DE1059245B - Radial impeller for centrifugal machines, especially for gas turbines - Google Patents

Radial impeller for centrifugal machines, especially for gas turbines

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DE1059245B
DE1059245B DEM37606A DEM0037606A DE1059245B DE 1059245 B DE1059245 B DE 1059245B DE M37606 A DEM37606 A DE M37606A DE M0037606 A DEM0037606 A DE M0037606A DE 1059245 B DE1059245 B DE 1059245B
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blades
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segments
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Anton Siegert
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MAN AG
Original Assignee
MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/284—Selection of ceramic materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/045—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor having compressor and turbine passages in a single rotor-module
    • F02C3/05—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor having compressor and turbine passages in a single rotor-module the compressor and the turbine being of the radial flow type

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Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für Kreiselradmaschinen mit im wesentlichen radialer Durchströmrichtung des insbesondere heißen Arbeitsmittels, wie es beispielsweise in Gasturbinen zur Verwendung gelangt. The invention relates to an impeller for centrifugal machines with an essentially radial flow direction the particularly hot working fluid, such as is used, for example, in gas turbines.

Bekannt ist ein Laufrad für Fliehkraftverdichter, bei dem der die Schaufeln tragende Schaufelkörper aus einem Werkstoff geringerer Festigkeit, z. B. Leichtmetall, sich an einem in axialer Richtung vorstehenden Bund oder auch mehreren Bunden eines scheibenförmigen Tragkörpers abstützt, welch letzterer somit den wesentlichen Teil der Fliehkräfte aufzunehmen hat. Die Schaufeln des einteilig ausgebildeten Schaufelkörpers sind dabei allerdings noch erheblichen Zugbeanspruchungen ausgesetzt, so daß für dessen Herstellung keramische Werkstoffe, deren Zugfestigkeit weit unter der Druckfestigkeit liegt, nicht verwendet werden können. Aber gerade diese Werkstoffe zeichnen sich durch große Festigkeit bei hohen Temperaturen und gleichzeitig hoher Temperatur-Wechselbeständigkeit aus, also solchen Eigenschaften, die von Werkstoffen für Laufschaufeln heiß betriebener Turbinen, z. B. Gasturbinen, gefordert werden.An impeller for centrifugal compressors is known in which the blade body carrying the blades made of a material of lower strength, e.g. B. light metal, protruding on a projecting in the axial direction Bund or several bundles of a disk-shaped support body supported, which latter thus has to absorb the essential part of the centrifugal forces. The blades of the one-piece Blade bodies are, however, still exposed to considerable tensile stresses, so that for the manufacture of which ceramic materials, whose tensile strength is far below the compressive strength, are not can be used. But it is precisely these materials that are characterized by great strength and high Temperatures and, at the same time, high thermal shock resistance, i.e. properties such as those of materials for blades of hot operated turbines, z. B. gas turbines are required.

Im Unterschied hierzu besteht der Schaufelkörper des Laufrades nach der vorliegenden Erfindung aus mehreren Segmenten, deren dem Tragkörper zugewendeten Rückseiten als zur Laufradachse schrägliegende zusätzliche Stützflächen ausgebildet sind, mit denen sie sich an ebenso verlaufenden Gegenstützflächen des Tragkörpers abstützen. Mit diesen Maßnahmen wird aber nicht nur die Stützfläche des Schaufelkörpers vergrößert, sondern es wird — was für die Verwendung keramischer Werkstoffe von entscheidender Bedeutung ist — erreicht, daß der Schaufelkörper und auch die an ihm befestigten Schaufeln in ganz beträchtlichem Umfange von Zugkräften entlastet werden. Die Neigung der zusätzlichen Stützfläche, d. h. der Winkel, den eine in ihr liegende, die Laufradachse schneidende Gerade mit dieser Achse nach der Schaufelseite hin einschließt, wird zweckmäßig so gewählt, daß der Schwerpunkt eines jeden Segments innerhalb des von den Gegenstützflächen des Tragkörpers, also von der Bundfläche und den Schrägflächen umschlossenen Raumes liegt. Zur Vermeidung von Biegespannungen können die Schaufelflächen so ausgebildet sein, daß ihre Erzeugenden Geraden sind, die senkrecht zur Laufradachse liegen.In contrast to this, the blade body of the impeller according to the present invention consists of several segments, the backs of which facing the support body are inclined to the impeller axis additional support surfaces are formed, with which they can be attached to the counter-support surfaces of the likewise extending Support the supporting body. With these measures, however, not only the support surface of the blade body becomes enlarged, rather it becomes - which is of decisive importance for the use of ceramic materials is - achieved that the blade body and also the blades attached to it in quite considerable Extent of tensile forces are relieved. The inclination of the additional support surface, i.e. H. the angle that a straight line that lies in it and intersects the impeller axis with this axis after the Includes blade side, is expediently chosen so that the center of gravity of each segment within the of the counter support surfaces of the support body, that is, of the collar surface and the inclined surfaces enclosed space. To avoid bending stresses, the blade surfaces can be so be designed so that their generating lines are perpendicular to the impeller axis.

