DE2815457A1

DE2815457A1 - Schaufeltraegerscheibe fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2815457A1
Application number: DE19782815457
Authority: DE
Inventors: Brian Wrigley
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1977-04-19
Filing date: 1978-04-10
Publication date: 1978-10-26
Also published as: IT7822485A0; IT1094092B; JPS54107A; GB1556274A; FR2388131A1

Description

Paxert? η walte D i ρ I. -1 η g, C U Γ t W a 11 a C h

Dipl.-Ing. Sünther Koch

2815457 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 0275 - Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 10. April 1978

Unser Zeichen: 16 219 - Κ/Ne

Rolls-Royee Limited
London, England

Schaufeltragerschelbe für ein Gasturbinentriebwerk

S 0 9 8 A 3 / 0 ? C

wälte D t ρ F. -1 η g. Curt Wa ft a c h Dipt.-lrtg. eu-ntttöi? $P§h DipUPbys. Dr.TinaHarbacft DipL-tng. Rainer Fekikamp

D-8000 München 2 · Kaufrngerstraße 8 · Telefon (0 89} 2402 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 10. April 1978

Unser Zeichen: 16 219 - Κ/Ne

Rolls-Royce Limited London, England

Schaufelträgerscheibe für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufelträgerscheibe für ein Gasturbinentriebwerk.

Bei Gasturbinentriebwerken werden die verschiedenen Rotorschaufeln normalerweise von einer Scheibe oder von Seheiben getragen, die so dimensioniert sind, daß sie die Zentrifugalbelastungen aufnehmen können, die von den Schaufeln herrühren. Dies erfordert häuQg, daß die Scheiben in ihrem Mittelabschnitt sehr dick ausgebildet werden müssen, d.h. in jenem Bereich, in dem sie normalerweise mit einer Mittelöffnung bzw. Bohrung ausgestattet sind. Die Differenz der thermischen Trägheit zwischen diesem dicken Mittelabschnitt und den relativ dünnen .äußeren Abschnitten verursacht eine differentielle Expansion und thermische Spannungen, die die Lebensdauer der Scheibe nachteilig beeinträchtigen können. Die dünnen Teile der Scheibe dehnen sich, weil sie sich schnell aufheizen, auch schnell aus und dadurch wird es schwierig zu gewährleisten, daß der Spalt zwischen den Schaufelspitzen und dem zugeordneten Gehäuse-

8o<*

aufbau aufrechterhalten wird. Es sind die verschiedensten Kühlsysteme vorgeschlagen worden, um die dünnen Abschnitte der Schaufel zu kühlen, aber bisher war dies relativ schwierig und kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaufelträgerscheibe zu schaffen, welche Mittel aufweist, um das Temperaturdifferential in dem Material zu vermindern, aus dem die Scheibe besteht.

Gemäß der Erfindung ist wenigstens ein Teil der Oberfläche der Schaufelträgerscheibe mit einem Überzug aus einem Wärmeisolationsmaterial versehen.

Wenn die Schaufel einen relativ dünnen äußeren Abschnitt und einen relativ dicken inneren Abschnitt aufweist, wird der Überzug vorzugsweise in der Weise aufgebracht, daß nur der Wärmeeingang nach und der Wärmeausgang von dem relativ dünneren Abschnitt vermindert wird.

Stattdessen oder in Kombination kann nur jener Bereich der Schaufeloberfläche mit dem Wärme isolierüberzug überzogen sein, der den höheren Temperaturen ausgesetzt ist, wenn die Scheibe zwei Bereiche aufweist, die unterschiedlichen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind.

In gewissen Fällen ist eine solche Scheibe mit einem AntrJe bsflansch versehen, der zwischen dem relativ dünnen und dem relativ dicken Abschnitt liegt und der auch die Bereiche unterschiedlicher Temperaturen trennt. In diesem Falle ist es zweckmäßig, den Isolierüberzug nur auf jenen Abschnitten der Scheibe aufzubringen, die außerhalb des Antriebsflansches liegen.

