DE102013219772A1

DE102013219772A1 - Schaufel für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE102013219772A1
Application number: DE201310219772
Authority: DE
Inventors: Christine Lang; Günter RAMM
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2033-10-01
Also published as: DE102013219772B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufel, insbesondere eine Laufschaufel (1), für eine Gasturbine mit einer konvex geformten Saugseite (4), einer konkav geformten Druckseite (5), einer Vorderkante (2), die die Druckseite (4) und die Saugseite (5) miteinander verbindet, und einer Hinterkante (3), die die Druckseite (2) und die Saugseite (5) miteinander verbindet, wobei die Saugseite (5), die Vorderkante (2), die Druckseite (4) und die Hinterkante (3) einen Raum (6) umschließen, wobei die Vorderkante (2) aus Metall hergestellt ist, und die Saugseite (5) und/oder die Druckseite (4) und/oder die Hinterkante (3) aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist bzw. sind und/oder der Raum (6) mit keramischem Faserverbundwerkstoff teilweise und/oder vollständig aufgefüllt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine am Rotor befestigte Laufschaufel oder um eine gehäusefeste Leitschaufel handeln.
Solche Schaufeln sind insbesondere in stationären Industriegasturbinen und in Fluggasturbinen bekannt. Dabei besteht eine solche Schaufel, also eine Leit- oder Laufschaufel, aus Metall, beispielsweise aus einem Titan- oder aus einem Nickelbasiswerkstoff. Die Schaufeln können aus Vollmaterial bestehen oder aber auch hohl sein, zum Beispiel um einen Kanal für ein Kühlmedium bereitzustellen und/oder aus Gewichtsgründen. Eine metallische Vorderkante, eine metallische Saugseite, einer metallische Hinterkante und eine metallische Druckseite umschließen dabei zusammen einen Raum, z.B. einen Hohlraum. Unter den Begriffen Saugseite, Druckseite, Vorderkante und Hinterkante sind somit im Sinne der vorliegenden Erfindungen Wandungen bzw. Wandungsabschnitte zu verstehen, die gemeinsam im Wesentlichen die äußere Profilform der Schaufel definieren.
Insbesondere ist es bekannt, leichte Werkstoffe bei Fluggasturbinen zu verwenden, um das Gewicht zu verringern. Beispielsweise sind Titanaluminidverbindungen im Einsatz.
Andere Werkstoffe sind sogenannte keramische Faserverbundwerkstoffe, die jedoch zum Ausfransen neigen, bspw. wenn im Gasstrom vorhandene Sandkörner oder andere Fremdpartikel auf eine aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellte Schaufel treffen. Ferner sind keramische Faserverbundwerkstoffe porös und können somit Treibstoff bzw. Öl aufsaugen, was die Brandgefahr in der Gasturbine erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Designkonzept für Schaufeln einer Gasturbine vorzustellen, bei dem keramische Faserverbundwerkstoffe eingesetzt werden können, um das Gewicht dieser Schaufeln zu reduzieren.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Gasturbine. Diese Schaufel weist eine, vorzugsweise im Wesentlichen konvex geformte, Saugseite, eine, vorzugsweise im Wesentlichen konkav geformte, Druckseite, eine Vorderkante, die die Druckseite und Saugseite miteinander verbindet, und eine Hinterkante auf, die die Druckseite und Saugseite miteinander verbindet. Dabei umschließen die Saugseite, die Vorderkante, die Druckseite und die Hinterkante einen Raum, zum Beispiel einen Hohlraum, ein. Erfindungsgemäß besteht die Vorderkante der Schaufel aus Metall, wohingegen die Saugseite und/oder die Druckseite und/oder die Hinterkante aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist bzw. sind und/oder der Raum mit keramischem Faserverbundwerkstoff teilweise und/oder vollständig gefüllt bzw. aufgefüllt ist.
Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass die Konstruktion derart geteilt ist, dass die störungsanfällige Vorderkante nicht verändert wird, d.h. weiterhin – wie bei den meisten konventionellen Schaufeln – aus einem Metall hergestellt ist, und gleichzeitig durch Anteil an Faserverbundwerkstoffe das Gewicht deutlich herabgesetzt werden kann. Die verschiedenen aus Metall und Faserverbundwerkstoff hergestellten Elemente können zum Beispiel kraftschlüssig verbunden und/oder verklebt werden.
