DE936900C

DE936900C - Anordnung zur Befestigung von keramischen Leitschaufeln

Info

Publication number: DE936900C
Application number: DES40022A
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1954-07-16
Filing date: 1954-07-16
Publication date: 1955-12-22

Description

Anordnung zur Befestigung von keramischen Leitschaufeln Für die Leitschaufeln von Gasturbinen für sehr hohe Temperaturen ist nach dem heutigen Stand der Werkstofftechnik der keramische Werkstoff insofern der günstigste, als er den hohen Temperaturen ohne intensive Kühlung zu widerstehen vermag. Alle bisher entwickelten Sonderstähle würden eine Schaufelinnenkühlung erfordern, die zu nicht unbeträchtlichen baulichen und betrieblichen Schwierigkeiten führt. Für die nachstehenden Ausführungen können die Vorschläge unberücksichtigt bleiben, die den ganzen Leitschaufelträger aus keramischem Werkstoff aufbauen wollen. Die Entwicklung ist noch nicht so weit gediehen, daß hieran in größerem Umfange gedacht werden könnte. Es soll vielmehr davon ausgegangen werden, daß der Leitschaufelträger aus Stahl besteht und die keramischen Leitschaufeln als Einzelschaufeln in ihn einzusetzen sind. Die sich hieraus ergebenden Aufgaben beschäftigen die Fachwelt schon seit einer Reihe von Jahren. Die Erfüllung der ersten Voraussetzung, daß die Keramikschaufeln den schweren Bedingungen hinsichtlich Temperaturwechsel, Schwingungen usw. genügen, reicht für die betriebsbrauchbare Maschine noch nicht aus. Denn der keramische Werkstoff verhält sich im Betrieb völlig anders als der Stahl des Schaufelträgers, und es kommt jetzt darauf an, durch bauliche Maßnahmen dem abweichenden Verhalten der beiden Werkstoffe so Rechnung zu tragen, daß sie sich im Betrieb gewissermaßen wie ein Bauteil aus einheitlichem Werkstoff verhalten. Dieser Aufgabenbereich ergibt sich aus der unterschiedlichen Wärmedehnung der Werkstoffe und ihrer hierbei zu berücksichtigenden verschiedenen Festigkeit.
Die Aufgabe läßt sich dahin kennzeichnen, wie man die unterschiedlichen Dehnungen ausgleichen kann, ohne daß Kräfte entstehen, die zu einer Zerstörung des keramischen Werkstoffes führen würden, und ohne daß infolge der unterschiedlichen Dehnungen etwa der Schaufelsitz locker_wird. Denn. sobald die locker gewordenen Schaufeln anfangen würden zu schwingen, wären sie schon in kürzester Zeit zerstört. Der Weg, zwischen Schaufelträger und keramischem Schaufelfuß, eine nachgiebige Beilage einzuführen, befriedigt nicht, schon allein deshalb, weil es kaum möglich ist, für diese Beilage einen geeigneten Werkstoff zu finden. Die elastische Abstützung des Schaufelfußes gegenüber dem Schaufelträger über eine Feder, was an sich eine günstige Lösung wäre, scheidet aus, weil die Elastizität des Federstahles wegen der hohen Temperaturen sofort verschwinden würde. - Man wird sich damit abfinden müssen, daß die Befestigung der Keramikschaufeln im Schaufelträger aus Stahl wesentlich schwieriger- und verwickelter als bei der Stahlschaufel ist.
Folgende Schaufelbefestigung verspricht eine günstige Lösung: Die Schaufeln werden in einen Ring eingesetzt. Jede Schaufel stützt sich mit mindestens einer Schrägfläche gegen eine :entsprechende Schrägfläche am Ring ab und ist über ein Druckstück durch einen Schraubenbolzen gegenüber dem Ring verspannt. Diese Schaufelbefestigung läuft also darauf hinaus, zunächst alle Schaufeln in der üblichen Weise in eine Ringnut einzusetzen, dann aber jede Schaufel nochmals individuell zu verspannen, ein Weg, der deshalb besonders günstig erscheint, weil man nach dem heutigen Stand der Keramikschaufeln mit größeren Toleranzen rechnen muß als bei der Stahlschaufel. Nacharbeiten an der Keramikschaufel möchte man nach Möglichkeit vermeiden.
Die Erfindung sei an Hand einiger Ausführungsbeispiele der Figur erläutert. Es sei mit der Leitschaufel a begonnen. Ihr Fuß i geht aus einem Steg 2, über den noch zu sprechen sein wird, zunächst in einen Hals 3 über und verbreitert sich dann wieder zum eigentlich tragenden Fußteil 4, mit dem sie in den Ring 5 eingesetzt ist. Der Ring 5 ist zweiteilig (in einer Achsebene unterteilt), und seine beiden Hälften werden durch den einteiligen Ring 6 zusammengehalten (Verschraubung 7). Der Ring 5 ist seinerseits durch Radialbolzen 8 im Gehause g zentrisch wärmebeweglich aufgehängt.
