DE826996C

DE826996C - Fastening of turbine blades, especially ceramic blades in the runner and housing of gas turbines

Info

Publication number: DE826996C
Application number: DEM1002A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr-Ing Alfre Schuette
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1945-01-06
Filing date: 1945-01-06
Publication date: 1952-01-07

Description

Befestigung von Turbinenschaufeln, insbesondere Keramikschaufeln im Läufer und Gehäuse von Gasturbinen Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere mit keramischen Schaufeln für Gasturbinen. Um Gasturbinen mit den für hohe Wirkungsgrade erforderlichen hohen Temperaturen betreiben zu können, muß man den Laufschaufeln besondere Beachtung schenken, die durch die Fliehkräfte und durch die hohen Temperaturen außerordentlich stark beansprucht werden. Mit Schaufeln selbst aus hochlegierten Stählen kann mari Gastemperaturen von 70o° C im Dauerbetrieb kaum überschreiten. Um jedoch hohe Gastemperaturen zu ermöglichen, hat man in der Hauptsache zwei Wege eingeschlagen, und zwar einmal die Verwendung gekühlter Hohlschaufeln und dann die Verwendung keramischer Schaufeln, da die keramischen Werkstoffe bei hohenTemperaturen noch eine bedeutende Festigkeit haben. Nachteilig wirkt sich allerdings die verhältnismäßig geringe Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturwechsel und -unterschiede aus. Man hat es jedoch in der letztenZeit gelernt, diesen Übelstand durch eine entsprechende Zusammensetzung der keramischen Massen sehr zu verringern. Außerdem sind kleine Werkstücke, wie sie die Schaufeln darstellen, unempfindlicher gegen Temperaturwechsel. Den Turbinenläufer, der nicht unmittelbar den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, kann man auch bei höheren Gastemperaturen noch aus Stahl herstellen. Die größte Schwierigkeit liegt aber darin, die keramischen Schaufeln in dem stählernen Turbinenläufer einwandfrei zu befestigen. Hervorgerufen werden diese Schwierigkeiten durch die stark unterschiedliche Wärmedehnung beider Werkstoffe.Attachment of turbine blades, especially ceramic blades in the Gas Turbine Rotor and Casing The invention relates to a turbine, in particular with ceramic blades for gas turbines. To gas turbines with the for high efficiency To be able to operate the high temperatures required, one must use the blades Pay special attention to the centrifugal forces and high temperatures are extremely heavily used. With blades made from high-alloyed ones Steel can hardly exceed gas temperatures of 70o ° C in continuous operation. However, there are two main ways of making high gas temperatures possible struck, once the use of cooled hollow blades and then the Use of ceramic blades because the ceramic materials work at high temperatures still have significant strength. However, this has a disadvantageous effect low resistance to temperature changes and differences. Man however, it has recently learned to deal with this problem through a corresponding To reduce the composition of the ceramic masses very much. Also, are small Workpieces like the blades are less sensitive to temperature changes. The turbine runner, which is not directly exposed to the hot combustion gases can still be made from steel even at higher gas temperatures. The largest The difficulty lies in the ceramic blades in the steel turbine rotor to attach properly. These difficulties are caused by the very different thermal expansion of the two materials.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten zu beseitigen. Es ist bekannt, die einzelnen Turbinenschaufeln, die einen hammerkopfähnlichen Fuß besitzen, mit den beiden geschliffenen Seitenflächen aneinanderzulegen. Über die seitlichen Vorsprünge des Fußes greift von beiden Seiten je eine Stahlscheibe, durch die dieFliehkräfte der Schaufeln aufgenommen werden. Die Stahlscheiben nehmen infolge Erwärmung und Fliehkraft in Betrieb einen größeren Durchmesser an als die ringförmig aneinandergereihten Schaufeln, die zwar wärmer werden als die Scheiben, da sie unmittelbar den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, sich aber infolge ihrer sehr kleinen Wärmedehnungszahl wesentlich weniger ausdehnen als die Scheiben. Der Durchmesser des Schaufelringes nimmt also weniger zu als der der seitlichen Stahlscheiben. Infolgedessen tritt ein Spiel zwischen den einzelnen Schaufeln in tangentialer Richtung auf, das sich jedoch nicht gleichmäßig auf die einzelnen Schaufeln verteilt. Es kann sich als Folge eine starke Unwucht im Turbinenläufer einstellen, die den Betrieb der Turbine gefährdet. Ähnliche Schwierigkeiten treten auch bei den Leitapparaten auf, bei denen keramische Leitschaufeln zur Anwendung gelangen. Die großen Unterschiede in der Wärmedehnung von Keramik und Stahl bereiten auch hier der einwandfreien Befestigung, die sich auch bei Erwärmung nicht lockern darf, von keramischen Konstruktionsteilen in Stahl erhebliche Schwierigkeiten.The invention is based on the object of addressing these difficulties remove. It is known that the individual turbine blades that resemble a hammer head foot have to lay against each other with the two sanded side surfaces. About the Lateral protrusions of the foot reach a steel disc from both sides which are absorbed by the centrifugal forces of the blades. The steel disks take a result Heating and centrifugal force in operation have a larger diameter than the ring-shaped lined up blades, which are warmer than the discs because they are immediately are exposed to the hot combustion gases, but because of their very small Expand the coefficient of thermal expansion much less than the panes. The diameter of the blade ring therefore increases less than that of the lateral steel disks. Consequently there is a play between the individual blades in the tangential direction, the However, it is not evenly distributed over the individual blades. It can as a result, a strong imbalance in the turbine runner adjusts the operation of the Turbine endangered. Similar difficulties also arise with the diffusers, where ceramic guide vanes are used. The big differences in the thermal expansion of ceramics and steel prepare the perfect fastening, which must not loosen even when heated, of ceramic construction parts in steel considerable difficulties.

