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Verfahren und Anordnung zur Befestigung hocherhitzter Laufschaufeln
in einem Laufschaufelring von Wärmekraftmaschinen Bekannt sind die Schwierigkeiten,
hitzebeständige, mineralische Schaufeln für Wärmekraftturbinen zu verwenden. Werden
die Leit- oder Laufschaufeln zusammen mit den Schaufelringen bzw. der wärmeisolierenden
Zwischenschicht aus einem Stück hergestellt, so ist die Einhaltung der günstigsten
Schaufelform, wie sie die Gesetze der Dampf-bzw. Gasströmung zur Erzielung eines
günstigsten Wirkungsgrades erfordern, bei mineralischen Baustoffen sehr schwer bzw.
unmöglich oder sehr teuer und unwirtschaftlich.
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Erfindungsgemäß werden diese Schwierigkeiten dadurch behoben, daß
die Schaufeln, die gegebenenfalls stufenförmig abgesetzte Füße besitzen können,
getrennt hergestellt und geschliffen und danach in parallele Schenkel mineralischer,
radial außenliegender Kreis- oder Kreisbogenträger einzeln eingesetzt und unter
Verwendung eines mineralischen Pulvers, das vorzugsweise in Aussparungen der Schenkel
eingebracht wird, unter Hitze und hydraulischer Zusammenpressung mit dem bzw. mit
den Trägern zusammengesintert.
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Die getrennte Herstellung der Schaufeln ist vor allem aus dem Grunde
vorteilhaft, weil die günstigste Schaufelform eine gewisse Drehung des Schaufelprofils
um die Längsachse erfordert.
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Derartige Schaufelformen könnten zusammen mit dem Schaufelring kaum
aus der Form herausgebracht oder hinterher nachgearbeitet werden. Auch würden leicht
Exzentrizitäten oder andere
Verschiebungen während des Formens..
und Ausbringens entstehen. Werden die Schaufeln jedoch einzeln eingesetzt, so kann
ihre genaue Ausrichtung gut überwacht werden. Die. Befestigung in den parallelen
Schenkeln erfolgt zweckmäßig so, daß bei langsam ansteigender Temperatur der Druck
auf die .Schenkel gleichfalls erhöht wird, bis die zur Befestigung dienende Pulverpackung
sintert und die Schenkel eine Biegung im Sinne einer Schaufelbefestigung erfahren,
worauf Druck und Temperatur langsam gesenkt werden. Dabei ist die Sinterpulvermasse
so auszuwählen, daß sie gleichzeitig zur Schwingungsdämpfung und Gewichtseinsparung
z. B. durch Porosität dient. Ferner sollen ,zwischen je zwei benachbarte Schaufelringe
unter Berücksichtigung ebenfalls bester Wärmeisolation und Gewichtsersparnis weitere
mineralische, aber in diesem Falle nicht gesinterte Pulvermassen eingelassen werden.
Durch diese Zwischenschichten treten scharf ausgeprägte thermodynamische Wärmestufen
auf. Es tritt daher eine kräftige Abkühlung sowohl in Radial- als auch in Axialrichtung
ein. Durch die scharfe Trennung der Wärmestufen wird der thermodynamische Wirkungsgrad
der Turbine erhöht und außerdem wird erreicht, daß die die mineralischen Laufschaufelträger
umfassenden und gegen Zentrifugalkräfte abstützenden Stahlringe nur für die höchsten
Wärmestufen aus besonders hochwertigem. Stahl bzw. Edelstahl bestehen müssen, während
bei den niederen W ärme-_ stufen billigere Metalle verwendet werden können.
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Die erwähnten Einzelstahlringe sind nach einem weiteren Merkmal der
Erfindung radial nach außen mit Aussparungen und dazwischen liegenden Stegen versehen,
und die Gesamtheit der Stege aller Stahlringe der einzelnen Turbinenstufen wird
von einem gemeinsamen Außenmantel aus Stahl, z. B. Gußstahl, Edelstahl, Chromnickellegierung
od. dgl. fest umschlossen. Die Unterteilung in Einzelstahlringe erleichtert die
Zugänglichkeit zu den Schaufeln und ermöglicht eine leichte Auswechselung der mineralischen
Läufschaufelringe und daher die Verwertung geringwertiger Schaufelbaustoffe, wodurch
der Bau der Turbine eine Verbilligung erfahren kann.
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Durch die mittels Aussparungen q. und Stegen 5 erzielte, radial nach
außen gerichtete Verbreiterung der beiden rotierenden Stahlaußenmäntel, wird eine
erhöhte Stabilisierung der beiden Stahläußenmäntel -bzw. -des gesamten rotierenden
Teiles der Turbine, also auch. eine Verminderung schädlicher Schaufelschwingungen,
erzielt.. -Die erwähnten Aussparungen dienen dabei vor= teilhaft als Kühlkanäle,
durch -welche Dampf oder Kühlluft hindurch geleitet wird, die ihrerseits noch zum
Antrieb einer Hilfsturbine ausgenutzt werden können: Es hat sich ferner als vorteilhaft
herausgestellt, für die Sinterpulvermasse eine wesentlich andere chemische Zusammensetzung
und einen anderen, etwas niedrigeren Schmelzpunkt als für die Schaufeln und Kreisbogenträger
zu wählen.. In-.dessen sollen -die Unterschiede der Schmelzpunkte nicht übermäßig
groß sein, so däß bei der -Druck sinterung die Sintermasse sich gut mit der Masse
der Schaufeln und Kreisboggenträgger verbindet. Durch die erwähnten Aussparungen
sowie durch leichte Verbiegung. bzw.. Verspannung der Halteschenkel wird die gegenseitige
Verankerung noch erhöht.
