DE2411992A1

DE2411992A1 - Turbinenlaufrad

Info

Publication number: DE2411992A1
Application number: DE2411992A
Authority: DE
Inventors: William F Stahl
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1973-03-27
Filing date: 1974-03-13
Publication date: 1974-10-03
Also published as: FR2223546B1; CH576066A5; FR2223546A1; CA975302A; DE2411992C2; NL7403268A; IT1009669B; US3809495A; SE391962B; GB1438238A

Description

PATH XT A N WAIT

DIPL. ING. K. HOLZEK AUOSBU RG

IPHHJtPFINB-WELSBIt-Sa¹BASSJi 14 TIfLEPONi S1875 '

w. 649

Augsburg, den 8. März 1974

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County,

Pennsylvania 15222, V,St.A,

Turb inenlaufrad

Die Erfindung betrifft ein Turbinenlaufrad mit einer an ihrem Umfang eine Vielzahl von Halteschiitzen aufweisenden Radscheibe und mit einem Schaufelkranz, dessen Schaufeln der Form der Halteschlitze entsprechend ausgebildete und in die Halteschlitze eingesetzte Schaufelfüße aufweisen.

409 8 40/0322

Bekanntermaßen hängen der thermische Wirkungsgrad und die Abtriebsleistung einer Turbine von der Temperatur des Treibmittels ab. Gewöhnlich ist der thermische Wirkungsgrad der Turbine um so größer, je höher die Temperatur des Treibmittels ist. Der die Vergrößerung des Turbinenwirkungsgrades und der Abtriebsleistung hauptsächlich begrenzende Paktor ist jedoch die mechanische Bela'stbarkeit der umlaufenden Schaufeln. Aus hochtemperaturbeständigen Superlegierungen hergestellte Turbinenschaufeln können Temperaturen von etwa 98O⁰C bis 1100⁰C standhalten. Die Verwendung keramischer Stoffe, insbesondere von Siliciumnitrid (SiJiL)" und Siliciumcarbid (SiC) gestattet Turbineneintrittstemperaturen im Bereich von 1250⁰C bis 1430⁰C. Keramische Stoffe sind jedoch nicht so zäh wie Metalle. Irgendwelche Zugbeanspruchungen in kritischen Querschnitten können in keramischen Stoffen Risse hervorrufen und eine eus einem solchen Stoff bestehende Schaufel wird unbrauchbar. Bei der Konstruktion der Schaufel und der Schlitze des Laufrads muß daher grundsätzlich versucht werden, die Verbindung zwischen Laufrad und Schaufel im Sinne einer Verminderung der Zugspannungen auszubilden. Es ist bereits versucht worden, die Berührungsfläche zwischen den keramischen Schaufelfüßen und den Laufradschlitzen durch Verwendung einer Zwischenschicht aus Metallgewebe, Keramikfasern oder Asbestgewebe dämpfend zu gestalten. Diese sandwichartige Polsterung ist jedoch unvorteilhaft, da der Schaufelfuß nicht gleichmäßig getragen

409840/0322

wird. Außerdem sind bei einer solchen Zwischenschicht Verschleiß durch Rutschen, örtliche Überlastung, Abscheuern und Pulverisierung möglich. Diese Nachteile der Sandwich-Anordnung stellen bei Verwendung in Verbindung mit keramischen Schaufeln mögliche Gefahren dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Turbinenlaufrad der eingangs dargelegten allgemeinen Art eine einfache, wirtschaftlich und leicht herstellbare, federnde bzw. nachgiebige Halterung für die SchaufelfUße von keramischen Schaufeln in der Radscheibe vorzusehen.

Im Sinne der Lösung_ dieser Aufgabe ist ein solches Turbinenlaufrad gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Halteschlitze zwecks Bildung einer nachgiebigen Halterung für die Schaufelfüße mit Auszackungen versehen sind.

Die Auszackungen sind durch feine Nuten gebildet, die in den die Schaufelfüße aufnehmenden Halteschlitzen der Radscheibe vorgesehen sind. Diese Auszackungen können verschiedenartig geformt sein. Sie können einander Uberkreuzen oder zueinander parallel verlaufen. Die Spitzen der Auszackungen dehnen sich unter der Druckkraft des Schaufelfußes im Betrieb der Turbine. Durch diese Dehnung der

409840/032?

Spitzen der Auszackungen entsteht eine verformten federnde und dehnbare Halteflache, welche die harte Keramikoberfläche des Schaufelfußes trägt. Durch, die Auszackungen wird also eine gleichmäßig tragende und trotzdem nachgiebige Haltefläche für den Schaufelfuß gebildet.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Tur

binenlaufrad nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Ausschnitt der Radscheibe

des erfindungsgemäßen Laufrads, in welchem einer der Halteschlitze mit einer nachgiebigen Haltevorrichtung für den Schaufelfuß dargestellt ist,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie

HI-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform der

Auszackungen der erfindungs-

- 4 409840/032?

gemäßen Anordnung und

Fig. 5 ■ noch eine weitere Ausführungs-

form der Auszackungen.

Wie insbesondere aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, weist das dort dargestellte Laufrad 10 einer Axial-Gasturbine eine Radscheibe 12 mit einer ringförmigen Anordnung von an dessen Umfang angeordneten Halteschiitζen 14 auf. Die Haltestütze 14 sind unterschnitten und etwa schwalbenschwanzförmig ausgebildet. Genauer gesagt, weisen die Halteschlitze 14 jeweils zwei konvergierende Seitenwi:ndungsabschnitte 18 und 20 auf, welche durch gekrümmte Wandungsabschnitte 17 mit einem etwa in Umfangsrichtung verlaufenden Bodenwandungsabschnitt 22 verbunden sind. Zum Radscheibenumfang hin gehen die konvergierenden Seitenwandungsbereiche 18 und 20 in divergierende Seitenwandungsbereiche und.21 über. Die konvergierenden Seitenwandungsbereiche l8 und 20 sind jeweils mit Auszackungen 24 versehen. Diese Auszackungen 24 sind verformbar und geben nach, wenn sie belastet werden. Die Auszackungen 24 sind entweder durch Fräsen, durch elektrochemische Bearbeitung, durch Riefen oder Stoßen herstellbar.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung von zueinander parallelen

- 5 ;09S40/0322

Auszackungen 26, die jeweils in den konvergierenden Seitenwandungsbereichen l8 iind 20 eines Halteschlitzes 14 gebildet sind. Jeder der einzelnen Nuten 24 ist gerade und verläuft zu den anderen Nuten, welche die Auszackungen 26 bilden, parallel.

Die Auszackungen 24 können in kreuzrasterartiger Anordnung 28 angeordnet sein, wie in Fig. 3 dargestellt. Durch diese nichtparallele Anordnung von Auszackungen 28 entsteht eine Vielzahl verformbarer Spitzen 29, während im Gegensatz dazu bei den in Fig. 2 dargestellten Auszackungen 26 eine Vielzahl verformbarer geradliniger Grate 24 gebildet ist.

Die Auszackungen 24 können verschiedene Formen aufweisen. Sie können jeweils gleichwinkelige oder gleich geneigte Flanken 30 aufweisen, die gemäß Fig. 4 in einem Punkt 31 zusammenlaufen, oder sie können zwei verschieden geneigte Flankenflachen 32 und 33 und abgestumpfte Spitzen 3^ aufweisen, wie in Fig. 5 dargestellt.

Die Halteschlitze 14 am Umfang der Radscheibe 12 tragen eine Vielzahl keramischer Turbinenschaufeln 36, die jeweils einen Schaufelfuß 37 besitzen. Die meisten keramischen Materialien, beispielsweise die für Turbinenschaufeln verwendeten Werkstoffe, nämlich Silicium-

- 6 409840/0322

2411392

nitrid (Si-Jf₂.) oder Siliciumcarbid (SiC), können höheren Temperaturen als Metalle widerstehen, und die meisten keramischen Werkstoffe sind gegenüber Druckbeanspruchungen stärker belastbar als Metalle. Leider weisen keramische Werkstoffe im Vergleich zu Metallen eine geringere Zugfestigkeit auf. Aus diesem Grund sind die Seitenwandungen und 20 der Halteschlitze 14 geneigt, so daß sie auf die Schaufelfüße yj der Keramikschaufeln 36 eine Druckkraft ausüben. Übergroße Zug- oder Scherkräfte in kritischen Querschnitten der Keramikschaufeln 36 wurden Risse im keramischen Werkstoff hervorrufen und die Schaufeln 36 wurden unbrauchbar.

Zur Verminderung einer Beschädigung der keramischen Schaufeln infolge von Rißbildungen im keramischen Werkstoff durch zu große Zug- oder Scherkräfte in kritischen Querschnitten des Schaufelfußes sind die Wandungen der Halteschlitze mit federnden und dehnbaren Tragflächen versehen. Die. federnden Tragflächen der Schlitzwandungen sind dehnbar und stellen eine deformierbare Sitzfläche für die Schaufelfüße dar. Die Schaufelfüße werden durch die beim Umlaufen des Laufrades entstehenden Fliehkräfte gegen die Schlitzwandungen gedrängt. Die nachgiebigen Tragflächen der Schlitzwandungen vermindern infolgedessen diejenigen Kräfte, die keine Druckkräfte sind und die kera-

- 7 409840/0322

mischen Schaufeln zerstören könnten, was wiederum zur Beschädigung der Turbine führen könnte.

Wie aus der'obigen Beschreibung hervorgeht, stellt die Erfindung eine verbesserte Halteanordnung mit nachgiebigen Tragflächen für einen keramischen Schaufelfuß dar. Die ausgezackten Tragflächen sind dehnbar und tragen den Schaufelfuß federnd.

409840/0327

Claims

P at ent an s pr üc he

1J Turbinenlaufrad mit einer an ihrem Umfang eine Vielzahl von Halteschlitzen aufweisenden Radscheibe und mit einem Schaufe1kranz, .dessen Schaufeln der Form der Halteschlitze entsprechend ausgebildete und in die Halteschlitze eingesetzte Schaufelfüße aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen (18, 20) der Halteschlitze (14) zwecks Bildung einer nachgiebigen Halterung für die Schaufelfüße {yj) mit Auszackungen (24) versehen sind.
2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteschlitze (14) der Radscheibe (12) jeweils radial nach außen konvergierende, geneigte Seitenwandungsbereiche (l8,. 20), die durch gerundete Wandungsbereiche (17) mit einem Bodenwandungsbereich (22) verbunden sind, und am Umfang der Radscheibe radial nach außen divergierende Seitenwandungsbereiche (19, 21) aufweisen, und daß die genannten Auszackungen (24) nur an den konvergierenden Seitenwandungsbereichen angeordnet sind.
3· Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (36) aus keramischem Werkstoff bestehen.

409840/0322
4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auszackungen (24) parallel zueinander verlaufen (Fig. 2).
5. Laufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ' daß die Auszackungen (24)· abgestumpfte Spitzen (34) aufweisen (Pig. 5).
6. Laufrad nach einem der Anspräche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Auszackungen (24) einen Kreuzraster bilden.

- 10 -

409840/0322