DE2717810A1

DE2717810A1 - Gasturbinenlaeufer mit keramischen schaufeln

Info

Publication number: DE2717810A1
Application number: DE19772717810
Authority: DE
Inventors: William F Stahl
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-05-17
Filing date: 1977-04-21
Publication date: 1977-12-01
Also published as: IN148055B; NL7703500A; SE433519B; CA1044602A; FR2352159A1; YU106977A; ES458772A1; SE7705736L; YU39389B; DE2717810C2; IT1074345B; AU2381177A; MX3911E; JPS52140715A; AR210412A1; JPS5514243B2; BE854751A; AU510806B2; ZA771906B; FR2352159B1

Description

FATBNΤΛNWALT

Dipl. ing. R. HOLZEK

PHILIPPINB-WELSBB- 8ΤΠΑ88Β

8900 AUGSBUKQ

TKT.F.FON 8114¹JS TRLKX 6SSiI)S r-^!e' ^ύ

W.

Augsburg, den 19. April 1977

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Gasturbinenläufer mit keramischen Schaufeln

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinenläufer nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Dabei handelt es sich insbesondere um einen Gasturbinenläufer, bei welchem für eine hohe Turbineneinlaßtemperatur geeignete keramische Schaufeln an Läuferscheiben aus einer Ferrolegierung für niedrigere Temperaturen angeordnet sind.

Es ist allgemein bekannt, daß der Wirkungsgrad von Gasturbinentriebwerken durch Erhöhung der Einlaßtemperatur des Treibmittels vergrößert werden kann« Bekanntermaßen müssen jedoch die Temperaturen der Turbinenteile innerhalb eines Bereiches gehalten werden, in welchem die Turbinenteile weder ihre Festigkeit verlieren noch durch die korrosive Natur des Treibmittels zu leicht angegriffen werden.

Hochdichte, warm gepreßte Siliziumnitride, Siliziumkarbide und andere keramische Werkstoffe besitzen die Fähigkeit, verhältnismäßig hohen Temperaturen ohne Festigkeitsverlust und ohne Zerstörung durch Korrosion standzuhalten. Da diese Werkstoffe jedoch ziemlich spröde und bei Einwirkung von Zugspannungen zerbrechlich (und deshalb gegen Spannungskonzentrationen durch Kerben empfindlich)

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sind, konnten sie für großen Fliehkräften und Biegebeanspruchungen ausgesetzte Laufschaufeln großer Gasturbinentriebwerke nicht sehr erfolgreich Anwendung finden.

Deshalb muß in den meisten Fällen die Turbineneinlaßtemperatur auf den durch hochtemperaturfeste Superlegierungen, die ihre Festigkeit bis zu Temperaturen von etwa 87O ⁰C bis 930 ⁰C behalten, vorgegebenen Temperaturbereich begrenzt werden, während es bei keramischen Schaufeln möglich wäre, die Einlaßtemperatur auf einen Bereich von 1260 C bis 1370 ⁰C und dadurch den Turbinenwirkungsgrad beträchtlich zu erhöhen.

Da außerdem hochtemperaturbeständige Metalllegierungen ziemlich teuer sind, ist es allgemein üblich, derartige Metallegierungen nur für die Schaufeln selbst zu verwenden und den Läufer und die einstückigen Läuferscheiben aus weniger teuren Ferrolegierungen oder für niedrigere Temperaturen geeigneten Metallegierungen herzustellen und die Läuferscheiben auf eine Temperatur von 320 ⁰C bis 430 ⁰C Zu kühlen, um sie in einem im Hinblick auf den Werkstoff zulässigen Temperaturbereich zu halten_e

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Gasturbinenläufer nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so auszubilden, daß ohne übermäßig umfangreichen Einsatz teurer hochtemperaturbeständiger Legierungen extrem hohe Schaufeltemperaturen zugelassen werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Gasturbinenläuferkonstruktion gelöst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwischen den Schaufelblättern und diese mit den Schaufelfüßen verbindenden Halsteilen zueinander hin gewölbte Fußplatten vorgesehen und in einem jeweils radial innerhalb zweier benachbarter Fußplatten gebildeten Hohlraum ist ein ebenfalls aus keramischem Werkstoff bestehender, durch die Fliehkraft nach außen gedrängter Dichtungskeil angeordnet, der an den zusammen eine komplementäre Keilform aufweisenden, radial inneren Flächen der Schaufelfüße anliegt, so daß er bei einer Drehung des Gasturbinenläufers abdichtend in einen möglicherweise zwischen den benachbarten Fußplatten entstehenden Spalt hineingedrängt wird und außerdem niederfrequente Schaufelschwingungen dämpft.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben» Es zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines achssenkrechten Querschnitts durch eine Gasturbinenstufe, und

