DE959868C - Laufradanordnung fuer Verpuffungsbrennkraftturbinen hoher Drehzahl - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 14. MÄRZ 1957

Sch 13041 Ia/46f

Die Erfindung bezieht sich auf Laufradanordnungen für Verpuffungsbrennkraftturbinen hoher Drehzahl, insbesondere Verpuffungsbrennkraft- und Abgasturbinen, in denen die Laufradschaufeln mit einem sie verbindenden, geschlossenen Ringkörper als gemeinsames, einheitliches Werkstück gleichen Baustoffes ausgebildet sind.

Mit der fortschreitenden Entwicklung, insbesondere der Verpuffungsbrennkraftturbinen, ist man zu Umlaufzahlen gelangt, die eine grundsätzliche Änderung der früher üblich gewesenen und auch durchaus bewährten Laufradanordnungen erforderlich machen. Diese bekannten Laufradanordnungen kennzeichnen sich dadurch, daß man durchbohrte Laufradscheiben auf eine Laufradwelle aufsetzte oder mit ihr durch Kupplungsscheiben verband. Es sind auch schon Anordnungen bekanntgeworden, bei denen man Einzelscheiben am Umfang verschweißte, so daß Laufradtrommeln entstanden, die hauptsächlich für mehrstufige Turbinenausbildungen bestimmt waren. Allen diesen Anordnungen ist gemeinsam, daß die Schaufeln selbst als Einzelstücke gefertigt und mit dem Laufradkörper irgendwie vereinigt, beispielsweise in schwalbenschwanzförmig unterschnittene, am Laufradumfang angebrachte Rillen eingeschoben und gegebenenfalls noch zusätzlich mit dem Laufradumfang verschweißt wurden.

Man hat auch schon einzelne Schaufeln unmittelbar auf den Laufradumfang auf- oder in ringnutförmige Ausnehmungen desselben eingesetzt und hierauf die Verbindung durch Verschweißung vorgenommen.

Es ist weiter bekanntgeworden, Trommeln für Turbomaschinen mit aus den Schaufelträgern herausgearbeiteten Schaufeln auszubilden, bei denen die Schaufelträger als die Schaufeln verbindende,

ίο geschlossene Ringkörper mit den Schaufeln ein gemeinsames, einheitliches Werkstück gleichen Baustoffes bilden. Die Ringkörper sind ihrerseits durch Längsanker zu einer Trommel zusammengespannt. Schließlich hat man geteilte Blechschaufeln mit ringförmig an .die Schaufelhälften angesetzten Ringflanschen mit ungeteilten Naben durch Nietung verbunden, um geringbeanspruchte Läufer mit ungekühlten Schaufeln wirtschaftlich in größeren Stückzahlen herstellen zu können.

ao Der bereits erwähnte Übergang zu höheren Umlaufzahlen und damit Umfangsgeschwindigkeiten mit der sich hieraus ergebenden Verringerung der Laufraddurchmesser ermöglicht jedoch auf dem Gebiete der Verpuffungsbrennkraftturbinen bisher unbekannte eigen- und neuartige Laufradausbildungen, die den Vorzug eines verhältnismäßig einfachen Aufbaues, hoher Festigkeit, guter Wärmeleitung und trotz erhöhten Werkstoffaufbaues geringerer Gestehungskosten aufweisen. Die Verhältnisse sind dabei durch Durchflußkühlung, durch den Bereich von etwa 12 000 bis 45 000 Umläufen je Minute, durch Verwendung einkränziger Aktionsräder, durch Umfangsgeschwindigkeiten von mindestens 300 m/sec und darüber sowie durch Laufraddurchmesser zwischen etwa 300 bis zu 100 mm bei Turbinenleistungen von mehreren tausend Kilowatt gekennzeichnet. Laufräder mit so geringen Dimensionen wurden bei Übernahme der bisher bekanntgewordenen Ausbildungen deshalb zu Schwierigkeiten führen, weil die verhältnismäßig klein ausfallende Schaufelrinne im Laufrad zur Durchführung der Schweißvorgänge an den Stoßfugen zwischen den einzelnen Schaufeln und an den seitlichen Flanken der Schaufelfüße nicht mehr so viel Platz gewährt, daß die Gewähr für die völlig einwandfreie Durchführung der Schweißvorgänge übernommen werden könnte. Auch fallen die Schweißflächen so klein aus, daß Unregelmäßigkeiten in den Schweißnähten, Lunkerungen, Hohlraumbildungen usw. zu Betriebsgefährdungen führen könnten. Andere Bauarten lassen keine Schaufelkühlung zu, insbesondere nicht Bauarten mit aus einem Werkstoffstück hergestellten Naben-, Scheiben- und Schaufelkörpern. Alle Trommelbauarten scheiden aus, weil eine Ausbildung als Scheibe gleicher Festigkeit erstrebt wird. Vereinigt man diese zu Trommeln, so entsteht ein zur Unwirtschaftlichkeit führender Werkstoffaufwand.

