DE2728823A1

DE2728823A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE2728823A1
Application number: DE19772728823
Authority: DE
Inventors: Helmut Ing Grad Brobeck
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1977-06-27
Filing date: 1977-06-27
Publication date: 1979-01-11
Also published as: JPS5442520A; US4424003A; IT7868494A0; CS261202B2; DE2728823C2; GB1588587A; IN149425B; CS343178A2; IT1159858B

Description

Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp & Kausch 6710 Frankenthal/Pfalz Friedrich-Ebert-Str.

Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere als Abgasturbolader, mit einem Turbinenrad und einer Welle aus einem hitzebeständigen soAvie nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere Keramik.

Es ist bereits bekannt (DT-OS 25 27 498; Fig. 5), das Turbinenrad zusammen mit der Turbinenwelle aus einem keramischen Werkstoff herzustellen. Dabei besteht allerdings das Turbinenrad selbst aus zwei keramischen Teilen, die durch Sintern miteinander fest verbunden sind. Bei der Herstellung der Turbinenwelle in ihrer Gesamtheit aus keramischem Material ergibt sich die Notwendigkeit, daß deren Außenkontur mit allen Formelementen versehen ist, die für die Abdichtung und die Lagerung der Turbinenwelle benötigt werden, d. h. die Außenkontur der keramischen Turbinenwelle ist mit Absetzungen, eingeschnittenen Nuten und planen Lagerflächen versehen, welche für die Lagerung und Abdichtung benötigt werden. Diese sprunghaften Querschnittsänderungen bringen es mit sich, daß eine derart ausgestaltete Gasturbine nur mit verhältnismäßig niederen Drehzahlen gefahren

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werden kann, da ein Brechen der Turbinenwelle bei hohen Drehzahlen unvermeidbar ist.

Bei einer Gasturbine mit einem zweiseitig gelagerten Turbinenläufer ist es bereits bekannt (DT-OS 25 10 287), den Turbinenläufer und die beiderseits anschließenden Lager aus einem keramischen Material herzustellen, wobei der Verdichter mit dem Turbinenläufer über eine das Drehmoment übertragende Steckhülse verbunden ist. Die dabei entstehende Metall-Keramikverbindung liegt dabei bereits auf der verhältnismäßig kalten Seite. Es besteht jedoch nach wie vor eine Gefahr, daß das abgesetzte Ende der Keramikwelle an der Stoßstelle Metall-Keramik bei hohen Drehzahlen wegen der Kerbwirkung und der unterschiedlichen Temperaturleitfähigkeiten der beiden Materialien in diesem Bereich bricht.

Es ist auch bereits bekannt (DT-OS 25 14 699), das Turbinenrad und einen kurzen Wellenstummel aus einem keramischen Material herzustellen und mit einer koaxialen Bohrung zu versehen, durch welche die metallische Turbinenwelle gesteckt ist. Mit Hilfe einer auf die an der Vorderseite des Laufrades überstehenden Welle aufgeschraubten Spannmutter wird das aus dem keramischen Material bestehende Turbinenrad auf der Metallwelle befestigt, wobei diese Befestigung sowohl der Zentrierung als auch der Drehmomentübertragung dient. Da der das Turbinenrad aufnehmende Zapfen der Turbinenwelle, wenn er seine ihm zugeschriebene Funktion erfüllen soll, biegesteif sein muß, und da ferner Wellen aus metallischem Werkstoff einen starken Abfall des E-Moduls bei zunehmender Temperatur aufweisen, ist es unvermeidlich, daß die Welle bei den hohen auftretenden Temperaturen verhältnismäßig dick ausgeführt werden muß, um den Verlust an Biegesteifigkeit auszugleichen. Dies führt jedoch zu so großen Bohrungen

