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Läufer für mehrstufige, axial durchströmte Kreiselradmaschinen, insbesondere
Gasturbinen Die Erfindung betrifft einen Läufer für mehrstufige, axial. durchströmte
Kreiselradmaschinen, insbesondere Gasturbinen, welcher sich aus mindestens zwei
scheibenförmigen Bauelementen ohne Mittelbohrung zusammensetzt, und befaßt sich
im besonderen mit einer lösbaren Klemmverbindung der einzelnen schaufeltragenden.
Scheibenteile. Im Dampf- oder Gasturbinenbau sind Lösungen bekanntgeworden, den
Läufer aus einzelnen Scheibenelementen zusammenzusetzen, wobei sich diese Läuferscheiben
längs ringförmiger Planschansätze aufeinander abstützen und durch am Umfang verteilte
achsparallele, durchgehende Zuganker verspannt sind. Die hierfür erforderlichen
Bohrungen vermindern jedoch in beachtlicher Weise die mechanische Festigkeit der
an sich schon sehr hoch belasteten schaufeltragenden Scheiben und engen die Auslegung
dadurch sehr ein. Eine durchgehende Verspannung mehrerer Scheibenkörper bei Läufern,
die im Betrieb nicht nur sehr heiß werden, sondern in der Längsrichtung auch noch
merkliche Temperaturunterschiede aufweisen, steigert die Anforderungen an den Scheibenbaustoff
und die Spannbolzen.
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Wesentlich günstiger im Hinblick auf die Bauteilfestigkeit sind demgegenüber
solche Läufer von Kreiselmaschinen, deren scheibenförmige Teilstücke (möglichst
ohne Bohrung) entweder am
äußeren Umfang oder an den gegenseitigen
Berührungsstellen der ringförmigen Flanschansätze miteinander verschweißt sind.
Die Durchführbarkeit einer einwandfreien Schweißverbindung ohne Formverzug und Schweißrestspannungen
bei der- Fertigung und im Betrieb hängt dabei von der metallurgischen Eigenart der
zu verbindenden Scheiben und von der Zugänglichkeit der Naht für die hierfür weitgehend
notwendige Handschweißung ab. Zusätzliche Erschwernisse sind in mancher Hinsicht
Wirkungen der unterschiedlichen Temperatur in axialer Richtung des- Läufers bzw.
- unterschiedlicher Wärmeausdehnung von Werkstoffen, angepaßt in der Warmfestigkeit
an diesen Temperaturabfall. Ein solcher Läufer - gleichgültig ob er in reiner Scheibenbauart
nur einige 'wenige Einzelscheiben aufweist oder ob er eine aus mehreren Scheiben
zusammengesetzte Trommct darstellt -kann jedoch nach seiner Fertigstellung nicht
mehr in seine einzelnen Fertigungsteile zerlegt werden, d. h. bei einer eventuellen
Beschädigung eines oder mehrerer Schaufelkränze ist dann meist der ganze Läufer
unbrauchbar, da eine Auswechslung der beschädigten Teilstücke entweder nur sehr
schwer oder höchstens mit einem beträchtlichen technischen und finanziellen Aufwand
durchführbar wäre. -Der Erfindung lag daher die Aufgabe vor, einen Läufer für raschläufige
Kreiselradmaschinen, insbesondere Gasturbinen, zu schaffen, der aus fertigungstechnischen
Gyründen aus Einzelscheiben zusammengesetzt ist und dessen einzelne scheibenförmige
Bauelemente im Hinblick auf etwaige Reparaturfälle lösbar fniteinander verbunden
sind. Die Forderung nach einer Auswechselbarkeit einzelner Scheibenteile oder Seheiben
ergibt sich vor allen bei solchen Läufern, die sehr hohen Treibmitteltemperaturen
ausgesetzt sind. Wegen der begrenzten Lebensdauer hochwarmfester Werkstoffe ist
nämlich damit zu rechnen, daß einzelne Schaufeln oder sogar ganze Tragscheiben ausgetauscht
werden müssen.
