DE2845199C2 - Schaufelrad für eine Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaufelrad für eine Gasturbine, das Schaufeln aus keramischem Material aufweist, die je aus einem Schaufelteil mit einem aerodynamischen Profil und einem Befestigungsansatz bestehen, der zwischen zwei in axialem Abstand voneinander angeordneten Haltern aus Metall mit zwei gegenüberliegenden kegelstumpfförmigen Ringflächen angeordnet ist, die gleichachsig mit der Schaufelradachse verlaufen und gegen die Stirnflächen des Befestigungsansatzes anliegen, wobei das Schaufelrad weiterhin Spannmittel aufweist, mit denen die beiden Halter axial aufeinander zu verstellbar sind, um die Befestigungsansitze zwischen den beiden kegelstumpfförmigen Ringflächen einzuklemmen.

Aus der CH-PS 2 20 294 ist ein Schaufelrad dieser Art mit keramischer Beschaufelung bekanntgeworden, das für eine Axialturbine bestimmt und deshalb für axiale Durchströmung eingerichtet ist. Die Befestigungsansätze der keramischen Schaufeln sind in Abwandlung der sogenannten Hammerkopffußform mit zwei Konusflächen ausgebildet, die mit den kegelstumpfförmigen Ringflächen der einander gegenüberliegenden, aus Metall bestehenden Haltern verklemmt sind. Dadurch wird zwar erreicht, daß der Befestigungsansatz der einzelnen keramischen Schaufel unter der Belastung weniger auf Biegung als insbesondere auf Druck beansprucht wird, doch lassen sich eine gewisse Biegebeanspruchung, und vor allem eine erhebliche Scherbeanspruchung des Befestigungsans/Uzes nicht

ίο vermeiden. Der Befestigungsansatz ist deshalb, wie bei Hammerkopffußprofilen üblich, nach Art eines Blockes mit verhältnismäßig großer Masse ausgebildet, wobei er mit einem Teil zwischen den beiden aus Metall bestehenden Haltern in radialer Richtung vorragt Dadurch sind aber verhältnismäßig große Zentrifugalkräfte bedingt, die die Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelrades begrenzen.

Die konischen Berührungsflächen zwischen den Befestigungsansätzen der keramischen Schaufel und den zugeordneten scheibenartigen Haltern wurden auch schon unter einem solchen Winkel zur Schaufelraddrehachse angeordnet, daß bei der Belastung die Kraftlinien sich noch innerhalb des Befestigungsansatzes (Läuferfußes) bzw. der Halterungsscheiben schneiden. Dadurch wird aber lediglich eine bestimmte Aufteilung der Axial- und der Radialkomponente der an den konischen Berührungs- odeE Einspannflächen auftretenden Belastungskräfte erzielt, ohne an dem vorstehend erläuterten Grundprinzip etwas zu verändern. Da die Befestigungsansätze der keramischen Schaufeln in diesem Falle durch keramische Scheiben gehaltert sind, die unter der Belastung ebenfalls auf Scherung beansprucht werden, treten die Festigkeitsprobleme bei einem solchen Schaufelrad zusätzlich noch in den keramischen Scheiben auf (DE-PS 7 35 784).

Schließlich ist aus der DE-PS 9 68 872 noch ein Turbomaschinen-Läufer mit Metallbeschaufelung bekanntgeworden, bei dem auf die eigentliche, nicht durchbohrte, massive Läuferscheibe ein innen durch eine Kegelstumpffläche begrenzter, ringförmiger Zwischenkörper aufgesetzt ist, dessen Außenfläche die Umfangsfläche der Läuferscheibe fortsetzend gestaltet ist, und der an die Beschaufelung der Läuferscheibe anschließende und diese ergänzende Schaufeln trägt.

Abgesehen davon, daß dieser Turbomaschinen-Läufer keine keramische Beschaufelung aufweist, dient der an seinen beiden Stirnseiten über Zylinderflächen einerseits mit der Läuferscheibe und andererseits mit einem Wellenzapfen verspannte Zwischenkörper dazu, die Biegesteifigkeit des den Turbomaschinen-Läufer bildenden Gesamtkörpers zu verbessern und eine einwandfreie Zentrierung des Wellenzapfens, unabhängig von den Temperatureinflüssen zu gewährleisten. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaufelrad mit zentripetaler oder radialer Durchströmung mit keramischen Schaufeln derart zu schaffen, daß es beim Betrieb im wesentlichen nur Druckbeanspruchungen ausgesetzt ist, ohne daß die Gestaltung kompliziert und teuer wird. Zur Lösung dieser Aufgabe weisen bei einem Schaufelrad vom zentripetalen Typ die Befestigungsansätze der Schaufeln ein in einem axialen Schnitt bogenförmiges Profil auf, das gegen die Drehachse des Schaufelrades konvex ist, während die Stirnflächen der Befestigungsansätze etwa rechtwinklig zur Mittellinie des bogenförmigen Profils verlaufen.