Der Isolierüberzug besteht vorzugsweise aus einem farbenartigen Material, das einen Binder aufweisen kann, in dem hohle Partikel eines Materials, z.B. Flugasche getragen wird.

80984 3/0709 ·/.

Die Erfindung ist vorteilhaft anwendbar insbesondere auf die Turbinenrotorscheiben oder die Hochdruckkompressorscheiben eines Gasturbinenstrahltriebwerks.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines

Gasturbinenstrahltriebwerks mit nach der Erfindung aufgebauten Turbinenscheiben;

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Teilschnittansicht

der Turbinenrotorscheibe gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10 mit einem Gehäuse 11, in dem in Strömungsrichtung hintereinander ein Kompressor 12 eine Verbrennungseinrichtung 13 und eine Turbine 14 angeordnet sind, an die sich eine Schubdüse 15 anschließt. Das Triebwerk arbeitet ist der üblichen V/eise, indem der Kompressor 12 Luft ansaugt, die verdichtet und mit Brennstoff vermischt und dann in der Brennkammer IJ verbrannt wird. Die heißen Gase der Brennkammer treiben die Turbine 14, die ihrerseits den Kompressor 12 treibt und die Abgase der Turbine strömen durch die Schubdüse 15 ins Freie und liefern einen Antriebsschub.

Die Turbine 14 weist eine ringförmige Anordnung von Rotorschaufeln 16 auf, die am Umfang einer Scheibe 17 gelagert sind. Die Scheibe ist mit einem Antriebsflansch 18 ausgestattet, über den sie mit einer Welle 19 verbunden ist, die das Antriebsdrehmoment nach dem Kompressor leitet.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Turbinenscheibe IJ im einzelnen. Die Scheibe weist einen relativ dünnen äußeren Abschnitt 20 auf, der in der Nähe des Umfangs bei 21 mit einer örtlichen

3098/) 3 /0709

- 2&T5457

- is -

Yerdickung versehen- und mit Muten 22 ausgestattet ist, in die die Schaufelfüße 25 der Schaufeln 16 einstehen. Die Nuten 22 sind in herkömmlicher Weise als normale Tannenbaumnuten ausgebildet oder sie weisen Schwalbenschwanzform auf. Die Schaufelfüße 2> sind dann im Querschnitt in entsprechender Weise gestattet, so daß sie in die Nuten einpassen. Wenn sich die Seheibe 17 dreht, dann erzeugen die Schaufeln 16 und die Masse der Scheibe selbst beträchtliche Zentrifugalkräfte, welche auf die Scheibe einwirken. Damit die Scheibe diesen Belastungen standhalten kann, ist sie mit einem noch weiter verdickten Abschnitt 24 am radial inneren Teil ausgestattet, der die zentrale Bohrung 25 umgibt- Der Abschnitt 24 ist sehr viel dicker als die Abschnitte 20 und 21. In diesem speziellen Fall Ist die Scheibe Γ? mit der Welle 19 über einen Antriebsflansch 18 mit der Welle I9 versehen, die den Kompressor antreibt und der Antriebsflansch 18 steht von der Scheibe etwa an der Verbindung zwischen dem verdickten Abschnitt 24 und dem dünneren Abschnitt 20 vor. Ein leichterer aber ähnlich ausgebildeter Flansch 2.6 steht von der gegenüberliegenden Oberfläche der Scheibe vor und trägt einen sich drehenden Abschnitt 27 einer Labyrinthdichtung.

Es ist ersichtlich, daß im Betrieb heiße Gase auf die Schaufeln 16 auftreffen und diese auf sehr hohe Temperaturen erwärmen.

Um die Schaufeln zu kühlen, sind verschiedene Kühlluftströmungen vorgesehen, die, wenn man sie mit Raumtemperatur vergleicht, noch sehr heiß sind, denn die Temperatur dieser Kühlluft kann bei etwa 500⁰C liegen. Diese Luft strömt um die dünnen Abschnitte der Scheibe und heizt sie auf und diese Aufheizung wird verstärkt durch die Wärmeleitung von den heißen Schaufeln über ihre Schaufelfüße, so daß durch Wärmeleitung Hitze in die Scheibe abgeleitet wird. Es besteht daher ein beträchtlicher Wärmeeingang nach den äußeren Abschnitten der Scheibe.

