DE3302323A1

DE3302323A1 - Ceramic guide lattice of a gas turbine

Info

Publication number: DE3302323A1
Application number: DE19833302323
Authority: DE
Inventors: Manfred 7051 Schnait Radloff; Manfred 7300 Esslingen Stute
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1983-01-25
Filing date: 1983-01-25
Publication date: 1984-01-12

Abstract

The ceramic guide lattice of a gas turbine whose guide blades are arranged between an inner and outer ring is centred by means of a tooth system on a metallic gas turbine housing so that relatively small gaps which reduce the gap losses and thus improve the turbine efficiency are possible between the guide lattice and the adjacent turbine impeller. A pressure ring ensures that the guide lattice bears without play against the turbine housing. In order to compensate the different thermal expansions of the different materials of juxtaposed components, it is possible to provide the bearing surfaces with a sliding layer which facilitates the mutual relative movements. Further specified as such guide lattices are retaining devices for guide lattices assembled from segments and for outer rings, which support accurate positioning of the guide lattice.

Description

"Keramisches Leitgitter einer Gasturbine""Ceramic guide grille of a gas turbine"

Die Erfindung bezieht sich auf ein im Gehäuse einer Gasturbine zentriertes Leitgitter, das aus einem keramischen Werkstoff besteht und dessen Schaufeln zwischen einem Innenring und einem Außenring angeordnet sind.The invention relates to a centered in the housing of a gas turbine Guide grille, which consists of a ceramic material and its blades between an inner ring and an outer ring are arranged.

Ein bekanntes derartiges Leitgitter (DE-AS 26 16 565) ist zusammen mit axial hintereinander aufgereihten keramischen Bauteilen der Brennkammer der Gasturbine in deren Gehäuse gelagert. Gegenüber dieser Anordnung eines ganzen Stapels von Bauteilen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das einteilige oder gegebenenfalls aus Segmenten zusammengesetzte Leitgitter spielfrei und in Bezug auf das Laufrad der Gasturbine zentriert im Gehäuse zu lagern. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß der Innenring einen einwärts gerichteten Flansch aufweist, an dessen einer Seite eine Verzahnung angeordnet ist, die mit einer entsprechenden Verzahnung an einem zur Turbinenwelle koaxialen Flansch am Turbinengehäuse in Eingriff steht und an dessen anderer Seite ein Druckring anliegt. Die Verwendung einer Verzahnung ergibt eine sehr genaue und spielfreie Lagerung des Leitgitters, was den Strömungsverlauf, besonders auch im Bereich des Turbinenlaufrades der Gasturbine, günstig beeinflußt. Die genaue Anordnung ermöglicht überdies kleine Spaltgrößen zwischen dem Leitgitter und dem Turbinenlaufrad. Die damit erzielten geringen Spaltverluste der Gasströmung verbessern den Turbinenwirkungsgrad.A known such guide grille (DE-AS 26 16 565) is together with ceramic components of the combustion chamber of the Gas turbine stored in their housing. Compared to this arrangement of a whole stack of components, the invention is based on the object, the one-piece or possibly Guide grille composed of segments with no play and in relation to the impeller to store the gas turbine centered in the housing. According to the invention, this is done by that the inner ring has an inwardly directed flange, on one side of which a toothing is arranged, which with a corresponding Gearing engages at a flange on the turbine housing that is coaxial with the turbine shaft and on the other side of which a pressure ring rests. The use of a toothing results in a very precise and play-free mounting of the guide grille, which improves the flow, especially in the area of the turbine wheel of the gas turbine. The precise arrangement also enables small gap sizes between the guide grille and the turbine runner. The resulting low gap losses in the gas flow improve turbine efficiency.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine Anlagefläche im Bereich der Verzahnungen mit einer Gleitschicht versehen. Dadurch werden die verhältnismäßig kleinen Relativbewegungen zwischen den Verzahnungen am Turbinengehäuse und am Leitgitter, die aus metallischem bzw. keramischem Werkstoff bestehen und die damit unterschiedliche Wärmedehnungen aufweisen, wesentlich erleichtert. Die Entstehung von Spannungen in Bereichen, in denen sich diese Bauteile berühren, werden damit vermieden.According to a further development of the invention, there is at least one contact surface Provided with a sliding layer in the area of the toothing. This will make the relatively small relative movements between the toothings on the turbine housing and on the guide grille, which are made of metallic or ceramic material and which thus have different thermal expansions, is made much easier. the Creation of tension in areas in which these components touch each other thus avoided.

