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Schaufelrad für eine Zentripetalturbine
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Die Erfindung betrifft ein Schaufelrad für eine Zentripetalturbine
mit Schaufeln aus keramischem Material, die aus einem Schaufelteil mit einem aerodynamischen
Profil und einem Befestigungsansatz bestehen, der an der metallischen Halterung
des Rades verankert ist.
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Schaufeln aus keramischem Material haben eine größere Widerstandsfähigkeit
gegen hohe TemLJeraturen als die bekannten Schaufeln aus Metall-Legierungen. Durch
die Verwendung von Turbinenschaufeln aus keramischem Material wird infolgedessen
die döchstbetriebstemperatur einer Gasturbine gegenüber derjenigen einer solchen
üblichen Turbine heraufgesetzt, wodurch sich der Uiermodynamische Wirkungsgrad der
Turbine vergrößert.
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Der Hauptnachteil einer Turbinenschaufel aus keramischem Material
im Vergleich mit einer solchen aus Metall besteht jedoch in der geringeren Bruchfestigkeit
der Schaufel aus keraNischem Material, die im allgemeinen nicht ausreicht, um die
Beanspruchungen aufzunehmen, die während des Umlaufs des Schaufelrades von den auf
die Schaufeln wirkenden Zentrifugalkräften hervorgerufen werden.
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Es ist bereits ein Gasturbinenschaufelrad mit axialer Durchströmung
bekannt geworden, das Schaufeln aus keramischem Material enthält, die von einem
Ring umschlossen
sind, der die äußeren Enden der Schaufeln umgibt,
so daß beim Betrieb der Turbine die Schaufeln durch die Zentrifugalkraft gegen den
Ring gepreßt werden und die Schaufeln mehr einer Druckbeanspruchung als einer Biegebeanspruchung
unterliegen. Ein derartiges Schaufelrad ist umständlich in seinem Aufbau und infolgedessen
teuer in der Herstellung, wie es auch in seiner Haltbarkeit unsicher ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaufelrad von dem Typ mit zentripetaler
oder radialer Durchströmung derart zu gestalten, daß es beim Betrieb im wesentlichen
nur Druckbeanspruchungen ausgesetzt ist, ohne daß die Gestaltung kompliziert und
teuer wird.
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Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist ein Schaufelrad der eingangs
genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsansatz
der Schaufeln ein in einem axialen Schnitt bogenförmiges Profil aufweist, das gegen
die Drehachse des Schaufelrades konvex ist, während die Stirnflächen des Befestigungsansatzes
etwa rechtwinklig zur Mittellinie des bogenförmigen Profils verlaufen, daß weiterhin
die Halterung des Rades aus zwei in veränderlichem Abstand voneinander angeordneten
Haltern mit Ringflächen besteht, zwischen denen die Schaufeln eingelegt sind, so
daß die gegenüberliegenden Stirnflächen der Ansätze mit den Ringflächen ip Berührung
stehen, und daß schließlich Spannmittel vorgesehen sind, mit denen die beiden Halter
axial gegeneinander ziehbar und die Befestigungsansätze der Schaufeln zwischen den
Ringflächen einklemmbar sina, derart, daß auf die Befestigungsansätze Druckkräfte
ausübbar sind, die etwa entlang der Mittellinie der bogenförmigen Profile der Befestigungsansätze
verlaufen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schaufelrad rufen die durch die Zentrifugalkräfte
an jeder Schaufel beim Betrieb der Turbine in jedem Querschnitt des Befestigungsansatzes
in Ebenen rechtwinklig zu der Mittellinie erzeugten Beanspruchungen vorwieyend Druckkräfte
hervor, die längs dieser Mittellinie verlaufen und sich auf die IIalteringflächen
auswirken. Die Befestigungsansätze der Schaufeln wirken demgemäß auf die Halter
wie bogenförmige Bauteile, die auf die Halter die Kräfte übertragen, die in den
dazwischenliegenden, nicht abgestützten Bereichen des Bauteils wirksam sind.