Die genannten Schwierigkeiten und Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß, ausgehend von Laufradanordnungen, bei denen die Laufradschaufeln mit einem sie verbindenden, geschlossenen Ringkörper als gemeinsames, einheitliches Werkstück gleichen Durchmessers ausgebildet sind, der die Schaufeln bildende Ringkörper auf einem an ihm über die innere Begrenzungsfläche des Ringkörpers anliegenden Läufernabenstück angeordnet ist. Aus dem völlig homogenen und bezüglich seiner Homogenität leicht überprüfbaren, einheitlichen Schaufelring sind die Schaufeln herausgearbeitet, beispielsweise ausgefräst. Der Schaufelring selbst besteht aus einem und demselben dauerstandsfesten und hochhitzebeständigen Werkstoff, wobei er beispielsweise in einem Stück geschmiedet oder gepreßt sein kann. Die Verbindung des einteiligen Schaufelringes mit dem Lauf ernabenstück kann in der verschiedensten Weise vorgenommen sein. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, den Schaufelring auf das Läufernabenstück aufzuschrauben oder aufzuschrumpfen bzw. aufzupressen. Auch eine Aufschweißung des Schaufelringes kommt in Betracht. Sämtliche dieser Ausbildungen des Laufrades haben den besonderen Vorteil, daß es ohne weiteres möglich ist, zwischen der inneren Begrenzungsfläche des Ringkörpers und der Sitzfläche des Läufernabenstückes peripher verlaufende Ausnehmungen vorzusehen, die mit Kühlmittelzu- bzw. -abführungskanälen, nach Vereinigung der Bauteile zum Laufrad, in Verbindung stehen, so daß die Schaufeln von der Schaufelwurzel aus in der Weise gekühlt sind, wie man bisher die Schaufelfüße selbständiger Schaufeln im Wege der sogenannten Schaufelfußkühlung vor zu großer Wärmeabgabe an das Laufradmittel- und -nabenstück bewahren bzw. die Schaufeln selbst ausreichend kühlen konnte. Naturgemäß ist es nicht erforderlich, daß die Kühlmittelzu- und -abführungskanäle unmittelbar in den Kühlraum einmünden. Es gibt auch die Möglichkeit, einen Teil des Kühlkanals im Läufernabenstück unterzubringen, so daß die radiale Höhe des Schaufelringes herabgezogen werden kann. Eine derartige Laufradanordnung kommt für höchstbeanspruchte Turbinen in Betracht, bei denen den thermischen Ansprüchen durch ungekühlte Laufradschaufeln nicht mehr genügt werden kann. Die gleichen Beanspruchungen führen dazu, daß man für den Schaufelring zweckmäßig höherwertige Baustoffe als für das voluminösere Lauf er nabenstück verwendet. Das ist ohne jeden Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit derartiger Turbinenausbildungen möglich, da der Werkstoffaufwand für den Schaufelring einen Bruchteil des Werkstoffaufwandes für den Läufer verursacht.

Wird ein einteiliger. Schaufelring mit dem Läufernabenstück durch Schweißung verbunden, so ist es zweckmäßig, die Schweißspannungen durch nachträgliches Erwärmen des fertigen Läufers auf etwa 700⁰ C zu beseitigen. Dabei ist es gleichgültig, ob die Schaufeln ays dem Schaufelring vor oder iao nach dem Aufschweißen, etwa durch Ausfräsen, hergestellt werden. Jedoch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Läufer als Ganzes zunächst auszuglühen und erst dann die Herstellung der Schaufeln durchzuführen. Man ist auch nicht darauf angewiesen, die Schaufelringe auszuschmieden oder

auszupressen bzw. auszuschlagen. Die Schaufelringe können auch durch Gießen oder aus Sinterwerkstoffen hergestellt sein, so daß überhaupt keine Nacharbeiten oder nur geringes Nachschleifen erforderlich werden.

