DE2554353A1 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GM3H

München, den 24. November 1975

Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer ein Turbinenrad aus Keramik tragenden Rotorwelle.

In der Bestrebung bei Gasturbinen den Kraftstoffverbrauch zu optimieren, hat sich die Technologie dahingehend entwickelt, Gasturbinen-Triebwerke mit hohen Kreisprozess-Teme ratureri und möglichst vollständigem Wärmetausch unter Ausnutzung des Temperaturgefälles zwischen Abgas der Turbine und Austrittsluft des Verdichters herzustellen.

Um hierbei eine die bisher bei ca. ljoo K liegenden Turbinen-Eintrittstemperaturen übersteigende Temperatur beherrschen zu können, ist man auf Turbinenräder aus Keramik ausgewichen.

Der Einsatz von Keramik-Turbinenrädern ist jedoch mit fertigungstechnischen Schwierigkeiten verbunden, die in der Hauptsache darin liegen, daß aufgrund der großen Wärmeausdehnungsunter-

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schiede zwischen Metall und Keramik nur unbefriedigende Verbindungen zwischen dem Turbinenrad und der Welle hergestellt werden können. Eine formschlüssige Verbindung läßt sich darüber hinaus wegen der schlechten Bearbeitbarkeit des keramischen Werkstoffes kaum herstellen. Sie wäre außerdem aufgrund der spröden Eigenschaft dieses Werkstoffes, wodurch das Turbinenrad beim Auftreten von Spannungsspitzen sofort zu Bruch gehen kann, zu unsicher.

Eine stoffschlüssige Verbindung bietet infolge der nur bedingt möglichen, außerdem durch hohe Temperaturen stark beeinträchtigten Lötverbindungen zwischen derartigen Werkstoffen ebenfalls keine zuverlässige Verbindungsmethode.

Mechanische Verbindungen sind insofern nachteilig, als das Turbinenrad zur Anbringung der Befestigungsmittel im allgemeinen geschwächt wird, wie es z.B. der Pail ist, wenn das Rad für * derartige Zwecke durchbohrt werden muß, zumal hierdurch dem rotierenden Körper unzulässige Spannungsspitzen auferlegt werden können.

Angestrebte hohe Prozeßtemperaturen werfen ferner Probleme in der Schmierung bzw. Kühlung der Lager des Rotors auf. Insbesondere wird die Schmierstoffbelastung des Lagers am Turbinenrad zu groß, da sich durch die beengten Bauverhältnisse am Turbinenrad mit kleinen Durchmessern keine ausreichende Isolierung und Kühlung durchführen läßt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gasturbinentrieb werk der eingangs genannten Art einen sicheren, den hohen Gastemperaturen Rechnung tragenden Aufbau sowie Lagerung des Turbinenrotors zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Turbinenrad mit einem sich bis in eine kühlere Zone des Triebwerks erstreckenden Wellenteil aus Keramik integriert ist.

Dadurch erfolgt eine Verlagerung der Verbindungsstelle bzw. Verbindungsstellen, bei sich beiderseits des Turbinenrads fortsetzenden Rotorwelle, in Zonen niedrigerer Temperaturen, die eine sichere Verbindung der beiden Wellenteile mittels konventioneller Methoden ermöglicht, wobei gleichzeitig Spannungsspitzen aufwerfende Bohrungen im Turbinenrad vermieden werden. Darüber hinaus entfällt in der Nähe des Turbinenrads eine sorgfältige Kühlung der Welle, wie es bei einer durchgehenden Stahlrotorwelle notwendig wäre.

Die Möglichkeit auf eine starke Kühlung im Zentrum des Turbinenrads verzichten zu können, verbindet die erfindungsgemäße Anordnung mit weiteren Vorteilen, die sich durch eine Verminderung des radialen Temperaturgradienten und somit der Wärmespannungen im Turbinenrad auszeichnen. Es kann dabei sogar eine zusätzliche Zuführung von Heißgasen zur Turbinenradmitte beabsichtigt werden, um einen durch konstruktive Bedingungen entstehenden Temperaturgradienten entgegen zu wirken, wodurch die Übergangsstelle

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von dem Rad zur Keramikvielle ebenfalls von Wärme spannungen entlastet wird.

Durch die geringe Wärmedehnung eines keramischen Werkstoffes, können Wellenlager bevorzugt auf der Keramikwelle angeordnet sein, wobei erfindungsgemäß vorteilhaft ein Luftlager vorgesehen sein kann. Hierdurch.läßt sich das Problem der Schmierstoffbelastung nahezu beseitigen.

Für den Einsatz eines Luft-Axiallagers am Keramikbauteil sieht die Erfindung einen mit der Keramikwelle integrierten radial sich erstreckenden Ansatz aus Keramik vor. Ein derart ausgebildeter Keramikwellenteil bietet sich somit der Anwendung eines als Baueinheit zusammengefaßten Axial-Radial-Luftlagers an, wobei gleichzeitig eine gegenüber eines ölgeschmierten Lagers weitaus, geringere Schmierstoffbelastung in der heißen Turbinenzone gewährleistet ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung im Schnitt schematisch dargestellt.

Eine Rotorwelle 10 bestehend aus einem Stahlwellenteil 11 und einem Wellenteil aus Keramik 12 trägt einen Verdichter IJ und ein Turbinenrad 14. Das Turbinenrad 14 ist aus keramischem Werkstoff und ist mit dem Wellenteil 12 und einen mit der We? Ie verbundenen ringscheibenförmigen Ansatz 15 integriert. An einer von dem Turbinenrad 14 entfernten, kühleren Zone 17 des Trieb-

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Werkes befindet sich die Verbindungsstelle zwischen den Metall- und Keramik-Wellen. Die Verbindung kann durch Löten mit geeigneten Zusatzvierkst offen, entweder in stirnseitigen Umfangsnuten oder durch eine andere sinnvolle form- oder stoffschlüssige Verbindung ggf. unter Zuhilfenahme eines Stützringes 18 erfolgen.

Der Rotor ist am turbinenseitigen Ende mittels eines an die Keramikvjelle 12 und dem Ansatz 15 angreifenden Luftlagers 20, 21 sowohl radial als auch axial gelagert.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Gasturbinentriebwerk mit einer ein Turbinenrad aus keramischem Werkstoff tragenden Rotorwelle, dadurch gekennzeichnet, da3 das Turbinenrad (14) mindestens einseitig mit einem, sich bis in eine kühlere Zone des Triebwerkes erstreckenden Wellenteil (12) aus Keramik integriert/ist.

   2. Triebwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in

   an sich bekannte Stahlrotorwelle (11), die turbinenseitig mit dem Wellenteil (12) aus Keramik verbunden ist.

   5. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da3 der Wellenteil (12) aus Keramik zumindest an einer Seite des Turbinenrads (l4) mindestens die Länge eines hieran angreifenden Lagers hat.

   4. Triebwerk nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (1O) am Wellenteil (12) aus Keramik mittels eines Luftlagers (20) gelagert ist.

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   5. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenteil (12) aus Keramik einen radialen Ansatz (15) aus Keramik für ein Axial-Lager (21) aufv.-eist.

   6. Triebwerk nach Anspruch 5* gekennzeichnet durch ein Axial-Luftlager (21).

   7. Triebwerk nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, da3 das Radial- und das Axial-Luftlager in einer Einheit zusammensrefaSt sind.

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