DE3019920C2 - Einrichtung zur äußeren Ummantelung der Laufschaufeln von Axialturbinen für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur äußeren Ummantelung der Laufschaufeln von Axialturbinen für Gasturbinentriebwerke, bei der ein Gehäusemantelring auf der dem Heißgasstrom sowie den freien Laufschaufelenden zugekehrten Seite aus einer Pak- so kung hochwarmfester, erosionsbeständiger keramischer Elemente zusammengesetzt ist, die mit einem Metallring formschlüssig verbunden sind, der eine koaxiale Innenwand sowie radiale Stirnwände des Gehäusemantelrings bereitstellt und dabei ferner einen auf der dem js Heißgasstrom abgewandten Seite der Keramikpackung angeordneten, als hocheffiziente Wärmedrossel ausgebildeten Isolator umschließt, wobei die koaxiale metallische Innenwand mittels Kompressorluft anblasbar ist.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 27 37 622 bekannt.

Aufgrund der heißgasseitigen Ausbildung der Turbinenummantelung als Keramikpackung einerseits sowie mit der angegebenen Zuordnung des Wärmeisolators andererseits wären anhand der bekannten Einrichtung die Erfordernisse an eine korrosions- und erosionsfeste Turbinenummantelung bei vergleichsweise geringem Kühlaufwand vom Grundsatz her zwar schon erfüllbar.

Der Nachteil dieser keramischen Materialien ist nun aber das Fehlen jeglicher Duktilität. Es ist nämlich hierbei besonders zu beachten, daß bei keramischen Materialien eine Nachgiebigkeit, wie im Falle metallischer Wabenstrukturen, keinesfalls zu erwarten, noch möglich ist. Es muß befürchtet werden, daß die zur Auskleidung eines Turbinenmantelrings benutzten Keramikelemente unter mechanischer Belastung, wie sie bei Schaufelanstreifvorgängen zu erwarten sind, zerbrechen und demzufolge zu ernsthaften Schäden an den Schaufeln und am Mantelring bzw. am ganzen Triebwerk führen können.

Gerade im Wege der zu eingangs behandelten bekannten Einrichtung in der DE-OS erörterten Verwendung einer Keramikpackung mit Keramikblökken, deren Dicke und Volumina so groß wie möglich zu b5 wählen wären, würde aber erfahrungsgemäß die Bruchgefahr der Keramikelemente bzw. -blöcke eher erhöht als verringert.

Demnach ist anhand der vorliegenden bekannten Einrichtung kein geeigneter Weg aufgezeigt, um neben den schon genannten Erfordernissen (Korrosions- und Erosionsbeständigkeit) gute Schaufeleinlaufeigenschafte« zu erzielea ohne dabei Schaufel- oder Turbioenmantelringschäden befürchten zu müssen.

Einer Auskleidung von Turbinenmantelringen auf der dem Heißgas zugewandten Seite mit wabenartigen Strukturen gemäß der GB-PS 8 51323 liegt die Erwartung zugrunde, daß die betreffende Auskleidung des Turbinenmantelrings bei einem Anstreifen der Laufschaufelköpfe nachgiebig reagiert, so daß Schäden an den Schaufeln und am Mantelring vermieden werden. Diese Nachgiebigkeit ist aber nur bei Verwendung dicker duktiler Bleche beim Aufbau der Wabenstruktur erreichbar. Der wesentliche Nachteil dieser metallischen Schaufeleinlaufmaterialien wird jedoch in deren begrenzter Hochtemperaturfestigkeit gesehen, die im Bereich der Hochdruckturbinen moderner Gasturbinentriebwerke eine vergleichsweise aufwendige Kühlung erzwingt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgetragenen Nachteile zu beseitigen und eine Turbinenummantelung für Axialturbinen von Gasturbinentriebwerken zu schaffen, bei der gleichzeitig beide Grundforderungen, nämlich hohe Korrosionsund Erosionsfestigkeit des dem Heißgasstrom ausgesetzten Keramikmantels und gute Einlaufeigenschaften optimal erfüllt werden, ohne daß mit der Gefahr etwaiger durch Schaufelanstreifvorgänge verursachter Schaufel- oder Mantelringschäden gerechnet werden muß.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs.

Hierdurch können die schneidenförmig radial vorstehenden Endkanten der Keramikelemente auf der dem Heißgasstrom zugekehrten Seite bei zu erwartenden Anstreifvorgängen von den Laufschaufelkörper bis zur Einlauftiefe abgeschlagen werden, ohne daß diese bewußt in Kauf genommene »Beschädigung« die Integrität der Keramikelemente selbst gefährden könnte. Somit werden die beiden zuvor schon genannten Grundanforderungen hoher Korrosions- und Erosionsfestigkeit bei gleichzeitig guten Einlaufeigenschaften optimal erfüllt.