In ähnlich günstiger Weise wirkt sich die erfindungsgemäße Maßnahme aus, nach der wenigstens eine Anlagefläche im Bereich des Druckringes mit einer Gleitschicht versehen ist.The measure according to the invention has a similarly beneficial effect from, according to the at least one contact surface in the area of the pressure ring with a Sliding layer is provided.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung angegeben.Further advantageous refinements of the invention are given in the description specified.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.The invention is illustrated below with the aid of exemplary embodiments, which are shown in the drawing, explained in more detail.

Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Gasturbine im Bereich des Leitgitters, Fig. 2 einen Längs schnitt durch einen Teil eines Leitgitters, Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Teil eines weiteren Leitgitters, Fig. 4 einen Längs schnitt durch einen Außenring eines Leitgitters, Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil des Außenringes nach Fig. 1, Fig. C> eine Ansicht eines Außenringes mit einem Haltering und Fig. 7 eine Ansicht eines Außenringes mit einem ähnlichen Haltering.1 shows a longitudinal section through part of a gas turbine in the area of the guide grille, Fig. 2 is a longitudinal section through part of a guide grille, FIG. 3 shows a longitudinal section through part of a further guide grille, FIG. 4 shows a Longitudinal section through an outer ring of a guide grille, Fig. 5 is a plan view a part of the outer ring according to Fig. 1, Fig. C> a view of an outer ring with a retaining ring and FIG. 7 is a view of an outer ring with a similar one Retaining ring.

In Fig. 1 ist das Gehäuse einer Hochtemperatur-Gastur bine für Kraftfahrzeuge mit 11 bezeichnet. Ein Ringkanal 12 im Gehäuse 11 dient der Zufuhr der Verbrennungsgase zu einem Laufrad 13, das über eine nicht dargestellte Turbinenwelle den Verdichter der Gasturbine antreibt.In Fig. 1 the housing of a high-temperature gas turbine for motor vehicles denoted by 11. An annular channel 12 in the housing 11 is used to supply the combustion gases to an impeller 13, which via a turbine shaft, not shown, the compressor which drives the gas turbine.

Die Strömungsrichtung der Verbrennungsgase ist mit einem Pfeil 14 angedeutet. Zwischen dem Ringkanal 12 und dem Laufrad 13 ist ein Leitgitter 15 angeordnet, das der Ausrichtung der in das Laufrad 13 einströmenden Verbrennungsgase dient. Sowohl das Leitgitter 15 als auch das Laufrad 13 sind aus einem keramischen Werkstoff, beispielsweise Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid, hergestellt, während das Gehäuse 11 aus einem hitzebeständigen metallischen Werkstoff besteht.The direction of flow of the combustion gases is indicated by an arrow 14 indicated. A guide grille 15 is arranged between the annular channel 12 and the impeller 13, which serves to align the combustion gases flowing into the impeller 13. Both the guide grille 15 and the impeller 13 are made of a ceramic material, for example silicon carbide or silicon nitride, produced while the housing 11 consists of a heat-resistant metallic material.

Das Leitgitter 15 besteht im wesentlichen aus einem Innenring 16, Leitschaufeln 17 und einem Außenring 18.The guide grille 15 consists essentially of an inner ring 16, Guide vanes 17 and an outer ring 18.

