DE3103821C2 - Ceramic turbine rotor - Google Patents

Ceramic turbine rotor

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Abstract

Es wird ein Keramikgasturbinenrotor beschrieben, welcher ein geringes Gewicht hat und hohe Festigkeit aufweist und für Anwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist. Dieser umfaßt eine Nabe (12) zur Verbindung des Turbinenrotors (10) mit einer Drehwelle (26). Mit dem Umfang der Nabe (12) ist ein Keramikrad (14) verbunden. Dieses umfaßt eine innere Reihe aus Leistungsturbinenschaufeln (16) und eine äußere Reihe von Kompressorschaufeln (18) sowie einen Zwischenschaufelmantel (20) zur Isolierung der Leistungsturbinenschaufeln (16) von den Kompressorschaufeln (18). Ferner ist ein Außenmantel (22) vorgesehen, welcher verhindert, daß Gas in den Außenraum des Turbinenrotors (10) gelangt. Der äußere Umfang des Keramikrades ist mit einem Filamentwicklungs-Verbundmaterial in Form eines Reifens (24) umgeben. Dieser sitzt auf dem Außenmantel (22) und führt zu einer Kompressionsbeaufschlagung der Keramikkomponenten während der Rotation.A ceramic gas turbine rotor is described which is light in weight and has high strength and is suitable for use at high temperatures. This comprises a hub (12) for connecting the turbine rotor (10) to a rotating shaft (26). A ceramic wheel (14) is connected to the periphery of the hub (12). This comprises an inner row of power turbine blades (16) and an outer row of compressor blades (18) as well as an intermediate blade casing (20) for isolating the power turbine blades (16) from the compressor blades (18). Furthermore, an outer casing (22) is provided which prevents gas from getting into the outer space of the turbine rotor (10). The outer periphery of the ceramic wheel is surrounded by a composite filament winding material in the form of a hoop (24). This sits on the outer jacket (22) and causes compression to be applied to the ceramic components during rotation.

Description

Filament mit hohem Elastizitätsmodul Die Filamentverbundstruktur bildet eine Bandage 24, gegen die sich die Keramikteile unter Druckbeaufschlagung abstützen, während der Rotor 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 Luftkomprtisors des Gasturbinenzyklus. Vielmehr wirkt er zusammen mit der einströmenden Luft als thermische Barriere im Sinne eines Schutzes der Bandage 24 vor den hohen Temperaturen des Leistungsbereiches des Rotors, Filament-Verbundstrukturen, welche von einem organischen Polymeren als Matrix Gebrauch machen, haben eine maximale Gebrauchstemperatur von etwa 3000C Ein Gasdurchtritt vom Leistungsturbinenbereich über die Abdichtung des Zwischenschaufelringes 20 führt nicht zu einem Versagen des Rotors, son-H dem nur zu einer geringfügig erhöhten Temperatur der 5f einströmenden LuftFilament with high modulus of elasticity The filament composite structure forms a bandage 24 against which the ceramic parts are supported under pressure while the rotor rotates.It is essential in this construction that the compressor blades 18, which are exposed to 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 interacts with the incoming air as a thermal barrier for the purposes of protection of the bandage 24 from the high temperatures of the power range of the rotor, filament composite structures which make use of an organic polymer as a matrix use, have a maximum use temperature of about 300 0 C. A gas passage from the power turbine area via the seal of the intermediate vane ring 20 does not lead to a failure of the rotor, but only to a slightly increased temperature of the inflowing air

E Zur Anwendung von hohen TurbineneiniaBtempera-E For the use of high turbine inlet temperatures

j§ türen von etwa 14000C, weiche zur Steigerung-der Effi- % zienz der Gasturbinen erforderlich sind, werden. Kera- % mikmaterialien, wie Siliciumnitrid, benötigt Materialien Is dieser Art haben einen extrem niedrigen thermischen ü| Ausdehnungskoeffizienten sowie andererseits eine hohe [| Festigkeit Das sind wesentliche Eigenschaften eines f| Rotormaterials, da die Konstruktion hohe Temperatur- p gradienten bedingtj§ doors of about 1400 0 C, soft-to increase the effi-% of the gas turbine efficiency are required, be. Ceramic% mikmaterialien such as silicon nitride, required materials Is this type have an extremely low thermal ü | Expansion coefficients and, on the other hand, a high [| Strength These are essential properties of an f | Rotor material, since the construction high temperature gradient caused p

ν Die Rotoranordnung kann als monolithischer Kera-ν The rotor arrangement can be used as a monolithic ceramic

ti mikrotor 10 (F i g. 1) hergestellt werden, welche die ge- ; · wünschte Filament-Verbundstruktur aufweist und über "; eine Nabe 12 mit der Welle 16 verbunden ist Alternativ ; j kann der Rotor auch aus Keramiksegmenten gemäß ■? Fig.2 zusammengesetzt werden. Die einzelnen Seg- il mente werden dabei zunächst zu einem Rad zusammengesetzt. Erst dann erfolgt die Umwicklung des Außen- ■:'■ mantels mit dem Filament Der Mittelabschnitt wird dabei unter Druck gehalten und mit Hilfe einer Nabe 12 mit der Welle 16 verbunden. Der Aufbau des Rotors aus einzelnen Teilen gemäß F i g. 2 gestattet den Bau größerer Keramikrotoren 10 im Vergleich zur Herstellung ;' von monolithischen Rotoren. Darüber hinaus können : die kleineren Bauteile wirtschaftlicher hergestellt und geprüft werden, so daß somit ein geringeres Risiko als bei großen monolithischen Bauteilen besteht Zusätzlich zu der Anwendbarkeit bei hohen Temperaturen hat ein derartiger Rotor auch ein extrem geringes Gewicht Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Sialon oder dergl. haben eine Dichte von etwa 3,0 bis 3,8 g/cm3 im Vergleich zur Dichte von etwa 8 g/cm3 üblicher Superlegierungen.ti microtor 10 (Fig. 1) are produced, which the ge; · Desired filament composite structure and having about "; a hub 12 to the shaft 16. Alternatively, j can the rotor from ceramic segments according ■ Figure 2 are assembled, the individual segment il elements are first to a wheel composed?. . Only then is the wrapping of the outer ■:.. '■ mantels with the filament of the central portion is kept under pressure and connected by means of a hub 12 to the shaft 16. the construction of the rotor from individual parts in accordance with F i g 2 allows the construction of larger ceramic rotors 10 compared to manufacture; In addition, the smaller components can be manufactured and tested more economically, so that there is less risk than with large monolithic components or the like. Have a density of about 3.0 to 3.8 g / cm 3 compared to the density of about 8 g / cm 3 of conventional superalloys.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (1)

