DE1059245B

DE1059245B - Radiallaufrad fuer Kreiselradmaschinen, insbesondere fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE1059245B
Application number: DEM37606A
Authority: DE
Inventors: Anton Siegert
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1958-05-08
Filing date: 1958-05-08
Publication date: 1959-06-11

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für Kreiselradmaschinen mit im wesentlichen radialer Durchströmrichtung des insbesondere heißen Arbeitsmittels, wie es beispielsweise in Gasturbinen zur Verwendung gelangt.

Bekannt ist ein Laufrad für Fliehkraftverdichter, bei dem der die Schaufeln tragende Schaufelkörper aus einem Werkstoff geringerer Festigkeit, z. B. Leichtmetall, sich an einem in axialer Richtung vorstehenden Bund oder auch mehreren Bunden eines scheibenförmigen Tragkörpers abstützt, welch letzterer somit den wesentlichen Teil der Fliehkräfte aufzunehmen hat. Die Schaufeln des einteilig ausgebildeten Schaufelkörpers sind dabei allerdings noch erheblichen Zugbeanspruchungen ausgesetzt, so daß für dessen Herstellung keramische Werkstoffe, deren Zugfestigkeit weit unter der Druckfestigkeit liegt, nicht verwendet werden können. Aber gerade diese Werkstoffe zeichnen sich durch große Festigkeit bei hohen Temperaturen und gleichzeitig hoher Temperatur-Wechselbeständigkeit aus, also solchen Eigenschaften, die von Werkstoffen für Laufschaufeln heiß betriebener Turbinen, z. B. Gasturbinen, gefordert werden.

Im Unterschied hierzu besteht der Schaufelkörper des Laufrades nach der vorliegenden Erfindung aus mehreren Segmenten, deren dem Tragkörper zugewendeten Rückseiten als zur Laufradachse schrägliegende zusätzliche Stützflächen ausgebildet sind, mit denen sie sich an ebenso verlaufenden Gegenstützflächen des Tragkörpers abstützen. Mit diesen Maßnahmen wird aber nicht nur die Stützfläche des Schaufelkörpers vergrößert, sondern es wird — was für die Verwendung keramischer Werkstoffe von entscheidender Bedeutung ist — erreicht, daß der Schaufelkörper und auch die an ihm befestigten Schaufeln in ganz beträchtlichem Umfange von Zugkräften entlastet werden. Die Neigung der zusätzlichen Stützfläche, d. h. der Winkel, den eine in ihr liegende, die Laufradachse schneidende Gerade mit dieser Achse nach der Schaufelseite hin einschließt, wird zweckmäßig so gewählt, daß der Schwerpunkt eines jeden Segments innerhalb des von den Gegenstützflächen des Tragkörpers, also von der Bundfläche und den Schrägflächen umschlossenen Raumes liegt. Zur Vermeidung von Biegespannungen können die Schaufelflächen so ausgebildet sein, daß ihre Erzeugenden Geraden sind, die senkrecht zur Laufradachse liegen.

Schon die vorstehenden Erörterungen lassen erkennen, daß bei einem im wesentlichen radial durchströmten Laufrad unvergleichlich größere Schwierigkeiten in der Beseitigung oder auch nur Verminderung der durch Fliehkräfte ausgelösten Zugspannungen auftreten als bei einem Laufrad mit axialer Durchströmrichtung. Für solche sind nämlich schon verschiedent-Radiallaufrad für Kreiselradmaschinen,
insbesondere für Gasturbinen

Anmelder:

Mas cbinenf abrik
Augsburg-Nürnberg A. G.,
Augsburg, Stadtbachstr. 7

Anton Siegert, Stadtbergen über Augsburg,
ist als Erfinder genannt worden

lieh Vorschläge gemacht worden, das Auftreten von Zugkräften an Laufschaufeln völlig zu verhindern, indem diese am Innenumfang einer Läufertrommel angeordnet werden oder sich an einem die Schaufel in Längsrichtung durchdringenden Bolzen oder Stift abstützen.

Der Erfindungsgegenstand wird an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein zweifach beschaufeltes Laufrad, dessen eine Seite als Turbinen- und die andere Seite als Verdichterschaufelung arbeitet, und

Fig. 2 die Draufsicht des Laufrades nach Fig. 1 in Blickrichtung des Pfeiles A.

Der rotationssymmetrische, scheibenförmige Tragkörper 1 mit dem Wellenstummel 2 ist am Außenrand mit einem in axialer Richtung vorstehenden Bund 4 versehen, an dem sich die Segmente 5 des die Laufschaufeln 6 haltenden Schaufelkörpers abstützen. Die von den Schaufeln 6 gebildeten Kanäle werden in Richtung des Pfeiles t von einem heißen Treibmittel durchströmt. Die Segmente bestehen aus einem keramischen Werkstoff hoher mechanischer Festigkeit und hoher Temperaturwechselbeständigkeit, z. B. Steatit mit Zuschlägen von Siliciumcarbid, und der Tragkörper ist aus einem warmfesten Stahl hergestellt. Die dem Tragkörper 1 zugewendeten Rückseiten 5 α der Segmente 5 sind als zur Laufradachse x-x schrägliegende Stützflächen ausgebildet und werden damit zusätzlich an ebenso verlaufenden Gegenstützflächen 1 a des Tragkörpers 1 abgestützt. Die schrägen Stützflächen können kegelförmig oder auch pyramidenförmig sein. Ihre Neigung zur Laufradachse, das ist also der halbe Spitzenwinkel des Kegels bzw. der Pyramide, beträgt im vorliegenden Falle α = 75°.

