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Durch Momente beanspruchte Scheibe für Kreiselmaschinen, insbesondere
für Turbinen Die Erfindung betrifft die Ausgestaltung einer durch Momente beanspruchten
Scheibe für Kreiselmaschinen, und zwar soll bei den folgenden Ausführungen von einer
Laufscheibe einer radial beaufschlagten Dampfturbine ausgegangen werden. Es sei
dabei der Fall der Laufscheibe angenommen, bei der die die Schaufeln aufnehmenden
Ringe beiderseitig aus dem Scheibenbaustoff herausgearbeitet sind. Die Scheibe sei
einem einseitigen Überdruck ausgesetzt. Dieser Überdruck übt ein Biegungsmoment
auf die Scheibe aus, der bestrebt ist, die Scheibe zu verformen. Die Verformung
ist bestimmend für gewisse Spiele, die in der Beschaufelung vorgesehen werden müssen.
Wird sie zu groß, so ist der Bau einer betriebssicheren bzw. wirtschaftlichen Turbine
unmöglich. Man hat deshalb von jeher dieser Biegungsbeanspruchung Rechnung tragen
müssen. , Der einseitig wirkende Überdruck ist aber nicht die einzige Kraft, die
ein Biegungsmoment auf die Scheibe ausübt. Jeder der aus dem Scheibenwerkstoff herausgearbeiteten
Ringe ist der Fliehkraft unterworfen, übt also ebenfalls ein auf Biegung hinwirkendes
Moment auf die Scheibe aus. Außerdem sind die - Ringe im allgemeinen durch eine
Randkraft belastet, nämlich durch die Schaufeln. Durch diese Randkraft wird ebenfalls
ein Biegungsmoment auf die Scheibe ausgeübt.
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Zur Beherrschung der durch diese verschiedenen Momente hervorgerufenen
Verformung der Scheibe sind bisher folgende zwei grundsätzliche Wege eingeschlagen
worden. Der eine Weg ist der, daß
man -die -Scheibe so starr macht,
daß sie selbst bei den höchst möglichen Beanspruchungen keine wesentliche Durchbiegung
erfährt. Dieser starren Scheibe steht die sogenannte Leichtscheibe gegenüber, die
man so bemißt, daß sie sich unter der Wirkung der auftretenden Momente durchbiegen
kann, wobei man durch Abstufung der Drücke innerhalb der einzelnen Scheiben dafür
sorgt, daß der Überdruck niemals so groß werden kann, daß die Durchbiegung unzulässig
hohe Werte annimmt. Der erste Weg ergibt schwere Scheiben, die jedoch die Unterbringung
einer verhältnismäßig großen Stufenzahl ermöglichen. Der zweite Weg führt zu leichten
Scheiben, zwingt aber, da, wie gesägt, die Druckdifferenz zu beiden Scheibenseiten
gewisse Werte nicht überschreiten darf, zu einer Erhöhung der Zahl der Scheiben.
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Die Erfindung löst die Aufgabe der Beherrschung der auf die Scheibe
wirkenden Momente auf einem neuen Weg, und zwar dadurch, daß die beiderseitig aus
dem Scheibenbaustoff herausgearbeiteten Ringe selbst zu Beherrschung der Biegungsmomente
beitragen, und zwar dadurch, daß sie derart angeordnet und bemessen werden, daß
die die Scheibe beanspruchenden Momente im wesentlichen ausgeglichen sind. Dabei
wird man im allgemeinen einen Ausgleich der Momente über die ganze Erstreckung der
Scheibe anstreben, wobei allerdings auch Fälle denkbar sind, in denen lediglich
ein zonenweiser Momentausgleich erforderlich oder erwünscht ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung, nämlich die Herbeiführung des Momentausgleiches
einer Scheibe durch die aus ihr herausgearbeiteten Ringe führt zu verschiedenen
Lösungswegen je nach der Art des vorliegenden Momentaufbaues. Wenn von der bereits
erwähnten beiderseitig beschaufelten Scheibe ausgegangen wird, die einem einseitigen
Überdruck ausgesetzt ist, so läßt sich der Grundsatz des Momentausgleiches auf einfachste
Weise dadurch durchführen, daß die die Ausgleichsmomente erzeugenden Schaufelringe
auf der dem Überdruck abgekehrten Seite angeordnet werden. Wenn der Überdruck ein
z. B. rechtsdrehendes Moment ausübt, so üben die auf der abgekehrten Seite sitzenden
Schaufelringe infolge ihrer Fliehkraft und ihrer Randkräfte ein linksdrehendes Moment
aus. Durch entsprechende Wahl der axialen Erstreckung der Ringe und ihrer Dicke
läßt sich dieser Momentausgleich ohne weiteres bewerkstelligen. Die rechnerischen
Grundlagen zur Ermittlung der Abmessungen sind .bekannt bzw. leicht zu finden.
