DE3539903A1

DE3539903A1 - Gas turbine with a ceramic rotor

Info

Publication number: DE3539903A1
Application number: DE19853539903
Authority: DE
Inventors: Paul-Gerhard Dipl Ing Kanis
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1985-11-11
Filing date: 1985-11-11
Publication date: 1987-05-14

Abstract

The invention relates to a gas turbine with a ceramic rotor, which is prestressed by a tension rod (5). The tension rod (5) is formed from metal and is cooled by a cooling air flow. The centrifugal forces of the ceramic parts of the rotor are absorbed by the tension rod (5). The prestressing of the ceramic turbine rotor blades increases the overall fatigue strength, the rotor blade also being made especially insensitive to vibrations by the precompression. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbi ne, insbesondere Gasturbinentriebwerk, mit einer Turbine und mit einem Rotor aus Metall, der in der Turbine mit zu mindest teilweise aus Keramik gefertigten Laufschaufeln versehen ist, wobei die dem Gasstrom in der Turbine ausge setzte Wandung jeder Laufschaufel vollständig aus Keramik gefertigt ist und wobei jede Laufschaufel mit zumindest einem als Zuganker ausgebildeten, metallischen Kern ver sehen ist, so daß zwischen metallischem Kern und kera mischer Wandung ein Hohlraum ausgebildet ist, durch den Kühlluft leitbar ist.The present invention relates to a gas turbine ne, in particular gas turbine engine, with a turbine and with a rotor made of metal that is in the turbine too at least partially made of ceramic blades is provided, wherein the gas flow in the turbine set wall of each blade made entirely of ceramic is made and each blade with at least a metallic core designed as a tie rod is seen so that between the metallic core and kera Mixer wall is a cavity through which Cooling air is conductive.

Eine derartige gattungsgemäße Gasturbine ist aus dem DE-GM 82 03 000 bekannt. In einer Gasturbine ist ein Rotor mit metallischen Laufschaufeln versehen, die über schwal benschwanzförmige Füße in den Rotor eingesetzt sind. Die Laufschaufeln des Rotors sind mit einer keramischen Wan dung versehen, die mantelartig über den metallischen Teil der Laufschaufeln gestülpt ist. Die keramische Wandung der Laufschaufel ist dabei mit einer Art Bolzen radial an dem als metallischen Kern ausgebildeten Teil des Laufrades be festigt und in radialer Richtung beweglich. Im Betriebszu stand der Gasturbine werden die entstehenden Fliehkräfte der Laufschaufeln durch den metallischen Kern aufgefangen, so daß die den Hitzeeinwirkungen des Gasstroms ausgesetzte keramische Wandung von keinen Zugkräften belastet ist. Zwischen der keramischen Wandung und dem metallischen Kern sind Kühlluftkanäle vorgesehen, durch welche Kühlluft vor zugsweise zur Kühlung des metallischen Kerns leitbar ist. Es hat sich gezeigt, daß die Gleitbewegung der keramischen Wandung auf dem metallischen Kern im Betrieb problembehaf tet ist. So kann es durch unterschiedliche Wärmedehnungs vorgänge des Metalls und der Keramik zu Verkantungen kommen, so daß die keramische Wandung letztendlich nicht frei von sämtlichen Zugkräften ist und noch zusätzlich weiteren Beanspruchungen unterworfen wird. Als Resultat neigen derartige Konstruktionen häufig zu plötzlichen Brüchen im Betrieb, wodurch die gesamte Gasturbine versagt.Such a generic gas turbine is from the DE-GM 82 03 000 known. There is a rotor in a gas turbine provided with metallic blades that over schwal tail-shaped feet are inserted into the rotor. The The rotor blades are equipped with a ceramic tub dung provided, the coat-like over the metallic part the blades are inverted. The ceramic wall of the The blade is radial with a kind of bolt on the be formed as a metallic core part of the impeller strengthens and movable in the radial direction. In the operating room The resulting centrifugal forces stand on the gas turbine the blades are caught by the metallic core, so that they are exposed to the heat of the gas stream ceramic wall is not subjected to tensile forces. Between the ceramic wall and the metallic core cooling air channels are provided through which cooling air in front is preferably conductive for cooling the metallic core. It has been shown that the sliding movement of the ceramic Wall on the metallic core in operation problematic is. So it can be due to different thermal expansion processes of metal and ceramics for canting come so that the ceramic wall ultimately does not is free of all tractive forces and additionally is subjected to further stresses. As result Such constructions tend to be sudden Breaks in operation, causing the entire gas turbine to fail.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine temperatur unempfindliche Laufschaufelkonstruktion vorzuschlagen, die trotz Verwendung zugspannungsempfindlicher Werkstoffe im Betrieb der Gasturbine sicher höchste Beanspruchungen er trägt.The invention has for its object a temperature propose insensitive blade construction that despite the use of tension sensitive materials in the Operation of the gas turbine ensures high demands wearing.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge löst.This object is ge by the features of claim 1 solves.

Erfindungsgemäß ist der als Zuganker ausgebildete metallische Kern der Laufschaufel direkt in den Rotor eingreifend vorgesehen, wodurch ein ununterbrochener Kraftfluß von der Laufschaufel direkt in den Rotor er reicht wird. Der Zuganker bringt im Ruhezustand der Gas turbine auf die keramische Wandung der Laufschaufel eine als Druckkraft in radialer Richtung wirkende Vorspannkraft der Laufschaufel auf. Da keramische Materialien Druckkräf te im Gegensatz zu Zugkräften sehr gut in der Lage sind aufzunehmen, ist die Laufschaufelkonstruktion außerordent lich stabil. Im Betrieb der Gasturbine wirken Wärmedeh nungsvorgänge auf die keramischen und metallischen Mate rialien, wodurch bedingt durch das unterschiedliche Wärme dehnungsverhalten dieser Materialien die Druckvorspannung in der keramischen Wandung der Laufschaufeln allmählich abgebaut wird. Eine radiale Bewegung bzw. Beweglichkeit der keramischen Wandung ist jedoch durch die Druckvor spannung zuverlässig vermieden. Die infolge der Rotation entstehenden Fliehkräfte der Laufschaufeln werden voll ständig von den metallischen Zugankern aufgenommen. Die keramische Wandung ist so in jedem Betriebsbereich der Gasturbine zugspannungsfrei und außerdem keinen Gleitbe anspruchungen ausgesetzt. Durch die Druckvorspannung der keramischen Wandung wird die gesamte Laufschaufel zudem erheblich unempfindlicher gegen Schwingungen. Die Dauer festigkeit der erfindungsgemäßen Laufschaufel wird somit sowohl durch geringere Schwingungsempfindlichkeit als auch durch sichere und zugspannungsfreie Konstruktion der Keramikteile erheblich erhöht.According to the invention is designed as a tie rod metallic core of the blade directly into the rotor provided for intervention, creating an uninterrupted Power flow from the blade directly into the rotor is enough. The tie rod brings the gas in the idle state turbine on the ceramic wall of the blade one as a prestressing force acting in the radial direction the blade on. Because ceramic materials are pressure te, in contrast to tractive forces, are in a very good position the blade construction is extraordinary stable. Wärmedeh act in the operation of the gas turbine processes on ceramic and metallic mate rialien, due to the different heat expansion behavior of these materials the compressive preload gradually in the ceramic wall of the blades is broken down. A radial movement or agility the ceramic wall, however, is due to the pressure voltage reliably avoided. The result of the rotation resulting centrifugal forces of the blades become full constantly absorbed by the metallic tie rods. The ceramic wall is in every operating area Gas turbine free of tension and also no sliding exposed to stress. Due to the pressure preload ceramic wall, the entire blade is also considerably less sensitive to vibrations. The duration strength of the blade according to the invention is thus both due to lower vibration sensitivity as well through safe and tension-free construction of the Ceramic parts increased significantly.

In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die im Ruhezustand auf die Wandung der Laufschaufeln ausgeübte Vorspannkraft im Auslegungszustand der Gasturbine in etwa gerade kompensiert wird. Dabei spielen die unterschiedli chen Wärmedehnungsvorgänge in den Materialien Keramik und Metall eine wesentliche Rolle, wobei durch die größere Wärmedehnung im Metall der Zuganker gerade die Vorspannung in etwa aufgehoben wird. Erfindungsgemäß soll dabei eine geringe Restvorspannwirkung verbleiben, so daß die Lauf schaufel stabil gegen Schwingungen verspannt ist. Es wird sicher erreicht, daß einerseits die Zuganker nicht unnötig hoch durch die Vorspannkräfte belastet werden und anderer seits die keramische Wandung der Laufschaufeln stets von Zugkräften frei ist. In an embodiment of the invention it is provided that the exerted on the wall of the blades in the idle state Preload in the design state of the gas turbine approximately is being compensated. The differ Chen thermal expansion processes in the materials ceramic and Metal plays an essential role, being the larger Thermal expansion in the metal of the tie rods just the preload is about canceled. According to the invention, a little residual bias remains, so that the barrel bucket is stable against vibrations. It will safely achieved that on the one hand the tie rods are not unnecessary are heavily loaded by the preload and others the ceramic wall of the blades always from Tensile forces is free.

Gegebenenfalls kann der metallische Kern jeder Laufschau fel aus mehreren Zugankern bestehen, die alle getrennt so wohl mit der Wandung der Laufschaufel als auch mit dem Ro tor verbunden sind. Es können so in vorteilhafterweise auch sehr hohe Beanspruchungen von den Zugankern aufge nommen werden, so daß die erfindungsgemäße Konstruktion sowohl für Gasturbinen mit hohen Umdrehungsgeschwindigkei ten als auch mit großen Rotordurchmessern geeignet ist.If necessary, the metallic core of every run show fel consist of several tie rods, all separately so probably with the wall of the blade as well as with the Ro gate are connected. It can be so advantageously also very high loads from the tie rods be taken so that the construction according to the invention both for gas turbines with high rotational speeds ten as well as with large rotor diameters.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Zuganker als schraubenartige Teile ausgebildet sind und direkt in den Rotor eingeschraubt werden. Der Ro tor ist in diesem Fall als rohrartiges Teil mit radialen Gewindelöchern vorgesehen. Die Vorspannkraft wird in be sonders einfacher Weise durch ein festgelegtes Drehmoment der als Schrauben ausgebildeten Zuganker aufgebracht. Auch ein einfacher Wechsel der Laufschaufeln ist möglich. Zudem lassen sich Schraubverbindungen einfach berechnen, weshalb auch der Aufwand in der konstruktiven Phase gering ist. Komplizierte Schwalbenschwanzführungen der Laufschaufeln können in vorteilhafter Weise entfallen.In a further embodiment of the invention, it is provided that that the tie rods are designed as screw-like parts and are screwed directly into the rotor. The Ro In this case, the gate is a tubular part with radial Thread holes provided. The preload is in be particularly easy by a fixed torque the tie rod designed as screws applied. Also a simple change of the blades is possible. In addition screw connections can be easily calculated, why the effort in the design phase is also low. Intricate dovetail guides on the blades can advantageously be omitted.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die fol gende Figurenbeschreibung verwiesen, in der ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert ist.To further explain the invention, the fol referring to the description of the figures, in which one in the Drawing shown embodiment of the invention is explained.

Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine Laufschaufel und einem Rotor einer erfindungsgemäßen Gas turbine. The only figure shows a longitudinal section through a Blade and a rotor of a gas according to the invention turbine.

Eine Laufschaufel 1 ist auf einem Rotor 2 einer Gasturbine befestigt. Der Rotor 2 und die Laufschaufel 1 befinden sich innerhalb des Turbinenteils der Gasturbine, der durch die Gehäusewandung 3 ersichtlich ist. Die Laufschaufel 1 besteht aus einer keramischen Wandung 4 und einem als Zug anker 5 ausgebildeten metallischen Kern. Die keramische Wandung 4 ist gegen den Rotor 2 abgestützt. Der Zuganker 5 greift mit seinem einen axialen Ende über einen Kopf 6 in einen Absatz 7 der keramischen Wandung 4 ein und ist mit seinem anderen axialen Ende über eine Schraubverbindung 8 radial in den Rotor 2 eingeschraubt. Der Zuganker 5 übt dabei im Ruhezustand der Gasturbine eine Druckspannung auf die keramische Wandung 4 der Laufschaufel 1 aus. Zwischen der keramischen Wandung 4 und dem Zuganker 5 ist ein Hohl raum 9 vorgesehen, durch den über Kühlluftzuführungen 10 und Kühlluftabführungen 11 Kühlluft zur Kühlung primär des Zugankers 5 geleitet wird. Der Zuganker 5 ist aus hoch warmfestem hochlegiertem Stahl, vorzugsweise aus einem chromlegierten Stahl, hergestellt.A rotor blade 1 is attached to a rotor 2 of a gas turbine. The rotor 2 and the rotor blade 1 are located within the turbine part of the gas turbine, which can be seen through the housing wall 3 . The blade 1 consists of a ceramic wall 4 and an anchor 5 designed as a train metal core. The ceramic wall 4 is supported against the rotor 2 . The tie rod 5 engages with its one axial end via a head 6 in a shoulder 7 of the ceramic wall 4 and is screwed radially into the rotor 2 with its other axial end via a screw connection 8 . The tie rod 5 exerts a compressive stress on the ceramic wall 4 of the moving blade 1 in the idle state of the gas turbine. Between the ceramic wall 4 and the tie rod 5, a hollow space 9 is provided through which cooling air via supply lines 10 and cooling air outlets 11 cooling air for cooling the primary of the tie rod is passed. 5 The tie rod 5 is made of high-temperature, high-alloy steel, preferably of a chrome-alloy steel.

Der Kopf 6 des Zugankers 5 und der Absatz 7 der Wandung 4 ist in einem radial möglichst weit oben liegenden Bereich der Laufschaufel 1 angeordnet.The head 6 of the tie rod 5 and the shoulder 7 of the wall 4 are arranged in a region of the rotor blade 1 which is as radially as possible as high up.

Im Betrieb der Gasturbine wirken Fliehkräfte auf die Lauf schaufel 1, die von dem Zuganker 5 aufgefangen werden. Die keramische Wandung 4 der Laufschaufel ist zu jedem Zeit punkt bis zu dem Absatz 7 vollständig frei von Zugkräften. Eine Bruchgefahr für die Laufschaufel besteht folglich nicht. Im Ruhezustand der Gasturbine werden Druckvorspann kräfte von den Zugankern auf die keramische Wandung der Laufschaufeln gegeben, die im Betrieb der Gasturbine durch das unterschiedliche Wärmedehnungsverhalten der metalli schen Zuganker und der keramischen Laufschaufel zumindest teilweise wieder aufgehoben werden. Keramik dehnt sich bei Erwärmung kaum aus, während Metall je nach Art eine erheb liche Wärmedehnung aufweist. Durch die Vorspannung ist die keramische Wandung stets fest mit den Zugankern verbunden und somit keinen Gleitbeanspruchungen ausgesetzt. Die Vor spannung bewirkt ferner eine erhebliche Steigerung der Un empfindlichkeit gegen Schwingungsbeanspruchungen. In vor teilhafter Weise ist die Größe der Vorspannung so ausge legt, daß selbst bei Vollast der Gasturbine die keramische Wandung noch mit einem Rest der Vorspannung beaufschlagt ist. Insgesamt wird die Dauerfestigkeit einer erfindungs gemäßen Laufschaufel in vorteilhafter Weise erhöht.In the operation of the gas turbine, centrifugal forces act on the blade 1 , which are collected by the tie rod 5 . The ceramic wall 4 of the blade is completely free of tensile forces at all times up to paragraph 7 . There is therefore no risk of the blade breaking. In the idle state of the gas turbine, prestressing forces are given by the tie rods to the ceramic wall of the rotor blades, which are at least partially canceled again during operation of the gas turbine by the different thermal expansion behavior of the metallic tie rods and the ceramic rotor blade. Ceramic hardly expands when heated, while metal exhibits considerable thermal expansion depending on the type. Due to the prestressing, the ceramic wall is always firmly connected to the tie rods and is therefore not exposed to sliding loads. The voltage also causes a significant increase in sensitivity to vibration stresses. In a geous manner, the size of the bias is so out that even with full load of the gas turbine, the ceramic wall is still subjected to a remainder of the bias. Overall, the fatigue strength of an inventive blade is increased in an advantageous manner.

Durch die Kühlluft, welche über die Kühlluftzuführung 10 um den Zuganker 5 herumströmt, wird der Zuganker 5 soweit abgekühlt, daß er sicher die auftretenden Beanspruchungen erträgt. Die keramische Wandung 4 übernimmt die durch den Heißgasstrom auftretenden extremen Temperaturbeanspruchun gen, während der Zuganker 5 die mechanischen Belastungen der Laufschaufel aufnimmt. Da Keramik besonders hitzebe ständig ist, kann die Turbineneintrittstemperatur der Gas turbine gesteigert werden, wodurch insgesamt sowohl die Leistung als auch der Wirkungsgrad der Gasturbine erhöht wird. Die Kühlluft kann sowohl über die Kühlluftabführung 11 wieder in den Rotor 2 abgeführt werden als auch über nicht dargestellte Öffnungen direkt in den Gaskanal der Turbine geleitet werden.By the cooling air, which flows around the tie rod 5 via the cooling air supply 10 , the tie rod 5 is cooled down to such an extent that it can safely withstand the stresses that occur. The ceramic wall 4 takes over the extreme Temperaturbeanspruchun occurring by the hot gas flow, while the tie rod 5 absorbs the mechanical loads on the blade. Since ceramics are particularly heat-resistant, the turbine inlet temperature of the gas turbine can be increased, which overall increases both the power and the efficiency of the gas turbine. The cooling air can be discharged back into the rotor 2 via the cooling air discharge 11 and can also be conducted directly into the gas duct of the turbine via openings (not shown).

Zur sicheren Aufnahme der auftretenden Belastungen können für eine Laufschaufel auch mehrere Zuganker vorgesehen sein, die alle getrennt in den Rotor eingeschraubt sind. To safely absorb the loads that occur Several tie rods are also provided for a moving blade be screwed into the rotor separately.

Als Anwendungsfall einer solchen Gasturbine treten insbe sondere Gasturbinentriebwerke für den Einsatz in Flugzeu gen auf, weil bei solchen Gasturbinen insbesondere die Forderung nach hohen Turbinenleistungen bei guten Wir kungsgraden im Vordergrund steht. Es ist jedoch auch der Einsatz bei stationären Gasturbinenanlagen vorteilhaft möglich.As a case of application of such a gas turbine occur in particular special gas turbine engines for use in aircraft gen on because with such gas turbines in particular Demand for high turbine performance with good Wir degree of focus is in the foreground. However, it is also the Use in stationary gas turbine plants advantageous possible.

Claims

1. Gas turbine, in particular gas turbine engine, with a turbine and with a rotor ( 2 ) made of metal, which is provided in the turbine with at least partially made of ceramic th blades ( 1 ), the exposed to the gas flow in the turbine wall of each blade ( 1 ) is made entirely of ceramic and each rotor blade ( 1 ) is provided with at least one metallic core formed as a tie rod ( 5 ), so that a cavity ( 9 ) is formed between the metallic core and the ceramic wall ( 4 ), can be guided by the cooling air, characterized in that the ceramic wall ( 4 ) of the guide vane ( 1 ) is arranged with the radially inner end lying directly against the rotor ( 2 ) and the tie rod ( 5 ) engages directly in the rotor ( 2 ) , and that at rest the gas turbine was from the tie rod ( 5 ), the ceramic wall ( 4 ) of the blades ( 1 ) in the radial direction of the rotor with a compressive force acting as a biasing force t is applied.

2. Gas turbine according to claim 1, characterized in that the pressure rod exerted by the tie rod ( 5 ) in the idle state of the gas turbine on the ceramic wall ( 4 ) in the design state of the gas turbine is approximately eliminated by the various thermal expansion processes between the ceramic and the metal .

3. Gas turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the tie rod ( 5 ) is designed as a screw-like part and is inserted in the rotor ( 2 ) with a thread.

4. Gas turbine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the tie rod ( 5 ) is made of heat-resistant high-alloy steel.