SE450588B

SE450588B - rotary machine

Info

Publication number: SE450588B
Application number: SE8104135A
Authority: SE
Inventors: I E Rosman; H S Bourgeois
Original assignee: Rockwell International Corp
Priority date: 1980-09-19
Filing date: 1981-07-02
Publication date: 1987-07-06
Also published as: DE3125469A1; JPS5783606A; DE3125469C2; FR2490721A1; JPH0357282B2; FR2490721B1; GB2084262A; GB2084262B; SE8104135L

Description

15 25 30 40 450 588 Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma förfaranden och anordningar för att använda keramiska material för att forma komponenter till turbinmaskiner. A further object of the present invention is to provide methods and apparatus for using ceramic materials to form components for turbine machines.

Ett särskilt ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma turbínmaskinkomponenter med termiskt isolerande skärmar eller hylsor formade av keramiska material, vilka är endast utsatta för tryckbelastningar och som omger metallelement, vilka uppvisar mot- stånd mot centrifugal- och dragkrafter.A particular object of the present invention is to provide turbine engine components with thermally insulating screens or sleeves formed of ceramic materials, which are only subjected to compressive loads and which surround metal elements, which exhibit resistance to centrifugal and tensile forces.

Dessa och andra ändamål och särdrag hos föreliggande uppfinning kommer att frangå av följande detaljerade beskrivning under hänvis- ning till ritningen.These and other objects and features of the present invention will become apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.

Fíg. 1 visar en schematisk vy av tidigare keramiska turbo- maskinkomponenter, fig. 2 visar en skuren delvy av ett turbinhjul med skärmade blad i enlighet med föreliggande uppfinning; fig. 3 visar ett tvärsnitt genom en del av turbinhjulet i fig. 2, fig. 4 visar ett horísontalsnitt genom ett av bladen hos turbinen enligt fig. 2, figl 5 visar ett horisontalsnitt genom en alternativ form av turbinbladet enligt fig. 2 och fig. 6 visar en sprängvy av turbinbladet enligt fig. 2.Fig. Fig. 1 shows a schematic view of previous ceramic turbo-engine components, Fig. 2 shows a cut-away partial view of a turbine wheel with shielded blades in accordance with the present invention; Fig. 3 shows a cross-section through a part of the turbine wheel in Fig. 2, Fig. 4 shows a horizontal section through one of the blades of the turbine according to Fig. 2, Fig. 5 shows a horizontal section through an alternative shape of the turbine blade according to Fig. 2 and Figs. Fig. 6 shows an exploded view of the turbine blade according to Fig. 2.

För att möta kraven på hög temperatur och errosionmotstânds- kraft hos moderna turbomaskiner har den tidigare tekniken före- slagit användandet av keramiska komponenter, såsom turbinhjulet, allmänt betecknat med 2 i fig. 1. Det keramiska turbinhjulet 2 hos den tidigare kända tekniken består vanligen av ett antal blad 4, som kan formas i ett stycke med turbinnavet 6, som antyds vid 8, eller kan formas som löstagbara insatser med fotdelar 10, som gsamverkar med lämpliga slítsar 12 anordnade i navet 6. Det framgår emellertid att när hjulet 2 roteras kommer centrifugalkraften att sätta bladen 4 under spänning, såsom antyds_med pilen 14, Emedan keramiska material är spröda och särskilt känsliga för dragbrott har dessa tidigare kända keramiska turbomaskindelar ej varit till- fredsställande.To meet the requirements of high temperature and erosion resistance of modern turbomachines, the prior art has suggested the use of ceramic components, such as the turbine wheel, generally designated 2 in Fig. 1. The ceramic turbine wheel 2 of the prior art usually consists of a number of blades 4, which can be formed in one piece with the turbine hub 6, indicated at 8, or can be formed as detachable inserts with foot parts 10, which cooperate with suitable slots 12 arranged in the hub 6. However, it appears that when the wheel 2 is rotated centrifugal force to put the blades 4 under tension, as indicated by the arrow 14. Since ceramic materials are brittle and particularly susceptible to tensile failure, these prior art ceramic turbomachine parts have not been satisfactory.

Fig. 2 - 4 visar ett turbinhjul, allmänt betecknat med 16, format i enlighet med föreliggande uppfinning och med ett metall- nav 18 uppbärande ett antal komposítblad, allmänt betecknade med 20. Vart och ett av bladen 20 är format med en keramisk skärm 22 med en lämplig aerodynamisk yttre form, som bäst visas i fig. 4, omgivande en metallkärna 24 som är fastsatt vid navet 18, se fig. 3. Skärmen 32 är fastsatt vid kärnan 24 medelst ett huvorgan 26 av metall. Kärnan 24 kan formas i ett stycke med navet 18, som visas 10 15 20 25 30 35 40 S 450 ses” vid 28 i fig. 2 och 3, eller kan fastsättas vid navet 18 med hjälp av lämpliga medel, såsom foten 30 enligt fig. Z. På samma sätt kan huvorganet 26 formas i ett stycke med kärnan 24, som visas vid 32 i fig. Z, eller kan fastsättas vid kärnan 24 med hjälp av lämpliga fästmedel, såsom förbindningen 34. Med denna utformning kommer, när hjulet 16 roteras, de keramiska sköldarna 22 att pressas mot huvudorganen 26 med kraften F och kommer dragkrafterna att bäras av metallkärnoraa 24 och huvorganen 26. De keramiska sköldarna ZZ kommer att utsättas endast för tryckbelastningar, vilka keramiska material har visat sig uppta mycket bra. Det skall underförstås att de heta gaserna som driver turbinhjulet 16, på vanligt sätt passerar genom inlopps- och utloppsledningar (ej visade), så att de heta gaserna kommer i kontakt med bladen 20 i området som anges med 36 i fig. 3. De keramiska sköldarna 22 bildar sålunda termisk isolering för kärnorna 24.Figs. 2-4 show a turbine wheel, generally designated 16, formed in accordance with the present invention and having a metal hub 18 supporting a plurality of composite blades, generally designated 20. Each of the blades 20 is formed with a ceramic screen 22. with a suitable aerodynamic outer shape, best shown in Fig. 4, surrounding a metal core 24 attached to the hub 18, see Fig. 3. The shield 32 is attached to the core 24 by a metal hood member 26. The core 24 may be formed integrally with the hub 18 shown at 28 in Figs. 2 and 3, or may be secured to the hub 18 by suitable means, such as the foot 30 of Figs. Similarly, the hood member 26 may be integrally formed with the core 24 shown at 32 in Fig. Z, or may be secured to the core 24 by suitable fasteners, such as the joint 34. With this configuration, when the wheel 16 rotated, the ceramic shields 22 will be pressed against the main members 26 by the force F and the tensile forces will be carried by the metal cores 24 and the main members 26. The ceramic shields ZZ will be subjected only to compressive loads, which ceramic materials have been found to absorb very well. It is to be understood that the hot gases driving the turbine wheel 16 normally pass through inlet and outlet conduits (not shown) so that the hot gases come into contact with the blades 20 in the area indicated by 36 in Fig. 3. The ceramic the shields 22 thus form thermal insulation for the cores 24.

Om så önskas kan kragar 38 anordnas på sköldarna 22 för att även bilda termiskt skydd för huvorganen 26. Detta medger även anordnandet av ett utrymme 40 som medger radiell termisk utvidgning av sköldarna 22. Vidare, om nödvändigt eller önskvärt, kan kyl- ledningar 42 vara anordnade i navet 18 för att avge kylmedel mellan de keramiska sköldarna 22 och metallkärnorna 24. Som framgår av fig. 3 och 4 kan de keramiska sköldarna vara formade med lämpliga urtag 44 för att medge kylmediet att strömma in i utrymmet 44 mellan skölden 22 och kärnan 24 och utströmma genom passager 46 formade mellan huven 26 och skölden 22. Alternativt kan, som fram- går av fig. 5, kylurtag 48 motsvarande urtagen 44 enligt fig. 4 formas på utsidan av kärnorna 24. Vidare, emedan statordelarna ej är utsatta för centrífugalkraft och därmed är mindre kritiska än de roterande delarna, kan huvorganen hos statorn (ej visad) formas av keramiskt material och i ett stycke med sköldarna.If desired, collars 38 may be provided on the shields 22 to also provide thermal protection for the hood members 26. This also allows the provision of a space 40 which allows radial thermal expansion of the shields 22. Furthermore, if necessary or desired, cooling lines 42 may be arranged in the hub 18 to deliver coolant between the ceramic shields 22 and the metal cores 24. As shown in Figs. 3 and 4, the ceramic shields may be formed with suitable recesses 44 to allow the coolant to flow into the space 44 between the shield 22 and the core. 24 and outflow through passages 46 formed between the hood 26 and the shield 22. Alternatively, as shown in Fig. 5, cooling recesses 48 corresponding to the recesses 44 according to Fig. 4 can be formed on the outside of the cores 24. Furthermore, since the stator parts are not exposed to centrifugal force and thus are less critical than the rotating parts, the hood members of the stator (not shown) can be formed of ceramic material and integral with the shields.

