DE2728823C2 - Gasturbine - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere als Abgasturbolader, mit einem Turbinenrad und einer
Welle aus einem hitzebeständigen, nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere Keramik, welche von einer
•metallischen Hohlwelle umgeben ist, die in der Außenkontur die Formelemente für Dichtung und
Lagerung trägt.
Aus der US-PS 39 43 703 ist ein mit einem Wellenstumpf aus einem Stück bestehendes Gasturbinenlaufrad
aus keramischem Material bekannt, dessen Wellenstumpf von einer metallischen Hohlwelle umgeben
ist, die auf ihrer Außenkontur notwendigerweise Lager- und Dichtungsstellen hat. Zur Vermeidung
thermischer Relativbewegungen zwischen Weliensturnpf und Hohlwelle und für Kühizw'ecke wird
zwischen beiden Komponenten die unmittelbare Berührung
Vermieden und ein elastisches Zwischenglied mit Luftkanälen angeordnet.
Diese Lösung des Problems der Verbindung zwischen Kefamikrad Und Metällwelle ist sehr aufwendig und
teuer und daher für Serienproduktion, z. B. für kleine Abgasturbolader, nicht geeignet Der Innendurchmesser
der Hohlwelle muß relativ groß sein, um nicht nur den keramischen Wellenstumpf, sondern auch das Zwischenglied
mit Luftkanälen aufnehmen zu können. Damit wird auch der Außendurchmesser der Hohlwelle
und damit der Lagerdurchmesser groß, was bei den hohen Drehzahlen kleiner Gasturbinen zu untragbaren
Verlustleistungen in den Lagerstellen führt Schließlich erlaubt es das Zwischenglied auch nicht, die Lsger- und
Dichtungsstellen möglichst nahe zum Laufrad hin zu legen, wie es aus maschinendynamischen Gründen
wünschenswert ist
In der DE-OS 25 27 498 wird ein zweiteiliges Turbinenrad beschrieben, von dem wenigstens ein Teil
aus keramischem Werkstoff ist und mit einer Keramikwelle aus einem Stück besteht
Die Verwendung einer außen nicht geschützten Keramikwelle ist wegen der Sprödigkeit des Werkstoffes
bei den Erschütterungen, die z. B. der Fahrzugbetrieb verursacht, praktisch nicht möglich.
Da jedoch für den Betrieb von Gasturbinen, insbesondere Abgasturbolader, die Verwendung von
Turbinenrädern aus Keramik von Vorteil ist, da einerseits das keramische Material leichter als Metall ist
und sich damit eine geringere Massenträgheit ergibt, was die Beschleunigung begünstigt und andererseits
deren größere Hitzebeständigkeit höhere Betriebstemperaturen und damit einen besseren Gasturbinen-Wirkungsgrad
ergeben, ist es wünschenswert die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für eine Gasturbine, insbesondere einen Abgasturbolader,
eine sichere, einfach herzustellende Verbindung zwischen einem nichtmetallischen Turbinenrad und
einer metallischen Welle zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die metallische Hohlwelle sich über die gesamte
Länge der nichtmetallischen Welle erstreckt, so daß ein Ende der Hohlwelle an das Turbinenrad stößt, daß die
sich gegenüberliegenden Flächen der beiden Wellen — ausgenommen den Übergangsberoich zum Turbinenrad
— in lückenlosem Kontakt miteinander sind und daß die nichtmetallische Welle eine Länge von mindestens
dreimal ihren größten Durchmesser aufweist.
Durch eine solche Ausgestaltung werden die Schwierigkeiten überwunden, die sich bisher bei der Verwendung
von Turbinenrädern bei Gasturbinen aus einem nichtmetallischen Material ergeben, und eine sichere
Verbindung zwischen einem solchen nichtmetallischen Turbinenrad und seiner nichtmetallischen Welle mit
einem metallischen Wellenteil geschaffen, die gewährleistet daß die nichtmetallischen bzw. Keramikteile
auch bei Erschütterungen und hohen Drehzahlen und Temperaturen nicht zerstört werden. 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 des Übergangs von Laufradrückseite zur
nichtmetallischen Welle liegt, bietet sich die Möglichkeit, sowohl die Dichtstellen als auch die Lagerstellen in
der bisher gewohnten Weise auszuführen und vor allem möglichst nahe an das Turbinenrad zu legen, um damit
eine bessere Rotordynamik zu erzielen.
