DE2918874A1

DE2918874A1 - Turbinenduese aus einem verbundmaterial metall-keramik

Info

Publication number: DE2918874A1
Application number: DE19792918874
Authority: DE
Inventors: Theodore Ivanko
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1979-05-08
Filing date: 1979-05-08
Publication date: 1980-11-20
Also published as: DE2918874C2; GB2048393A; GB2048393B

Description

Es wird eins Turbinendüse geschaffen ₀ die sin Imisres Schauf ^versteif ungsband aus Metall aufweist, das mit eines äußeren *3c£iaufeiversteifungsband aus Metall vermittels einer begrenzten anzahl Metallschaufeln verbunden ist und vjeist sine Eshrnehi dia Luftströmung führende Schaufeln auf„ die aus keramik«äem Material gefertigt und mit den Schaufelversteifungsbändern durch Federkiasraern verbünde» sind» Die Verbundstruktur ermöglicht es die Turbinendüse bei höheren Tesioeratiarsn vtnß. mit weniger Kühlung au betreiben.

Die Erfindung betrifft eine Surbinendüse,, die sich swisehen der Verbrennungskammer und dem Turbinenrad einer festurfoine befindet und insbesondere eine neuartige verbesserte T^rbinendüse in "J körpes:bauw®ise_ff die aus Metall bestehende Saharifeln ubö "ceraiui Luftstroiiiongssehauf ein besitst? wodurch die H.nf or eiern «igsn an die Kühlluft für die Tarbinendüse verringert werden und es eriaoglisht ■viird^ die Siarbinendüse bei höheren ieniperatiiren mit ^sniger liühlMng su betreiben».

Bei der allgemein bekannten Gasturbine;? die üblisher^jsise als Turbojet bezeichnet wirä_? wird Luft in eineiii tsnlaufenclen !'oppressor komprimiert und in der Verbrennungskammer erhitzt, und scdann wird die Luft durch eine Gasturbine expandiert, in der keine zuslitzliciie Kraft (über die Kraft hinausgehend„ die zn den antrieb des Kompressors erforderlich ist) chirch die Turbine zugeführt. Um die durch Temperaturvorgang zus Vsrfügung stehende Energie und somit den Schub und den Wirkungsgrad eier Turbine su erhöhen;- hat man allgemein versucht die TurbineneinlaStemperatur zn erhöhen, da die nutzbare Leistung der Turbine in direkter Beziehung su der Türbineneinlaßtemperatur steht und dies trifft auf den Wirkungsgrad der Turbine ebenfalls su. Um einen Betrieb eines Turbojets mit höherem Wirkungsgrad su erreichen, d.h. höhere Arbeitstemperatur und somit höhere Schubwerte für eine gegebene Turbinengröße, ist vorgeschlagen worden, verbesserte Arbeitsweisen der Schaufelkühlung heranzuziehen, so daß höhere Turbineneinlaßtemperaturen ermöglicht werden. Vermittels derartiger Arbeitsweisen können die Temperaturen der Turbinen- und Rotorschaufeln bis an die Wärme- oder Oxidationsfestigkeit der Metalle getrieben werden. Soweit derartige Kühlverfahren jedoch nicht zur Verfügung stehen, versucht man verbesserte Schaufelmaterialien und Bauverfahren heranzuziehen.

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Es ist bereits bekannt geworden, keramische Materialien bei herkömmlichen Schaufelbauarten zu verwenden, da keramische Materialen die Fähigkeit besitzen wesentlich höheren Temperaturen als die bekannten Temperatur-festen Legierungen zu widerstehen» Insbesondere ist es bekannt geworden, keramische Materialien als die vordere Kante des Turbinenflügels anzuwenden wo die Temperatur stets am höchsten und die Kühlung am schwierigsten ist, da die Wärmezufuhr an der vorderen Kante ebenfalls am höchsten ist. Andererseits bedingen keramische Materialien bestimmte Probleme bei deren Anwendung wie ζ.Β. die Tatsache, daß keramische Materialien nicht die Zugfestigkeit von Metallen besitzen und die keramischen Materialien besitzen üblicherweise relativ geringe Duktilität und zeigen somit eine Neigung unter der Einwirkung erheblicher oder plötzlich beaufschlagter Wärmeschocks oder Belastungen, wie sie in Gasturbinen auftreten können, zur Rißbildung.

Versuche nach dem Stand der Technik sowohl Metalle als auch keramische Materialien bei dem Bau von Gasturbinendüsen anzuwenden, gingen von der Idee aus .einen Teil jeder Flügeloberfläche aus keramischem Material auszubilden, während der restliche Teil aus einem Metall gefertigt wird. Ein einschlägiges Beispiel stellt die US-PS 3 758 233 dar, wonach ein keramischer überzug auf ein flügeiförmiges Element für die Anwendung in einer Gasturbine aufgebracht wird. Einschlägige Angaben finden sich weiterhin in der Veröffentlichung "Ceramic Gas Turbine Has A Promising Future", Iron Age, Seiten 37, 38 und 39 vom 1. März 1976. Hiernach wird vorgeschlagen, einen keramischen Turbinenradstator herzustellen vermittels Spritzguß der keramischen Masse mit einschließlicher ReaktionsSinterung.

Keine der Lehren nach dem Stand der Technik stellt jedoch eine praktische Lösung bezüglich der Vorteile einer Vereinigung der Keramiktechnologie und dem derzeitigen Stand der Technik zum Herstellen metallischer Schaufelverstärkungsbänder und Flügelelemente dar unter Erzielen größtmöglicher Vorteile beider Materialien, ohne Konsessionen bezüglich der baulichen oder Wärmeabführungscharakter istika derselben. ErfindungsgemBß werden die Nachteiledes Standes der Technik ausgeräumt und eine neuartige und verbesserte Turbinendüse in Verbundkörperweise für die Anwendung in einer Gasturbine geschafen, die in der Lage ist die Anforderng an die Kühlluft zu verringern und die höhere Temperaturen mit weniger Kühlung ermöglicht. 030047/0185 - 6 -

Die wesentliche der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Turbinendüse in Form eines Verbundkörpers aus Metall mnd Keramik su schaffen. Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,, eine Kostenverringerung zu erzielen vermittels Verringern der Anzahl der in der Turbinendüse erforderlichen gekühlten Schaufeln, wobei gleichzeitig die dimensionale Toleranz aufrechterhalten wird unter Anwenden einer ausreichenden Anzahl von Metal!schaufeln zwischen den ansonsten nicht verbundenen inneren und äußeren aus Metall bestehenden Schaufelversteifungsbändern. Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine neuartige und verbesserte Turbinendüse zu schaffen, bei der Metallschaufeln oder ein Teil derselben sich in Gebieten niedriger Temperatur des Düseneinlasses befinden.

Hach einer Ausführungsform wird eine Turbinendüse in Verbundkörperbauweise für eine Gasturbine geschaffen, wobei ein äußeres Schaufelversteifungsband oder Gehäuse aus Metall sowie ein inneres Schaufelversteifungsband oder Gehäuse aus Metall vorliegen, sowie diese Gehäuse vermittels einer Mehrzahl Metallschaufeln verbunden sind. Es ist eine Mehrzahl an keramischen Schaufeln zwischen den Metallschaufeln angeordnet und erstreckt sich zwischen dem äußeren und dem inneren Gehäuse. Vermittels dieser Anordnung sind die Anforderungen an die Kühlluft für den Hochtemperatur-Luftfluß an dem Einlaß der Gasturbine verringert oder man kann mit höheren Einlaßtemperaturen ohne zusätzliche Luftkühlung arbeiten. Kostenverbesserungen werden erzielt, da die Anzahl der Kühlschaufeln pro Turbine wesentlich verringert wird und die Metalschaufeln können selektiv- in den Gebieten niedrigerer Temperatur an dem Einlaß der Turbinendüse angeordnet werden. Weiterhin wird durch das Anwenden von Metallschaufeln die Dimensionsbeständigkeit des Verhältnisses von inneren und äußeren Schaufelverstärkungsband aufrechterhalten und die keramischen Schaufeln sind an den Schaufelversteifungsbändern vermittels Federklammern befestigt, so daß die keramischen Schaufeln nicht die achiialen Bewegungen der Schaufelversteifungsbänder absorbieren müssen, wodurch es möglich wirddie keramischen Schaufeln in einer einfachen einteiligen Bauart herzustellen.

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Ein Äusführungsbeispiel ist in den Seichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschriebene, Es ^eigens

Fig.-1 einen Querschnitt durch ein Düsenteil einer Gasturbine nach dem Stand der Technik?

Fig» 2 eine teilweise Isometrische Ansicht ©ines Querschnitts durch eine erfindungsgeraäße Turbinendüse?

FIgο 3 eine teilx-?e<§se isometrisch© Ansicht eines Statorschaufelsegmentes für eine erfindungsgemäße Törblaendüse?

