DE940226C

DE940226C - Hohlschaufel fuer axial durchstroemte Turbinen

Info

Publication number: DE940226C
Application number: DEH5128D
Authority: DE
Inventors: Max Dr-Ing Bentele; Hans Buehrer; Adolf Dr-Ing Slattenscheck; Hubert Dipl-Ing Walter
Original assignee: Ernst Heinkel AG
Current assignee: Ernst Heinkel AG
Priority date: 1943-11-06
Filing date: 1943-11-06
Publication date: 1956-04-12

Description

Hohlschaufel für axial durchströmte Turbinen Die Erfindung betrifft eine Hohlschaufel für axial durchströmte Turbinen, die aus einem topfförmigen, vorzugsweise aus einer Platine gezogenen Körper hergestellt ist, dessen Boden zur Befestigung der Schaufel im Laufrad dient, während der vorzugsweise zylindrische und vorzugsweise vom Boden zum Rand dünner werdende Mantel- des Topfes in die Schaufelprofilform gebracht ist.
Es war bisher üblich, derartige Schaufeln in mehreren, vorzugsweise spanabhebenden Arbeitsgängen vorzubearbeiten, an die sich preß- oder schweißtechnische Arbeitsgänge anschließen mußten. Zur Vermeidung dieser verschiedenen Arbeitsgänge, insbesondere jeglicher spanabhebenden Fertigung, wurde vorgeschlagen, hohle Propellerflügel aus topfförmigen Körpern herzustellen. Dabei wurde aber der Boden des topfförmigen Körpers nicht zur Befestigung verwendet, sondern nur der zylindrische Mantel durch Verformung in die strömungstechnisch bedingte Flügelform gebracht. Hohle, nahtlose Turbinenschaufeln wurden ebenfalls bereits aus topfförmigen Körpern hergestellt; der prismatische Mantel solcher Schaufeln wurde entsprechend verformt, und der Boden bildete den Schaufelfuß und diente zur Befestigung der Schaufeln im Laufrad.
Nach der Erfindung ist bei einer eingangs beschriebenen Hohlschaufel der Boden des topfförmigen Körpers im Bereich des Schaufelfußes ösenartig geformt und mit Ausnehmungen versehen, in welche zwecks Befestigung im Laufrad das oder die Halteorgane, z. B. ein Stift, eingreifen. Soll für die Hohlschaufel eine Innenkühlung vorgesehen werden, so ist es zweckmäßig, die für das oder die Halteorgane vorgesehenen Ausnehinungen zwecks Zuführung von Kühlluft in das Schaufelinnere zu erweitern, so däß auf besondere Kühlluftzufuhrkanäle verzichtet werden kann.
Um diese Ausnehmungen in einem spanlosen Arbeitsgang aus dem topfförmigen Körper herausarbeiten zu können, werden erfindungsgemäß diese durch Schnittstempel von außen und einen entsprechend.geformten Dorn im Innern des topfförmigen Körpers spanlos hergestellt.
Da der wirksame Querschnitt durch die im Boden des topfförmigen Körpers herausgearbeiteten Ausnehmungen stark verringert wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Wand des topfförmigen Körpers, die ja vom Boden zur Schaufelspitze dünner wird, im wesentlichem erst oberhalb der Ausnehmungen dünner werden zu lassen.
Für Schaufeln von thermisch hochbelasteten Turbinen wird man ein Kühlmittel vorsehen, das z. B. einer Umfangsnut -der Turbinenscheibe entnommen wird, die durch einen an sich bekannten gabelförmigen Querschnitt der Turbinenscheibe gebildet wird. Um zu verhindern, daß die aus diesem Kühlkanal den Schaufelfuß umströmende Kühlluft aus der Turbinenscheibe austreten kann, wird die Ausdrehung der Turbinenscheibe zwischen den Schaufeln durch an sich bekannte Abdeckbleche abgedeckt. Eine bevorzugte Ausführungsform schlägt vor, daß diese Abdeckbleche sich in an sich bekannter Weise um die beiden Stirnseiten des Läufers legen und durch das oder die zur Befestigung der Hohlschaufel vorgesehenen Halteorgane, beispielsweise durch einen Haltestift, gehalten werden.
Während der Wärmeübergang von dem die Turbine beaufschlagenden Arbeitsmittel zur Turbinenschaufel durch die thermodynamischen Verhältnisse der Turbine gegeben ist, läßt sich der Wärmeübergang von dem die Hohlschaufel durchfließenden Kühlmittel zur Schaufel dadurch verbessern, daß durch einen Verdränger, der erfindungsgemäß im Innern der Hohlschaufel vorgesehen wird, die Kühlluftgeschwindigkeiten erhöht und die Kühlluftquerschnitte so geformt werden, daß -sie im Verhältnis zum Flächeninhalt des Schaufelquerschnittes einen möglichst großen Umfang erhalten. Dieser Verdränger kann entweder durch die Halteorgane der Hohlschaufel gehalten werden, wobei gegebenenfalls eine zusätzliche Verschweißung mit dem Schaufelblatt vorgenommen wird. Sind die Fliehkräfte durch geringere Umdrehungszahlen oder durch eine besonders leichte Bauweise gering, so ist es ausreichend, wenn der Verdränger lediglieh an dem Schaufelblatt befestigt wird.
Um das Kühlmittel in diejenigen Schaufelzonen zu leiten, die am stärksten thermisch belastet sind, ist es zweckmäßig, den Verdränger mit geeigneten Lappen zu versehen, die zur Führung, zur Verteilung und Drosselung der Kühlluftzufuhr dienen. Da im Betrieb die Fliehkräfte durch die in Schaufelfußnähe angeordneten Lappen auf den Verdränger ein Drehmoment ausüben, das die Verbindung des Verdrängers mit dem Schaufeablatt zu lösen versucht, werden am schaufelkopfseitigen Ende des Verdrängers Umlappungen vorgesehen, die neben der zusätzlichen Drosselung und Führung der Kühlluft infolge des entgegengesetzten Drehmorrientes derü Abheben von dem Schaufelblatt entgegenwirken.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht als Verdränger einen rohrähnlichen, vorzugsweise konisch verlaufenden, zur Schaufelspitze im Querschnitt abnehmenden Körper vor, der sich lediglich über den unteren Teil des Schaufelblattes erstreckt, mit dem er naht- oder punktverschweißt oder verlötet ist. Es wird zweckmäßig sein, in dem rohrförmigen Körper eine Drosselstelle vorzusehen. Diese Drosselung kann sowohl bei diesem rohrförmigen Verdränger wie auch bei den übrigen. durch eine düsenförmige Ausbildung geschehen, die beispielsweise durch Stauchen des Verdrängers erhalten wird.
Der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung zu entnehmen, und zwar zeigt Abb. i den topfförmigen Rohling im Längs- und Querschnitt, Abb. 2 die Befestigung der Hohlschaufel'auf denn Turbinenläufer, Abb. 3 den Schnitt III-III der Abb. 2, Abb. 4 den Schnitt IV-IV der Abb. 2, Abb. 5 den Verdränger, Abb.6 den. in der Schaufel eingebauten Verdränger, Abb. 7 den Schnitt VII-VII der Abb. 6, Abb, 8 und io je eine eingebaute Hohlschaufel ohne Innenkühlung, Abb. 9 und i i den Längsschnitt IX-IX bzw. XI-XI der Abb. 8 bzw. io, Abb.12 eine Hohlschaufel mit rohrförmigem Verdränger, Abb. 13 den Schnitt XIII-XIII der Abb. 12, Abb. 14 und 14a den topfförmigen Hohlkörper mit dem erforderlichen Ausstanzwerkzeug, Abb. 15 die Querschnittsverteilung des topfförmigen Körpers, Abb. 16 eine Berfestigungsart des Abdeckbleches sowie eine besondere Formgebung des Verdrängers, Abb. 17 und. 17a eine besondere Ausführung des Verdrängars nebst Draufsicht desselben, Abb. i 8 die Temperaturverteilung innerhalb der Schaufel mit und ohne Verdränger.
Aus einer Platine wird der topfförmige Körper i gezogen, der einen zur Schaufelspitze zu abnehmenden Querschnitt aufweist. Der Querschnitt II-II des so geformten Ausgangskörpers ist ringförmig. Der Boden :2 des topfförmigen Körpers wird zu einer Öse 3 verformt, in die der Stift 4 zwecks Befestigung in der Turbinenscheibe 5 eingeführt wird. Der Schaufelmantel 6 erhält durch geeignete Verformung die strömungstechnisch bedingte Form. Zur Einführung der Stifte 4 in den ösenförmig geformten Schaufelfuß erhält der topfförmige Körper i Ausnehmungen,, durch die etwa zuzuführende Kühlluft aus dem in der Turbinenscheibe 5 vorgesehenen Kühlkanal? in das Schaufelinnere eintreten kann. Um diese Ausnehmungen 18 (Abb. 14) in einem spanlosen Arbeitsgang herstellen zu können, wird gemäß Abb. 14a ein entsprechend geformter Dorn i9 in das Innere des topfförmigen Körpers i eingeführt, während die Schnittstempel 20, 21 nacheinander in Richtung der auf ihnen vermerkten Pfeile das zu entfernende Material ausstoßen, so daß z. B. bei Einführung des Schnittstempels 21 eine Trennung des auszunehmendem Materials erfolgt, wie aus Abb. 14a zu ersehen. Die aus Festigkeitsgründen bedingte Ouerschnittsabnahme des topfförmigen Körpers soll im wesentlichen erst oberhalb der Ausnehmung 18 beginnen (s. Abb. 15), da der wirksame Querschnitt der Hohlschaufel durch die Ausnehmung 18 verringert wird. Die so. hergestellte und geformte Hohlschaufel wird in die gabelförmig ausgehobene Turbinenscheibe 5 eingesetzt. Um zu verhindern, daß die aus dem Kühlkanal ? ausströmende, den Schaufelfuß umströmende Kühlluft zwischen den einzelnen Schaufeln aus der Turbinenscheibe austreten kann, wird diese durch Abdeckbleche 17 abgedeckt. Diese Abdeckbleche 17 können entweder auf der Turbinenscheibe befestigt werden oder aber gemäß Abb. 16 um die beiden Stirnseiten des Turbinenläufers 5 gelegt und durch den Haltestift 4 gehalten werden. Im Innern der Hohlschaufel wird ein Verdränger 8 angeordnet, der bewirkt, daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Schaufel erreicht wird. Ohne Verdränger ergibt sich der aus Abb. 18 ersichtliche Linienzug I, während bei Ver*endung eines Verdrängers innerhalb der Schaufel ein Temperaturverlauf entsprechend dem Linienzug II entsteht, der die hohen Temperaturen an den Schaufelein- bzw. -abströmkan.ten im Sinne einer gleichmäßigeren Verteilung auf den gesamten Schaufelquerschnitt vermeidet. Der Verdränger 8 kann so ausgeführt sein, daß er in gleicher Weise wie die Schaufel durch den Stift 4. gehaltem wird und etwa den Querschnitt 9 der Abb. 7 bildet. Der Verdränger 8 kann zusätzlich mit dem Schaufelblatt besonders verschweißt oder verlötet werden. Für besonders leichte Ausführungen kann auch eine Befestigung an dem Schaufelblatt allein in Frage kommen. Allen Ausführungen des Verdrängers ist die Querschnittsabnahme zur Schaufelspitze gemein, wodurch ein günstiger Festigkeitsverband erreicht wird. Zur Drosselung, Führung und Verteilung der Kühlluftzufuhr dienen geeignet geformte Lappen io, die die Kühlmittelgeschwindigkeiten und die Aufteilung auf die einzelnen Schaufelquerschnitte vornehmen. Da infolge des Drehmomentes, das die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte auf die Lappen des Verdrängers ausüben, die Verbindung des Verdrängers mit dem Schaufelblatt leicht gelöst werden kann, werden am schaufelkopfseitigen Ende des Verdrängers Überlappungen 22 (Abb. 17) vorgesehen, die neben der zusätzlichen Drosselung und Führung der Kühlluft infolge des entgegengesetzten Drehmomentes dem Abheben von dem Schaufelblatt entgegenwirken. Als Verdränger kann auch ein rohrähnlicher Körper 12 dienen (s. Abb. 12), der vorzugsweise sich nur über einen Teil des Schaufelblattes 6 erstreckt, mit dem er naht- oder punktverschweißt werden kann. Der rohrförmige Körper 12 besitzt im eingebauten Zustand den Querschnitt 13. Zur Regelung des Küh:lluftdurchflusses ist eine Drosselöffnung 14 vorgesehen, die in dem ausgeführten Beispiel sich an dem schaufelfußseitigen Ende befindet. Es kann zweckmäßig sein, diese Drosselstelle an eine beliebige andere Stelle des rohrförmigen Verdrängers zu verlegen. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß der Verdränger zwecks Regelung der Durchflußmenge düsenförmig gestaucht wird (s. Abb. i6). Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Hohlschaufel für Turbinen ohne Innenkühlung kann diese entsprechend den Abb. 8 und 9 in den Einschnitt 16 der Turbinenscheibe 5 eingeführt und durch den Haltestift 4 gehalten werden. Eine andere Einbaumöglichkeit ist den Abb. io und i i zu entnehmen, gemäß denen der topfförmige Rohling i bis zum Austritt aus der Turbinenscheibe um den Haltestift 4 eng zusammengepreßt ist (Stelle 15 der Abb. i i) und erst nach Austritt aus der Turbinenscheibe die strömungstechnisch bedingte Form des Schaufelmantels 6 erhält.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Hohlschaufel zeigt den Vorteil, daß sie trotz vielseitiger Verwendung in wenigen Arbeitsgängen ohne spanabhebende Fertigung herstellbar ist. Zwecks Befestigung auf dem Turbinenläufer ist es lediglich erforderlich, den Läufer abzudrehen und zu bohren. Mit einer derartigen Fertigung ist der denkbar geringste Werkstoffaufwand verbunden. Da die Verbindung von Schaufel und Läufer rein mechanisch erfolgt und die Verjüngung des Schaufelquerschnittes in allen Ausführungen leicht möglich ist, können hohe- Umfangsgeschwindigkeiten und große Fliehkräfte zugelassen werden. Die Schaufelblattgestaltung ist unabhängig von der Herstellung- und Befestigungsart der Schaufel und kann nach rein strömungstechnischen Gesichtspunkten erfolgen. Die vorgeschlagene Hohlschaufel läßt eine günstige Kühlluftführung zu, die durch entsprechende Formgebung des Verdrängers an der Ein- und Ausströmkante der Schaufel besonders wirksam gestaltet werden kann, was eine über de gesamten Schaufelquerschnitt gleichmäßig verlaufende Te:mperatur zur Folge hat. Bei eventuell auftretenden Schäden während des Zusammenbaues oder des Betriebs ist eine einfache Auswechselbarkeit jeder einzelnen. Schaufel möglich. Durch die besondere Befestigungsart in dem Turbinenläufer stellt sich die Schaufel selbständig in Fliehkraftrichtung ein, so daß im Schaufelblatt keine Biegespannungen auftreten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Hohlschaufel für axial durchströmte Turbinen, die aus einem topfförmigen, vorzugsweise aus einer Platine gezogenen Körper hergestellt ist, dessen Boden zur Befestigung der Schaufel im Laufrad dient, während der vorzugsweise zylindrische und vorzugsweise vom Boden zum Rand dünner werdende Mantel des Topfes in die Schaufelprofilform gebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2) des topfförnnigem, Körpers (i) im Bereich des Schaufelfußes ösenartig geformt ist und Ausnehmungen aufweist, in welche zwecks Befestigung im Laufrad das oder die Halteorgane, z. B. ein Stift (4), eingreifen, (Abb. 2 und 3).
2. Hohlschaufel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die für das oder die Halteorgane vorgesehenen Ausnehmungen zwecks Zuführung von Kühlluft in das Schaufelinnere erweitert sind (Abb. 2).
3. Verfahren zum Herstellen von Hohlschaufeln nach den Ansprüchen i -und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für das oder die Halteorgane und gegebenenfalls für die Zuführung von Kühlluft vorgesehenen Aus.nehmungen durch Schnittstempel (2o, 21) von außen und entsprechend geformten Dorn (ig) im Innern des topfförmigen Körpers spanlos hergestellt sind (Abb. 14a).
4. Hohlschaufel nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des topfförmigen Körpers (i), die vom Boden zur Schaufelspitze dünner wird; im wesentlichen erst oberhalb der Ausnehmungen .(18) dünner wird (Abb. 15).
5. Hohlschaufel nach den Ansprüchen i bis 4, dadurch gekennzeichnet,- daß ihr Fuß in einer Umfangsnut der Turbinenscheibe aufgenommen wird, die von einem an sich bekannten gabelförmigen Querschnitt der Turbinenscheibe gebildet und zwischen den Schaufeln durch an sich bekannte Abdeckbleche (17) abgedeckt ist (Abb. 3 und 16).
6. Hohlschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckblech (17) sich in an sich bekannter Weise um die beiden Stirnseiten des. Läufers legt und durch das oder die zur Befestigung der Hohlschaufel vorgesehenen Halteorgane gehalten wird (Abb. 16).
7. Hohlschaufel nach den Ansprüchen i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern der Hohlschaufel ein Verdränger vorgesehen ist, der den Kühlstrom im Sinne einer möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung in der Schaufel zerteilt (Abb. 5). B.
Hohlschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Halteorgane für die Hohlschaufel auch zur Befestigung des Verdrängers dienen (Abb. 7). . g.
Hohlschaufel nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger mit dem Schaufelblatt verschweißt oder verlötet ist. io.
Hohlschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (8) lediglieh an dem Schaufelblatt (6) befestigt ist. i i.
Hohlschaufel nach den Ansprüchen 7 bis i o, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Verdrängers. (8) vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze abnimmt.
12. Hohlschaufel nach den Ansprüchen 7 bis i i, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (8) mit geeigneten Lappen (io) versehen ist, die zur Drosselung, Führung und Verteilung der Kühlluftzufuhr dienen (Abb. 6).
13. Hohlschaufel nach den Ansprüchen 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß am schaufelkopfseitigen Ende des Verdrängers Lappen (22) vorgesehen, sind, die außer der Drosselung und Führung der Kühlluft dem Abheben des Verdrängers vom Schaufelblatt unter dem Einfluß der Fiehkraft entgegenwirken (Abb. 17).
14. Hohlschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdränger ein rohrähnlicher, vorzugsweise konisch verlaufender, zur Schaufelspitze im Querschnitt abnehmender Körper (12) dient, der sich lediglich über den unteren Teil des Schaufelblattes (6) erstreckt, mit dem er naht- oder punktverschweißt oder verlötet ist (Abb. 12).
15. Hohlschaufel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem rohrförmigen Körper eine Drosselstelle (14) vorgesehen ist (Abb. I2).
16. Hohlschaufel nach Anspruch 7 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt des Verdrängers zwecks Regelung der Durchflußmenge beispielsweise durch Stauchung düsenförmig ausgebildet ist (Abb. 16). Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 173 88" 178 627, 322 543, 429 191, 550 328, 604 732, 687 368, 758 097, 869 712, 872 416; deutsche Patentanmeldung D 54o6Ib/491; französische Patentschrift Nr. 685 iog.