Pig. 6 visar en sprängvy av en alternativ form av turbinbladet enligt fig. Z med en bladkärna 50 av metall formad i ett stycke med ett turbínhjul 52. Det skall emellertid underförstâs att kärnan 50 kan utformas separat och fastsättas vid hjulet 52 medelst lämpliga fästorgan. En keramisk sköld 54 är anordnad med utsidan 56 formad för att åstadkomma en önskad aerodynamisk konfiguration och ut- formad med en central öppning 58, som är formad för att lätt glida över bladkärnan 50 åstadkommande ett utrymme däremellan. Ett blad- ark 60 format av korrugerad metall är anordnat mellan kärnan 50 och skölden 54 (i utrymmet antytt vid 44 i fig. 3) för att bilda “ 10 15 450 588 ett eftergivligt skikt som upptar varierande termisk expansion hos kärnan SO och skölden 54, dämpar eller upptar aerodynamiska laster mellan skölden S4 och kärnan 50, och även bildar ett antal kanaler för kylmedium, vilket kan införas mellan kärnan 50 och skölden 54 med hjälp av ett lämpligt inlopp och dräneringsledningar i hjulet 52,som antyds med prickade linjer vid 62 och 64. En bladhuv 66 har uppgiften att tillsluta den yttre änden av öppningen 58. Huven 66* kan ha undersidan formad med ett antal kammar, som framgår vid 68, för att medge att kylmedium strömmar över den yttre änden av kärnan 50. Slutligen tjänar ett lämpligt bindemedel (ej visat) för att fästa bladhuven 66 och skölden 54 vid kärnan 50, som beskrivits i samband med bladet enligt fig. 3.Pig. Fig. 6 shows an exploded view of an alternative shape of the turbine blade according to Fig. Z with a metal blade core 50 formed in one piece with a turbine wheel 52. However, it should be understood that the core 50 can be formed separately and attached to the wheel 52 by suitable fasteners. A ceramic shield 54 is provided with the outside 56 shaped to provide a desired aerodynamic configuration and formed with a central opening 58 which is shaped to easily slide over the blade core 50 providing a space therebetween. A sheet sheet 60 formed of corrugated metal is disposed between the core 50 and the shield 54 (in the space indicated at 44 in Fig. 3) to form a resilient layer which accommodates varying thermal expansion of the core SO and the shield 54. , dampens or absorbs aerodynamic loads between the shield S4 and the core 50, and also forms a number of channels for coolant, which can be inserted between the core 50 and the shield 54 by means of a suitable inlet and drainage lines in the wheel 52, which are indicated by dotted lines at 62 and 64. A blade hood 66 has the function of closing the outer end of the opening 58. The hood 66 * may have the underside formed with a number of ridges, as shown at 68, to allow coolant to flow over the outer end of the core 50. Finally, a suitable adhesive (not shown) for attaching the blade hood 66 and the shield 54 to the core 50, as described in connection with the blade of Fig. 3.

I Uppenbart kan ett antal olika variationer och modifikationer användas inom ramen för föreliggande uppfinning. Det skall sålunda understrykas att formerna på uppfinningen, ovan beskriven och visad i samband med ritningarna, endast är av illustrativ natur och ej avsedda att begränsa uppfinningen.Obviously, a number of different variations and modifications may be used within the scope of the present invention. It is thus to be understood that the forms of the invention, described above and shown in connection with the drawings, are of an illustrative nature only and are not intended to limit the invention.

Claims

s 450 588 'Patent claim

A rotary machine, characterized by a rotor (16) having a rotatable hub (18) and a plurality of blades (20) extending from the periphery of the rotor (16); each blade (20) consisting of a metal core (24) attached to the hub (18), a ceramic shield (22) surrounding the core (24) and arranged to protect the core (24) from harmful effects of fluid passing through the machine, which shield (22) is shaped to provide a space (44) between the shield (ZZ) and the core (24), hood means (26) of metal retaining the shield (22) in position around the core (24), and a corrugated sheet (6 ) arranged in the space (44) for resiliently supporting the shield (22), the corrugations of the sheet (60) extending substantially radially relative to the hub (18) and serving to define a number of channels for fluid passage through the space (44). .

2. A machine according to claim 1, characterized in that the hood member (2ö) engages the shield (22) in such a way that it is put under pressure during the rotation of the rotor (16).

Machine according to Claim 1 or 2, characterized in that the outside of the shield (22) has an aerodynamic design.