in

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dem Turbinenrad, daß dieses die bei hohen Temperaturen und hohen Umlaufgeschwindigkeiten auftretenden Zugspannungen an den Lochrändern wegen des verhältnismäßig geringen zur Verfügung stehenden Nabenvolumens nicht mehr aushält. Diese Erfahrung kommt auch bereits in der oben erwähnten DT-OS 25 10 287 zum Ausdruck, wenn erwähnt wird, daß es sehr schwierig sei, die Aufgabe des Haltens, Zentrierens und Übertragens des Drehmomentes gleichzeitig zu erfüllen, wenn das Turbinenrad und die Turbinenwelle aus Materialien mit verschiedenen physikalischen Verhaltensweisen, z.B. mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und verschiedener SprÖdigkeit Verwendung finden. Dabei wird auch bereits erwähnt, daß diese Schwierigkeiten auch dann nicht geringer werden, wenn die Verbindungsstelle von der heißen in die kalte Zone verlegt wird.

Alle diese bekannten Lösungen für die Verbindung von keramischen Laufrädern mit Wellen oder Wellenteilen berücksichtigen nicht genügend die spezifischen geringen Zug- und Torsionsfestigkeiten von Keramikmaterialien. Zugspannungen treten, wie bereits erwähnt, am Lochrand der Mittelbohrung des Turbinenrades in Form von Tangential-Zugspannungen auf, die mit zunehmendem Lochdurchmesser größer werden. Aus diesem Grund kann ein hochbeanspruchtes Turbinenrad nur mit einer sehr engen Mittelbohrung ausgestattet sein.

Auch die Verwendung von Tellerfedern, wie sie durch die oben erwähnte DT-OS 25 27 498 bekannt sind, können den angestrebten Effekt, nämlich die Wärmeausdehnung zu kompensieren, nicht erfüllen, da sie bei den hohen Betriebstemperaturen von Gasturbinen ausglühen und damit ihre Feder eigenschaft verlieren.

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Da jedoch für den Betrieb von Gasturbinen, insbesondere Abgas turbolader, die Verwendung von Turbinenrädern aus Keramik von be sonderem Vorteil ist, da nämlich Turbinenräder nicht nur wegen des keramischen Materials sehr viel leichter sind und damit eine geringere Massenträgheit haben, d. h. schneller beschleunigt werden können, sondern auch eine größere Hitzebeständigkeit zeigen, was die Möglichkeit bietet, daß Gasturbinen bei höhreren Temperaturen und damit einem besseren Wirkungsgrad betrieben werden können, ist es wünschenswert, die bisherigen Schwierigkeiten an der Ver bindungsstelle zwischen dem Keramikteil und dem metallischen Teil auszuschalten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für eine Gasturbine, insbesondere einen Abgasturbolader, die Verbindung zwischen dem nichtmetallischen Turbinenrad und der metallischen Welle derart zu gestalten, daß keine oder nur sehr geringe von der Verbindung aus bewirkte Zugbeanspruchungen im nichtmetallischen Turbinen

rad auf-

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rad auftreten und trotzdem eine sichere, einfach herzustellende Verbindung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die nichtmetallische Welle mit einer metallischen Hohlwelle überzogen ist, daß die Hohlwelle sich über die gesamte Länge der nichtmetallischen Welle erstreckt und in der Außenkontur die Formelemente für Dichtung und Lagerung trägt, und daß die nichtmetallische Welle eine Länge von mindestens 3 mal ihren größten Durchmesser hat.

Durch eine solche Ausgestaltung werden in vorteilhafter Weise die Schwierigkeiten überwunden, die sich bisher bei der Verwendung von Turbinenrädern bei Gasturbinen aus einem nichtmetallischen Material ergeben,und gleichzeitig eine Verbindung zwischen einem solchen nichtmetallischen Turbinenrad und seiner nichtmetallischen Welle mit einem metallischen Wellenteil geschaffen, die gewährleistet, daß keine die Keramikteile auch bei sehr hohen Drehzahlen und sehr hohen Temperaturbelastungen gefährdenden Zugspannungen auftreten. Durch die über der nichtmetallischen Welle angebrachte metallische Hohlwelle, welche bis zu der Laufradrückseite sich erstreckt und dort in einem Bereich zur Anlage kommt, der außerhalb dem Übergang von Laufradrückseite zur nichtmetallischen Welle liegt, bietet sich die Möglichkeit, sowohl die Dichtstellen als auch die Lagerstellen aus Metall in der bisher gewohnten Weise auszuführen, so daß sich von dieser Seite her keine neuen Probleme ergeben.