Um die gemäß der Erfindung gewählte Befestigung zu verstehen, muß man sich zunächst darüber klar werden, welche Erscheinungen im Betrieb der Maschine auftreten. Durch das sehr heiße Treibmittel entstehen Wärmedehnungen, und zwar sowohl der Keramikschaufeln, wie auch die des sie haltenden Ringes; jedoch sind die des Ringes wesentlich größer als die der Schaufeln. Die Differenzdehnung darf sich unter keinen Umständen in einem auf den Schaufelfuß ausgeübten Druck auswirken. Der Schaufelfuß würde hierbei zu Bruch gehen. Der Ring muß sich also gewissermaßen von der Schaufel weg dehnen können. Das hätte aber zunächst zur Folge, daß der Schaufelsitz locker wird. Die Dehnung des Ringes von der Schaufel weg muß durch eine Kraft ausgeglichen werden, die den festen Sitz zwischen Schaufel und Ring wieder herstellt. Diese Bedingung erfüllt die neue Anordnung.- An dem Fußteil 4 sind bei der Schaufel ct -zwei Schrägflächen io und ii, bei der Schaufel b eine Schrägfläche 12 und eine glatte Fläche 13 angearbeitet. Die Wangen 14 und 15 der Ringe 5 und 6 sind verhältnismäßig dünn und daher nachgiebig. Gegen die Flächen io und i i bzw. 12 legen sich die Ringe 5 und 6 mit entsprechenden Gegenflächen an, und zwar unter der Wirkung eines Schraubenbolzens 17 und eines Druckstückes 18. Die Schaufel ist also als Einzelschaufel gegen den Ring 5 verspannt. Im kalten Zustand werden die Schaufelfüße 4 und die Ringe 5 und 6 eine bestimmte Lage zueinander einnehmen. Jetzt kommt die Beschaufelung nach und nach auf die Betriebstemperatur, so daß .sich die Schaufelfüße 4 und die Ringe 5 und 6 dehenen. Die Dehnung der Ringe bedeutet aber eine Aufweitung in radialer und axialer Richtung, der die Schaufelfüße 4 nicht nachkommen könnten. Mit dem Ring 5 dehnt sich aber auch der Bolzen 17. Infolgedessen gleiten zwar die Schrägflächen io und ii bzw. 12, aber die Verspannungskraft in diesen Flächen bleibt erhalten; die Schaufel wird nicht locker. Man erkennt also, daß die oben aufgestellte Forderung nach Angleichung der verschiedenen Dehnungen erfüllt ist und daß außerdem keine steigende Druckkraft auf den keramischen Werkstoff übertragen wird. Ob man besser die Form der Schaufel a mit zwei Schrägflächen oder die der Schaufel b mit nur einer Schrägfläche wählt, wird erst nach längerer Betriebszeit entschieden werden können. Dem Grundsatz nach sind sie beide gleichwertig, da die Sicherung der Lage gegenüber der Schrägfläche in beiden Fällen gegeben ist.
Es sei noch kurz auf einige Besonderheiten hingewiesen: In die tragenden Flächen zwischen Keramik und Stahl kann Kühlluft eindringen, und zwar dadurch, daß auf diesen Flächen niedrige Rippen 23 und 24 vorgesehen sind, die Luftspalte bilden.
Der Fußsteg 2 hat noch eine besondere Aufgabe. Man muß den Leitschaufelträger weitestgehend vor den hohen Temperaturen schützen, also den Zwischenraum zwischen zwei Leitschaufelreihen abdecken. Hierzu dienen die Zwischenstücke 25, ebenfalls aus keramischem Werkstoff, die dachziegelartig mit den Ansätzen 26 den Fußsteg 2 übergreifen. Nach außen hin sind die Ansätze 26 durch die Ringe 5 und 6 abgestützt. Eine feste Verspannung ist nicht erforderlich. Heiße Gase können durch die vorhandenen Spalte nicht hindurchtreten, da die Räume 27 unter Kühlluftüberdruck stehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Anordnung zur Befestigung von keramischen Leitschaufeln in ihrem Schaufelträger, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln in einen Ring eingesetzt sind, jede der Schaufeln sich mit mindestens einer Schrägfläche gegen eine entsprechende Schrägfläche am Ring abstützt und jede Schaufel über ein Druckstück durch einen Schraubenbolzen gegen den Ring verspannt ist.,
2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schaufel in zwei insbesondere symmetrischen Schrägflächen gegen den Ring abstützt.
3. Anordnung nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schaufeln aufnehmende Ring in einer Achsebene unterteilt ist und die Hälften durch einen seitlich gegengesetzten ungeteilten Ring zusammengehalten sind.
4. Anordnung nach Anspruch i und 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den gegengesetzten ungeteilten Ring die eine Stützfläche des Schaufelfußes angearbeitet ist.
5. Anordnung nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß an den Abstützflächen gegenüber dem Ring und/ oder dem Druckstück mit Rippen zur Bildung von Kanälen für ein Kühlmittel versehen ist.
6. Anordnung nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den über den Schaufeltragring hinausragenden Teil des Schaufelfußes Stützflächen für keramische Zwischenstücke angearbeitet sind.
7. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schaufeln tragende Ring durch Radialbolzen im Gehäuse aufgehängt ist.