CH647301A5

CH647301A5 - Laeuferrad einer turbine mit daran befestigten laufschaufeln.

Info

Publication number: CH647301A5
Application number: CH11294/79A
Authority: CH
Inventors: Tan Toshimi; Hisano Katsukuni
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1979-12-20
Publication date: 1985-01-15
Also published as: DE2951176A1; US4321012A; JPS5584804A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Läuferrad einer Turbi- spiels einer Turbinenschaufel-Befestigungsanordnung gemäss ne mit daran befestigten Laufschaufeln mit einer Mehrzahl der Erfindung.

von radial sich erstreckenden Läuferradfingern, die zwischen Anhand der Fig. 1,2 und 3 wird ein Ausführungsbeispiel sich Zwischenräume begrenzen, wenigstens einem im Wurzel- 55 der Erfindung im einzelnen beschrieben.

teil der Laufschaufel vorgesehenen Laufschaufelfinger, der ei- In Fig. 1 sind Niederdruckendstufen-Laufschaufeln 3 darne dem Zwischenraum der Läuferradfinger gleichartige Form gestellt, die ringförmig angeordnet und an einem Läuferrad 5 aufweist und in einem der Zwischenräume eingesetzt ist und eines Turbinenläufers 7 befestigt sind. Die Befestigungswenigstens zwei an jedem der Läuferradfinger und Lauf- anordnung 9 zwischen der Laufschaufel 3 und dem Läuferrad schaufelfinger vorgesehenen und radial untereinander beab- 60 5 ist in Fig. 2 am besten veranschaulicht.

standeten Verankerungszonen zur Befestigung der Lauf- Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Laufschaufeln 3 an ih-

schaufel am Läuferrad. ren Wurzelteilen 11 gabelförmig gestaltet und zu einer Mehr-

Laufschaufeln einer Dampfturbine werden an einem Läu- zahl von Fingern 13 geformt. Jeder der Finger 13 erstreckt ferrad unter Einfügung von Schwalbenschwänzen der Lauf- sich radial und zum Teil in Umfangsrichtung, wie in Fig. 3 geschaufein in am Läuferrad vorgesehene Ausnehmungen befe- 65 zeigt ist. Die Finger 13 haben jeweils eine in Axialrichtung des stigt. Neuerdings werden Dampfturbinen mit grösserer Kapa- Turbinenläufers 7 genommene und durch ihre Seitenflächen zitä't hergestellt, womit längere Laufschaufeln in der letzten 15 definierte Dicke. Die Dicke nimmt allmählich und stufen-Stufe verbunden sind. Bei einer herkömmlichen Dampfturbi- weise von der Wurzel 17 zur Spitze 19 ab. Zwischen den Fin-

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gern 13 sind Zwischenräume 12 zur Aufnahme der Finger 21 des Läuferrades 5 gebildet.

Das Läuferrad 5 ist ebenfalls zu einer Mehrzahl von Fingern 21 an seinem Umfang ausgebildet. Die Formen der Finger 21 des Läuferrades 5 sind den Fingern 13 der Laufschau- 5 fein 3 mit Ausnahme ihrer Dicke gleichartig. Zwischen den Fingern 21 des Läuferrades 5 sind Zwischenräume zur Aufnahme der Finger 13 der Laufschaufeln 3 gebildet.

Sowohl die Finger 13 als auch die Finger 21 weisen eine Mehrzahl von Bohrungen 23,25 in gegenseitiger axialer Aus- io richtung auf, wenn die Finger 13 der Laufschaufeln 3 zwischen die Finger 21 des Läuferrades 5 eingefügt sind. Alle Finger 13 und 21 weisen Bohrungen 27,29, die radial gleiche Abstände von den Bohrungen 23,25 aufweisen und axial untereinander ausgerichtet sind, und Bohrungen 31,33 auf, die is radial gleiche Abstände von den Bohrungen 27,29 aufweisen und axial untereinander ausgerichtet sind.