Wegen der Drehung der Scheibejund der Relativgeschwindigkeit zwischen der Scheibenoberüäche und der Umgebungsluft sind die

809843/0709

Wärmeübertragungskoeffizienten nach dem Brand der Scheibe größer als jene nach dem Scheibeninneren und diese Wirkung wird verstärkt durch die größere Dichte der Luft in diesem Bereich. Dies alles zusammen bewirkt, daß die dünnen äußeren Abschnitte der Scheibe schnell auf Temperaturänderungen in den verschiedenen Triebwerksströmen ansprechen.

Weil dieser dünne Abschnitt eine relativ niedrige thermische Trägheit aufweist, heizt er sich relativ schnell auf wenn das Triebwerk anläuft und spricht auf Änderungen der Betriebsbedingungen des Triebwerks relativ schnell an. Der massive Mittelteil 24 besitzt jedoch eine beträchtliche Wärmeträgheit und wirkt als große Wärmesenke. Die Temperatur ändert sich nur mit einer sehr langsamen Rate gemäß Änderungen der Triebwerksarbeitsbedingungen. Dies könnte daher zur Folge haben, daß d=r dünnere Abschnitt sich hinsichtlich der Temperatur beträchtlich von dem dickeren Abschnitt unterscheidet und daß der dünne Abschnitt sich schnell bezüglich der Temperatur ändert, während er am dicken Abschnitt festgelegt ist, dessen Temperatur relativ stabil ist. Daher können sich beträchtliche thermische Beanspruchungen zwischen dem dicken und dsm dünnen Abschnitt ergeben.

Außerdem kann die schnelle Temperaturänderung der dünnen Abschnitte der Scheibe eine entsprechend schnelle Ausdehnung und Zusammenziehung der Scheibe und demgemäß auch der Schaufelspitzen zur Folge haben und es hat sich als schwierig erwiesen, die Anordnung derart zu treffen, daß die Spitzendichtung der Schaufeln diesen schnellen thermischen Bewegungen folgen können.

Um diese Differenzen in der in Fig. 2 dargestellten Schaufel zu verhindern und um die rapide Änderung der Dimension der Scheibe zu vermindern, ist ein Überzug 28 auf beide Oberflächen der Scheibe in jenem Bereich aufgebracht, wo die Scheibe relativ dünn ist, z.B. in dem Bereich 20. Bei der erfindungsgemäßen Scheibe erstrecken sich die Flansche 18 und 26 von

309843/07 03 ·/.

der Scheibe im Übergangsbereich zwischen diesen dicken und dünnen Abschnitten, die auch mit der Grenzschicht zwischen einem Heißgasstrom außerhalb des Flansches und einer Fläche eines Kühlgasstromes innerhalb des Flansches zusammenfallen. Es ist daher zweckmäßig, den Überzug von den Flanschen 18 und 26 über die übrige radial äußere Erstreckung der Scheibe anzubringen.

Die Wirkung dieses Isolierüberzuges besteht darin, daß die V/arme menge vermindert wird, die in die Scheibe aus der Umgebungsluft wenigstens in dem dünneren Bereich 20 eintritt, der im FaILe der Erfindung mit dem Bereich der heißesten Gase zusammenfällt. Daher ist dieser innere Bereich mit einer größeren wirksamen thermischen Trägheit ausgestattet und die thermischen Beanspruchungen zwischen den dicken und dünnen Abschnitten wird vermindert und ebenso die thermischen Bewegungen von Scheibenrand und Schaufeln.

Es wurde berechnet, daß bei einer Scheibe 17 mit einem Überzug 28 von 0,5 mm Dicke die aus Flugasche in einer Keramikmatrix besteht, die Differenz zwischen Rand und Bohrungstemperatur um ungefähr 100⁰C auf 450⁰C im Vergleich mit einer nicht überzogenen Scheibe gesenkt wird.