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Ferner ist jedes Segment 5 hinsichtlich der Massenverteilung so ausgebildet, · daß der Massenschwerpunkt S₀ innerhalb des von der Bundfläche 4 und der Stützfläche 1 α umschlossenen Raumes liegt. Der Abstand des Schwerpunktes .S₀ von der äußeren Kante des Bundes 4 ist mit α bezeichnet; er ist ein Maß für die Sicherheit gegen das Auskippen eines Segmentes aus dem Verband. Die Mutter 10 sichert die Segmente 5 ebenfalls gegen axiale Verschiebungen. Zwischen die Stütz- und Gegenstützflächen la, 5a können auch an sich bekannte Zwischenschichten, z. B. aus Kupfer-Asbest oder sogenannte »Matrazen«, bestehend aus einem leicht verformbaren Drahtgewebe mit Umhüllung aus einem dünnen Stahl- oder Messingblech, angeordnet sein, die den Wärmeübergang vom keramischen Schaufelkörper zum stählernen Tragkörper verringern und/oder eine bessere Druckverteilung in den Anlageflächen bewirken.

Am Tragkörper 1 sind außerdem noch Verdichterschaufeln 11 angebracht, die in Richtung des Pfeiles ν beaufschlagt werden.

Zur Bildung einer gasförmigen Wärmedämmschicht zwischen den Stütz- und Gegenstützflächen wird den Schaufelkanälen des Verdichters durch Bohrungen 7 Luft entnommen und dem ringförmigen Verteilkanal 8 zugeführt. Von hier aus gelangt die Luft in spiralförmige Rillen 9, welche in die Stütz- oder Gegenstützflächen der Segmente 5 bzw. des Tragkörpers 1 eingearbeitet sind. Die abgezweigte Luftmenge ist hierbei im Vergleich zu bekannten Luftkühlungssystemen wesentlich geringer, da damit lediglich eine geringe Ventilation in den Rillen 9 angestrebt wird. Die aufgeheizte Luft wird am Bund 4 in den Treibmittelkanal entlassen.

Um das »Wandern« der Segmente des Schaufelkörpers zu unterbinden, was besonders beim Auftreten TOn Drehbeschleunigungen während des Anfahrens ader Abstellens der Turbine auftreten kann, sind im Tragkörper 1 kleine Dübel 3 eingelassen, deren vorstehender Teil in Ausnehmungen der Segmente eingreift. Zur Einhaltung der Rotationssymmetrie empfiehlt es sich, mindestens zwei solcher Dübel entsprechend anzuordnen.

Claims

Patentansprüche: 45

1. Laufrad für Kreiselradmaschinen mit im wesentlichen radialer oder diagonaler Durchströmrichtung des Arbeitsmittels, insbesondere für Gasturbinen, wobei der die Laufschaufeln tragende Schaufelkörper aus einem Werkstoff geringerer Festigkeit, vorzugsweise Keramik, sich an einem in axialer Richtung vorstehenden Bund eines Tragkörpers abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkörper aus mehreren Segmenten (5) besteht, deren dem Tragkörper (1) zugewendeten ' Rückseiten (5 a) als zur Laufradachse (x-x) schrägliegende Stützflächen ausgebildet sind, mit denen sie sich zusätzlich an ebenso verlaufenden Gegenstützflächen des Tragkörpers abstützen.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt (S₀) eines jeden Segments (5) innerhalb des von den Gegenstützflächen der Tragscheibe (1) umschlossenen Raumes liegt.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugenden der Schaufelflächen in an sich bekannter Weise Geraden sind, die senkrecht zur Laufradachse liegen.

4. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stützflächen der Segmente (5) und der Tragscheibe in an sich bekannter Weise Zwischenschichten zur Verringerung des Wärmeüberganges und/oder zur gleichmäßigen Druckverteilung angeordnet sind.

5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schaufeln tragenden Segmente (5) aus keramischem Werkstoff und die Tragscheibe (1) aus warmfestem Stahl besteht.

6. Laufrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Tragscheibe (1) mit Laufschaufeln (6) versehen ist.

7. Laufrad nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Schaufeln als Turbinenschaufeln zur Entspannung heißen Arbeitsmittels und die an dem Tragkörper (1) angebrachten Schaufeln als Verdichterschaufeln zur Verdichtung von kalter Luft ausgelegt sind.

8. Laufrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Stütz- oder Gegenstützflächen der Segmente (5) bzw. der Tragscheibe (1) Rillen (9) eingearbeitet sind, denen durch Kanäle (7) im Tragkörper (1) aus den verdichterseitigen Laufschaufelkanälen Luft zugeführt wird.

9. Laufrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Rillen (9) durchströmende Kühlluft nahe dem Umfang der Tragscheibe in den Treibmittelkanal abströmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 712 910.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen