Schubfeste Scheibe. Es gibt Fälle, in denen konzentrisch zu einander angeordnete Ringkörper derart ab gestützt werden müssen, dass sie sich bei Änderung des Wärmezustandes des sie um gebenden Mediums frei ausdehnen und zu sammenziehen kbnnen, während die Abstüt zung fähig sein muss, erhebliche Schübe in achsialer Richtung aufzunehmen. So wird zum Beispiel die Fliehkraft der Schaufeln bei Turbinen, die in radialer Strömungsrichtung beaufschlagt werden, vorteilhaft an beiden Schaufelfüssen durch Ringe aufgenommen.
Während der eine Ring, genannt Topfring, frei zwischen den entsprechenden Ringen der benachbarten Schaufelreihen schwebt, wobei er von dem andern Ring über die Schaufeln hin weg in zentrischer Lage gehalten wird, muss dieser andere Ring, genannt Fussring, zen trisch abgestützt werden und ausserdem das in der zugehörigen Schaufelreihe erzeugte Drehmoment übertragen.
Hierbei ist es von ausserordentlicher Wich tigkeit, dass die zwischen den Kopfringen der benachbarten Schaufelreihen befindlichen Fussringe allen bei Temperaturschwankungen des Antriebsmittels infolge Wärmedehnung auftretenden Veränderungen der Durchmesser ebenso frei und schnell folgen können wie die benachbarten Kopfringe. Jede Differenz in den Wärmedehnungen und damit in den Durchmessern führt sofort zur Abnutzung der die Abdichtung bewirkenden feinen Spit zen zwischen den Schaufelringen, wodurch entsprechend vergrösserte Dampfverluste auf treten. Da es sich um Dichtungsspiele in der Grössenordnung von 0,1 bis 0,2 mm handelt, so bedeutet eine Vergrösserung dieser Spiele um 0,1 bis 0,2 mm bereits eine Verdoppelung der Dampfverluste.
Bei radial beaufschlagten Turbinen muss die unter Wahrung der Wärmebeweglichkeit der Fussringe erfolgende Abstützung nicht nur das Drehmoment übertragen. Mit der Arbeitsabgabe, welche während der radial gerichteten Strömung entlang der Scheibe fortschreitet, dehnt sich bekanntlich das treibende Mittel aus und verringert seine Spannung.
Hierdurch treten Druckunter schiede zwischen den beiden Seiten der Ab stützung auf und damit erhebliche Achsial- schübe, die von der Abstützung aufgenommen werden müssen, wobei die Abstützung gleich zeitig gegen diese Druckunterschiede abdich ten muss.
Schliesslich muss' noch die Forderung auf gestellt werden, dass Gewicht und Raum bedarf der Abstützung möglichst gering sind, da Gewicht und achsiale Länge der um laufenden Teile in bekannter Weise die Bau länge der Turbine bezw. die Anzahl der achsial hintereinanderschaltbaren Stufen be stimmen (kritische Drehzahl, Lagerabstand).
Die Beschränkung von Gewicht und achsialer Länge der rotierenden Teile ist bei freiliegen der Anordnung, die sich bei radial beauf- schlagten Turbinen vorteilhaft anwenden lässt, besonders wichtig.
Die Forderungen, die eine solche Abstüt zung erfüllen muss, sind also Zentrierung der Ringkörper, Übertragung des Drehmomentes der Beschaufelung, Gewährung ausreichender Wärmebeweglichkeit für die Ringkörper, Aufnahme des auftretenden Achsialschubes, Abdichtung gegen den auftretenden Druck unterschied, geringes Gewicht der Abstützung und geringe achsiale Länge der Abstützung.
Vorliegende Erfindung setzt sich zur Auf gabe, höchste Wirtschaftlichkeit in der Her stellung. mit der Erfüllung sämtlicher For derungen zu verbinden.
In der Einsicht, dass die axiale Aus dehnung (Wandstärke) nicht genügend ver mindert werden kann, um die Abstützung bei hinreichender Schubfestigkeit zu befähigen, Wärme ausreichend schnell aufzunehmen und abzugeben, sucht die Erfindung diese Fähig keit durch entsprechende Verkleinerung der radialen Ausdehnung (Wandstärke) zu er reichen.
In. der Erkenntnis, dass Ringkörper, die auf zwei verschiedenen Durchmessern ab gestützt sind und an den Abstützungen in achsialer Richtung durch Schub belastet wer den, auch dann noch einen erheblichen Ver- formungswiderstand behalten, wenn ihre Aus- dehnung in radialer Richtung geringer wird als in der Scheibenachsrichtung, besteht die Erfindung darin, da.ss die Ringkörper in der Radialrichtung weniger ausgedehnt sind als in der Scheibenachsenrichtung,
derart, dass achsial auftretende Kräfte im wesentlichen durch in radialer Schichtung innerhalb jedes Ringkörpers angenähert gleichmässig verteilte Tangentialspannungen aufgenommen werden. Bei derartigen Ringkörpern-verschwinden die radial gerichteten Druck- und Zugspannungen praktisch völlig, so dass die für jeden Durch messer auftretenden Beanspruchungen unmit telbar auf fast gleichem Durchmesser durch Tangentialspannungen aufgenommen werden müssen.
Hierdurch tritt eine bisher un erreichte Ausnutzung des Werkstoffes ein, da die Beanspruchungen nicht mehr in ra dialer Richtung nach einer bereits hoch beanspruchten Stelle des Ringkörpers über tragen werden, sondern sich über die gesamte radiale Ausdehnung des Ringkörpers prak tisch gleichmässig verteilen.
Dieser Fortfall der radial gerichteten Zug- und Druckspan nungen und die hiermit verbundene gute Verteilung der Tangentialspannungen ist die Folge der Annäherung von Aussen- und In nendurchmesser des Ringkörpers, also der geringen radialen Ausdehnung, da sich die bei gleicher Verformung dem Durchmesset umgekehrt proportionalen Tangentialspan- nungen bei annähernd gleichen Durchmessern kaum verändern. Die Werkstoffausnutzung wird eine überraschend gute, und es wird möglich, auch bei geringen Wandstärken einen ausreichenden Verformungswiderstand ohne Überbeanspruchung zu erzeugen.
Für die Wärmebeweglichkeit ist es hierbei ohne Bedeutung, dass die geringe Ausdehnung der Ringkörper nunmehr in radialer Richtung liegt.
In Anwendung auf radial beaufschlagte Turbinen werden die Fussringe der Beschau- felung zweckmässig als Bauelemente für die schubfeste Scheibe verwendet, wobei ihr Verformungswiderstand gegenüber achsialen Schüben, welche an zwei verschiedenen Durch messern angreifen, durch elastische Abstüt- zung der Fussringe gegeneinander zur Ver steifung der so gebildeten Scheibe ausgenützt wird.
Ein solcher Aufbau erfüllt alle auf gestellten Forderungen in ausreichendem Masse: insbesondere werden Gewichte und achsiale Länge der Abstützung bei niedrigsten Herstellungskosten auf ein Mass verringert, welches bisher für unmöglich gehalten wurde. Weiterhin ist ausreichende Wärmebeweglich keit der Ringkörper dadurch gesichert, dass alle Teile wenigstens in einer Richtung entweder in radialer oder in achsialer eine gegebene Grösststärke nicht überschreiten, so dass der gesamte Aufbau den Temperatur schwankungen genügend schnell folgt und alle Teile gleichzeitig atmen können. Geringe Abweichungen in der Wandstärke sind natur gemäss unschädlich.
Die Ausbildung der Ringscheibe aus mehreren konzentrisch zueinander angeord neten, untereinander nachgiebig verbundenen Ringkörpern kann in der verschiedensten Art und Weise getroffen werden. Unter nach- ;
riebiger Verbindung ist dabei jede Verbin dung verstanden, die einerseits die druck dichte Verbindung der einzelnen Ringe unter einander gewährleistet, während sie ander seits ausreichende Verformung der einzelnen Ringkörper zuläss't. Eine derartige Verbin dung ist. beispielsweise dann vorhanden, wenn die einzelnen Ringkörper getrennt vonein ander ausgebildet. aber über ringartige An sätze oder dergleichen miteinander verklam mert sind. Eine bezüglich der Herstellung einfachere Ausführungsform ergibt. sich je doch, wenn die einzelnen Ringkörper durch dünnwandige Zwischenstege miteinander ver bunden werden.
Es hat. sich nämlich gezeigt, da.ss derartige dünne Zwischenstege zwischen den einzelnen Ringkörpern genügend elastisch sind und doch genügend fest bemessen wer den können, um die auftretenden Verformun gen und Beanspruchungen aufzunehmen. Ist die axiale Wandstärke der Zwischenstege gleich oder kleiner wie die radiale Wand stärke der Ringkörper, so ist auch die Be dingung genügender Wärmebeweglichkeit der Zwischenstege erfüllt. Die Zeichnung zeigt in schematischer Dar stellung, unter starker Verzerrung zur Sicht- barmachung der Verformung unter Belastung, zwei beispielsweise Ausführungen des Er findungsgedankens für innen befestigte Scheiben.
Gemäss Abb. 1 besteht die druckfeste Scheibe aus mehreren getrennt voneinander ausgebildeten, konzentrisch zueinander an geordneten und untereinander gelenkig ver bundenen Ringkörpern 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und B. Den Ausführungsbeispielen sind da bei die Verhältnisse zugrunde gelegt, wie sie beispielsweise bei radial beaufschlagten Tur binen auftreten können.
Der Druck fällt auf der Eintrittsseite des Arbeitsmittels von der Spannung p1 innen auf die Spannung p_ aussen ab, während er auf der andern Seite von der Spannung p2 aussen auf die Span nung p3 innen weiter absinkt. Bei einer der artigen Druckverteilung bildet sich die ge zeichnete Verformung der Ringkörper 1 bis 8 heraus. Man erkennt, dass die Ringe infolge der gegenseitigen gelenkigen Abstützung über die ringförmigen Ansätze 9 bis 19 der Durchbiegung durch den einseitigen Über druck Widerstand entgegensetzen, ohne dass es einer zusätzlichen Abstützung der Ring körper bedarf.
Zum gleichen Ergebnis kommt man durch die Festigkeitsnachrechnung mit Hilfe der neuentwickelten Theorie.
Abb. 2 zeigt eine gegenüber Abb. 1 ver einfachte Ausführungsform, wobei dem Ver- formungsbild dieselben Druckverhältnisse zugrunde gelegt worden sind wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Die nachgiebige Ver bindung ist bei dieser Ausführungsform in einfachster Weise durch dünnwandige Zwi schenstege hergestellt worden, die sowohl die druckdichte Verbindung der einzelnen Ring körper gewährleisten, als auch elastisch und fest genug sind, um die auftretenden Ver formungen und Beanspruchungen aufzu nehmen. Das Ausführungsbeispiel zeigt da bei eine Verlegung der Stegwurzeln 25 bis 32 in die Mitte der Ringkörper 20 bis 24.
Diese Ausbildung hat den besonderen Vorteil, dass beim Umlauf der Ringscheibe die Fliehkräfte keine zusätzlichen Verdrehungskräfte erzeu gen. Die Stegwurzeln können aber ebenso ausserhalb der Mitte der Ringkörper, zum Beispiel an deren Enden, liegen, insbesondere bei feststehenden Scheiben. Hierbei kann der mittlere Druck an beiden Seiten verschieden sein, ohne dass der Druck selbst stetig ab fällt; der Druck kann zum Beispiel auf einer Seite konstant sein und nur auf einer Seite abfallen.
Um Überbeanspruchungen in den Ver bindungsstegen 33 bis 36 zu vermeiden, weist der innerste Ringkörper 20, der auf die kraftübertragende Welle 37 abgestützt ist, eine radiale Dicke und axiale Länge auf, bei der der an der Wurzel 25 des Steges 33 unter Belastung auftretende Verformungs- winkel etwa ebenso gross' ist wie der an dieser Stelle auftretende Verformungs- winkel des benachbarten Ringkörpers 21, ob wohl die Enden des innersten Ringkörpers unter Vorspannung oder auf andere Weise auf der Welle befestigt sind und deshalb keine freie Bewegungsmöglichkeit besitzen.
Durch Bemessung der axialen Wandstärke der Zwischenstege gleich oder kleiner wie die radiale Wandstärke der Ringkörper wird eine ungehinderte Erwärmung dar letzteren und eine freie Ausdehnungsmöglichkeit ge sichert.