DE3029374C2

DE3029374C2 - Einteiliges Turbinenrad aus Keramik für Gasturbinen

Info

Publication number: DE3029374C2
Application number: DE3029374A
Authority: DE
Inventors: Jesse Ford St. Clair Shores Mich. Johnson
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1979-08-20
Filing date: 1980-07-31
Publication date: 1986-02-06
Also published as: US4295791A; JPS5632002A; DE3029374A1; JPS6148604B2

Description

a) daß der Kranz (54) der Scheibe (44) eine geringere axiale Länge aufweist als die dort ansetzenden Füße (60) der Schaufeln (26), so daß die voreilenden Kanten (38) der Schaufeln (26) in Zustromrichtung vor zwischen den einzelnen Schaufeln (26) ausgebildeten Verbindungsflächen (46) liegen, welche zur abstromseitigen Abschlußfläche (55) des Kranzes (54) führen,

b) daß die voreilenden Kanten (38) der Schaufeln (26) mit jeweiligen windschlüpfigen Übergangsflächen (56, 58) in die Verbindungsflächen (46) übergehen, und

c) daß diese Übergangsflächen (56,58) mit der zugehörigen Verbindungsfläche (46) je einen eingeschnittenen Bereich (48) in der zustromseitigen Fläche (50) der Scheibe (44) bilden.

Die Erfindung betrifft ein einteiliges Turbinenrad aus Keramik für Gasturbinen nach dem Oberbegriff des Anspruches.

Bei einem derartigen Turbinenrad nach US-PS 39 43 703 setzen die Schaufelfüße mit gleicher Breite an dem radial außerhalb des Halses gelegenen Kranz an, so daß die zustromseitige Fläche des Radkranzes in ihrer Gesamterstreckung in der gleichen Fläche wie die zustromseitigen. in Drehrichtung voreilenden Kanten der Schaufeln liegt. Die Übergänge zwischen den einzelnen Schaufeln und dem Radkranz sind parallel zur Radachse geradlinig durchgeführt. Bei der Beaufschlagung mit den heißen Verbrennungsgasen entstehen insbesondere an den geradlinig verlaufenden Kanten hohe thermische Spannungen insbesondere dort, wo die relativ dünnen Schaufelfüße mit dem massiven Kranzmaterial zusammentreffen. Bei dem bekannten Turbinenrad wird diese Erscheinung dadurch zu mildern versucht, daß ein Kühlluftstrom insbesondere gegen die sich vom Hals an erweiternden Bereiche des Radkranzes geführt wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Turbinenrad der angeführten Gattung so auszubilden, daß die auftretenden Spannungskonzentrationen insbesondere im Bereich der zustromseitigen Kanten der Schaufeln und ihrem Übergang zum Radkranz verringert werden, um so eine erhöhte Lebensdauer des Turbinenrades zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Paicntanspruches.

Durch die erfindungsgeniäße Ausführung des Übergangsbereiches zwischen den Schaufelfüßen und dem in axialer Richtung kürzeren Kranzabschnitt der Turbinenradscheibe wird so erreicht, daß die sonst an den von den heißen Verbrennungsgasen angeblasenen Verbindungsstellen auftretenden Spannungskonzentrationen weitgehend gemildert werden. Auf diese Weise kann ein einteiliges Turbinenrad aus Keramik geschaffen werden, das bei Arbeitstemperaturen von 1093° C und mehr zuverlässig arbeitet.

Gleichzeitig wird durch die verringerte axiale Länge des Radkranzes das polare Trägheitsmoment des erfindungsgemäßen Turbinenrades verringert, so daß ein besseres Anlauf- und Beschleunigungsverhalten erzielt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt
F i g. 1 eine Teilschnittansicht des heißen Teiles einer Gasturbine,

F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1,
F i g. 3 eine Draufsicht auf das in F i g. 2 teilweise aufgeschnitten dargestellte Turbinenrad, in Richtung der Pfeile 3-3 gesehen,

Fi g. 4 eine Ansicht des Turbinenrades, in Richtung der Pfeile 4-4 in F i g. 1 gesehen, und

F i g. 5 eine teilweise aufgeschnittene Darstellung des Turbinenrades, in Richtung der Pfeile 5-5 in F i g. 1 gesehen.