Der Innenring 16, mit dem die Leitschaufeln 17 einstückig verbunden sind, weist an seiner Innenseite 19 einen Flansch 20 auf, der der Befestigung des Leitgitters 15 am Gehäuse 11 dient. Ein Haltering 21 umgibt den Außenring 18 unter Radialspannung und drückt diesen an die Oberkanten 22 der Leitschaufeln 17 an. Der Außenring 18 erstreckt sich in axialer Richtung bis über das Laufrad 13 und bildet mit den Oberkanten 23 der Laufschaufeln 24 jeweils einen schmalen Spalt 25. Eine entsprechende Längserstreckung weist auch der Haltering 21 auf.The inner ring 16, with which the guide vanes 17 are integrally connected are, has on its inside 19 a flange 20, which is the attachment of the The guide grille 15 on the housing 11 is used. A retaining ring 21 surrounds the outer ring 18 below Radial tension and presses it against the upper edges 22 of the guide vanes 17. Of the Outer ring 18 extends in the axial direction over the impeller 13 and forms with the upper edges 23 of the blades 24 each have a narrow gap 25. One The retaining ring 21 also has a corresponding longitudinal extension.

Der Flansch 20 des Innenringes 16 ist aneier Seite 26 mit einer Stirnverzahnung 27 versehen, die mit einer entsprechenden Stirnverzahnung 28 im Eingriff steht, die an einem zur Turbinenwelle koaxialen Flansch 29 am Gehäuse il angeordnet ist. Ein am Flansch 29 mit Dehnschrauben 30 befestigter metallischer Druckring 31 sorgt für die gute Anlage der beiden Stirnverzahnungen 27 und 28 aneinander und damit zu einer genauen Zentrierung des Leitgitters 15 in Bezug auf die Turbinenwelle. Damit kann der Spalt 25 zwischen den Laufschaufeln 24 und dem Außenring 18 klein gehalten werden1 so daß sich bei der Durchströmung der Laufschaufeln 24 mit Verbrennungsgasen nur sehr geringe Spaltverluste ergeben. Da das Leitgitter 15 und das Laufrad 13 aus einem keramischen Werkstoff bestehen, ergeben sich bei Temperaturschwankungen der Verbrennungsgase in diesen Bauteilen in radialer Richtung die gleichen oder fast die gleichen Längendehnungen, so daß der schmale Spalt 25 seine Größe praktisch nicht verändert.The flange 20 of the inner ring 16 is on each side 26 with a spur toothing 27 provided, which is in engagement with a corresponding spur toothing 28, the on a flange 29 coaxial to the turbine shaft on the housing il is arranged. A metallic one fastened to the flange 29 with expansion screws 30 Pressure ring 31 ensures that the two face gears 27 and 28 are in good contact with one another and thus to an exact centering of the guide grille 15 in relation to the turbine shaft. The gap 25 between the rotor blades 24 and the outer ring 18 can thus be small are held1 so that when the rotor blades 24 flow through with combustion gases result in only very low gap losses. Since the guide grille 15 and the impeller 13 consist of a ceramic material, result from temperature fluctuations the combustion gases in these components are the same or in the radial direction almost the same length expansions, so that the narrow gap 25 is practically its size not changed.

Als Stirnverzahnung eignet sich besonders eine Kerbverzahnung. Die Stirnverzahnung kann aber auch aus im wesentlichen rechteckigen oder trapezförmigen Klauen gebildet werden. Statt einer Stirnverzahnung ist auch eine übliche Kerbverzahnung mit axial verlaufenden Zähnen möglich.A serrated toothing is particularly suitable as the face toothing. the Front teeth can also consist of essentially rectangular or trapezoidal Claws are formed. Instead of a spur toothing, there is also a common serration possible with axially running teeth.

Auf die Anlageflächen der am Flansch 29 angeordneten Stirnverzahnung 28 und an den Anlageflächen des Druckringes 31 ist jeweils eine Gleitschicht 32 bzw. 33 aus Kupfer aufgebracht. Sie hat die Aufgabe, die infolge der verschiedenen Wärmedehnzahlen des keramischen Leitgitters 15 und des metallischen Gehäuses 11 bei Temperaturschwankungen entstehenden Gleitbewegungen dieser Bauteile, die einige Hundertstelmillimeter betragen können, auszugleichen. Die Gleitschichten 32 und 33, die etwa einige Tausendstelmillimeter dick sind, können auch aus anderen Werkstoffen, beispielsweise Silber, Gold oder Platin, bestehen. Sie können wahlweise oder zusätzlich auch auf die Anlageflächen des keramischen Leitgitters 15, beispielsweise durch Aufdampfen, aufgebracht sein.On the contact surfaces of the face toothing arranged on the flange 29 28 and on the contact surfaces of the pressure ring 31 there is a sliding layer 32 in each case or 33 applied from copper. It has the task of following the various Thermal expansion coefficients of the ceramic guide grille 15 and of the metallic housing 11 with temperature fluctuations resulting sliding movements of these components, which some Can be hundredths of a millimeter to compensate. The sliding layers 32 and 33, which are about a few thousandths of a millimeter thick, can also be made of other materials, for example silver, gold or platinum exist. You can optionally or additionally even on the contact surfaces of the ceramic guide grille 15, for example by vapor deposition, be upset.

Auch ein keramisches Papier, das beispielsweise eingelegt oder eingeklebt ist, oder eine keramische Schnur kann als Gleitschicht dienen. Einander gegenuberliegende Gleitflächen können aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.Also a ceramic paper that is inserted or glued in, for example or a ceramic cord can serve as a sliding layer. Opposite each other Sliding surfaces can consist of different materials.

Die Dehnschrauben 30 sind mit Bohrungen 34 versehen, durch die vom Verdichter der Gasturbine abgezweigte und durch Bohrungen 35 für die Dehnschrauben 30 im Gehäuse 11 zugeführte Kühlluft strömt. Dadurch wird die Temperatur der Dehnschrauben 30 herabgesetzt und damit deren Wärmedehnung wesentlich verringert, so daß ein Lockern des Druckringes 31 und damit des Leitgitters 15 vermieden wird. Die Strömung der Kühlluft ist durch einen Pfeil. 36 angedeutet. Zur Kühlung der Dehnschraube 30 kann auch durch den von der Bohrung 35 und dem schlanken Schaftabschnitt 37 der Dehnschraube 30 gebildeten Ringraum 38 Kühlluft geführt werden.The expansion screws 30 are provided with holes 34 through which the Compressor of the gas turbine branched off and through holes 35 for the expansion screws 30 in the housing 11 supplied cooling air flows. This increases the temperature of the expansion bolts 30 reduced and thus their thermal expansion significantly reduced, so that loosening of the pressure ring 31 and thus the guide grille 15 is avoided. The current of the Cooling air is through an arrow. 36 indicated. To cool the expansion screw 30 can also through that of the bore 35 and the slender shaft section 37 of the expansion screw 30 formed annular space 38 cooling air are guided.

Der Haltering 21 hat an seiner Innenseite 39 einen Bund 40, der an der der Gasströmung zugewandten Stirnseite 41 des Außenringes 18 anliegt. An seiner Außenseite 42 weist derHaltering 21 einen weiteren Bund 43 auf, an dem zwei an einer Wand 45 des Gehäuses 11 befestigte Membranen 44 anliegen. Dadurch wird der den Ringkanal 12 und das Leitgitter 15 umgebende Raum 46 gegenüber dem axial anschließenden Raum 47 abgedichtet. Da die Membranen 4 unter Vorspannung am Bund 43 anliegen, sind auch Relativbewegungen zwischen dem Leittitter 15 und der Wand 45 möglich, ohne daß dadurch die Abdichtung beeinträchtigt wird.The retaining ring 21 has a collar 40 on its inner side 39, which is connected to the end face 41 of the outer ring 18 facing the gas flow rests. On his Outside 42, the retaining ring 21 has a further collar 43 on which two on one Wall 45 of the housing 11 fastened membranes 44 bear. This becomes the ring channel 12 and the vane 15 surrounding space 46 with respect to the axially adjoining space 47 sealed. Since the membranes 4 rest against the collar 43 under prestress, are also Relative movements between the Leittitter 15 and the wall 45 possible without this the seal is impaired.

