DE3129220A1 - "einrichtung zur verbindung eines keramischen laufrades, insbesondere turbinenlaufrades einer stroemungsmaschine, z.b. eines gasturbinentriebswerks, mit einer metallischen welle" - Google Patents

"einrichtung zur verbindung eines keramischen laufrades, insbesondere turbinenlaufrades einer stroemungsmaschine, z.b. eines gasturbinentriebswerks, mit einer metallischen welle"

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DE3129220A1 DE19813129220 DE3129220A DE3129220A1 DE 3129220 A1 DE3129220 A1 DE 3129220A1 DE 19813129220 DE19813129220 DE 19813129220 DE 3129220 A DE3129220 A DE 3129220A DE 3129220 A1 DE3129220 A1 DE 3129220A1
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Description

-4-sr/si
MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH
München, den 8. Juli 1981
Einrichtung zur Verbindung eines keramischen Laufrades, insbesondere Turbinenlaufrades einer Strömungsmaschine, z.B. eines Gasturbinentriebwerks, mit einer metallischen Welle.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verbindung eines keramischen Laufrades, insbesondere Turbinenlaufrades einer Strömungsmaschine, z.B. eines Gasturbinentriebwerkes, mit einer metallischen UeIIe, wobei die Verbindung zwischen einem Wellenzapfen des keramischen Laufrades und einem auf diesen aufqesetzten hohlzylindrischen Endteil der metallischen Maschinenwelle gebildet ist.
Bei bereits vorgeschlagenen bzw. bekannten Einrichtungen im Sinne der eingangs genannten Art bereitet es nach wie vor verhältnismäßig große Schwierigkeiten, eine geeignete kraftschlüssige Verbindung zwischen der betreffenden metallischen Maschinenwelle und einem aus Keramik gefertigten Laufrad, insbesondere Turbinenlaufrad, schaffen zu können.
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Hierzu wurden beispielsweise Schrumpfverbindunqen, Klebeverbindungen oder auch schon Lötverbindunqen vorgeschlagen bzw. erörtert. Weqen der äußerst unterschiedlichen Materialeigenschaften und -strukturen von keramischen Bauteilen einerseits und me'tal Ii sehen Bauteilen andererseits sowie weqen der bei derartigen Verbindungen zugrundelegbaren, verhältnismäßig großen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der daraus resultierenden Material spannungen war es zum einen bisher nicht möglich, für derartige Verbindungen (Metall-Keramik) eine zufriedenstellende Lösung zu erbrinqen.
.Zum andern müssen derartige Verbindungen insbesondere bei neuzeitlichen Gasturbinentriebwerken verhältnismäßig hohen Drehzahlen und Temperaturen standhalten können, wobei u.a. weiter die durch die verhältnismäßig hohen Drehzahlen verursachten Zentrifugalbeanspruchungen bzw. Kraftbeanspruchungen besonders im Bereich der äußeren Umfangsperipherie dieser genannten Verbindungsstelle
™ berücksichtigt werden müssen.
Im Rahmen der eingangs erörterten Problematik liegt der ■ Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei ver-Z3 hältnismäßig hohen Temperaturen und Drehzahlen eine dauerhafte und kraftschlüssige Verbindung einer metallischen Maschinenwelle mit einem keramischen Laufrad bei einer Strömungsmaschine sicherstellt.
Die gestellte Aufnabe ist gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bezüglich weiterer vorteilhafter Ausnastaltunnen des Fr-
findungsgegenstandes wird auf die Patentansprüche 2 bis 9 verwiesen.
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I L. ^) C C-KJ
-6-
' Hierbei ergeben sich insbesondere gegenüber einer Schrumpfverbindung folgende Vorteile:
a) Der Wärmedehnwert,des Faserrings (ca. 1·10" K" )
ist kleiner als· derjenige des Keramikturbinenrades (ca. 3ϊ4,5·10~ K~ ). Es ist also ein Lösen der erfindungsgemäßen; Verbindung, was gegebenenfalls durch thermische !Dehnungen hervorgerufen werden kann, im Gegensatz zu einer Schrumpfverbindung nicht möglich.
b) Der Faser-(CFC)-Ring weist ein geringeres spezifisches Gewicht (ft =1>7τ-1,8) als die metallische Welle bei einer Schrumpfverbindung auf. Hieraus ergibt sich
'** somit eine wesentlich verringerte, von den Drehzahlen abhängige Aufweitung.
c) Der gemäß in der Erfindung vorgesehene Faserring
ist in der Lage, die zu erwartenden verhältnismäßig
hohen Tangential spannungen weitestgehend aufzufangen.
d) Geht man davon aus, daß der genannte Faserrinq außen mit einem Sondermetall , das einen niedrigeren Wärmedehnwert aufweist, beschichtet ist, so kann hierbei eine Einsatztemperatur von etwa 800° C zugrundegelegt werden, wobei im Falle einer unbeschichteten Ausführung etwa eine Einsatztemperatur von 500° C zugrundegelegt werden kann. Im Falle einer unbeschichteten Ausführung dieses Faserrings würde sich somit eine Einsatztemperatur ergeben, die im Bereich derjeniqen bei einer Schrumpfverbindung liegt, wofür eine Einsatztemperatur von etwa 400 bis 500° C zugrundegelegt werden kann.
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Anhand der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert;
es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise axial aufgeschnittene
Ausführung nach der Erfindung betreffend die Verbindung eines hohlzylinderischen, metallischen
ig Maschinenwelienendes mit dem Zapfen
eines aus Keramik gefertigten Turbinenlaufrades *
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie H-II der Fig. 1 veranschaulichend eine
rotationssymmetrische Schwächung des verbindungsseitigen Maschinenwellenendes und
Fig. 3 und 4 verschiedene Ausführungs
formen gemäß Blickrichtung II-II der Fig. 1 gesehen und betreffend hier örtlich gezielt geschwächt ausgeführte, hülsenartige WelTenenden der betreffenden Maschinen
welle.
Fig. 1 veranschaulicht die Verbindung eines keramischen Turbinenlaufrades 1 eines Gasturbinentrieb-
werks mit einer metallischen Maschinenwelle 2.
Gemäß Fig. 1 sieht die Erfindung u.a. eine auf den Wellenzapfen 3 des keramischen Laufrades 1 gesteckten Wärmeisolierring 5 vor. Auf diesen Wärmeisolierring
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O I L ÖL· LK)
0 W M «r « ·
-8-
] ist ein hohlzylindrisches Endteil 4 der metallischen Maschinenwelle 2 aufgesetzt und anschließend mittels mindestens eines auf das Endteil 4 aufgepressten Faserringes 6 am Wellenzapfen 3 kraftschlüssig festlegbar. Wie insbesondere aus den Fig. 2, 3 und-4 weiter hervorgeht, können die jeweiligen hohlzylindrischen Endteile 4, 4', 41' insbesondere im Überdeckungsbereich der Verbindung "Endteil/Wellenzapfen-" material sei tig geschwächt ausgebildet sein.
Die Fig. 1 und 2 verkörpern demnach eine rotationssymmetrische Schwächung des hohlzylindrischen Endteils 4, indem durch eine gleichförmige Wandstärkenverringerung ein dünnwandiges Hülsenende erzielt wird.
Die Fig. 3 und 4 sind dann Ausführungsbeispiele für eine örtliche und materialseitig gezielte Schwächung der hohlzylindrischen Endteile 41, 411, wobei in Fig.
diese örtlich gezielte Schwächung durch Axial sch!itze 7 vorgenommen ist» während sie in Fig. 4 durch Längsnuten 8 hervorgerufen ist, wobei diese Längsnuten vorteilhafterweise mit ihrer jeweils geöffneten Seite auf dem betreffenden Wärmeisolierring 5 aufliegen sollen.
Das keramische Laufrad nebst Wellenzapfen kann vorteilhafterweise aus SiIiziumnitrid oder Siliziumkarbid hergestellt sein.
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Ferner kann der jeweils verwendete Wärmeisolierring aus Al umi niumti tanat oder aus pyrolytischeni Bornitrid gefertigt sein.
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Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Erfindungsgedankens wird darin gesehen, den mindestens einen Faserring aus in eine Kohlenstoffmatrix eingebetteten Kohlenstoffasern (CFC) zu bilden bzw. herzustellen. " Die Erfindung schließt andererseits aber nicht aus, den mindestens einen Faserring aus faserverstärktem Kunststoff, gegebenenfalls unter Anwendung von Kohlenstoffasern, zu fertigen.
Im Interesse einer verhältnismäßig hohen Temperaturbeständigkeit soll es erfindungsgemäß weiter vorgesehen sein, den Faserring mit einer äußeren Beschichtung aus einem Sondermetall mit niedrigem Wärmedehnwert zu fertigen. Beispielsweise kann der CFC-Faserring mit Siliziumkarbid (SiC) beschichtet sein.
Die Beschichtung kann nach dem Verfahren der Dampfphasenabscheidung erfolgen (CVD-Verfahren, bedeutend: Chemical Vapor Deposition).
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Leerseite

Claims (9)

  1. MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
    MÜNCHEN GMBH 5
    München, den 8. Juli 1981 10
    Patentansprüche·
    Einrichtung zur Verbindung eines keramischen Laufrades, insbesondere Turbinenlaufrades einer Strömungsmaschine, z.B. eines Gasturbinentriebwerkes, mit einer metallischen Welle, wobei die Verbindung
    zwischen einem Wellenzapfen des keramischen Laufrades und einem auf diesen aufgesetzten hohlzylindrischen Endteil der metallischen Maschinenwelle gebildet ist, gekennzeichnet durch einen auf den Wellenzapfen (3) des keramischen Laufrads (1)
    gesteckten Wä'rmeisol ierring (S), auf den das hohl zylindrische Endteil (4) der metallischen Maschinenwelle (2) aufgesetzt und anschließend mittels mindestens eines auf das Endteil (4) aufgepreßten Faserringes (6) am Wellenzapfen (3) kraftschlüssig
    festlegbar ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlzylindrische Endteil (4) insbesondere im Überdeckungsbereich der Verbindung (Endteil/WeI1en-
    zapfen) materialseitig geschwächt ausgebildet ist.
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    O \ LO
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine rotationssymmetrische Schwächung des hohlzylindrischen Endteils (4) in Form einer Wandstarkenverringerung (Fig. 2).
    -
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine örtliche gezielte materialseitige Schwächung des hohlzylindrischen Endteils (4') (Fig. 3) in Form sich vorzugsweise in Achsrichtung erstreckender
    '^ Schlitze (7) oder Ausnehmungen, z.B. Nuten (8) am Endteil (411) (Fig. 4), von denen die letzteren gegen den angrenzenden Wa'rmeisol ierring (5) geöffnet sind.
  5. 5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche '** 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Laufrad nebst Wellenzapfen aus Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid hergestellt ist.
  6. 6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche
    1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeisolierring aus Aluminiumtitanat oder aus pyrolytischem Bornitrid gefertigt ist.
  7. 7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche
    1 bis 6,. dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Faserring aus in eine Kohlenstoffmatrix eingebetteten Kohlenstoffasern (CFC) besteht.
  8. 8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 30
    1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Faserring aus Faser-, gegebenenfalls C-Faserverst&rktem Kunststoff gefertigt ist.
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    e ■
    1
  9. 9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Faserring eine äußere Beschichtung aus einem Sonderrnetall mit niedrigem Wärmedehnwert aufweist, die z.B. aus Siliziumkarbid be-
    5 steht.
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