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Die optimale Verspannung der' Schenkel wird zweckmäßig durch eine
Lichtzeigervorrichtung überwacht, damit die geringen Verspannungen, die in der Größenordnung
von hundertstelmillimetern liegen, genau dosiert werden können. Gegebenenfalls können
die mineralischen Leitschaufeln- auch noch mit Metallkanten aus Wolfram-, Tantal-,
Chromnickel-und Edelstahl oder sonstigen hochschmelzenden Blechen verkleidet sein.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen noch näher erläutert. Von
diesen zeigt Fig: r den Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Turbine in Axialrichtung
gesehen, Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. r entlang der Linie
A-B, Fig.3 einen vergrößerten Schnitt durch eine Laufschaufel mit Befestigung, Fig;
q. einen Schnitt durch eine Laufschaufel mit etwas abgeänderter Befestigung, Fig.
5 die perspektivische Ansicht einer Schaufel mit Metallkanten.
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In den Fig. r und 2 sind r die einzelnen Laufschaufeln aus mineralischem
Material, welche in mineralische, ringförmige oder Ringsegmentträger 2 eingesintert
sind. Die einzelnen Schaufelringe sind von Stahlringen 3 umfaßt, welche an ihrem
äußeren Umfang Aussparungen q. und dazwischenliegende Stege 5 aufweisen. Die Gesamtheit
der Stege aller Einzelringe wird von. einem gemeinsamen Stahlmantel 6 umfaßt.
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Da die Aussparungen ¢ der einzelnen Ringe, wie Fig. 2 zeigt, alle
hintereinanderliegen, werden durch sie kleine Kanäle gebildet, durch welche ein
Kühlmittel, z:.B. Dampf, Wasser, Kühlluft, hindurchgeleitet werden kann. Durch die
Kühlung wird die Beanspruchbarkeit des Außenmantels durch Zentrifugalkräfte wesentlich
erhöht.
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.Wie die Befestigung der Schaufeln in den Trägerringen im einzelnen
vorgenommen werden kann, wird aus den Fig. 3 und q. ersichtlich.
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Bei dem Beispiel nach Fig. 3 besitzen die getrennt hergestellten und
geschliffenen Schaufeln 7 ein durchgehendes Profil ohne Absatz. Die Schaufeln werden
zwischen die beiden Schenkel 8 und 9 des mineralischen Trägerringes 2- eingesetzt.
Die Schenkel 8 und 9 weisen an ihren inneren Flanken Aussparungen ro auf; in welche
eine Sinterpulvermässe eingebracht wird: Mit Hilfe von flydraülischen Pressen r
z, 12; die in der Fig..3-schematisch eingezeichnet sind, wird die Pulvermasse unter
hohem Drück in die Aussparungen to eingepreßt: Die dabei entstehende leichte Verspannung
der Schenkel 8, 9 wird durch eine ebenfalls schematisch eingezeichnete Lichtzeigervorrichtung
r3 mit Spiegel IL}. beobachtet. -Bei dem Beispiel der Fig. q. sind die; Schaufeln
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mit abgesetzten Füßen-.16 versehen, die. ihrerseits
in
die Schenkel 8, 9 des mineralischen Ringes z eingesetzt werden. Der Zwischenraum
zwischen benachbarten Ringen wird bei den Beispielen der Fig. 3 und 4, soweit er
von den Schenkeln frei gelassen wird, durch weitere nicht sinternde, mineralische
Massen 17 ausgefüllt. Geeignet sindAsbestschichten, A1203, MgO (Spinell) SiO2, Ceroxyd
und sonstige Oxyde der Alkali- bzw. Erdalkaligruppe, ferner Titanoxyd, Carbide,
wie Wolframkarbid und Bonkarbid. Hierdurch wird eine gute thermische Trennung der
einzelnen Schaufelringe erzielt.
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Zur Befestigung der Laufschaufeln werden die einzeln zusammengesetzten
Laufschaufelringe innerhalb 8 bis io Stunden auf eine Temperatur erhitzt, welche
etwa 15 bis 68'' C unterhalb der Sinterungsgrenze liegt, die für reines A1303
etwa 176o° C ist. Gleichzeitig mit dem Ansteigen der Temperatur auf 169o bis 17q.5'°'
C wird mittels der hydraulischen Pressen der Druck auf die Sintermasse und die Schenkel;
z. B. 8, 9, bis zu einem Höchstdruck von 5, 15, 3o kg/qcm je nach Material
jedoch unterhalb der unteren Sinterungsgrenze der gegossenen Schenkel erhöht, wobei
das Pulvermaterial leicht zusammensintert. Der Druck wird innerhalb 2 bis 3 Stunden
bei Behandlungshöchsttemperatur gesenkt und hierauf die Temperatur innerhalb 8 bis
9 Stunden bei völligem Ausschalten des Druckes der hydraulischen Pressen allmählich
langsam erniedrigt.
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Wie die Fig. 5 an einem Beispiel zeigt, können die mineralischen Leitschaufeln
18 noch mit metallischen Kanten ig aus hochschmelzendem Material versehen sein.
Da das metallische Material im Bereich der dünnen Kanten eine höhere Widerstandsfähigkeit
gegenüber mechanischen Beanspruchungen als mineralische, spröde Stoffe hat, können.
dadurch die Schaufelringe enger an. die Leitschaufeln herangerückt und damit die
Spaltverluste verringert werden. Ferner wird durch katalytische Kontaktwirkung des
Metalls der Dissoziationsgrad der Treibgase niedriger gehalten, und Wärmeverluste
werden vermieden. Die Erfindung gestattet somit die Schaffung einer Turbine, welche
größte Widerstandsfähigkeit mit verhältnismäßig einfacher Herstellungsmöglichkeit
verbindet.