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Hohlschaufel für Gas- oder Abgasturbine mit Versteifungskern und gekühltem
Blechmantel . Um die beim Betrieb von Gasturbinen und Abgasturbinen auftretenden
hohen Temperaturen und Umfangsgeschwindigkeiten zu beherrschen, sind eine Reihe
von Maßnahmen bekanntgeworden, die im wesentlichen eine Kühlung der einzelnen Schaufeln
bezwecken. Besondere Bedeutung hat hierbei die sogenannte Hohlschaufel erlangt,
bei der bekanntermaßen ein kaltes Kühlmittel durch die mit einem oder mehreren Kanälen
versehenen Schaufeln gefördert wird.
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So hat man z. B. vorgeschlagen, die Schaufel zur Erhöhung der Festigkeit
aus einem gekühlten Kern, der mit dem Läufer starr verbunden ist, und aus einer
gekühlten übergeschobenen Hülse anzufertigen. Um den vorgesehenen Zweck erfüllen
zu können, sind jedoch bei den bekannten Ausführungsarten eine Reihe von zusätzlichen
Teilen notwendig, wodurch die Schaufel so schwer wird; daß ihre Verwendung bei rasch
laufenden Turbinen mit hoher thermischer Belastung der Schaufel und großem Gasdurchsatz
nicht in Frage kommt. Darüber hinaus befinden sich bei derartigen Konstruktionen
vielfach die zur Aufnahme der Zentrifugalkräfte vorgesehenen Schweißnähte im heißen
Gasstrom, wodurch deren Haltbarkeit erheblich herabgesetzt wird.
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Eine in diesem Zusammenhang bekanntgewordene Ausführungsart sieht
einen zweiteiligen Läufer vor,
in dessen Hälften längs der Trennfuge
den Schaufeln entsprechende Einfräsungen vorgesehen sind, in die die jeweiligen
aus Blech gefertigten Schaufelhälften eingeschweißt werden. Zur Verbesserung der
Kühlwirkung und der mechanischen Festigkeit werden - analog den Ausführungen mit
tragendem Kern - in das Schaufelinnere passende kleine U-Profile im Läufer befestigt
und die beiden derart vorbereiteten Läuferrhälften darauf längs des ganzen Umfanges
zusammengeschweißt. Derart ausgeführte Turbinen ergeben zwar sehr leichte und gut
gekühlte Schaufeln, aber abgesehen davon, daß diese Ausführungsart bei kleinen Einheiten
in der Herstellung erhebliche Schwierigkeiten 'bereitet, ergeben sich mit diesem
Verfahren eine Reihe von Nachteilen, wie z. B. die umständliche und teuere Herstellungsweise
der Läuferhälften sowie erhebliche Schwierigkeiten bei Ersatz von beschädigten Schaufeln.
Außerdem dient in diesem Falle wie auch bei zahlreichen anderen Ausführungsarten
nur ein Teil des am äußeren Läuferrand angehäuften Werkstoffes dazu, die von den
Schaufeln ausgeübten Fliehkräfte aufzunehmen, so daß der Läufer verhältnismäßig
schwer wird, und schließlich ist eine Prüfung der Unversehrtheit der Schweißnähte
bei einer Überholung der Turbine als Folge der gegebenen Anordnung ausgeschlossen.
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Durch die Erfindung können die den bekannten Verfahren anhaftenden
Nachteile vermieden werden. Insbesondere wird durch die vorgesehene Anordnung erreicht,
daß jeder nicht unmittelbar für die mechanische Fixierung der Schaufel notwendige
Materialaufwand vermieden wird. Außerdem ist durch die Konstruktion die Herstellung
der Turbine gegenüber den bisherigen Ausführungen wesentlich vereinfacht; und schließlich
sind die einzelnen Schaufeln ohne besondere Schwierigkeit auswechselbar und werden
im wesentlichen durch gekühlte Schweißnähte festgehalten, die überdies gut beobachtet
werden können.
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Die Schaufel besteht nach der Erfindung aus einem mit dem Läufer fest
verbundenen Versteifungskern und aus einem aus Blech gefertigten gekühlten Schaufelmantel,
der breiter als der Außenrand des Läufers und der Deckscheibe ist und der über das
Beaufschlagungsgebiet nach innen im wesentlichen radial bis zum Läufer bzw. dem
Deckblech verlängert und an den Berührungsstellen mit beiden vorzugsweise durch
Schweißung verbunden ist.
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Abb. r zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes im
Axialschnitt; Abb. a ist eine Ansicht des in Abb. r vorgesehenen Läufers; Abb. 3
ist ein Schnitt durch die, in Abb. z dargestellte auf dem Laufrad befestigte Schaufel
im vergrößerten Maßstab.
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Das gesamte Laufrad setzt sich aus dem Läufer a, der Deckscheibe b
und den Schaufeln c zusammen. Zwischen Läufer a und Deckscheibe b sind in
an sich bekannter Weise am Läufer a bzw. am Deckblech b befestigte Rippen a3 bzw.
b3 vorgesehen, so daß die axial angesaugte Kühlluft nach außen geschleudert wird,
wenn das Laufrad umläuft. Die Kanäle a2 und b2 dienen der Zuleitung des Kühlmittels
zu den äußeren Teilen der Hohlschaufel. Gemäß' der Erfindung besitzt der Läufer
a an seinem äußeren Umfang eine der Schaufelzahl entsprechende Zahl von Verlängerungen
a1, die den der Versteifung dienenden Kern der Schaufel oder einen Teil derselben
bilden. In gleicher Weise kann auch die Deckscheibe b mit Verlängerungen b1 versehen
sein, die in diesem Fall zusammen mit den Verlängerungen a1 den der Versteifung
dienenden Kern der Schaufeln bilden. Über diesen Kern wird die entsprechend geformte
Schaufel c im ganzen oder in einzelnen Teilen geschoben. Die Schaufel selbst ist
erheblich breiter als die Außenwand des Läufers und die Drehscheibe zusammen und
wird gemäß der Erfindung in allen Teilen bis zum Läufer a bzw. bis zur Deckscheibe
b verlängert und an den Berührungsstellen mit beiden vorzugsweise durch Schweißung
fest verbunden. Durch diese Maßnahme kann der Läufer a sehr leicht gehalten werden.
Außerdem wird der größte Teil der zur radialen Fixierung der Schaufel dienenden
Schweißnähte, die überdies wesentlich länger sind als der Schaufelumfang, in ein
relativ kaltes Gebiet gerückt. Darüber hinaus besteht hierbei die Möglichkeit, auch
die Außenseite des Laufrades mit Kühlluft zu kühlen, wobei die nach innen gehende
radiale Verlängerung der Schaufel als Fächer eines Schleudergebläses aufgefaßt werden
kann. Weiterhin erübrigt sich durch eine derartige Bauweise ein eigener Schaufelfuß,
der in jedem Falle eine erhebliche Materialanhäufung am Umfang dies Läufers und
damit eine wesentlich schwerere Bauweise bedingt. Andererseits ist die Herstellung
von Laufrädern gemäß der Erfindung wesentlich einfacher als es die Anfertigung der
Schaufeln aus einem Stück mit dem Läufer wäre.
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Entsprechend dem in Abb. r bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstandes kann der Versteifungskern ohne Fräsarbeit lediglich durch
Umbiegen des dem Läufer bzw. der Deckscheibe außen angearbeiteten Blechansatzes
mit anschließender Verschweißung der Stoßstellen hergestellt werden. Dieses Verfahren
wird, abgesehen von Sonderfällen, der an sich möglichen aber umständlicheren Herstellung
des Versteifungskernes durch Fräsen aus dem Vollen oder Bohren u: dgl. vorzuziehen
sein.
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Die zu verschweißenden Stoßstellen des Versteifungskernes können auch
an anderen Stellen vorgesehen werden, wie z. B. Abb. 4 zeigt. Auch kann es sich
als zweckmäßig erweisen, den Versteifungskern nur im äußeren Teil durch Umbiegen
herzustellen und den inneren Teil auszufräsen oder durch Ausbohren od. dgl. auf
die gewünschte Form zu bringen. Der Versteifungskern wird sich in vielen Fällen
nicht bis zur Schaufelspitze erstrecken. Auch kann er teilweise Aussparungen aufweisen.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit ist dadurch gegeben, daß der Versteifungskern
teilweise durch die Schaufel c ersetzt wird, wie z. B. aus Abb. 5 ersichtlich ist.
In diesem Fall muß die Schaufel c
in einwandfreier Weise mit den
Ansätzen a1 bzw. b1 verbunden sein, was durch Verschweißung des an den Stoßstellen
ganz oder teilweise geschlitzten Schaufelbleches mit den jeweiligen Ansätzen a1
oder b1 erfolgen kann. Andererseits kann auch der Versteifungskern einen Teil des
Schaufelmantels ersetzen. Die Dicke des Schaufelmantelbleches kann unveränderlich
oder in radialer Richtung verjüngt ausgeführt werden. Außerdem kann das Schaufelmantelblech
auf der Kühlmittelseite mit Rippen oder Rillen oder kleinen Ansätzen zur Verbesserung
der Kühlwirkung versehen sein.
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Der vorliegende Erfindungsgegenstand wird zwar in erster Linie für
Gas- oder Abgasturbinen in Frage kommen, er ist jedoch ohne weiteres auch bei Dampfturbinen,
unter Umständen auch ohne Schaufelkühlung anwendbar.