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Einrichtung zur Begrenzung der Höchstdrehzahl eines Turbinenläufers
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Begrenzung .der Höchstdrehzahl
eines Turbinenläufers durch Anbringen von Sollbruchstellen in der Beschaufelung,
die bei Überschreiten einer bestimmten Grenzdrehzahl unter der Wirkung der Zentrifugalkraft
nachgeben.
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Es ist eine Einrichtung dieser Art bekannt, bei der jede Schaufel
an -der Läuferscheibe mittels eines Scherstiftes befestigt ist, der so bemessen
ist, daß er bei der Grenzdrehzahl abgeschert wird, worantf die ganze Schaufel abgesch@leudert
wird. Damit wird beim Versagen der üblichen Drehzahlbegrenzungs-und Sicherheitseinrichtungen
eine völlfige Zerstörung der Turbine older der angeschlossenen Arbeitsmaschine verhindert.
Ales Nachteil ,dieser bekannten Einrichtung ist die Tatsache anzusehen, d.aß die
Schaufelkonstruktion maßgeblich durch das Vorhandensein dies Scherstiftes bedingt
ist. Es ist daher nicht möglich, auf die für den jeweiligen Zweck günstigste Art
der Schaufelbefestigung zurückzugreifen, beispielsweise die Schaufeln an der Läuferscheibe
anzuschweißen. oder die Schaufeln mit schwalbenschiwanzförmigen Füßen zu versehen,
die in eine Nut am Umfang der Läuferscheibe eingeschoben werden. Die Schaufelbefestigung
mittels Scherstiften ist einerseits verhältnismäßig teuer und andererseits für den
normalen Turbinernbetrieh nicht die günstigste Lösung.
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Demgegenüber ist das Ziel eine Einrichtung der eingangs angegebenen
Art, bei der das Anbringen der So-ll.bruchstell:e die Schaufelbefestigung nicht
beeinflußt, so daß die für den jeweils vorliegenden Anwendungsfall günstigste Art
der Schaufelbefestigung angewendet werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, claß die Sollbruchstelle
in dem beaufschlagten Schaufelteil derart angebracht ist, daß nach dem Abbre-chen
der radial außerhalb der Sollbruchstelle liegenden Schaufelabschnitte die verbleibenden
Schaufelstummel zur Beschleunigung der Turbine nicht ausreichen.
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Da bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die Sollbruchstelle iim beaufschlagten
Schaufelteil liegt, kann die Verbindung zwischen Schaufelfuß und Läuferscheibe in
jeder beliebigen Weise erfolgen, wobei die besonderen Eigenschaften der gewählten
Befestigungsart im normalen Betrieb voll erhalten bleiben. Bei Erreichen der Grenzdrehzahl
können die abgeschleuderten Massen auf den Mindestwert beschränkt bleiben, da nur
die zur Beschleunigung erforderlichen Schaufelteile abbrechen, während der Rest
der Schaufeln mit der Läuferscheibe verbunden bleibt. Die erfinidungsgemäße Lösung
bringt keine Erhöhung des Turbinengewichts mit sich, und sie kann ohne Schwierigkeit
bei vorhandenen Turbinen angewendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Sollbruchstelle
durch eine quer durch die Schaufel verlaufende Bohrung gebildet.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der
Läufer von einem ringförmigen Ablenkglied umgeben ist, das die abgebrochenen Schaufelteile
nach innen ablenkt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß nach dem Abbrechen einer
Schaufel der abgeschleuderte Schaufelteil auf weitere Schaufeln trifft, die dadurch
ihrerseits abbrechen, so daß in kürzester Zeit sämtliche Schaufeln abgeschleudert
sind, selbst wenn die Sollbruchstellen nicht genau gleich bemessen sind.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Darin zeigt Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Luftturbine, Fig. 2 eine
perspektivische Ansicht eines Teils des Läuferumfangs bei der Turbine nach Fig.
1 und Fig. 3 einen Schnitt durch die Schaufeln des Turbinenläufers nach Fig. 2 auf
der Höhe der Sollbruchstelle.
Fi-. 1 zeigt die Anwendung der Erfindung
bei einer Luftturbine, wie sie zum Antrieb von Strom-oder Notstromaggregaten in
Flugzeugen verwendet wird. Als Antriebsmittel dient Preßluft, die durch eine Zuleitung
10 beispielsweise von dem Verdichter eines Strahltriebwerkes geliefert wird. Die
Zuleitung 10 ist an einen konisch geformten Einlaßabschnitt 11 angeschlossen,
in dem eine Anzahl Leitschaufeln 12 angeordnet ist. Diese richten den Luftstrom
auf die Laufschaufeln 13, die an einem Turbinenläufer 14 montiert sind. Bei der
dargestellten Ausführungsform ist der Turbinenläufer 14 aus einem Stück mit Gier
Welle 15 gebildet. die in Lagern 16 und 17 drehbar gelagert ist. jede Schaufel
13 besteht aus einem beaufschlagten Profilabschnitt 26 und einem Schaufelfuß
27. Die Schaufelfüße 27 sind in herkömmlicher Weise in den Turbinenläufer 14 eingefügt
oder .daran zangescllweißt. Am Ende der Welle 15 ist mittels einer Mutter 19 ein
Zahnrad 18 befestigt, das mit der «nzutreibenden Maschine, z. B. einem elektrischen
Generator, verbunden ist. Die Turbinenabluft wird durch einen Auslaßtei120 in einen
Abgaskanal geleitet, der an einem Flansch 21 befestigt ist.
