DE2849747A1

DE2849747A1 - Aus keramischen werkstoffen bestehender axial-leitschaufelkranz fuer gasturbinen

Info

Publication number: DE2849747A1
Application number: DE19782849747
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Rer Nat Burfeindt; Manfred Ing Grad Langer; Patrick Stuart
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-11-16
Filing date: 1978-11-16
Publication date: 1980-05-29
Also published as: US4365933A

Description

VOLKSWAGENWERK

AKTIENGESELLSCHAFT 3180 Wolfsburg

unsere Zeichen: K 26J8
1702pt-we-kl

Aus keramischen Ferkstoffen bestehender Axial-Leitschaufelkranz für Gasturbinen

Die Erfindung bezieht sich auf einen aus keramischen Werkstoffen bestehenden Axial-Leitschaufelkranz für thermische Strömungsmaschinen, insbesondere für Gasturbinen, bestehend aus Leitschaufeln und diese am radial inneren und äußeren Umfang verbindenden Deckringen.

Der Wirkungsgrad und die spezifische Leistung einer Gasturbine hängen bekanntlich entscheidend von der Temperatur der Arbeitsgase ab. Da bei Verwendung metallischer Werkstoffe für die gasführenden Bauteile der Gasturbine die Höhe der erreichbaren Gastemperaturen von der relativ niedrigen Warmfestigkeit dieser Werkstoffe begrenzt wird, ist bereits vorgeschlagen worden, durch Einsatz keramischer Werkstoffe, wie Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder auch Aluminiumtitanat das Arbeitstemperaturniveau und damit den Wirkungsgrad und die spezifische Leistung der Turbine zu erhöhen.

Dabei ergeben sich Schwierigkeiten für eine dem keramischen Werkstoff gerecht werdende Gestaltung der Bauteile, da neben einer

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Vorsitzender Vorstand: Toni Schmucker, Vorsitzender ■ Horst Baclcsmann · Prof. Dr. techn. Ernst Fiala · Dr. jur. Peter Frerlc

des Aufsichtsrats: Günter Hartwich · Horst Munzner - Dr. rer.pol. Werner P. Schmidt Gottlieb M. Slrobl · Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thomee

Hais Bimbaurn Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wolfsburg HRB

guten Aerodynamik der Strömungswege auch eine günstige Pertigungsmöglichkeit und hohe Standfestigkeit gegenüber den bei extremen Betriebsbedingungen auftretenden thermischen Beanspruchungen zu berücksichtigen ist. So hat sich gezeigt, daß die Leitschaufelkränze von Gasturbinen, insbesondere im Bereich des äußeren Deckringes und an den Schaufeln selbst, jeweils im Bereich der Schaufelaustrittskante, erheblichen Wärmespannungen, vor allem während der Startphase und beim Abschalten der Gasturbine von Tollast auf Stillstand, ausgesetzt sind, die leicht zum Bruch führen können. Besonders hohe Werte nehmen diese Spannungen bei aus einem Stück bestehenden Leitschaufelkränzen an, die vom Gesichtspunkt der Leckverluste und der Integration in ein Gasturbinentriebwerk eine anzustrebende Gestaltungslösung wären. Da ein derartiger monolithischer, das heißt aus einem Stück bestehender, Leitschaufelkranz zudem Schwierigkeiten bei der Herstellung aus Keramik-Werkstoffen bereitet, ist es auch schon bekannt, den Leitschaufelkranz aus einzelnen, jeweils eine Schaufel und einen Umfangsanteil der Deckringe enthaltenden Segmenten zusammenzustellen, die einzeln gefertigt und anschließend durch besondere Mittel wie Bandagen oder dergleichen zusammengehalten werden. Ein derartiger Aufbau des Leitschaufelkranzes erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand an Bauteilen und Bauraum,

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, einen aus keramischen Werkstoffen bestehenden Leitschaufelkranz für thermische Strömungsmaschinen, insbesondere für Gasturbinen zu schaffen, der sowohl hinsichtlich der Wärmebeanspruchungen bei extremen instationären Betriebsbedingungen, als auch hinsichtlich der Aerodynamik und der IPertigungsmöglichkeiten wie des Batiaufwände s optimal gestaltet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß die -Deckringe im Bereich zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufeln im wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Entlastungsschlitze aufweisen. Dabei sollen die Schlitze etwa auf der Mittel-

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linie zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufeln an dem Deckring vorgesehen sein und zumindest in Höhe der Austrittskanten der Schaufeln, beispielsweise also etwa in dem Bereich des Deckringes vorgesehen sein, der in Höhe der in axialer Richtung hinteren Hälfte der Schaufeln liegt. Diese Schlitze sollten dabei zur Vermeidung von Kerbspannungen in ihren Endbereichen zweckmäßigerweise Abrundungen aufweisen. Die Schlitze können auch durch in den Deckringen eingeschlossene Folien aus einem wärmebeständigen Material gebildet sein. In diesem Fall sollten an dem Deckring jeweils im Endbereich der Folien radial verlaufende Entlastungslöcher vorgesehen sein.

