DE2507512B2 - Scheibenfoermiges aufrad fuer eine hochtourige axialgasturbine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein scheibenförmiges Laufrad für eine hochtourige, von einem Heißgas angetriebene Axialgasturbine mit einer Radscheibe, einem diese koaxial im radialen Abstand umgebenden Radkranz und zwischen Radscheibe und Radkranz angeordneten inneren Laufschaufelkranz, sowie mit einem weiteren radial außenliegenden koaxialen äußeren Laufschaufelkranz auf dem Radkranz, gegen den ein Mediumstrom geringerer Temperatur als die des Heißgases gerichtet ist.

Ein derartiges Laufrad ist aus der DT-OS 15 26 813 bekannt.

Der Wirkungsgrad einer Heißgasturbinc steigt mit zunehmender Temperatur des Arbeitsmittels. Man ist daher bestrebt, das Arbeitsmittel 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. Die Laufschaufeln müssen einerseits gegenüber hohen Temperaturen beständig sein, und andererseits die hohen Fliehkräfte aufnehmen können.

Zur Erhöhung der Arbeitstemperatur von Gasturbinen hat man bereits sprödbrflchige, hochtemperaturbeständige Werkstoffe, wie z. B. Keramik, im Turbinenbau eingesetzt (DT-OS 23 53 551). Diesel Werkstoff weist jedoch eine relativ niedrige Zugfestigkeit auf, die weit unter der Druckfestigkeit liegt Im Hinblick darauf, daß die - durch die hohen Drehzahlen des Laufrades hervorgerufenen — Fliehkräfte den Werkstoff vornehmlich auf Zug belasten, ergibt sich daraus, daß Keramik als Werkstoff für hochtourig umlaufende Laufräder schlecht ausnutzbar ist

Es ist zur Behebung dieses Nachteiles bereits der Vorschlag gemacht worden, Turbinenlaufräder aus Keramik mit einer Bandage aus Keramik- oder Graphitfasern zu umgeben (FR-PS 22 04 216). Dadurch werden die Fliehkräfte der Laufschaufeln aufgenommen. Bei der Verwendung derartiger Bandagen ergibt sich aber der Nachteil, daß sie nur bis zu weit unter den Heißgastemperaturen liegenden Temperaturen hitzebeständig sind. Die Heißgastemperatur muß daher beim Betrieb derartiger Turbinen in erheblichem, wirtschaftlich untragbarem Maße herabgesetzt werden.

Eb ist Aufgabe der Erfindung, ein Turbinenlaufrad für hochtourige Axial-Gasturbinen zu schaffen, das einerseits auch bei erhöhten Heißgastemperaturen beständig ist und das andererseits die bei hoher Drehzahl auftr?tenden Fliehkräfte sicher aufnehmen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Turbinenlaufrad der eingangs erwähnten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Laufrad in an sich bekannter Weise aus Keramikwerkstoff besteht und daß auf seinem Außenumfang eine die Laufschaufeln des inneren und des äußeren Laufschaufelkranzes bei ruhendem Laufrad unter Druckbelastung setzende, aus einem faserverstärktem Verbundwerkstoff bestehende Bandage aufgeschrumpft ist, die ebenfalls im Bereich des Mediumstromes geringerer Temperatur liegt.

Durch die aufgeschrumpfte Bandage aus einem faserverstärkten Verbundstoff steht das Laufrad im Ruhezustand unter Druckvorspannung. Dies bewirkt eine weitgehende Entlastung der keramischen Laufschaufeln von Zugbelastungen während des Betriebes.

Durch das Anströmen der Bandage mit einem kühleren Medium wird die Temperatur der Bandage geringer gehalten als die Temperatur der Laufradbereiche, die dem Heißgasstrom ausgesetzt sind. Es ist daher möglich, die Turbine mit Heißgasen einer Temperatur zu betreiben, welcher die Bandage nicht mehr standhalten würde, falls sie im Bereich der Heißgase angeordnet wäre.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der 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 segmentförmigen Einzelteilen aufgebaut sein. Diese Einzelteile können mit der Radscheibe löslich und einstückig verbunden sein. Es wird ferner vorgeschlagen, daß das Laufrad im Bereich der Scheibe aus heißgepreßter oder reaktionsgesinterter Keramik, im umgebenden Bereich dagegen aus Glaskeramik besteht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematisierte Seitenansicht eines Laufrades,

F i g. 2 eine Ansicht ähnlich F i g. 1 einer weiteren

Ausführungsform,

Fig.3 eine Ansicht ähnlich Fig.1 einer weiteren Ausführungsform und

F i g. 4 einen Axialschnitt eines Laufrades.

Das Laufrad weist eine Radscheibe 1 auf, die auf einer s Turbinenwelle 2 befestigt ist Die Radscheibe 1 trägt an ihrem Außenumfang einen inneren Laufschaufelkranz, der durch heiße, in Richtung tier Turbinenwelle strömende Gase in eine Drehbewegung versetzt wird.

Die Spitzen der Turbinenlaufschaufeln sind mit einem die Radscheibe 1 koaxial umgebenden Radkranz S verbunden, der auf seiner Außenseite einen äußeren Laufschaufelkranz 7 trägt, der an seinem Außenumfang mit einem zweiten Radkranz 6 verbunden ist

Das Laufrad ist aus einem keramischen Werkstoff aufgebaut, der z.B. aus Siliziumnitrid, sowie aus Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid besteht Diese Werkstoffe sind extrem temperaturbeständig, jedoch nur in begrenztem Maße auf Zug belastbar. Dafür ist die Druckbelastbarkeit sehr hoch.

Auf den äußeren Radkranz 6 ist eine in Umfangrichtung umlaufende Bandage 8 aufgeschrumpft, die das Laufrad in radialer Richtung zusammendrückt Die Bandage 8 besteht in an sich bekannter Weise aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, z. B. aus einer Einlage von Karbonfasern oder Borfasern in einer Polyimidmatrix, von Borfasern in einer Aluminiummatrix oder von Karbonfasern in einer Karbonmatrix. Durch das Aufschrumpfen dieser in sich geschlossenen Bandage wird das Laufrad einer Druckvorspannung unterworfen, die so groß gewählt ist, daß sich bei Betrieb des Laufrades im wesentlichen keine Zugbetastungen für die beiden Laufschaufelkränze ergeben.

Im Gegensatz zu dem keramischen Werkstoff des Laufrades ist die Bandage wesentlich weniger temperaturbeständig und wird daher durch ein kühlendes Medium angeströmt und gekühlt. Das erfindungsgemäße Laufrad wird also von zwei getrennten Strömungen beaufschlagt nämlich im Bereich des inneren Laufschaufelkranzes 4 durch die von der Brennkammer ausströmenden Heißgase und im Bereich des äußeren Laufschaufelkranzes 7 und der Bandage 8 durch den Strom eines kühlenden Mediums, z. B. kühler Luft In F i g. 4 ist dies schematisch dargestellt

!n Fig.2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt Sie gleicht der Ausführungsform der F i g. 1 weitgehend, entsprechende Teile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der F i g. 1 ist der innere Radkranz 5 in Umfangsrichtung unterteilt und weist eine Zwischenschicht 14 auf, die aus einem anderen keramischen Material wie das übrige Laufrad besteht z. B. aus poröser Keramik. Diese Zwischenschicht dient der Aufnahme bzw. dem Abbau von im Laufrad eatstehenden Wärmespannungen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Laufrades (F i g. 3), das ebenfalls ähnlich aufgebaut ist wie das Laufrad der F i g. 1 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.

Das Laufrad kann über die Radscheibe 1 fest mit der Welle verbunden sein, die dann als Antrieb 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 Zwischenschicht aus einem magnetischen Werkstoff vorgesehen, die durch Induktion in der Art eines Generators einen elektrischen Strom in einer ortsfesten Leiteranordnung erzeugt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   J. Scheibenförmiges Laufrad für eine hochtourige,

   einem Heißgas angetriebene Axialgasturbine mit einer Radscheibe, eiaem diese koaxial im radialen Abstand umgebenden Radkranz und zwischen Radscheibe und Radkranz angeordneten inneren Laufschaufelkranz, sowie mit einem weheren radial außenliegenden koaxialen äußeren Laufschaufelkranz auf dem Radkranz, gegen den ein Mediumstrom geringerer Temperatur als die des Heißgases gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad in an sich bekannter Weise aus Keramikwerkstoff besteht und daß auf seinem Außenumfang eine die Laufschaufeln (4, 7) des inneren und des äußeren Laufschaufelkranzes bei ruhendem Laufrad unter Druckbelastung setzende, aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff bestehende Bandage (8) aufgeschrumpft ist, die ebenfalls im Bereich des Mediumstromes geringerer Temperatur liegt.
2. 2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radkranz (5) eine Zwischenlage (14) aus poröser Keramik aufweist.
3. 3. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Vielzahl von aneinanderliegenden, im wesentlichen segmentförmigen Einzelteilen (15) aufgebaut ist
4. 4. Laufrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile (15) mit der Radscheibe (1) löslich oder einstückig verbunden sind.
5. 5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es im Bereich der Radscheibe (1) aus heißgepreßter oder reaktionsgesinterter Keramik, im umgebenden Bereich dagegen aus Glaskeramik besteht.
6. 6. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Bandage (8) und äußerem Radkranz (6) eine Zwischenschicht aus einem magnetischen Werkstoff vorgesehen ist.