DE2714209C3 - Turbinenläufer für Gasturbinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft Turbinenläufer für Gasturbinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei derartigen, aus der US-PS 39 43 703 bekannten _M Turbinenläufe-n umfaßt die Kegelstumpfverbindung einzelne elastisch verformbare Haltefinger, welche an die das Laufrad zentrierender. Wellenteile angeformt sind und deren mic dem uaufrad zusammenarbeitende Oberflächen gemeinsam eine Ke^elfläche ergeben. Der die Kegelstumpfverbindung bildende Teil des Laufrades hat dabei einen starren Abschnitt, während lediglich der Abschnitt des Weilenteils elastisch ausgebildet ist.

Bei diesen bekannten Turbinenläufern ist der Reibschluß zwischen Laufrad und Wellenteilen durch die temperaturabhängige Federvorspannung der Haltcfinger begrenzt. Da ein Satz der Haltefinger an die eigentliche Läuferwelle angeformt ist, muß das Material für dieses Bauteil sowohl die für die Läuferwelle gewünschten Eigenschaften als auch die für die Haltefinger angestrebten Eigenschaften aufweisen, und es muß zusätzlich auch noch nach der höchsten zu erwartenden Temperatur ausgewählt werden, wodurch sich eine Verteuerung ergibt.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein <·'η-fach zu fertigender Hochtemperaturläufer geschal en werden, bei dem die Drehmomentübertragung durch Reibschluß zwischen Laufrad und Wellenteilen verbessert ist, ohne daß dies eine aufwendige Bearbeitung des Laufrades mit sich bringt, und bei dem die Werkstoffauswahl dem Temperaturgefälle längs des Läufers angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Turbinenläufer nach dem Oberbegriff des Patentanspruches I erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Stirnflächenverzahnungen zwischen Teilen von Turbinenläufern sind an sich zwar beispielsweise aus der DE-PS 7 35 504 bekannt. Bei solchen Turbinenläufcrn dient die Stirnflächenverzahnung zur Drehmoment· übertragung zwischen einem Keramiklaufrad und dieses haltenden Wellenieilen, welche im übrigen das Kcramiklaufrad über Kcgelstumpfvcrbindungen zentrieren. Da die starren Abschnitte dieser Kegelstumpfverbindungen zwischen dem Laufrad und Wellenteilen aneinander gepreßt werden, ist nicht auszuschließen, daß diese Kegelstumpfverbindungen auch allein das gesamte Drehmoment übertragen, wobei allerdings auch eine Klauenverbindung zwischen Laufrad und den angrenzenden Wellenteilen vorzugsweise vorgesehen ist.

Bei derartigen bekannten Turbinenläufer.i muß ein Teil der Stirnflächenverzahnung durch spanabhebende Bearbeitung auf dem Keramikiaufrad hergestellt werden, was kompliziert und teuer ist. Außerdem müssen die Metallteile des Läufers nach der höchsten Temperatur ausgewählt werden, wodurch sich wiederum eine Verteuerung ergibt.

Die erfindungsgemäßen Turbinenläufer lassen sich dagegen mit einem Mindestmaß an spanabhebender Bearbeitung an den aus Keramikmaterial bestehenden Laufrädern herstellen. Hierdurch wird der Ausschuß bei der Herstellung der Laufräder vermindert, da die spanabhebende Bearbeitung von Keramikmaterial immer die Gefahr eines Bruches in sich birgt. Außerdem können bei falsch bearbeiteten Laufrädern aus Keramikmaterial im Betrieb lokal hohe mechanische Spannungen auftreten, so daß dann das Laufrad im Betrieb bricht, was äußerst unangenehm ist.

Bei den erfindvngsgemäßen Turbincnläufern erfolgt die Drehmomentübertragung von den Laufrädern auf die Wellenteile über eine starre Kegelstumpfverbindung, was einerseits einen sehr guten Reibschluß und andererseits geringe Herstellungskosten ermöglicht. Durch das Aufschrumpfen der Teile der Kegelstumpfverbindung wird auf sehr einfache Weise eine bleibende gute Drehmomentübertragung zwischen Laufrad und Läuferwelle gewährleistet. Da die Läuferwelle außerdem unterteilt ist, kann der Werkstoff für die verschiedenen Läuferwellentcile gemäß dem erwarteten Temperaturgradienten längs der Läuferwelle ausgewählt werden. Die Stirnflächenverzahrung zwischen den die Laufräder zentrierenden Wcllenteilen und dem Rest der Läuferwelle sorgt cinerseiis für eine einwandfreie Drehmomentübertragung zwischen diesen Teilen und läßt sich andererseits auch ohne große Schwierigkeiten herstellen, da nur metallische Teile zu bearbeiten sind. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert In dieser zeigt

Fig. I eine seitliche Ansicht eines Turbinenläufers, wobei die aus Keramikmaterial bestehenden Laufräder im Schnitt gezeigt sind und

Fig.2 einen Schnitt durch die Verbindungsstelle zwischen einem Laufrad, dem benachbarten Wellenteil und der sich anschließenden restlichen Läuferwelle.

Ein in Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichneter Turbinenläufer ha! ein erstes Laufrad 11 sowie ein zweites Laufrad 12, welche jeweils aus Keramikmaterial gefertigt sind. Die Laufräder haben kegelstumpfförmige Abschnitte 13 bzw. 14, die koaxial zur Läuferachse angeordnet sind.

Die Laufräder bestehen aus gesintertem Keramikmaterial, z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid.

Das zweite Laufrad 12 ist über ein Wellenteil 15 mit einer Läuferwelle 16 verbunden. Letztere ist aus einem temperaturbeständigen Metall oder einer entsprechenden Metallegierung hergestellt, z. B. Chrom-Molybdänstahl oder Inconel-Legierung (Zusammensetzung: Cr

11 -15%, Ni 70%, Mn 1,0%, Fe 1,0%, Si 0.5%, C 0,15%). Das Weilenieil 15 besteht aus einem ähnlichen temperaturbeständigen Metall wie die Läuferwelle 16.

Wie am besten aus Fig.2 ersichtlich ist, isi in der Stirnfläche des Wellenteiles 15 eine kegelstumpfförmige -_: Ausnehmung 17 vorgesehen, welche kompiementä- i\. skm leg-istuinpiförmigen Abschnitt i4 des Laufrades

12 ist. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 14 sitzt unter Druck und reibsnhiüssig in der kegelstumpffönnigen Ausnehmung 17 ein. , ο

Das AufüftJs.i des Wellemeiles 15 auf das Laufrad 12 erfolgt durch Aufschrumpfen, da sich dann die Verbindung beim Betrieb des Turbinenläufers bei hohen Temperaturen nicht löst. Beim Aufschrumpfen wird das Wellenteil 15 auf eine Temperatur ,.-, erwärmt, die bei oder etwas über der Temperatur liegt, welcher das Wellenteil 15 im Betrieb "Verworfen ist. Beim Aufschrumpfen wird riadi Erwärmen des Wellenteiles 15 der kegelstumpfförmige Abschnitt 14 des Laufrades 12 unter Kraftariwerdung in die Ausnehmung 17 hineingedrückt. Danach uiird $κ· so erhaltene ,"· nordnung abgekühlt.

Üs.i Weilenteil 15 und die Läuferwelle 16 sind über eine Stirnflächenverzahnung miteinander verbunden. Deeie Siimiiächenverzahnung wird mit Stirniristrn oder Topfschleifscheiben hergestellt Diese komplizierte Bearbeitung erfolgt bei dem hier beschriebenen Turbinenläufer an metallischen Teilen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind zwischen den Laufrädern 11 und 12 weitere Wellenteile !S und 19 angeordnet, welche auf einen zugeordneten kegelstumpfförmigen Abschnitt 14 bzw. 13 des Laufrades 12 bzw. 11 aufgeschrumpft sind. Die Wellenteile 18 und 19 sind wiederum über eine Stirnflächenverzahnung verbunden.

Mittels eines zentralen Spannbohens 20 sind die Laufräder 11 und 12 mit der Läuferwelle 16 verspannt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Palentansprüche:

1. Turbinenläufer für Gasturbinen mit Laufrädern aus Keramikmaterial, die über eine Kegelstumpf- i verbindung in anschließenden metallischen Wellenteilen zentriert sind, wobei durch die Kegelstumpfverbindung allein die Drehmomentübertragung vom Laufrad in die benachbarten Wellenteile durch ReibschluQ erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Kegelstumpfverbindung durch Aufschrumpfen miteinander verbunden sind und daß die mit dem Laufrad fest verbundenen Wellenleile mit ihren vom Laufrad abgewandten Enden über Stirnflächenverzahnungen zentrisch mit ι der übrigen Läuferwelle verbunden sind.

2. Turb^::;en!äufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laui.ad in ar. sich bekannter Weise aus Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid hergestellt i:~Ji.

3. Turbinenläufer nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenteiie aus Chrommolybdänstahl hergestellt sind.