DE3103821A1 - Keramischer gasturbinenrotor - Google Patents

Description

1Α-3480
79R24

ROCKl/ELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Keramischer Gasturbinenrotor

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Keramikkörper hoher Temperaturfestigkeit und hoher mechanischer Festigkeit und insbesondere keramische Gasturbinenrotoren für hohe Temperaturen mit geringem Gewicht und großer Festigkeit.

Effizienzbewertungen von Kraftwerkanlagen gehören zu den wichtigsten Konstruktionskriterien für die Entwicklung von Kraftwerken. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Effizienzbewertungen von Gasturbinen wesentlich verbessert werden können, wenn man das Turbinenrad mit Verbrennungsprodukten maximaler Temperaturbeaufschlagt. Nun liegt aber die Temperatur von Verbrennungsgasen für die Erzielung einer maximalen Effizienz bei Gasturbinen im Bereich von etwa 2500⁰F. Diese Temperatur liegt wesentlich über den Arbeitstemperaturgrenzen der üblichen Superlegierungen. Bei Verwendung von Superlegierungen besteht nicht nur ein Problem hinsichtlich ihrer. Gewichts, sondern es

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müssen auch komplexe Kühlsysteme vorgesehen werden. Bei Verwendung solcher Kühlsysteme könnte zwar von den Superlegierungen Gebrauch gemacht werden, die hierdurch "bedingte Senkung der Temperatur würde jedoch zu einer Verringerung der Gesamteffizienz des Systems führen.

Eine günstigere Lösung des Temperatür/Effizienz-Problems bietet die Verwendung von Hochtemperaturkeramiken. Im Gegensatz zu Superlegierungen sind Keraraikmaterialien jedoch äußerst brüchig. Diese Besonderheit hat es bisher unmöglich gemacht, diese Keramikmaterialien unter Bedingungen hoher Beanspruchung einzusetzen. Keramikmaterialien zeigen geringe Festigkeit bei Zugbeanspruchung und sie sind darüberhinaus äußerst empfindlich in bezug auf Strukturdefekte, wenn sie Zugbeaufschlagungen unterliegen. Bei einer Rotorschaufel eines rotierenden Turbinenrades führt zum Beispiel ein Strukturdefekt zur Zerstörung der Keramikrotorschaufel und letztlich zur Zerstörung des gesamten Turbinenrotors. Im Gegensatz zur geringen Zugfestigkeit liegt die Druckfestigkeit der Keramikmaterialien im Bereich des lOfachen der Zugfestigkeit. Es ist daher erwünscht, die Keramikkomponenten eines Turbinenrotors während der Lebensdauer der Turbine unter Druckbeanspruchung zu halten und somit eine Zugbeanspruchung zu verhindern .

Erfindungsgemäß wird somit ein axialer Keramikgasturbinenrotor geschaffen, welcher eine Nabe aus Keramik oder Metall umfaßt, die mit einem Keramikradabschnitt verbunden ist. Der Keramikradabschnitt enthält eine innere Reihe von Kraftwerkturbinenflügeln oder -schaufeln und eine äußere Reihe von Luftkompressorschaufeln. Diese sind voneinander getrennt durch einen Zwischenschaufelrinc· DiP Luftkompressorschaufeln sind durch einen Außenmantel begrenzt. Um den äußeren Rand dieser Anordnung sind Filamen-

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te gewickelt, und zwar unter Bildung einer Verbundstruktur mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Diese Verbundstrukfcur besteht aus einem Filament mit hohem Modul, welches mit einem Hochtemperaturpolymeren imprägniert ist.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Keramikgasturbinenrotor zu schaffen, bei dem sämtliche Keramikkomponenten während des Betriebs unter Druckbeanspruchung gehalten werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Hochtemperatur-Gasturbinenrotor zu schaffen, insbesondere einen Keramikgasturbinenrotor mit geringem Gewicht und hoher Festigkeit.

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

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Keramikgasturbinenrotors;

Fig. 2a eine Draufsicht des Keramikgasturbinenrotors gemäß Fig. 1;

Fig. 2b einen Segmentschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 2a;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Elements des Keramikgasturbinenrotors; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Gasturbinenkreislaufs .

Im folgenden wird auf die Fig. 1 bis 2b Bezug genommen. Diese zeigen einen axialen Keramikgasturbinenrotor 10 aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Sialon oder einer ähnlichen Keramik hoher Festigkeit. Der Gasturbinenrotor 10 umfaßt eine Nabe 12 aus Keramikmaterial oder aus Metall, welcher mit einem Keramikrad 14 verbunden ist. Das Keramikrad 14 umfaßt eine innere Reihe von Leistungsturbinenflügeln oder -schaufeln 16 und eine äußere Reihe

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von Luftkompressorschaufeln 18. Diese sind voneinander getrennt durch einen Zwischenschaufelr.ing oder -mantel 20. An die Luftkompressorschaufeln 18 schließt sich ein äußerer Mantel 22 an. Um den äußeren Rand oder \w die Peripherieflache 23 des äußeren Mantel;.-. 22 sind Filament-; gewickelt, und zwar unter Bildung einer Verbundstruktur mit einem hohen Verhältnis von Fee tifjke.lt zu Gew.ic'il. Diese Struktur umfaßt ein Iloclimodulliiament, welcher; mi.ieinem Hochtemperaturpolymeren imprägniert ist. Die Filamentwickelverbundstruktur bildet einen Mantelreif 24, gegen den sich die Keramikkomponenten unter Druckbeaufschlagung abstützen, während die Rotoranordnung rotiert. Es ist bei dieser Konstruktion wesentlich, daß die mit kalter Luft beaufschlagten Kompressorschaufeln 18 auf der Außenseite der heißen Turbinenschaufeln 16 angeordnet sind. Der Luftkompressorbereich wirkt nämlich nicht nur als eine Stufe des Luftkompressors des Gasturbinenzyklus. Vielmehr wirkt er zusammen mit dsr einströmenden Luft als thermische Barrier·© im Sinne eines Schutzes des Filamentwickelreifs 24 -vor- den hohen Temperaturen des Leistungsbereichs des Rotors» Filamentwickel-Verbundstrukturen, welche von organischen Polymeren als Matrix Gebrauch machen, haben ©ine maximale Gebrauchstemperatur von etwa 600°F. Ein Gasdurchtritt von Leistungsturbinenbereich über die Dichtung des Zwischenschaufelmantels 20 führt nicht zu einem Versagen des Rotors, sondern nur zu einer geringfügig erhöhen Temperatur der in die Brenneranordnung oi^zt^'m^Onsn Luft,

Zur Anwendung von hohen Turbineneinlaßterapei-eturen von etwa 2500⁰C, welche zur Steigerung Λζ^ Εζϊίζ1ά:ιζ lsr Gasturbinen erforderlich sind, benötigt man K^amLkmate.r-i.s.« lien, wie Siliciumnitrid. Materialien cliaoar· 4rt haber·. einen extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffisiebten .sowie andererseits eine hohe Festigkeit. Dier- :ζΐηΊ

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wesentliche Eigenschaften eines Rotormaterials, da die Konstruktion hohe Temperaturgradienten bedingt.

Die Rotoranordnung kann als monolithischer Keramikrotor (Fig. 1) hergestellt werden, welcher die gewünschte Filamentwickel-Verbundstruktur aufweist und über eine Nabe 12 mit der Welle 26 verbunden ist. Alternativ kann der Rotor auch aus Keramiksegmenten gemäß Fig. 3 zusammengesetzt werden. Die einzelnen Segmente werden dabei zunächst zu einem Rad zusammengesetzt und dann erst erfolgt die Umwicklung des Außenmantels mit dem Filament. Der Mittelabschnitt wird dabei unter Kompression gehalten und mit Hilfe einer Nabe 12 mit der Welle 26 verbunden, wie in Fig. 2b gezeigt. Der Aufbau des Rotors aus einzelnen Komponenten gemäß Fig. 3 gestattet den Bau größerer Keramikrotoren 10 im Vergleich zu einer Herstellung von monolithischen Rotoren. Darüberhinaus können die kleineren Komponenten auf wirtschaftlichere Weise hergestellt und getestet werden, und es besteht somit ein geringeres Risiko als bei größen monolithischen Komponenten. Zusätzlich zu der Anwendbarkeit bei hohen Temperaturen hat der erfindungsgemäße Rotor auch ein extrem geringes Gewicht. Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Sialon oder dergl. haben eine Dichte von etwa 3,0 bis 3»8 g/cnr im Vergleich zur Dichte von etwa 8 g/cm üblicher Superlegierungen.

Ein typischer Gasturbinenkreislauf ist in Fig. 4 dargestellt, und zwar zusammen mit einer typischen Anordnung der wichtigsten Komponenten.

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Leerseite

Claims (4)

1 β 7 ' ■

P a t e η ΐ a ~o. s ό r ü c h e

Keramiktuvbinenrotor, gekennzeichnet durch

eine Nabe (12) zur Vsr-.jimiung des Rotors (10) mit einer Welle (26);

ein Keramikrad (14) mit einer Irmsnreihe von L?:-.-stungsturbinenschatjfeln (16), sdnsr Außenreihe von Kornpressorscliaufeln (IG), einem Zv/lechenschauiiilring (20) ri? Trennxing der Leistungsturbinensehaufelxi C16} von den Koi-i·- pressorschaufeln (18) und ®in®sr. üußenrflantsl (22) zur Vei"---Hinderung des Austritts von G&a in den Außenraum des Türbinenrotors; und

einen Filamentv/icklu.ngs-Vsrburxdreifen (24), der die Außenperipherie des Auß©nu,an'tels (22) i.yngibt und die Keramikkoraponenten während der Rotation sinsr Kompress.tonnbeaufschlagung unterwirft.

2. Keramiktiirbinenrotor- nach Anspruch 1 ₉ dadurch ge^ kennzeichnet, daß die Nabe aua :>:stall besteht.

3· Kerainikturbinenro tor nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Habe ans Keramik besteht,

4. Kerainikturbinenro tor- &r,c.h einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, caß das Ksramikinaterial Siliciumnitrld, Siliciumcav'bic- oder oialön ist.