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Ausschnitt eines Gasturbinentriebwerks 10, bei welchem ein Treibgaskanal durch eine äußere Kanalwand 12, die an einem nicht gezeigten Gehäuse befestigt ist, und eine über Leitschaufeln 16 an der äußeren Kanalwand 12 gehalterte innere Kanalwand Ik begrenzt ist. Eine Läuferscheibe 18, die einstückig mit einem nicht gezeigten, sich axial erstreckenden Läufer ausgebildet ist, befindet sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Leitschaufelkränzen und trägt Laufschaufeln 20, deren Schaufelblätter 22 sich innerhalb des Treibgaskanals befinden.

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Die Halterung der keramischen Laufschaufeln an der Läuferscheibe 13 ist am besten aus Fig. 1 ersichtlich, gemäß v/elcher die Läuferscheibe 18 an ihrem Umfang eine Vielzahl von axialen, mehrfach gezahnten Haltenuten 2k aufweist, wie sie üblicherweise zur Halterung von Schaufelfüßen in einer Läuferscheibe Anwendung finden. Außerdem bestehen der Läufer und die damit einstückige Läuferscheibe ebenfalls in üblicher Weise aus verhältnismäßig billigem Ferrometall oder niedrig legiertem Metall»

Die Schaufeln 20 sind jedoch nicht direkt in die Läuferscheibe 18 eingesetzt, sondern mittelbar über eine Vielzahl von Halteelementen 26 daran gehaltert, die mit zu den gezahnten Haltenuten 2k komplementär ausgebildeten und in die Haltenuten eingesetzten Fußteilen 28 versehen sind. Diese Halteelemente 26 bestehen aus einer hochtemperaturbeständigen Metalllegierung der allgemein als Werkstoff für Laufschaufeln verwendeten Art und besitzen jeweils einen vom Fußteil 2 8 radial nach außen ragenden Schaftteil 30, der am radial äußeren Ende hundeknochenartig in einem verdickten Kopf 32 endigt, v/odurch schräg radial/tangential verlaufende Schultern 3** gebildet sind. Zwischen den Schaftteilen 30 jeweils zweier benachbarter Halte-

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elemente 26 ist deshalb eine hinterschnittene Öffnung gebildet. Im mittleren Bereich des Schaftteils 30 jedes Halteelements 26 befinden sich beiderseits abstehende plattenartige Vorsprünge 38, die jeweils neben einem entsprechenden Vorsprung eines benachbarten Halteelements endigen, so daß die öffnung 36 von der Läuferscheibe l8 im wesentlichen isoliert ist. Außerdem ist erkennbar, daß jedes Halteelement 26 von seinem Fußteil 28 bis zu seinem Kopf 32 von einem radialen Kanal 39 durchzogen ist.

Die jeweils einstückig ausgebildeten Laufschaufeln 20 bestehen aus einem hochdichten keramischen Werkstoff wie beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid und gliedern sich jeweils in ein im Treibgaskanal befindliches Schaufelblatt 22 und einen Schaufelfuß 40. Der Schaufelfuß 40 gliedert sich seinerseits in einen radial verlaufenden Halsteil 42 und einen an dessen radial innerem Ende durch eine beiderseitige Verdickung gebildeten Fußteil 46, der zusammen mit dem Halsteil ein zur öffnung 36 komplementäres hundeknochenartiges Gebilde darstellt und zu den Schultern 34 komplementär geneigte Schultern 48 aufweist, so daß eine ausreichend große Anlagefläche hergestellt ist, die in der Lage ist, die durch den Schaufelumlauf erzeugte

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Fliehkraft und die vom Treibmittel herrührenden Biegekräfte so zu verteilen, daß die entstehenden Spannungen innerhalb der bei dem spröden keramischen Werkstoff zulässigen Grenzen liegen. Mit der hundeknochenartigen, eine einzige Auszackung darstellenden Form des Schaufelfußes werden im Gegensatz zu der herkömmlichen, mehrfache Auszackungen aufweisenden Schaufelfußkonstruktion, wie sie beispielsweise bei der Verbindung der Halteelemente 26 mit der Läuferscheibe 18 Anwendung findet, Kerben vermieden, die zu Spannungskonzentrationen führen. Außerdem ermöglichen die konischen Schultern 34 und 48 zwischen den Halteelementen 26 und den Schaufelfüßen 40 ungehinderte radiale Wärmedehnungen und vermeiden dadurch wärmedehnungsbedingte Spannungsprobleme.

Zwischen dem Schaufelblatt 22 und dem Schaufelfuß ist eine bogenförmig verlaufende Fußplatte 50 gebildet, wobei die zueinander hinragenden Fußplatten benachbarter Schaufeln zusammen einen radial innerhalb derselben gebildeten Hohlraum begrenzen. Die radial inneren Pußplattenoberflachen 52 sind schwach radial/tangential geneigt und in dem genannten Hohlraum ist ein keramischer, der Fliehkraft ausgesetzter Dichtungskeil 54 angeordnet, dessen zu den Pußplattenunterflächen komplementär ausgebildete Flächen 56 an den Pußplattenunterflächen an-

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liegen, so daß er unter der Wirkung der Fliehkraft durch Keilwirkung den genannten Hohlraum gegen hereinleckendes Treibmittel abdichtet. Durch die Zusammenwirkung aller Dichtungskeile 5*J des Laufschaufelkranzes werden außerdem die Schaufeln gegen niederfrequente Schaufe!schwingungen stabilisiert, die sonst zum Bruch der spröden Keramikschaufeln führen könnten.

Die Schaufeln 20 endigen außen in bogenförmig verlaufenden Deckbandsegmenten 58, welche den Treibgaskanal auf den Bereich der Schaufelblätter 22 zwischen sich und den Fu.?>platten 50 begrenzen. In einer der beiden aneinanderstoßenden Kantenflächen der Deckbandsegmente benachbarter Schaufeln ist ein konischer Einschnitt 60 gebildet, in welchem ein keramischer Fliehkraftkeil 62 angeordnet ist, der unter Fliehkrafteinwirkung die Stoßfuge zwischen den beiden benachbarten Deckbandsegmenten 58 gegen ein Auslecken des Treibmittels abdichtet, und die gesamte Anordnung der Keile 62 trägt ebenfalls zur Unterdrückung von Schaufelschwingungen bei.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Schaufelfüße und die Halteelemente durch Stirnplatten 64 und 66 axial abgeschlossen sind, wobei die stromaufwärtige

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Stirnplatte in eine Ringnut 68 eingesetzt ist und von einer Strömungsteilerwand 70 gehalten wird, Vielehe das die Läuferscheibe kühlende Kühlmittel zu den Fußteilen 28 der Halteelemente 26 leitet. Die stromabwärtige Stirnplatte 66 weist eine radial außenliegende Öffnung 72 auf, durch welche das Kühlmittel aus dem Hohlraum zwischen jeweils benachbarten Halteelementen ausströmen kann, und ist axial und radial jeweils in Nuten 7^ gehalten, in welche entsprechend komplementäre Vorsprünge 76 dieser Stirnplatte hineinragen. Da die radial äußeren Ränder der Stirnplatten nahe dem das heiße Treibmittel führenden Treibgaskanal gelegen sind, können die Stirnplatten ebenfalls aus keramischem Werkstoff hergestellt sein. Wegen der begrenzten, auf die Stirnplatten wirksamen Kräfte reichen die durch die Nuten und Vorsprünge gebildeten Haltemittel jedoch aus, diese Kräfte so zu verteilen, daß die entsprechend der mechanischen Festigkeit des keramischen Materials zulässige Spannung nicht überschritten wird.

Zwischen der radial äußeren Fläche des umlaufenen Deckbandes und dem Gehäuse sind außerdem Dichtungselemente 78 und 80 angeordnet, die eine Treibgasleckströmung zwischen dem Deckband und dem Gehäuse verhindern. Zur

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Kühlung der Dichtflächen des Deckbands und der Dichtungselemente wird unter hohem Druck stehendes Kühlmittel zwischen die beiden Dichtungselemente eingeleitet. Das Kühlmittel strömt deshalb axial stromaufwärts und stromabwärts durch die gebildeten Dichtungen hindurch, wodurch auch deren Dichtwirkung verbessert wird. Die Kühlluft hält die Dichtungselemente 78 und 80 dabei trotz ihrer Nachbarschaft zu den verhältnismäßig heißen Keramikschaufeln ausreichend kühl.

Die Schaufelblätter 22 können deshalb einer Treibmitteltemperatur von etwa 1260 ⁰C ausgesetzt sein, die erheblich über dem Temperaturbereich liegt, in welchem hochtemperaturbeständige Metallegierungen kontinuierlich betrieben werden können. Die aus einer Hochtemperaturlegierung bestehenden Halteelemente 26 sind dabei durch die Pliehkraft-Dichtungskeile 5** vor der hohen Temperatur geschützt und die kritischen, mit den keramischen Schaufelfüßen 40 zusammenwirkenden Teile der Halteelemente 26 werden durch Kühlmittel gekühlt, das von der gekühlten Läuferscheibe durch die Halteelemente hindurch in die zwischen den Schaufelfüße gebildeten Hohlräume strömt. Diese Kühlmittelströmung ist ausreichend stark, um die Tempera-

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tür in diesem Bereich auf etwa 930 C und folglich innerhalb des für die Hochtemperaturlegierung zulässigen Bereiches zu halten. Außerdem hält das Kühlmittel die Läuferscheibe auf einer Temperatur von etwa 320 °C und somit in dem für die Ferrolegierung zulässigen Temperaturbereich, in welchem diese Legierung ihre mechanische Festigkeit behält.

Eine alternative Konstruktion, bei welcher die Läuferscheibe und die Halteelemente als einstückige Konstruktion aus einer Hochtemperaturlegierung ausgebildet sind, wäre unverhältnismäßig teuer. Ein Weglassen der Halteelemente hingegen durch Ausdehnung der Halsteile *J2 der Keramikschaufeln bis zur Läuferscheibe würde so große Nuten in der Läuferscheibe erfordern, um die Fliehkraft zur Verringerung der Spannung zu verteilen, daß die Anzahl der am Läuferumfang unterzubringenden Schaufeln unannehmbar eingeschränkt wäre.

Die erfindungsgemäße Konstruktion der mittelbaren Schaufelhalterung an der Läuferscheibe mit Hilfe von Halteelementen stellt deshalb eine wirtschaftliche Möglichkeit zur Halterung keramischer Laufschaufeln an einer Läuferscheibe dar, bei welcher

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die geringe Zähigkeit des keramischen Werkstoffes berücksichtigt ist und die metallenen Bauteile innerhalb von Temperaturbereichen gehalten werden können, in denen sie ihre mechanischen Eigenschaften behalten.

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Claims

271781O Patentansprüche

1.yGasturbinenläufer mit einer Anzahl von aus Ferrometall bestehenden Läuferscheiben, die jeweils eine Vielzahl von axialen Haltenuten aufweisen und eine Vielzahl von keramischen Schaufeln tragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (20) über eine Vielzahl von radial verlaufenden Halteelementen (26) mittelbar an den Läuferscheiben (18) gehaltert sind, daß weiter diese aus einer hochtemperaturbeständigen Metallegierung bestehenden Halteelemente zu den axialen Haltenuten (24) komplementär ausgebildete und in diese eingesetzte Fußteile und an ihren radial außenliegenden Enden (32) Aufnahmeöffnungen (46) bildende Einschnitte (34) aufweisen, und daß die Schaufeln zu den Aufηahme-Öffnungen komplementäre und in diese eingesetzte Schaufelfüße (40) besitzen.

2. Gasturbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (20) zusammen einen im wesentlichen kontinuierlichen Fußbandring bildende Fußplatten (50) aufweisen und daß einander benachbarte Fußplatten jeweils einen radial innerhalb derselben gelegenen axialen Hohlraum begrenzen, in

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ORIGINAL INSPECTED

welchem ein derart ausgebildeter Dichtungskeil (5¹O angeordnet ist, daß er unter der Einwirkung der Fliehkraft einen möglicherweise zwischen den benachbarten Fußplatten auftretenden Spalt strömungsmitteldicht überbrückt und niederfrequente Schaufelschwingungen dämpft.

3» Gasturbinenläufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungskeile (5¹O aus keramischem Material bestehen.

¹J. Gasturbinenläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (26) radiale Kanäle (39) aufweisen, durch welche zu den Läuferscheiben (18) hingeführtes Kühlmittel von den Fußteilen (28) der Halteelemente zu den Schaufelfüßen (40) strömen und diese Teile unter Aufrechterhaltung eines annehmbaren Temperaturgradienten kühlen kann.

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