Natürlich muß das Material für den Überzug 28 eine Anzahl von Bedingungen erfüllen. Es muß eine geringe thermische Leitfähigkeit oder Diffusibllität besitzen, aber es darf sich nicht leicht von dem Scheibenmaterial lösen. Es können hierfür verschiedene Materialien benutzt werden, aber erfindungsgemäß wird die Benutzung einer farbartigen Zusammensetzung bevorzugt, die aus einer Suspension von Partikeln von Flugasche in einer Keramikbasis bzw. Keramikmatrix besteht. Die Partikel der Flugasche bestehen aus winzigen Hohlkugeln aus glasartigem Material. Die Hohlkugeln schaffen eine niedrige thermische Leitfähigkeit und daher wird durch Verwendung einer großen Zahl dieser Kugeln eine geringe Gesamtleitfähigkeit für den

309843/07 0 9 '^f'

- S -ACT

Überzug erhalten. Der Überzug kann durch verschiedene herkömmliche Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufbürsten, durch Besprühen, durch Tauchen oder durch Elektrophorese .

Es können noch mehrere andere Zusammensetzungen benutzt xverden, aber diese hängen überwiegend von einem Matrixmaterial ab, in demein Anteil eines Wärmeisoliermittels enthalten sein muß, das aus Luft oder einem anderen Material geringer Leitfähigkeit bestehen kann.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Scheibe kann nicht nur für Turbinen Anwendung finden, sondern auch für Kompressoren, insbesondere für die Hochdruckstufen eines Kompressors. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Plansche 18 und 26 zweckmäßige innere Portsätze für den überzogenen Abschnitt. En ist jedoch nicht erforderlich, daß eine Scheibe diese Merkmale besitzt, wenn die Erfindung Anv/endung findet. So kann die Begrenzung des Überzuges so angeordnet werden, daß sie mit der Grenze zwischen dem Heißgasbereich und einem Bereich kühleren Gases zusammenfällt, die mit der Scheibe in Berührung stehen oder die Begrenzung könnte mit der Grenze zwischen den dünnen und dicken Teilen der Scheibe zusammenfallen. In gewissen Fällen können diese Grenzen wiederum zusammenfallen und in gewissen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Grenzen der Isolierschicht an einer anderen Stelle anzubringen.

809843/0709

Claims

Parent?nwälte Dipl.-Ing. C U rt Wal Iach

Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

2815457 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 10. April 1978

Unser Zeichen: 16 219 -

Patentansprüche :

Schaufelträgerscheibe für ein Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (17) auf wenigstens einem Teil ihrer Oberfläche mit einem Überzug (22) aus Wärmeisolationsmaterial überzogen ist.

2. Schaufelträgerscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (28) aus einem farbenartigen Material besteht.

5. Schaufelträgerscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (28) eine Matrix aufweist, die ein Wärmeisolationsmittel enthält.

4. Schaufelträgerscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (28) aus Partikeln aus Flugasche besteht, die in einer Keramikmatrix suspendiert sind.

5. Schaufelträgerscheibe nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß sie einen relativ dünnen äußeren Abschnitt (20) und einen relativ dicken inneren Abschnitt (24) besitzt und daß der Überzug (28) in der Weise aufgebracht wird, daß der Wärmeeingang nur nach dem und der Wärmeausgang von dem relativ dünneren äußeren Abschnitt (20) vermindert wird.

8098 43/0 709 /

ORtGiWAL INSPECTED

6. SchaufelträgerseheIbe nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (28) nur den größten Teil des relativ dünnen äußeren Abschnitts (20) bedeckt.

7. Schaufelträgerscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Benutzung zwei Bereiche (20, 24) der Schaufeloberfläche unterschiedlichen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind und daß nur die Fläche (20) der Schaufeloberfläche, die der höheren Temperatur ausgesetzt ist, mit dem Wärmeisolationsüberzug (28) versehen ist.

8. Schaufelträgerscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Antriebsflansch (18) vorgesehen ist, der einen äußeren Abschnitt (20) der Schaufel von einem inneren Abschnitt (24) trennt und daß der Isolierüberzug (28) nur auf den äußeren Abschnitt (20) aufgebracht ist.

H O 9 8 k 3 / Q 7 -j -: