Geschweisster Läufer für axial durchströmte Turbomaschinen Die Erfindung betrifft einen geschweissten Läu fer für mehrstufige, axial durchströmte Turbo maschinen mit in axialen Abständen angeordneten Laufscheiben insbesondere aus gewalztem Werkstoff.
Um die inneren Undichtheitsverluste von Turbo maschinen niedrig zu halten, gilt es, die Querschnitts fläche der zwischen den feststehenden und umlaufen den Teilen befindlichen berührungsfreien Dichtungen möglichst klein zu wählen. Dies lässt sich am besten dadurch erreichen, dass für diese Dichtungen ein möglichst kleiner Durchmesser vorgesehen wird.
Da her werden die Läufer insbesondere von solchen Turbinen, welche nach dem Gleichdruckprinzip ar beiten, im allgemeinen als Scheibenläufer ausgebil det, bei denen die Laufbeschaufelungen am Umfang von in Abständen angeordneten Laufscheiben und die zwischen den einzelnen Stufen anzuordnenden berührungsfreien Dichtungen am Umfang der zwi schen diesen Scheiben gelegenen Läuferabschnitte kleineren Durchmessers angeordnet sind. Der axiale Abstand zwischen den Laufscheiben ergibt sich da bei aus der Breite der Leitbeschaufelungen bzw. der die Leitschaufeln tragenden Leitscheiben.
Derartige Scheibenläufer können entweder als einteilige Läufer, welche aus einer vollen Trommel herausgearbeitet werden, oder als zusammengesetzte Läufer oder als Kombination dieser beiden Bau weisen ausgeführt werden. Einteilige Scheibenläufer aus einer vollen Trommel erfordern einen hohen Ma terialaufwand und erreichen wegen der grossen Werkstoffanhäufung in dem trommelförmigen Roh ling nicht die hohe Homogenität des Werkstoffes, wie diese bei zusammengesetzten Läufern vorliegt. Aus- serdem bereitet bei ihnen eine zerstörungsfreie Werk stoffprüfung weitaus mehr Schwierigkeiten als bei zusammengesetzten Läufern.
Zur Herstellung zusammengesetzter Läufer bieten sich folgende bekannte Möglichkeiten Aufsetzen der eizelnen, mit Mittelbohrungen ver- sehenen Laufscheiben auf eine durchgehende Welle und Verbinden dieser Scheiben mit der Welle durch Aufschrumpfen, Aufpressen, Verkeilen oder andere form- oder kraftschlüssige Verbindungsarten. Bei dieser Bauart können Laufscheiben entweder glei cher Festigkeit oder gleicher Stärke verwendet wer den.
Verwendung von Laufscheiben, welche jeweils an ihren beiden Stirnseiten einen ringförmigen, naben- artigen Ansatz kleineren Durchmessers aufweisen, gegenseitige Zentrierung der Leitscheiben mittels an diesen Ansätzen angeordneten Passflächen und Ver binden der Laufscheiben durch Zusammenschweissen dieser Ansätze an ihren Stossflächen.
Bei den Läufern mit aufgesetzten Laufscheiben müssen die Sitzflächen an der Welle und die Mittel bohrungen der Laufscheiben mit sehr grosser Ge nauigkeit angefertigt werden. Um die Gefahr zu be seitigen, dass sich diese Verbindungen im Laufe län gerer Betriebszeit lockern, ist bei deren Herstellung grösste Sorgfalt anzuwenden. Ein Loslösen der auf gesetzten Laufscheiben kann nämlich zu grossen Schäden, unter Umständen zur Zerstörung der be treffenden Turbinenanlagen führen.
Demgegenüber besteht bei den nur aus Lauf scheiben zusammengeschweissten Läufern bei sorg fältiger Herstellung nicht die Gefahr, dass sich die einzelnen Laufscheiben gegenseitig lockern oder- gar loslösen. Dafür weisen aber diese Läufer den Nach teil auf, dass die zu ihrer Herstellung zu verwenden den Laufscheiben wegen der an ihren beiden Stirn seiten angeordneten nabenartigen Ansätze nicht als Scheiben durchgehend gleicher Festigkeit und vor allem nicht als Scheiben gleicher Stärke ausgeführt werden können. Letzteres schliesst die Möglichkeit aus, diese Laufscheiben aus gewalztem Material her zustellen. Daher werden diese Scheiben im allgemei nen aus geschmiedeten Rohlingen angefertigt.