Die Zeichnung gibt Ausführungsbeispiele für die

dargestellten grundsätzlichen Möglichkeiten wieder.

Fig. ι stellt einen senkrechten Längsschnitt nach

Linie I-I der Fig. 2 durch eine Laufradanordnung dar, bei welcher der an die Laufradschaufeln angrenzende Läuferteil als geschlossener, einteiliger Ring ausgebildet ist;

Fig. 2 gibt den entsprechenden senkrechten Längsschnitt durch die. gleiche Laufradausbildung wieder.

Nach der Zeichnung besteht der an die Laufradschaufeln ι angrenzende Läuferteil 2 mit den Laufradschaufeln 1 aus demselben einheitlichen Baustoff, so daß ein als einteiliger Schaufelring bezeichneter, selbständiger Bauteil 1, 2 entsteht. Vorhanden ist außerdem das Läufernabenstück 3. Beide Teile sind im Ausführungsbeispiel durch Schweißung miteinander vereinigt. Die seitlich liegenden kräftigen Schweißraupen sind mit 4 und S bezeichnet. Vorgesehen ist weiter eine Wurzelkühlung der Schaufeln 1. Zu diesem Zwecke ist in dem einteiligen Schaufelring 2 eine peripher durchgehende, ringförmige Ausnehmung 6 vorgesehen, die an der Stoßfuge 7 zwischen Schaufelring i, 2 und Läufernabenstück 3, also an der inneren Begrenzungsfläche des Schaufelringes 2, offen ausmündet. Ein entsprechend ausgebildeter Kühlkanal 8 ist in der äußeren Begrenzungsfläche des Läufernabenstückes 3 ausgespart, so daß die Ausnehmungen 6 und 8 gemeinsam den Kühlkanal bilden, der die Schaufeln 1 von den Schaufelwurzeln aus kühlt. In den Kühlkanal 6, 8 münden im Läufernabenstück 3 vorgesehene Kühlmittelzuführungen 8 bzw. Kühlmittelabführungen 10, wobei durch nicht gezeichnete Scheidewände in dem Kühlkanal 6, 8 dafür gesorgt sein kann, daß der Kühlkanal 6, 8 auf seinem vollen Umfang vom Kühlmittel durchströmt wird. Die Kanäle 9, 10 münden in eine Axialbohrung 11 des Läufernaben-Stückes 3 ein, die wiederum, etwa durch das Rohr 12, unterteilt sein kann, um bei Nebeneinanderanordnung mehrerer Schaufelringe 1, 2 auf demselben Nabenstück für einen geordneten Kühlmittelzu- bzw. -abfluß sorgen können. Abschlußkörper 13 können zu dem gleichen Zwecke vorhanden sein. Sie können insbesondere eine Formgebung aufweisen, bei der in den Teilen 11, 12 keine unnötigen Strömungs- und Krümmerwiderstände auftreten, so daß sie als Leitkörper wirken.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Laufradanordnung für Verpuffungsbrennkrattturbinen hoher Drehzahl, in der die Laufradschaufeln mit einem sie verbindenden geschlossenen Ringkörper als gemeinsames, einheitliches Werkstück gleichen Baustoffes ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schaufeln bildende Ringkörper auf einem an ihm über die innere Begrenzungsfläche des Ringkörpers anliegenden Läufernabenstück angeordnet ist.

2. Laufradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper mit dem Läufernabenstück mittels auf seiner inneren Begrenzungsfläche bzw. auf der Sitzfläche des Läufernabenstückes für den Ringkörper angeordneter Gewindegänge verschraubt ist.

3. Laufradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper auf das Läufernabenstück aufgeschrumpft ist.

4. Laufradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper auf das Läufernabenstück aufgeschweißt ist.

S- Laufradanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der inneren Begrenzungsfläche des Ringkörpers und der Sitzfläche des Läufernabenstückes für den Ringkörper peripher verlaufende Ausnehmungen vorgesehen sind, die mit Kühlmittelzu- bzw. -abführungskanälen in Verbindung stehen, so daß die Schaufeln gekühlt sind.

In "Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 870 595;
USA.-Patentschrift Nr. 2428728;
The Marine Engineer and Naval Architect, Bd. 73 (1950), Nr. 855, S. 535.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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