1 21 2 Problems bietet die Verwendung von Hochtemperatur-Patentanspruch: keramiken. Im Gegensatz zu Superlegierungen sind Ke-Problems are posed by the use of high-temperature patent claim: ceramics. In contrast to superalloys, ramikmaterialien jedoch äußerst brüchig. Diese Beson-However, ceramic materials are extremely fragile. This particular Keramikturbinenrotor mit einer mit einer WeUe derheit hat es bisher unmöglich gemacht, diese Keraverbundenen Nabe, welche mit einem Keramikrad 5 mikmaterialien unter Bedingungen hoher Beanspruverbunden ist wobei das Keramikrad mit einer inne- chung einzusetzen. Keramikmaterialien zeigen geringe ren Reihe von keramischen Leistungsturbinenschau- Festigkeit bei Zugbeanspruchung und sind darüber hinfein, einer äußeren Reihe von keramischen Korn- aus äußerst empfindlich in bezug auf Strukturdefekte, pressorschaufeln, einem keramischen Zwischen- wenn sie ZugbeaufschLagungen unterliegen, üei einer schaufelring zur Trennung der Leistungsturbinen- io Rotorschaufel eines rotierenden Turbinenrades führt schaufeln von den Kompressorschaufeln, einem ke- z. B. ein Strukturdefekt zur Zerstörung der Keramikroramischen Außenmantel, welcher die Kompressor- torschaufel und letztlich zur Zerstörung des gesamten schaufeln umgibt und mit einer, Hochtemperaturpo- Turbinenrotors. Im Gegensatz zur geringen Zugfestiglymere enthaltenden Bandage des Außenmantels, keit liegt die Druckfestigkeit der Keramikmaterialien im welche das Keramikrad auch bei Betriebsdrehzahl u Bereich des lOfachen der Zugfestigkeit. Es ist daher einer Druckbeanspruchung unterwirft, versehen ist, erwünscht, die Keramikkomponenten eines Turbinendadurch gekennzeichnet, daß die Bandage rotors während der Lebensdauer der Turbine unter (24) aus mit Vorspannung um den Außenmantel (22) Druckbeanspnichung zu halten und somit eine Zugbegewickeltem, mit Hochtemperaturpolymer imprä- anspruchung zu verhindern.Ceramic turbine rotor with one with a value has made it impossible so far to connect these keras Hub which is connected to a ceramic wheel 5 micromaterials under high stress conditions the ceramic wheel is to be inserted with an indentation. Ceramic materials show poor ren series of ceramic power turbines show strength under tensile stress and are also fine, an outer row of ceramic grains - extremely sensitive to structural defects, pressor blades, a ceramic intermediate - if they are subject to tension, üei one Blade ring for separating the power turbine io rotor blade of a rotating turbine wheel leads blades from the compressor blades, a ke- z. B. a structural defect destroying the ceramic floor Outer jacket, which the compressor blade and ultimately to the destruction of the whole surrounding blades and with a, high-temperature turbine rotor. In contrast to the low tensile strength glymers containing bandage of the outer jacket, the compressive strength of the ceramic materials lies in the speed which the ceramic wheel even at operating speed u range of ten times the tensile strength. It is therefore compressive, desirably, the ceramic components of a turbine thereby characterized that the drum rotors under during the life of the turbine (24) to keep pressure tension around the outer jacket (22) and thus a tension-wound, to prevent exposure to high-temperature polymer. gnierten> filament mit hohem Elastizitätsmodul ge- 20 Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bebildet ist sieht daher dann, den bekannten KeramikturbuienrotorGnated> filament with a high modulus of elasticity is 20 The object on which the invention is based is illustrated is therefore then sees the well-known ceramic turbine rotor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß seinof the type mentioned in such a way that his Keramikrad einer sehr hohen DruckbeanspruchungCeramic wheel subject to very high compressive stress durch die Bandage ausgesetzt ist und somit der Gesamt-25 aufbau eine extrem hohe Festigkeit hatis exposed by the bandage and thus the overall structure has an extremely high strength Die Erfindung betrifft eineE Keramikturbinenrotor Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurchThe invention relates to a ceramic turbine rotor. This object is achieved according to the invention mit einer mit einer Welle verbundenen Nabe, welche gelöst daß die Bandage aus mit Vorspannung um den mit einem Keramikrad verbunden ist wobei das Kera- Außenmantel gewickeltem, mit Hochtemperaturpolymikrad mit einer inneren Reihe vor. keramischen Lei- mer imprägniertem Filament mit hohem Elastizitätsmostungsturbinenschaufeln, einer äußeren Reihe von kera- 30 dul gebildet istwith a hub connected to a shaft, which released that the bandage from with bias around the is connected to a ceramic wheel with the Kera outer jacket wound, with high-temperature polymic wheel with an inner row in front. ceramic liner impregnated filament with high elasticity control turbine blades, an outer row of ceramic modules is formed mischen Koupressorschaufeln, einem keramischen Bei dem erfindungsgemäßen Keramikturbinenrotormix Koupressor blades, a ceramic In the ceramic turbine rotor according to the invention Zwischenschaufelring z»r Trennung der Leistungsturbi- ist somit eine Filamentbandage unter Vorspannung auf nenschaufeln von den kompressorschaufeln, einem ke- den Außenmantel gewickelt Da sich das Filament oder ramischen Außenmantel, welcher die Kompressor- die Filamente im wesentlichen nur in Umfangsnchtung schaufeln umgibt und mit einer, Hochtemperaturpoly- 35 erstrecken, wird eine Druckbeanspruchung auf das Kemere enthaltenden Bandage des Außenmantels, welche ramikrad ausgeübt was zu der gewünschten extrem hodas Keramikrad auch bei Betriebsdrehzahl einer Druck- hen Festigkeit dieses Aufbaues führt. Demgegenüber beanspruchung unterwirft versehen ist besteht bei dem bekannten Keramikturbinenrotor derIntermediate blade ring for separating the power turbine is thus a filament bandage under pretension inner vanes from the compressor vanes, a ke- den outer jacket wound as the filament or Ramic outer sheath, which the compressor - the filaments essentially only in the circumferential direction surrounding blades and with a high temperature poly- 35 extend, a compressive stress on the Kemere containing bandage of the outer jacket, which ramikrad exerted resulting in the desired extreme hodas Ceramic wheel leads to the strength of this structure even at operating speed. In contrast subject to stress is provided in the known ceramic turbine rotor Bei einem derartigen aus der DE-OS 25 07 512 be- eingangs genannten Art die BacVge aus mit Fasern kannten Keramikturbinenrotor besteht die Bandage aus 40 verstärktem Kunststoffmaterial, wobei sich die Fasern einer mit Kohlenstoffasern verstärkten Kohlenstoffma- wie üblich in alle Richtungen erstrecken. Das führt zu trix, einer mit Borfasern verstärkten Aluminiumm£«rix einer wesentlich geringeren Festigkeit und zu einer we- oder aus einer Polyimidmatrix, die mit Kohlenstoffasern sentlich geringeren Druckbeaufschlagung des Keramikoder Borfasern verstärkt ist Zum Aufbringen der Ban- rades.In the case of such a type mentioned at the beginning of DE-OS 25 07 512, the BacVge made of fibers Known ceramic turbine rotor, the bandage consists of 40 reinforced plastic material, with the fibers a carbon fiber reinforced carbon fiber as usual, extending in all directions. That leads to trix, an aluminum matrix reinforced with boron fibers of significantly lower strength and or from a polyimide matrix which, with carbon fibers, significantly reduces the pressurization of the ceramic or Boron fiber is reinforced For attaching the ban- wheel. dage wird diese vorgefertigt sodann erhitzt auf das 45 Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeich-Keramikrad aufgesetzt und schließlich durch Abkühlen nung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der auf das Keramikrad aufgeschrumpft Erfindung näher beschrieben. Es zeigtdage this is prefabricated then heated to the 45 In the following are based on the associated drawing ceramic wheel placed and finally by cooling voltage particularly preferred embodiments of the On the ceramic wheel shrunk invention described in more detail. It shows Effizienzbewertungen von Kraftwerkanlagen gehö- F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines AusfühEfficiency assessments of power plants are part of the F i g. 1 is a perspective view of an embodiment ren zu den wichtigsten Konstruktionskriterien für die rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Keramikturbi-Entwickiung von Kraftwerken. Untersuchungen haben 50 nenrotors undRen to the most important design criteria for the example of the ceramic turntable development according to the invention of power plants. Investigations have 50 nenrotors and gezeigt, daß die Effizienzbewertungen von Gasturbinen F i g. 2 eine perspektivische Darstellung eines Teilesdemonstrated that the efficiency ratings of gas turbines F i g. 2 is a perspective view of a part wesentlich verbessert werden können, wenn das Turbi- eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgenenrad mit Verbrennungsprodukten maximaler Tempe- mäßen Keramikturbinenrotors.can be significantly improved if the turbine is another embodiment of the erfindungsgenenrad with combustion products of maximum temperatures ceramic turbine rotor. ratur beaufschlagt wird. Die Temperatur von Verbren- Fig. 1 der Zeichnung zeigt einen Keramikturbinen-temperature is applied. The temperature of combustion- Fig. 1 of the drawing shows a ceramic turbine nungsgasen für die Erzielung einer maximalen Effizienz 55 rotor 10 aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Sialon oder bei Gasturbinen liegt jedoch im Bereich von etwa einer ähnlichen Keramik hoher Festigkeit. Der Kera-1400°C. mikturbinenrotor 10 umfaßt eine Nabe 12 aus Keramik-tion gases for maximum efficiency 55 rotor 10 made of silicon nitride, silicon carbide, sialon or in gas turbines, however, is in the range of about a similar high strength ceramic. The Kera-1400 ° C. mikturbinenrotor 10 comprises a hub 12 made of ceramic Diese Temperatur liegt wesentlich über den Arbeits- material oder aus Metall, die mit einem Keramikrad 14 temperaturgrenzen der üblichen Superlegierungen. Bei verbunden ist. Das Keramikrad 14 umfaßt eine innere Verwendung von Superlegierungen besteht nicht nur 60 Reihe von Leistungsturbinenschaufeln 16 und eine äuein Problem hinsichtlich ihres Gewichtes, sondern es ßere Reihe von Kompressorschaufeln 18. Diese sind müssen auch komplexe Kühlsysteme vorgesehen wer- voneinander durch einen Zwischenschaufelring 20 geden. Bei Verwendung solcher Kühlsysteme könnte zwar trennt. An die Kompressorschaufeln 18 schließt sich ein von den Superlegierungen Gebrauch gemacht werden, keramischer Außenmantel 22 an. Um den Außenumfang die hierdurch bedingte Senkung der Tempratur würde 65 23 des Außenmantels 22 sind Filamente gewickelt, und jedoch zu einer Verringerung der Gesamteffizienz des zwar unter Bildung einer Verbundstruktur mit hohem Systems führen. Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Diese StrukturThis temperature is significantly higher than the working material or metal, which is achieved with a ceramic wheel 14 temperature limits of the usual superalloys. When is connected. The ceramic wheel 14 includes an inner Using superalloys does not consist of just 60 rows of power turbine blades 16 and one outer Problem with regard to their weight, but rather there are a number of compressor blades 18. These are Complex cooling systems must also be provided from one another by means of an intermediate blade ring 20. When using such cooling systems it could be disconnects. To the compressor blades 18 includes the superalloys are used, ceramic outer jacket 22 on. Around the outside perimeter the resulting lowering of the temperature would be 65 23 of the outer sheath 22 filaments are wound, and however, reducing the overall efficiency of the while forming a composite structure with high System. Strength to weight ratio. This structure Eine günstigere Lösung des Temperatur/Effizienz- umfaßt ein mit Hochtemperaturpolymer imprägniertesA more favorable temperature / efficiency solution involves one impregnated with high temperature polymer
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