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Publication number: DEM0020101MA
Authority: DE

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 19. September 1953 Bekanntgemacht am 29. Dezember 1955

DEUTSCHES PATENTAMT

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 Flanschansätze 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 ScheibenbaustofT und die Spannbolzen.

Wesentlich günstiger im Hinblick auf die Bauteilfestigkeit sind demgegenüber solche Läufer von Kreiselmaschinen, deren scheibenförmige Teilstücke (möglichst ohne Bohrung) entweder am

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äußeren Umfang oder an den gegenseitigen Berührungsstellen der ringförmigen Flanschansätze miteinander verschweißt sind. Die Durchführbarkeit

; einer einwandfreien Schweißverbindung ohne Formverzug und Schweißrestspannungen bei der Ferti-

;.":'. gung 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 Trommel 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 Gründen aus Einzelscheiben zusammengesetzt ist und dessen einzelne scheiben-

, förmige Bauelemente im Hinblick auf etwaige Reparaturfälle lösbar miteinander verbunden sind. Die Forderung nach einer Auswechselbarkeit einzelner Scheibenteile oder Scheiben 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. ■

Es ist nun eine zusammengesetzte Läuferbauart für eine mehrstufige axialbeaufschlagte 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 einzelnen Scheiben miteinander ermöglichen. Die

50, Schraubverbindungen werden durch in die Oberfläche des Läufers eingelegte Füllstücke gesichert. Für hohe Treibmitteltemperaturen ist diese bekannte Bauart jedoch nicht geeignet, da die die einzelnen Läuferscheiben verbindenden Gewinde im

55. Betrieb festbrennen, so daß ein Trennen der einzelnen Scheiben ohne Zerstörung der Ringansätze nicht mehr möglich ist.

Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Läuferbauarten für mehrstufige axiale

69.. 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.

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 — ge- go ringer 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 klam- merartigen Spannglieder, die über die kegelförmigen 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 Sonderkiemmutter werden zweckmäßigerweise so gestaltet, daß sowohl das Spanngewinde als auch die Steifigkeit der Klammerschenkel ein Höchstmaß an Gestaltfestigkeit erhalten. Eine zusätzliche Ab-Stützung an den Stirnseiten der Scheiben bei Überschreiten einer gewissen elastischen Deformation ist möglich. Bei den Verspannungseinrichtungen, welche gleichmäßig über den Scheibenumfang verteilt sind, ergibt es sich von selbst, daß das außerhalb der Sonderkiemmutter liegende Stück des-Spannelementes gleichzeitig mit der Erzwingung des Verklammerungsformschlusses auch die Übertragung des Drehmomentes von Scheibe zu Scheibe übernimmt, weil dieser Teil wie ein radialer Scher- oder Führungsstift in den Ringansatz der Scheiben

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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

ίο 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 vorgesehen 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.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines Läufers nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. ι 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 d!ie 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. S die Verbindungsstelle zweier benachbarter Tragscheiben, wobei sich der Gewindebolzen unter Zwischenschaltung eines Ringes anderer Wärmeausdehnung gegen den Stützrand der einen Tragscheibe abstützt.

Die Fig. 1 zeigt im Schnitt einen fliegend gelagerten Läufer einer zweistufigen Gas- oder Dampfturbine. Dieser besteht aus den beiden scheibenförmigen Bauelementen i_a und Ij, welche in bekannter Weise eine innere Zentrierandrehung 2 aufweisen. Am äußeren Rand jedes Scheibenteiles ist ein kragenartiger Ringansatz 3_e, 3_& angedreht, längs welchem sich die beiden Scheiben i_a und I₀ gegenseitig berühren. An der Innenseite dieser Ansätze 3_fl und 3j ist jeweils eine kegelförmige Anlagefläche4_a, 4_b angeordnet,, gegen die klammerartige Spannglieder S mit gleichfalls kegelförmigen Sitzflächen angepreßt werden. Die Anpreßbewegung bewirken bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 Schraubenbolzen 6, welche die Spannglieder 5 in radialer Richtung nach außen an die Anlageflächen 4_a, \_b der Ringflanschansätze 3_fl, 3_& heranziehen. Der Kopfteil 7 der Schraubenbolzen 6 ist dabei kegelförmig gestaltet und kommt an entsprechenden Ausnehmungen der beiden sich berührenden Ringflanschansätze 3_a, 3_& 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.

