DE1919310A1 - Turbinenrotor - Google Patents

Turbinenrotor

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DE1919310A1
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turbine
turbine rotor
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bearing
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Dee Colin William
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Aerostatic Ltd
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    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
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Description

191931Q
Anmelderin: Aerostatic Limited
AO Nuffield Road, Nuffield Industrial Batate, Fleets Bridge, Poole, Dorset, England
"Turbinenrotor "
Die Erfindung "bezieht sich auf Turbinen wie beispielsweise Gasturbinen.
1Ss ist die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Turbinenrotor zu schaffen.
Der erfindungsgemäße Turbinenrotor kennzeichnet sich durch ein äußeres ringförmiges Teil, ein koaxial mit radialem Abstand von dem äußeren ringförmigen Teil angeordnetes inneres ringförmiges Teil und eine zwischen dem inneren und dem äußeren Teil vorgesehene erste Turbinenbesohaufelung. Innerhalb des inneren ringförmigen Teils und/oder außerhalb des äußeren ringförmigen Teils kann eine zweite Turbinenbeschaufelung angeordnet sein. Das äußere und/oder das innere ringförmige Teil können bzw. kann länglich und rohrförmig ausgebildet sein. Bei einer Gasturbine ist beispielsweise der den Kompressorteil antreibende Turbinenteil innerhalb des Kompressorteils angeordnet, wobei beide in einem einzigen Rotor eingeschlossen sind. Dadurch wird nicht nur die axiale Gesamtlänge des Rotors verringert, sondern es wird auch erreicht, daß ein einziges
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Lager oder ein einziger Lagersatz ausreicht, um sowohl das . Antriebs- als auch das Abtriebsteil zu halten»
Das äußere und aas innere ringförmige Teil können von der ersten Turbinenbeschaufelung mit radialem Abstand koaxial gehalten werden.
Im Betrieb kann ein Turbinenrotor, beispielsweise der Rotor einer Gasturbine, relativ hohen Temperaturen ausgesetzt sein, wenn zum Antrieb Verbrennungsprodukte verwendet werden.
fc Ein wesentliches Problem bei der Konstruktion und der Arbeitsweise von Gasturbinen besteht darin, daß die auftretenden hohen Temperaturen und starken Zentrifugalkräfte bei einigen Stoffen, die zur Konstruktion des Rotors und seiner Beschaufelung verwendet werden, eine Kriechdehnung bewirken. Deshalb werden spezielle Stahlsorten und Legierungen hergestellt« Durch die extremen Bedingungen können jedoch störende Faktoren bei der Arbeitsweise derartiger Gasturbinen sowie von Dampfturbinen nicht ausgeschaltet werden.
2s ist zwar·wohlbekannt, daß bestimmte keramische Stoffe
* erhöhte Betriebstemperaturen aushalten können, sie sind jedoch sehr spröde und können bei Spannungsbeanspruchungen viel leichter als Metalle brechen. Nichtsdestoweniger können bestimmte keramische Stoffe, besonders Siliziumnitrid, hohe Temperaturen aushalten und in wünschenswerter Weise bearbeitet werden, wobei ihre Druckfestigkeit im Bereich von 200/300 Meganewton/m liegt. ■
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das innere ringförmige Teil keramisches Material auf, das τοη einer außen radial angeordneten Einfassung gehalten wird«, Insbesondere kann die zweite Türbinenbeschaufelung aus keramischem Material "bestehen.
Die rotierenden Teile sind derart konstruiert, daß das
keramische Llaterial von starren Halte elementen außen radial gehalten wird» Daraus ergibt sich, daß das keramische Material, soweit die "bei hoher Drehzahl auftretenden Zentrifugalkräfte betroffen sind, unter Druck arbeitete
Bei einer vorteilhaften Konstruktion einer Maschine, die eine Gasturbine und einen von der Turbine angetriebenen Kompressor aufweist, sind der Gasturbinenteil und der Kompressorteil koaxial angeordnete Bei dieser Konstruktion kann die äußere Halterung für die keramischen Teile des Rotors Teil des Kompressors selbst, beispielsweise eine im wesentlichen rohrförmige Halterung für eine Kompressorbeschaufelung, sein«, Bei einer derartigen Konstruktion absorbiert das keramische Material, Siliziumnitrid, auf Grund seiner extrem stabilen Bedingungen bei erhöhten Temperaturen die erzeugte Hitze, während die äußere Stahlhalterung von der kühleren Luft, die durch den äußeren Kompressorbereich gepumpt wird, auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur gehalten wird.
