DE102016123248A1 - gas turbine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit mindestens einer Scheibe (5), wobei Turbinenschaufelelemente (1) über Verbindungsmittel (2) mit der mindestens einen Scheibe (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (2) im Inneren der Turbinenschaufelelemente (1) in radialer Erstreckung der Turbinenschaufelelemente (1) in einem Bereich (H) radial oberhalb der Scheibe (5) angeordnet sind, insbesondere in einem Bereich (H1) angeordnet sind, der im Betrieb der Gasturbine (100) im antreibenden Luftstrom (L) liegt.The invention relates to a gas turbine having at least one disc (5), wherein turbine blade elements (1) are connected to the at least one disc (5) via connecting means (2), characterized in that the connecting means (2) are arranged inside the turbine blade elements (1). in the radial extent of the turbine blade elements (1) in a region (H) are arranged radially above the disc (5), in particular in a region (H1) are arranged, which is in the driving air flow (L) during operation of the gas turbine (100).
Description
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention relates to a gas turbine with the features of
Gasturbinen, wie z.B. Flugzeugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, sind thermisch und mechanisch hoch belastete Einheiten.Gas turbines, such as e.g. Aircraft engines or stationary gas turbines are thermally and mechanically highly loaded units.
Der Wirkungsgrad einer Gasturbine wird in starkem Maße von der thermischen und mechanischen Belastbarkeit der Gasturbine beeinflusst. Es ist im Stand der Technik z.B. aus der
Diese formschlüssige Verbindung erfordert ein erhebliches Werkstoffvolumen und beeinflusst das Gewicht und die Belastbarkeit der Gasturbine erheblich. Bei einem Vergleich mit Kompressorbauweisen kann abgeschätzt werden, dass-verglichen mit einer integralen Blisk-Bauweise - ca. 30% des Gesamtgewichtes einer Stufe für den Formschluss benötigt werden. Bis auf die Anwendung in kleinen Wellenleistungstriebwerken ist eine Blisk-Bauweise aufgrund sehr unterschiedlicher werkstofflicher Anforderungen von Turbinenschaufel und Turbinenscheibe nicht sinnvoll und auch nicht üblich.This positive connection requires a considerable volume of material and significantly affects the weight and the load capacity of the gas turbine. When compared with compressor designs, it can be estimated that, compared to an integral blisk design, about 30% of the total weight of a stage is needed for positive engagement. Apart from the application in small shaft power engines, a blisk design is not sensible and not common due to very different material requirements of turbine blade and turbine disk.
Es besteht daher die Aufgabe, Gasturbinen an die besonderen Einsatzbedingungen anzupassen.There is therefore the task of adapting gas turbines to the particular conditions of use.
Diese Aufgabe wird durch eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a gas turbine with the features of
Die Gasturbine weist mindestens eine Scheibe auf, wobei Turbinenschaufelelemente über Verbindungsmittel mit der mindestens einen Scheibe verbunden sind.The gas turbine has at least one disc, wherein turbine blade elements are connected via connecting means with the at least one disc.
Die Verbindungsmittel sind im Inneren der Turbinenschaufelelemente angeordnet, wobei die Turbinenschaufelelemente in radialer Erstreckung in einem Bereich radial oberhalb der Scheibe angeordnet sind, insbesondere in einem Bereich angeordnet sind, der im Betrieb der Gasturbine im antreibenden Luftstrom liegt.The connecting means are arranged in the interior of the turbine blade elements, wherein the turbine blade elements are arranged in the radial extension in a region radially above the disc, in particular in a region are arranged, which is in the operation of the gas turbine in the driving air flow.
Die Verbindungsmittel liegen damit insbesondere in einem Bereich der Turbinenschaufelelemente, die dem heißen Gasstrom ausgesetzt sind, d.h. im aerodynamisch wirksamen Bereich (Aerofoilbereich) der Turbinenschaufelelemente. Damit sind die Verbindungsmittel in einen Bereich angeordnet, in dem vergleichsweise geringe Massen übertragen werden müssen.The connecting means are thus in particular in a region of the turbine blade elements, which are exposed to the hot gas flow, i. in the aerodynamically effective area (aerofoil area) of the turbine blade elements. Thus, the connecting means are arranged in a region in which comparatively small masses must be transmitted.
Dabei können z.B. die Kerne für die Turbinenschaufelelemente integral stoffschlüssig aus der Scheibe gefertigt werden. Erst in einem Radialbereich, der sich im Betrieb im heißen Gasstrom befindet, erfolgt der Formschluss zum umhüllenden Aerofoilbereich. Das führt zu einer ca. 70% verringerten Masse, die über den Formschluss übertragen werden muss und zu einer erheblichen Spannungsreduzierung im Aerofoilbereich. Zugspannungen treten nur im radial außerhalb des Formschlusses liegende Schaufelbereich auf. Der radial unterhalb liegende Bereich ist druckspannungsbeaufschlagt.Thereby, e.g. the cores for the turbine blade elements are integrally materially made of the disc. Only in a radial area, which is in operation in the hot gas stream, is the positive connection to the enveloping Aerofoilbereich. This leads to an approx. 70% reduction in mass, which must be transferred via the form fit and to a considerable reduction of stress in the aerofoil range. Tensile stresses only occur in the blade region lying radially outside the positive connection. The area lying radially below is subjected to compressive stress.
Ein weiterer Aspekt einer solchen Bauweise ist eine verbesserte Spaltmaßkontrolle (d.h. Spaltmaß als Abstand zwischen Schaufelspitze und umgebendem Gehäuse) aufgrund konstruktionsbedingter geringerer thermischer und elastischer Ausdehnung.Another aspect of such a design is improved gap control (i.e., gap distance between blade tip and surrounding housing) due to less thermal and elastic expansion due to design.
In einer Ausführungsform sind die Verbindungsmittel radial innen, radial in der Mitte oder radial außen im Bereich radial oberhalb der Scheibe, insbesondere im Bereich der Turbinenschaufelelemente angeordnet sind, der im Betrieb der Gasturbine im antreibenden Luftstrom liegt.In one embodiment, the connecting means are arranged radially inward, radially in the middle or radially outward in the region radially above the disk, in particular in the region of the turbine blade elements, which lies in the driving air flow during operation of the gas turbine.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Verbindungsmittel formschlüssig, kraftschlüssig und / oder stoffschlüssig ausgebildet sind.In principle, it is possible that the connecting means are formed positively, non-positively and / or cohesively.
Zur Ausbildung des formschlüssigen Verbindungsmittels können in Ausführungsformen Formschlussmittel, insbesondere Ansätze, Vorsprünge und / oder Hinterschnitte zur axialen und / oder radialen Festlegung der Turbinenschaufelelemente verwendet werden.Forming means, in particular projections, projections and / or undercuts for axial and / or radial fixing of the turbine blade elements can be used in embodiments for forming the positive connection means.
Kraftschlüssige Verbindungsmittel können über eine Keilverbindung, insbesondere in der Scheibe und / oder Schrumpfverbindungen zur Erzielung eines Reibschlusses verfügen.Non-positive connection means may have a wedge connection, in particular in the disc and / or shrink joints to achieve a frictional connection.
Stoffschlüssige Verbindungsmittel können über eine Laserschweißverbindung zwischen den Turbinenschaufelelementen und der Scheibe verfügen.Cohesive connection means may have a laser weld between the turbine blade elements and the disk.
Auch können die Turbinenschaufelelemente mindestens zwei Zonen aus unterschiedlichen Materialien aufweisen, wobei die mindestens zwei Zonen sich insbesondere in radialer Erstreckung aneinander anschließen. Damit können die Materialien belastungsgerecht ausgewählt werden. Dabei kann mindestens eine Trennline zwischen den mindestens zwei Zonen unterschiedlichen Materials in den Turbinenschaufelelementen radial unterhalb der Verbindungsmittel angeordnet sein.The turbine blade elements may also have at least two zones of different materials, the at least two zones joining one another, in particular in the radial direction. Thus, the materials can be selected according to load. In this case, at least one separating line can be arranged between the at least two zones of different material in the turbine blade elements radially below the connecting means.
So kann in einer Ausführungsform radial unterhalb der Verbindungsmittel eine Zone mit einem druckspannungsgeeigneten Material, insbesondere einer Keramik, insbesondere einem Yittrium-stabilisierten Zirkoniumoxid, angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann radial oberhalb der Verbindungsmittel eine Zone mit einem zugspannungsgeeigneten Material, insbesondere CMSX 4, angeordnet sein.Thus, in one embodiment, radially below the connecting means, a zone with a material suitable for compression stress, in particular a ceramic, in particular a yttrium stabilized zirconia, be arranged. Alternatively or additionally, a zone with a tension-suitable material, in
Auch können Keilelemente zur Verspannung der Scheibe mit den Turbinenschaufelelementen und / oder zur Herstellung eines Formschlusses zwischen der Scheibe und den Turbinenschaufelelementen. Das Material des Kerns ist dann z.B. elastischer ausgebildet als das Material des Keilmittels. Das Keilmittel drückt den Kern z.B. gegen die Innenseite der Turbinenschaufelelemente.Also wedge elements for bracing the disc with the turbine blade elements and / or for establishing a positive connection between the disc and the turbine blade elements. The material of the core is then e.g. more elastic than the material of the wedge means. The wedge means pushes the core e.g. against the inside of the turbine blade elements.
Zur Verbindung der Turbinenschaufelelemente mit den Kernen kann radial außen eine Schweißverbindung angeordnet sein.For connecting the turbine blade elements with the cores may be arranged radially outside a welded joint.
Die Turbinenschaufelelemente können aus zwei Teilen bestehen, wobei erst im Zusammenbau der Teile die formschlüssigen Verbindungen hergestellt werden.The turbine blade elements may consist of two parts, whereby only in the assembly of the parts the positive connections are made.
Die Gasturbinen können als Flugzeugtriebwerk, als Fahrzeugantrieb, als Schiffsantrieb oder stationäre Gasturbine ausgebildet sein.The gas turbines can be designed as an aircraft engine, as a vehicle drive, as a marine propulsion or stationary gas turbine.