Der grundsätzliche Aufbau des Läufers nach Fig. 2 ist im wesentlichen der gleiche wie bei Fig. 1. Auch hier handelt es sich um eine zweistufige Strömungsmaschine mit fliegender Lagerung des Laufzeuges. Die beiden Läuferscheiben n_fl, ii;, sind go wiederum mit einer Innenzentrierandrehung 12 versehen und weisen an ihrem äußeren Umfang je einen kragenartigen Ringansatz I3_a, i3_& auf. An dessen Innenseite sind, wie beim Läufer nach Fig. T, kegelförmige Anlagefiächen 14«, I4_& 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 berühreriden Ringflanschansätze I3_a, i3₆ eingeführt ist. Dieser zylindrische Ansatz 18 unterstützt außerdem noch die Zentrierung der beiden Scheibenteile ii_a, ii_& und sichert deren Mittighalten im Betrieb bei einer unterschiedlichen Erwärmung und Dehnung des Scheibenwerkstoffes.

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 2i_fl, 2I₆, welche jeweils einen kragenartigen Ringansatz 22_α, 22₆ aufweisen, gegen welchen das Spannglied 23 von innen her angedruckt wird. Der Anpreßdruck wird dabei mittels einer Spannmutter 24 erzeugt, welche durch einen

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sich am Stützrand 25 der einen Tragscheibe abstützenden Gewindebolzen 26 radial nach außen gepreßt wird. Die Neigung der kegeligen Berührungsflächen zwischen Spannglied 23 und Spatin-, mutter 24 ist so gewählt, daß die Kegelspitze etwa in gleicher radialer Höhe mit den kegeligen Klemmflächen der Ringansätze 22, 22₆ liegt. In Fig. 4 und 5 erfolgt die gegenseitige Verspannung der Tragscheiben 31 _a, 3I₆ bzw. 4I₀ und 41^ in gleicher Weise wie beim Beispiel der Fig. 3, nämlich mittels des Spanngliedes 33 bzw. 43 sowie der Spannmutter 34 bzw. 44. In Fig. 4 sind aber zum Ausgleich der Wärmedehnung des Gewinidebolzens 36 einige Tellerfederringe 37 zwischen das Ende des Gewindebolzens und den Stützrand 35 der einen Tragscheibe 31_& zwischengeschaltet, während beini 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 4I₆ abstützt.

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 erfmdungsgemäße Verbindung für jedes einzelne Tragscheibenpaar anwendet.

Claims

Patentansprüche:

i. Läufer für mehrstufige, axial durchströmte Kreiselradmaschinen, insbesondere Gasturbinen, die aus mindestens zwei lösbar miteinander verbundenen, scheibenförmigen Bauelementen bestehen, die sich an ihrem Außenumfang längs je eines knagenartigen. Ringansatzes berühren', dadurch gekennzeichnet, 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.
2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die klammerartigen Spannglieder mittels Schraubenbolzen in radialer Richtung nach außen an die kegelförmigen Anlageflächen der beiden sich berührenden Ringflanschansätze angezogen werden.
3. Läufer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenbolzen kegelförmige Kopfteile aufweisen, welche in entsprechend gestalteten Ausnehmungen der sich berührenden Ringflanschansätze zur Anlage kommen.
4. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die klammerartigen Spannglieder mittels Gewindebolzen, welche eine zapfenförmige Verlängerung zur Abstützung gegen die Scheibennabe aufweisen, in radialer Richtung nach außen an die kegelförmigen Anlageflächen der beiden sich berührenden Ringflanschansätze angedrückt werden.
5. Läufer nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindebolzen an ihrem äußeren Teil einen zylindrischen, als Scherstift ausgebildeten Abschnitt aufweisen, welcher in entsprechend gestaltete Ausnehmungen der berührenden Ringflanschansätze eingeführt ist.
6. Läufer nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die klammerartigen Spannglieder mittels eines Gewindebolzens und einer Spannmutter in radialer Richtung nach außen an die kegelförmigen Anlageflächen der beiden sich berührenden Ringflanschansätze angepreßt werden, wobei die Neigung der kegeligen Berührungsflächen zwischen Spannglied und Spannmutter so gewählt ist, daß die Kegelspitze etwa in gleicher radialer Höhe mit den kegeligen Klemmflächen der Ringflanschansätze liegt.
7. Läufer nach Anspruch 1 und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung des Gewindebolzens gegenüber dem Stützrand der einen Tragscheibe unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer sich elastisch verformbaren ■ Federglieder erfolgt.
8. Läufer nach Anspruch 1 und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung des Gewindebolzens gegenüber dem Stützrand der einen Tragscheibe unter Zwischenschaltung eines achsmittig geführten Ringes erfolgt, der aus einem Werkstoff mit anderer Wärmedehnung hergestellt ist.

Angezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 611 405.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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