Fig. 2 stellt ein Leitgitter 48 dar, das aus mehreren Segmenten 49 zusammengesetzt ist. Durch diese Bauweise können bei einem thermoschockempfindlichen keramischen Leitgitter größere Spannungen vermieden werden. Die an den Segmenten 49 des Innenrings 50 angeordneten Flanschsegmente 51 bilden einen kegeligen Ansatz 52, der von einer kegeligen Gegenfläche 53 eines Druckringes 54 umfaßt wird. Die einzelnen Segmente 49 des Leitgitters 48 werden dadurch zusammengehalten.FIG. 2 shows a guide grille 48 which is composed of several segments 49 is composed. This design allows a thermoshock-sensitive ceramic guide grille larger tensions can be avoided. The ones on the segments 49 of the inner ring 50 arranged flange segments 51 form a conical extension 52, which is surrounded by a conical counter surface 53 of a pressure ring 54. the individual segments 49 of the guide grille 48 are held together.

Im Beispiel nach Fig. 3 werden Segmente 55 des Leitgitters 56 mit einem keramischen Ring 57 zusammengehalten, der am Umfang 58 der Stirnverzahnung 59 anliegt.In the example according to FIG. 3, segments 55 of the guide grille 56 are included a ceramic ring 57 held together on the circumference 58 of the spur teeth 59 is present.

Infolge der gleichen Wärmedehnzahl der keramischen Bauteile weisen diese bei Temperaturschwankungen die gleichen Wärmedehnungen auf 1 so daß zwischen den Segmenten 55 und dem Ring 57 vorteilhafterweise keine Relativbewegungen auftreten. Dies gilt auch für Segmente von Leitgittern, die von einem keramischen Außenring zusammengehalten werden.As a result of the same thermal expansion coefficient of the ceramic components this with temperature fluctuations the same thermal expansions to 1 so that between the segments 55 and the ring 57 advantageously no relative movements occur. This also applies to segments of guide grids made by a ceramic outer ring be held together.

Der in Fig. 4 gezeigte Außenring 60 eines Leitgitters 61 ist auf die Leitschaufeln 62 aufgeschrumpft. Die Oberkanten 63 der Leitschaufeln 62 sind im Bereich der Hinterkanten 64 so abgeschrägt, daß sie den Außenring 60 nicht berühren. Die schmalen Hinterkanten 64 der Leitschaufeln 62 werden dabei von der Schrumpfspannung entlastet. Ein besonderer Haltering entfällt bei dieser Ausführung.The outer ring 60 shown in Fig. 4 of a guide grille 61 is on the Guide vanes 62 shrunk on. The upper edges 63 of the guide vanes 62 are in The area of the rear edges 64 beveled in such a way that they do not touch the outer ring 60. The narrow trailing edges 64 of the guide vanes 62 are affected by the shrinkage stress relieved. A special retaining ring is not required in this version.

Figur 5 zeigt einen Außenring, der eine Fuge 78 aufweist, die durch die damit mögliche Nachgiebigkeit eine gute Anlage an den Oberkanten 22 der Leitschaufeln 17 ermöglicht. Die Fuge 78 des Außenrings 18 läuft quer zu den Sehnen 79 der benachbarten Leitschaufeln 17, so daß sich in der Fuge 78 keine zu der durch Pfeile 80 angedeuteten Strömung zwischen den Leitschaufeln 17 parallele Strömung bilden kann, die das Laufrad umgehen würde.Figure 5 shows an outer ring which has a joint 78 through the flexibility that is possible with this means that it rests well on the upper edges 22 of the guide vanes 17 allows. The joint 78 of the outer ring 18 runs transversely to the chords 79 of the neighboring ones Guide vanes 17, so that none of the joints indicated by arrows 80 are in the joint 78 Flow between the guide vanes 17 can form parallel flow that the impeller would handle.

Bei dem in Figur 1 gezeigten, mit einem Haltering 21 versehenen Außenring 18 wird die Fuge 78 an der Stirnseite 41 durch den Bund 40 des Halteringes 21 abgedeckt.In the case of the outer ring shown in FIG. 1 and provided with a retaining ring 21 18, the joint 78 on the end face 41 is covered by the collar 40 of the retaining ring 21.

Damit tird ein direktes Einströmen der Verbrennungs gase in die Fuge 78 verhinert.This ensures that the combustion gases flow directly into the joint 78 prevented.