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In bestimmten Fällen ist es wünschenswert, ale Lagermittel für einen Turbinenrotor ein oder mehrere Fluidlager eu verwenden. Es wurde festgestellt, daß keramisches Material, insbesondere Siliziumnitrid, vorteilhaft verwendet werden kann, um Lagerflächeη zu bilden, die den Lagerspalt derartiger Fluidlager begrenzen, und um insbesondere eine zuverlässige Arbeitsweise und Beschädigungs- und Scheuerunempfindlichkeit zu erzielen, wenn die Lagerflächen unbeabsichtigt bei hoher Drehzahl miteinander in Kontakt kommen sollten.
w Das keramische Material wird vorzugsweise für das radial
außen liegende der beiden Lagerteile verwendet, von denen der Lagerspalt gebildet wird. Wenn das äußere Lagerteil feststehend ist, ist es keinen zentrifugalen Spannungskräften ausgesetzt, sondern steht nur unter einem radial wirksamen Druck, der von dem Fluid im Lagerspalt ausgeübt wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Turbinenrotor von einem oder mehreren Fluidlagern gehalten. Bei einer ersten Ausführungsform ist ein Fluidachslager vor— gesehen, dessen Lagerspalt radial außerhalb des äußeren ringförmigen Teils angeordnet ist· Vorzugsweise wird der Lagerspalt innen von dem äußeren ringförmigen Teil begrenzt. Dadurch wird die Herstellung und die Speisung des oder jedes Lagers erleichtert und sowohl axial-als auch radial eine gedrängte Bauweise des Rotors ermöglicht.
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line derartige Konstruktion gestattet auch eine susammengesetste Bauweise, bei der Jede getrennte Einheit einea aus vielen Einheiten bestehenden Rotors auf derselben Aohse liegt und jede rotierende Einheit mit anderen Geschwindigkeiten an» getrieben wird, die von Änderungen des Winkels der angetriebenen Turbinenschaufel abhängen, wodurch unterschiedliche Druckverhftltnisse in jeder Einheit ersielt werden können.
Bei einer «weiten Ausführungsform ist ein fluidachslager vorgesshea, dessen Lagerspalt radial innerhalb der Bereiten Turbinenbesohaufelung liegt· lin irittes ringfermlges TtIl kann koaxial alt radiale» Abstand innerhalb des inneren ringförmigen Teils angeordnet sein und dien Lagerajalt innen radial begrenzen.
In den Zeichnungen, die drei AusfUhrungsbeispiele ven Tür* binen mit erfindungsgemälen Rotoren seigen, lsti fig· 1 ein Axialschnitt duroh ein erstes Ausflhrungs-
beispiel einer mehrstufigen koaxialen Gasturbine mit schiitsartigen Fluidlagernj
Tig. 2 ein Axialschnitt durch ein «weites Ausführungsbeispiel einer mehrstufigen koaxialen Gasturbine mit schlitzartigen Fluidlagern, und
Fig. 3 ein Axialschnitt durch einen mehrstufigen koaxialen Turbokompresaor mit schiltzartigen Fluidlagern. Pig. 1 leigt eine Gasturbine mit Eigenantrieb, die zwei axial im Abstand angeordnete Rotoreinheiten aufweist, die jeweils ein angetriebenes Turbinenelement 1 aus keramischem Material
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BAÖ ORIQJNAL
aufweisen. Dia Turbinenelemente alnd in einem Kompreeaer element: 2 aus Stahl gelagert. Als keramisches Material dient beispielawaise Silixiumnitrid.
Jades Turbinenelement 1 waiat eine Nabe 3 auf, dia dia Aufgabe hat,
a) nit Zentrifugalkraft arbeitende AnlaSkupplungen 4 aufzunehmen,
b) angetriebene Turbinensohaufaln 5 aua keramischem Matar ial zu tragen, und
" ο) ait einem rohrförmigen keramiaohen llemant 6 einen Kanal für dia Varbrannungagaie su einem Auapuff xu bilden.