Als Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich für die Art der Verbindung der nichtmetallischen Welle mit der Hohlwelle eine Vielzahl von Möglichkeiten, wobei insbesondere die Verbindung durch Schrumpfsitz, Preßsitz, Konussitz, Verklebung oder Umgießen als besonders günstig angesehen wird.

Als

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Als Maßnahme zur Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die nichtmetallische Welle einen gleichbleibenden oder kontinuierlich sich ändernden Querschnitt aufweist, dem die Form der Innenbohrung der Hohlwelle folgt. Bei dieser Art der Formgebung der nichtmetallischen Welle werden Kerbspannungen vermieden, auf die Keramik besonders empfindlich reagiert. Damit läßt sich ein Schrumpfsitz bzw. Preßsitz oder Konussitz sehr einfach verwirklichen. Dabei sind an dem umfaßten Abschnitt der nichtmetallischen Welle nur Druckspannungen wirksam, so daß der nichtmetallische Teil der Turbinenwelle zur Erhöhung der Biegefestigkeit der Turbinenwelle insgesamt beiträgt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in der nichtmetallischen Welle ein Zuganker befestigt ist, welcher sich durch die gesamte L.änge der Hohlwelle erstreckt und an deren dem Turbinenrad gegenüberliegenden Ende mit der Hohlwelle verankert ist.

Durch das Vorsehen eines derartigen Zugankers wird eine Vorspannkraft aufgebaut, die die nichtmetallische Welle und die Hohlwelle in jedem Betriebszustand in einer reibschlüssigen Verbindung hält. Zu diesem Zweck wird die temperaturabhängige Ausdehnung der Hohlwelle so gewählt, daß sie bei der Betriebstemperatur die Zugspannung am Zuganker erhöht. Die von der Hohlwelle infolge des Preß- oder Schrumpfsitzes in die nichtmetallische Welle eingeleitete Druckspannung wird dabei zweckmäßigerweise so hoch gewählt, daß die über die Einbindelänge des Zugankers beim späteren Aufbringen der Zugkraft entstehenden Zugspannungen kompensiert werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist auch vorgesehen, daß das Turbinenrad und die nichtmetallische Welle mit einer durchmesserkleineren koaxialen Bohrung versehen ist, durch welche ein an dem Turbinenrad gegenüberliegenden Ende der Hohlwelle befestigter Zuganker verläuft, der sich mit seinem Kopf an eine umlaufendeAbrundung an der Laufrad -

vorder-

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Vorderseite der Nabe des Turbinencades anschmiegt. Da für den Zuganker keine Biegefestigkeit erforderlich ist, kann dieser bei entsprechender Materialwahl mit einem kleinen Durchmesser ausgeführt sein, so daß nur eine sehr durchmesserkleine Bohrung in der Nabe des Turbinenrades und df>r nichtmetallischen Welle erforderlich ist. Mit Hilfe dieses Zugankers läßt sich auch eine axiale Druckspannung auf d£h keramischen Teil aufbringen, und zwar auch mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Zugankers, womit man erreichen kann, daß auch bei sehr extremen Betriebsbedingungen Zugspannungen in der nichtmetallischen Welle wie im Übergangs bereich zwischen Welle und Laufrad mit Sicherheit nicht auftreten, d. h. dieser Übergangsbereich von Biegemomenten entlastet ist.

Die koaxiale Bohrung hat im Mündungsbereich zur umlaufenden Abrundung hin bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung eine leicht konische Erweiterung, der eine entsprechende konische Verdickung des Zugankers im Übergangsbereich zum Kopf zugeordnet ist. Diese Ausgestaltung trägt zur Verbesserung der Zentrierung bei, die auch bei sich ändernden Temperaturen erhalten bleibt, wenn die Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Da sich die Nabe auch wegen der Fliehkraftbeanspruchung weitet, läßt sich durch entsprechende Materialauswahl für den Zuganker dessen Ausdehnung durch seine Ausbildung besonders gut an die Ausdehnung der Nabe anpassen.