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Die Druckkräfte, die auf die Befestigungsansätze der Schaufelräder
durch das Zusanmenziehen der beiden Halter ausgeübt werden, erzeugen Druckbeanspruchungen
in den aerodynamisch profilierten Teilen der Schaufeln, was dazu beiträgt, in diesen
Teilen die Biegungsbeansprucllungen zu verringern, die beim Betrieb der Turbine
durch Zentrifugalkräfte zustandekommen. Diese Wirkung ist von besonderer Bedeutung
mit Rücksicht darauf, daß in den Schaufeln eines Schaufelrades einer Zentripetalturbine
das Verhältnis der radialen Abmessung zu der axialen Abmessung jeder Schaufel wesentlich
kleiner ist als das entsprechende Verhältnis bei Schaufeln eines axial durchströmten
Turbinenschaufelrades.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes
der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Schaufelrad gemäß der Erfindung
zur Verwendung in einer zentripetaldurchströmten Turbine einer Gasturbinenanlage
in einem axialen Schnitt,
Fig. 2 eine der Schaufeln des Schaufelrades
gemäß Fig. 1 in perspektivischer Darstellung, Fig. 3 eine Variante der Schaufel
gemäß Fig. 2, Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel des Schaufelrades gemäß Fig.
1 in einem axialen Schnitt und einer vergrößerten Teildarstellung, Fig. 5 und 6
weitere andersartige Ausführungsbeispiele des Schaufelrades nach Fig. 1 in einem
axialen Schnitt und einer vergrößerten Teildarstellung, Fig. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel
eines Schaufelrades gemäß der Erfindung in einem axialen Schnitt, Fig. 8 das Schaufelrad
gemäß Fig. 7 in einem rechtwinklig zur Achse verlaufenden Schnitt gemäß der Linie
VIII-VIII der Fig. 7, Fig. 9 eine bei dem Schaufelrad gemäß Fig. 7 zu verwendende
Schaufel in perspektivischer Darstellung und Fig.10 ein anderes Ausführungsbeispiel
einer Schaufel gemäß Fig. 9 in der gleichen Darstellungsart.
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Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Schaufelrad haben die beiden
gleichachsiy angeordneten Halter 1 und 2 aus Metall die Gestalt von axial im Abstand
voneinander angeordneten Drehkörpern. Sie enthalten Naben 3 bzw. 4 und sich radial
von aiesen aus erstreckende Scheiben 5 bzw. 6.
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Die Scheiben 5 und 6 weisen vergrößerte äußere Umfangsteile auf, an
denen aneinander zugewandte Ringflächen 7 bzw, 8 angeformt sind. Die beiden Ringflächen
-7 und 8 verlaufen in gegeneinanaer geneigten Ebenen, die durch die Schaufelradachse
hindurchgehen und in radialer Richtung nach außen konvergieren (Fig. 1).
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Jede der Naben 3 und 4 weist eine axiale zylindrische Bohruny auf,
durch welche eine gemeinsame Welle 9 hindurchgeht. Die Welle 9 trägt an ihrem einen
Ende einen Kopf 11, der gegen die äußere Endfläche der Nabe 3 anliegt. Das entgegengesetzte
Ende der Welle 9 weist ein Außengewinde 12 auf, auf das eine Mutter 13 aufgeschraubt
ist, die gegen die benachbarte Stirnfläche der Nabe 4 anliegt.
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Die äußeren axialen Enden der beiden Naben 3 und 4 weisen ringförmige
Sitze für Lager 15 und 16 auf. Das von den Haltern 1 una 2 und der Welle 9 gebildete
bauteil stellt das Rad einer Turbine dar und ist in einem festen Bauteil 14 drehbar
gelagert, das nur schematissn und teilweise dargestellt ist.
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Zwischen den beiden Haltern 1 und 2 ist eine Anzahl von Schaufeln
17 aus keramischem Material, die ringförmig angeordnet sind, fest eingeklemmt. Jede
der Schaufeln 17 weist eine Befestigungsansatz 18 auf, aer, wie gezeigt, in einem
axialen Schnitt ein bogenförmiges Profil hat, das gegen die Drehachse des Schaufelraaes
konvex ist.
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Jede Schaufel 17 enthält weiterhin einen Schaufelteil 19 mit einem
aerodynamischen Profil.
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Der Befestigungsansatz 18 weist zwei Stirnflächen 20 und 21 auf, die
etwa rechtwinklig zu der Mittellinie 22 des gewölbten Profils des Ansatzes 18 verlaufen.
Die Stirnflächen 20 und 21 des Ansatzes 18 liegen gegen die ringförmigen Flächen
7 und 8 der beiden Halter 1 und 2 an.
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Die Turbinenschaufeln 17 laufen auf einer festen Bahn um, die durch
das Bezugszeichen 23 angedeutet ist.
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Durch Anziehen der Mutter 13 auf dem Schraubengewinde 12 der Welle
9 werden die Befestigungsansätze 18 der Reihe der Schaufeln 17 zwischen den gegen
sie anliegenden Ringflächen 7 und 8 eingeklemmt, wobei auf die Ansätze Druckkräfte
ausgeübt werden, deren Richtung etwa in derjenigen der Mittellinie 22 ihrer bogenförmigen
Profile verläuft.
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Die Schaufelteile 19 der Schaufeln 17 weisen einen radialen Einlaßteil
auf, dem während des Betriebes der Turbine heiße Gase durch einen Einlaßkanal 24
zugeführt werden.
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Sie enthalten weiterhin einen sich axial erstreckenden Auslaßteil,
von dem die Gase in einen Auslaßkanal 25 austreten.
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Beim Betrieb der Turbine erzeugen die Zentrifugalkräfte, die zustandekommen
und die an jeder Schaufel 17 in Richtung der Pfeile F in Fig. 1 wirken, in jedem
Querschnitt des Schaufelansatzes 18 in einer Ebene rechtwinklig zu der Mittellinie
22 Beanspruchungen, die in erster Linie Druckbeanspruchungen sind und längs der
Mittellinie verlaufen. Diese Beanspruchungen werden auf die Ringflächen 7 und 8
übertragen, so daß die Schaufelansätze 18 wie bogenförmige Bauteile wirken, die
fähig sina, auf die beiden stützenden Endringflächen 7 und 8 die Kräfte zu
übertragen,
die auf die ungestützten mittleren Teile der Schaufelansätze einwirken.
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Die Druckkräfte in den Schaufelansätzen 18 führen auch zu einer Vermehrung
der Druckbeanspruchung in den profilierten Schaufelteilen 19 und tragen dazu bei,
die Biegebeanspruchung in diesen Teilen zu verringern, die unter Einwirkung der
Zentrifugalkräfte beim Betrieb der Turbine entstehen. Da jeder der Schaufelteile
19 ein aerodynamisches Profil aufweist, das kleinere Abmessungen in axialer Richtung
als in radialer Richtung aufweist, wird die restliche Zugbeanspruchung, die auf
den Schaufelteil 19 beim Umlaufen des Schaufelrades gemäß der Erfindung wirkt, auf
weniger als eine tragbare Größe reauziert.
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Die Schaufeln 17 können wegen Fehlens von Hinterschneidungen einfach
durch Druckformen hergestellt werden.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Schaufel
aus zwei zusammengefügten Segmenten 17a und 17b, und das aerodynamische Profil der
Schaufel weist eine beträchtliche axiale Ausdehnung auf. In diesem Falle enthält
jedes Paar aus Schaufelsegementen 17a und 17b einen radialen äußeren Schaufeltail
190 und einen radialen inneren Teil 191, derart, daß wenn die beiden Schaufelteile
190 und 191 axial gegeneinander angelegt werden, der äußere Schaufelteil 190 eines
Segmentes 17a eine Fortsetzung des inneren Schaufelteils 191 des anliegenden Segmentes
17b darstellt.
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In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel wiedergegeben, bei dem zum Schutz
der äußeren Kante der Scheibe 5 des Schaufelrades vor den heißen Gasen der Ansatz
18 jeder Schaufel 17 mit einer Lippe 26 versehen ist, welche die Außenkante der
Scheibe 5 abdeckt.
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Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Kante
der Scheibe 5 eine Ringnut 27 auf, die eine flache reifenartige Schicht 28 oder
mehrere solcher Schichten enthält, die beim Betrieb der Turbine unter Dehnungsspannung
stehen und die Beanspruchungen der Scheibe 5 infolge der Zentrifugalkräfte aufnehmen.
Die Schichten 28 können aus Metall bestehen oder aus Fasern von großer Druckfestigkeit,
wie Kohlenstoff- oder Borium-Fasern.
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Schließlich kann auch, wie in Fig. 6 dargestellt ist, die Scheibe
5 eine Anzahl von Umfangsnuten 29 aufweisen, in die einzelne reifenartige Drähte
30 von großer Dehnungsfestigkeit eingelegt sina.
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Das in Fig. 7 dargestellte Schaufelrad weist denselben allgemeinen
Aufbau auf wie dasjenige gemäß Fig. 1 und unterscheidet sich von diesem nur durch
innere Kanäle für die Zirkulation eines kühlenden Fluids (im vorliegenden Falle
Luft) in den Bauteilen des Schaufelrades.
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Zu diesem Zweck weisen die Naben 3 und 4 der beiden Halter 1 und 2
aus Metall an den Innenflächen der axialen Bohrungen, durch welche die Welle 9 hindurchgeht,
Längsnuten 10 auf, die in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet sind. Auf der
linken Seite in Fig. 7 wird in die Längsnuten 10 ein Kühlmittel eingeführt, das
nach Elindurchtritt durch die Nuten in eine Karmner 31 gelangt, die durch die Ansätze
18 der Schaufeln 17 und die sich gegenüberliegenden Teile der beiden Halter 1 und
2 begrenzt ist.
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Die Gestalt der Kammer 31 ist eine solche, daß die Wirkung der Zentrifugalkraft
und die Veränderung der Dichte des Kühlmittels infolge seiner fortschreitenden Erwärmung
eine Zirkulation des Kühlmittels in der durch Pfeile angedeuteten Richtung begünstigt.
Das Kühlmittel strömt aus der Kammer 31 über Öffnungen 32 in den in radialer
Richtung
inneren Teil der Scheibe 5 und gelangt hierauf auf einem geschlossenen kreisförmigen
eg über nicht dargestellte Leitungen wieder zu dem linken Einlaßende der Längsnuten
10.
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Bei einer ebenfalls in Fig. 7 dargestellten abgewandelten Anordnung
kann das Kühlmittel über radiale Durchlässe 33 in den äußeren Teil der Radscheibe
5 gelangen, um sodann in den Einlaßkanal 24 abzuströmen und sich mit den heißen
Gasen zu vermischen, die in die Turbine einströmen. Das Kühlmittel kann diesen durch
die Turbine strömenden Gasen auch beigemischt werden, indem es durch radiale öffnungen
34 in den Schaufelansätzen 18 ausströmt. Das Kühlmittel kann schließlich auch noch
durch die Längsnuten 10 in der Nabe 4 (Fig. 8) abströmen, worauf es über radiale
Durchlässe 35 in dem Lagergestell 14 in den Turbinenauslaß entleert wird.
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Die Turbinenschaufeln 17 können, wie Fig. 9 zeigt, innere Hohlräume
aufweisen, um das Kühlmittel aufzunehmen, das in diese Hohlräume über Durchlässe
34a in den Schaufelansätzen 18 einströmt. Bei der in Fig. 9 gezeigten Schaufel ist
ein innerer Hohlraum dadurch gebildet, daß jedes der benachbarten Schaufelsegmente
117a und 117b eine entsprechende Ausnehmung aufweist, die beiae zusammen den Hohlraum
darstellen, aus dem das Kühlmittel über eine axial gerichtete EndZjffnung 36 ausströmt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 wird diese Schaufel durch
zwei Schaufelsegmente 217a und 217b gebildet, die einen inneren Hohlraum begrenzen,
aus welchem das Kühlmittel in dem Turbinenauslaß über öffnungen 37 in den Seitenwänden
des Hohlraums entleert wird.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß das Turbinenschaufelrad
gemäß der Erfindung die Möglichkeit bietet, Keramikschaufeln wirksam zu verwenden,
die unter der Wirkung-der Zentrifugalkraft beim Betrieb der Turbine unter Druck
gehalten werden. Die Vorspannung, die aem Schaufelsatz durch die beschriebene Befestigungsanordnung
erteilt wird, ermöglicht es die Nachteile zu vermeiden, die sich aus den verschiedenen
Ausdehnungskoeffizienten der Keramikteile und der Metallteile ergeben. Es ist auf
diese Weise möglich,die Befestigungskräfte unter allen Umständen einer temeraturabhängigen
Deformation praktisch konstant zu halten.
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Da weiterhin alle Bestandteile des Schaufelrades durch elastische
Kräfte zusammengehalten werden, die zwischen den Berührungsflächen der Bestandteile
wirksam sind, kommt ein beachtlicher schwingungsdämpfender Effekt zustande , der
durch Einlegen von festen Schmiermitteln oder geeigneten Gleitmaterialien zwischen
die Berührungsflächen gesteigert werden kann.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen besteht der Satz keramischer
Turbinenschaufeln aus einer Anzahl solcher Schaufeln, von denen jede für sich allein
geformt und an dem Rad befestigt woruen ist. Die Erfindung erstreckt sich jedoch
auch auf ctie Fälle, in denen Befestigungsansätze der Schaufeln mit einem umlaufenden
Radkörper aus keramischem Material eine Einheit bilden.