DE2613983A1

DE2613983A1 - Motor vehicle gas turbine - has power and compressor rotors on coaxial shafts and all ceramic first stage and bladed second

Info

Publication number: DE2613983A1
Application number: DE19762613983
Authority: DE
Inventors: Paul Ing Grad Rottenkolber; Peter Dr Ing Walzer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1976-04-01
Filing date: 1976-04-01
Publication date: 1977-10-20

Abstract

The gas turbine, particularly intended for a motor vehicle, comprises a compressor (5), a combustion chamber (2), an axial flow turbine (3) driving the compressor, and a separate axial flow turbine (6) producing the power output. The shafts (4, 7) of the two turbines are concentric relative to one another. The combustion chamber is coaxially arranged upstream of the turbine rotor and the combustion gases emerging from it enter the blades of the first stage which is connected with the inner shaft (4), the second stage being connected with the outer shaft (7). The first stage turbine rotor is entirely in a ceramic material, whilst the second stage consists of a metal disc (22) with central bore and axial grooves at its periphery containing individual blades (20) in a ceramic material.

Description

-Gas turb inenanlage -Gas turbine system

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage, insbesondere für KLaffahrzeu0, mi einem Verdichter, einer Breruiksmmer, einer den Verdichter antreibenden Axialturbine (Gaserzeugerturbine) und einer davon getrennten, Nutzleistung abgebenden Axialturbine (Nutzleistungsturbine).The invention relates to a gas turbine plant, in particular for KLaffahrzeu0, with one compressor, one Breruiksmmer, one the compressor driving axial turbine (gas generator turbine) and a separate useful power delivering axial turbine (power turbine).

Der Wirkungsgrad und die spezifische Leistung einer Gasturbinenanlage hängen entscheidend von der Temperatur der die Brennkammer verlassenden und die Turbinenstufen beaufschlagenden Verbrennungsgase ab. Eine Möglichkeit, die Gastemperatur gegenüber herkömmlichen Ausführungen zu steigern, besteht in der Verwendung von keramischen Werkstoffen wie Siliziumnitrid (Si3 N4) oder Siliziumkarbid (SiC) für die gasführenden Teile. Solche Teile sind die 3rennkammer, die Gaszuführung, der Leitapparat und das Turbinenlaufrad der ersten Turbinenstufe, so wie der Zwischendiffusor mit dem Leitapparat und das Turbinenlaufrad für die zweite Turbinenstufe und schließlich der Austrittsdiffusor. Die Gestaltung einer derartigen Gasturbinenanlage sollte nun so erfolgen, daß die keramischen Bauteile werkstoffgerecht, das heißt nach Möglichkeit klein und rotationssymmebrisch ausgeführt werden. Dabei ist auf eine gute aerodynamische Gestaltung der trömungs-fege zu achten.The efficiency and the specific power of a gas turbine system depend crucially on the temperature of the combustion chamber leaving and the Turbine stages acting on the combustion gases. One way the gas temperature to increase compared to conventional designs consists in the use of ceramic materials such as silicon nitride (Si3 N4) or silicon carbide (SiC) for the gas-carrying parts. Such parts are the 3rennkammer, the gas supply, the Diffuser and the turbine impeller of the first turbine stage, as well as the intermediate diffuser with the diffuser and the turbine runner for the second turbine stage and finally the exit diffuser. The design of such a gas turbine system should now be done like this, that the ceramic components are suitable for the material, that is, if possible, be made small and rotationally symmetrical. Included Pay attention to a good aerodynamic design of the flow sweeps.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher in der Schaffung einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Bauart, bei der diesen Anforderungen Rechnung getragen wird und so durch die mögliche Verwendung keramischer Bauteile eine hohe Arbeitstemperatur mit gün.-stigem Wirkungsgrad und guter spezifischer Leistung erreicht werden kann.The object on which the invention is based therefore consists in creating a gas turbine plant of the type mentioned at the beginning, in which these requirements This is taken into account and so through the possible use of ceramic components a high working temperature with favorable efficiency and good specificity Performance can be achieved.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung darin zu sehen, daß die mit der Gaserzeugerturbine verbundene Turbinenwelle und die mit der Nutzleistungsturbine verbundene Turbinenwelle konzentrisch ineinanderliegend angeordnet sind, daß die aus der koaxial vor den Turbinenrädern angeordneten BrennEammer austretenden Verbrennungsgase in einer ersten Stufe die Schaufeln der mit der inneren Turbinenwelle verbundenen Turbine und in einer zweiten Stufe die Schaufeln der mit der äußeren Turbinenwelle verbundenen Turbine beaufschlagen, daß das Turbinenrad der mit der inneren Turbinenwelle verbundenen Turbine ganz aus keramischen Werkstoffen besteht, und daß das Turbinenrad der mit der:äußeren Turbinenwelle verbundenen Turbine eine mit einer Bohrung versehene Scheibe aus metallischen Werkstoffen mit am Umfang angeordneten axialen Buten zur Aufnahme einzelner, aus keramischen Werkstoffen bestehender Turbinenschaufeln aufweist. Durch diese von der Erfindung vorgeschlagene Kombination einzelner, für sich gegebenenfalls bekannter Merkmale wird ein Aufbau einer Gasturbinenanlage vorgeschlagen, der einerseits eine strömungstechnisch günstige, optimale Gasführung bietet und der darüberhinaus die besten Voraussetzungen für eine Ausführung der gasführenden Bauteile aus keramischen Werkstoffen ermöglicht. So besitzen die keramischen Bauteile einschließlich der Brennkammer eine gemeinsame Achse. Durch die konzentrische Übereinanderanordnung der beiden Turbinenwellen kann die Brennkammer als kompakte, koaxiale Baueinheit unmittelbar vor den Turbinenrädern mit rotations symmetrischen Gaszuführungen zu den Turbinenstufen ausgebildet sein.The solution to this problem is to be seen according to the invention in that the turbine shaft connected to the gas generator turbine and that to the power turbine connected turbine shaft are arranged concentrically one inside the other that the Combustion gases emerging from the combustion chamber arranged coaxially in front of the turbine wheels in a first stage the blades connected to the inner turbine shaft Turbine and, in a second stage, the blades with the outer turbine shaft connected turbine act that the turbine wheel with the inner turbine shaft connected turbine consists entirely of ceramic materials, and that the turbine wheel the turbine connected to the: outer turbine shaft is provided with a bore Disc made of metallic materials with axial butes arranged on the circumference for Has inclusion of individual turbine blades made of ceramic materials. By this combination proposed by the invention of individual, possibly for themselves known features, a structure of a gas turbine system is proposed, on the one hand a fluidically favorable, optimal gas flow offers and beyond that the best conditions for the gas-carrying components to be made of ceramic Materials. So have the ceramic components including the Combustion chamber share a common axis. Due to the concentric arrangement on top of each other of the two turbine shafts, the combustion chamber can be a compact, coaxial unit immediately in front of the turbine wheels with rotationally symmetrical gas supplies the turbine stages be formed.

Bei Gasturbinenanlagen mit Leistungen,wie sie für Kraftfahrzeuge angebracht sind, ergeben sich kleine Abmessungen für den Kranzdurchmesser der Turbinenräder. Da jedoch für die innere Durbinenwelle eine genügend große Bohrung in der diese umschließenden Turbinenscheibe vorgesehen werden muß, wird das Verhältnis von Bohrung zu Kranzdurchmesser an der mit der äußeren Turbinenwelle verbundenen Turbinenscheibe relativ groß. Dies beeinflußt die Festigkeit der scheibe nachteilig, wenn sie aus keramischen Werkstoffen hergestellt werden soll. Deshalb ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das Turbinenrad der mit der äußeren Turbinenwelle verbundenen Turbine aus einer mit einer Bohrung versehenen metallischen Scheibe besteht, die am Umfang angeordnete axiale Nuten zur Aufnahme einzelner, aus keramischen Werkstoffen bestehender Turbinenschaufeln aufweist.In the case of gas turbine systems with services such as those appropriate for motor vehicles there are small dimensions for the rim diameter of the turbine wheels. However, there is a sufficiently large bore in this for the inner turbine shaft enclosing turbine disk must be provided, the ratio of bore to rim diameter on the turbine disk connected to the outer turbine shaft relatively large. This adversely affects the strength of the disc when it is off ceramic materials are to be produced. Therefore, according to the invention provided that the turbine wheel of the turbine connected to the outer turbine shaft consists of a metallic disc provided with a bore, which on the circumference arranged axial grooves for receiving individual ones made of ceramic materials Has turbine blades.

Dem gegenüber ist das Turbinenrad der mit der inneren Turbinenwelle verbundenen Turbine ganz aus keramischen Werkstoffen hergestellt. Dadurch, daß dieses zuletzt genannte Turbinenraddie erste, von den Verbrennungsgasen beaufschlagte Turbinenstufe bildet, herrscht an dem mit der großen Bohrung versehenen Gurbinenrad der mit der äußeren Turbinenwelle verbundenen Turbine bereits eine geringere Arbeitstemperatur. Da außerdem die am äußeren Umfang vorgesehenen keramischen Schaufeln das Turbinenrad gegen die hohe Gastemperatur abschirmen, kann die thermische Beanspruchung des Turbinenrades in erträglichen Grenzen gehalten werden, so daß die Herstellung aus metallischen Werkstoffen möglich wird. Eine zusätzliche Jicherheit kann durch Kühlung des Turbinenrades mittels Sperrluft erreicht werden.In contrast, the turbine wheel is the one with the inner turbine shaft connected turbine made entirely of ceramic materials. Because this the last-mentioned turbine wheel is the first turbine stage acted upon by the combustion gases forms, prevails on the turbine wheel provided with the large bore with the outer turbine shaft connected turbine already has a lower working temperature. In addition, the ceramic blades provided on the outer periphery of the turbine wheel The thermal stress on the turbine wheel can protect against the high gas temperature be kept within tolerable limits, so that the manufacture of metallic Materials becomes possible. An additional safety can be achieved by cooling the turbine wheel can be achieved by means of sealing air.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die innere Turbinenwelle mit der Gaserzeugerturbine und die äußere Turbinenwelle mit der Nutzleistungsturbine verbunden. Dadurch wird erreicht, daß der GaserzerTer, dessen Turbinenrad insgesamt aus keramischen Werkstoffen hergestellt wird, ein niedriges Massenträgheitsmoment besitzt, das ein gutes Ansprechverhalten des Triebwerkes ergibt.In an advantageous embodiment of the invention, the inner Turbine shaft with the gas generator turbine and the outer turbine shaft with the power turbine tied together. This ensures that the GaserzerTer, its turbine wheel as a whole is made of ceramic materials, a low mass moment of inertia possesses, which gives a good response of the engine.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage, die beispielsweise für ein Kraftfahrzeug gedacht ist, zezeizt. das im folgenden näher erläutert wird. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise einen Längsschnitt durch die Anlage.In the drawing is an embodiment of the invention Gas turbine system, which is intended, for example, for a motor vehicle, zezeizt. which is explained in more detail below. The only figure of the drawing shows a schematic representation of a longitudinal section through the system.

Dabei ist mit 1 ein Turbinengehäuse, mit 2 eine darin gehaltene Brennkammer,mit 3 ein über eine Turbinenwelle 4 mit einem Verdichter 5 verbundenes Turbinenrad einer Gaserzeugerturbine und mit 6 ein Turbinenrad einer Nutzleistungsturbine bezeichneu. Das Turbinenrad 6 der Nutzleistungsturbine ist über eine Turbinenwelle 7 und ein mit 8 bezeichnetes Getriebe mit den zu den Rädern des Kraftfahrzeugs führenden Ach abtriebswellen verbunden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, sind die Turbinenwellen 4 und 7 konzentrisch übereinanderliegend angeordnet.Here, with 1 a turbine housing, with 2 a combustion chamber held therein, with 3 a turbine wheel connected to a compressor 5 via a turbine shaft 4 Gas generator turbine and 6 denotes a turbine wheel of a power turbine. The turbine wheel 6 of the power turbine is via a turbine shaft 7 and a with 8 designated gear with the leading to the wheels of the motor vehicle axle output shafts connected. As can be seen from the drawing, the turbine shafts are 4 and 7 arranged concentrically one above the other.

Die Lagerung der Wellen erfolgt dabei so, daß die äußere, mit der Nutzleistungsturbine verbundene Turbinenwelle 7 zwei Lager 9 und 10 aufweist, die an einem Lagerträgergehäuse 11 abgestützt sind, während die innere, mit der Gaserzeugerturbine verbundene Turbinenwelle 4 mittels eines turbinenseitigen Lagers 12 in der äußeren Turbinenwelle 7 und mittels eines verdichterseitigen Lagers 13 in dem Verdichtergehäuse 14 gelagert ist. Mit 15 ist schlieBlich noch ein Zwischenlager bezeichnet, über das die innere Gaserzeugerturbinenwelle 4 an einem rohrförmigen, in die äußere Nutzleistungsturbinenwelle 7 nineinragendenvund des Verdichtergehäuses 14 abgestützt ist. Durch die konzentrisch übereinanderliegende Anordnung de Nutzle stung».urbinenwelle 7 und der Gaserzeugerturbinenwelle 4 wird es möglich, koaxial vor den Turbinenrädern eine Brennkammer 2 mit einer rotationssymmetrischen Gaszufuhrung zu den beiden Turbinenrädern anzuordnen. Mit 16 ist ein ringförmiger Gaszuführungskanal und mit 17 ein der ersten Turbinenstufe zugeordneter Leitapparat bezeichnet, während mit 18 ein hinter der ersten Turbinenstufe 3 angeordneter Zwischendiffusor und mit 19 ein der zweiten Turbinenstufe zugeordneter Leitapparat angedeutet ist. Hinter den Schaufeln 20 der zweiten Turbinenstufe 6 folgt ein Austrittsdiffusor 21, der die aus der zweiten Turbinenstufe austretenden Verbrennungsgase zu einem hier nicht näher dargestellten Rotationswärmetauscher führen.The storage of the waves is done so that the outer, with the Power turbine connected turbine shaft 7 has two bearings 9 and 10, the are supported on a bearing support housing 11, while the inner one, with the gas generator turbine connected turbine shaft 4 by means of a turbine-side bearing 12 in the outer Turbine shaft 7 and by means of a compressor-side bearing 13 in the compressor housing 14 is stored. Finally, an intermediate storage facility is denoted by 15, about that the inner gas generator turbine shaft 4 on a tubular, in the outer power turbine shaft 7 nineinragendenvund of the compressor housing 14 is supported. Through the concentric Superposed arrangement of the utility power ». turbine shaft 7 and the gas generator turbine shaft 4 it is possible to have a combustion chamber 2 with a rotationally symmetrical one coaxially in front of the turbine wheels To arrange gas supply to the two turbine wheels. At 16 is an annular Gas supply duct and, at 17, a diffuser associated with the first turbine stage denotes, while with 18 an arranged behind the first turbine stage 3 intermediate diffuser and 19 indicates a diffuser associated with the second turbine stage. An outlet diffuser follows behind the blades 20 of the second turbine stage 6 21, which converts the combustion gases emerging from the second turbine stage into one Rotary heat exchanger not shown here lead.

Bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage sind nun sowohl die die Brennkammer 2 einschließenden Wände als auch der ringförmige Gaszuführungskanal 15 und der Leitapparat 17 der ersten Turbinenstufe, das Turbinenrad 3 der Gaserzeugerturbine, der Zwischendiffusor 18 und der Leitapparat 19 der zweiten Turbinenstufe, die iiaufschaufel 20 des Nutzleistungsturbinenrades 6 und der Austrittsdiffusor 21 aus keramischen Werkstoffen hergestellt, die eine relativ hohe Arbeitstemperatur ermöglichen. Bekannte keramische Werkstoffe, die sich für diesen Anwendungsfall eignen,sind beispielsweise Siliziumnitrid (Si3 N4) und Siliziumkarbid (SiC). Dadurch können Gastemperaturen von beispielsweise etwa 12500 an den Schaufeln der Gaserzeugerturbine 3 und von ca. 11000 an den Schaufeln der Nutzleistungsturbine 6 verwirklicht werden. Während das Turbinenrad 3 der Gaserzeugerturbine insgesamt aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist, bestehen bei der Nutzleistungsturbine 6 lediglich die Laufsohaufeln 20 aus keramischen Werkstoffen. Dies erfolgt deshalb, weil eine Fertigung des gesamten Nutzleistungsturbinenrades 6 aus keramischen Werkstotfen wegen der relativ großen Bohrung der Durch führung der inneren Gaserzeugerturbinenwelle 4 erheblichen festigkeitstechnischen Schwierigkeiten begegnet. Das Turbinenrad 6 der Nutzleistungsturbine besteht daher aus einer metallischen Scheibe 22, die an ihrem Umfang axiale Nuten zur Aufnahme der einzelnen keramischen vurbinenschaufeln 20 aufweist. Die Verwendung metallischer Werkstoffe für das Nutzleistungsturbinenrad 6 wird dadurch möglich, daß die Gas temperatur im Bereich der zweiten Turbinenstufe ohnehin schon etwas gesunken ist und daß die keramischen Schaufeln die metallische Scheibe gegen die hohen Gastempcraturen wirkungsYoll abschirmen. Zusätzlich kann noch eine Kühlung beider Scheibenseiten dadurch erreicht werden, daß diese von Sperrluft angeblasen werden, die aus beiderseits des Nutzleistungsturbinenrades 6 vorgesehene Labyrinthdichtungen 23 und 24 austreten.In the gas turbine system according to the invention, both the Combustion chamber 2 enclosing walls and the annular gas supply channel 15 and the diffuser 17 of the first turbine stage, the turbine wheel 3 of the gas generator turbine, the intermediate diffuser 18 and the diffuser 19 of the second turbine stage, the iiaaufschaufel 20 of the power turbine wheel 6 and the outlet diffuser 21 made of ceramic materials that have a relatively high working temperature enable. Known ceramic materials that are suitable for this application Suitable are, for example, silicon nitride (Si3 N4) and silicon carbide (SiC). Through this For example, gas temperatures of about 12500 can be found on the blades of the gas generator turbine 3 and about 11,000 on the blades of the power turbine 6 can be realized. While the turbine wheel 3 of the gas generator turbine is made entirely of a ceramic Material is made, exist in the power turbine 6 only Laufsohaufeln 20 made of ceramic materials. This is because a manufacturing of the entire power turbine wheel 6 made of ceramic Werkstotfen because of relatively large bore of the implementation of the inner gas generator turbine shaft 4 encountered considerable strength-related difficulties. The turbine wheel 6 of the Power turbine therefore consists of a metallic disc 22, which is attached to her Circumferential axial grooves for receiving the individual ceramic turbine blades 20 having. The use of metallic materials for the power turbine wheel 6 is possible because the gas temperature in the area of the second turbine stage It has already sunk a bit anyway and that the ceramic blades are the metallic ones Shield the pane effectively against the high gas temperatures. Additionally can cooling of both sides of the pane can still be achieved by blocking air from them are blown from both sides of the power turbine wheel 6 provided Labyrinth seals 23 and 24 emerge.

Claims

CLAIMS Gas turbine plant, especially for motor vehicles, with a - compressor, a 3rennkammer, an axial turbine driving the compressor (Gas generator turbine) and a separate axial turbine that emits useful power (Power turbine), characterized in that with the gas generator turbine (3) connected turbine shaft (4) and connected to the power turbine (6) Turbine shaft (7) are arranged concentrically one above the other that the out the 3-tube chamber (2), which is arranged coaxially in front of the turbine wheels, emanating from the combustion gases in a first stage the blades connected to the inner turbine shaft Turbine and, in a second stage, the blades of the turbine shaft connected to the outer shaft Turbine pressurize that the turbine wheel connected to the inner turbine shaft Turbine consists entirely of ceramic materials, and that the turbine wheel of the with the outer turbine shaft connected a turbine provided with a bore Disc (22) made of metallic materials with axial grooves arranged on the circumference for holding individual turbine blades made of ceramic materials (20).

2. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that at least the turbine wheel of the turbine connected to the outer turbine shaft (7) (6) by air flow from the turbine wheel adjacent labyrinth seals (23, 24) can be cooled.

3. Gas turbine plant according to claim 1 or 2, characterized in that that the inner turbine shaft (4) with the gas generator turbine and the outer turbine shaft (7) is connected to the power turbine.