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Unter normalen Betriebsbedingungen erfolgt die Regelung der Drehzahl
des Turbinenläufers durch Regelung der Luftzufuhr zur Turbine mittels einer Klappe
22, die in Lagern 23 und 24 in der Zuleitung 10 gelagert ist. Die Stellung der Klappe
22 wird über einen Betätigungsarm 25 von der Drehzahlregeleinrichtung verändert.
Unter normalen Betriebsbec;ingungen wird also die Drehzahl des Turbinenläufers 14
dadurch auf einem vorher gewählten Wert -ehalten. daß die Luftzufuhr zur Turbine
durch die Klappe 22 geregelt wird. Ferner kann in üblicher Tt"eise eine Sicherheitseinrichtung
vorgesehen sein, die bei Überschreiten einer bestimmten Sicherheitsdrehz_alil die
Turbine durch Schließen der Klappe 22 abschaltet.
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Bei der dargestellten Turbine ist eine zusätzliche Einrichtung vorgesehen,
die bei Versagen der üblichen Drehzahlregel- und Sicherheitseinrichtungen eine Zerstörung
der Turbine oder der angetriebenen Arbeitstna;chine infolge Drehzahlüberhöhung mit
Sicherheit verhindert. Zu diesem Zweck ist in dem Ieaufschlagten Profilabschnitt
26 jeder Schaufel 13in cler Nähe des Schaufelfußes eine Öffnung, z. B. eine Bohrung
28, vorgesehen, die sich im wesentlichen <;uer zur Ebene der Läuferscheibe durch
en Profilteil der Schaufel erstreckt. Wie aus Fig.3 ersichtlich, wird durch das
Vorhandensein der Löcher 28 die Ouerschnittsfläche des Profils an dieser Stelle
vermindert, und der geringste Querschnitt liegt in der Ebene der Mittellinie der
Bohrung. Die verbleibende Ouer-chnittsfläche des Profils ist so bemessen, daß bei
jeder Drehzahl die an dieser Stelle auftretende Spannung größer ist als die in irgendeinem
anderen möglicherweise gefährdeten Abschnitt der Schaufelkonstruktion und daß bei
der gewählten Grenzdre@hzahl eine Dehnungsbruch des Materials an diesem Querschnitt
auftritt. Die diesem Spannungsbruch entsprechende Drehzahl ist vorzugsweise so gewählt,
dal sie wesentlich höher liegt als die Sicherheitsdrehzahl, für die das herkömmliche
Sicherheitssystem konstruiert ist. Die Achsen der Bohrungen 28 sind vorzugsweise
so angeordnet, daß sie die radiialen Mittellinien der Profilteile schneiden, wobei
als radiale 'Mittellinie die radiale Gerade zu verstehen ist, die durch den 'lassemnittelpunktdes
Profils verläuft, so daß beiderseits der radialen Mittellinie des Profils etwa gleiche
'Materialmengen vorhanden sind. Diese Maßnahme vermindert die Auswirkungen der Materialbeseitigung
auf die Schau:felbelastungsmome nte und die Schwingungseigenschaften bzw. die kritische
Drehzahl.
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Im Falle eines Versagens des normalen Drehzahlregelsystems und der
üblichen Sicherheitseinrichtung, also eines Umstandes, der sonst zu einer gefährlichen
Drebzahlü@b:erhöhung der Turbine führen würde. tritt bei der beschriebenen Turbine
bei Erreichen einer festgelegten Grenzdrehzahl ein Bruch der Schaufel an der Stelle
des kleinsten Querschnitts ein, so,daß der radial außerhalb dieser Stelle liegende
Abschnitt der Schaufel abgeschleudert wird. Die Stelle des kritischen Querschnitts
an dem Profilabschnitt 26 ist so gewählt, daß die nachdem Bruch an dem Läufer verbleibenden
Schaufelteile so klein sind, daß sie kein beschleunigendes Drehmoment mehr ausüben
können. Außerdem ist die Sollbruchstelle vorzugsweise so angeordnet, daß die Masse
der abgeschleuderten Schaufelbruchstücke gerade den zur Erfüllung der vorstehenden
Forderung nötigen Mindestw ert hat.
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Innerhalb des Turbinengehäuses sind Einrichtungen zum Aufnehmen der
bei der Bruchdrehzahl vom Läufer abgeschleuderten Schaufelbruchstücke vorgesehen.
Hierzu ist rings um den Turbinenläufer ein Auffangring 29 angeordnet, dessen seitliche
Breite etwas größer ist als die der Schaufeln 13. Dieser Auffangring 29 ist bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Turbinengehäuse aus einem Stück hergestellt.
Das Material und die Form des Halterings 29 sind so gewählt, daß dieser ohne weiteres
die abgeschleuderten Schaufelbruchstücke auffängt und nach innen ablenkt. Dabei
tritt die zusätzliche Wirkung ein, daß die noch nicht abgebrochenen Schaufeln auf
die Bruchstücke schlagen und ihrerseits abgeschleudert werden.
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Der Auffangring 29 kann verhältnismäßig leicht ausgeführt sein, da
die Masse der abgeschleuderten Bruchstücke so gering wie möglich gehalten ist. Es
hat sich ferner gezeigt, daß die schräg verlaufenden und die radialen Profilmittellinien
schneidenden Bohrungen die Schwingungseigenschaften und die Bie;gefes.tigkeit der
Schaufeln nicht beeinträchtigen, so daß die grundlegenden konstruktiven Eigenschaften
des Läufers, z. B. im Hinblick auf den Widerstand gegen Ermüden, im wesentlichen
unbeeinträchtigt bleiben. Es wurde festgestellt, daß die Schwächung des Ouersch@nitts
durch eine Bohrung eine größere Steifigkeit der Schaufeln gewährleistet, als dies
beispielsweise mit herben der Fa1.1 wäre.