DE3539903A1 - Gasturbine mit einem keramischen laufrad - Google Patents

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.