Zur vorteilhaften 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 in der nichtmetallischen Welle ein Zuganker befestigt,
welcher sich durch die gesamte Länge der Hohlwelle erstreckt und an deren dem Turbinenrad gegenüberliegenden
Ende mit der Hohlwelle verankert ist. Mit einem derartigen Zuganker wird eine Vorspannkraft aufgebaut,
die die nichtmetallische Welle und die Hohlwelle in jedem Betriebszustand in einer reibschlüssigen Verbindung
halten.
Nach einer anderen Ausgestaltung ist das Turbinenrad und die nichtmetallische Welle mit einer durchmesserkleineren
koaxialen Bohrung versehen, durch weiche in an dem dem Turbinenrad gegenüberliegenden Ende
der Hohlwelle befestigter Zuganker verläu't, der sich
mit seinem Kopf an eine umlaufende Abrundung an der Laufradvorderseite der Nabe des Turbinenrades 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 der nichtmetallischen Welle erforderlich ist Mit Hilfe dieses
Zugankers läßt sich auch eine axiale Druckspannung auf den keramischen Teil aufbringen.
Die koaxiale Bohrung hat im Mündungsbereich zur umlaufenden Abrundung hin bei einer besonderen
Ausgestaltung der Erfindung eine leicht konische Erweiterung, der eine entsprechende konische Verdikkung
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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch das mit seiner
nichtmetal'ischen Welle in eine mt '.allische Hohlwelle
eingesetzte Turbinenrad gemäß der Erfindung;
F i g. 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Zugankers;
F i g. 3 eine weitere A:isführungsform der Erfindung
mit einem durchgehenden Zuganker;
Fig.4 fine Detaildarslellung der Ausführungsform
gemäß F i g. 3, welche die Ausgestaltung des Kopfes des Zugankers und der Nabe des Turbinenrades zur
Unterstützung der Zentrierung erkennen läßt.
In Fig. t ist ein Turbinenrad mit Welle im Längsschnitt dargestellt. Die Welle besteht aus einer
nichtmetallischen, einstückig mit dem Turbinenrad 1 verbundenen Welle 2 und einer metallischen Hohlwelle
3, die mit der nichtmetallischen Welle fest verbunden ist. Das Turbinenrad 1 und die in Form eines Wellenzap*
fens ausgebildete nichtmetallische Welle 2 bestehen beide aus nichtmetallischem Material, insbesondere
Keramik,
Die metallische Hohlwelle 3 besteht bei der
Aüsführungsförm gemäß Fig, I aus einem massiven Abschnitt, der ein n'icäi dargestelltes Verdichterrad
trägt, und einem hülsenförmigen Abschnitt. Die Außenkontur der metallischen Hohlwelle 3 ist mit allen
Formelementen versehen, die für die Dichtung und Lagerung benötigt werden, wobei diese Formelemeitte
in der bisher gewohnten Weise ausgeführt sind und daher in der Darstellung nicht im Detail gezeigt und
erläutert werden.
Die inneren Abmessungen des hülsenförmigen Teils der Hohlwelle 3 sind auf die Abmessungen des
Wellenzapfens 2 abgestimmt Dabei ist davon auszugehen, daß der nichtmetallische Wellenzapfen 2 eine
Länge von mindestens dem Dreifachen des Wellenzapfendurchmessers aufweist. Der Konturenverlauf der
Innenbohrung der Hohlwelle ist an den Konturenverlauf des Wellenzapfens angepaßt, wobei in der
dargestellten Ausführungsform gemäß F i g. 1 die Innenbohrung der Hohlwelle glatt ist und entweder
einen gleichbleibenden Querschnitt oder einen leicht sich konisch verjüngenden Querschnitt hat
Es ist jedoch auch möglich, daß der Wellenzapfen und dementsprechend die Innenbohrung der Hohlwelle
einen sich ändernden Querschnitt .taben, wobei über Ausgieichsradien auch abgesetzte Querschnittsbereiche
vorgesehen sein können.
Es ist dafür Sorge zu tragen, daß das nichtmetallische
Material bzw. das Keramikmaterial nur auf Druck beansprucht wird, da es druckfest ist jedoch nur geringe
Zugkräfte aufnehmen kann.
Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 ist ein biegeweicher Zuganker 4 vorgesehen, der bereits bei
der Herstellung des nichtmetallischen Wellenzapfens 2 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 3 ist mit einer durchgehenden koaxialen Bohrung 5 versehen, durch welche der
Zuganker 4 verläuft Dieser ist am Wellenende vorzugsweise durch Schweißen oder Löten befestigt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 ist die Hohlwelle 3 mit einer koaxialen Bohrung 5 versehen. In
gleicher Weise verläuft auch durch die Nabe des Turbinenrades 1 und den nichtmetallischen Wellenzapfen
2 eine zentrale Bohrung 6 mit einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser.
Der nichtmetallische Wellenzapfen 2 ist innerhalb der
durchmessergrößeren Innenbohrung dir Hohlwelle 3 reibschlüssig festgehalten. Ein Zuganker 4, der an
seinem turbinenradseitigen Ende mit einem Kopf 7 versehen ist, verläuft durch die Nabe des Turbinenrades
sowie den nichtmetallischen Wellenzapfen 2 und die Bohrung 5 der Hohlwelle 3.
Am anderen Wellenende ist der Zuganker 4 fest mit der Me'allwelle verbunden. Mit seinem Kopf 7 liegt dor
Zuganker an einer umlaufenden Abrundung 8 an der Laufi advorderseite der Nabe des Turbinenrades an, wie
dies aus F i g. 4 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 7 nimmt
der Durchmesser Jes Zugankers allmählich etwas zu, so daß eine konische Verdickung entsteht die in eine
entsprechende konische Erweiterung der zentralen Bohrung im Turbinenrad 1 paßt
Bei der Ausführungsform gemäß Fig,3 kann der
Zuganker 4 so weit angespannt werden, daß die nichtmetallische Wu)Ie 2 bzw. der Wellenzapfen im
Bereich der Innenbohrung 6 der Hohlwelle 3 unter Druckspannung stehtj wobei diese Druckspannung so
hoch gewählt ist, daß auch im Betrieb an der Weile keinerlei Zügspannungen auftreten- Durch die Abstützung
der Laufradrücksöite 9 an der Stirnseite der
metallischen Hohlwelle 3 wird der Übergang des Wellenzapfens 2! zürn Turbinenrad i von Biegemomenten
entlastet. Die Ausdehnung der Hohlwelle 3 durch die Einwirkung der Betriebstemperatur Wird dabei derart
ausgelegt, daß sich die Vorspannung des Zugärikers im
Betrieb erhöht, uni auf diese Weise die Druckspannung
der Welle in allen Belriebsbereichen aüfrechtzUerhal·
ten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Gasturbine, insbesondere als Abgasturbolader,
mit einem Turbinenrad und einer Welle aus einem hitzebeständigen, nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere
Keramik, welche von einer metallischen Hohlwelle umgeben ist, die in der Außenkontur die
Formelemente für Dichtung und Lagerung trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische
Hohlwelle (3) sich über die gesamte Länge der ι ο nichtmetallischen Welle (2) erstreckt, so daß ein
Ende der Hohlwelle an das Turbinenrad (1) stößt, daß die sich gegenüberliegenden Flächen der beiden
Wellen — ausgenommen den Obergangsbereich zum Turbinenrad — in lückenlosem Kontakt
miteinander sind und daß die nichtmetallische Welle eine Länge von mindestens dreimal ihrem größten
Durchmesser aufweist
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die nichtmetallische Welle (2) einen gleichbleibenden oder kontinuierlich sich ändernden
Querschnitt aufweist, dem die Form der !nnenbohrung der Hohlwelle folgt
3. Gasturbine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der nichtmetallisehen
Welle (2) ein Zuganker (4) befestigt ist, welcher sich durch die Hohlwelle (3) erstreckt und
an deren dem Turbinenrad gegenüberliegenden Ende mit der Hohlwelle verankert ist.
4. Gasturbine nach den Ansprüchen 1 bis 3,30 dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (1)
und die > ichtmetallische Welle (2) mit einer durchmesserkleineren zentralen Bohrung (6) versehen
ist, durch weiche ein an dem Turbinenrad (1) gegenüberliegenden Endf der Hohlwelle befestigter
Zuganker (4) verläuft, der sici. mit seinem Kopf (7) an eine umlaufende Abrundung (8) an der Vorderseite
der Nabe des Turbinenrades (1) anschmiegt.
5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Bohrung (6) im Mündungsbereich
zur umlaufenden Abrundung (8) hin eine leicht konische Erweiterung hat, der eine entsprechende
konische Verdickung des Zugankers (4) im Übergangsbereich zum Kopf (7) zugeordnet ist.
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