Wie erfinder3eitig durchgeführte Berechnungen und Versuche gezeigt haben, ist bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Leitschaufelkranz es eine entscheidende Reduzierung der in den Schaufeln und am Deckring, vor allem im Bereich der Schaufelaustrittskanten, auftretenden Wärmespannungen erreichbar, die erst den Einsatz keramischer Werkstoffe, wie Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder Aluminiumtitanat ermöglicht. Entscheidend ist dabei, daß die Ringspannungen durch im wesentlichen axiale Entlastungsschlitze, die zumindest in dem der Schaufelaustrittskante zugeordneten Bereich der Deckringe vorgesehen sind, entscheidend abgebaut werden können. Heben dieser Reduzierung der Wärmespannungen zeigt sich auch, daß die Leckverluste solcher Leitschaufelkränze nicht wesentlich größer als bei einem monolithischen Schaufelkranz sind, da die Schlitze nicht über die gesamte Deckringbreite verlaufen müssen. Schließlich zeichnet sich der erfindungsgemäße Leitschaufelkranz auch durch eine günstige Herstellbarkeit aus, indem gemäß einem von der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren jeweils eine Schaufel und die dieser zugehörigen, radial äußeren und inneren Deckringabschnitte enthaltende einzelne Segmente des Leitschaufelkranzes aus dem keramischen Material hergestellt, diese Segmente im Grünzustand zu einem kompletten Kranz zusammengesetzt und anschließend die Deckringabschnitte unter Belassung der Schlitze zwischen den Segr_enten miteinander durch ein Verbindungsverfahren, zum Beispiel durch

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Uitridieren, "Verkleben, oder dergleichen, verbunden werden. Ein auf diese Weise hergestellter Turbinenleitkranz ist wesentlich einfacher und kostengünstiger herzustellen, als ein monolithischer Leitkranz, da nur ein einziges Werkzeug für alle Schaufelsegmente benötigt wird. Darüberhinaus bietet er, anders als ein aus getrennten Schaufelsegmenten bestehender Leitschaufelkranz, aufgrund der Tatsache, daß durch die Verbindung der Deckringsegmente auf einem Teil ihrer axialen Länge ein quasi monolithischer Leitschaufelkranz gebildet worden ist, günstige Möglichkeiten für eine einfache Integrierung in ein Gasturbinentriebwerk.

In der Zeichnung sind in teils schematischer Darstellungsweise Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die im folgenden näher beschrieben sind. Die Zeichnung zeigt in

Figur 1 eine räumliche Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzes,

Figur 2 einen Teil eines Schnittes durch den Leit- schaufelkranz in vergrößertem Maßstab gemäß den Schnittlinien II-II nach Figur 1,

Figuren 3 und 4 Draufsichten auf andere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzes und

Figur 5 einen Längsschnitt durch einen Leitschaufelkranz gemäß einer weiteren Ausführungsform.

In der Zeichnung sind für gleiche oder gleichartige Bauteile die gleichen, gegebenenfalls mit einem Strich versehenen Bezugszeichen verwendet worden. Dabei bezeichnet 1 den gesamten Axialleitschaufelkranz einer Gasturbine, 2 die Schaufeln, 3 den radial inneren und 4 den radial äußeren Deckring. In den Deckringen sind jeweils auf der Mitte zwischen jeweils zwei benachbarten Leitschaufeln in der Figur Schlitze 5 vorgesehen, die in ihren Endbereichen Abrundungen 8 aufweisen. Diese Sehlitze 5 erstrecken sich radial durch den gesamten Deckring 3 bzw. 4, in axialer Richtung dagegen nicht über die gesamte Deckringbreite, so daß ein ausreichender Zusammenhalt des Leitschaufel

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kranzes gegeben ist. Die Erfindung sieht dabei insbesondere vor, daß die Schlitze zumindest in Höhe der Austrittskanten 7 <3-^er Schaufeln 2 an den Beckringen 3 und A vorgesehen sind. Der Bereich der Schaufeleintrittskanten 6 ist dagegen im Hinblick auf die im Betrieb auftretenden Wärmespannungen nicht so kritisch.

Bei den in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen weist der radial äußere Deckring A im Bereich der Einmündungen der Schaufeln 2 an seiner radial äußeren Umfangsfläehe' im wesentlichen

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axial verlaufende Ausnehmung/ 9 mit geradlinigen (Fig. 3) oder aber auch den Konturen der Schaufeln 2 angepaßten Wänden 13, 14 (Fig. 4) auf, deren Breite in TJmfangsrichtung etwa 40 bis 60 fo der Schaufelteilung, das heißt des Abstandes zweier benachbarter Schaufeln voneinander, beträgt.

In der Figur 2 ist der Bereich des Überganges von der Schaufel 2 auf den äußeren Deckring A in vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Ausnehmungen 9 dienen dabei dazu, einen Wärmestau in dem Übergangsbereich zwischen dem Schaufelprofil und dem Deckring zu vermeiden, der insbesondere bei den extrem instationären Betriebsbedingungen, wie Start und Abstellen der Gasturbine aus dem Tollastbereich heraus, erhebliche Temperaturgradienten und dadurch verursachte Wärmespannungen zur Folge haben würde. Dabei soll die Ausnehmung 9 so bemessen sein, daß die in diesem Bereich verbleibende radiale Stärke des Deckringes A etwa der mittleren Profildicke der Schaufeln 2 entspricht, während der außerhalb dieser Ausnehmungen liegende Bereich eine radiale Stärke von etwa dem 3 bis 10 fachen Wert der mittleren Schaufelprofildicke aufweisen soll.

Wie aus der Figur 3 weiter hervorgeht, können die Schlitze in dem Deckring A¹ auch durch zwischen den Deckringsegmenten eingelegte Folien 11 aus einem hitzebeständigen Material gebildet sein. Diese Folie ist hier in dem Bereich des Deckringes vorgesehen, der in Höhe der hinteren Hälfte der Schaufeln 2 liegt. An dem etwa in' der Deckringmitte liegenden Endbereich der Folie 11 ist in dem Deckring ein

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Entlastungsloch 12 vorgesehen, das ähnlich wie die Ausrundungen 8 an den Schlitzen 5 der Ausführung nach der Figur 1 das Entstehen von Kerbspannungen weitgehend vermeiden soll.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Leitschaufelkränze kann in der Weise erfolgen, daß jeweils einzelne Leitschaufelkranzsegmente, die eine Schaufel und den auf diese fallenden Umfangsanteil der Deckringe 5 und 4 enthalten, aus dem keramischen Werkstoff, wie ■beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder auch Aluminiumtitanat beispielsweise durch Spritzen oder dergleichen, hergestellt werden. Diese Einzelsegmente werden dann noch im sogenannten Grünzustand in einer Vorrichtung zu einem geschlossenen Kranz zusammengestellt und durch ein auf den keramischen Werkstoff abgestelltes Verbindungsverfahren zusammengefügt. Dabei verbinden sich die in der Zeichnung mit unterbrochenen Linien 10 bzw. 10' angedeuteten Bereiche der Teilfugen der aneinanderliegenden Leitkranzsegmente, während in dem Bereich der Schlitze 5 bzw. der Folien 11 eine direkte Verbindung nicht hergestellt wird.

So könnenz, B. die Leitschaufelkranzsegmente aus Siliziumnitrid oder -karbid im Spritzgußverfahren hergestellt werden, worauf die zu verbindenden Teilfugenflächen der Segmente im Grünzustand mit einem Plastifizierer angelöst und anschließend verklebt werden. Darauf folgt die Entfernung des Plastifizierers durch Ausbrennen und eine abschließende Nitrierung bzw. Silizierung.

Werden dagegen die Schaufelkranzsegmente im Schlickergußverfahren hergestellt, dann können die Verbindungsflächen mit bauteileigenem Material eingeschlämmt und durch Trocknen verklebt werden. Eine abschließende Sinterung, Mtrierung oder Silizierung führt dann zu dem fertigen Leitschaufelkranz. Eine Verklebung der Verbindungsflächen wäre auch noch nach Pertigsinterung der Schaufelkranzsegmente unter Verwendung z. B. chemisch-keramisch abbindender oder sinterbarer oxidischer oder nichtoxidischer Zemente möglich, wobei die Zemente in ihren Eigenschaften dem Grundmaterial der Segmente angeglichen werden müssen.

