DE3535106A1 - Einrichtung zur aeusseren ummantelung der laufschaufeln von axialgasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur äußeren Ummantelung der Laufschaufeln von Axialgas­ turbinen mit den Laufschaufelspitzen gegenüberliegenden aus Keramikmaterial bestehenden Wandpartien.

Einrichtungen der vorbezeichneten Art haben gegenüber herkömmlichen metallischen Turbinenmantelringen den Vorteil, aufgrund der Hochtemperaturbeständigkeit des Keramikmaterials auf baulich aufwendige Kühleinrich­ tungen verzichten zu können. Die Verwendung von kerami­ schen Wandpartien bringt jedoch insofern Schwierigkei­ ten mit sich, als aufgrund der erheblich unterschiedli­ chen Wärmedehnung von Keramikmaterial einerseits und Metall andererseits baulich aufwendige Halterungen der keramischen Wandpartien in den metallischen Turbinen­ gehäusen erforderlich werden. Bei einer vorbekannten Ausführung (DE-OS 27 37 622) wird dieses Problem da­ durch zu lösen versucht, daß die keramischen Wand­ partien in einzelne Segmentblöcke unterteilt werden, die in Schwalbenschwanzzwischenfassungen frei dehnbar in entsprechenden Gehäusekammern des Metallgehäuses der Turbine gelagert sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrich­ tung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die einerseits die vorteilhaften Eigenschaften von Keramikmaterial, nämlich Hitzebeständigkeit, Korrosions- und Erosions­ festigkeit aufweist, gleichzeitig jedoch baulich ein­ fach und wartungsfreundlich gestaltet ist.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch ge­ löst, daß die aus Keramikmaterial bestehenden Wand­ partien in Form eines geschlossenen Ringes ausgebildet sind, welcher mittels einer ihn umgebenden Umfangs­ bürste in einem Metallgehäuse der Axialgasturbine zen­ triert und gehalten ist.

Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung be­ steht darin, daß aufgrund der Anwendung einer Umfangs­ bürste als Halteelement die keramischen Wandpartien als geschlossener Keramikring ausgebildet sein können und demzufolge die gesamte Ummantelungseinrichtung baulich einfach aufgebaut sein kann. Vorzugsweise ist der geschlossene Keramikring als einstückiges Bauteil ausgeführt. Auch das Profil des Keramikringes kann eine einfache regelmäßige Kontur aufweisen, z. B. ein Rechteck. Die unterschiedliche Wärmedehnung zwischen dem Keramikring einerseits und dem Metallgehäuse der Axialgasturbine andererseits wird durch die Umfangs­ bürste ausgeglichen. Bevorzugt handelt es sich dabei um eine solche Bürste, deren Borsten schräg (Winkel γ) zur Radialrichtung des Keramikringes ausgerichtet sind. Der Vorteil dieser Schrägstellung der Borsten liegt darin, daß bei stark unterschiedlicher Wärme­ dehnung zwischen Keramikring und Metallgehäuse keine unkontrollierte Verbiegung der Borsten stattfindet, sondern eine geringe Relativdrehung des Keramikringes gegenüber dem Metallgehäuse bei gleichzeitig geringster Biegung der Borsten bewirkt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Einrichtung weist die Umfangsbürste Metallborsten auf. Die Anwendung von Metallborsten ist wegen der auch bei hoher Temperatur vorhandenen Duktilität von Vorteil. Darüber hinaus ermöglichen sie - was in weiterer Aus­ bildung der Erfindung vorgeschlagen wird - eine ver­ gleichsweise problemlose Verbindungstechnik durch Lötung sowohl am Keramikring als auch am Metallgehäuse.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Schirmring, der zum Keramikring nur schmale Ringspalte freiläßt, die Bürste so über­ greift, daß beidseitig der Bürste abgegrenzte Ring­ räume entstehen, durch welche eine geringe Kühlluft­ menge geführt wird. Diese Ausgestaltung dient insbe­ sondere dazu, die metallischen Borsten der Umfangsbürste vor zu hohen Temperaturen zu schützen, dafür aber nur geringste Mengen von Kühlluft zu verbrauchen. Dadurch, daß um die Umfangsbürste herum geschlossene Ringräume geschaffen werden, und die Kühlluft für die Umfangs­ bürste durch diese Ringräume hindurchgeführt wird, kann der Kühlluftdurchsatz sehr niedrig gehalten wer­ den. Die Kühlluftmenge liegt dabei in einer Größen­ ordnung von 0,1% der insgesamt zur Kühlung der Axial­ gasturbine bzw. des Gasturbinentriebwerks verbrauchten Kühlluftmenge.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Axialgas­ turbine im Außenbereich eines Rotorkranzes schematisch,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 entsprechend der Schnittlinie II-II.

Der in Fig. 1 dargestellte axial durchströmte Rotor einer Gasturbine weist eine Rotorscheibe 7 auf, in der ein Kranz von Axiallaufschaufeln 6 verankert ist. Den Lauf­ schaufelspitzen 6 a gegenüberliegend ist ein aus Keramik­ material bestehender geschlossener Ring 1 angeordnet. Der Spalt zwischen den Laufschaufelspitzen 6 a und der inneren Umfangsfläche des Ringes 1 ist minimal gehalten. Als Material für den Ring 1 kommt vorzugsweise Silicium­ nitrid oder Siliciumkarbid in Betracht. Die Zentrie­ rung und Halterung des Ringes 1 in einem Metallgehäuse 9 der Gasturbine erfolgt in der Weise, daß eine ringför­ mige Umfangsbürste 3 einerseits im Metallgehäuse 9, ändererseits an der Außenumfangsfläche des Ringes 1 fixiert ist. Die Borsten der Umfangsbürste bestehen aus Metall und sind durch Lötung 4 a an einer inneren Umfangsfläche des Metallgehäuses 9 und durch Lötung 4 b an einer äußeren Umfangsfläche des keramischen Ringes 1 fixiert. Das Metallgehäuse 9 ist im Bereich der Bürste 3 als Schirmring 2 ausgebildet, der die Bürste 3 so über­ greift, daß beidseitig abgegrenzte Ringräume entstehen, die an ihrer radial inneren Seite durch den kerami­ schen Ring 1 begrenzt werden. Zwischen dem Schirm­ ring 2 und dem keramischen Ring 1 sind nur schmale Ringspalte 8 freigelassen. In dem Schirmring 2 sind über den Umfang verteilt, auf beiden Seiten der Bürste 3 Bohrungen vorgesehen, welche auf einer Seite der Kühlluftzuführung, auf der anderen Seite der Bürste 3 der Kühlluftabfuhr dienen. Die Luftführung ist durch Pfeile K gekennzeichnet. Anstelle der einstückigen Aus­ bildung des Schirmringes 2 mit dem Gehäuse 9 kann der Schirmring auch in Form von zwei getrennten Flanschen vorgesehen sein, die mit geeigneten Mitteln am Gehäuse 9 befestigt sind.

Im Querschnitt nach Fig. 2 sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Aus Fig. 2 ergibt sich die Schrägstellung der Borsten der Bürste 3 um den Winkel γ gegen die Radialrichtung r. Die Bohrungen 5 dienen zur Befestigung des als Flansch ausgeführten Gehäuseteils 9 an anderen Modulen der Axialgasturbine.

Claims (5)

1. Einrichtung zur äußeren Ummantelung der Laufschaufeln von Axialgasturbinen mit den Laufschaufelspitzen gegenüberliegenden aus Keramikmaterial bestehenden Wandpartien, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Keramikmaterial bestehenden Wandpartien in Form eines geschlossenen Ringes (1) ausgebildet sind, welcher mittels einer ihn umgebenden Umfangsbürste (3) in einem Metallgehäuse (9) der Axialgasturbine zentriert und gehalten ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürste (3) schräg (Winkel γ ) zur Radialrich­ tung (r) ausgerichtete Borsten aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürste (3) Metallborsten aufweist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Borsten am Keramikring (1) und am Metallgehäuse (9) durch Lötung (4 a, 4 b) be­ festigt sind.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Schirmring (2), der zum Keramik­ ring (1) nur schmale Ringspalte (8) freiläßt, die Bürste (3) so übergreift, daß beidseitig der Bürste (3) abgegrenzte Ringräume entstehen, durch welche eine geringe Kühlluftmenge (K) geführt wird.