DE2254829A1

DE2254829A1 - Turbinenlaeufer fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2254829A1
Application number: DE2254829A
Authority: DE
Inventors: Robert Noel Penny
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-11-10
Filing date: 1972-11-09
Publication date: 1973-05-17
Also published as: CA962601A; US3873234A; CH562392A5; JPS5514242B2; AU469736B2; GB1386590A; FR2159460A1; IT975686B; NL7215255A; JPS49132406A; FR2159460B1; BE791162A; AU4867272A

Description

DIPL.-ING. HARRO GRALFS PATENTANWALT

33 BRAUNSCHWEIG

AM BÜRGERPARK. 8 TELEFON (0531) 7479a

8. November 1972 P 1033 - G/Lie

Robert Noel Penny 12 Alderbrook Bead, Solihull, Warwickshire, England

Turbinenläufer für ein Gasturbinentriebwerk

Die.Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenläufer für ein Gasturbinentriebwerk, wobei der Turbinenläufer für eine einen Kompressor antreibende Turbine oder eine Leistungsturbine sein kann und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für den Betrieb bei hohen Temperaturen, beispielsweise über 900° C sowie für eine Betriebsweise bestimmt ist, bei der die Turbine häufig gestartet und gestoppt werden muß, wie es bei einer Leistungsturbine oder einer Kompressorantr'iebsturbine für ein Gasturbinentriebwerk für den Automobilantrieb der Fall ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine ausreichend starke Konstruktion von geringem Gewicht zu schaffen, die der thermischen Ermüdung und hohen Betriebstemperaturen widersteht- und verhältnismäßig billig herzustellen ist»

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Turbinenrotor gelöst, der eine Nabe und eine Mehrzahl von Schaufeln

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aufweist, die getrennt von der Nabe hergestellt und über den Umfang der Nabe verteilt angeordnet sind, wobei jede Schaufel ein Fußende in Form eines hohlen Kastens aufweist, der eine radial außen liegende Wand aufweist, die eine . Plattform bildet, von der aus sich die Schaufel erstreckt, weiter eine radial ,innen liegende Wand, über die die Schaufel auf dem umfang der Nabe befestigt wird, sowie sich radial erstreckende Wände,an den beiden axialen Enden des Kastens, wobei der Kasten weiter innere Versteifungselemente aufweist, die die radial innen und die radial außen lie gende Wand zwischen den auf dem Umfang liegenden Enden des Kastens verbindet.

Sie Versteifungsmittel des Kastens der einzelnen Schaufeln können eine Innenwand aufweisen, die sich zwischen der radial innen liegenden und <§r radial außen liegenden Wand und zwischen den sich radial erstreckenden Wänden an den beiden axialen Enden des Kastens erstreckt, wobei der Kasten in zwei Abteile unterteilt wird und die Innenwand, die radial innen und die radial außen .liegende Wand sowie die sich radial erstreckenden Wände fest miteinander verbunden oder in einem Stück geformt sind.

Zweckmäßig ist die Innenwand des Kastens der einzelnen Schaufeln eine Verlängerung des wirksamen Teils der Schaufel, der sich radial einwärts von der Plattform erstreckt, die durch die radial außen liegende Wand des Kastens gebildet ist.

Der Kasten der einzelnen Schaufeln hat in Umfangsrichtung des Läufers vorzugsweise offene Enden.

Die Hohlkastenkonstruktion der Fußenden der Schaufeln ermöglicht es, den Rotor im Gewicht leichter zu machen gegen-

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über Schaufeln mit massiven Füßen, woraus auch ein geringeres Trägheits-moment resultiert. Darüberhinaus sind die Herstellungskosten niedriger als bei massiven Füßen. Die innenliegenden Versteifungsmittel ermöglichen es den Schaufelfüßen, die Zentrifugalkräfte aufzunehmen, die durch die · Schaufeln hervorgerufen werden. Statt als Versteifungsmittel eine innere Wand vorzusehen, kann der hohle Kasten der einzelnen Schaufeln auch mit einem schaum- oder schwammähnlichen wärmewiderstandsfähigen und im wesentlichen starren Material gefüllt sein, das eine feste Bindung zu der radial innenliegenden Wand und der radial außen liegenden Wand sowie' zu dem sich radial erstreckenden Wänden an den axialen Enden des Kastens aufweist. Das Material kann ein Metall sein oder ein keramisches oder keramikähnliches Material, beispielsweise Siliciumnitrid.

Das Fußende der einzelnen Schaufeln hat daher eine zusammengesetzte Eigenschaft, die Festigkeit und Steifigkeit, verbunden mit verringertem Gewicht ergibt. Der Einsatz steuert auch die Wärmeübertragung von den Schaufeln zur Läufernabe.

Die'erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht es auch, die Schaufeln leicht zu kühlen und nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können zu diesem Zweck die Schaufeln oder wenigstens einigp der Schaufeln jeweils mit wenigstens einem Durchgang versehen sein, der sich vom inneren Ende des,kastenförmigen Schaufelfußes durch de radial außen liegende Wand, die die Plattform bildet, zu einem radial außen liegenden Teil der Schaufel erstreckt, wobei die in Umfangsrichtung gerichteten Enden der kastenförmigen Füße benachbarter Schaufeln in Umfangsrichtung im Abstand voneinander liegen, go daß Zwischenräume gebildet werden, durch die Luft oder ein anderes Kühlmittel in die kastenförmigen Schaufelfüße t-ingefuhrt werden kann.' ■""■" \ : . -.. ■ .

Dor Durchgang in einer Schaufel steht zweckmäßig mit wenigstens einer Öffnung in dem hinteren Ende der Schaufel in Verbindung.

Der Turbinenläufer gemäß der Erfindung kann aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt werden, die in Abhängigkeit von der Temperatur ausgewählt werden, denen die einzelnen Teile des Läufers jeweils ausgesetzt sind. Beispielsweise können die Schaufeln oder die Schaufeln und die jeweils radial außen liegende Wand der kastenförmigen Schaufelfüße einschließlich der Schaufelverlängerungen, soweit vorgesehen, aus einem Material hergestellt werden, ' während die kastenförmigen Schaufelfuße oder der Rest der kastenförmigen Schaufelfüße aus einem anderen Material hergestellt sein kann. Die Nabe des Läufers kann dabei aus einem noch anderen Material bestehen.

Die kastenförmigen Schaufelfüße werden zweckmäßig mit dem Umfang der Läufernabe durch Schweißen oder in anderer Weise fest verbunden. Soweit die Schaufeln oder die Schaufeln und die jeweils radial außen liegende Wand der kastenförmigen

getrennt

Schaufelfuße/von den Schaufelfüßen oder dem Rest der kastenförmigen Schaufelfüße hergestellt sind, können die getrennt hergestellten Teile durch Schweißen oder sonst^wie fest miteinander und mit dem Umfang der Läufernabe verbunden werden,

Die kastenförmigen Schaufelfüße oder Teile davon, die nicht aus einem Stück mit den Schaufeln hergestellt sind, können gesondert von entsprechenden Teilen hergestellt werden, die mit den anderen Schaufeln verbunden sind. Alternativ können die kastenförmigen Füße mehrerer benachbarter Schaufeln aus einem Teil in einem Teilringsegment hergestellt werden. In einer weiteren Konstruktion können die kastenförmigen Füße aller Schaufeln aus einem Stück in Form eines Ringes hergestellt werden.

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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im Nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung zweier benachbarter Schaufeln und ihrer zugehörigen kastenförmigen Füße in einer ersten Atisführungsform.

Fig. 2 zeigt eine Endansicht einer Schaufel.nach Fig. 1 auf einem Radialschnitt durch die Nabe des Rotors.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen kastenförmigen Schaufelfuß längs der Linie IH-III in Fig. 2.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht ähnlich Fig. 1

und zeigt eine Schaufel in einer zweiten Ausfüh-' rungsform.

Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4.

Fig. 6 ist eine Ansicht eines radialen Schnittes durch ein Teil des Läufers und der augehörigen feststehenden Turbinenteile in einer dritten Ausführungsform.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt längs der Linie VII-TII in Fig. 6.

Fig. 8 und 9 zeigen jeweils Ansichten von Ausführungsformen von Schaufeln, die bei der Anordnung nach · den Fig. 6 und ? verwendet werden können.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1, 2 und 3 ist jede Schaufel -jeweils in einem Stück mit einem hohlkastenförmigen Fuß gegossen, der eine radial außen liegende Wand 2, eine radial innen liegende Wand 3* sich radial erstreckende und

in axialem Abstand voneinander liegende Wände 4 und 5 an den axialen Enden des Rotors und eine querliegende Innenwand 6 aufweist. Die radial außen liegende Wand 2 bildet gleichzeitig die Schaufelplattform. Die radial innen liegende Wand 3 ist durch Schweißen oder ähnliche β fest mit dem Umfang der Läufernabe 7 verbunden, die als Genauigkeitsschmiedestück ausgebildet ist. Der Kasten, der durch die Wände 2, 3, 4 und 5 gebildet wird, ist an seinen in Richtung des Umfangs gerichteten Enden offen und die Querwand 6 teilt das Innere der kastenförmigen Füße Jeweils in zwei Kammern. Diese Konstruktion macht es möglich, die Schaufeln und die fuße aus einem von dem Material der Nabe unterschiedlichen Material herzustellen und zwar in Abhängigkeit von den Unterschieden in der Arbeitstemperatur und den mechanischen Belastungen. Die hohlkastenförmige Ausführung der Schaufelfüße hat den Nachteil niedrigerer Herstellungskosten, verglichen mit Konstruktionen mit massiven Füßen und darüber hinaus ein geringeres Gewicht und ein geringeres Träghe it smoment.

Die Querwand 6 dient dazu, den kastenförmigen Fuß zu versteifen und es ihm zu ermöglichen, die von der Schaufel herrührende Zentrifugalkraft aufzunehmen. Die Querwand 6 bildet zweckmäßig eine sich im wesentlichen radial nach innen erstreckende Verlängerung der wirksamen Teile der Schaufel 1 und sie kann von einer ähnlichen Form sein. Sie kann aber, wie in Fig. 3 dargestellt, auch parallele Seitenflächen haben. Die kastenförmigen Füße der Schaufeln werden in einer Vorrichtung um die Nabe herum ausgerichtet, bevor sie mit der Nabe durch Schweißen, beispielsweise Elektronenstrahlschweißen, verbunden werden. Alternativ kann jeder Schaufelfuß getrennt an seiner zugehörigen Stelle angeschweißt werden,

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Mehrere Füße können in einem Stück als Segment gegossen werden. Es ist aber auch möglich, alle Füße in einem Stück als Ring zu gießen. Es ist auch möglich, nur die radial innen liegenden Wände 3 als Segmente oder Singe einstückig herzustellen. Es ist weiter möglich, die Schaufel 1 oder die Schaufel 1 mit den Plattformen 2 und zwar mit oder- ohne die Querwände 6, getrennt "von den Füßen, oder dem Rest der Füße zu gießen und die Teile dann durch Schweißen oder sonst_wie fest miteinander zu verfeinden. Auf diese Weise ist es möglich, die S>haufel Λ und damit aus einem Stück "bestehende Teile der Füße aus einem Material herzustellen, wahrend die Füße oder der verbleibende Teil der Füße aus einem zweiten Material und schließlich die Habe aus einem dritten Material hergestellt wird.

Statt durch die Querwände 6 oder zusätzlich zu den Querwänden 6 können die kastenförmigen Schaufel^füße durch Einsätze aus einem im wesentlichen steifen Schaum oder schwammförmigen oder sonst wie expandierten wärmebeständigen Material versteift werden. Dieses Material kann ein Metall sein oder aber auch ein keramisches oder keramikähnliches Material wie Siliciumnitrid, das mit den Wänden der Schaufelfüße fest verbunden ist. Die Einsätze steuern die Wärmeübertragung zwischen den Schaufeln und der Eabe und führen gleichzeitig zu einer Leichtgewichtkonstruktion eines versteiften, kastenförmigen Fußes. .Die Figuren 4- und 5 zeigen eine Schaufel mit einem kastenförmigen Fuß, dessen Seiten ähnlich denen der Schaufel 1 nach den Fig. 1 bis 3 ist. .Ähnliche oder gleiche Teile haben daher gleiche Bezugszeichen mit einem Index-¹ Strich. Der Einsatz aus einem Schaum oder schaümförmigen Material ist mit dem Bezugszeichen 8 versehene -

BoJ der dritten Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 ist die Konstruktion ähnlich der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten

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und unter Bezug auf diese Figuren beschriebenen Konstruktion, ausgenommen, daß die kastenförmigen Schaufelfüße oder die Teile der Schaufelfüße, ausgenommen die radial innen liegende Wand 3> soweit diese einstückig in Segmenten oder einem Ring hergestellt sind, in Umfangsrichtung im Abstand voneinander liegen, so daß radiale Spalte 9 zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufelfüßen gebildet werden. Teile, die Teilen in den Fig. 1 bis 3 entsprechen, sind mit entsprechenden Bezugszeichen mit zwei Index-Strichen bezeichnet. Durch Düsen 10, die radial innerhalb eines Ringes von Statorschaufeln 11 angeordnet sind, der seinerseits neben dem Läufer angeordnet ist, wird ein Kühlmittel, beispielsweise Luft in die radialen Zwischenräume 9 zwischen den Schaufelfüßen eingeführt. Das Kühlmittel strömt in die Kammern, die in den Kästen benachbarter Schaufelfüße ausgebildet sind und durch deren offene auf dem Umfang liegende Enden und strömt durch eine öffnung oder öffnungen 12 oder einen anderen Durchgang, der sich von der Seitenfläche der Querwand des betreffenden Fußes oder radial durch diese Querwand in eine oder mehrere sich radial erstreckende Durchgänge 13 oder 13'» die in den zugehörenden Schaufeln ausgebildet sind, zu den radial außen liegenden Enden der Schaufel.

Die Fig. 8 und 9 zeigen Kühlmitteldurchgänge 13 bzw. 13' in einer Schaufel 1¹'. In Fig. 8 ist der Durchgang 13 ein Schlitz in der hinteren Kante 14 der Schaufel 1, und steht an ihrem radial inneren Ende mit der öffnung 12 der Querwand 6¹' des zugehörigen kastenförmigen Schaufelfußes in Verbindung. In Fig. 9 steht der Durchgang 13' mit einer Mehrzahl von querverlaufenden Durchgängen 15 in Verbindung, die jeweils in der hinteren Kante 14 der Schaufel 1·' enden.

Soweit die Schaufelfüße einen Einsatz 8 aus einem schaum- oder sctnvainmähnlichen oder sonst^wie expandierten wärme-

widerstandsfähigen Material (wie in den Fig. 4 und 5) aufweisen, strömt das Kühlmittel durch die Zwischenräume des Einsatzes 8 zu den Durchgängen 13 oder 13' in den Schaufeln 1 "..

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Claims

Patentansprüche

M.JTurbinenläufer mit einer Läufernabe und einer Mehrzahl

^-"^ von Schaufeln, die getrennt von der Nabe geformt sind und außen auf dem Umfang der Nabe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel einen Fuß in Form eines hohlen Kastens hat mit einer radial außen liegenden Wand, die eine Plattform bildet, von der sich die Schaufel wegerstreckt, einer radial innen liegenden Wand, über die die Schaufel auf dem Umfang der Nabe befestigt ist und sich r.adial erstreckenden Wänden an Jedem axialen Ende des Kastens, wobei der Kasten innere Versteifungsmittel aufweist, die die radial innen liegende Wand und die radial außen liegende Wand zwischen den in Umfangsrichtung liegenden Enden des Kastens ver-binden.
2. Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsmittel des Kastens der einzelnen Schaufeln eine Innenwand (6) aufweisen, die sich zwischen der radial innen liegenden und der radial außen liegenden Wand (2, 3) und zwischen den sich radial erstreckenden Wänden (4, 5) an den beiden axialen Enden des Kastens erstreckt, so daß der Kasten in zwei Kammern unterteilt ist, wobei die Innenwand (6), die radial innen liegende und die radial außen liegende Wand (2,3) und die sich radial erstreckenden Wände (4, 5) starr miteinander verbunden oder in einem Stück geformt sind.
3. Turbinenläufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (6) des Kastens der einzelnen Schaufeln eine Verlängerung des wirksamen Teils der Schaufel (1)

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ist, die sich radial nach innen von der Plattform erstreckt, die durch die radial außen liegende Wand des Kastens gebildet ist.
4-. Turbinenläufer nach Anspruch 2 oder 3, 'dadurch gekennzeichnet, daß der Kasten der einzelnen Schaufeln offene Enden aufweist, die in Umfausrichtung des Läufers gerichtet sind.
5· Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß der hohle Kasten der einzelnen Schaufeln mit einem Einsatz (B) aus einem schaum- oder schwammförmigen oder expandierten wärmebeständigen Material gefüllt ist, das , im wesentlichen starr ist, wobei das Material mit der radial außen liegenden und der radial innen liegenden Wand sowie den sich radial erstreckenden Wänden an den beiden axialen Enden des Kastens fest verbunden ist (Fig. Λ, 5)·
6. Turbinenläufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Schaufeln jeweils wenigstens einen Durchgang (13, 13') aufweisender sich von dem Inneren des Kastens am Fußende der Schaufel durch die radial außen liegende Wand (12*^r), die die Plattform bildet, zu einem radial außen liegenden Teil der Schaufel (1' ') erstreckt, wobei die Enden der kastenförmigen Füße benachbarter Schaufeln mit ihren in Umfangsrichtung liegenden Enden in TJmf angsrichtung im Abstand voneinander liegen, so daß Zwischenräume (9) gebildet werden, durch die Luft oder ein anderes Kühlmittel in *die kastenförmigen Füße einführbar ist.

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7- Turbinenläufer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (13, 13') in einer Schaufel wenigstens mit einer öffnung in der hinteren Kante (14) der Schaufel (1' ·) in Verbindung steht.
8. Turbinenläufer nach eintm der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln gesondert von ihren entsprechenden Fußteilen geformt sind, wobei die Schaufeln und die Fußteile anschließend miteinander und mit dem Umfang der Nabe verbunden sind.
9. Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln aus einem Stück mit den entsprechenden radial außen liegenden Wänden ihrer Fußabschnitte geformt sind und daß die Schaufeln und der übrige Teil der Schaufelfüße anschließend miteinander und mit dem Umfang der Nabe verbunden sind.
10. Schaufelrotor nach Anspruch 8 oder 9i dadurch gekennzeichnet, daß die Fußteile oder der Best der Fußteile einer Mehrzahl von Schaufeln aus einem Stück in einem Ringsegment oder einem vollkommenen Ring hergestellt werden, bevor die Schaufeln mit ihnen verbunden werden.

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