Schon die vorstehenden Erörterungen lassen erkennen, daß bei einem im wesentlichen radial durchströmten Laufrad unvergleichlich größere Schwierigkeiten in der Beseitigung oder auch nur Verminderung der durch Fliehkräfte ausgelösten Zugspannungen auftreten als bei einem Laufrad mit axialer Durchströmrichtung. Für solche sind nämlich schon verschiedent-Radiallaufrad für Kreiselradmaschinen,
insbesondere für GasturbinenAlready from the above discussions it can be seen that with an impeller with essentially radial flow, incomparably greater difficulties arise in the elimination or even only reduction of the tensile stresses caused by centrifugal forces than with an impeller with an axial flow direction. For such, there are already various-radial impellers for centrifugal machines,
especially for gas turbines

Anmelder:Applicant:

Mas cbinenf abrik
Augsburg-Nürnberg A. G.,
Augsburg, Stadtbachstr. 7Mas cbinenf abrik
Augsburg-Nürnberg AG,
Augsburg, Stadtbachstr. 7th

Anton Siegert, Stadtbergen über Augsburg,
ist als Erfinder genannt wordenAnton Siegert, Stadtbergen via Augsburg,
has been named as the inventor

lieh Vorschläge gemacht worden, das Auftreten von Zugkräften an Laufschaufeln völlig zu verhindern, indem diese am Innenumfang einer Läufertrommel angeordnet werden oder sich an einem die Schaufel in Längsrichtung durchdringenden Bolzen oder Stift abstützen. Lent proposals have been made to completely prevent the occurrence of tensile forces on rotor blades by these are arranged on the inner circumference of a rotor drum or on a blade in Support the longitudinally penetrating bolt or pin.

Der Erfindungsgegenstand wird an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die Zeichnungen zeigen inThe subject matter of the invention is explained using an exemplary embodiment. The drawings show in

Fig. 1 ein zweifach beschaufeltes Laufrad, dessen eine Seite als Turbinen- und die andere Seite als Verdichterschaufelung arbeitet, und1 shows a double-bladed impeller, one side of which is used as a turbine blade and the other side as a compressor blade works, and

Fig. 2 die Draufsicht des Laufrades nach Fig. 1 in Blickrichtung des Pfeiles A. FIG. 2 shows the top view of the impeller according to FIG. 1 in the direction of the arrow A.

Der rotationssymmetrische, scheibenförmige Tragkörper 1 mit dem Wellenstummel 2 ist am Außenrand mit einem in axialer Richtung vorstehenden Bund 4 versehen, an dem sich die Segmente 5 des die Laufschaufeln 6 haltenden Schaufelkörpers abstützen. Die von den Schaufeln 6 gebildeten Kanäle werden in Richtung des Pfeiles t von einem heißen Treibmittel durchströmt. Die Segmente bestehen aus einem keramischen Werkstoff hoher mechanischer Festigkeit und hoher Temperaturwechselbeständigkeit, z. B. Steatit mit Zuschlägen von Siliciumcarbid, und der Tragkörper ist aus einem warmfesten Stahl hergestellt. Die dem Tragkörper 1 zugewendeten Rückseiten 5 α der Segmente 5 sind als zur Laufradachse x-x schrägliegende Stützflächen ausgebildet und werden damit zusätzlich an ebenso verlaufenden Gegenstützflächen 1 a des Tragkörpers 1 abgestützt. Die schrägen Stützflächen können kegelförmig oder auch pyramidenförmig sein. Ihre Neigung zur Laufradachse, das ist also der halbe Spitzenwinkel des Kegels bzw. der Pyramide, beträgt im vorliegenden Falle α = 75°.The rotationally symmetrical, disk-shaped support body 1 with the shaft stub 2 is provided on the outer edge with a collar 4 projecting in the axial direction, on which the segments 5 of the blade body holding the rotor blades 6 are supported. A hot propellant flows through the channels formed by the blades 6 in the direction of the arrow t. The segments consist of a ceramic material of high mechanical strength and high thermal shock resistance, e.g. B. steatite with additives of silicon carbide, and the support body is made of a heat-resistant steel. The rear sides 5 α of the segments 5 facing the support body 1 are designed as support surfaces inclined to the impeller axis xx and are therefore additionally supported on counter-support surfaces 1 a of the support body 1 that also run. The inclined support surfaces can be conical or pyramidal. Their inclination to the impeller axis, that is half the apex angle of the cone or pyramid, is α = 75 ° in the present case.

909 530/131909 530/131

Ferner ist jedes Segment 5 hinsichtlich der Massenverteilung so ausgebildet, · daß der Massenschwerpunkt S0 innerhalb des von der Bundfläche 4 und der Stützfläche 1 α umschlossenen Raumes liegt. Der Abstand des Schwerpunktes .S0 von der äußeren Kante des Bundes 4 ist mit α bezeichnet; er ist ein Maß für die Sicherheit gegen das Auskippen eines Segmentes aus dem Verband. Die Mutter 10 sichert die Segmente 5 ebenfalls gegen axiale Verschiebungen. Zwischen die Stütz- und Gegenstützflächen la, 5a können auch an sich bekannte Zwischenschichten, z. B. aus Kupfer-Asbest oder sogenannte »Matrazen«, bestehend aus einem leicht verformbaren Drahtgewebe mit Umhüllung aus einem dünnen Stahl- oder Messingblech, angeordnet sein, die den Wärmeübergang vom keramischen Schaufelkörper zum stählernen Tragkörper verringern und/oder eine bessere Druckverteilung in den Anlageflächen bewirken.Furthermore, with regard to the mass distribution, each segment 5 is designed in such a way that the center of gravity S 0 lies within the space enclosed by the collar surface 4 and the support surface 1 α. The distance of the center of gravity .S 0 from the outer edge of the collar 4 is denoted by α; it is a measure of the security against a segment tipping out of the association. The nut 10 also secures the segments 5 against axial displacement. Between the support and counter-support surfaces la, 5a , known interlayers such. B. made of copper asbestos or so-called "mattresses", consisting of an easily deformable wire mesh with a covering of a thin steel or brass sheet, which reduce the heat transfer from the ceramic blade body to the steel support body and / or a better pressure distribution in the contact surfaces cause.

Am Tragkörper 1 sind außerdem noch Verdichterschaufeln 11 angebracht, die in Richtung des Pfeiles ν beaufschlagt werden.Compressor blades 11 are also attached to the support body 1 and are acted upon in the direction of the arrow ν.

Zur Bildung einer gasförmigen Wärmedämmschicht zwischen den Stütz- und Gegenstützflächen wird den Schaufelkanälen des Verdichters durch Bohrungen 7 Luft entnommen und dem ringförmigen Verteilkanal 8 zugeführt. Von hier aus gelangt die Luft in spiralförmige Rillen 9, welche in die Stütz- oder Gegenstützflächen der Segmente 5 bzw. des Tragkörpers 1 eingearbeitet sind. Die abgezweigte Luftmenge ist hierbei im Vergleich zu bekannten Luftkühlungssystemen wesentlich geringer, da damit lediglich eine geringe Ventilation in den Rillen 9 angestrebt wird. Die aufgeheizte Luft wird am Bund 4 in den Treibmittelkanal entlassen.To form a gaseous thermal insulation layer between the support and counter-support surfaces, the Air is taken from the vane channels of the compressor through bores 7 and the annular distribution channel 8 fed. From here, the air passes into spiral grooves 9, which are in the support or counter-support surfaces the segments 5 or the support body 1 are incorporated. The amount of air diverted is compared to known air cooling systems, this is significantly less, since only one low ventilation in the grooves 9 is sought. The heated air is at the collar 4 in the propellant duct dismiss.

Um das »Wandern« der Segmente des Schaufelkörpers zu unterbinden, was besonders beim Auftreten TOn Drehbeschleunigungen während des Anfahrens ader Abstellens der Turbine auftreten kann, sind im Tragkörper 1 kleine Dübel 3 eingelassen, deren vorstehender Teil in Ausnehmungen der Segmente eingreift. Zur Einhaltung der Rotationssymmetrie empfiehlt es sich, mindestens zwei solcher Dübel entsprechend anzuordnen.To prevent the "wandering" of the segments of the blade body, which is particularly important when it occurs TOn rotational accelerations during start-up or the shutdown of the turbine are in Support body 1 embedded small dowels 3, the protruding part of which engages in recesses in the segments. To maintain the rotational symmetry, it is advisable to use at least two such dowels accordingly to arrange.

Claims (9)

Patentansprüche: 45Claims: 45 1. Laufrad für Kreiselradmaschinen mit im wesentlichen radialer oder diagonaler Durchströmrichtung des Arbeitsmittels, insbesondere für Gasturbinen, wobei der die Laufschaufeln tragende Schaufelkörper aus einem Werkstoff geringerer Festigkeit, vorzugsweise Keramik, sich an einem in axialer Richtung vorstehenden Bund eines Tragkörpers abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkörper aus mehreren Segmenten (5) besteht, deren dem Tragkörper (1) zugewendeten ' Rückseiten (5 a) als zur Laufradachse (x-x) schrägliegende Stützflächen ausgebildet sind, mit denen sie sich zusätzlich an ebenso verlaufenden Gegenstützflächen des Tragkörpers abstützen. 1. Impeller for centrifugal machines with a substantially radial or diagonal flow direction of the working medium, in particular for gas turbines, wherein the blade body carrying the rotor blades made of a material of lower strength, preferably ceramic, is supported on a collar of a supporting body protruding in the axial direction, characterized in that The blade body consists of several segments (5), the rear sides (5 a) of which facing the carrier body (1) are designed as support surfaces inclined to the impeller axis (xx) , with which they are additionally supported on counter-support surfaces of the carrier body that also run in the same way. 2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt (S0) eines jeden Segments (5) innerhalb des von den Gegenstützflächen der Tragscheibe (1) umschlossenen Raumes liegt.2. Impeller according to claim 1, characterized in that the center of gravity (S 0 ) of each segment (5) lies within the space enclosed by the counter-support surfaces of the support disc (1). 3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugenden der Schaufelflächen in an sich bekannter Weise Geraden sind, die senkrecht zur Laufradachse liegen.3. Impeller according to claim 1 or 2, characterized in that the generatrix of the blade surfaces are straight lines which are perpendicular to the impeller axis in a manner known per se. 4. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stützflächen der Segmente (5) und der Tragscheibe in an sich bekannter Weise Zwischenschichten zur Verringerung des Wärmeüberganges und/oder zur gleichmäßigen Druckverteilung angeordnet sind.4. impeller according to claim 1 or 2, characterized in that between the support surfaces of the Segments (5) and the support plate in a known manner intermediate layers for reduction the heat transfer and / or are arranged for even pressure distribution. 5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schaufeln tragenden Segmente (5) aus keramischem Werkstoff und die Tragscheibe (1) aus warmfestem Stahl besteht.5. Impeller according to one of claims 1 to 4, characterized in that the blades bearing segments (5) made of ceramic material and the support disc (1) made of heat-resistant Steel is made. 6. Laufrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Tragscheibe (1) mit Laufschaufeln (6) versehen ist.6. impeller according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that also the support disc (1) is provided with rotor blades (6). 7. Laufrad nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Schaufeln als Turbinenschaufeln zur Entspannung heißen Arbeitsmittels und die an dem Tragkörper (1) angebrachten Schaufeln als Verdichterschaufeln zur Verdichtung von kalter Luft ausgelegt sind.7. impeller according to claim 5 and 6, characterized in that the ceramic blades as Turbine blades for relieving hot working fluid and those attached to the support body (1) Blades are designed as compressor blades for compressing cold air. 8. Laufrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Stütz- oder Gegenstützflächen der Segmente (5) bzw. der Tragscheibe (1) Rillen (9) eingearbeitet sind, denen durch Kanäle (7) im Tragkörper (1) aus den verdichterseitigen Laufschaufelkanälen Luft zugeführt wird.8. impeller according to claim 7, characterized in that in the support or counter-support surfaces the segments (5) or the support plate (1) grooves (9) are incorporated, which through channels (7) in the Support body (1) is supplied from the compressor-side rotor blade channels air. 9. Laufrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Rillen (9) durchströmende Kühlluft nahe dem Umfang der Tragscheibe in den Treibmittelkanal abströmt.9. Impeller according to claim 8, characterized in that the grooves (9) flowing through Cooling air flows off into the propellant channel near the circumference of the support disk. In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 712 910.Considered publications:
German patent specification No. 712 910. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 909 530/131 6.59© 909 530/131 6.59
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