DE592204C - Schubfeste Scheibe - Google Patents

Description

Bei schubfesten Scheiben,' welche aus konzentrischen, durch Zwischenstege in radialer Richtung fest verbundenen Ringkörpern aufgebaut sind, werden durch. axial auftretende Kräfte auf die einzelnen Ringkörper Biegungsbeanspruchungen ausgeübt, die von den Ringkörpern selbst aufgenommen werden. Auf diese Weise tritt eine außergewöhnlich günstige Beanspruchungsverteilung ein, und es können mit kleinen Wandstärken große axiale Kräfte beherrscht werden. Es gibt jedoch Fälle, wo ungewöhnlich große Axialkräfte aufgenommen werden müssen oder wo außerordentlich dünne Wandstärken bei an sich beträchtlichen Axialkräften einzuhalten sind. Schließlich tritt häufig die Forderung auf, mit möglichst kleiner axialer Baulänge auszukommen, wodurch die Ringkörper an Festigkeit einbüßen.

Die vorliegende Erfindung will eine Lösung angeben, wie in den geschilderten Fällen die Festigkeit der Scheibe gegen Druck oder Schub gesteigert werden kann. Der Weg der Lösung besteht darin, daß die mit den Ringkörpern in radialer Richtung fest verbundenen, im wesentliehen radial gerichteten Zwischenstege auch im unbelasteten Zustand eine in axialer Richtung gegeneinander versetzte Lage haben.

Es ist bekannt, druckbelasteten Scheiben zur Erhöhung ihrer Festigkeit eine kegelige oder parabolische, d.h. geneigte Gestalt zu geben. Die Erhöhung der Festigkeit gegen Axialkräfte beruht hierbei darauf, daß infolge der Neigung der Scheibenebene bei Verformungen Änderungen im Durchmesser auftreten, welche Radialspannungen ihre Entstehung ver-•danken und Tangentialspannungen hervorrufen. Die so entstehenden Tangentialspannungen verhüten eine weitergehende Verformung und nehmen die durch die Axialkräfte entstehenden Beanspruchungen auf.

Ähnliche Verhältnisse treten auch bei Neigung der Zwischenstege nach vorliegender Erfindung auf. Sie sind aber nur eine verhältnismäßig unwichtige Nebenerscheinung und können der Scheibe keine merkliche Erhöhung der Schubfestigkeit erteilen. Bei der für die Durchführung der vorliegenden Erfindung vorteilhaftesten Ausführungsform, bei welcher die Neigung der Zwischenstege so gerichtet ist, daß sie unter Belastung an den Stoßstellen von Ringkörpern und Zwischenstegen die großen Durchmesser zu verringern, die kleineren zu vergrößern bestrebt ist, und bei welcher vorzugsweise die Zwischenstege einseitig zu den Ringkörpern angeordnet werden, tritt sogar hierdurch eine Vergrößerung der größten Tangentialspannungen an den freien Enden der Ringkörper auf.

Die vorteilhafte Wirkung der Anordnung nach vorliegender Erfindung beruht auf ganz neuen Erkenntnissen und Wirkungen, welche durch den Aufbau der aus Ringkörpern und Zwischenstegen bestehenden Scheibe bedingt sind und deshalb für anders aufgebaute kegelige oder parabolische Scheiben keine Geltung haben oder wenigstens nicht in einem praktisch in Betracht kommenden Maße. Wie anfangs erwähnt, erfolgt die Aufnahme von Axialkräften bei Scheiben, welche aus konzentrischen,

