DE3027712A1

DE3027712A1 - Turbinenlaeufer fuer gasturbinen

Info

Publication number: DE3027712A1
Application number: DE19803027712
Authority: DE
Inventors: John Lee Indianapolis Ind. Wertz
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1979-10-29
Filing date: 1980-07-18
Publication date: 1981-05-07
Also published as: US4326835A; GB2062119A; JPS5666406A

Description

Ein Turbinenläufer für G-asturbinen gemäss dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise durch die US-PS 4 101 245 bekannte

Bei einer derartigen Ausbildung der Dichtungen sind abgewandelte Halterungen erforderlich und zuweilen auch Neuentwicklungen der Dichtungsplatten zwischen den Schaufeln,,

Der -Erfindung liegt die Aufgabe zu gründe, einen Turbinenläufer der eingangs erwähnten Art so auszubilden, das die zum Dehnungsausgleich vorgesehen Spalte während des Betriebes gasdicht verschlossen sind und hierbei eine übermässige Spannungsbelastung der keramischen Schaufeln vermieden wird«,

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale ge« lösto

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung ist Gegen« stand des Patentanspruchs 2„

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt«, In den Zeichnungen zeigen

Fig., 1 einen senkrechten Teilschnitt durch einen Turbinenläufer nach der Erfindung,

J¹Ig₀ 2 einen Teilschnitt nach der Linie 2-2 in Figo 1 ,

Figo 3 ein Dichtungsglied in der eingebauten Lage,

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]?ig_o 4 eine Seitenansicht eines Diehtungsglieds vor dem Abbiegen seiner Finger und

Pig ο 5 eine Seitenansicht ähnlich Mg₀ 3» wobei die Zuordnung zu den gestrichelt gezeichneten Schaufeln des Turbinenläufers ersichtlich ist_o

In Figo 1 ist das heisse ^eil 10 eines Gasturbine dargestellt,, in dem ein Düsenkranz 12 aus Keramik angeordnet ist, der Treibgase aus einem Austrittskanal 14 einer Brennkammer zuleiteto Die Treibgase haben eine Tempe-. ratur von 1130⁰C und mehr_o Sie werden einem stromabwärts angeordneten Turbinenläufer 16 zugeleitet„

Der Düsenkranz 12 enthält mehrere Leitschaufeln 18 aus Keramik, die über einen radial inneren Fuss 20 und einen radial äusseren Fuss 22 abgestützt sind, wobei nur eine geringe Flächenbelastung besteht_o Die Füsse 20 und 22 sind mit einem inneren tragring 24 bzw. einem äusseren tragring 26 verbunden, die ebenfalls aus Keramik bestehen«, Der äussere Tragring 26 ist mit einem äusseren Tragring 28 aus Metall verkeilt, indem in Schlitze 30

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des Tragrings 26 Ansätze/am Tragring 28 eingreifen,, Ein H_altering 34 aus Keramik ist auf den äusseren Tragring 28 aus Keramik aufgeschoben und hält die einzelnen S_chaufeln 18 in ihrer Lage_o Eine Hülle 36 aus Keramik im Bereich des Turbinenläufers 16 hat einen Radial auswärts gerichteten Flansch 38 mit Schlitzen 40 ₃ in die Ansätze 32 des

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äusseren Tragrings 28 aus Metall eingreifen„ Der innere
tragring 24 ist durch eine Halteplatte 42 in seiner Lage
gehalten, die mittels Schrauben 46 an einem inneren Maschinenteil 44 befestigt ist_o

Der Turbinenläufer 16 ist mit mehreren Schaufeln 48 aus Keramik versehen, die Strömungswege für die Treibgase begrenzen₀ Jede Schaufel 48 weist eine stromaufwärts
gerichtete Lippe 5<3 auf, die unter eine stromabwärts gerichtete Kante 52 des inneren Tragrings 24 greift und eine Lippendichtung darstellt, die eine Druckkammer 54 aufweist in der ein etwas grösserer Druck aufrechterhalten wird,
als in dem Dichtungsspalt 56_o