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In der Figur 5 schließlich ist eine Ausführung eines Leitschaufelkranzes gezeigt, bei dem abweichend von den bisher beschriebenen Konstruktionen, die den Deckring bildenden Segmente 4''' durch ein ebenfalls aus keramischem Werkstoff bestehendes ringförmiges Deckband 15 umgeben ist, Dieses Deckband weist in dem der Schaufeleinmündung entsprechenden Bereich eine umlaufende Ringnut 16 mit ausgerundeten Endbereichen auf und ist nur an den seitlichen Randbereichen 17 mit den Deckringsegmenten 4^ffT wieder durch eine werkstoffgerechte Verklebung verbunden. Die radiale Stärke des Deckringes sollte wiederum zur Vermeidung von WärmeStauproblemen der mittleren Profildicke der Schaufel entsprechen. Die einzelnen Schaufelkranzsegmente brauchen hier nicht untereinander verbunden zu werden, da sie jeweils direkt mit dem Deckband verbunden sind und somit ein fester Zusammenhalt gegeben ist.

Der Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, daß die Deckringe keine äußere zerklüftete TJmfangsfläche mehr aufweisen und somit leichter und vorteilhafter in das Laufzeug der Turbine integriert werden können.

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Claims

2843747 V O L K S W A G E N W E R K AKTIENGESELLSCHAFT 3180 Wolfsburg Unsere Zeichen: K 26J8 1^=; 7R 1702pt-we-kl ASSPBÜCHE

1.JAus keramischen Werkstoffen "bestehender Axial-Leitschaufel~ kranz für thermische Strömungsmaschinen, insbesondere für Gasturbinen, "bestehend aus Leitschaufeln und diese am radial inneren und äußeren Umfang verbindenden Deckringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckringe (3,4) i^m Bereich zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufeln (2) im wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Entlastungsschlitze (5) aufweisen.

2. Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Deckringen (3, 4) vorgesehenen Entlastungsschlitze (5) etwa auf der Mittellinie zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufeln (2) angeordnet sind.

3. Leitschaufelkranz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsschlitze (5) zumindest in Höhe der Austrittskanten (7) der Schaufeln (2) angeordnet sind.

4= Leitschaufelkranz nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsschlitze (5) etwa in dem Bereich der Deckringe (3, 4) vorgesehen sind, der in Höhe der in axialer Richbung hinteren Hälfte der Schaufeln (2) liegt.

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Vorsitzender Vorstand: Toni Schmucker, Vofsnzender ■ Horst Badesmann ■ Prol. Dr. tedin. Ernst Fiala · Dr. jur. Peter Frerk

d»s Aufsichtsrals: Günter Har:wich · Horst Münzner · Dr. rer. pol. Werner P. Schmidt Gottlieb M. Strobl · Prot. Dr. rer. pol. Friedrich Thcmee

H₃rs Birnbaum Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht WoltsBurg HRB

5. Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (5) in. ihren Endhereichen Abrundungen (8) aufweisen.

6. Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsschlitze durch in den Deckringen (3, 4) eingeschlossene Folien (11) aus einem wärmebeständigen Material gebildet sind.

7. Leitschaufelkranz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Deckringen jeweils im Endbereich der Folien (11) radial verlaufende Entlastungslöcher (12) -vorgesehen sind.

8. Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß an der den Schaufeln (2) abgewandten TTmfangsflache der Beckringe (4) Ausnehmungen (9) im Bereich der Schaufeleinmündungen vorgesehen sind.

9. Leitschaufelkranz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (9) im wesentlichen axial verlaufen und in Dmfangsrichtung gesehen eine Breite von etwa 40 - 60 % der Schaufelteilung aufweisen.

10. Leitschaufelkranz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Ausnehmungen (9) im wesentlichen parallel zu den Außenkonturen der Schaufeln (2) verlaufen.

11. Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckringe (4) im Bereich der Ausnehmungen (9) eine radiale Stärke aufweisen, die etwa der mittleren Profildicke der Schaufeln (2) entspricht.

12. Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckringe (4) in dem außerhalb der

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Ausnehmungen (9) liegenden Bereich eine radiale Stärke von etwa dem 3 his 10 fachen Wert der mittleren Profildicke der Schaufeln (2) aufweisen.

13. Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 1 Ms 7_} dadurch gekennzeichnet, daß die Deckringe eine radiale Stärke aufweisen, die etwa der mittleren Profildicke der Schaufeln entspricht, und daß die Deckringe an den den Schaufeln angewandten TJmfangsflächen mit ringförmigen, im Bereich der Schaufeleinmündungen Umfangsnuten aufweisenden Deckbändern verbunden sind.

14· "Verfahren zur Herstellung eines aus keramischen Werkstoffen bestehenden Axialleitschaufelkranzes nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Schaufel (2) und die dieser zugehörigen radial äußeren und inneren Deckringabschnitte enthaltende, einzelne Segmente des Leitschaufelkranzes (1) aus dem keramischen Material hergestellt, diese Segmente im Grünzustand zu einem kompletten Kranz zusammengesetzt und anschließend die Deckringabschnitte miteinander durch ein Verbindungsverfahren verbunden werden.

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