Der Haltering 81 in Figur 6 hat die Gestalt einer Ellipse, die an den beiden im Bereich ihrer kleinen Achse a liegenden Stellen am Außenring 82 eines Leitgittcrs anliegt. An diesen Stellen übt der elastJscllc llaltcring 81 durch Pfeile 83 angedeutete i?adalkräfte aus, die im ganzen Temperaturbereich zu einer spielfreien Anlage des mit einer Fuge 78 versehenen Außenringes 82 an den nicht dargestellten Oberkanten der Leitschaufeln führen. Beim Zusammenbau wird der Haltering 81 mit einer Vorrichtung leicht verspannt über den Außenring 82 geschoben.The retaining ring 81 in Figure 6 has the shape of an ellipse that on the two points lying in the area of their minor axis a on the outer ring 82 one Leitgittcrs is applied. At these points the elastic ring 81 exercises with arrows 83 indicated i? Adal forces, which lead to a backlash-free in the whole temperature range Installation of the outer ring 82 provided with a joint 78 on the not shown Guide the upper edges of the guide vanes. During assembly, the retaining ring 81 is included Slightly braced over the outer ring 82 of a device.

Der Haltering 84 in Figur 7 liegt infolge eines periodisch wechselnden Mittenabstandes an drei gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen des Außenringes 85 an und übt entsprechend dem vorangehenden Beispiel durch Pfeile 86 ailgedeutete Radialkräfte aus. Damit wird ebenfalls eine dichte und sehr gleichmäßige Anlage ds Auf3enringes 85 an den Leitschaufeln erzielt.The retaining ring 84 in Figure 7 is due to a periodically changing Center-to-center distance at three points on the outer ring evenly distributed over the circumference 85 and exercises according to the previous example indicated by arrows 86 Radial forces. This also creates a dense and very uniform system ds Auf3enringes 85 achieved on the guide vanes.

Claims

Claims centered in the housing of a gas turbine, the consists of a ceramic material and its blades between an inner ring and an outer ring are arranged, d u r c h e k e n n -z e i c h n e t, that the inner ring (16) has an inwardly directed flange (20) on which a side (26) a toothing (27) is arranged, which with a corresponding Toothing (28) on a flange (29) on the turbine housing that is coaxial with the turbine shaft (11) is engaged and on the other side of which a pressure ring (31) rests.

2) guide grille according to claim 1, d a d u r c h g e -e e n n z e i c h n e t that at least one contact surface in the area of the toothing (27 28) is provided with a sliding layer (32).

3) guide grille according to claim 1 or 2, d a d u r c h e k e r0 n 7, e i c h n e t that at least one Contact surface in the area of the Pressure ring (31) is provided with a sliding layer (33).

4) guide grille according to claims 1 to 3, d a -d u r c h g e k e It is noted that the pressure ring (31) is attached to the turbine housing by means of expansion screws (30) (11) is kept to be cooled by supplied air.

5) guide grille according to claims 1 to 4, d a -d u r c h g e k e It is not noted that the guide grille (48) is composed of segments (49) is, the flange segments (ski) form a tapered extension (52) of a conical mating surface (53) of the pressure ring (54) is included.

6) guide grille according to claims 1 to 4, d a -d u r c h g e k e It is noted that the guide grille (56) is composed of segments (55) is formed by a ring (57) resting on the circumference (58) of the toothing t59) ceramic material are held together.

7) guide grille according to claims 1 to 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the outer ring (18) extends in the axial direction over the impeller (13) extends.

8. guide grille according to claims 1 to 7, characterized in that that the outer ring (60) is shrunk onto the guide vanes (62), the Upper edges (63) of the guide vanes (62) beveled in the region of the rear edges (64) that they do not touch the outer ring (60).

9. guide grille according to claims 1 to 7, characterized by a with a joint (78) provided outer ring (18) on the upper edges of the guide vanes is present.

10. guide grille according to claim 9, characterized in that the outer ring (82) is surrounded by an elastic retaining ring (81), which is distributed over the circumference -Sections of smaller center-to-center distance the outer ring (82) radially to the upper edges of the guide vanes.

11. Guide grille according to claims 9 or 10, thereby marked without t that the joint (78) of the outer ring (18) is essentially transverse to the tendons (79) the guide vanes (17) runs.