FIg» 4 eine Querseanitsansieht des¹ Metalisehaufei in der erfindungsgemäßen Turbinesdüse_o

Fig. 1 gibt den Stand äex Technik gemäß ü<sis US-PS 3 519 077 wieder, wobei eine vordere keramische Kant© 11 für eiaen Körper 12 einer Statorschaufel mit Luftflügelprofil swlschea einer Begrenzung 14 eines äußeren Gehäuses 16 wmL ©iaos iaaerea Begrenzung 18 für ein inneres Gehäuse 20 einer Gasturbine vorg©ssh©a. ist» Die äußere Begrenzung 16 und die innere Begreaauag 18 bilden eine Turbinen= düse für eine Verbrennungskammer (sieht geneigt), die sich in Richtung auf ein Turbinenrad öffnet _t von dem ein Schaufelteil 22 gezeigt istο Um die gewünschte Kraft auszubilden? wirkt die Statorschaufel bestehend aus der imräerea Kante 10 und dam Körper 12 auf die von der Düse kommeade Stroauag so ein? daß auf die Schaufeln 22 des Turbinenrades ©iae Drehkraft beaufschlagt wird«

Es ergibtsich somit, daß diese Statorschamfeln der Einwirkung von Gasen mit sehr hoher Temperatur ausgesetzt sind» Um eine ausreichende Lebensdauer zu erzielen _r sind die vollständig aus Metall bestehenden Schaufeln aus einem Verbundkörper bestehend aus Keramik und Metall hergestellt worden» Weiterhin ist der Metallkörper offen gestaltet worden«, so daß aus dem Kanal 24 kommende Kühlluft aufgenommen und dieselbe an den Kanal 26 abgegeben wirdj, von wo aus dieselbe allgemein über den Turbinenradabschnitt in den Abgasfluß der Gasturbine überführt wird. Es ist zu beachten,, daß die Lehre nach diesem Stand der Technik ebenfalls dahingeht, daß die gesamte Schaufel aus Keramikscheiben mit zwischengeordneten ünterlegteilen hergestellt wird, um so das gewünschte Statorschaufelprofil zu erhalten. Die Schaufel wArde zwischen den

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Düsenbegrenzungen vermittels eines hohlen Stiftes angeordnet, so daß durch diesen keramischen Körper Kühlluft fließen kann sowie es der Fall bei dem Metallkörper ist.

Erfindungsgertiäß wird nun eine verbesserte Turbinendüse in Form eines Verbundkörpers geschaffen, der in den Figuren 2 bis 4 gezeigt ist. Wie anhand der Figur 2 ersichtlich, weist die erfindungsgemäße Turbinendüse eine Mehrzahl Schaufeln 30 auf, die aus einer keramischen Masse gefertigt und sich an jeder Seite einer vollständig aus Metall bestehenden Schaufel 32 befinden. Dieselben erstrecken sich zwischen den äußeren Metallgehäuse 34 und einer inneren, aus Metall bestehenden Begrenzung 36, die in geeigneter Weise mit einem inneren Gehäuse 38 verbunden ist. Das letztere v/eist eine Mehrzahl gebohrter Kanäle 40 auf, durch die Kühlluft in die Metallschaufel 32 überführt wird, von wo aus die Luft über die Oberflächenöffnungen 44 abgegeben wird. Wie anhand der Figur 4 ersichtlich, besitzt jede Metallschaufel 32 ebenfalls öffnungen 48 an der hinteren Kante für die Abgabe der Kühlluft. Wie anhand der Figur 3 ersichtlich, ist an der Begrenzung 36 eine Federklammer 50 befestigt und hält die keramische Schaufel 30. Ähnliche Anordnungen sind für die äußere Verbindungsstelle von Gehäuse und Schaufel vorgesehen.

Erfindungsgemäß wird somit eine Turbinendüse in Forr.i eines Verbundkcrpers aus Metall und Keramik geschaffen, durch die die Irfordernisse an Kühlluft Verringertwerden und mit weniger Kühlluft höhere Temperaturen ermöglicht werden. Fs ergibt sich hierdurch ebenfalls eine Kostenverringerung durch die Verringerung der Anzahl der in der Düse erforderlichen gekühlten 'Ietallschaufeln, wobei gleichzeitig durch Anwenden einer ausreichenden Anzahl an :letallschaufeln zwischen den inneren und äußeren Metallstrukturen, die ansonsten nicht verbunden sind, die dimensionale Toleranz aufrechterhalten wird. Es ist ebenfalls möglich dies weiter dadurch zu verbessern, daß die Metallschaufeln oder ein Teil derselben in Gebieten niedrigerer Temperatur angeordnet v/erden, und zwar an dem Düseneingang wo die Strömung von der Brennkammer kommt. Es ist erfindungsgenäß ebenfalls möglich, eine vorteilhaftere Anwendung der Flexibilitäten der inneren und äußeren Schaufelversteifungsbänder aus Metall zu erzielen, indem die darauf ausgeübten Schaufelbelastungen verringert werden.