Bei diesem Schaufelrad rufen die durch die Zentrifugalkräfte an jeder Schaufel in jedem Querschnitt des Befestigungsansatzes in Ebenen rechtwinklig zu der

Mittellinie erzeugten Beanspruchungen gleichmäßig verteilte Druckkräfte hervor, die längs dieser Mittellinie verlaufen und in die Ringflächen der Halter eingeleitei werden. Die Befestigungsansätze der Schaufeln wirken demgemäß wie Gewölbeteile, die auf die Halter die Kräfte übertragen, welche in den dazwischenliegenden, nicht abgestützten Bereichen des Gewölbes wirksam sind.

Die Druckkräfte, die auf die Befestigungsansätze der Schaufeln durch die Verspannungen der beiden Halter ausgeübt werden, erzeugen Druckbeanspruchungen in den aerodynamisch profilierten Schaufelteilen, was dazu beiträgt, in diesen aerodynamisch profilierten Teilen die Biegebeanspruchungert zu verringern, die beim Betrieb der Turbine durch die Zentrifugalkräfte hervorgerufen werden. Diese Wirkung ist von besonderer Bedeutung mit Rücksicht darauf, daß bei den Schaufeln eines Schaufelrades einer Zentripetalturbine das Verhältnis der radialen Abmessung zu der axialen Abmessung bei jeder Schaufel wesentlich kleiner ist als das entsprechende Verhältnis bei Schaufeln eines axial durchströmten Turbinenschaufelrades.

Da weiterhin alle Bestandteile des Schaufelrades durch elastische Kräfte zusammengehalten werden, die zwischen den Berührungsflächen der Bestandteile wirksam sind, kommt ein beachtlicher schwingungsdämpfender Effekt zustande, der durch Einlegen von festen Schmiermitteln oder geeigneten Gleitmaterialien zwischen die Berührungsflächen gesteigert werden kann.

Weiterbildungen des Schaufelrades nach Patentanspruch 1 sind Gegenstand der Unteransprüche.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 ein Schaufelrad gemäß der Erfindung, zur Verwendung in einer Zentripetalturbine einer Gasturbinenanlage, in einem axialen Schnitt,

F i g. 2 eine der Schaufeln des Schaufelrades gemäß F i g. 1 in perspektivischer Darstellung,

F i g. 3 eine Variante der Schaufel gemäß F i g. 2 und

F i g. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel des Schaufelrades gemäß Fig. 1, in einem axialen Schnitt und einer vergrößerten Teildarstellung.

Bei dem in F i g. I und 2 dargestellten Schaufelrad haben die beiden gleichachsig angeordneten Halter 1 und 2 Kus Metal! die Gestalt von axial im Abstand voneinander angeordneten Drehkörpern. Sie enthalten Naben 3 bzw. 4 und sich radial von diesen aus erstreckende Scheiben 5 bzw. 6.

Die Scheiben 5 uitf 6 weisen vergrößerte äußere Umfangsteile auf, an denen aneinander zugewandte Ringflächen 7 bzw. 8 angeformt sind. Die beiden Ringflächen 7 und 8 verlaufen in gegeneinander geneigten Ebenen, die durch die Schaufelradachse hindurchgehen und in radialer Richtung nach außen konvergieren (F ig. 1).

Jede der Naben 3 und 4 weist eine axiale zylindrische Bohrung auf, durch welche eine gemeinsame Welle 9 hindurchgeht. Die Welle 9 trägt an ihrem einen Ende einen Kopf 11, der gegen die äußere Endfläche der Nabe 3 anliegt Das entgegengesetzte Ende der Welle 9 weist ein Außengewinde 12 auf, auf das eine Mutter 13 aufgeschraubt ist, die gegen die benachbarte Stirnfläche der Nabe 4 anliegt.

Die äußeren axialen Enden der beiden Naben 3 und 4 weisen ringförmige Sitze für Lager 15 und 16 auf. Das von den Haltern 1 iv-d 2 und der Welle 9 gebildete Bauteil stellt das Rad einer Turbine dar und ist in einem festen Bauteil 14 drehbar gelagert, das nur schematisch und teilweise dargestell t ist.

Zwischen den beiden Haltern 1 und 2 ist eine Anzahl von Schaufeln 17 aus keramischem Material, die ringförmig angeordnet sind, fest eingeklemmt Jede der Schaufeln 17 weist einen Befestigungsansatz 18 auf, der, wie gezeigt, in einem axialen Schnitt ein bogenförmiges Profil hat, das gegen die Drehachse des Schaufelrades konvex ist

Jede Schaufel 17 enthält einen Schaufelteil 19 mit einem aerodynamischen Profil.

Der Befestigungsansatz 18 weist zwei Stirnflächen 20 und 21 auf, die etwa rechtwinklig zu der Mittellinie 22 des gewölbten Profils des Ansatzes 18 verlaufen. Die Stirnflächen 20 und 21 des Ansatzes liegen gegen die ringförmigen Flächen 7 und 8 der beiden Halter 1 und 2 an.

Die Turbinenschaufeln 17 laufen auf einer festen Bahn um, die durch das Bezugszeichen 23 angedeutet ist.