In diese Bohrungen 23,25,27,29,31 und 33 der Finger 13 und 21 sind Zapfen 35 37,39 starr eingefügt, so dass die Laufschaufeln 3 und das Läuferrad 5 fixiert sind. Die Laufschaufel 20 3 ist also am Läuferrad durch die Zapfen 35,37,39 befestigt. Daher greift die Laufschaufel 3 in das Läuferrad 5 durch die Zapfen 35,37, 39 ein, und eine auf die Laufschaufel 3 einwirkende Zentrifugalkraft wird vom Läuferrad 5 an den Zapfen 35,37,39 aufgenommen. Es ist vorzuziehen, dass die Lauf- 25 schaufei 3 vom Läuferrad 5 an den Zapfen 35,37,39 gleich-massig abgestützt wird, auch wenn ein Unterschied der Elastizitätsmoduln zwischen der Laufschaufel 3 und dem Läuferrad 5 vorliegt.

Wenn eine Beanspruchung an der Laufschaufel 3 oder 30 dem Läuferrad 5 durch auf die Laufschaufel 3 einwirkende Zentrifugalkraft verursacht wird, ergibt sich die folgende Gleichung gemäss dem Hook'schen Gesetz:

Querschnittsfläche Ab der Laufschaufel 3 nahezu gleich der Querschnittsfläche Ar des Läuferrades 5 ist, und falls der Elastizitätsmodul Eb geringer als der Elastizitätsmodul Er ist, die Querschnittsfläche Ab der Laufschaufel 3 grösser als die Querschnittsfläche Ar des Läuferrades 5 sein sollte.

Die stufenartig vorragenden Finger 13,21 sowohl der Laufschaufel 3 als auch des Läuferrades 5 haben je eine bestimmte Durchschnittsdicke Tb bzw. Tr zwischen den Stützzonen. Die Durchschnittsdicke Tb bzw. Tr ist ein Wert, der durch Teilen der Summe der Dicke der Wurzel und der Dicke der Spitze erhalten wird, oder die Dicke im mittleren Teil zwischen zwei Bohrungen. Da die Umfangslängen der Finger 13, 21 im wesentlichen gleich sind, wird die obige Gleichung (4) folgendermassen ausgedrückt:

Ar/Ab=Tr/Tb=Eb/Er

(5)

P/A=exE

(1),35

P/Ab=exEb P/Ar=sxEr

(2)

(3)

Ab/Ar—Er/Eb

(4)

Aufgrund der Gleichung (4) stellt man fest, dass, um eine « Beanspruchungskonzentration im Befestigungsteil zu vermeiden, falls der Elastizitätsmodul Eb der Laufschaufel 3 nahezu gleich dem Elastizitätsmodul Er des Läuferrades 5 ist, die

In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Laufschaufel 3 aus einer Ti-Legierung mit 5% AI und 2,5% Sn (im folgenden einfach Ti-Legierung bezeichnet), die mehr als 795 N/ mm2 Zugfestigkeit und 1,2 x 105 N/mm2 Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur hat. Das Läuferrad 5 besteht aus einem Stahlmit3,5% Ni, 1,75% Cr, Mo und V, der mehr als 824 N/mm2 Zugfestigkeit und 2,1 x 105 N/mm2 Elastizitätsmodul aufweist. Die Zapfen 35,37,39 bestehen jeweils aus einem Stahl mit 5% Cr, 1,3% Mo und V und einer Zugfestigkeit von 1727 N/mm2 bis 1933 N/mm2. Daher sorgt man, um die in der Laufschaufel 3 und im Läuferrad 5 erzeugten Beanspruchungen gleichmässig zu machen, gemäss der Gleichung (5) vorzugsweise dafür, dass die folgende Beziehung eingehalten wird:

2,1 x 105

Tb/Tr= , , =1,75 = 1,7-1,-

worin

P die Zentrifugalkraft (N),

A die Querschnittsfläche (mm2),

s die Beanspruchung und 40

E den Elastizitätsmodul (N/mm2) bedeuten.

Ab soll die gesamte Querschnittsfläche der Finger 13 der Laufschaufel 3 längs einer zur Radialrichtung senkrechten Richtung und bei einer Durchschnittsdicke der Finger 13 bedeuten, und Eb soll der Elastizitätsmodul der Laufschaufel 3 45 sein; Ar soll die Gesamtquerschnittsfläche der Finger 21 des Läuferrades 5 längs einer zur Radialrichtung senkrechten Richtung und bei einer Durchschnittsdicke der Finger 21 ausdrücken, und Er soll der Elastizitätsmodul des Läuferrades 5 sein. Wenn in der Laufschaufel 3 und dem Läuferrad 5 im we- so sentlichen die gleiche Belastung verursacht ist, d.h. wenn die sowohl in der Laufschaufel 3 als auch im Läuferrad 5 erzeugten Beanspruchungen nicht an einem besonderen Teil davon konzentriert sind, ergeben sich die folgenden Gleichungen gemäss der Gleichung (1): 55

Aus den Gleichungen (2) und (3) erhält man die folgende 60 Beziehung:

1,2 xlO5

Falls also die Dicke Tb des Fingers 13 der Laufschaufel 3 etwa das l,7-~l,8fache der Dicke Tr des Fingers 21 des Läuferrades 5 beträgt, werden die sowohl in den Fingern 13 als auch in den Fingern 21 durch Zentrifugalkraft infolge der Drehung der Laufschaufel 3 erzeugten Beanspruchungen nicht an einem bestimmten Teil des Fingers 13 oder 21 konzentriert. In einem Beispiel einer Befestigungsanordnung zwischen der Laufschaufel 3 und dem Läuferrad 5 hat der Finger 21 eine Länge von etwa 150 mm und eine Dicke von 18 mm, 12 mm, 6 mm an der Wurzel bzw. im mittleren Teil bzw. an der Spitze. Die bei einer solchen Befestigungsanordnung unter der Belastung entsprechend der Zentrifugalkraft erzeugten Beanspruchungen sind etwa 255 N/mm2 bzw. 245 N/mm2 bzw. 235 N/mm2.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden keine Beanspruchungen an einem besonderen Stützbereich konzentriert, die Verteilung der Belastung erfolgt also an den Stützbereichen, d.h. bei den Bohrungen gleichmässig.

Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Finger 13 und 21 der Laufschaufel 3 und des Läuferrades 5 jeweils die gleiche Form wie die eines herkömmlichen Fingers einer Laufschaufel oder eines Läuferrades mit Ausnahme des Verhältnisses der Dicke zwischen dem Laufschaufelfinger 13 und dem Läuferradfinger 21.

In Fig. 4 ist eine Abänderung des in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung veranschaulicht. Diese Befestigungsanordnung zwischen einer Laufschaufel 103 und einem Läuferrad 105 ist die gleiche wie die in Fig. 1 bis 3 gezeigte mit der Ausnahme, dass die Finger 113 und 121 der Laufschaufel 103 und des Läuferrades 105 gerade abgeschrägte Seitenflächen statt der abgestuft ausgebildeten Seitenflächen aufweisen. Die Durchschnittsdicke Tb, Tr der Fin-

ger 113 und 121 sind jeweils die Dicken, die durch Teilen der Summe der Wurzelteildicke und der Spitzenteildicke der Finger 113 oder 121 erhalten werden. Die Dicke des Fingers 113 der Laufschaufel 3 wird so bestimmt, um der Gleichung (5) zu genügen, so dass die Belastungen der Finger 113 und 121 zwischen den Zapfen 35,37,39 untereinander gleich sind. Daher sind die in den Fingern 113 und 121 erzeugten Belastungen an jedem der Zapfen 35,37,39 gleichmässig gemacht. Diese Befestigungsanordnung hat den Vorteil, dass die Laufschaufel 103 und das Läuferrad 105 im Vergleich mit der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Befestigungsanordnung leicht maschinell zu bearbeiten sind, da die Finger 113 und 121 gerade abgeschrägte Seitenflächen haben.

Ausserdem soll noch ein anderes Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 5 beschrieben werden.

In Fig. 5 hat eine Laufschaufel 203 Weihnachtsbaumtyp-Finger 213, und ein Läuferrad 205 hat ebenfalls gleichartig gestaltete Finger 221, die die Finger 213 aufnehmen. Wenn die Laufschaufel 203 rotiert, wird die Zentrifugalkraft aufgrund der Drehung der Laufschaufel 203 von drei Ausbauchteilen 202,204,206 aufgenommen, die Ausbauchteile 202, 204,206 sind also Verankerungszonen. Um die Belastungen unter den Ausbauchteilen 202,204,206 zwischen der Laufschaufel 203 und dem Läuferrad 205 konstant zu machen, d.h. um die in der Laufschaufel 203 oder dem Läuferrad 205

erzeugten Spannungen an den Verankerungszonen der Laufschaufel 203 oder des Läuferrades 205 gleichmässig zu machen, wird die Dicke der Laufschaufelfinger 213 gemäss der Gleichung (5) bestimmt, wobei man die Durchschnittsdicke 5 Tb bzw. Tr der Finger 213 und 221 verwendet, die durch Teilen der Summe der Ausbauchteildicken durch die Zahl der Ausbauchteile erhalten wird. Die Formen der Finger 213 und 221 sind im wesentlichen die gleichen wie die eines herkömmlichen Laufschaufelfingers oder eines Läuferradfingers des io Weihnachtsbaumtyps.

Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die Laufschaufel 203 länger als die Laufschaufel 3 oder 103 gemacht werden kann, da die Breite der Laufschaufel 203 axial an ihrem Wurzelteil ausgedehnt werden kann.

15 Falls die Laufschaufeln 3,103,203 einen Unterschied des Elastizitätsmoduls von mehr als 20% im Vergleich mit dem Läuferrad 5,105,205 aufweisen, wendet man vorzugsweise die Erfindung an.

Die Befestigung zwischen der Laufschaufel und dem Läu-20 ferrad gemäss der Erfindung ist mechanisch fest, da sich die an verschiedenen Verankerungszonen der Laufschaufel erzeugten Beanspruchungen gleichmässig machen lassen, wenn die Laufschaufel einen anderen Elastizitätsmodul als das Läuferrad aufweist, an dem die Laufschaufel befestigt wird.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE ne wird als Material für Laufschaufeln eine Legierung mit