durch Zwischenstege verbundenen Ringkörpern aufgebaut sind, durch auf die Ringkörper ausgeübte Biegungskräfte. Die Erfindung will die Zwischenstege derart anordnen, daß diese Biegungskräfte verkleinert werden. Sie macht sich zu diesem Zwecke die Tatsache zunutze, daß infolge der starken Bemessung der Ringkörper gegenüber den kleinen Zwischenstegen bei unterschiedlicher Ausdehnung der Ringkörper verhältnismäßig hohe Radialspannungen in den Zwischenstegen auftreten, hoch gegenüber den aus dem gleichen Grund in Scheiben normaler Bauart auftretenden Radialspannungen. (Zur Vermeidung von Mißverständnissen t5 sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die hohen, radial gerichteten Biegungsbeanspruchungen, die bei schubbelasteten Scheiben normaler Bauart auftreten, für diese Betrachtung keine Bedeutung haben.) In weiterer Ausbildung der Erfindung werden mit Hilfe dieser verhältnismäßig hohen Radialspannungen dadurch Biegungskräfte auf die Ringkörper ausgeübt, daß die Angri Ispunkte der Zwischenstege an den Ringkörpern gegeneinander versetzt werden. Praktisch wird diese Versetzung dadurch am einfachsten erreicht, daß die die Ringkörper verbindenden Zwischenstege im unbelasteten Zustand eine gegenüber der radialen Richtung geneigte Lage haben. Wie erwähnt, treten die Radialspannungen dann auf, wenn die Ringkörper sich unterschiedlich ausdehnen. Dieser Fall tritt z. B. ein, wenn Scheiben der betrachteten Bauart umlaufen. Die unter der Fliehkraft in geschlossenen Ringen auftretenden Spannungen wachsen bekanntlich mit dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit, d. h. bei gegebener minutlicher Drehzahl mit dem Quadrat des mittleren Durchmessers. Den Spannungen sind die ίο Ausdehnungen verhältnisgleich, wodurch entsprechend den Durchmesserunterschieden in ■den einzelnen Ringkörpern das Bestreben zu verschiedener Ausdehnung auftritt. Aber auch bei feststehenden Scheiben können derartige Ausdehnungsunterschiede hervorgerufen werden, z. B. durch Temperaturunterschiede. Solche Temperaturunterschiede zwischen den Ringkörpern treten beispielsweise auf, wenn Scheiben der betrachteten Bauart als Träger radial beaufschlagter Schaufelreihen von Gas- und Dampfturbinen dienen, da sich in derartigen Beschauflungen das Treibmittel innerhalb der Beschauflung durch Ausdehnung unter Arbeitsabgabe fortlaufend abkühlt.

Insbesondere hat es sich bei den durch das Hinzutreten der Fliehkraft besonders hoch beanspruchten umlaufenden Scheiben herausgestellt, daß die durch die auftretenden Axialkräfte und Fliehkräfte auf die Ringkörper ausfio geübten Biegungskräfte dann eine Verminderung erfahren, wenn die Stoßstellen zwischen Stegen und Ringkörpern mit abnehmendem Durchmesser gegenüber der radialen Ebene in der Richtung auf diejenigen Ringkörperenden verlegt werden, welche unter der Belastung die stärkste Durchmesservergrößerung erleiden. Durch eine solche Verlegung der Stoßstellen ist also eine Verringerung der Beanspruchungen zu erreichen.

Bei der Verwendung von Scheiben der betrachteten Bauart als Träger radial beaufschlagter Schaufelreihen ergibt es sich als vorteilhaft, die Zwischenstege an einem Ende der Ringkörper anzuordnen, so daß die Rückseite der Scheiben möglichst glatt ausfällt und eine möglichst geringe Oberfläche aufweist. Hierdurch wird der schädliche Wärmeaustausch zwischen den Treibmittelmengen auf beiden Seiten der Scheibe maßgeblich vermindert. Um diesen Vorteil auch bei einem Scheibenaufbau nach vorliegender Erfindung zu erreichen, wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Rückwand der Scheibe mit einer glatten kegelförmigen oder parabolischen Begrenzungsfläche zu versehen. Werden in bekannter Weise mehrere solcher radial beaiifschlagte Schaufelgruppen tragender Scheiben axial hintereinandergeschaltet, so entsteht hierbei der weitere Vorteil, daß bei der Rückführung des aus einer Schaufelgruppe außen austretenden Treibmittels nach der Mitte zu zwecks Eintritts in die innerste Schaufelreihe der nächsten Schaufelgruppe zwischen den kegelig gestalteten Rückseiten der Scheiben ein gleichbleibender oder langsam sich verengender Querschnitt für den Durchfluß geschaffen werden kann, so daß ungewollte Geschwindigkeitsänderungen und Wirbelbildungen vermieden werden können.

Um bei derartiger Ausbildung der Scheiben als Schaufelträger einen vorteilhaft genau radial nach außen gerichteten Schaufelkanal zu erhalten, ist es zweckmäßig, daß die axiale Länge der Ringkörper mit wachsendem Durchmesser zunimmt. Die größere Länge der Ringkörper setzt hierbei gleichzeitig in vorteilhaftester Weise die mit größerer Umfangsgeschwindigkeit anwachsenden Beanspruchungen herab.

Die Abbildungen geben beispielsweise Ausführungen von Scheiben nach der Erfindung "» wieder.

Die Abb. 1 zeigt als Beispiel einen senkrechten Schnitt durch zwei axial hintereinandergeschaltete Gruppen von radial beaufschlagten Dampfturbinenschaufeln, welche durch Scheiben nach vorliegender Erfindung getragen werden.

Die Abb. 2 gibt eine der gemäß der Erfindung ausgeführten Scheiben der Abb. 1 in größerem Maßstabe wieder, wobei die axiale Versetzung der Stoßstellen zwischen Ringen und Stegen durch Schrägstellung der Stege erreicht ist.

Die Abb. 3 veranschaulicht eine Scheibe der gleichen Art wie in Abb. 2 mit dem Unterschied, daß die Stege in genau radialer Richtung verlaufen, wodurch die axiale Verschiebung deutlicher zum Ausdruck kommt.

In Abb. ι tritt der Dampf bei 1 in die erste Schaufelgruppe ein, durchströmt sie von innen nach außen und verläßt sie bei 2. Er fließt dann durch den Querschnitt 3 von außen nach innen zurück, um bei 4 in die zweite Schaufelgruppe einzutreten, welche _: ebenfalls von innen nach außen durchströmt und bei 5 verlassen wird. Es besteht .z. B. die erste ruhende Scheibe aus den Ringkörpern 6 bis 14 und den Zwischen-Stegen 15 bis 22, die die Ringkörper elastisch verbinden. Am äußeren Umfang ist die Scheibe mittels des dünnen, elastischen Ringes 23 gegen das Gehäuse 24 abgestützt. Die letzte umlaufende Scheibe besteht in ähnlicher Weise aus den Ringkörpern 25 bis 34, welche durch die elastischen Zwischenstege 35 bis 43 verbunden sind. Am inneren Umfang ist die Scheibe mittels des dünnen, elastischen Ringes 44 gegen den Wellenteil 45 abgestützt. Diese umlaufende Scheibe wird z. B. durch einen nach rechts gerichteten Axialschub belastet, da der Druck am glatten Rücken der Scheibe niedriger ist als an der beschaufelten' Vorderseite. Hierdurch wird auf die Ringkörper eine Drehbeanspruchung im Uhrzeigersinn ausgeübt, welche beispielsweise am Ringkörper 26 das Ende, welches die Schaufel 46 trägt, aufweitet. Im gleichen Sinn wirkt die von den Schaufehl 46 auf den Ringkörper 26 ausgeübte Fliehkraft.

Wie aus der vergrößerten Darstellung in Abb. 2 hervorgeht, will sich der dem Ringkörper 26 benachbarte Ringkörper 25 infolge der durch den größeren Durchmesser bedingten erhöhten Wirkung der Fliehkraft stärker ausdehnen als der Ringkörper. 26, der Ringkörper 27 dagegen infolge der durch den kleineren Durchmesser bedingten verringerten Wirkung der Fliehkraft weniger, so daß im Steg 35 eine nach außen gerichtete, im Steg 36 eine nach innen gerichtete Zugkraft auftritt. Ist nun, wie in der Abbildung dargestellt, der Angriffspunkt des Steges 3*5 am Ringkörper 26 weiter entfernt von dem am stärksten aufgeweiteten Ende des Ringkörpers 26 als der Angriffspunkt des Steges 36, so wird eine Biegungskraft entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugt, welche die herrschenden Beanspruchungen herabmindert. Die Versetzung der Angriffspunkte der Stege 35 und 36 am Ringkörper 26 ist in der Abbildung dadurch erreicht worden, daß die Stege eine Neigung gegen die radiale Ebene aufweisen. Da die von den Ringkörpern und Stegen erzeugten radial gerichteten Kräfte in rein radialer Richtung wirken, so ist für die Erzeugung der beschriebenen zusätzlichen Kraft die axiale Lage des mittleren Teiles auf dem mittleren Durchmesser der Stege maßgebend, nicht die axiale Lage an der Stoßstelle selbst, wodurch die Einwirkung infolge der hierdurch gegebenen Vergrößerung des wirksamen Hebelarms der durch die radialen Kräfte erzeugten Biegungskraft bedeutend vergrößert wird. Die Wirkung ist die gleiche, als ob jeder Steg bei Einbehaltung seiner mittleren Lage senkrecht gestellt würde, wie e.s zur Verdeutlichung in Abb. 3 dargestellt ist, in der die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.

Als besonders vorteilhafte Ausführung zeigen die Abb. 1 und 2 Scheiben, bei denen die Stege 15 bis 22 und 35 bis 43 an ein Ende der . Ringkörper 6 bis 14 und 25 bis 34 verlegt sind, wobei die Rückwand der Scheiben eine glatte, kegelförmige Begrenzung aufweist und so dem Wärmeaustausch eine möglichst kleine Fläche darbietet. Bei dieser Formgebung tritt auch die geringste Wandreibung an der glatten Rückenfläche auf sowohl in bezug auf die tangential gerichtete Relativbewegung durch die Drehbewegung der Scheiben als auch in bezug auf die radiale, einwärts gerichtete Strömung des Treibmittels selbst. Weiterhin verdeutlicht die Abb. 1, wie durch kürzere Ausführung der innen gelegenen Ringkörper eine rein radiale Strömung des Treibmittels im Mittel verwirklicht werden kann. ,,, Die hochbeanspruchten äußeren Ringkörper behalten bei dieser Ausführung ihre volle Länge, und die Schrägstellung des Scheibenrückens wird auf Kosten der von der Fliehkraft wenig beanspruchten Ringkörper kleineren Durchmessers erreicht. Die gezeigten Ausführungen stellen nur Beispiele dar, an welche die Erfindung in keiner Weise gebunden ist.

Hervorgehoben sei noch die vorteilhafte Querschnittsbemessung des Kanals 3 der Abb. 1, welcher infolge der gegenseitigen Neigung der Scheibenrücken trotz des stark schwankenden Durchmessers einen in radialer Richtung gleichbleibenden Querschnitt aufweist, so daß schädliehe Geschwindigkeitsänderungen im durchfließenden Treibmittel verhindert werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schubfeste Scheibe, welche aus konzentrischen, durch Zwischenstege verbundenen Ringkörpern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Ringkörpern in radialer Richtung fest verbundenen, im wesentlichen radial gerichteten Zwischenstege auch im unbelasteten Zustande eine in axialer Richtung gegeneinander versetzte Lage haben.

2. Schubfeste Scheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ringkörper verbindenden Zwischenstege im un-

belasteten Zustande eine gegenüber der radialen Richtung geneigte Lage haben.

3. Schubfeste Scheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßstellen zwischen Stegen und Ringkörpern mit abnehmendem Durchmesser gegenüber der radialen Ebene in der Richtung auf diejenigen Ringkörperenden verlegt sind, welche unter der Belastung die stärkste Durchmesservergrößerung erfahre.n.

4. Schubfeste Scheibe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstege an ein Ende der Ringkörper verlegt sind, wobei die Rückwand der Scheibe eine glatte kegelförmige oder parabolische Begrenzung aufweist.

5. Schubfeste Scheibe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Ringkörper mit wachsendem Durchmesser zunimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen