DE922090C

DE922090C - Arrangement for fastening guide and rotor blades made of ceramic or similar material for gas or steam turbines

Info

Publication number: DE922090C
Application number: DES34418D
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl-Ing Weimar
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1941-06-08
Filing date: 1941-06-08
Publication date: 1955-01-07

Description

Anordnung zur Befestigung von Leit- und Laufschaufeln aus keramischem oder ähnlichem Werkstoff für Gas-oder Dampfturbinen Bekanntlich erstrebt man im Turbinenbau überhaupt und im Gasturbinenbau im besonderen, die Beschaufelung einer möglichst hohen Temperatur des Arbeitsmittels aussetzen zu können. Durch die hohe Temperaturspanne des Arbeitsmittels ist allgemein der Wirkungsgrad einer jeden Kraftmaschine zu verbessern. Das Streben geht also dahin, Schaufeln aus hochtemperaturbeständigen Werkstoffen zu entwickeln, die imstande sind, den auftretenden Beanspruchungen dauernd zu widerstehen.Arrangement for fastening guide and rotor blades made of ceramic or similar material for gas or steam turbines is known to strive in Turbine construction in general and in gas turbine construction in particular, the blading of a to be able to expose the working fluid to the highest possible temperature. By the high The temperature range of the working fluid is generally the efficiency of any engine to improve. The aim is therefore to make blades from high-temperature-resistant To develop materials that are able to withstand the stresses that arise to resist.

Es sind Vorschläge bekanntgeworden, zu diesem Zweck Schaufeln aus keramischem Werkstoff zu verwenden. Die Schwierigkeit liegt neben der Herstellung keramischer Schaufeln überhaupt in ihrer Befestigung an den Schaufelungsträgern sowie in der Entwicklung einer zweckmäßigen Formgebung, um sie den auftretenden Beanspruchungen gegenüber geeignet zu machen.Proposals have been made to use shovels for this purpose to use ceramic material. The difficulty lies besides the manufacture ceramic blades in their attachment to the blade carriers as well as in the development of a functional design to suit the occurring To make it suitable for stresses.

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, eine zweckmäßige Befestigungsart von Leit- und Laufschaufeln aus keramischem oder ähnlichem Werkstoff an Schaufelträgern für Gas- oder Dampfturbinen zu suchen. Es tritt hierbei die große Schwierigkeit auf, daß Teile von verschieden großen Wärmedehnungen miteinander verbunden werden müssen. Die Unterschiede in den Wärmedehnungen sind deswegen so bedeutend, weil einander völlig wesensfremde Werkstoffe, nämlich Keramik und Stahl, einer möglichst hohen Temperatur, insbesondere bei der Gasturbine, dauernd ausgesetzt werden.The invention is concerned with the object of a suitable type of fastening of guide and rotor blades made of ceramic or similar material on blade carriers look for gas or steam turbines. The great difficulty arises here on that parts of differently large thermal expansions are connected to one another will have to. The differences in thermal expansion are so significant because Materials that are completely alien to one another, namely ceramic and steel, one if possible high temperature, especially in the gas turbine, are continuously exposed.

Auf die Laufschaufel wirken dabei insbesondere Fliehkräfte und Biege- bzw. Verdrehkräfte durch das Treibmittel ein. Beide müssen aufgenommen werden, und zwar von dem mechanisch weniger festen keramischen Baustoff der Schaufel bzw. des Schaufelfußes. Man könnte die Befestigung der keramischen Schaufeln an dem Schaufelträger so vornehmen, daß die Schaufelfüße aus keramischem Werkstoff in unterschnittene Nuten der Schaufelträger eingreifen, wobei diese Nuten bzw. Schaufelfüße beispielsweise in Form von Hammerköpfen, Schwalbenschwänzen und Sägenköpfen u. a. m. ausgebildet sein könnten. Eine solche Ausbildung der Befestigung würde aber für die Schaufelfüße aus keramischem Werkstoff schwer durchführbar sein, weil die Befestigungsquerschnitte sehr klein ausfallen würden, wenn nicht die Schaufelträger bzw. ihre Kränze übermäßig groß gestaltet würden. Der sich stärker dehnende Teil der Verbindung, nämlich der Schaufelträger, könnte allerdings innerhalb dieser Verbindung gut ausweichen, aber zugleich wäre die Gefahr des Lockerns und Kantens der Turbinenschaufeln nahegerückt.In particular, centrifugal forces and bending forces act on the rotor blade. or torsional forces caused by the propellant. Both must be included, and although from the mechanically less strong ceramic building material of the shovel or the Blade root. One could attach the ceramic blades to the blade carrier make so that the blade roots made of ceramic material in undercut Grooves of the blade carrier engage, these grooves or blade roots, for example in the form of hammer heads, dovetails and saw heads, among others. m. trained could be. Such a design of the attachment would, however, be used for the blade roots made of ceramic material be difficult to implement because the mounting cross-sections would turn out to be very small if the blade carriers or their rings were not excessive would be made large. The more stretching part of the connection, namely the Blade carrier, could evade well within this connection, but at the same time, the risk of the turbine blades loosening and edging would have moved closer.