Die Herstellung dieser Rohlinge erfordert aber bekannt lich einen grossen Aufwand an teuren Hilfsmitteln, beispielsweise Öfen zum Erhitzen des Werkstoffes auf die Schmiedetemperatur und für die nachfolgen den Wärmebehandlungen und kostspielige Schnüede- formen zum Erzeugen des gewünschten Scheiben profiles. Diese Schmiederohlinge müssen daraufhin auf zerspanenden Werkzeugmaschinen weiterbearbei tet werden.
Die Kosten und Zeiten zur Anfertigung solcher geschmiedeter Laufscheiben werden auch deshalb besonders hoch, weil sich die Abmessungen der Laufscheiben in den meisten-Fällen von Stufe zu Stufe der betreffenden Turbomaschine ändern und weil daher eine Serienfertigung solcher Laufscheiben nicht möglich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in erster Linie die angeführten Schwierigkei ten bei der Anfertigung derartiger; aus einzelnen Laufscheiben zusammengeschweisster Läufer zu um gehen.
Die Erfindung besteht darin, dass zwischen den Laufscheiben jeweils zwei zylindrische Rohrstücke gleichen Durchmessers eingeschweisst sind.
Die bei den bekannten, nur aus Laufscheiben zu sammengesetzten Läufern durch die nabenförmigen Ansätze gebildeten Läuferabschnitte kleineren Durchmessers werden also bei einem Läufer gemäss der vorliegenden Erfindung durch zwei zwischenge- schweisste Rohrstücke ersetzt. Die Laufscheiben kön nen also als Scheiben gleicher Stärke ausgeführt und daher aus gewalztem Blechmaterial ausgeschnitten werden. Da auch die Rohrstücke von einem gewalz ten Rohr abgetrennt werden können, ist es möglich, einen zusammengesetzten Läufer für Turbomaschi nen ohne Verwendung geschmiedeter Teile anzuferti gen.
Neben der Verringerung der Kosten und Zeiten für die Herstellung werden durch einen derartigen Läuferaufbau folgende weitere Vorteile gewonnen Durch die Verwendung von nur gewalztem Ma terial gleichbleibender Wandstärke wird eine höhere Werkstoffhomogenität gewährleistet als bei Läufern aus geschmiedeten Teilen. Dadurch wird die Gefahr, dass sich der Läufer bei Temperaturschwankungen verzieht, verringert. Wegen der gleichbleibenden Wandstärke jedes Läuferteils vereinfacht sich die zerstörungsfreie Prüfung auf Werkstoffehler.
Beschädigungen an einem Läufer gemäss der Er findung lassen sich einfacher reparieren als solche bei den- bekannten Läufern mit geschmiedeten Lauf scheiben.
Da gewalzte Rohre von der Stahlindustrie in en gen Durchmesser- und Wandstärkestufungen herge stellt werden, bietet die Verwendung von Rohr stücken als Läuferabschnitte zwischen den Laufschei- ben beliebig viele Variationsmöglichkeiten in bezug auf die Gestaltung des Läufers.
So besteht z. B. die Möglichkeit, die mittleren Durchmesser der Rohrstücke entlang der Achsrich tung des Läufers so zu stufen, dass dessen Biege festigkeit entlang dieser Richtung annähernd gleich bleibt. Auch kann durch entsprechende Wahl der Durchmesser der verschiedenen Rohrstücke die Lage der biegekritischen Drehzahlen so beeinflusst wer den, dass die Gefahr des Auftretens von Resonanz schwingungen nicht besteht.
Zur Gewährleistung einer sicheren Verbindung zwischen den Rohrstücken und den Laufscheiben empfiehlt es sich, diese Rohrstücke in an sich be kannter Weise sowohl an ihrem inneren als auch an ihrem äusseren Umfang mit den Laufscheiben zu verschweissen.
Zur gegenseitigen Zentrierung der aus einer Laufscheibe und den an ihren beiden Stirnseiten an- geschweissten Rohrstücken bestehenden Läuferab schnitte wird die Verwendung von ungeteilten Zen trierringen oder Zentrierscheiben vorgeschlagen, welche jeweils in einem an der inneren Umfangs fläche der Rohrstücke angebrachten und über deren Stossfläche reichenden radialen Einschnitt in axialer und radialer Richtung eingepasst sind. Diese Zen trierteile dienen in dieser Anordnung zugleich als Abdeckung der an den Stosstellen der Rohrstücke über deren Umfang verlaufenden Schweissnähte ge gen den Innenraum dieser Rohrstücke.
Sie verhin dern beim Zusammenschweissen der Läuferabschnitte das Eindringen von flüssigem Schweissgut in jene Innenräume. Ein solches Eindringen lose bleibender Schweisstropfen in jene Innenräume würde nämlich eine nicht zu beseitigende Läuferunwucht hervor rufen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, zur Vergchweis- sung der Rohrstücke an deren Stirnflächen jeweils einen U-Stoss vorzusehen und dessen inneren Durch messer jeweils grösser zu wählen als der äussere Durchmesser der zwischen den Rohrstücken angeord neten Zentrierringe. Zwischen dem Grund des U- Stosses und dem Zentrierring verbleibt also eine feste Auflage zwischen den jeweils benachbarten Rohrstücken, durch die eine einwandfreie Wurzelver- schweissung ermöglicht wird.
Die an den beiden aussenliegenden Laufscheiben anzuschweissenden Wellenenden, an denen die La gerzapfen liegen, können in bekannter Weise als voll- wandige Wellenstümpfe ausgeführt sein. Sie können ähnlich wie die Rohrstücke direkt an den nach aus sen gerichteten Stirnflächen dieser Laufscheiben zen trisch angeschweisst oder zusätzlich zwecks sicherer Zentrierung in an jenen Laufscheiben angebrachten kegeligen Bohrungen eingepasst sein.
In Fig. 1 der Zeichnung ist in einem Axialschnitt ein Abschnitt eines geschweissten Scheibenläufers gemäss der Erfindung schematisch dargestellt.
Zwischen den aus gewalztem Material ausge schnittenen kreisrunden Laufscheiben 1 sind jeweils zwei Rohrstücke 2 eingeschweisst. Bei der Herstel lung des Läufers werden diese jeweils zuerst konzen trisch an der Stirnseite der Laufscheiben 1 ange- schweisst, und zwar können zur Verbindung dieser Teile zwei Schweissnähte 11 und 12 vorgesehen wer den, von denen die eine, 11, über den äusseren Um fang und die andere, 12, über den inneren Umfang der Rohrstücke verläuft.
Zur gegenseitigen Zentrierung der aus einer Laufscheibe 1 und den an deren beiden Stirnflächen angeschweissten Rohrstücken 2 bestehenden Läufer abschnitte sind in dem dargestellten Ausführungs beispiel Zentrierringe 3 vorgesehen. Diese sind in an der inneren Umfangsfläche der Rohrstücke ange brachten und über deren Stossfläche reichenden ra dialen Einschnitten in axialer und radialer Richtung eingepasst. An Stelle dieser Zentrierringe 3 können aber in der gleichen Anordnung kreisrunde Zentrier scheiben verwendet werden. Diese können wie die Laufscheiben aus gewalztem Werkstoff, beispiels weise durch Brennschneiden, ausgeschnitten sein.
Die Schweissnaht zum Verschweissen der Läufer abschnitte kann jeweils in einem an der Stirnfläche der Rohrstücke 2 eingearbeiteten U-Stoss 4 verlegt werden. Der innere Durchmesser der U-Stösse 4 wird dabei jeweils grösser ausgeführt als der äussere Durchmesser der Zentrierringe 3, so dass zwischen diesen Stellen jeweils eine unmittelbare Auflage 25 zwischen den benachbarten Rohrstücken 2 zur Ge währleistung einer guten Wurzelverschweissung be stehen bleibt.
Fig. 2 zeigt in einer Längsansicht einen Dampf turbinenläufer, der durch entsprechende Stufung der Durchmesser der Rohrstücke 2 als Läufer annähernd gleicher Biegefestigkeit ausgebildet ist. Zur sicheren Zentrierung des an der Einströmseite E gelegenen Wellenendes 6 ist die Laufscheibe 15 der Regelstufe mit einer kegeligen Mittelbohrung versehen, in wel cher dieses Wellenende eingepasst und über eine Umfangsschweissung mit dieser Laufscheibe verbun den ist. Das an der Ausströmseite A gelegene Wellen ende 7 ist dagegen unmittelbar an der Stirnfläche der letzten Laufscheibe 19 zentrisch angeschweisst.