DE3103821A1

DE3103821A1 - CERAMIC GAS TURBINE ROTOR

Info

Publication number: DE3103821A1
Application number: DE19813103821
Authority: DE
Inventors: Edwin F. Cool Woodland Hills Calif. Cain
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1980-02-04
Filing date: 1981-02-04
Publication date: 1981-12-03
Also published as: DE3103821C2; FR2475113B1; ES498630A0; GB2069065A; ES8204058A1; IT8147655A0; JPS56124603A; SE8100355L; IT1142247B; FR2475113A1

Description

1Α-3480
79R241-3480
79R24

ROCKl/ELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USAROCKl / ELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Keramischer GasturbinenrotorCeramic gas turbine rotor

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Keramikkörper hoher Temperaturfestigkeit und hoher mechanischer Festigkeit und insbesondere keramische Gasturbinenrotoren für hohe Temperaturen mit geringem Gewicht und großer Festigkeit.The invention relates to the field of ceramic bodies of high temperature resistance and high mechanical strength and particularly, high temperature, light weight and high strength ceramic gas turbine rotors.

Effizienzbewertungen von Kraftwerkanlagen gehören zu den wichtigsten Konstruktionskriterien für die Entwicklung von Kraftwerken. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Effizienzbewertungen von Gasturbinen wesentlich verbessert werden können, wenn man das Turbinenrad mit Verbrennungsprodukten maximaler Temperaturbeaufschlagt. Nun liegt aber die Temperatur von Verbrennungsgasen für die Erzielung einer maximalen Effizienz bei Gasturbinen im Bereich von etwa 2500⁰F. Diese Temperatur liegt wesentlich über den Arbeitstemperaturgrenzen der üblichen Superlegierungen. Bei Verwendung von Superlegierungen besteht nicht nur ein Problem hinsichtlich ihrer. Gewichts, sondern esEfficiency assessments of power plants are one of the most important design criteria for the development of power plants. Studies have shown that the efficiency ratings of gas turbines can be significantly improved if the turbine wheel is exposed to combustion products of maximum temperature. Now, however, the temperature of combustion gases for achieving maximum efficiency in gas turbines is in the range of about 2500 ^° F. This temperature is significantly above the working temperature limits of the usual superalloys. When using superalloys, there is not only one problem with regard to them. Weight but it

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müssen auch komplexe Kühlsysteme vorgesehen werden. Bei Verwendung solcher Kühlsysteme könnte zwar von den Superlegierungen Gebrauch gemacht werden, die hierdurch "bedingte Senkung der Temperatur würde jedoch zu einer Verringerung der Gesamteffizienz des Systems führen.complex cooling systems must also be provided. at Use of such cooling systems could indeed be made use of the superalloys, which thereby "caused However, lowering the temperature would decrease the overall efficiency of the system.

Eine günstigere Lösung des Temperatür/Effizienz-Problems bietet die Verwendung von Hochtemperaturkeramiken. Im Gegensatz zu Superlegierungen sind Keraraikmaterialien jedoch äußerst brüchig. Diese Besonderheit hat es bisher unmöglich gemacht, diese Keramikmaterialien unter Bedingungen hoher Beanspruchung einzusetzen. Keramikmaterialien zeigen geringe Festigkeit bei Zugbeanspruchung und sie sind darüberhinaus äußerst empfindlich in bezug auf Strukturdefekte, wenn sie Zugbeaufschlagungen unterliegen. Bei einer Rotorschaufel eines rotierenden Turbinenrades führt zum Beispiel ein Strukturdefekt zur Zerstörung der Keramikrotorschaufel und letztlich zur Zerstörung des gesamten Turbinenrotors. Im Gegensatz zur geringen Zugfestigkeit liegt die Druckfestigkeit der Keramikmaterialien im Bereich des lOfachen der Zugfestigkeit. Es ist daher erwünscht, die Keramikkomponenten eines Turbinenrotors während der Lebensdauer der Turbine unter Druckbeanspruchung zu halten und somit eine Zugbeanspruchung zu verhindern .A cheaper solution to the temperature / efficiency problem offers the use of high temperature ceramics. In contrast to superalloys, ceramic materials are used however, extremely brittle. This peculiarity has so far made it impossible to use these ceramic materials under conditions to be used under high stress. Ceramic materials show poor tensile strength and they are also extremely sensitive to structural defects when subjected to tension. In the case of a rotor blade of a rotating turbine wheel, for example, a structural defect leads to the destruction of the Ceramic rotor blade and ultimately the destruction of the entire turbine rotor. In contrast to the low tensile strength the compressive strength of the ceramic materials is in the range of ten times the tensile strength. It is therefore Desirably, the ceramic components of a turbine rotor are under compressive stress during the life of the turbine to hold and thus to prevent tensile stress.

Erfindungsgemäß wird somit ein axialer Keramikgasturbinenrotor geschaffen, welcher eine Nabe aus Keramik oder Metall umfaßt, die mit einem Keramikradabschnitt verbunden ist. Der Keramikradabschnitt enthält eine innere Reihe von Kraftwerkturbinenflügeln oder -schaufeln und eine äußere Reihe von Luftkompressorschaufeln. Diese sind voneinander getrennt durch einen Zwischenschaufelrinc· DiP Luftkompressorschaufeln sind durch einen Außenmantel begrenzt. Um den äußeren Rand dieser Anordnung sind Filamen-According to the invention, an axial ceramic gas turbine rotor is thus created which has a hub made of ceramic or metal which is connected to a ceramic wheel section. The ceramic wheel section includes an inner row of power plant turbine blades or blades and an outer row of air compressor blades. These are from each other separated by an intermediate blade rinc · DiP Air compressor blades are bounded by an outer jacket. Around the outer edge of this arrangement are filaments

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te gewickelt, und zwar unter Bildung einer Verbundstruktur mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Diese Verbundstrukfcur besteht aus einem Filament mit hohem Modul, welches mit einem Hochtemperaturpolymeren imprägniert ist.te wrapped to form a composite structure with a high strength to weight ratio. This composite structure consists of a filament with high modulus, which is made with a high temperature polymer is impregnated.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Keramikgasturbinenrotor zu schaffen, bei dem sämtliche Keramikkomponenten während des Betriebs unter Druckbeanspruchung gehalten werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Hochtemperatur-Gasturbinenrotor zu schaffen, insbesondere einen Keramikgasturbinenrotor mit geringem Gewicht und hoher Festigkeit.It is therefore an object of the present invention to provide a ceramic gas turbine rotor in which all Ceramic components are kept under pressure during operation. It is also an object of the invention to provide a high temperature gas turbine rotor, particularly a ceramic gas turbine rotor with low Weight and high strength.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigenIn the following the invention is explained in more detail with reference to drawings; show it

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Keramikgasturbinenrotors;1 is a perspective view of the ceramic gas turbine rotor according to the invention;

Fig. 2a eine Draufsicht des Keramikgasturbinenrotors gemäß Fig. 1;2a shows a plan view of the ceramic gas turbine rotor according to FIG. 1;

Fig. 2b einen Segmentschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 2a;Fig. 2b shows a segment section along the line A-A of Fig. 2a;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Elements des Keramikgasturbinenrotors; und3 is a perspective view of an element of the ceramic gas turbine rotor; and

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Gasturbinenkreislaufs .4 shows a schematic representation of the gas turbine cycle .

Im folgenden wird auf die Fig. 1 bis 2b Bezug genommen. Diese zeigen einen axialen Keramikgasturbinenrotor 10 aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Sialon oder einer ähnlichen Keramik hoher Festigkeit. Der Gasturbinenrotor 10 umfaßt eine Nabe 12 aus Keramikmaterial oder aus Metall, welcher mit einem Keramikrad 14 verbunden ist. Das Keramikrad 14 umfaßt eine innere Reihe von Leistungsturbinenflügeln oder -schaufeln 16 und eine äußere ReiheReference is now made to FIGS. 1 to 2b. These show an axial ceramic gas turbine rotor 10 made of silicon nitride, silicon carbide, sialon or a similar high strength ceramic. The gas turbine rotor 10 comprises a hub 12 made of ceramic material or of metal, which is connected to a ceramic wheel 14. That Ceramic wheel 14 includes an inner row of power turbine blades or blades 16 and an outer row

