DE3129304A1 - "von heissgas beaufschlagte turbinenschaufel" - Google Patents

Description

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MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, 24. Juli 1981

Von Heißgas beaufschlagte Turbinenschaufel

Die Erfindung bezieht sich auf eine' von Heißgas beaufschlagte Turbinenschaufel mit Metall- und Keramikkomponenten.

Aus der DE-AS 736 953 ist eine Gasturbinenschaufel mit einem Stahl Stützkörper und einer Hülse aus keramischem Werkstoff bekannt, bei der die Hülse aus keramischem Werkstoff über die gesamte Schaufelhöhe reicht und an ihrem oberen Ende mit einem am Kopfende des Stützkörpers befindlichen Haiteblättchen festgehalten ist. Ähnliche Metall- und Keramikschaufeln sind aus der DE-PS 848 und US-PS 24 79 057 bekannt.

Es hat sich gezeigt, daß Schaufeln der vorbekannten Art insbesondere dann, wenn sie als Rotorschaufeln für hochtourige Rotoren verwendet werden, durch Rißbildung in der Keramikhülse gefährdet sind. Solche Rißbildung und nachfolgende Zerstörung ist darauf zurückzuführen, daß in dem Keramikblatt bei hohen Drehzahlen erhebliche Druckspannungen auftreten, die vor allem im Bereich der Abstützflache der Kerarni khül se die zulassigen Flächen-

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Pressungen übersteigen. Durch den Bruch von Kerami khül sen ergeben sich im Betrieb erhebliche Folgeschäden in den Turbinen. Ein weiteres Problem bei den vorbekannten Turbinenschaufeln besteht in einer einwandfreien Halterung der .Keramikhülse im Kopfbereich des metallischen Stützkerns. Je höher die Kerarni khül se, desto größer sind die entstehenden Fliehkräfte und desto stabiler muß die Halteeinrichtung am Kopf des Stützkerns ausgebildet sein, was häufig aus Platzgründen nicht in hinreichendem Maß gewährleistet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Turbinenschaufel zu schaffen, die auch bei großer Schaufelhöhe und erheblicher Fliehbeanspruchung höchste Dauerfestigkeit aufweist, ohne dabei auf die durch Hochtemperaturfestigkeit und Erosionsfestigkeit sich auszeichnenden Profi1blätter aus Keramik verzichten zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Turbinenschaufel mit dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1.

Durch die erfindungsgemäße Verringerung der Hö'he des aus Keramik bestehenden Profilblattes ergibt sich eine entsprechende Verringerung der Keramikmasse und demzufolge geringere Fliehkräfte. Die Folge davon sind geringere Flächenpressung in der Kontaktzone zwischen Keramikprofi 1 blatt und Stützkern sowie eine geringere Belastung des tragenden Stützkerns. Durch die geringere Druckbelastung des Keramikprofi1blattes wird die Gefahr der Rißbildung und damit die Gefahr eines Bruches erheblich herabgesetzt.

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Andererseits ist die Ausbildung des radial innen gelegenen Schaufel tei 1 es aus Metal.! fur die meisten Anwendungsfälle hinnehmbar, weil jegliche Art von Feststoffpartikeln im Gasstrom sich im radial äußeren Teil des Gasstromes befinden und demnach nur dort die hohe Erosionsfestigkeit von Keramik bei hohen Temperaturen wirklich unverzichtbar ist.

Mit einer erfindungsgemäßen Schaufel wird größere Betriebssicherheit für eine Turbomaschine dadurch erzielt, daß dann, wenn ein Bruch des Keramikblattes aufgetreten ist, infolge der geringen Größe des gebrochenen Bauteils, nämlich des Keramikprofi1blattes Folgeschäden an benachbarten Bauteilen, insbesondere an solchen, die stromabwärts liegen, in Grenzen gehalten werden können. Schließlich ist dadurch, daß ein Teil der Turbinenschaufel aus Metall oder aus Stahl besteht, auch dann noch mit einer eingeschränkten Betriebsfähigkeit zu rechnen, wenn etwa das Keramikprofilblatt zerstört ist. Dadurch läßt sich ein sofortiger totaler Leistungsabfall der Turbomaschine ausschließen.

Vorteilhafterweise beträgt bei einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel die Höhe des aus Keramik bestehenden radial außen liegenden Profilblattes bis zur Hälfte der gesamten Schaufel höhe, wobei eine bevorzugte Ausführungsform ein Keramikprofi1blatt etwa 1/3 der gesamten Schaufel höhe h aufwe ist.

Wie an sich bekannt, ist es konstruktiv günstig, wenn der Stütjzkern an seinem radial äußeren Ende einen pilzförmig

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l|#na us ray en den Kopf aufweist, an dem sich das Kerami kpr'oroil blatt von unten her abstützt.

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In der beigefügten Zeichnung sind Ausführunqsbeispiele erfindungsgemäßer Turbinenschaufeln im Teil schnitt dargestellt.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaufel besteht aus einem radial inneren Teil 1, der auch den Schaufelfuß 5 umfaßt und aus Metall, vorzugsweise Stahl, besteht. Mit dem radial inneren Teil 1 der Schaufel ist ein sich radial außen anschließender Stützkern 2 einstückig ausgebildet, der einen pilzförmig herausragenden Kopf 4 aufweist. Der ptlzförmige Kopf 4 des Stützkerns 2 stützt ein aus Keramik bestehendes Profilblatt 3, welches an seinem radial inneren Ende stufenlos an die Außenfläche des radial inneren Teils 1 der Turbinenschaufel anschließt.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaufel ist im wesentlichen genauso aufgebaut wie die Schaufel nach Fiq. 1, unterscheidet sich jedoch dadurch, daß die Wanddicke des Keramikprofilblattes 3a radial nach außen zum Blattende hin zunimmt. Dementsprechend kann, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, der Stützkern 2a der Schaufel in diesem Bereich sich radial nach außen verjüngen. Alternativ könnte auch ein in seinem Querschnitt radial nach außen abnehmender Spalt zwischen dem Keramikprofilblatt 3a und einem Stützkern 2 mit konstantem Querschnitt vorgesehen sein. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mit erhöhter Erosionsbelastung der Schaufel oberfläche gerechnet werden muß, wie es z. B. bei Kohlestaubtriebwerken der Fall ist. Die erhöhte Erosion wird vor allem im radial äußeren Bereich die Oberfläche des Keramikprofi1blattes abtragen.

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Durch die erhöhte Wandstärke in diesem Bereich steht dann über einen langen Betriebszeitraum immer noch eine ausreichende Material stärke zur Verfügung.

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Claims (5)

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   MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
   MÜNCHEN GMBH

   München, .24. Juli 1981

   Patentansprüche

   Von Heißgas beaufschlagte Turbinenschaufel mit Metall und Keramikkomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel in ihrem radial inneren Teil (1) ganz aus Metall besteht, während sie in ihrem radial äußeren Teil einen Stützkern (2) aus Metall und ein diesen umgebendes Profilblatt (3) aus Keramik aufweist.
2. 2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Keramik bestehende radial außen liegende Profilblatt (3) bis zur Hälfte der gesamten Schaufelhöhe h ausmacht.
3. 3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Keramik bestehende radial außen liegende Profilblatt (3) etwa 1/3 der gesamten Schaufel höhe h ausmacht.
4. 4. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnets daß, wie an sich bekannt, der Stützkern an seinem radial äußeren Ende einen pilzförmig herausraqenden Kopf (4) aufweist, an dem sich das Keramikprofil blatt von unten her abstützt.
5. 5. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wanddicke des Keramikprofilblattes radial nach außen zum Blattende hin erhöht.

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