Die Turbinenschaufelelemente oder die Scheibe können dabei zur Verwendung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 besonders eingerichtet und ausgebildet sein.The turbine blade elements or the disc can be particularly adapted and designed for use according to at least one of
In Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt
-
1 eine schematische Darstellung einer Gasturbine, hier eine Flugzeugturbine; -
2A eine horizontale Schnittansicht durch ein Turbinenschaufelelement; -
2B eine Schnittansicht durch das Turbinenschaufelelement gemäß2A entlang der Linie A-A; -
3A eine alternative Ausgestaltung des Turbinenschaufelelements mit einem Keilmittel zur Montage eines Turbinenschaufelelements; -
3B die Ausgestaltung nach3A mit einem eingetriebenen Keilmittel zur Fixierung des Turbinenschaufelelements mittels Formschluß; -
4A eine alternative Ausgestaltung des Turbinenschaufelelementes mit einer Scheibe ohne Keilmittel; -
4B eine alternative Ausgestaltung des Turbinenschaufelelementes mit einer Scheibe mit einem Keilmittel zur Verspannung des Turbinenschaufelelementes mit der Scheibe.
-
1 a schematic representation of a gas turbine, here an aircraft turbine; -
2A a horizontal sectional view through a turbine blade element; -
2 B a sectional view through the turbine blade element according to2A along the line AA; -
3A an alternative embodiment of the turbine blade element with a wedge means for mounting a turbine blade element; -
3B the design after3A with a driven wedge means for fixing the turbine blade element by means of positive engagement; -
4A an alternative embodiment of the turbine blade element with a disc without wedge means; -
4B an alternative embodiment of the turbine blade element with a disc with a wedge means for clamping the turbine blade element with the disc.
Wie in
Die über den Verdichter
Sowohl im Bereich des (Axial-) Verdichters mit seinem Niederdruckverdichter
Die im Folgenden dargestellten Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf die Verbindung der Laufschaufeln im Bereich der Turbine
In
Die Scheibe
Das Formschlussmittel
Im Betrieb wirken auf Grund der Fliehkraft erhebliche Radialkräfte auf die Turbinenschaufelelemente
Die Spitze der Turbinenschaufelelemente
In der hier dargestellten Ausführungsform befindet sich das formschlüssige Verbindungsmittel
Die erste Zone
Zwischen den Zonen
In der ersten Zone
In der zweiten Zone
- 6,5 Gew-% Cr,
- 5,6 Gew-% Al,
- 1,0 Gew-% Ti,
- 6,5 Gew-% Ta,
- 6,4 Gew-% W,
- 0,6 Gew-% Mo,
- 9,6 Gew-% Co,
- 3,0 Gew-% Re,
- 0,07 Gew-% Hf.
- 6.5% by weight Cr,
- 5.6% by weight of Al,
- 1.0% by weight of Ti,
- 6.5% by weight of Ta,
- 6.4% by weight W,
- 0.6% by weight of Mo,
- 9.6% by weight of Co,
- 3.0% by weight of Re,
- 0.07% by weight Hf.
Dieses Material ist besonders temperaturfest. Grundsätzlich können aber auch andere hochtemperaturfeste Superlegierungen in der zweiten Zone
Das formschlüssige Verbindungsmittel
In
In
In
In
In den
In
Befindet sich hingegen ein Keilmittel
Eine solche Verbindung kann z.B. mit einem Formschlussmittel
Die Konfiguration gemäß
In den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- TurbinenschaufelelementTurbine bucket member
- 22
- Verbindungsmittelconnecting means
- 33
- FormschlussmittelFit means
- 44
- Kerncore
- 55
- Scheibedisc
- 77
- Keilmittel, Keilverbindung Wedge means, wedge connection
- 1111
- NiederdruckverdichterLow-pressure compressor
- 1212
- HochdruckverdichterHigh-pressure compressors
- 1313
- HochdruckturbineHigh-pressure turbine
- 1414
- MitteldruckturbineIntermediate pressure turbine
- 1515
- Niederdruckturbine Low-pressure turbine
- 100100
- Gasturbine gas turbine
- AA
- Auslassoutlet
- BB
- Bypasskanalbypass channel
- BKBK
- Brennkammerabschnittcombustor section
- CC
- Austrittskonusexit cone
- Ee
- Einlass / IntakeInlet / Intake
- FF
- Fanfan
- FCFC
- Fangehäusefan casing
- HH
- Höhe der Turbinenschaufelspitze radial gemessen von der Scheibe ausHeight of turbine blade tip measured radially from the disk
- H1H1
- Bereich der Turbinenschaufel im LuftstromArea of the turbine blade in the air stream
- KK
- Kühlluftcooling air
- LL
- antreibender Luftstromdriving airflow
- MM
- Rotationsachseaxis of rotation
- RR
- Eintrittsrichtungentry direction
- TT
- Trennlinieparting line
- TTTT
- Turbineturbine
- VV
- Verdichtercompressor
- Z1Z1
- erste Zonefirst zone
- Z2Z2
- zweite Zonesecond zone
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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