F i g. 1 zeigt den heißen Teil 10 einer Gasturbine 12, die eine Welle 14 und ein einteiliges Turbinenrad 15 besitzt, welches an einem Ende der Welie 14 sitzt. Das Turbinenrad 15 besteht aus keramischem Werkstoff. Der heiße Teil 10 der Gasturbine besitzt einen Auslaß 16 einer Brennkammer 18, in der Brennstoff und Luft durch Verbrennung heiße Treibgase bilden, welche einem Kranz von Leitschaufeln 20 zugeleitet werden, die in Strömungsrichtung vor einer ringförmigen Haube 22 angeordnet sind. Die Haube 22 umgibt die Außenenden 24 von Turbinenschaufeln 26, die an dem aus Keramik bestehenden Turbinenrad 15 ausgebildet sind. Die Haube 22 ist mittels eines Dichtringes 28 mit einer Gehäusewand 30 abgedichtet, die einen Strömungskanal 32 außen begrenzt, dessen Innwand durch den Konus 34 eines Abschlußstückes 36 bestimmt wird, das in Strömungsrichtung hinter dem Turbinenrad 15 si tut.

Das Turbinenrad 15 ist einstückig ausgebildet und besteht bevorzugterweise aus Siliciumkarbid mit einer Zugfestigkeit von etwa 206,85 MPa. Solche keramische Werkstoffe sind für Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet, die beispielsweise am Turbineneintritt )093°C und mehr betragen können.

Damit bei derartigen Temperaturen ein zuverlässiger Betrieb ermöglicht ist und die übermäßige Spannungskonzentration im Bereich der angeströmten Kanten der Schaufeln 26 des Turbinenrades vermieden werden, sind die Schaufeln 26 im Übergangsbereich zwischen ihren Füßen 60 und dem an dem Turbinenrad ausgebildeten Radkranz 54 besonders ausgebildet. Die Schaufeln 26 besitzen eine in Drehrichtung voreilende Kante 38, die über einen windschlüpfigen Bereich 40 am Schaufelfuß in einen Hals 42 der radialen Scheibe 44 des Turbinenrades 15 übergeht. An der Zustromseite der Scheibe 44 sind glockenförmige Verbindungsflächen 46 ausgebildet, die eingeschnittene oder vertiefte, mit Abstand voneinander über den Außenrand der zustromseitigen Stirnfläche 50 der Scheibe 44 verteilte Bereiche 48 bilden (Fig. 5). Die eingeschnittenen oder vertieften Bereiche 48 verringern gleichzeitig das polare Trägheits-

b5 moment des Turbinenrades 15, so daß dessen Anlauf- und Beschleunigungsverhalten verbessert wird.

Die Verbindungsflächen 46 bilden jeweils den vorderen Abschnitt einer Außenfläche 52 des Kranzes 54. In

diese Außenfläche 52 gehen die jeweiligen voreilenden Kanten 38 der Schaufeln 26 über beiderseits von diesen ausgebildete windschiüpfige Übergangsflächen 56, 58 über (F i g. 3). Die Außenfläche 52 geht in die abstromseitige Rückfläche 55 des Kranzes 54 über. Damit besitzt der Kranz 54 eine geringere axiale Länge als die Füße 60 der mit ihm einstückig ausgebildeten Schaufeln 26. Damit ergibt sich eine geringere unterschiedliche Spannung, die durch axiale Wärmedehnung entsteh·, so daß die im Bereich der voreilenden Kanten 38 der Schaufeln 25 auftretenden Spannungen beachtlich unter den zulässigen Festigkeitswerten des verwendeten Werkstoffes liegen. Versuche bei Betriebstemperaturen von etwa 1093⁰C haben ergeben, daß im Bereich 62 der voreilenden Kanten 38 der Schaufeln die zulässigen Spannungen nicht überschritten werden.

Die Schaufeln 26 sind so ausgebildet, daß zwischen ihren in Drehrichtung voreilenden Kanten 38 und nacheilenden Kanten 68 konkave Seitenflächen 64 gegenüber von konvexen Seitenflächen 66 entstehen, um so aerodynamisch günstige Strömungswege 70 zwischen den Schaufeln 26 auszubilden, die in Radialrichtung divergieren, so daß sich, wie in F i g. 4 zu sehen, an der Austrittsseite Strömungskanäle größerer Weite ergeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

30

35

40

4G

55

60

Claims

Patentanspruch:

Einteiliges Turbinenrad aus Keramik für Gasturbinen mit einer sich radial erstreckenden Scheibe mit einem Kranz, der über einen Hals mit der Scheibe verbunden ist, und mit einer Vielzahl von Schaufeln, die in die radial äußere Fläche des Kranzes übergehen, wobei jede Schaufel zwischen ihrer zustromseitigen, in Drehrichtung voreilenden Kante und ihrer abstromseitigen nacheilenden Kante konkav-konvexe Flanken besitzt, dadurch gekennzeichnet.