Durch Anziehen der Mutter 13 auf dem Schraubengewinde 12 der Welle 9 werden die üüfestigungsansätze 18 der Reihe der Schaufeln 17 zwischen den gegen sie anliegenden Ringflächen 7 und 8 eingeklemmt wobei auf die Ansätze Druckkräfte ausgeübt werden, deren Richtung etwa in derjenigen der Mittellinie 22 ihrer bogenförmigen Profile verläuft.

Die Schaufelteile 19 der Schaufeln 17 weisen einen radialen Einlaßteil auf, dem während des Betriebes der Turbine heiße Gase durch einen Einlaßkanal 24 zugeführt werden. Sie enthalten weiterhin einen sich axial erstreckenden Auslaßteil, von dem die Gase in einen Auslaßkanal 25 austreten.

Beim Betrieb der Turbine erzeugen die Zentrifugalkräfte, die Zustandekommen und die an jeder Schaufel 17 in Richtung der Pfeile Fin Fig. 1 wirken, in jedem Querschnitt des Schaufelansatzes 18 in einer Ebene rechtwinklig zu der Mittellinie 22 Beanspruchungen, die in erster Linie Druckbeanspruchungen sind und längs der Mittellinie verlaufen. Diese Beanspruchungen werden auf die Ringflächen 7 und 8 übertragen, so daß Hie Schaufelansätze 18 wie bogenförmige Bauteile wirken, die fähig sind, auf die beiden stützenden Endringflächen 7 und 8 die Kräfte zu übertragen, die auf die ungestutzten mittleren Teile der Schaufelansätze einwirken.

Die Druckkräfte in den Schaufelansätzen 18 führen auch zu einer Vermehrung der Druckbeanspruchung in den profilierten Schaufelteilen 19 und tragen dazu bei, die Biegebeanspruchung in diesen Teilen zu verringern, die unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte beim Betrieb der Turbine entstehen. Da jeder der Schaufelteile 19 ein aerodynamisches Profil aufweist, das größere Abmessungen in axialer Richtung als in radialer Richtung aufweist, wird die restliche Zugbeanspruchung, die auf den Schaufelteil 19 beim Umlaufen des Schaufelrades gemäß der Erfindung wirkt, auf eine zulässige Größe reduziert

Die Schaufeln 17 können wegen Fehlens von Hinterschneidun.gen einfach durch Druckformen hergestellt werden.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Schaufel aus zwei zusammengefügten Segmenten 17a und 17f>, und das aerodynamische Profil der Schaufel weist eine beträchtliche axiale Ausdehnung auf. In diesem Fa'>. enthält jedes Paar aus Schaufelsegmenten 17a und 170 einen radialen äußeren Schaufelteil 190 und einen radialen inneren Teil 191, derart, daß, wenn die beiden Schaufelteile 190 und 191 axial

gegeneinander angelegt werden, der äußere Schaufelteil 190 eines Segmentes 17a eine Fortsetzung des inneren Schaufelteils 191 des anliegenden Segmentes 17b darstellt. In Fig.4 ist ein Ausfuhrungsbeispiel wiedergegeben, bei dem zum Schutz der äußeren Kante der Scheibe 3 des Schaufelrades vor den heißen Gasen der Ansatz 18 jeder Schaufel 17 mit einer Lippe 26 versehen ist, welche die Außenkante der Scheibe 5 abdeckt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaufelrad für eine Gasturbine, das Schaufeln aus keramischem Materia! aufweist, die je aus einem Schaufelten mit einem aerodynamischen Profil und einem Befestigungsansatz bestehen, der zwischen zwei in axialem Abstand voneinander angeordneten Haltern aus Metall mit zwei gegenüberliegenden kegelstumpfförmigen Ringflächen angeordnet ist, die gleichachsig mit der Schaufelradachse verlaufen und gegen die Stirnflächen des Befestigungsansatzes anliegen, und das weiterhin Spannmittel aufweist, mit denen die beiden Halter axial aufeinander zuverstellbar sind, um die Befestigungsansätze zwischen den beiden kegelstumpfförmigen Ringflächen einzuklemmen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Schaufelrad vom zentripetalen Typ die Befestigungsansätze (18) der Schaufeln (17) ein in einem axialen Schnitt bogenförmiges Profil aufweisen,, das gegen die Drehachse des Schaufelrades konvex ist, während die Stirnflächen (20,21) der Befestigungsansätze (18) etwa rechtwinklig zur Mittellinie des bogenförmigen Profils verlaufen.

2. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Befestigungsansatz (18) zwei im Abstand voneinander acgeordnete Schaufelteile (190, 191) mit einem aerodynamischen Profil angeordnet sind, von denen der eine Schaufelteil (190) der einen Schaufel [VIa) eine Fortsetzung des aerodynamischen Profils des anderen Schaufelteils (191)der benachbarten Schaufel (17/^darstellL

3. Schaufelrad nach Anspoich 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den .Befestigungsansätzen (18) der Schaufeln (17) jeweils eine Lifoe (26) ausgebildet ist, die sich nahe den Auslaßenden der Schaufeln über die äußere Umfangskante mindestens einer der Halter (1, 2) erstreckt und durch die diese Umfangskante vor der Wirkung der heißen Gase geschützt ist