Um diese Übelstände zu vermeiden, wird erfindungsgemäß jede einzelne Schaufel oder je eine kleine Schaufelgruppe am Wandern auf dem Um-. fang durch eine Halterung behindert, die nicht gleichzeitig Fliehkräfte aufnimmt und außerdem Wärmebeweglichkeit in radialer Richtung zuläßt. Eine derartige Halterung wird zweckmäßig durch je eine besondere Nut mit schrägen Seitenflächen gebildet, in die entsprechende Vorsprünge der Seitenscheiben eingreifen. Durch diese Vorrichtung wird die Schaufel in tangentialer Richtung festgehalten, so daß auch bei Entstehen eines Spieles zwischen den einzelnen Schaufeln dieses immer gleichmäßig auf die verschiedenen Schaufeln verteilt bleibt und das Auftreten einer Unwucht vermieden wird. Auch bei Vergrößerung des Schaufelfußes in axialer Richtung durch Wärmedehnung kann infolge der schrägen Seitenflächen der Nuten ein Lockerwerden der Schaufeln nicht eintreten. Infolge der Konizität der sich berührenden Flächen gleiten diese aufeinander. Die Stahlscheiben werden bei Vergrößerung des Schaufelfußes am äußeren Umfang nach außen gedrückt. Sie wirken dann wie zwei Tellerfedern, die die Schaufeln noch fester einspannen.In order to avoid these inconveniences, according to the invention each individual Shovel or a small group of shovels while hiking on the Um-. catch through one Bracket hindered, which does not absorb centrifugal forces at the same time and also thermal mobility allows in the radial direction. Such a holder is expedient by one special groove formed with sloping side surfaces in the corresponding projections the side windows intervene. This device makes the blade tangential Direction recorded, so that even if a game arises between the individual Shoveling this remains evenly distributed over the various shovels and the occurrence of an unbalance is avoided. Even with enlargement of the blade root in the axial direction by thermal expansion can as a result of the inclined side surfaces of the Grooves, loosening of the blades does not occur. As a result of the conicity of the touching surfaces, these slide on each other. The steel disks are at Enlargement of the blade root pressed outwards on the outer circumference. they seem then like two disc springs that clamp the blades even tighter.

:Man kann in Weiterbildung der Erfindung die beiden Aufgaben der seitlichen Stahlscheiben, nämlich die Fliehkräfte der Schaufeln aufzunehmen und durch ihre Elastizität das Lockerwerden der Schaufeln zu verhindern, trennen. Zu diesem Zweck werden die seitlichen Scheiben so ausgebildet, daß sie nur zur Aufnahme der von den Schaufeln herrührenden Fliehkräfte über den Hammerkopf des Schaufelfußes herübergreifen. Zur Verhinderung des Lockerwerdens der Schaufeln sind an beiden Seiten der Schaufeln zwei dünne Stahlringe angebracht, die mit entsprechenden Vorsprüngen in die Nuten der Schaufeln eingreifen. Diese beiden Stahlringe können durch ringförmige federnde Bleche miteinander verbunden werden. Durch einen oder mehrere Bolzen bzw. Nasen werden die Stahlringe von den Turbinenscheiben mitgenommen, sofern der Anpressungsdruck am Außenumfang der Scheiben zur Übertragung des Drehmomentes nicht ausreicht. Die beiden Stahlringe können auch in irgendeiner bekannten Art und Weise an den seitlichen, die Fliehkräfte aufnehmenden Stahlscheiben befestigt werden. Man kann schließlich das Lockerwerden der Schaufeln auch dadurch vermeiden, daß man an Stelle der seitlichen Nuten eine nach dem Läufermittelpunkt gerichtete Verlängerung der Schaufelfüße vorsieht. In dieser Verlängerung ist ein Langloch angeordnet, in das an den Seitenscheiben befestigte Bolzen oder Keile eingreifen.: In a further development of the invention, the two tasks of the lateral Steel disks, namely to absorb the centrifugal forces of the blades and through their Separate elasticity to prevent the blades from loosening. To this end the side discs are designed so that they are only used to accommodate the The centrifugal forces originating from the blades reach over via the hammer head of the blade root. To prevent loosening of the blades are on both sides of the blades two thin steel rings attached, with corresponding projections in the grooves the blades intervene. These two steel rings can be resilient by ring-shaped Sheets are connected to each other. With one or more bolts or lugs the steel rings are taken along by the turbine disks, provided that the contact pressure on the outer circumference of the discs is insufficient to transmit the torque. the both steel rings can also be attached to the lateral, the centrifugal forces absorbing steel disks are attached. After all, you can Avoid the loosening of the blades by replacing the lateral ones Grooves provides an extension of the blade roots directed towards the rotor center point. An elongated hole is arranged in this extension, in the one on the side windows fastened bolts or wedges engage.

Die tangentiale Halterung bei Leitschaufeln kann schließlich zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß am äußeren Ende des Schaufelfußes eine in Achsrichtung der Turbine verlaufende Nut mit schrägen Wänden vorgesehen ist, in die ein entsprechender Vorsprung eines über die Schaufeln und die Stahlscheiben fassende Seitenscheibe gelegten Ringes eingreift. Dieser Ring. besitzt an einem Ende einen Bund und am anderen Ende ein Gewinde, auf das eine entsprechende Mutter geschraubt wird, so daß mit Hilfe des Ringes und der Mutter gleichzeitig die Schaufeln und die beiden stählernen Seitenscheiben zusammengehalten werden.The tangential support for guide vanes can finally for example can be achieved in that at the outer end of the blade root one in the axial direction the turbine running groove with sloping walls is provided, in which a corresponding Protrusion of a side window over the blades and the steel disks placed ring engages. This ring. has a collar at one end and at the other end has a thread onto which a corresponding nut is screwed, so that with the help of the ring and the nut at the same time the blades and the two steel side windows are held together.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele von Schaufelbefestigungen nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Abb. r einen Längsschnitt durch einen Teil des Turbinenläufers, Abb. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in der Abb. r und Abb. 3 und 4 je einen Li'ngsschiiitt durch einen Teil eines Turbinenläufers abweichender Ausführungen, Abb.5 einen Schnitt durch einen Leitapparat und Abb.6 eine Ansicht eines Teiles des Leitapparates in Richtung des Pfeiles A in Abb. 5 nach Abnahme der linken Seitenscheibe und der Mutter.In the drawing are various exemplary embodiments of the blade mountings Shown according to the invention, namely Fig. R shows a longitudinal section through a Part of the turbine rotor, Fig. 2 a section along the line II-II in Fig. r and Figs. 3 and 4 each have a longitudinal section through part of a turbine rotor different designs, Fig.5 a section through a diffuser and Fig.6 a view of part of the diffuser in the direction of arrow A in Fig. 5 after removing the left side window and the nut.

Bei allen drei Ausführungsbeispielen für Laufschaufeln nach den Abb. i bis d -,weist gleichermaßen der Schaufelschaft i an seinem unteren Ende eine Platte 2 auf, welche mit den Platten der benachbarten Schaufeln einen rohrartigen Körper zur Abschirmung der heißen Verbrennungsgase von den stählernen Turbinenscheiben bildet. Der Hammerkopf 3 ist durch einen längeren Hals 4 von der Platte 2 getrennt. Die Flielikriifte der Schaufeln werden von den beiden stählernen Turbinenscheiben 5 und 6 aufgenommen.In all three embodiments for rotor blades according to Fig. i to d -, the blade shaft i likewise has a plate at its lower end 2, which with the plates of the adjacent blades form a tubular body to shield the hot combustion gases from the steel turbine disks forms. The hammer head 3 is separated from the plate 2 by a longer neck 4. The flow belts of the blades are made by the two steel turbine disks 5 and 6 added.

Bei dem Turbinenläufer nach den Abh. i und 2 tragen die Scheiben 5 und 6 an der Innenfläche Vorsprünge 7 bzw. g, die in entsprechende Aussparungen 9 bzw. io des Hammerkopffußes 3 der Schaufel eingreifen. Durch richtige Ausbildung der schrägen Keilflächen, an denen sich die Schaufeln und die Läuferscheiben berühren, kann erreicht werden, daß sich diese Flächen bei der Erwärmung aufeinander verschieben, ohne daß eine gegenseitige Lockerung eintritt.In the case of the turbine runner according to dependencies i and 2, the disks 5 carry and 6 on the inner surface projections 7 and g, respectively, which fit into corresponding recesses 9 or intervene io of the hammer head foot 3 of the shovel. With proper training the inclined wedge surfaces on which the blades and the carriers touch, it can be achieved that these surfaces shift on each other when heated, without any mutual relaxation occurring.

Bei der Ausführung nach der Abb.3 sind die Vorsprünge 7 und 8 nicht an den Turbinenscheiben 5 und 6, sondern an zwei besonderenRingsclieiben i i und 12 angeordnet. Diese beiden Scheiben 11 und 12 sind durch ringfederartige Gebilde 13 und 1 4 an der Stelle 15 beispielsweise durch Schweißung miteinander verbunden. An den Turbinenscheiben 5 und 6 befinden sich Nasen 16 und 17, die in entsprechende Aussparungen der Scheiben i i und 12 eingreifen und das Drehmoment von den Schaufeln Tiber die Scheiben i i und 12 auf die Laufscheiben 5 und 6 übertragen.In the design according to Figure 3, the projections 7 and 8 are not on turbine disks 5 and 6, but on two special ring disks i i and 12 arranged. These two disks 11 and 12 are formed by annular spring-like structures 13 and 14 connected to one another at point 15, for example by welding. On the turbine disks 5 and 6 there are lugs 16 and 17, which are in corresponding Recesses of the disks i i and 12 engage and the torque from the blades Transferred via the disks i, i and 12 to the running disks 5 and 6.

Bei der Ausführung nach der Abb.4 trägt der Hammerkopffuß 18 einen Ansatz 40 mit einem Langloch 2i. Durch dieses Langloch 2i führt ein Bolzen 22, der die Lage der einzelnen Schaufel i genau festlegt und die Übertragung des Drehmomentes von den Schaufeln i auf die Turbinenscheiben 5 und 6 vermittelt.In the design according to Figure 4, the hammer head foot 18 carries a Approach 40 with an elongated hole 2i. Through this elongated hole 2i a bolt 22 leads precisely defines the position of the individual blade i and the transmission of the torque mediated by the blades i on the turbine disks 5 and 6.

Auch in dem Ausführungsbeispiel für Leitschaufeln nach den Abb. 5 und 6 weist der Schaufelschaft 31 an seinem unteren Ende eine Platte 32 auf, welche mit den Platten der benachbarten Schaufeln einen rohrartigen Körper zur Abschirmung der heißen Verbrennungsgase auf den stählernen 1-laltescheiben bildet. Anschließend an diese Platte 32 ist der eigentliche Schaufelfuß 33 angeordnet. Der Schaufelfuß 33 wird an beiden Seiten von stählernen ringförmigen Scheiben 34 und 35 gehalten. Diese beiden Scheiben besitzen kegelförmige Flächen 36 und 37, gegen die sich entsprechende kegelförmige Flächen des Schaufelfußes 33 anlehnen. Die beiden Scheiben 34 und 35 mit dem Schaufelfuß 33 werden durch einen L-förmigen Stahlring 38 und eine Überwurfmutter 39 zusammengehalten. Der Stahlring 38 greift in eine entsprechende Aussparung des Stahlringes 35 ein und besitzt an dem anderen Schenkel ein Gewinde 40, in das das entsprechende Gewinde der Mutter 39 eingreift. Zur Verhinderung des Lockerwerdens in tangentialer Richtung besitzt der Schaufelfuß 33 an seinem oberen Ende eine aus zwei Vorsprüngen 41 gebildete Nut 42 mit keilförmig abgeschrägten Seitenwänden, in die ein entsprechender Vorsprung 43 des Stahlringes 38 eingreift.Also in the embodiment for guide vanes according to Fig. 5 and FIG. 6, the blade shaft 31 has a plate 32 at its lower end, which with the plates of the adjacent blades a tubular body for shielding the hot combustion gases form on the steel 1-slot washers. Afterward The actual blade root 33 is arranged on this plate 32. The blade root 33 is held on both sides by steel annular disks 34 and 35. These two discs have conical surfaces 36 and 37 against which corresponding ones Lean on the conical surfaces of the blade root 33. The two discs 34 and 35 with the blade foot 33 are through an L-shaped steel ring 38 and a union nut 39 held together. The steel ring 38 engages in a corresponding recess of the Steel ring 35 and has a thread 40 on the other leg into which the corresponding thread of the nut 39 engages. To prevent loosening in the tangential direction, the blade root 33 has an at its upper end two projections 41 formed groove 42 with wedge-shaped beveled side walls, into which a corresponding projection 43 of the steel ring 38 engages.

Selbstverständlich kann die Festlegung in tangentialer Richtung auch durch eine irgendwie anders geartete Nut bzw. eine Bohrung erfolgen, in die ein entsprechend ausgebildeter Keil oder ein Bolzen eingreift.Of course, the definition in the tangential direction can also take place through a somehow different type of groove or a hole into which a appropriately designed wedge or a bolt engages.

Der Ring und die Mutter können auch durch mit Flanschen versehene Ringe ersetzt werden, die durch Schrauben und Muttern oder ähnliche Befestigungsmittel zusammengehalten werden.The ring and nut can also be flanged by Rings are replaced by nuts and bolts or similar fasteners be held together.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Fastening of turbine blades, in particular Ceramic blades, in the rotor or in the housing, characterized in that each individual Shovel (i or 31) or a small group of shovels each walking on the perimeter is hindered by a bracket that does not absorb centrifugal forces at the same time and also allows thermal mobility in the radial direction. z. Attachment after Claim i, characterized in that grooves (9 and io) in the blade roots (3) are arranged in the corresponding projections (7 and 8) on the carriers (5 and 6) intervene. 3. Fastening according to claim i, characterized in that the side walls of the grooves (9 and io) and the projections (7 and 8) are inclined are in such a way that even with different expansion of blades and disks only results in a mutual displacement without a change in voltage. 4. Attachment according to claim i, characterized in that between the hammer head foot (3) the Blade (i) and the carriers (5 and 6) special metal rings (i i and 12) are arranged, which are provided with projections and in the lateral grooves of the Engage the blade feet. 5. Fastening according to claim i, characterized in that that the metal rings (i i and 12) are provided with recesses into the lugs (16 and 17) engage the carriers (5 and 6). 6. Fastening according to claim i, characterized in that the metal rings (ii and i2) are formed by annular spring plates (13 and 14) are connected to each other. 7. Fastening according to claim i, characterized characterized in that the blade root (18) with a shoulder (40) in the direction of the The rotor axis is provided in which an elongated hole (21) for receiving one with the rotor disks (5 and 6) connected bolt (22) or wedge is arranged. B. Attachment after Claim i, characterized in that at the outer end of the blade root (33) a In the axial direction of the turbine extending groove (42) is arranged with inclined side walls is, in which a corresponding projection (43) one over the blades (33) and the latter gripping side panes (34 and 35) of the placed ring (38) engages. 9. Fastening according to claim i, characterized in that a Nut (39) or a mating flange is screwed and both together the blade feet Hold (33) and the side panels (34 and 35) together.