Laufschaufelrad für elastische Strömungsmittel Die Erfindung bezieht, sich auf Lauf schaufelräder für elastische Strömungsmittel und betrifft insbesondere ein Turbinen- oder Kompressorrad mit mindestens zwei axial be nachbarten, miteinander verbundenen Schau felträgern.
Während des Betriebes von üblichen Tur binen- oder Kompressorrädern erfolgt oft ein durch Vibrationsspannungen ausgelöstes Rei ssen der Schaufeln infolge Ermüdungserschei nungen.
\Fenn die Schaufeln eines Schaufelrades mit Resonanzfrequenz vibrieren können, steigt die Amplitude der Schwingung auf einen so hohen Wert, dass Ermüdungsrisse entstehen. Dieser Zustand ist besonders gefährlich, wenn das Schaufelrad mit hoher Drehzahl umläuft. Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen worden, um die Wirkungen von Vibrationen auf die Schaufeln von Turbinen rädern zu mildern. Diese Vorrichtungen ent hielten in axialer Richtung aneinander stossende, vorbelastete Schaufeln, die sieh schliesslich unter den Wirkungen der hohen Temperatur entspannten und infolgedessen unwirksam wurden. Es sind auch Dämpfungs- vorriehtungen vorgeschlagen worden, bei denen Kupplungsvorrichtungen mit Kugeln verwendet wurden.
Weiter ist bekannt, lok- kere Nieten in den Radschaufeln unterzubrin gen, um die Schaufelvibrationen zuu dämpfen. Die beiden letzterwähnten Vorrichtungen haben jedoch nicht genügend grosse Lager flächen auf den Schaufeln und haben daher nur eine kurze Verwendungszeit. Ausserdem sind diese Vorrichtungen sehr gefährlich, wenn sie infolge der einwirkenden hohen Schleuderbelastungen ausfallen.
Es ist daher offensichtlich, da.ss jede Vorrichtung, die zum Dämpfen der in den Schaufeln von Turbinen- oder Kompressorrädern auftretenden Vibra- tionen verwendet wird, einfach und selbst bei hohen Drehzahlen dauerhaft sein muss. Ausserdem muss die Vorrichtung wirtschaft- lieh günstig herstellbar sein.
Mit der Erfindung sollen diese Ziele da durch erreicht werden, dass jeder der Schau felträger Schaufelteile hat, welche unmittel bar mit Schaufelteilen des benachbarten Schaufelträgers zusammenwirken, indem die Schaufelteile eines Trägers einen Randteil haben, welcher den Randteil der Schaufelteile des benachbarten Trägers übergreift.
Ausführungsbeispiele des Erfindungs gegenstandes sind in der Zeichnung darge stellt.
Fig. 1 ist ein Axialschnitt nach Linie 1-1 der Fig.2 eines für elastische Strömungs mittel bestimmten Zentripetalturbinenläufers, der in einem üblichen Turbinengehäuse unter gebracht ist.
Fig. 2 ist eine Ansicht nach Linie 2-2 der Fig. 1, wobei einzelne Teile weggebrochen und im Schnitt dargestellt sind. Fig. 3 ist ein Teilschnitt nach Linie 3-3 der Fig. 1.
Fig. 4 ist eine schaubildliche Ansicht eines zur Verbindung der Schaufelträger dienenden Bolzens, wie er in dem Läuferaufbau nach Fig.1. verwendet wird.
Fig. 5 ist eine schaubildliche Ansicht eines abgeänderten Schaufelrades.
Fig.6 ist. ein Längsschnitt des in Fig.5 dargestellten Schaufelrades in einem üblichen Turbinengehäuse, und Fig. 7 ist ein Teilschnitt nach Linie 7-7 der Fig. 5.
Der Zentripetalturbinenläufer 10 (Fig. 1) hat eine Schaufelträgerscheibe 11, deren Quer schnitt von der Mitte zum Umfang des Rades allmählich abnimmt. Radial gerichtete Schau feln 12 bestehen mit der Scheibe 11 aus einem Stück. Die Scheibe 11 hat an ihrem mittleren Teil einen hohlen zylindrischen Ansatz 13, der in einem hohlen zylindrischen Ansatz 14 eines getrennten Schaufelträgers 15, der mit den Schaufeln 16 aus einem Stück besteht, liegt.
Die Randflächen 17, 18 der Schaufeln 12 und 16 liegen mit einem Schrägstoss von 45 Grad aneinander, wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich, so dass sich die Randflächen 17, 18 der Schaufeln 12 und 16 (Fig.3) übergrei fen, wodurch eine Verdrehung der Schaufel 16 gegenüber der Schaufel 12 in der Dreh richtung C verhindert ist.
Die Fläche 17 der Schaufel 12 (Fig.3) bildet einen Anschlag für die Fläche 18 der Schaufel 16 in der von dem Pfeil C bezeich neten Drehrichtung. Die übergreifenden Randteile der Schaufeln 12 und 16 haben eine so grosse Berührungsfläche, dass eine wirksame Dämpfungsberührlng der an beiden Schau felträgern 11 und 15 vorhandenen Schau , feln erfolgt. Infolge der verschiedenen Be messung der Masse und der Form der Schau feln 12 und 16 vibrieren diese Schaufeln mit verschiedenen natürlichen Frequenzen, so dass die gegenseitige Berührung der Schaufeln an ihren Flächen 17 und 18 die Entwicklung eines Resonanzzustandes verhütet.
Die Schwingungsamplituden der Schaufeln erreichen also nicht so hohe Werte, dass in den Schaufeln kritische Spannungen erzeugt wer den. Infolge des Schrägstosses der sich über- ; greifenden Randpartien der Schaufeln 12 und 16 (Fig.3) ergibt sich ein glatter Übergang der Schaufeln an ihrer Verbindungsstelle, so dass eine ungestörte Strömung von einer Schaufel zur andern Schaufel ermöglicht ist. ; Die Seheibe 11 und die Nabe 15 haben Aus- nehmungen 19 bzw. 20, die miteinander und mit den zwischen den Schaufeln 12 und 16 befindlichen Kanälen in Verbindung stehen.
Die miteinander in Verbindung stehenden, Ausnehmungen 19 und 20 bilden Öffnungen 22 (Fig.2), die zwischen den Schaufeln des Rades liegen und die mit drei Zapfen 21 in Ausrichtung sind. Vor dem Zusammenbau der ineinandergreifenden Ansätze 13 und 14 werden die Zapfen 21 in die Öffnungen 23 des zylindrischen Ansatzes 13 eingesetzt. Dann werden die Ansätze 13 und 14 mittels einer Axialbewegung der Nabe 15 der Scheibe 11 gegenüber ineinandergeschoben, so dass die Öffnungen 23 mit den in dem zylindrischen Ansatz 14 der Nabe 15 befindlichen Öffnun gen 24 ausgerichtet sind.
Infolgedessen kann ein Werkzeug durch eine der Öffnungen 22 und durch eine Öffnung 24 eingeschoben wer den, um jeden Zapfen in die mit, ihm aus gerichtete gegenüberliegende Öffnung einzu schieben.
Die Zapfen 21 (Fig.4) haben kleine Er höhungen 25, die beim Eintreiben in die An sätze 13 und 14 gestaucht werden, so dass die Zapfen 21 fest in der in Fig. 1 dargestell ten Stellung gesichert sind.
Die zwischen den Radschaufeln vorhan denen Öffnungen 22 ermöglichen den Zu strom von heissen Gasen zu den Ausnehmun- gen 19 und 20, die mit dem verhältnismässig dicken Nabenabsehnitt der Scheibe 11 nahe deren Achse in Verbindung stehen. Während des Anlassens der Turbine erwärmt dieser Strom aus heissen Gasen den Nabenabschnitt der Scheibe 11, um auf diese Weise das zwi schen dem Umfang der Scheibe und der Achse der Scheibe vorhandene Wärmegefälle zu ver mindern.
Das aus der Scheibe 11, Nabe 15 und den Schaufeln 12 und 16 bestehende Turbinen rad ist ein Zentripetalrad, in dem die Schau feln 16 in der in Fig. 3 dargestellten -Weise gekrümmt sind. Die Schaufeln 16 haben kon kave Flächen 16a,, die von dem in Richtung des Pfeils B (Fig.l) strömenden Gas beauf- sehlagt werden. Die äussern Abschnitte 12a der Schaufeln 12 des Turbinenrades drehen sieh dicht an den üblichen ortsfesten Leit schaufeln 26.
Innerhalb eines Turbinengehäuses 27 ist ein ortsfester Ring 28 angeordnet, der dicht an derjenigen Seite der Scheibe 11 liegt, die den Schaufeln gegenübersteht, wie Fig.1 zeigt. Der Ring 28 ist den heissen Gasen ausgesetzt, die am Umfang des Turbinenrades eintreten. Die Masse des Ringes 28 ist dabei so gross, dass während des Aufwärmens und Abkühlens des Turbinenrades ein Wärmeaustausch mit be nachbarten Abschnitten der Scheibe 11 er folgt. Der Ring 28 erstreckt sich von dem Umfang des Rades eine Strecke nach innen, die ungefähr einem Drittel oder einer grö sseren Strecke des Scheibenradius entspricht.
Der Umfangsabschnitt der Scheibe 11 ist be trächtlich dünner als ihr Nabenabschnitt. Die Masse des äussern Kreisringabschnittes des Ringes 28 ist vorzugsweise grösser gehalten als die Masse eines entsprechenden benachbarten Kreisringabsehnittes der Scheibe. Der Ring unterstützt daher die Verminderung des Wärmegefälles, das von dem Umfang des Schaufelrades zu seinem Nabenabschnitt auf tritt und das sonst während des Anlassens oder Stillsetzens der Turbine vorhanden ist. Der Ring 28 hat kreisringförmige Nuten 29 und 30, in die die kreisringförmigen Rippen 12b und 12c der Scheibe 11 eingreifen.
Die ineinandergreifenden Nuten 29 und 30 und Rippen 12b und 12c bilden zwischen der Seheibe 11 und dem Ring 28 eine Labyrinth- diehtung, die einen übermässigen Strom von heissen Gasen nach innen längs der Rückseite des Schaufelrades zu dessen Achse hin ver hütet. Der Ring 28 hat einen Anguss 31, in den Schraubenbolzen 33 eingeschraubt sind, die den Ring 28 an einer an dem Turbinen- gehäuse 27 befestigten Seitenwand 33 be festigen.
Beim Betrieb strömen die heissen Gase aus den Leitschaufeln 26 aus und strö men zwischen den Schaufeln 12 und 16 hin durch. Das zwischen den Schaufeln mit hoher Geschwindigkeit strömende Gas wird an den konkaven Flächen 16a. der Schaufeln 16 um gelenkt. Durch dieses Umlenken der Gase an den Schaufeln 16 wird eine Treibkraft in der durch den Pfeil C (Fig. 3) angedeuteten Drehrichtung erzeugt. Werden die Schaufeln 16 in Richtung des Pfeils C verbogen, so legen sie sich dicht an die Schaufeln 12 an. Die Schaufeln 12 und 16 vibrieren mit. unter schiedlichen natürlichen Frequenzen.
Wäh rend der Berührung ihrer Flächen 17 und 18 werden die Vibrationen gegenseitig gedämpft und dadurch ein Resonanzzustand verhütet, bei dem die Amplitude schädliche Werte er reichen könnte.
Der Eingriff der Schaufeln 12 und 16 kann auch bei Radaufbauten für Kompres soren verwendet werden, bei denen eine Dämp fung der Schaufelvibrationen nicht notwendig ist.
Beim Anlassen der Turbine wird durch den die Leitschaufeln 26 verlassenden Strom von heissem Gas der Umfang der Scheibe 11 schnell erwärmt. Der in unmittelbarer Nähe der Scheibe 11 liegende Ring 28 nimmt Wärme aus dem Umfangsabschnitt der Scheibe auf und vermindert dadurch gleichzeitig deren Neigung, sich schneller als der Nabenabschnitt zu erwärmen. Der nahe der Achse des Schau felrades befindliche Nabenabsehnitt der Scheibe wird von dem in die Öffnungen 22 einströmenden Gas erwärmt, so dass weiter hin das anfängliche Wärmegefälle von dem Umfang des Rades zur Nabe des Rades ver mindert wird. Diese Verminderung des an fänglichen Wärmegefälles vermindert beim Anlassen der Turbine wesentlich die in der Scheibe 11 vorhandenen Wärmespannungen.
Wird der die Leitschaufeln 26 passierende Strom von heissem Gas abgeschaltet, dann wird sich der verhältnismässig dünne Um fangsabschnitt der Scheibe 11 schneller ab- kühlen als der Nabenabschnitt des Schaufel rades. Dieses schnelle Kühlen des Umfanges der Scheibe 11 wird von dem Ring 28 ver hindert. Der Ring strahlt Wärme auf den Umfangsabschnitt der Scheibe aus, und in folgedessen hat der Nabenabschnitt genügend Zeit, sich auf einen bestimmten Wert abzu kühlen, ehe die Temperatur des Umfangs abschnittes der Scheibe 11 auf einen Wert vermindert worden ist, bei dem kritische Innenspannungen auftreten würden.
Wäh rend der Abkühlungszeit wird auf diese Weise das in dem Schaufelrad auftretende Tempera turgefälle wesentlich vermindert. Somit wir ken der die Wärmespannungen in dem Rad vermindernde Ring und die beschriebene Dämpfung der Vibrationen zusammen dahin, das Reissen der Radschaufeln und der Scheibe zu verhindern.
Bei der in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellten abgeänderten Ausführung der Erfindung hat. das Turbinenrad eine Scheibe 34 mit ein stückigen Schaufeln 35, die sich mit Schau feln 36 einer Nabe 37 überlappen. Die Nabe 37 hat eine mittlere Ausnehmung 38, die einen mittleren Ansatz 39 der Scheibe 34 umgibt. Ein Schraubenbolzen 41 ist in eine Gewinde bohrung 40 der Scheibe 34 eingeschraubt. Der Bolzen 41 übt eine axiale Klemmkraft auf die Nabe 37 aus und hält die Nabe in sicherer Verbindung mit, der Scheibe 37. Benachbarte Schaufeln 35 und 36 überlappen sich in der in den Fig. 5 und 7 dargestellten Weise.
Die sich überlappenden Ränder der Schaufeln 35 und 36 liegen nahe den Aussenenden der Schaufeln, so da.ss die Schaufeln 36 die Schaufeln 35 ungefähr auf der Hälfte ihrer Länge überlappen. Die Überlappung der Schaufeln 35 und 36 erfolgt, wie in Fig.6 ersichtlich, zwischen den Stellen 42 und 43. Benachbarte Kanten 44 und 45 der Schaufeln 35 bzw. 36 liegen in einem spitzen Winkel zu einander. Die Schaufeln 36 haben konkave Flächen 46, die von dem zwischen den Schau feln strömenden Gas beaufschlagt werden.
Der Gasstrom erzeugt eine Treibkraft in der durch den Pfeil D (Fig.7) bezeichneten Drehrich- tung und drückt die Schaufeln 36 an den überlappenden Rändern gegen die Schau feln 35.
Nahe der Scheibe 34 liegt, ein Ring 47 (Fug. 6), der im Aufbau und in der Wirkung dem mit Bezug auf Fig.1 dargestellten und beschriebenen Ring 28 gleicht.
Beim Betrieb der in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellten abgeänderten Form strömt das Gas in das Turbinenrad und um den Ring 47 in gleicher Weise, wie dies mit Bezug auf die Fig. 1, 2 und 3 beschrieben ist. Strömt das Gas zwischen .den Schaufeln 35 und gegen die konkaven Flächen 46 der Schaufeln 36, so werden die sieh überlappenden Ränder der Schaufeln 35 und 36 in der in Fig.7 darge stellten Weise aufeinandergedrüekt.Diese ge genseitige Berührung wird durch den auf die Schaufeln 36 wirkenden Gasdruck verursacht, der die Schaufeln in der Drehrichtung biegt und sie an die Schaufeln 35 andrückt, so dass die auftretenden Vibrationen gedämpft wer den.