Diese Lippendichtung verringert den Zutritt von
heissen '^reibgasen zu der vom Verdichter gelieferten Kühlluft in der D_ruckkammer 54_f die im Bereich der befestigung der Schaufeln 48 mit einem Kranz 58 einer Läuferscheibe 60 während des Betriebes die Kühlung bewirkte

Die Lippe 50 stellt eine Verlängerung einer Fußplatte 64 dar, mit der jede Schaufel 48 versehen ist. Jede-f· Lippe 50 arbeitet hierbei mit einer bearbeiteten zylindrischen Fläche 66 im Bereich der Kante 52 zusammen, wie dies Fig_e1 zeigt«,

Jede Fußplatte 64 hat zwei axial gerichtete Kan« ten 68 und 70, die bei benachbarten Fußplatten 64 zwischen diesen einen Dehnungsspalt 72 begrenzen, wenn die Schaufeln 48 in Schlitze 62 des Kranzes 58 der Läuferscheibe 60 ein-

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gesetzt sind» Jede Schaufel enthält unterhalb der !fußplatte 64 einen schwalbenschwanzförmig profilierten Fuß 73, der in axialer Richtung in einen entsprechend profilierten Schlitz 62 eingeschoben wird«, Die Schäfte 74 weisen Zwischenräume auf, die durch radiale Verlängerungen 76 einer Haltescheibe 78 abgedichtet verschlossen sind«. Die Haltescheibe 78 liegt gegen die stromabwärtige Stirnfläche der läuferscheibe 60 an und ist mit dieser durch Niete 80 verbunden, die zugleich auch eine gegen die andere stromaufwärtige Stirnfläche anliegende Haltescheibe 82 befestigen,,

Die Schaufeln bestehen aus spritzgegossenen Siliziumkarbid und sind in ihre Endform gesintert. Es müssen daher übermässige Spannungen im keramischen Werkstoff während des Betriebs vermieden werden. Somit ist der befestigung und der Abdichtung der S_chaufeln besondere Aufmerksamkeit zu schenken,,

Diese Forderungen werden erfindungsgemäss durch Dichtungsglieder 84 aus dünnem Metallblech erfüllt, die sich unter dem Einfluss der Fliehkraft verbiegen können und dann die Dehnungsspalte 72 gasdicht verschliessen und das Beimischen von Kühlluft zu den die Strömungswege 88 zwischen den Schaufeln 48 durchflies senden ^'reibgasen verhindern. Die Strömungswege 88 werden durch die Profil— flächen 90 der Schaufeln 48 begrenzt.

Jedes Dichtungsglied 84 besteht aus einer photogeätzten Platte einer Dicke von '-0,13 mm Dicke aus HS25

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Metalic E_s weist mehrere in Abstand voneinander liegende

Finger 92 an einem bogenförmigen Ringsefiment 94 auf_o Die Lage der freitragenden Finger 92 bei Stillstand der Turbine ist in Figo 1 dargestellt» Das Dichtungsglied 84 kann so eingegliedert werden, dass die Finger 92 genau zu den Schaufeln 84 ausgerichtet liegen.Sind die Finger in die endgültige lage rechtwinklig zum &ingseipient 94 ab« gebogen, wie dies Fig„ 3 zeigt, so wird das Ringsegment durch Punktschweißen an der Innenfläche 95 der radialen Verlängerungen?6 der Haltescheibe 78 befestigt, wodurch die genaue Ausrichtung zu den Schaufeln 48 erreicht wird_o Diese Anordnung ermöglich auch den nachträglichen Einbau solcher Dichtungsglieder, sofern der Turbinenläufer mit •vorderen und hinteren Haltescheiben versehen ist, ohne dass Änderungen des Aufbaus im Bereich der Schaufelbefestigung notwendig werden,,

Die Finger 92 erstrecken sich über die ganze Länge der Dehnungsspalte 72 (Fig_o2) und weisen eine äusse« re konvexe Fläche 96 auf, die entsprechend konkaven Flächen 98 und 100 im ^ereich der Kanten 68 und 70 der Fuß« platten 64 geformt ist, wie dies die gestrichelte darstellung in Fig, 2 zeigt,,

Bei laufender Turbine werden die Finger 92 durch die Fliehkraft gegen die Unterseite der Fußplatten 64 ge« bogen und verschliessen die Dehungsspalte, wobei sie aber

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nur über kleine Flächen7gegen die Fußplatten anliegen,

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so dass in Verbindung mit dem geringen Gewicht der Pinger 92 der keramische Werkstoff der Schaufeln nur gering belastet wird«,

Bei durch die Fliehkraft abgebogenen Fingern 92 ist der Strom der Kühlluft zu den Flächen 104 und 106 der Haltescheiben freigegeben und der Leckverlust an den Dehnungsspalten 72 ist von 2_O26% auf weniger als 0,2% verringert.

Wie Figo 3 zeigt, haben die Halteplatten 78 bogenförmige Gestalt und einen etwas grösseren Zentriwinkel als die zugeordneten Ringsegmente 94 der Dichtungsglieder 84ο Die Ringsegmente 94 enthalten aueserdem mensre Schlitze 108 zum Ausgleich von Wärmespannungen zwischen dem kalten und heissen Betriebszustand.

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung können S_chwalbenschwanzprofile üblicher Form beibehalten werden„ Da ferner dünne Fußplatten 64 ausreichen, können FIieh- und Trägheitskräfte im Sinne eines Kleinhaltens der Beanspruchung des keramischen Werkstoffs der S_chaufeln 48 beherrscht v/erden. Dabei ist eine verbesserte Dichtung der Dehnungsspalte 72 erreichte

130019/0635 BAD ORIGINAL

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e e r s e it

Claims

Patentanwalt

Pipi.-ing. K. Walther

Irailee 9 30277

ERLIN19

18cJuli 1980 W~w-3443

General Motors Corporation, Detroit, Michigan, V₀St.A, Turbinenläufer für Gasturbinen

Patentansprüche :

M o) Turbinenläufer für Gasturbinen mit folgenden Merkmalen:

a) Eine metallische Läuferscheibe (60) enthält in einem Kranz (58) mehrere über den Umfang verteilte Schlitze (62);

b) in jeden Schlitz ist ein schwalbenschwanzförmiger Fuß (73) einer Schaufel (48) eingeschoben;

c) am radial äusseren Ende jedes Fußes ist eine Fußplatte (64) vorgesehen, die mit axial liegenden Kanten (68,70) versehen sind, wobei in der durch die Fuß.j>latten ge~ bildeten Bodenwand der zwischen den Schaufeln gebildeter Strömungswege zwischen benachbarten Fußplatten enge Spalte (72) bestehen;

d) neben dem Kranz (58) der Läuferscheibe sind mehrere Dichtungsglieder (84) vorgesehen;

gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:

e) Die S_chaufeln (48) bestehen aus Keramik;

f) jedes Dichtungsglied (84) weist mehrere in Abstand von-

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einander liegende Pinger (92) auf, die sich in axialer Richtung erstrecken und die Spalte (72) zwischen den Fußplatten (64) überlappen und bei umlaufender Läufer-* scheibe (60) unter dem Einfluss der Fliehkraft sich verbiegend zur abdichtenden Anlage gegen die Fußplatten bewegbar sind.

2o Turbinenläufer nach Anspruch 1, gekennzeichnet

durch die weiteren Merkmale:

g) Jedes Dichtungsglied (84) besteht aus einem bogenförmigen Ringsegment (94), das sich um eine Stirnfläche der Läuferscheibe erstreckt;

h) eine mit der Stirnfläche der Läuferscheibe verbundene Haltescheibe (78) hat radiale Verlängerungen (76), die die Zwischenräume zwischen den Schäften (74) der Schaufelf üsse gasdicht verschließen;

s Ringsegment (94) ist mit der Haltescheibe (78) so verbunden, das die an ihm sitzenden Finger (92) zu den Spalten (72) zwischen den Fußplatten (64) ausgerichtet liegen.

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