DE3539903A1 - Gasturbine mit einem keramischen laufrad - Google Patents
Gasturbine mit einem keramischen laufradInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
- F01D5/3084—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers the blades being made of ceramics
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbi
ne, insbesondere Gasturbinentriebwerk, mit einer Turbine
und mit einem Rotor aus Metall, der in der Turbine mit zu
mindest teilweise aus Keramik gefertigten Laufschaufeln
versehen ist, wobei die dem Gasstrom in der Turbine ausge
setzte Wandung jeder Laufschaufel vollständig aus Keramik
gefertigt ist und wobei jede Laufschaufel mit zumindest
einem als Zuganker ausgebildeten, metallischen Kern ver
sehen ist, so daß zwischen metallischem Kern und kera
mischer Wandung ein Hohlraum ausgebildet ist, durch den
Kühlluft leitbar ist.
Eine derartige gattungsgemäße Gasturbine ist aus dem
DE-GM 82 03 000 bekannt. In einer Gasturbine ist ein Rotor
mit metallischen Laufschaufeln versehen, die über schwal
benschwanzförmige Füße in den Rotor eingesetzt sind. Die
Laufschaufeln des Rotors sind mit einer keramischen Wan
dung versehen, die mantelartig über den metallischen Teil
der Laufschaufeln gestülpt ist. Die keramische Wandung der
Laufschaufel ist dabei mit einer Art Bolzen radial an dem
als metallischen Kern ausgebildeten Teil des Laufrades be
festigt und in radialer Richtung beweglich. Im Betriebszu
stand der Gasturbine werden die entstehenden Fliehkräfte
der Laufschaufeln durch den metallischen Kern aufgefangen,
so daß die den Hitzeeinwirkungen des Gasstroms ausgesetzte
keramische Wandung von keinen Zugkräften belastet ist.
Zwischen der keramischen Wandung und dem metallischen Kern
sind Kühlluftkanäle vorgesehen, durch welche Kühlluft vor
zugsweise zur Kühlung des metallischen Kerns leitbar ist.
Es hat sich gezeigt, daß die Gleitbewegung der keramischen
Wandung auf dem metallischen Kern im Betrieb problembehaf
tet ist. So kann es durch unterschiedliche Wärmedehnungs
vorgänge des Metalls und der Keramik zu Verkantungen
kommen, so daß die keramische Wandung letztendlich nicht
frei von sämtlichen Zugkräften ist und noch zusätzlich
weiteren Beanspruchungen unterworfen wird. Als Resultat
neigen derartige Konstruktionen häufig zu plötzlichen
Brüchen im Betrieb, wodurch die gesamte Gasturbine versagt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine temperatur
unempfindliche Laufschaufelkonstruktion vorzuschlagen, die
trotz Verwendung zugspannungsempfindlicher Werkstoffe im
Betrieb der Gasturbine sicher höchste Beanspruchungen er
trägt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge
löst.
Erfindungsgemäß ist der als Zuganker ausgebildete
metallische Kern der Laufschaufel direkt in den Rotor
eingreifend vorgesehen, wodurch ein ununterbrochener
Kraftfluß von der Laufschaufel direkt in den Rotor er
reicht wird. Der Zuganker bringt im Ruhezustand der Gas
turbine auf die keramische Wandung der Laufschaufel eine
als Druckkraft in radialer Richtung wirkende Vorspannkraft
der Laufschaufel auf. Da keramische Materialien Druckkräf
te im Gegensatz zu Zugkräften sehr gut in der Lage sind
aufzunehmen, ist die Laufschaufelkonstruktion außerordent
lich stabil. Im Betrieb der Gasturbine wirken Wärmedeh
nungsvorgänge auf die keramischen und metallischen Mate
rialien, wodurch bedingt durch das unterschiedliche Wärme
dehnungsverhalten dieser Materialien die Druckvorspannung
in der keramischen Wandung der Laufschaufeln allmählich
abgebaut wird. Eine radiale Bewegung bzw. Beweglichkeit
der keramischen Wandung ist jedoch durch die Druckvor
spannung zuverlässig vermieden. Die infolge der Rotation
entstehenden Fliehkräfte der Laufschaufeln werden voll
ständig von den metallischen Zugankern aufgenommen. Die
keramische Wandung ist so in jedem Betriebsbereich der
Gasturbine zugspannungsfrei und außerdem keinen Gleitbe
anspruchungen ausgesetzt. Durch die Druckvorspannung der
keramischen Wandung wird die gesamte Laufschaufel zudem
erheblich unempfindlicher gegen Schwingungen. Die Dauer
festigkeit der erfindungsgemäßen Laufschaufel wird somit
sowohl durch geringere Schwingungsempfindlichkeit als auch
durch sichere und zugspannungsfreie Konstruktion der
Keramikteile erheblich erhöht.