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Da die I-letallschaufel 32 die achsiale Lage der Schaufelversteifungsbänder aufrechterhalten, brauchen schließlich die keramischen Schaufeln 30 nicht achsiale Dimensionsvaränderungen zu absorbieren. Dies bedeutet im Gegensatz zu dem Stand der Technik, wonach Scheiben für den 7-mfbau derartiger keramischer Schaufeln angewandt werden, daß
die erfindungsgemäßen keramischen Schafein einen einteiligen und
einfachen Aufbau mit sich bringen.

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Leerseite

Claims

PATENTANWALT D-, BERLIN 33 4 5 79

MANFREDMIEHE falkenr.ed 4 ' ·

Telefon: (030) 8 311950

Diplom-Chemiker Telegramme: INDUSPROP BERLIN

Telex: 0185443

US/16/2421 L-5O7-F-9

AVCO CORPORATION 1275 King Street, Greenwich, Conn. 06830, USA

Turbinendüse aus einem Verbundmaterial Metall-Kerarcik

Patentansprüche

ΛDüse einer Gasturbine angeordnet zwischen einer Verbrennungskammer und einem Turbinenrad, gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Merkmale:

a) ein äußeres Gehäuse;

b) ein inneres Gehäuse;

c) eine iiehrzahl keramischer Schaufeln zwischen dem äußeren und dem inneren Gehäuse und

d) eine Iiehrzahl Metallschaufeln zwischen den keramischen Schaufeln, die das äußere und das innere Gehäuse verbinden.
2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung für das Zuführen eines Kühlraediums zu den Metallschaufein vorgesehen ist.
3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennz eichnet, daß die Anordnung für das Zuführen des Kühlmediums ein Kanal in dem inneren Gehäuse ist, der sich zu einer Kammer erstreckt, die gegenüber dem hohlen Inneren der Metallschaufeln offen ist.
4. Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaufeln Kanäle aufweisen, die von dem hohlen Inneren durch deren Oberfläche in der Düse für die Abgabe des Kühlmediums erstrecken.

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BAD ORIGINAL
5.Turbinendüse, gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Merkmale:

a) ein äußeres Gehäuse mit einer vorherbestimmten Metallzusammensetzung und einer Anordnung, um dasselbe festzulegen,

b) eiii inneres Gehäuse aus ähnlichem Material, durch das sich ein Kanal erstreckt und ebenfalls eine Anordnung zum Festlegen desselben.

c) eine Mehrzahl Schaufeln aus einem ähnlichen Metall wie das des äußeren Gehäuses, wobei die Schaufeln das innere und das äußere Gehäuse verbinden und ein hohles Inneren aufweisen, das gegenüber dem Kanal des inneren Gehäuses offen ist und

d) eine Mehrzahl einteiliger, d.h. massiver keramischer Schaufeln zwischen dem äußeren und dem inneren Gehäuse, durch die dieselben so festgelegt sind, daß achsiale Veränderungen des äußeren und des innerenGehäuses während der Strömung eines Eochtemperaturmediums in der Turbinendüse ermöglicht werden, sich zwischen den keramischen Sahaufein die Metallschaufeln befinden.
6. Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Metallschaufeln Kanäle für die Abgabe von Kühlluft aus denselben besitzen.
7. Turbinendüse für Hochtemperatur-Gasströmung, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) eine Metallanordnung bestehend aus äußeren und inneren Gehäusen verbunden durch eine begrenzte Anzahl gekühlter Metallschaufeln,

b) eine Mehrzahl keramischer Schaufeln angeordnet zwischen den Metallschaufeln, die nicht fest in die Metallandrdnung integriert sind.
8. Düse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Schaufeln sowohl durch das äußere als auch das innere Gehäuse vorspringen.
9. Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennz eichnet, daß an dem äußeren und inneren Gehäuse befestigte Federklammern über einen Reibungseingriff die Schaufeln ohne Integration lokalisieren, so daß auf die Schaufeln Kräfte beaufschlagt werden, die in der Metallanordnung erzeugt werden.

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10. Düse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallanordnung Mittel besitzt, durch die ein Kühlmedium aufgenomraen und in die Schaufeln überführt sowie aus denselben abgegeben wird.

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