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Es ist- nun eine zusammengesetzte Läuferbauart für eine mehrstufige
axiälbeaufschlagte Strömungsmaschine bekannt, bei welcher der Läufer aus einzelnen
Scheiben besteht, die etwa in Fußkreisnähe mit Ringansätzen versehen sind. Die Ringansätze
verschiedener Scheiben überlappen sich und sind mit Gewinden versehen, die eine
Verschraubung der einzelnem Scheiben miteinander -ermöglichen. Die Schraubverbindungen
werden durch in die Oberfläche des Läufers eingelegte Füllstücke gesichert. Für
hohe Treibmitteltemperatüren ist diese bekannte Bauart jedoch nicht geeignet, da
die die einzelnen Läuferscheiben verbindenden Gewinde im Betrieb festbrennen, so
daß ein Trennen der einzelnen Scheiben ohne Zerstörung der'Ringansätze nicht mehr
möglich ist.
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Erfindungsgemäß werden die' Nachteile der bekannten Läuferbauarten
für mehrstufige axiale Strömungsmaschinen dadurch behoben, daß an der Innenseite
- der Ringansätze kegelförmige Anlageflächen angeordnet sind, gegen welche klammerartige
Spannglieder mit gleichfalls kegelförmigen Sitzflächen angepreßt werden, wobei die
einander benachbarten Scheibenteile außerdem eine auf einem kleinen Durchmesser
liegende Innenzentrierung aufweisen. Die Zentrierung benachbarter Schaufelteile
auf einem kleinen Durchmesser als solche ist dabei ebenfalls bekannt.
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Im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Bauart mit gewindetragenden
Ringansätzen bereitet es im Falle eines Festbrennens der die klammerartigen Spannglieder
anpressenden Bauteile keine Schwierigkeiten, diese gegebenenfalls unter Zuhilfenahme
eines Bohrwerkzeuges zu beseitigen. Die kragenartigen Ringansätze und die klammerartigen
Spannglieder werden dadurch jedenfalls nicht zerstört. Beschädigte Scheiben oder
Beschaufelungsteile können somit ohne Schwierigkeiten ausgewechselt werden. Auch
für den Fall, daß der betreffende ' Turbinenläufer beispielsweise aus verschiedenen
Werkstoffen aufgebaut ist, welche nach der im Betrieb örtlich auftretenden Treibmitteltemperatur
und den daraus resultierenden Festigkeitsanforderungen abgestimmt sind und die in
der gegenseitigen Wärmeausdehnung unterschiedliche Werte aufweisen können, bietet
die erfindungsgemäße Läuferausbildung Vorteile, weil die Anschlußspannungen der
einzelnen Scheibenelemente - herrührend von der unterschiedlichen Erwärmung im Betrieb-geringer
gehalten werden können und schädliche Rückwirkungen auf 'die Tragscheiben ausgeschaltet
werden. Das Zusammenkoppeln der einzelnen Läuferscheiben, welche in zweckmäßiger
Weise innenzentriert sind, erfolgt-dadurch, daß die klammerartigen Spannglieder,
die über die kegelf6rmigen Anlageflächen der zugehörigen Ringansätze greifen und
welche praktisch Ausschnitte aus einem Ring mit entsprechendem Gegenprofil und Gewindelöchern
darstellen, mittels Schraubenbolzen (mit Achse in der gemeinsamen Abstützebene zweier
Scheiben) in radialer Richtung nach außen gezogen werden. Die Schraubenbolzen können
'dabei durch außenliegende Schraubenköpfe angezogen werden, wobei lediglich eine
Beanspruchung auf Zug stattfindet; darüber hinaus ist es aber auch möglich, daß
sie sich mittels eines entsprechenden Verlängerungsansatzes nach dem Läuferinneren
zu auf einen Stützrand einer der beiden miteinander verbundenen Scheiben abstützen,
insbesondere der im Betrieb heißeren. Die Form sowie das Gewinde der Sonderklemmutter
werden zweckmäßigerweise so gestaltet, daß sowohl das Spanngewinde als auch die
Steifigkeit der Klammerschenkel ein Höchstmaß an Gestaltfestigkeit erhalten. Eine
zusätzliche Abstützung an den Stirnseiten der Scheiben bei Überschreiten einer gewissen
elastischen Deformation ist möglich. Bei den Verspannungseinrichtungen, welche gleichmäßig
über den Schciberiumfang verteilt sind, ergibt es sich von selbst, daß das außerhalb
der Sonderklemmutter liegende Stück des Spannelementes gleichzeitig mit der Erzwingung
des Verklammerungsförmschlusses auch die Übertragung des Drehmomentes von Scheibe
zu Scheibe übernimmt, weil dieser Teil wie ein radialer Scher-oder Führungsstift
in den Ringansatz der Scheiben
eingelassen ist. Eine teuere Verriegelung
dieser stirnseitigen Scheibenränder gegeneinander mittels einer Stirnverzahnung
oder besonderer Keilbahnen kann dadurch entfallen. Darüber hinaus besteht bei der
erfindungsgemäßen lösbaren Verbindung noch die Möglichkeit, die nachteiligen Auswirkungen
unterschiedlicher Wärme- und Spannungsdehnung der miteinander gekoppelten Scheiben
durch eine besondere Gestaltung der Abstützung auszugleichen und unschädlich zu
machen. So erhält beispielsweise der an den Anlageflächen der Spannglieder verkeilte
Kopf der Spannmutter des Gewindebolzens eine derartige Kegelneigung, daß seine Kegelspitze
etwa in gleicher radialer Höhe mit den kegeligen Klemmflächen der Spannstücke liegt.
Bei der anderen Möglichkeit des Abstützens nach innen kann entweder ein Werkstoff
anderer Wärmeausdehnung gewählt werden, wobei das innenliegende Stützende der Schraube
eine passende, möglichst geringe Länge erhält oder es können auch federnde Zwischenglieder
vörgesehen werden. Solche Zwischenglieder sind beispielsweise Tellerfedern, die
unter jedes Spannglied gelegt werden, oder auch ein achsmittig geführter Ring, der
aus einem Werkstoff mit geeigneter spezifischer Wärmedehnung hergestellt ist. Sowohl
die Schraubenbolzen als auch die Gewindebolzen sind bei der lösbaren Verbindung
nach der Erfindung in bequemer Weise von außen zugänglich und können ohne Behinderung
zuverlässig angezogen werden. Ebenso läßt sich eine glatte Außenoberfläche zwischen
den Scheibenelementen des Läufers baulich ohne besondere Schwierigkeiten verwirklichen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines Läufers nach der
Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i die lösbare Verbindung zweier benachbarter
Tragscheiben, wobei die klammerartigen Spannglieder mittels Schraubenbolzen radial
nach außen gezogen werden, Fig. 2 die lösbare Verbindung zweier benachbarter Tragscheiben,
wobei die klammerartigen Spannglieder mittels besonderer Gewindebolzen radial nach
außen gedrückt werden, Fig. 3 die Verbindungsstelle zweier benachbarter Tragscheiben,
wobei der Gewindebolzen sich gegen einen Stützrand der einen Scheibe abstützt, Fig.
4 die Verbindungsstelle zweier benachbarter Tragscheiben, wobei sich'der Gewindebolzen
unter Zwischenschaltung einer Tellerfeder gegen den Stützrand der einen Scheibe
abstützt, Fig. 5 die Verbindungsstelle zweier benachbarter Tragscheiben, wobei sich
der Gewindebolzen unter Zwischenschaltung eines Ringes anderer Wärmeausdehnung gegen
den Stützrand der einen Tragscheibe abstützt.
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Die Fig. i zeigt im Schnitt einen fliegend gelagerten Läufer einer
zweistufigen Gas- oder Dampfturbine. Dieser besteht aus den beiden scheibenförmigen
Bauelementen i" und 1b, welche in bekannter Weise eine innere Zentrierandrehung
2 aüf-Xveisen. Am äußeren Rand jedes Scheibenteiles ist ein kragenartiger Ringansatz
3a, 3b angedreht, längs welchem sich die beiden Scheiben i. und 1b gegenseitig berühren.
An der Innenseite dieser Ansätze 3a und 3b ist jeweils eine kegelförmige Anlagefläche
4", angeordnet, gegen die klammerartige Spannglieder 5 mit gleichfalls kegelförmigen
Sitzflächen angepreßt werden. Die Anpreßbewegung bewirken beidem Ausführungsbeispiel
der Fig. i Schraubenbolzen 6, welche die Spannglieder 5 in radialer Richtung nach
außen an die Anlageflächen 4, 4b der R.ingflanschansätze 3a, 3b heranziehen.
Der Kopfteil 7 der Schraubenbolzen 6 ist dabei kegelförmig gestaltet und kommt an
entsprechenden Ausnehmungen der beiden sich berührenden Ringflanschansätze
3" 3b zur Anlage. Dadurch wird auch eine einwandfreie Übertragung des Drehmomentes
von Scheibe zu Scheibe erreicht; das Prinzip der Flächenausrichtung geht aus den
angegebenen Punkten S, X, Y hervor. Eine Sicherung des Schraubenbolzens 6 gegen
Lösung im Betrieb kann schließlich in bekannter Weise mittels einer Madenschraube
oder eines Sicherungsstiftes vorgenommen werden.
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Der grundsätzliche Aufbau des Läufers nach Fig. 2 ist im wesentlichen
der gleiche wie bei Fig. i. Auch hier handelt es sich um eine zweistufige Strömungsmaschine
mit fliegender Lagerung des Laufzeuges. Die beiden Läuferscheiben i ia, ' i ib sind
wiederum mit einer Innenzentrierandrehung 12 versehen und weisen an ihrem äußeren
Umfang je einen kragenartigen Ringansatz 13a, i3b auf. An dessen Innenseite sind,
wie beim Läufer nach Fig. i, kegelförmige Anlageflächen" 14a, 14b angeordnet, gegen
welche die erfindungsgemäßen Spannglieder 15 angedrückt werden. Die Anpreßbewegung
in radialer Richtung nach außen, welche in diesem Falle jedoch durch reines Andrücken
jener Spannglieder erfolgt, wird hervorgerufen durch besondere Gewindebolzen 16,
welche in Richtung zur Läuferachse hin eine zapfenförmige Verlängerung 17 erhalten
zum Zwecke ihrer Abstützung gegen die Scheibennabe. Um eine einwandfreie gegenseitige
Übertragung des Scheibendrehmomentes sicherzustellen, weisen schließlich die Gewindebolzen
16 an ihrem äußeren Teil einen zylindrischen Abschnitt 18 auf, der als Scherbolzen
ausgebildet ist und in eine entsprechend gestaltete Ausnehmung der beiden sich berührenden
Ringflanschansätze 13a, 13b eingeführt ist. Dieser zylindrische Ansatz 18 unterstützt
außerdem noch die Zentrierung der beiden Scheibenteile iia, 14 und sichert
deren Mittighalten im Betrieb-bei einer unterschiedlichen Erwärmung und Dehnung
des Scheibenwerkstoffes.
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In den Fig. 3 bis 5 sind schließlich noch Möglichkeiten aufgezeigt,
um bei der erfindungsgemäßen Verbindung die ungünstigen Auswirkungen unterschiedlicher
Wärmedehnung der verschieden heiß werdenden Bauteile auszugleichen. Im Schnittbild
der Fig..3 erkennt man wiederum die beiden Tragscheiben Zia, gib, welche jeweils
einen kragenartigen Ringansatz 22a, 22b aufweisen, gegen welchen das Spannglied
23 von innen her angedrückt wird. Der Anpreßdruck wird dabei mittels einer Spannmutter
24 erzeugt, welche durch einen
sich am Stützrand 25 der einen Tragscheibe
abstützenden Gewindebolzen 26 radial nach außen gepreßt wird. Die Neigung der kegeligen
Berührungsflächen zwischen Spannglied 23 und Spannmutter 24 ist so gewählt, daß
die Kegelspitze etwa in gleicher radialer Höhe mit den kegeligen Klemmflächen der
Ringansätze 22" 22b liegt. In Fig. 4 und 5 erfolgt die gegenseitige Verspannung
der Tragscheiben 3iQ, 3ib bzw. 44, und 41b in gleicher Weise wie beim Beispiel der
Fig. 3,- nämlich mittels des Spanngliedes 33 bzw. .43 . sowie der Spannmutter 34
bzw. 4¢. In Fig. 4 sind aber zum Ausgleich der Wärmedehnung des Gewindebolzens 36
einige Tellerfederringe 37 zwischen das Ende des Gewindebolzens und den Stützrand
35 der einen Tragscheibe 3 ib zwischengeschaltet, während beim Beispiel der Fig.
5 sich der Gewindebolzen 46 unter Zwischenschaltung eines über radiale Stifte 47
achsmittig geführten Ringes 48 gegen den Stützrand 45 der Tragscheibe 44 abstützt.
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Die erfindungsgemäße Scheibenverbindung läßt sich natürlich ohne Schwierigkeiten
auch bei vielstufigen Läufern von axial beaufschlagten Strömungsmaschinen, gleichgültig
ob Verdichtern oder Turbinen, zur Anwendung bringen. Es wird dann immer von den
Auslegungs- und Betriebsbedingungen, d. h. den Werkstoffen, Beanspruchungen und
Temperaturen abhängen, ob man sich mit der Lösbarkeit des Ringanschlusses von Teilstücken
begnügt oder ob man die erfindungsgemäße Verbindung. für jedes einzelne Tragscheibenpaar
anwendet.