der Weg, den gesamten Verbindungsring so stark
zu machen, wie es der höchsten Beanspruchung entspricht, und ihn dann ungeschlitzt
zu lassen, scheidet aus, weil der Ring dann so stark ausgeführt werden müßte, daß
die nicht anwendbare starre Verbindung zwischen Ring und Scheibe entstehen würde.
Die Elastizität des Ringes, die die freie und ungehinderte: Ausdehnung des Schaufelringes
gegenüber der Scheibe ermöglicht, muß also beibehalten werden. Das gelingt, wenn
dem Quer-` schnitt des den Schaufelfußtragring mit der Scheibe verbindenden Zwischenringes
eine nach der Einspannstelle zu abnehmende Höhe gegeben wird. Der einfachste Fall
eines solchen Querschnittes wäre die Dreiecksform. Es war jedoch bereits gesagt,
daß der Momentenverlauf ähnlich dem einer Hyperbel ist. Sinngemäß wird man dann
auch die Begrenzungslinie des Querschnittes nach einer ähnlich verlaufenden Kurve
wählen. Es ist dann ohne Schlitzen dieses Zwischenringes möglich, alle auftretenden
Beanspruchungen ohne Überbeanspruchung des Baustoffes aufzunehmen und gleichzeitig
den Baustoff des Zwischenringes bestens auszunutzen, da dieser über seinen ganzen
Querschnitt oder jedenfalls über den größeren Teil zur Aufnahme der Beanspruchungen
herangezogen wird.
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Im Schwerpunkt des Schaufelfußtragringes greift bei einer umlaufenden
Scheibe die auf ihn wirkende Fliehkraft an. Diese ist bestrebt, den Schwerpunkt
des Tragringquerschnittes nach außen zu verschieben, d. h. der mit dem Schaufelfußtragring
verbundene Zwischenring wird gewissermaßen trichterartig aufgeweitet. In der gleichen
Richtung wie die Fliehkraft des Schaufelfußtragringes wirkt auch die von den Schaufeln
selbst herrührende Fliehkraft, die also ein noch weitergehendes Rufweiten des Zwischenringes
zur Folge hat. Der Schaufelring hat also das Bestreben, sich schräg zu stellen.
Hierdurch können Schwierigkeiten in der Einhaltung der Schaufelspiele entstehen;
denn diese sind für den Fäll konstruiert und gebaut, daß der Dichtungsspalt zylindrische
Form, aber nicht Kegelform hat. Man kann nun in an sich bekannter Weise durch Anbringung
von Zusatzgewichten am Schaufelfußtragring oder am Zwischenring oder an beiden Momente
erzeugen, die den von den beiden erwähnten Fliehkräften herrührenden Momenten mehr
oder weniger das Gleichgewicht halten. Bei der Bemessung dieser Ausgleichsgewichte
ist noch die Tatsache zu berücksichtigen, daß die durch die Aufw eitung im Zwischenring
entstehende Schubkraft ein Moment erzeugt, das sich der Aufweitung entgegensetzt.
Es wird also gegebenenfalls erforderlich sein, bei der Bestimmung der Ausgleichsgewichte
auf dieses Moment Rücksicht zu nehmen.
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Die sich gemäß der Erfindung ergebenden Verhältnisse seien an Hand
der Figur erläutert. Die Schaufeln r einer radial beaufschlagten Turbine werden
vom Fußtragring 2 gehalten, der in das Rohrstück 3 übergeht. Dieses ist mit einem
Zylinderstück 8 in die Scheibe 4. eingesetzt und liegt mit einem Ringwulst 7 an
deren Oberfläche an. Es wird in der Scheibe 4 durch eine Stemmverbindung
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gehalten und durch eine Schweißverbindung 6 gegen Verschiebung gesichert. Im Schwerpunkt
des Tragringes a greift die Fliehkraft P1 an, die eine Aufweitung des Ringes 3 zur
Folge hat. In gleicher Richtung wirkt die Randkraft P2, die durch die Schaufeln
erzeugt wird. Durch die starre Verbindung zwischen Tragring z und Rohrstück 3 treten
in diesem Schubkräfte P4 auf, die den Ring a zurückzuhalten suchen. Der sehr starken
Beanspruchung des Zwischenringes 3 wird nun gemäß der Erfindung dadurch entsprochen,
daß das Rohrstück 3 nicht ein reiner Zylinderkörper ist; vielmehr ist sein Querschnitt
mindestens an der einen Seite so begrenzt, daß ein vom Ring nach der Scheibe abnehmender
Querschnittsverlauf entsteht. Die Begrenzungslinie ist in diesem Falle ein Kurvenstück,
an das sich eine gerade Strecke anschließt. Um eine Schrägstellung der Schaufeln
i zu vermeiden, sind Ausgleichsgewichte vorgesehen, die die Ausgleichskräfte P3
und P5 erzeugen. Die Kraft P3 soll dabei die Kräfte P1 und P2 ausgleichen, während
die Kraft P5 zum Ausgleich der Kraft P4 dient. Die Herstellung der Ausgleichsgewichte
ist selbstverständlich nur schaubildlich. Es ist nicht erforderlich, daß zwei Ausgleichsgewichte
vorgesehen sind. Die beiden Gewichte können vielmehr zu einer einzigen Masse vereinigt
sein. Auch soll die Abbildung nicht festlegen, daß die Ausgleichsmasse gerade an
dieser Stelle angeordnet werden müßte.
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Die im vorstehenden im Zusammenhang mit der umlaufenden Scheibe einer
radial beaufschlagten Turbine angestellten Überlegungen gelten sinngemäß auch für
andere radial beaufschlagte Kreiselmaschinen, in denen ähnliche Verhältnisse auftreten.
Auch gelten die Überlegungen sinngemäß für den Fall der feststehenden Scheibe, bei
der zwar nicht Fliehkraftbeanspruchungen, aber andere Beanspruchungen, z. B. durch
einseitigen Überdruck, auftreten können.