Als weitere Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß zwischen der Laufradrückseite der Nabe des Turbinenrades und der Stirnseite der Hohlwelle eine radial angeordnete formschlüssige Verzahnung/ vorzugsweise eine Nutfederverbindung angeordnet ist. Diese Verzahnung wirkt als Zentrierhilfe.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführung«beiepielen in Verbindung

mit den

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Ar

mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Schnittdarstellung durch einen Abgasturbolader mit einem Turbinenrad und einem Teil der Turbinenwelle aus einem nichtmetallischen Werkstoff;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch das mit seiner nichtmetallischen Welle in eine metallische Hohlwelle eingesetzte Turbinenrad gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Zugankers;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem durchgehenden Zuganker;

Fig. 5 eine Detaildarstellung der Ausführungsform gemäß Fig. 4, welche die Ausgestaltung des Kopfes des Zugankers und der Nabe des Turbinenrades zur Unterstützung der Zentrierung erkennen läßt;

Fig. 6 eine weitere Detaildarstellung, aus der eine form schlüssige Verzahnung der Stirnseite der Hohlwelle mit der Laufradruckseite der Nabe zur Unterstützung der Zentrierung entnehmbar ist.

In Fig. 1 ist ein Abgasturbolader im Schnitt dargestellt, bei dem ein Verdichterrad 1 und ein Turbinenrad 2 auf einer gemeinsamen Welle befestigt sind. Diese gemeinsame Welle besteht aus einer nichtmetalle sehen, einstückig mit dem Turbinenrad 2 verbundenen Welle 3 und

einer

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einer metallischen Hohlwelle 13, die mit der nichtmetallischen Welle fest verbunden ist und das Verdichterrad 1 trägt. Die Turbinenwelle ist in herkömmlicher Weise im Lagergehäuse 4 gelagert, das auf der Turbinenseite über einen flanschartigen Bund 5 mit dem Turbinengehäuse 6 mit Hilfe eines Spannringes 7 verbunden ist. Auf der Verdichterseite ist das Lagergehäuse 4 mit einem scheibenförmigen Flansch 8 versehen, an welchem der Gehäuseaufsatz 9 ebenfalls mit einem Spannring befestigt ist.

Das Turbinenrad 2 und die in Form eines Wellenzapfens ausgebildete nichtmetallische Welle 3 bestehen beide aus einem gleichen oder einem artgleichen nichtmetallischen Material, insbesondere Keramik. Bei der Fertigung kann der Wellenzapfen und das Turbinenrad zunächst separat hergestellt und vor dem Sintern ineinandergesteckt werden. Beim anschließenden Sinterprozeß verbinden sich die beiden Teile praktisch zu einem unlösbaren einstückigen Teil. Diese Art der Herstellung ermöglicht, daf? Her Wellenzapfen und das Turbinenrad aus einem Keramikmaterial hergestellt werden, das eine optimale Anpassung an Betriebsbedingungen möglich macht. Wenn man solche Materialien vorsieht, die einen gleichen oder zumindest weitgehendst gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, dann bietet sich die Möglichkeit, für den Wellenzapfen ein Keramikmaterial mit höherer Elastizität im Vergleich zum Turbinenrad zu verwenden, wodurch sich die Widerstandsfähigkeit des Wellenzapfens gegen Biegebeanspruchungen erhöhen läßt. Unabhängig von der Möglichkeit der mehrteiligen Herstellung des nichtmetallischen Turbinenrades und des nichtmetallischen Wellenzapfens, wird für die nachfolgende Beschreibung davon ausgegangen, daß der Wellenzapfen und das Turbinenrad ein einstückiger Teil sind.