Zur Anpassung an die Dehnung des Laufrades kann die Temperatur — und damit die Dehnung — des Metallringes in bekannter Weise durch Anblasen mit Luft entsprechender Temperatur gesteuert werden. Die mit dem Metallring verbundenen Keramikelemente folgen den Dehnungen des Metallringes und gewährleisten dadurch ein gleichbleibend enges Schaufelkopfspiel. Die aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung zwischen Metall und Keramik im Betrieb zu erwartenden Spalte zwischen den einzelnen Keramikelementen, die im kalten Zustand dicht gepackt sind, haben nur einen vernachlässigbar kleinen Leckverlust zur Folge.

Anhand der Zeichnung ist die Erfindung nachstehend beispielsweise weiter erläutert; es zeigt F i g. 1 einen Axialschnitt der Einrichtung und Fig.2 einen vergrößert wiedergegebenen Schneidkantenanlaufabschnitt aus F i g. 1.

Gemäß Fig. 1 ist die Einrichtung zur Ummantelung der Laufschaufeln von Axialturbinen für Gasturbinentriebwerke auf der dem Heißgasstrom sowie den freien Enden der Laufschaufeln zugekehrten Seite eines

Gehäusemantelringes 2 aus einer Packung 3 von Elementen aus hochwarmfester, erosionsbeständiger Keramik zusammengesetzt Der Gehäusemantelring 2 wird hierbei teilweise von einem Metallring 4 gebildet, mit welchem die Keramikpackung 3 formschlüssig verbunden ist. Zwischen der dem Heißgasstrom abgewandten Innenseite der Keramikelementpackung 3 und dem Metallring 4 befindet sich ein in letzteren im wesentlichen gänzlich eingebetteter, als hocheffiziente Wärmedrossel wirkender Isolator 5. Eine koaxiale Innenwand 4' des Metallringes 4 soll ferner zur Anpassung der Dehnung des Metallringes an die Dehnung des betreffenden Turbinenrades mit vom Verdichter des Triebwerks entnommener Luft anblasbar sein, die hier am Verdichterende des Gasgenerators entnommen und über zwei koaxial am Mantelring 4 angeordnete Luftleitungen 6, 7 und gezielt verteilte öffnungen 8, 9 derselben gegen die Innenwand 4' abgeblasen wird.

Wie aus Fig.2 erkennbar, ist die "ten freien Schaufelspitzen zugekehrte Seite der Keramikpackung 3 als mit Sollbruchstellen 5 versehenes Schneidkantenprofil (Schneidkanten 10) ausgestattet, um das Abschlagen der Schneidkanten 10 ohne Abschliff der Schaufelköpfe im Interesse eines guten Einlaufverhaltens zu erzielen.

Gemäß F i g. 1 ist die Keramikpackung 3 mittels in Achsrichtung verlaufender Bolzen 11 am Metallring 4 festgelegt, wobei die Bolzen 11 durch eine vordere und eine hintere, jeweils radial verlaufende Stirnwand des Metallringes 4 hindurchgeführt sind- Im Interesse einer hohen Temperaturbeständigkeit der Einrichtung wäre es vorteilhaft, die Bolzen 11 aus einem keramischen Werkstoff herzustellen.

Gemäß F i g. 1 befindet sich ferner zwischen der jeweils gemeinsamen vorderen und der jeweils gemeinsamen hinteren Stirnfläche der Keramikpackung 3 einerseits, und der jeweils benachbarten -vorderen bzw. hinteren Stirnwand des Metallringes 4 andererseits, jeweils ein hocheffizienter Wärmeisolator IZ

Wie weiter aus F i g. 1 entnehmbar, besteht die Keramikpackung 3 aus Ringsegmenten 13, die die Bolzen im umfangsseitigen Stoßbereich gabelförmig umgreifen.

In nicht weiter dargestellter Weise können im zusammengebauten Zustande der Einrichtung die Stoßkanten jeweils einander benachbarter Ringsegmente in Radialrichtung sowie in Achsrichtung zueinander versetzt angeordnet sein. Die Einrichtung wäre unter Zugrundelegung folgender Werkstoffe bzw. Werkstoffzusammensetzungen für die beispielhaft nachstehend aufgeführten Bauteile bzw. Komponenten vorteilhaft einsetzbar.

1. Metallring 4:

2. Isolator 5:

3. Keramikpackung 3:

Inconel718

SiO₂ + Al₂O₃

SiC (Siliziumkarbid)

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einrichtung zur äußeren Ummantelung der Laufschaufeln von Axialturbinen für Gasturbinentriebwerke, bei der ein Gehäusemantelring auf der dem Heißgasstrom sowie den freien Laufschaufelenden zugekehrten Seite aus einer Packung hochwarmfester, erosionsbeständiger keramischer Elemente zusammengesetzt ist, die mit einem Metallring formschlüssig verbunden sind, der eine koaxiale Innenwand sowie radiale Stirnwände des Gehäusemantelringes bereitstellt und dabei ferner einen auf der dem Heißgasstrom abgewandten Seite der Keramikpackung angeordneten, als hocheffiziente Wärmedrossel ausgebildeten Isolator umschließt, wobei die koaxiale metallische innenwand mittels Kompressorluft anblasbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikpackung (3) auf der den freien Schaufelspitzen zugekehrten Seite als mit Sollbruchstellen (S) versehenes Schneidkantenprofil ausgebildet ist.