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von Luftkompressorschaufeln 18. Diese sind voneinander getrennt durch einen Zwischenschaufelr.ing oder -mantel 20. An die Luftkompressorschaufeln 18 schließt sich ein äußerer Mantel 22 an. Um den äußeren Rand oder \w die Peripherieflache 23 des äußeren Mantel;.-. 22 sind Filament-; gewickelt, und zwar unter Bildung einer Verbundstruktur mit einem hohen Verhältnis von Fee tifjke.lt zu Gew.ic'il. Diese Struktur umfaßt ein Iloclimodulliiament, welcher; mi.ieinem Hochtemperaturpolymeren imprägniert ist. Die Filamentwickelverbundstruktur bildet einen Mantelreif 24, gegen den sich die Keramikkomponenten unter Druckbeaufschlagung abstützen, während die Rotoranordnung rotiert. Es ist bei dieser Konstruktion wesentlich, daß die mit kalter Luft beaufschlagten Kompressorschaufeln 18 auf der Außenseite der heißen Turbinenschaufeln 16 angeordnet sind. Der Luftkompressorbereich wirkt nämlich nicht nur als eine Stufe des Luftkompressors des Gasturbinenzyklus. Vielmehr wirkt er zusammen mit dsr einströmenden Luft als thermische Barrier·© im Sinne eines Schutzes des Filamentwickelreifs 24 -vor- den hohen Temperaturen des Leistungsbereichs des Rotors» Filamentwickel-Verbundstrukturen, welche von organischen Polymeren als Matrix Gebrauch machen, haben ©ine maximale Gebrauchstemperatur von etwa 600°F. Ein Gasdurchtritt von Leistungsturbinenbereich über die Dichtung des Zwischenschaufelmantels 20 führt nicht zu einem Versagen des Rotors, sondern nur zu einer geringfügig erhöhen Temperatur der in die Brenneranordnung oi^zt^'m^Onsn Luft, of air compressor blades 18. These are separated from one another by an intermediate blade ring or jacket 20. An outer jacket 22 adjoins the air compressor blades 18. Around the outer edge or \ peripheral surface w 23 of the outer jacket; .-. 22 are filament; wound, forming a composite structure with a high ratio of Fee tifjke.lt to Gew.ic'il. This structure comprises an Iloclimodulliiament, which; is impregnated with a high temperature polymer. The composite filament winding structure forms a jacket hoop 24 against which the ceramic components are supported under pressure while the rotor assembly rotates. In this construction, it is essential that the compressor blades 18 acted upon by cold air are arranged on the outside of the hot turbine blades 16. Namely, the air compressor section does not act only as a stage of the air compressor of the gas turbine cycle. Rather, it acts together with the incoming air as a thermal barrier in the sense of protecting the filament winding ring 24 from the high temperatures of the rotor's power range about 600 ° F. A gas passage from the power turbine area via the seal of the intermediate blade casing 20 does not lead to a failure of the rotor, but only to a slightly increased temperature of the air in the burner arrangement.

Zur Anwendung von hohen Turbineneinlaßterapei-eturen von etwa 2500⁰C, welche zur Steigerung Λζ^ Εζϊίζ1ά:ιζ lsr Gasturbinen erforderlich sind, benötigt man K^amLkmate.r-i.s.« lien, wie Siliciumnitrid. Materialien cliaoar· 4rt haber·. einen extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffisiebten .sowie andererseits eine hohe Festigkeit. Dier- :ζΐηΊ The use of high-Turbineneinlaßterapei eturen of about 2500 ⁰ C, which to increase Λζ ^ Εζϊίζ1ά: necessary ιζ lsr gas turbines, one needs K ^ amLkmate.ri.s "lien, such as silicon nitride.. Materials cliaoar · 4rt haber ·. an extremely low coefficient of thermal expansion and, on the other hand, high strength. Dier- : ζΐηΊ

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wesentliche Eigenschaften eines Rotormaterials, da die Konstruktion hohe Temperaturgradienten bedingt.essential properties of a rotor material, as the construction requires high temperature gradients.

Die Rotoranordnung kann als monolithischer Keramikrotor (Fig. 1) hergestellt werden, welcher die gewünschte Filamentwickel-Verbundstruktur aufweist und über eine Nabe 12 mit der Welle 26 verbunden ist. Alternativ kann der Rotor auch aus Keramiksegmenten gemäß Fig. 3 zusammengesetzt werden. Die einzelnen Segmente werden dabei zunächst zu einem Rad zusammengesetzt und dann erst erfolgt die Umwicklung des Außenmantels mit dem Filament. Der Mittelabschnitt wird dabei unter Kompression gehalten und mit Hilfe einer Nabe 12 mit der Welle 26 verbunden, wie in Fig. 2b gezeigt. Der Aufbau des Rotors aus einzelnen Komponenten gemäß Fig. 3 gestattet den Bau größerer Keramikrotoren 10 im Vergleich zu einer Herstellung von monolithischen Rotoren. Darüberhinaus können die kleineren Komponenten auf wirtschaftlichere Weise hergestellt und getestet werden, und es besteht somit ein geringeres Risiko als bei größen monolithischen Komponenten. Zusätzlich zu der Anwendbarkeit bei hohen Temperaturen hat der erfindungsgemäße Rotor auch ein extrem geringes Gewicht. Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Sialon oder dergl. haben eine Dichte von etwa 3,0 bis 3»8 g/cnr im Vergleich zur Dichte von etwa 8 g/cm üblicher Superlegierungen.The rotor assembly can be made as a monolithic ceramic rotor (Fig. 1), which the desired Has filament winding composite structure and is connected to the shaft 26 via a hub 12. Alternatively can the rotor can also be assembled from ceramic segments according to FIG. 3. The individual segments are thereby first assembled into a wheel and only then is the filament wrapped around the outer sheath. The middle section is kept under compression and connected to the shaft 26 with the help of a hub 12, as shown in Fig. 2b. The construction of the rotor from individual components according to FIG. 3 allows the construction of larger ones Ceramic rotors 10 compared to a manufacture of monolithic rotors. In addition, the smaller Components are manufactured and tested in a more economical way, and there is thus less Risk than with large monolithic components. In addition to being useful at high temperatures, the rotor according to the invention also has an extremely low weight. Silicon nitride, silicon carbide, sialon or the like a density of about 3.0 to 3 »8 g / cnr compared to the Density of about 8 g / cm of common superalloys.

Ein typischer Gasturbinenkreislauf ist in Fig. 4 dargestellt, und zwar zusammen mit einer typischen Anordnung der wichtigsten Komponenten.A typical gas turbine cycle is shown in Figure 4 along with a typical arrangement of the most important components.

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Claims

1 β 7 '■

P ate η ΐ a ~ o. s ό rüche

Ceramic turbine rotor, characterized by

a hub (12) for clamping the rotor (10) with a shaft (26);

a ceramic wheel (14) with a row of L?: -.- stungsturbinenschatjfeln (16), sdnsr outer row of Compressor blades (IG), a Zv / Lechenschauiiilring (20) ri? Separating the power turbine blade xi C16} from the Koi-i · - compressor blades (18) and ®in®sr. üußenrflantsl (22) for the Vei "--- preventing the exit of G & a into the outer space of the door shaft rotor; and

a filament v / icklu.ngs Vsrburxdreifen (24), the the outer periphery of the outer © nu, an'tels (22) i.yn gives and the Ceramic coraponents during rotation are subject to compression subject.

2. Keramiktiirbinenrotor- according to claim 1 ₉ characterized ge ^ indicates that the hub aua:>: stall consists.

3 · Keraini turntable rotor according to claim I _9, characterized in that the property consists of ceramics,

4. Kerainikturbinenro tor- & r, c.h one of claims 1 up to 3 »characterized by caß the Ksramikinaterial Siliciumnitrld, Siliciumcav'bic- or Oialön.