Die

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Die nietallische Hohlwelle 13 besieht bei der Ausf'ührungsform gemäß Fig. 2 aus einem massiven Abschnitt, der das Yerdichterrad 1 Irägt, und einem hülsenförniigen Abschnitt, der im Bereich des Lagergehäuses 4 verläuft. Die Außenkontur der metallischen Hohlwelle 13 ist mit allen Formelei.ienien versehen, die für die Dichtung und Lagerung benötigt werden, wobei diese Formelemente in der bisher gewohnten Weise ausgeführt sind und daher in der Darstellung nicht im Detail gezeigt und erläutert werden.

Di e inneren Abmessungen des hülsenfürmigen Teils i\vr Hohlwelle 13 sind auf die Abmessungen des Wellenzapfens 3 abgestimmt. Dabei ist davon auszugehen, daß der nichtmetallische Wellenzapfen 3 eine Länge von mindestens dem Dreifachen des AVellenzapfendurchmessers aufweist. Der Konturenverlauf der Innenbohrung der Hohlwelle ist an ilen Konturenverlauf des Wellenzapfens weitgchcndsi angepaßt, wobei in der· dargestellten Ausführungsform gemäß Fig. 2 die Innenbohrung der Hohlwelle glatt ist und entweder einen gleichbleibenden Querschnitt oder einen leicht sich konisch verjüngenden Querschnitt hat. Bei einem solchen sich leicht konisch verjüngenden Querschnitt können die Steigungswinkel des Wellenzapfens 3 und der Innenbohrung der Hohlwelle 13 geringfügig verschieden sein. Eine derartige Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die Verbindung zwischen denn nichtmetallischen Wellenzapfen und der metallischen Hohlwelle durch einen Schrumpfsitz bzw. einen Preßsitz hergestellt \vird, wobei sich der Wellenzapfen mit der Hohlwelle im wesentlichen über die gesamte Länge des Wellenzapfens nicht lösbar verbindet. Der leicht konische Verlauf der zusammenwirkenden Flächen, sei es mit gleichem oder gerir;'^f'">_faig unterschiedlichem Steigungswinkel, kann sich bei der Herstellung eines Schrumpfsitzes zum Verbinden der beiden Teile im Interesse der Steuerung der Pressung des Wellenzapfens als vorteilhaft erweisen.

Es ist

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Es ist jedoch auch möglich, daß der Wellenzapfen und dementsprechend die Innenbohrung der Hohlwelle einen sich ändernden Querschnitt haben, wobei über Ausgleichsradien auch abgesetzte Querschnittsbereiche vorgesehen sein können.

Bei der Verwendung hitzebeständiger Klebestoffe kann die auf den nichtmetallischen Wellenzapfen aufgesetzte Hohlwelle auch verklebt werden, wobei jedoch dafür Sorge zu tragen ist, daß die Form der glatten Oberfläche des Wellenzapfens dadurch nicht beeinträchtigt wird.

Unabhängig von der Art der Verbindung des Wellenzapfens mit der Hohlwelle ist jedoch dafür Sorge zu tragen, daß das nichtmetallische Material bzw. das Keramikmaterial nur auf Druck beansprucht wird, da insbesondere Keramikmaterial sehr hoch druckfest ist, jedoch nur geringe Zugkräfte aufnehmen kann.

Bei der Ausführungsforni gemäß Fig. 3 ist ein biegeweicher Zuganker 15 vorgesehen, der bereits bei der Herstellung des nichtmetallischen Wellenzapfens 31 in diesen eingelegt und fest mit diesem verbunden ist. Die Einbindelänge des Zugankers in den Wellenzapfen bemißt sich nach der im Betrieb auftretenden Zugkraft. Die metallische Hohlwelle 131 ist mit einer durchgehenden koaxialen Bohrung 12 versehen, durch welche der Zuganker 15 verläuft und am verdichterseitigen Ende vorzugsweise durch Schweißen oder Löten befestigt ist. Der nichtmetallische Wellenzapfen 31 wird in der Innenbohrung der Hohlwelle 131 durch einen Preß- oder Schrumpfsitz druckbelastet, so daß die über die Einbindelänge des Zugankers bei den Betriebstemperaturen auftretende Zugspannung durch die eingeleitete Druckspannung kompensiert wird und der Wellenzapfen keine Zugbeanspruchungen erfährt.

Bei

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Bei der Ausführungsforrn einer Verbindung des Turbinenrades mit einem einteilig davon ausgehenden Wellenzapfen 32 aus einem nichtmetallischen Material und einer metallischen Hohlwelle 132 gemäß Fig. 4 ist die Hohlwelle mit einer koaxialen Bohrung J 2 versehen. In gleicher Weise verläuft auch durch die Nabe des Turbinenrades 2 und den nicht metallischen Wellenzapfen 32 eine zentrale Bohrung 21 mit einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser.

Der nichtmetallische Wellenzapfen 32 ist innerhalb der durchmessergrößeren Innenbohrung der Hohlwelle 132 reibschlüssig festgehalten. Ein Zuganker 16, der an seinem turbinenradseitigen Ende mit einem Kopf 17 versehen ist, verläuft durch die Nabe des Turbinenrades sowie den nichtmetallischen Wellenzapfen 32 und die Bohrung 12 der Hohlwelle 132. Am verdichterradseitigen Ende ist der Zuganker 16 fest mit der Turbinenwelle verbunden. Mit seinem Kopf 17 liegt der Zuganker an einer umlaufenden Abrundung 22 an der Laufradvorderseite der Nabe des Turbinenrades an, wie dies aus Fig. Γ> im Detail entnehmbar ist. Die Form der Abrundung ist so gewählt, daß sich die beiden Teile bei einer unterschiedlichen Radialdehnung nicht behindern. Im Übergangsbereich vom Zuganker zum Kopf 17 nimmt der Durchmesser des Zugankers allmählich etwas zu, so daß eine konische Verdickung entsteht, die in eine entsprechende konische Erweiterung der zentralen Bohrung im Turbinenrad 2 paßt.

Die Dehnungsunterschiede infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnung und die Dehnung durch die Beanspruchung werden für die Nabe und den Zuganker so abgestimmt, daß im ganzen Betriebsbereich die Zentrierung erhalten bleibt. Durch eine geeignete Materialwahl für den Zuganker kann man erreichen, daß der Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten, verglichen mit dem des Keramikmaterials des Turbinenrades, ohne

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nachteiligen Einfluß bleibt, da sich nämlich die Nabe wegen der hohen Fliehkraftbeanspruchungen im Betrieb ebenfalls etwas dehnt und so der Ausdehnung des Zugankers anpaßt. Durch eine geeignete Einleitung der vom Zuganker auf die Nabe aufgebrachten Druckkräfte iat es auch möglich, die Beanspruchung des Turbinenrades im Bereich der Nabenbohrung zumindest teilweise abzubauen.

Da der Zuganker als biegeweiches Element ausgeführt ist und damit der Verlust an Biegesteifigkeit bei zunehmenden Betriebstemperaturen keinen Einfluß hat, kann der Zuganker mit verhältnismäßig kleinen¹ Durchmesser ausgeführt sein, so daß, wie bereits erwähnt, nur ein verhältnismäßig kleiner Durchmesser für die zentrale Bohrung 21 benütigt wird. Dementsprechend sind auch die an den Lochrändern der Bohrung auftretenden Zugspannungen wesentlich verringert. Dadurch ergibt sich ein ganz wesentlicher Vorteil gegenüber einer bekannten Lösung (DT-OS 25 14 699), bei der das Turbinenrad aus Keramikmaterial auf einen biege.steifen Wellenabschnitt aufgesetzt ist und wegen des Verlustes an Biegesteifigkeit infolge des stark abfallenden E-Moduls bei zunehmenden Temperaturen dieser Wellenabschnitt verhältnismäßig dick ausgeführt sein muß, was zu durchmessergroßen Bohrungen im Turbinenrad und daher zu hohen Spannungen an dem Lochrand der zentralen Bohrung des Turbinenrades führt.