In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die
im Ruhezustand auf die Wandung der Laufschaufeln ausgeübte
Vorspannkraft im Auslegungszustand der Gasturbine in etwa
gerade kompensiert wird. Dabei spielen die unterschiedli
chen Wärmedehnungsvorgänge in den Materialien Keramik und
Metall eine wesentliche Rolle, wobei durch die größere
Wärmedehnung im Metall der Zuganker gerade die Vorspannung
in etwa aufgehoben wird. Erfindungsgemäß soll dabei eine
geringe Restvorspannwirkung verbleiben, so daß die Lauf
schaufel stabil gegen Schwingungen verspannt ist. Es wird
sicher erreicht, daß einerseits die Zuganker nicht unnötig
hoch durch die Vorspannkräfte belastet werden und anderer
seits die keramische Wandung der Laufschaufeln stets von
Zugkräften frei ist.
Gegebenenfalls kann der metallische Kern jeder Laufschau
fel aus mehreren Zugankern bestehen, die alle getrennt so
wohl mit der Wandung der Laufschaufel als auch mit dem Ro
tor verbunden sind. Es können so in vorteilhafterweise
auch sehr hohe Beanspruchungen von den Zugankern aufge
nommen werden, so daß die erfindungsgemäße Konstruktion
sowohl für Gasturbinen mit hohen Umdrehungsgeschwindigkei
ten als auch mit großen Rotordurchmessern geeignet ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen,
daß die Zuganker als schraubenartige Teile ausgebildet
sind und direkt in den Rotor eingeschraubt werden. Der Ro
tor ist in diesem Fall als rohrartiges Teil mit radialen
Gewindelöchern vorgesehen. Die Vorspannkraft wird in be
sonders einfacher Weise durch ein festgelegtes Drehmoment
der als Schrauben ausgebildeten Zuganker aufgebracht. Auch
ein einfacher Wechsel der Laufschaufeln ist möglich. Zudem
lassen sich Schraubverbindungen einfach berechnen, weshalb
auch der Aufwand in der konstruktiven Phase gering ist.
Komplizierte Schwalbenschwanzführungen der Laufschaufeln
können in vorteilhafter Weise entfallen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die fol
gende Figurenbeschreibung verwiesen, in der ein in der
Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung
erläutert ist.
Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine
Laufschaufel und einem Rotor einer erfindungsgemäßen Gas
turbine.
Eine Laufschaufel 1 ist auf einem Rotor 2 einer Gasturbine
befestigt. Der Rotor 2 und die Laufschaufel 1 befinden
sich innerhalb des Turbinenteils der Gasturbine, der durch
die Gehäusewandung 3 ersichtlich ist. Die Laufschaufel 1
besteht aus einer keramischen Wandung 4 und einem als Zug
anker 5 ausgebildeten metallischen Kern. Die keramische
Wandung 4 ist gegen den Rotor 2 abgestützt. Der Zuganker 5
greift mit seinem einen axialen Ende über einen Kopf 6 in
einen Absatz 7 der keramischen Wandung 4 ein und ist mit
seinem anderen axialen Ende über eine Schraubverbindung 8
radial in den Rotor 2 eingeschraubt. Der Zuganker 5 übt
dabei im Ruhezustand der Gasturbine eine Druckspannung auf
die keramische Wandung 4 der Laufschaufel 1 aus. Zwischen
der keramischen Wandung 4 und dem Zuganker 5 ist ein Hohl
raum 9 vorgesehen, durch den über Kühlluftzuführungen 10
und Kühlluftabführungen 11 Kühlluft zur Kühlung primär des
Zugankers 5 geleitet wird. Der Zuganker 5 ist aus hoch
warmfestem hochlegiertem Stahl, vorzugsweise aus einem
chromlegierten Stahl, hergestellt.
Der Kopf 6 des Zugankers 5 und der Absatz 7 der Wandung 4
ist in einem radial möglichst weit oben liegenden Bereich
der Laufschaufel 1 angeordnet.
Im Betrieb der Gasturbine wirken Fliehkräfte auf die Lauf
schaufel 1, die von dem Zuganker 5 aufgefangen werden. Die
keramische Wandung 4 der Laufschaufel ist zu jedem Zeit
punkt bis zu dem Absatz 7 vollständig frei von Zugkräften.
Eine Bruchgefahr für die Laufschaufel besteht folglich
nicht. Im Ruhezustand der Gasturbine werden Druckvorspann
kräfte von den Zugankern auf die keramische Wandung der
Laufschaufeln gegeben, die im Betrieb der Gasturbine durch
das unterschiedliche Wärmedehnungsverhalten der metalli
schen Zuganker und der keramischen Laufschaufel zumindest
teilweise wieder aufgehoben werden. Keramik dehnt sich bei
Erwärmung kaum aus, während Metall je nach Art eine erheb
liche Wärmedehnung aufweist. Durch die Vorspannung ist die
keramische Wandung stets fest mit den Zugankern verbunden
und somit keinen Gleitbeanspruchungen ausgesetzt. Die Vor
spannung bewirkt ferner eine erhebliche Steigerung der Un
empfindlichkeit gegen Schwingungsbeanspruchungen. In vor
teilhafter Weise ist die Größe der Vorspannung so ausge
legt, daß selbst bei Vollast der Gasturbine die keramische
Wandung noch mit einem Rest der Vorspannung beaufschlagt
ist. Insgesamt wird die Dauerfestigkeit einer erfindungs
gemäßen Laufschaufel in vorteilhafter Weise erhöht.
Durch die Kühlluft, welche über die Kühlluftzuführung 10
um den Zuganker 5 herumströmt, wird der Zuganker 5 soweit
abgekühlt, daß er sicher die auftretenden Beanspruchungen
erträgt. Die keramische Wandung 4 übernimmt die durch den
Heißgasstrom auftretenden extremen Temperaturbeanspruchun
gen, während der Zuganker 5 die mechanischen Belastungen
der Laufschaufel aufnimmt. Da Keramik besonders hitzebe
ständig ist, kann die Turbineneintrittstemperatur der Gas
turbine gesteigert werden, wodurch insgesamt sowohl die
Leistung als auch der Wirkungsgrad der Gasturbine erhöht
wird. Die Kühlluft kann sowohl über die Kühlluftabführung
11 wieder in den Rotor 2 abgeführt werden als auch über
nicht dargestellte Öffnungen direkt in den Gaskanal der
Turbine geleitet werden.
Zur sicheren Aufnahme der auftretenden Belastungen können
für eine Laufschaufel auch mehrere Zuganker vorgesehen
sein, die alle getrennt in den Rotor eingeschraubt sind.
Als Anwendungsfall einer solchen Gasturbine treten insbe
sondere Gasturbinentriebwerke für den Einsatz in Flugzeu
gen auf, weil bei solchen Gasturbinen insbesondere die
Forderung nach hohen Turbinenleistungen bei guten Wir
kungsgraden im Vordergrund steht. Es ist jedoch auch der
Einsatz bei stationären Gasturbinenanlagen vorteilhaft
möglich.
Claims (4)
1. Gasturbine, insbesondere Gasturbinentriebwerk, mit
einer Turbine und mit einem Rotor (2) aus Metall, der in
der Turbine mit zumindest teilweise aus Keramik gefertig
ten Laufschaufeln (1) versehen ist, wobei die dem Gasstrom
in der Turbine ausgesetzte Wandung jeder Laufschaufel (1)
vollständig aus Keramik gefertigt ist und wobei jede Lauf
schaufel (1) mit zumindest einem als Zuganker (5) ausge
bildeten, metallischen Kern versehen ist, so daß zwischen
metallischem Kern und keramischer Wandung (4) ein Hohlraum
(9) ausgebildet ist, durch den Kühlluft leitbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Wandung (4) der
Leitschaufel (1) mit dem radial inneren Ende direkt an dem
Rotor (2) anliegend sowie der Zuganker (5) direkt in den
Rotor (2) eingreifend angeordnet ist, und daß im Ruhezu
stand der Gasturbine von dem Zuganker (5) die keramische
Wandung (4) der Laufschaufeln (1) in radialer Richtung des
Rotors mit einer als Vorspannkraft wirkenden Druckkraft
beaufschlagt ist.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die von dem Zuganker (5) im Ruhezustand der Gasturbine
auf die keramische Wandung (4) ausgeübte Druckkraft im
Auslegungszustand der Gasturbine durch die unterschiedli
chen Wärmedehnungsvorgänge zwischen der Keramik und dem
Metall in etwa aufgehoben ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Zuganker (5) als schraubenartiges Teil
ausgebildet ist und in dem Rotor (2) mit einem Gewinde
eingesetzt ist.
4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß der Zuganker (5) aus hochwarm
festem hochlegiertem Stahl hergestellt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853539903 DE3539903A1 (de) | 1985-11-11 | 1985-11-11 | Gasturbine mit einem keramischen laufrad |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853539903 DE3539903A1 (de) | 1985-11-11 | 1985-11-11 | Gasturbine mit einem keramischen laufrad |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3539903A1 true DE3539903A1 (de) | 1987-05-14 |
Family
ID=6285650
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19853539903 Withdrawn DE3539903A1 (de) | 1985-11-11 | 1985-11-11 | Gasturbine mit einem keramischen laufrad |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3539903A1 (de) |
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- 1985-11-11 DE DE19853539903 patent/DE3539903A1/de not_active Withdrawn
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