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Es ist nicht erforderlich, daß die Scheibe einem einseitigen Überdruck
ausgesetzt ist. Die Verhältnisse können vielmehr auch so liegen, daß die Beschaufelung
der einen Seite allein für sich schon Biegungsmomente hervorruft, die einen Ausgleich
erforderlich machen. In beiden Fällen ergibt sich die Möglichkeit, durch entsprechende
Wahl der axialen Erstreckung und/oder der Dicke der Ringe der anderen Seite einen
Momentausgleich herbeizuführen. Theoretisch ist ein Ausgleich so weit möglich, daß
jedes auf die Scheibe wirkendes Biegun.gsmoment verschwindet. Es bleiben dann in
der Scheibe lediglich Zugbeanspruchungen durch die Ringe übrig, denen durch entsprechende
Bemessung der Scheibenstärke Rechnung getragen werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abbildung dargestellt,
und zwar für den Fall der einem einseitigen Überdruck ausgesetzten Scheibe. Die
Turbinenscheibe r, die durch eine elastische Verbindung 2 mit der Turbinenwelle
verbunden sein möge, ist dem in Richtung des Pfeiles 3 wirkenden einseitigen Überdruck
ausgesetzt. Aus dem Werkstoff der Scheibe z sind die Schaufelringe ¢ herausgearbeitet,
die zur Aufnahme von Schaufeln 5 dienen. Der Ring 4a ist in diesem Fall nicht Schaufelträger,
sondern lediglich vorgesehen, um die Scheibenbeanspruchung besser beherrschen zu
können. Auf die Scheibe r wirken, wie aus der Abbildung ohne weiteres ersichtlich
ist, drei Gruppen von biegenden Momenten ein, nämlich ein Biegungsmoment, das durch
den Überdruck hervorgerufen wird, ein zweites Biegungsmoment, hervorgerufen durch
die Fliehkraftwirkung der Ringe q., und ein weiteres Biegungsmoment, das durch die
Randkräfte der Ringe q., d. h. durch die Schaufeln 5 erzeugt wird. Diese drei Momente
wirken rechtsdrehend. Um sie auszugleichen, sind auf der Gegenseite der Scheibe
die Ringe 6 so bemessen, daß sie zusammen mit den Randkräften der Schaufeln 7 den
biegsamen Momenten der linken Seite das Gleichgewicht halten. Diese Wirkung wird
dadurch erzielt, daß die Ringe 6 eine größere axiale Länge als die Ringe q. aufweisen.
Außerdem ist ihre Dicke gegenüber der Dicke der entsprechenden Ringe der linken
Seite verstärkt. Für die axiale Erstreckung sind zwei Fälle dargestellt, nämlich
ausgezogen der Fall, daß die Ringe 6 eine untereinander gleiche axiale Erstreckung
haben und gestrichelt der Fall, daß die axiale Erstreckung mit dem Durchmesser zunimmt.
Diese Gegenüberstellung zeigt, wie man durch Veränderung der axialen Länge das ausgleichende
Biegungsmoment erzielen kann. Die Abbildung zeigt eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung
des Ausgleichsmomentes, und zwar dadurch, daß die die Ausgleichsmomente erzeugenden
Ringe der rechten Scheibenseite gegenüber den entsprechenden Ringen der linken Scheibenseite
radial nach außen versetzt sind. Da hierdurch die Durchmesser dieser Ringe gegenüber
denen der anderen Seite vergrößert sind, wächst ihre Fliehkraftwirkung und damit
das Ausgleichsmoment.
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Der Vorteil der neuen Anordnung liegt insbesondere darin, daß sie
den Wert der starren Scheibe, nämlich die geringe Durchbiegung mit dem Wert der
elastischen Scheibe, nämlich der geringen Masse und dem geringen Gewicht verbindet.
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Die Erfindung wurde im vorstehenden an Hand der Laufscheibe einer
radial beaufschlagten Dampf-oder Gasturbine erläutert. Es leuchtet ein, daß die
Überlegungen entsprechend auch für andere Scheiben von Kreiselmaschinen gelten,
selbst dann,
wenn wie bei feststehenden Scheiben gewisse Fliehkrafteinflüsse
fehlen.