Beider Ausführungsform gemäß Fig. 4 kann der Zuganker so weit angespannt werden, daß die nichtmetallische Welle bzw. der Wellenzapfen im Bereich der Innenbohrung der Hohlwelle unter Druckspannung steht, wobei diese Druckspannung so hoch gewählt ist, daß auch im Betrieb an der Welle keinerlei Zugspannungen auftreten. Durch die Abstützung der Laufradrückseite an der Stirnseite der metallischen Hohlwelle wird der Übergang des Wellenzapfens zum Turbinenrad von Biegemomenten entlastet. Die Ausdehnung der Hohlwelle durch die Einwirkung

der Betriebs-

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der Betriebstemperatur wird dabei derart ausgelegt, daß sich die Vorspannung des Zugankers im Betrieb erhöht, um auf diese Weise die Druckspannung der Welle in allen Betriebsbereichen aufrechtzuerhalten. Die Vorspannung des Zugankers bei der Montage kann vornehmlich durch ein definiertes Anwärmen des Zugankers aufgebracht werden.

In Fig. G ist im Detail eine zusätzliche Zentrierhilfe dargestellt, welche zwischen der Laufradrückseite der Nabe des Turbinenrades 2 und der Stirnseite der Hohlwelle angebracht ist. Diese Zentrierhilfe besteht aus einer radial angeordneten formschlüssigen Verzahnung, z.B. einer Nut-Federverbindung 25, die über den Umfang verteilt mehrfach vorgesehen ist.

Patentansprüche

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Claims

Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp & Ka us cn Friedrich-Ebert-Str.

6710 Frankenthal/Pfalz Patentansprüche

Gasturbine, insbesondere als Abgasturbolader, mit einem Turbinenrad und einer Welle aus einem hitzebeständigen sowie nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere Keramik, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtmetallische Welle (3, 31, 32) mit einer metallischen Hohlwelle (13, 131, 132) überzogen ist, daß die Hohlwelle sich über die gesamte Länge der nichtmetallischen Welle erstreckt und in der Außenkontur die Formelemente für Dichtung und Lagerung trägt, und daß die nichtmetallische Welle eine Länge von mindestens dreimal ihrem größten Durchmesser hat.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der nichtmetallischen Welle (3, 31, 32) mit der Hohlwelle (13, 131, 132) durch Schrumpfsitz, Preßsitz, Konussitz, Verklebung, Umgießen oder dergl. erfolgt.
3. Gasturbine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtmetallische Welle (3, 31, 32) einen gleichbleibenden oder kontinuierlich sich ändernden Querschnitt

. aufweist, dem die Form der Innenbohrung der Hohlwelle folgt.
4. Gasturbine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet« daß in der nichtmetallischen Welle (31) ein Zuganker (15) befestigt ist, welcher sich durch die Hohlwelle (131) erstreckt und an deren dem Turbinenrad gegenüberliegenden Ende mit der Hohlwelle verankert ist.

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5. Gasturbine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (2) und die nichtmetallische Welle (32) mit einer durchmesserkleineren zentralen Bohrung (21) versehen ist, durch welche ein an dem Turbinenrad (2) gegenüberliegenden Ende der Hohlwelle befestigter Zuganker (16) verläuft, der sich mit seinem Kopf (17) an eine umlaufende Abr iiidung (22) an der Laufradvorderseite der Nabe des Turbinenrades (2) anschmiegt.
6. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die zentrale Bohrung (21) im Mündungsbereich zur umlaufenden Abrundung (22) hin eine leicht konische Erweiterung hat, der eine entsprechende konische Verdickung des Zugankers (16) im Übergangsbereich zum Kopf (17) zugeordnet ist.
7. Gasturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Laufradrückseite der Nabe des Turbinenrades (2) und der Stirnseite der Hohlwelle (13, 131, 132) eine radial angeordnete formschlüssige Verzahnung, vorzugsweise eine Nut-Federverbindung (25) angeordnet ist.

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