Es ist die besondere Aufgabe der Erfindung, eine Befestigungsart zu suchen, die der keramischen Schaufel bzw. dem keramischen Schaufelfuß genügend große Befestigungsquerschnitte für die Aufnahme der gekennzeichneten Beanspruchungen im Rahmen des mechanisch weniger widerstandsfesten keramischen Werkstoffes freigibt und andererseits dem sich stärker dehnenden Stahl des Schaufelträgers die Möglichkeit zu seiner Ausdehnung offenhält, ohne die Verbindung der Teile zu schwächen, zu lockern oder zu sprengen. Man kann dazu von der bekannten Maßnahme Gebrauch machen, die Turbinenschaufel bzw. ihren Schaufelfuß über einen relativ schmal ausgebildeten Schaufelträger übergreifen zu lassen, wodurch genügend große Querschnitte für die Ausbildung des Schaufelfußes und seiner Befestigung anfallen. Man muß dabei in diesem Falle allerdings besondere Vorsorge treffen, daß der sich stärker dehnende Schaufelträger die Befestigung der Schaufelfüße nicht beeinträchtigt.It is the particular object of the invention to provide a type of fastening look for those that are sufficiently large for the ceramic blade or the ceramic blade root Fastening cross-sections to accommodate the stresses identified in the Releases the frame of the mechanically less resistant ceramic material and on the other hand the more strongly expanding steel of the blade carrier the possibility keeps it open to expand without weakening or loosening the connection between the parts or blow up. One can make use of the known measure, the Turbine blade or its blade root over a relatively narrow one To let the blade carrier overlap, creating sufficiently large cross-sections for the Formation of the blade root and its attachment arise. You have to be in this However, special precautions should be taken to prevent the more strongly expanding blade carrier does not affect the attachment of the blade roots.

Die Erfindung löst die sich aus den erwähnten Schwierigkeiten ergebende Aufgabe durch die Anwendung der bei Stahlschaufeln von Turbinen bekannten Befestigungsart, bei der der Schaufelfuß den Schaufelträger an den nicht tragenden Flächen mit Spiel übergreift, auf Schaufeln von Gas- oder Dampfturbinen, Leit- oder Laufschaufeln aus hoch temperaturbeständigem keramischem oder ähnlichem Werkstoff mit einem unter Berücksichtigung der verschieden großen Wärmebeanspruchungen von Schaufelbaustoff und Schaufelträgerbaustoff so groß bemessenen Spiel,'daß auch bei der zu erwartenden höchsten Betriebstemperatur keine Sprengwirkung des Schaufelträgers, der eine größere Wärmedehnung als die Schaufel hat, auf den Schaufelfuß ausgeübt werden kann. Es handelt sich hierbei um Verhältnisse, wie sie bei Stahlschaufeln nicht auftreten können, da hier die Wärmedehnungen von Schaufel und Schaufelträger im wesentlichen gleich sind. Infolgedessen hat man hier auch noch besondere Zwischenstücke eingelegt, die das Spiel überbrücken. Die Anwendung derartiger Zwischenstücke wäre bei einer Beschaufelung aus keramischem Baustoff nicht nur nicht zweckmäßig, sondern sogar gefährlich, da hierdurch Kräfte auf die Schaufeln übertragen würden, was dem Ziel der Erfindung gerade zuwiderlaufen würde.The invention solves the problem arising from the difficulties mentioned Task by using the type of fastening known for steel blades of turbines, in which the blade root the blade carrier on the non-load-bearing surfaces with play overlaps, on blades of gas or steam turbines, guide or rotor blades Made of highly temperature-resistant ceramic or similar material with an under Consideration of the different heat loads on the blade building material and blade carrier building material so large dimensioned play, 'that also with the expected highest operating temperature no explosive effect of the blade carrier, the greater Thermal expansion than the blade has, can be exerted on the blade root. It These are conditions that do not occur with steel blades can, since here the thermal expansion of the blade and blade carrier is essentially are the same. As a result, special spacers have also been inserted here, that bridge the game. The use of such spacers would be in a Blading made of ceramic building material is not only not useful, but actually dangerous, as this would transfer forces to the blades, which would lead to the goal the invention would just run counter to.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf eine axial beaufschlagte Turbine. Für eine radial beaufschlagte Turbine würde die Ausführungart ähnlich sein. r sind die Laufschaufeln aus keramischem Werkstoff mit ihren Schaufelfüßen; 2, 3 sind die Leitschaufeln aus keramischem Werkstoff, die in einer nicht eingezeichneten Befestigungsart, ähnlich der in der . Abbildung dargestellten, mit einem Leitschaufelträger oder mit dem Gehäuse der Maschine verbunden sind. 4 sind die Laufschaufelträger, die in diesem Falle unmittelbar aus der Turbinenwelle herausgearbeitet sind.The drawing shows an embodiment of the invention in use on an axially loaded turbine. For a radially admitted turbine would the execution style be similar. r are the rotor blades made of ceramic material with their shovel feet; 2, 3 are the guide vanes made of ceramic material, in a type of fastening not shown, similar to that in the. Illustration shown, connected to a guide vane carrier or to the housing of the machine are. 4 are the blade carriers, which in this case come directly from the turbine shaft are worked out.

Die Erfindung sieht vor, daß der Schaufelfuß :2 den Kranz des Schaufelträgers 4 in an sich bekannter Weise übergreift, jedoch mit so viel Spielraum 5, daß der Kranz 4 auch bei der betriebsmäßig zu erwartenden höchsten Temperatur keine Sprengwirkung auf die Flanken des Schaufelfußes 2 ausüben kann.The invention provides that the blade root: 2 the rim of the blade carrier 4 overlaps in a known manner, but with so much leeway 5 that the Wreath 4 has no explosive effect even at the highest temperature that can be expected during operation can exercise on the flanks of the blade root 2.

Die keramischen Schaufelfüße 2 weisen bei dieser Ausbildung der Befestigung genügend große Querschnitte auf, um dem mechanisch weniger festen Werkstoff die sichere Aufnahme der Beanspruchungen zu ermöglichen: Die Spielräume 5 gestatten dem sich stärker ausdehnenden Schaufelträger 4 auszuweichen, ohne die Verbindung der Teile zu beeinträchtigen oder die Schaufelfüße zu sprengen. Nur kleine tragende und führende Flächenteile 6 und 7 nehmen ohne Spielraum 5 Fliehkraft und Biege-oder Drehkräfte der Schaufeln unmittelbar auf und wirken als Wärmewiderstand, um zu verhindern, daß größere Wärmemengen von den Schaufeln auf den Schaufelträger übertreten können; denn der Schaufelträger und die mit ihm in Verbindung stehenden Innenteile der Turbine, wie z. B. die Turbinenwelle oder das Gehäuse, sollen nicht die hohe Temperatur annehmen, mit der das heiße Treibmittel, insbesondere einer Gasturbine, die Beschaufelung beaufschlagt.The ceramic blade roots 2 have in this embodiment of the attachment Sufficiently large cross-sections to avoid the mechanically less strong material To enable safe absorption of the stresses: Allow the leeway 5 to avoid the more strongly expanding blade carrier 4 without the connection to impair the parts or to blow up the blade roots. Only small bearing ones and leading surface parts 6 and 7 take without clearance 5 centrifugal force and bending or Torsional forces of the blades and act as thermal resistance to prevent that larger amounts of heat can pass from the blades to the blade carrier; because the blade carrier and the internal parts of the turbine connected to it, such as B. the turbine shaft or the housing should not accept the high temperature, with which the hot propellant, in particular a gas turbine, the blading applied.

Zu diesem Zweck ist weiterhin vorgesehen, daß in die Spielräume 5 der Verbindung der Schaufelfüße 2 mit dem Schaufelungsträger 4 Kühlluft von höherem Druck als dem der Umgebung der zu befestigenden Teile zutritt. Diese Kühlluft wird unter dem Enddruck des Verdichters, beispielsweise einer Gasturbinenanlage, durch Bohrungen 9 in der Turbinenwelle dem Turbineninnern zugeführt, bestreicht dort, wie in der Abbildung durch Pfeile dargestellt ist, die Schaufelungsträger 4 und tritt durch die Spalte to in die Spielräume 5 der Verbindung' der Schaufelfüße mit dem Schaufelungsträger ein.For this purpose it is also provided that in the clearances 5 the connection of the blade roots 2 with the blade carrier 4 cooling air from a higher level Pressure than that of the surroundings of the parts to be fastened occurs. This cooling air is under the final pressure of the compressor, for example a gas turbine system Bores 9 in the turbine shaft fed to the turbine interior, coated there, as in the figure by arrows is shown, the blade carrier 4 and enters the clearance 5 of the connection 'of the blade roots through the column to with the blade carrier.

Claims

PATENT CLAIMS: r. The application of the steel blades of gas and steam turbines known blade attachment, in which the blade root the blade carrier overlaps on the non-load-bearing surfaces with play, on gas or steam turbine, Guide or rotor blades made of high temperature resistant ceramic or similar Material on a blade carrier with different from the blades great thermal expansion. are arranged with a game that is also in the operational expected highest temperature does not cause an explosive effect of a larger one The blade carrier having thermal expansion leads to the blade root.

2. Arrangement according to claim t, characterized in that the blade root (a) to create a high thermal resistance only in small load-bearing or leading parts of the surface (6, 7) is supported.

3. Arrangement according to claim r or z, characterized gekennzeidhnet, that in the clearances (5) of the connection of the blade roots (a) with the blade carrier (q.) Cooling air of higher pressure than that of the surroundings of the parts to be fastened, in particular through bores (9) in the turbine shaft, access (point ro).