Sa« rohrförmige keremisohe Hernent 6 ist in eine· rohr· förmigen Tail 7 daa Kompreasorelements Z aus Stahl galagart und wird von diesem gagan die Wirkung von radial nach auflen wirkenden Kräften gehalten·
Daa Kompreaaorelement 2 besteht aus dam rohrförmigen Tail 7, Kompressorschaufeln 8, die von dam T«il 7 radial ausgehen, j und einem äußeren rohrförmigen Teil 9· Di· zylindrische Aufanfläche dea Teiles 9 bildet die innere Begrenmungsfläche eines radial außerhalb dieses Teiles 9 liegenden Spaltes 10 eines Fluidlagere. Die äußere Begrenzungsflttche dieses Spaltes 1O besteht aus der zylindrischen Innenoberfläche einer keramischen Ringeinrichtung, die zu einem Paar von keramiaohen Ringeinrichtungen 11 gehört, so daß jede Rotoreinhsit von einem von zwei
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axial·, .im .Abstand, angeordneten zylindrischen Fluidlagern gehalten wird. Die Teile 9 sind jeweils axial zwischen zwei ringförmigen Wandungen 12 gelagert, und jedes Endteil eowie die benachbarte ringförmige Wandung begrenzen Fluiddrucklagerspalte 13· .Jede Rotoreinheit wird demzufolge von den Fluiddrucklagern in jeder Richtung gegen axiale Kräfte gehalten. Die zylindrischen Spalte 10, die als Achslagerspalte dienen, werden über Leitungen. 14, die mit.ringförmigen Speicherräumen 15 in Verbindung stehen, mit unter Druck stehendem Fluid gespeist. Die keramischen Ringeinrichtungen 11 bestehen jeweils aus einer zylindrischen Hülse 11ja und zwei. Endteilen 11b und 11£. Die axialen Stirnflächen der Hülse 11a sind axial eingeschnitten, so daß eine Anzahl von.symmetrisch im gleichen Abstand voneinander angeordneten eckigen Ausnehmungen mit parallelen Seiten gebildet Wird. Eine ebene radiale Fläche der jeweiligen Endteile 11b und 11£ liegt »n jeder mit Ausnehmungen versehenen Stirnflächean, so daß eine Anzahl von Zufuhrschlitzen gebildet wird, die über den Umfang der Lagerfläche verteilt sind und eine Verbindung zwischen den Speicherräumen 15 und dem Spalt
10 des Fluidlagers herstellen. Jede keramische Ringeinrichtung
11 weist zwei axial im Abstand angeordnete Umfangsreihen derartiger Schlitze auf.
Verfahren zum Herstellen derartiger Schlitze und Konstruktionen von Fluidlagern mit derartigen Schlitzen sind in den britischen Patentschriften Nr. 1099560 und 1099730 sowie in den bekanntgemachten britischen Patentanmeldungen Nr. 1555330
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ORDINAL
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und 1146313 der Anmelderin im Einzelnen "beschriebene Außerdem betreffen die britischen Patentanmeldungen Nr. 279O4-/67 vom 16. Juni 1967
Nr. 48068/67 vom 23. Oktober 1967 Nr. 48931/68 vom 15. Oktober 1968
der Anmelderin den gleichen Gegenstand wie die vorstehend angeführten Vorveröffentlichungen«
Die Fluiddruoklagerspalte 13 werden alle mit Fluid gespeist, das aus den Enden der jeweiligen Spalte 10 des Achs-
lagers entweichte . =.
Im Betrieb wird durch einen Eingang 16 Luft angesaugt, die durch feststehende FUhrungsblätter 17a strömt und auf den Kompressorschaufeln 8 einer Rotoreinheit auftrifft. Anschließend strömt die Luft durch zweite stationäre Führungsblätter 17b und trifft auf die Kompressorschaufeln 8 der anderen Rotoreinheit auf» Dann strömt die Luft durch dritte stationäre Führungsblätter 17£ und durch Kanäle 18, die die Luft zu einer Verbrennungskammer 19 zurückführen, die über eine Düsenein-) richtung 20 mit Brennstoff gespeist wird. Die Verbrennungsgase strömen dann durch erste stationäre Führungsblätter 21a, dann durch die Turbinenschaufeln 5 einer Einheit des Rotors, durch zweite stationäre Führungsblätter 21b, durch die Turbinenschaufeln 5 der anderen Rotoreinheit und durch dritte stationäre Führungsblätter 21c_, worauf sie schließlich durch einen Ausgang 22 abgegeben werden.
Eine Abtriebswelle 23 dient zur Kraftabnahme von der getrennt angetriebenen Turbine 23a.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind mit dem in der Beschreibungseinleitung genannten "äußeren ringförmigen Teil" die "beiden äußeren rohrförmigen Teile 9 gemeint, die jeweils die innere Begrenzung eines Achslagerspalts "bilden.. Das "innere ringförmige Teil" "bezieht sich auf die Einrichtung des rohrförmigen keramischen Elements 6, das in dem rohrförmigen Teil 7 aus Stahl sitzt. Die "erste Turbinenbeschaufelung" "bezieht sich auf die rotierenden Kompressor schaufeln 8. Die "zweite Turbinenbeschaufelung" "bezieht sich auf die rotierend angetriebenen Turbinenschaufeln 5·
In Fig» 2 ist eine ähnliche, mehrstufige Gasturbine dargestellt, die sich von der in Fig. 1 dargestellten Gasturbine im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß die beiden Rotoreinheiten jeweils von zwei Fluidachslagern getragen werden, die im Rotor selbst und nicht an der Außenseite des "äußeren ringförmigen Teils" gelagert sind.
Der Rotor weist zwei im Abstand angeordnete rotierende Einheiten A und B auf. Diese Einheiten bestehen jeweils aus einer äußeren Schale 24 aus Stahl, einem keramischen Ring und keramischen Kompressorschaufeln 25, die in der Schale aus Stahl gelagert sind und von ihr gehalten werden, einem inneren keramischen Hing 26, angetriebenen keramischen Turbinenschaufeln 27 und einer keramischen Nabe 28o Die beiden Einheiten A und B sind jeweils zwischen entsprechenden paarweise vorgesehenen feststehe.«·den Blättern C, D und E angeordnet.
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- ίο -
Fluidachslager für jede der Rotoreinheiten v/eisen zylindrische innerhalb der zweiten Turbinenbe sehauf elung 27 liegende Lagerspalte 29 auf, die jeweils von einer äußeren ■ zylindrischen Oberfläche der Nabe - 23 und einer inneren zylindrischen Oberfläche eines feststehenden Körpers 30 begrenzt werden. In jedem Körper 30 ist eine keramische 3ing— einrichtung 30a gemäß Figo 1 vorgesehen, um den Lagerspalt 29 über Schlitze mit Fluid zu speisen. Jeder Körper 30 weist einen Speicherraum 31 auf, der über Leitungen 32 gespeist wird. Es ist ersichtlich, daß sich das "äußere ringförmige Teil" auf die Schale 24 aus Stahl und das darin enthaltene keramische Material bezieht. Das "innere ringförmige Teil" bezieht sich auf den keramischen Ring 26. Die "erste Tür— binenbeschaufelung" bezieht sich auf die Kompressorschaufeln 25. Die "zweite Turbinenbeschaufelung11 bezieht sick auf die angetriebenen keramischen Schaufeln 27. Die Lager-Gpalte 29 werden von Lagerelementen (Nabe 28, Körper 30) begrenzt, die radial innerhalb der Turbinenschaufeln 27-.angeordnet sind. Das "dritte ringförmige Teil" bezieht sich auf den Körper 301 in dem die keramische Ringeinriehtung 30a vorgesehen ist, die koaxial mit radialem Abstand innerhalb des "inneren ringförmigen Teils" befestigt ist und die die radial nach außen gerichtete Begrenzung des Lagerspaltes bildet.
Bei F sind an dem inneren ringförmigen Teil getrennte Drucklager vorgesehen, die über die Leitungen 32 gespeist
werden. - .
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Pig« 3 zeigt einen mehrstufigen koaxialen Turbokorapressorf der einen Rotor aufweist, der aus zwei gekuppelten, axial im Abstand angeordneten Rotoreinheiten L und M "besteht0 Jede Einheit besteht aus einem, äußeren zylindrischen Rohrelement 33» in dem ein mit KOfapressorschaufeln 34 versehenes inneres Rohrelement 35 aus Stahl vorgesehen ist„ In dem inneren Rohrelement 35 ist eine keramische Einrichtung angeordnet, die aus einem keramischen Rohrelement 36» das von dem Rohrelement 35 gegen radiale Kräfte gehalten wird, und angetriebenen keramischen Schaufeln 37, die auf einer keramischen Nabe 38 gelagert sind, besteht«
Jede Einheit L, M wird iron einem äußeren Fluidlager gehaltene Die innere Begrenzung des Lagerspaltes 39 besteht aus der Außenoberfläche des Rohrelements 33» während seine äußere Begrenzung von der Innenoberfläche einer keramischen Ringeinrichtung 40 gebildet wird. Die Ringeinrichtung 40 ist ähnlich wie die Einrichtung 11a, 11b, 11£ in Fig. 1 dreistiickig ausgebildet. Fluid wird von Speicherräumen 41 durch Schlitse 42, die in zwei Umfangsreineη je Einheit angeordnet sind, zum Lagerspalt 39 geleitet« Zwischen den Enden jedes Rohrelements 33 aus Stahl und der benachbarten feststehenden radialen Wandung des Stators liegen Enddrucklagerspalte 4-3, die mit am Ende der zugeordneten Lagerspalten 39 austretenden Fluid gespeist werden0
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Bei dieser Konstruktion "bezieht sich das "äußere ringförmige Teil" auf das Rohrelement 33 aus Stahl. Das "innere ringförmige Teil" "bezieht sich auf die Einrichtung des keramischen Elements 3S und des Rohrelementes 35 aus Stahl·« Die "erste TurMnenbeschäufelung" bezieht sich auf die Kompressorschaufeln 34 ο Die "zweite Tur"binen"beschau.f elung" "bezieht sich auf die Schaufeln 37«
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Claims (1)

  1. ^91931Q-
    - 13 Patentansprüche
    'O
    ■i Iy Turbinenrotor, gekennzeichnet durch ein äußeres ringförmiges Teil (9,24,33), ein koaxial mit radialem Abstand von dem äußeren ringförmigen Teil angeordnetes inneres ringförmiges Teil (6,26,35j36) und eine zwischen dem inneren und dem. äußeren Teil vorgesehene erste Turbinenbeschaufelung (8,25,34)»
    2. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere ringförmige Teil (9,24,33) und/oder das innere ringförmige Teil (6,26,35,36) länglich und rohrförmig ausgebildet ist bzw. sind ο
    3ο Turbinenrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere ringförmige Teil (9,24,33) und das innere ringförmige Teil (6,26,35,36) von der ersten Turbinenbeschaufelung (8,25,34) mit radialem Abstand koaxial gehalten werden« '
    4ο Turbinenrotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das innere ringförmige Teil (6,26,36) keramisches Material aufweist, das von einer außen radial angeordneten Einfassung (7,35) gehalten wird.
    5 β Turbinenrotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Turbinenbeschaufelung (5,27,37) vorgesehen ist, die innerhalb des inneren ringförmigen Teils (6,26,35,36) und/oder radial außerhalb des äußeren ringförmigen Teils (9,24,33) angeordnet ist und aus keramischem Material besteht.
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    - 14 - · ■.■■■ ■■.-.
    β ο Turbinenrotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 "bis , 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pluidachslager vorgesehen ist, dessen Lagerspalt (1O) radial außerhalb des äußerer, ringförmigen Teils (9) angeordnet ist»
    7» Turbinenrotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerspalt (10) innen von dem äußeren ringförmigen Teil (9) begrenzt wird,
    8» Turbinenrotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fluidachslager vorgesehen ist, dessen Lagerspalt (29) radial innerhalb der zweiten Turbinenbeschaufelung (27) liegt.
    9. Turbinenrotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes ringförmiges Teil (30) koaxial mit radialem Abstand innerhalb des inneren ringförmigen Teils (26) angeordnet ist und den Lagerspalt (29) radial innen begrenzte
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