1. Läuferrad einer Turbine, mit daran befestigten Lauf- 12% Cr verwendet. Wo aus einer solchen Legierung gefertigte schaufeln, mit einer Mehrzahl von radial sich erstreckenden Laufschaufeln länger als beispielsweise 1016 mm gemacht Läuferradfingern, die zwischen sich Zwischenräume begren- und bei einer Drehzahl von 3600 U/min verwendet werden, zen, wenigstens einem im Wurzelteil der Laufschaufel vorge- 5 tritt eine Gefahr auf, dass die Laufschaufeln durch Zentrifu-sehenen Laufschaufelfinger, der eine dem Zwischenraum der galkraft brechen. Daher verwendet man für solche langen Läuferradfinger gleichartige Form aufweist und in einem der Laufschaufeln vorzusweise ein Material, das so fest wie die Zwischenräume eingesetzt ist und wenigstens zwei an jedem 12% Cr-Legierung und von niedrigem spezifischen Gewicht der Läuferradfinger und Laufschaufelfinger vorgesehenen ist. Als ein solches Material ist eine Titanlegierung bekannt, und radial untereinander beabstandeten Verankerungszonen 10 Der Elastizitätsmodul der Titanlegierung ist im Vergleich mit zur Befestigung der Laufschaufel am Läuferrad, dadurch ge- demjenigen einer für einen Turbinenläufer verwendeten Le-kennzeichnet, dass die einen Finger (21; 121; 221 oder 13; 113; gierung sehr klein. Daher können, wenn die Laufschaufeln 213) einen höheren Elastizitätsmodul (Er) und eine geringere aus der Titanlegierung am Turbinenläufer, der aus einer an-Dicke (Tr) aufweisen als die anderen Finger (13; 113; 213, deren Legierung als der Titanlegierung hergestellt ist, mit ei-bzw. 21; 121; 221). 15 ner herkömmlichen Befestigungsanordnung befestigt werden,
2. Läuferrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, wie sie in den Fig. 1 und 2 der JP-OS 50-139205 (1975) gezeigt dass die Laufschaufel (3; 103; 203) aus einer Titanlegierung ist, deren Bemessung nur unter Berücksichtigung der Festig-mit geringerem Elastizitätsmodul (Eb) als dem des Läuferra- keit sowohl des Läufermaterials als auch des Laufschaufeldes (5; 105; 205) besteht und der Laufschaufelfinger (13; 113; materials bestimmt ist, ernstliche Probleme auftreten. Bei der 213) eine grössere Durchschnittsdicke (Tb), erhalten durch 20 Ausbildung der Laufschaufel und des Läufers unterscheidet Teilen der Summe der Dicke an der Spitze und an der Wurzel sich nämlich die Verformung der Laufschaufel infolge ver-als die (Tr) der Läuferradfinger (21; 121; 221) aufweist. schiedener auf die Laufschaufel einwirkender Kraft von der
3. Läuferrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, des Läufers, und daher werden ungleichmässige Spannungen dass der Laufschaufelfinger (13; 113; 213) eine Durchschnitts- in die Laufschaufel und den Läufer eingeführt, und es entste-dicke (Tb) aufweist, die durch Multiplikation der Durch- 25 hen konzentrierte Belastungen in einem Teil der Laufschaufel schnittsdicke (Tr) der Läuferradfinger (21; 121; 221) mit dem oder des Läuferrades. Eine solche Ausbildung bringt die GeVerhältnis des Elastizitätsmoduls (Er) des Läuferrades (5; fahr, dass Risse in einem Bereich grössere Belastung, d.h. in 105; 205) zum Elastizitätsmodul (Eb) der Laufschaufel (3; einem Bereich auftreten, in dem die konzentrierten Belastun-103; 203) erhalten wird. gen entstehen.
4. Läuferrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 30 Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Läuferrad dass die Laufschaufelfinger (13) aus einer Titanlegierung mit einer Turbine mit daran befestigten Laufschaufeln anzuge-niedrigerem Elastizitätsmodul (Eb) als demjenigen (Er) des ben, bei dem die durch die Zentrifugalkraft auf die Lauf-Läuferrades (5) bestehen und eine grössere Durchschnittsdik- schaufeln einwirkenden Belastungen nicht in einem Teil der ke (Tb) als die Durchschnittsdicke (Tr) der Läuferradfinger Laufschaufeln konzentriert werden, sondern eine gleichmässi-(21) aufweisen, wobei die Durchschnittsdicken axial am Mit- 35 ge Belastung in den einzelnen Laufschaufeln erzielt wird, telteil zwischen zwei radial am meisten voneinander entfern- Diese Aufgabe wird mit einem in Anspruch 1 beschriebe-ten Befestigungszapfen (35,37,39) genommen sind, die alle nen Läuferrad gelöst.

Bohrungen (23,25,27,29,31,33) aufweisenden Finger durchsetzen. Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veran-
5. Läuferrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 40 schaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin dass die Laufschaufelfinger (13) und die Läuferradfinger (21) zeigen:

zu ihrer Spitze hin abnehmende Dicken aufweisen. Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teils eines Turbinen-
6. Läuferrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, läufers;

dass die Laufschaufelfinger (13) eine Durchschnittsdicke (Tb) Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels ei-

aufweisen, die durch Multiplikation der Durchschnittsdicke 45 ner Turbinenschaufel-Befestigungsanordnung gemäss der Er-

(Tr) der Läuferradfinger (21) mit dem Verhältnis des Elastizi- findung;

tätsmoduls (Rr) des Läuferrades (5) zum Elastizitätsmodul Fig. 3 eine Seitenansicht der Fig. 2;

(Eb) der Laufschaufeln (3) erhalten wird. Fig. 4 eine Schnittansicht einer Abänderung der in den

Fig. 1 bis 3 gezeigten Turbinenschaufel-Befestigungsanord-

50 nung; und

Fig. 5 eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbei-