DE2507512A1 - Scheibenfoermiges laufrad fuer eine hochtourige axialtrubine - Google Patents

Description

• Scheibenförmiges Laufrad für eine hochtourige Axialturbine Die Erfindung betrifft ein scheibenförmiges Laufrad für eine hochtourige Axialturbine mit einer Scheibe, einem diese koaxial umgebenden Radkranz und zwischen Scheibe und Radkranz angeordneten Laufschaufeln.
• Bei hochtourigen Gas turbinen dieser Art wird die Wirmeenergie von in einer Brennkammer erhitzten lteissgasen durch Entspannung der verdichteten Ifeissgase in Bewegun9senergie umgesetzt, indem man die Iieissgase aus der Brennkammer gegen die Laufschaufeln eines Turbinenlaufrades leitet. Der Gütegrad, d.h. im wesentlichen der Prozentsatz der in Bewegungsenerqie umsetzbaren Wärmeenergie, steigt mit zunehmender Temneratur. 1Man ist daher bestrebt, die Gase in der Brennkammer möglichst hoch zu erhitzen und mit möglichst hoher Temperatur gegen die Laufschaufeln des Turbinenlaufrades zu leiten. Der Höhe der Temperatur sind aber durch die Temperaturbeständigkeit des Laufradwerkstoffes Grenzen gesetzt. Das Laufrad muss nämlich einerseits gegenüber sehr hohen Temperaturen beständig sein, muss aber andererseits die extremen Fliehkräfte aufnehnien können, die bei den hohen Umdrehungszahlen (z.9. 60 000 Umdrehungen pro Flinute) auftreten.
• Es ist bekannt, aus diesem Grunde zur lIerstellung von Turbinenlaufrädern hochtemperaturbeständige, zugfest Speziallegicrungen zu verwenden. Auf diese Weise gelingt es aber nicht, höhere Heissgastemperaturen als etwa 12000C zu erreichen. Dadurch wird der Gütegrad derartiger Turbinen begrenzt. Gerade im Hinblick auf die Verasendung solcher Turbinenaggregate im Fahrzeugbau ware aber eine Steigerung des Gütegrades unhedingt erforderlich, um ein wirtschaftliches Antriebsaggregat schaffen zu können. In diesem Zusammenhang ist es ferner von Nachteil, dass bekannte, aus Speziallegierungen bestehende Turbinenlaufräder ein erhebliches Gewicht haben.
• Es ist ferner bekannt, Turbinenlaufräder am Aussenumfang durch in Umfangrichtung verlaufende, in sich geschlossene Bandagen aus faserverstärktem Verbundwerkstoff zu umgeben, durch welche die Fliehkräfte ganz oder teilweise allfyenommen werden. Bekannte, faserverstrkte Verbundwerkstoffe sind aber nur bis zu weit unter den Eleissgastemperaturen liegenden Temperaturen hitzebeständig, so dass bei ihrer Verwendung die mögliche ieissgastemperatur in erheblichem, wirtschaftlich untragbarem Masse herabgesetzt werden muss.
• Zur Erhöhung der Arbeitstemperatur von Gasturbinen hat man auch bereits sprödbrüchige, hochtemperaturbeständige Werkstoffe, wie z.I3. Keramik, im Turbinenbau eingesetzt. Dieser Werkstoff weist jedoch eine relativ niedrige Zugfestigkeit auf, die weit unter deren Drucl;festiglreit liegt. Im Ilinblick darauf, dass die -durch die hohen Drehzahlen des Laufrades hervorgerufenen -Fliehkräfte den Werkstoff vornehmlich auf Zug belasten, ergibt sich daraus, dass Keramik als Werkstoff fiir hochtourig umlaufende Laufräder ungeeignet ist.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile bekannter Gasturbinen zu vermeiden und eine hochtourige Axial-Gasturbine zu schaffen, die mit höheren Ileissgastemperaturen als bisher betrieben werden kann.
• Diese Aufgabe wird bei einem Turhinenlaufrad der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass ein zweiter, durch radiale Stege am ersten abgestützter Radkranz den ersten koaxial umgibt, dass das derart ausgebildete Laufrad aus einem Keramikwerkstoff besteht und eine den äusscrcn Radkranz in Umfangrichtung umgebende, aus einem faserArerstärkten Verbundwerkstoff bestehende, auf den äusseren Madkranz aufgeschrumpfte Bandage aufweist und dass sich die Laufschaufeln zumindest teilweise in an sich bekannter Weise im Bereich einer iieissgasstrümung, der ciussere Radkranz und damit die Bandage dagegen im Bereich einer Strömung eines kühlenden Mediums befinden.
• Es ist dabei günstig, wenn die Stege zwischen erstem und zweitem Radkranz als Laufschaufeln ausgebildet sind, durch welche die Strömung des kühlenden mediums umlenkbar ist. Speziell können die Schaufeln als Verdichterlaufschaufeln ausgebildet sein.
• Das Laufrad kann im Bereich der Stege, des äusseren Radkranzes und der Bandage von einer kühlenden Luftströmung angeströmt sein, die vorzugsweise durch den an sich bekannten Verdichterluftstrom gebildet ist.
• Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der erste, innere Radkranz zur Aufnahme und zum Abbau von Wärmespannungen eine Zwischenlage aus poröser Keramik auf. Zum Abbau von Wärmespannungen kann das erfindungsgemässe Laufrad vorzugsweise aus einer Vielzahl von aneinanderliegenden, im wesentlichen seymentförmigen Einzelteilen aufgebaut sein. Diese Einzelteile können mit der Scheibe löslich und einstückig verbunden sein.
• Es wird ferner vorgeschlagen, dass das Laufrad im Bereich der Scheibe aus heissgepresster oder reaktionsgesinterter Keramik, im peripheren Bereich dagegen aus Glaskeramik besteht.
• Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausfiihrungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit er Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen: Fig. 1 eine fragmentarische, sch'rnatisierte Seitenansicht eines erfindungsgemassen Laufrades; Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Figur 1 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Figur 1 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 4 eine schema-tische Ansicht des-l.aufrades der Figur 1 in einer senkrecht zur Turbinenwelle verlaufenden Richtung.
• Ein erfindungsgemässes Laufrad weist eine Scheibe 1 für die Lagerung des Laufrades und gegebenenfalls für den Abtrieb auf, die auf einer Turbinenwelle 2 gelagert ist. Die Scheibe 1 trägt an ihrem Aussenumfang radial nach aussen abstehende, als Turbinenlaufschaufeln ausgebildete Stege 4, die in an sich bekannter Weise derart geformt sind, dass das Laufrad beim Anströmen der Turbinenlaufschaufeln durch heisse, in Richtung der Turbinenwelle strömende Gase in eine DrehbeTgung versetzt wird. In den Figuren 1 bis 4 sind die Turbinenlaufschaufeln schematisch als einfache Stege 4 dargestellt, man muss sich also jeden Steg 4 als Turbinenlaufsehaufel der iiblichen Form ausgebildet denken.
• Die Turbinenlaufschaufeln können in an sich bekannter Weise einstückiy mit der Scheibe 1 verbunden oder mit Hilfe eines besonders geformten Fusses in eine passende Ausnehmung der Scheibe 1 eingeschoben sein.
• Die freien Enden der Turbinenlaufschaufeln sind mit einem die Scheibe 1 koaxial umgebenden Radkranz 5 verbunden, der seinerseits auf seiner Aussenseite radial nach aussen abstehende Stege 7 aufweist, die an ihren freien Enden mit einem weiteren, die Scheibe 1 und den ersten Radkranz 5 koaxial umgebenden zweiten Radkranz 6 verbunden sind. Die Stege 7 können - wie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt - als einfache Abstandshalter zwischen dem ersten Radkranz 5 und dern zweiten Radkranz 6 ausgebildet sein, sie können aber auch in tihnlicher Weise wie die Turbinenlaufschaufeln eine Schaufelforra aufrzeisen, deren Funktion weiter unten noch erläutert wird.
• Das aus der Scheibe 1, den die Turbinenlaufschaufeln bildenden Stegen 4, dem ersten Radkranz 5, den Stegen 7 und dem zweiten Radkranz 6 bestehende Laufrad ist qe'aNss der Erfindung aus einem keramischen Werkstoff aufgebaut, der z.B. aus Siliziumnitrid, Sialon (Verbindung von Silizium, Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff), Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid besteht.
• Dieser Werkstoff ist extrem temperaturbeständig, ist aber nur in begrenztem tasse auf Zug belastbar. Dafiir ist seine Druckbelastbarkeit sehr hoch. Diese Eigenschaft wird erfindungsgemass dazu ausgenutzt, den Keramikarerkstoff trotz seiner geringen Zugbelastbarkeit für hochtourig umlaufende Turhinenlaufräder zu verwenden.
• Auf den äusseren Radkranz 6 ist aus diesem Grunde eine in Umfangrichtung umlaufende Bandage 8 aufgeschrumpft, die das Laufrad in radialer Richtung zusammendrücl:t. Die Bandage 8 besteht in an sich bekannter Weise aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, z.I,. aus einer Einlage von Yarbonfasern oder Borfasern in einer Polyimidmatrix, von Borfasern in einer Aluminiummatrix oder von Karbonfasern in einer harbonmatrix. Durch das Aufschrumpfen dieser in sich geschlossenen Bandage wird das Laufrad einer Druckbelastung unterworfen, die vorzugsweise so gross gewählt ist, dass sich die von der Bandage hervorgerufene Druckbelastung und die von den Fliehkräften herrührende Zuybelastung bei der Nenndrehzahl der Turbine, z.B. hei 60 000 Umdrehungen pro Minute, etwa die Waage halten. Dadurch wird erreicht, dass bei normalem Betrieb im Laufrad keine grossen Spannungen auf treten.
• Im Gegensatz zu dem ]eramischen Werkstoff des Laufrades ist die Bandage wesentlich weniger temperaturbeständig und wird daher gemäss der Erfindung durch ein kühlendes Medium angeströmt und gekühlt. Das erfindungsgemässe Laufrad wird also von zwei getrennten Strömungen beaufschlagt, ntimlich im Bereich der als Laufschaufeln ausgebildeten Stege 4 durch die von der Brennkammer ausströmenden Ileissgase und ausserhalb des ersten Ringkranzes 5 im Bereich der Stege 7, des susseren Radkranzes 6 und der Bandage 8 durch den Strom eines kühlenden Mediums, z.B.
• kühler Luft. In Figur 4 ist dies schematisch dargestellt. Eine Ausströmdüse 9 leitet die Eieissgase gegen die Laufschaufeln und strömt nach der Entspannung durch ein ohr 11 weiter, im allgemeinen in an sich bekannter Weise zu einem Wärmeaustauscher.
• Im peripheren Bereich des Laufrades endet ein Jahr 12, aus dem ein kühlender Luftstrom gegen das Laufrad geblasen wird. Die Luft wird anschliessend durch ein Rohrstück 13 weitergeleitet.
• Die Dse 9 sowic die Ttohre 11, 12 und 13 sind in Figur 4 nur schematisch dargestellt, tatsüchlich werden z.B. die Düse 9 und das Rohr 11 für die lIeissgase in an sich bekannter Weise ausgebildet und der Form der Turbinenlauf schaufeln angepasst.
• Auch die Rohre 12 und 13 können eine andere Form habe, z.B.
• kann das Turbinenlaufrad im äusseren Bereich von einem von dem kühlenden iledium durchströmten Gehäuse überfangen sein.
• Es ist vorteilhaft, wenn die Stege 7 zwischen dem inneren und dem äusseren adkranz ebenfalls als Schaufeln ausgebildet sind, durch welche der kühlende Luftstrom umgelenkt wird. Je nach Formgebung der Schaufeln und nach Strömungsrichtung des kühlenden Mediums (die durch die Pfeile A angegebene Strömungsrichtung kann in anderen Ausführungsformen auch umgekehrt werden) wird der Luftstrom beim Durchtreten durch das Laufrad verdichtet oder entspannt. Ausserdem wird durch die Umlenkung ein besonders guter Kontakt des kühlenden Mediums mit dem Laufrad und damit eine wirkungsvolle Kühlung gewährleistet.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der kühlende Strom durch die Luft in der Verdichterleitung der Gasturbine gebildet. Dadurch wird eine zustzliche rrmung des verdichteten, der Brennkammer zuzuführenden Gases erreicht. Es es ist aber auch möglich, das Laufrad durch eine nur für diesen Zweck bestimmte Strömung zu kühlen, die in an sich bekannter Weise durch eine eigene Pumpe oder Turhine erzeuyt wird. Statt Luft können selbstverständlich auch andere Gase oder Flüssigkeiten zur kühlung der Turhine Verwen(lung finden.
• Wesentlich für die Erfindung ist unter anderem, dass der den lieissgasen ausgesetzte Bereich des Laufrades und die Bandage räumlich getrennt sind, so dass die Bandage durch die Kühlung auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden kann (z.B. einige 1000C), rend die Turbinenschaufeln den hohen Temperaturen des iieissgases ausgesetzt sind, die dank der Verwendung des keramischen Werkstoffes höher sein können, als bei bekannten Gasturbinen.
• In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Sie gleicht der Ausführungsform der Figur 1 weitgehend, entsprechende Teile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist der innere Radkranz im Laufrad der Figur 2 in Umfangsrichtung unterteilt und weist eine Zwischenschicht 14 auf, die aus einem anderen keramischen "lateral wie das übrige Laufrad besteht, z.B. aus poröser Keramik. Diese Zwischenschicht dient der Aufnahme bzw. dem Abbau von im Laufrad entstehenden Warmespannungen.
• Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Figur 3), das ebenfalls ähnlich aufgebaut ist wie das Laufrad der Figur 1 (gleiche Teile tragen die gleichen Bezugszeichen) ist das Laufrad aus einer Vielzahl von aneinanderliegenden, im wesentlichen segmentförmigen Einzelteilen 15 aufgebaut, die unter der Wirkung der Bandage 8 radial nach innen gepresst werden. Auch durch diesen Aufbau des Laufrades können innerhalb des Laufrades auftretende Wärmespannungen abgebaut werden. Die segmentförmigen Einzelteile 15 können dabei mit der Scheibe 1 einstückig oder lösbar verbunden sein.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Laufrad im Bereich der Scheibe und der Laufschaufeln aus heissgepresster oder reaktionsgesinterter Keramik, insbesondere aus Siliziumnitrid, im Bereich der Stege 7 und des äusseren Radkranzes 6 dagegen aus Glaskeramik.
• Das Laufrad kann über die Scheibe 1 fest mit der Welle verbunden sein, die dann als Abtrieb dient. Es ist aber auch möglich, den Abtrieb am Umfang des Laufrades, z.B. elektromagnetisch, vorzunehmen. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise zwischen äusserem Radkranz 6 und Bandage 8 eine Zwischenlage aus einem magnetischen Werkstoff vorgesehen, die durch Induktion in der Art eines Generators einen elektrischen Strom in einer ortsfesten Leiteranordnung erzeugt. Es ist dabei vorteilhaft, dass der magnetische Werkstoff in dem durch das strömende Medium gekühlten Bereich des Laufrades angeordnet ist, so dass seine magnetischen Eigenschaften durch die Heissgase nicht beeinträchtigt werden.

Claims (10)

Patentansprüche

1. ) Scheibenförmiges Laufrad für eine hochtourige Axialturbine mit einer Scheibe, einem diese koaxial umgebenden Radkranz und zwischen Scheibe und Radkranz angeordneten Laufschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter, durch radiale Stege (7) am ersten abgestützter Radkranz (6) den ersten koaxial umgibt, dass das derart ausgebildete Laufrad aus einem Keramikwerkstoff besteht und eine den äusseren Radkranz (6) in Umfangrichtung umgebende, aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff bestehende, auf den äusseren Radkranz (6) aufgeschrumpfte Bandage (8) aufweist und dass sich die Laufschaufeln zumindest teilweise in an sich bekannter Weise im Bereich einer lleissgasströmung, der äussere Radkranz (6) und damit die Bandage (8) dagegen im Bereich einer Strömung eines kühlenden Mediums befinden.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (7) zwischen erstem und zweitem Radkranz (5 bzw. 6) als Laufschaufeln ausgebildet sind, durch welche die Strömung des kühlenden Mediums umlenkbar ist.

3. Laufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln zwischen erstem und zweitem Radkranz (5 bzw. 6) als Verdichterlaufschaufeln ausgebildet sind.

4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad im Bereich der Stege (7), des äusseren Radkranzes (6) und der Bandage (8) von einer kühlenden Luftströmung angeströmt ist.

5. Laufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kühlende Luftströmung durch den an sich bekannten Verdichterluftstrom der Turbine gebildet ist.

6. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, innere Radkranz (5) eine Zwischenlage (14) aus poröser Keramik zur Aufnahme und zum Abbau von Wärmespannungen aufweist.

7. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Abbau von Wärmespannungen aus einer Vielzahl von aneinanderliegenden, im wesentlichen segmentförmigen Einzelteilen (15) aufgebaut ist.

8. Laufrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelteile (15) mit der Scheibe (1) löslich oder einstückig verbunden sind.

9. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Bereich der Scheibe (1) aus heissgepresster oder reaktionsgesinterter Keramik, im peripheren Bereich dagegen aus Glaskeramik besteht.

10. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Bandage (8) und äusserem Radkranz (6) eine Zwischenschicht aus einem magnetischen Werkstoff vorgesehen ist, über die in der Art eines Generators der Kraftabtrieb elektromagnetisch erfolgt.