DE3125469C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen beschaufelten Rotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs für Hochtemperaturbetrieb. Ein solcher Rotor ist aus der DE-OS 16 01 635 bekannt. Solche Rotoren finden in Hochtemperatur-Gasturbinen Verwendung. Die Herstellungskosten von Turbinenkomponenten aus Keramik sind jedoch äußerst hoch, da die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit hoher Dimensionsgenauigkeit und hoher Festigkeit Heißpreßstufen und Schleifen erfordern. Ferner wurde vorgeschlagen, Keramikkomponenten an Stellen erhöhter Abrasion und Erosion, z. B. durch Kohleaufschlämmungen einzusetzen.

Weiterhin ist aus der GB-PS 6 02 530 eine Turbinen­ schaufel aus Metall mit einer Keramikbeschichtung und einem Kühlkanal mit gewelltem Einsatz bekannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen beschaufelten Rotor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine Zerstörung der Keramikhülse durch aerodynamische Beanspruchungen während des Betriebs verhindert wird und daß eine effiziente Kühlung der Schaufel gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer Turbinenschaufel gemäß der Erfindung und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Turbinenschaufel der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer Turbinenschaufel. Dabei ist ein Metallkern 50 einstückig mit einer Nabe 52 ausgebildet. Der Metallkern 50 kann natürlich auch gesondert hergestellt und mit Hife zweck­ entsprechender Befestigungseinrichtungen in der Nabe 52 befestigt werden. Ein hülsenförmiges Profilkeramikbauteil 54 weist an seiner Außenfläche 56 die gewünschte aerodynamische Konfigu­ ration auf. Ferner weist die Abschirmung 54 eine zentrale Öffnung 58 auf, welche derart ausgebildet ist, daß das Profilkeramikbauteil leicht über den Metallschaufelkern 50 geschoben werden kann, wobei ein Zwischenraum verbleibt. Ein nachgiebiges Bauteil 60 aus gewelltem Metall wird zwischen dem Metallschaufelkern 50 und dem Profilkeramikbauteil 54 in dem in Fig. 2 mit 44 bezeichneten Raum vorgesehen. Hierdurch wird eine nachgiebige Schicht geschaffen, welche eine unterschiedliche thermische Expansion des Metallschaufelkerns 50 und des Profil­ keramikbauteils 54 aufnehmen kann sowie aerodynamische Beanspruchungen zwischen dem Profilkeramikbauteil 54 und dem Metallschaufelkern 50 dämpft oder aufnimmt. Ferner ist durch dieses gewellte Blech eine Vielzahl von Kanälen für ein Kühlmedium definiert. Dieses Kühlmedium kann zwischen Metallschaufelkern 50 und Profilkeramikbauteil 54 strömen, und zwar über zweckentsprechende Kanäle 62, 64 in der Nabe 52 mit Einlaßkammern 42 und Auslässen zum Zwischenraum 44 (Fig. 2). Eine Metallkappe 66 dient dem Abschluß des äußeren Endes der Öffnung 58. Auf der Unterseite der Metallkappe 66 ist eine Vielzahl von Wülsten 68 vorgesehen. Diese erlauben eine Ausströmung des Kühlmediums über das äußere Ende der Schaufel. Schließlich dient ein Bindematerial zur Befestigung der Metallkappe 66 und somit auch des Profilkeramikbauteils 54 am Metallschaufelkern 50, wie dies gemäß Fig. 2 näher gezeigt ist.

Die Fig. 2 zeigt den Detailaufbau der allgemein mit 20 bezeichneten zusammengesetzten Schaufel, jedoch ohne daß das nachgiebige Bauteil aus gewelltem Blech sichtbar ist. Das Profilkeramikbauteil 54 ist am Metall­ schaufelkern 50 mittels einer Metallkappe 66 befestigt. Der Metallschaufelkern 50 kann einstückig mit der Nabe 52 ausgebildet sein oder aber mit einem Fuß in der Nabe verankert sein. Die Metallkappe 66 kann einstückig mit dem Metallschaufelkern 50 verbunden sein oder durch zweckentsprechende Befestigungsorgane oder Befestigungsmittel, z. B. ein Bindemittel, mit dem Metallschaufelkern 50 verbunden sein. Wenn ein Rad dieses Aufbaus in Rotation versetzt wird, so werden die Profilkeramikbauteile 54 mit der Kraft F₁ gegen die Metallkappen 66 gedrückt. Das Profil­ keramikbauteil 54 unterliegt somit ausschließlich Druckbeanspruchungen und kann diese Beanspruchungen ohne weiteres aushalten.

Das zum Antrieb des Turbinenrades 16 verwendete heiße Gas beaufschlagt die Schaufeln 20 in einer in Fig. 2 mit 36 bezeichneten Region. Daher bieten die Profilkeramikbauteile eine ausgezeichnete thermische Isolierung für die Metallschaufelkerne 50.

Falls erwünscht, können Schultern 38 an den Profilkeramikbauteilen 54 vorgesehen sein, so daß auch die Metallkappen 66 gegen Hitzeeinwirkung geschützt sind. Es ist ferner möglich, einen Zwischenraum 40 vorzusehen, welcher thermische Ausdehnungen des Profil­ keramikbauteils 54 in Radialrichtung aufnehmen kann. Kühlmedium­ auslässe 68 sind zwischen den Metallkappen 66 und den Profilkeramikbauteilen 54 vorgesehen. Statorbauteile unterliegen keiner Beanspruchung durch Zentrifugalkräfte. Daher sind diese Bauteile weniger kritisch als rotierende Bauteile, so daß die Kappen der nicht gezeigten Statorschaufeln ebenfalls aus Keramikmaterial bestehen können und einstückig mit den Profilkeramikbauteilen ausgebildet sein können.

Claims (1)

1. Beschaufelter Rotor, dessen Schaufeln jeweils einen mit einer Nabe verbundenen Metallkern umfassen sowie ein diesen mit Abstand umgebendes Profilkeramikbauteil, das durch Abstützung an einer Metallkappe am radialen Ende des Metallkerns bei Rotation des Rotors unter Druckbelastung steht, wobei der Zwischenraum zwischen Metallkern und Profilkeramikbauteil mit einem am äußeren Ende der Schaufel entweichenden Kühlmedium durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischenraum (44) zwischen dem Metallkern (50) und dem Profilkeramikbauteil (54) ein nachgiebiges Bauteil (60) aus gewelltem Blech angeordnet ist, das aerodynamische Bean­ spruchungen des Profilkeramikbauteils (54) dämpft und unter­ schiedliche thermische Expansionen von Metallkern (50) und Profilkeramikbauteil (54) aufnimmt und dessen Wellungen sich im wesentlichen radial zur Nabe (52) erstrecken und Strömungs­ kanäle für das Kühlmedium bilden.