DE2728823C2

DE2728823C2 - Gasturbine

Info

Publication number: DE2728823C2
Application number: DE2728823A
Authority: DE
Inventors: Helmut Ing.(Grad.) 6711 Hessheim 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: 1982-09-09
Also published as: CS343178A2; JPS5442520A; GB1588587A; IN149425B; IT7868494A0; US4424003A; CS261202B2; IT1159858B; DE2728823A1

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 Tu^rbinenrades 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

Patentansprüche:

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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