Vorzugsweise kann zudem auch ferner wenigstens die Hinterkante aus Metall bestehen. In der Regel unterliegt die Hinterkante im Vergleich zur Saug- und/oder Druckseite einem verstärkten Abrieb durch Sandkörner oder andere Fremdpartikel im Gasstrom. Metall ist dabei in der Regel gegenüber Faserverbundwerkstoffen widerstandsfähiger gegen Abrieb und neigt somit weniger stark zum Ausfransen. Hinzu kommt, dass sich eine Hinterkante aus Metall leichter reparieren lässt als eine aus einem Faserverbundwerkstoff.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Vorderkante und die Hinterkante über wenigstens ein aus Metall hergestelltes Element, insbesondere die Saugseite und/oder die Druckseite und/oder eine im Raum verlaufende metallische Struktur, miteinander verbunden sein, vorzugsweise integral miteinander verbunden sein. Dies hat den Vorteil, dass strukturmechanische Kräfte effizient zwischen Vorder- und Hinterkante übertragen werden können und Elemente, die aus leichterem aber in der Regel weniger belastbaren Faserverbundwerkstoffen hergestellt sind, entlastet werden. Somit wird auch bei hohen thermischen und/oder mechanischen Belastungen eine Formstabilität der Schaufel sichergestellt, wobei jedoch die Schaufel wegen des Einsatzes von leichteren Faserverbundwerkstoffen weniger schwer als eine konventionelle, nur aus Metall hergestellte Schaufel ausgebildet sein kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Saugseite aus Metall bestehen. Dabei kann die Druckseite aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff bestehen. Dies hat den Vorteil, dass die Saugseite, deren Strömung entlang der Wandung in der Regel störungsanfälliger als jene der Druckseite ist, nicht verändert werden muss, d.h. weiterhin – wie bei den meisten konventionellen Schaufeln – aus einem Metall hergestellt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Vorderkante und die Hinterkante über eine im Raum, insbesondere Hohlraum, verlaufende metallische Struktur miteinander verbunden. Dabei können die Vorderkante, die Hinterkante und die dazwischen angeordnete Verbindung integral miteinander ausgebildet sein. Vorzugsweise sind dann die Druckseite und die Saugseite aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt, so dass die metallische Struktur vorwiegend die strukturmechanischen Aufgaben, insbesondere Stabilität, übernimmt. Weiterhin vorteilhaft kann die metallische Struktur entlang der Skelettlinie des Schaufelprofils verlaufen. Unter einer Skelettlinie ist die Verbindungslinie aller Kreismittelpunkte zu verstehen, deren Kreise im Profil eingeschriebenen sind, d. h. jeder einschreibender Kreis berührt sowohl die Außenoberfläche der Saugseite und als auch die Außenoberfläche der Druckseite des Profils nur in einem einzigen Punkt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die metallische Struktur innerhalb des Hohlraums immer im selben Abstand von der Druck- und Saugseite angeordnet ist, was die Steifigkeit der Schaufel erhöhen kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen wiederzufinden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer schematischen Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
1A einen Schnitt durch das Schaufelprofil einer ersten Ausführungsform,
1B einen Schnitt durch das Schaufelprofil einer zweiten Ausführungsform,
1C einen Schnitt durch das Schaufelprofil einer dritten Ausführungsform, und
1D einen Schnitt durch das Schaufelprofil einer vierten Ausführungsform.
In 1A wird eine erste Ausführungsform gezeigt, bei der lediglich die Druckseite aus keramischem Faserverbundwerkstoff besteht.
Die Schaufel 1 umfasst eine metallische Vorderkante 2, eine metallische Hinterkante 3, eine metallische Saugseite 4, die die Vorderkante 2 mit der Hinterkante 3 verbindet, und eine Druckseite 5, die aus keramischem Faserverbundwerkstoff besteht. Die Vorderkante 2, die Saugseite 4, die Hinterkante 3 und die Druckseite 5 umschließen einen Raum 6, der in dieser Ausführungsform hohl ist, d.h. im Wesentlichen frei von festen Materialien. Im Bereich der Vorderkante 2 ist eine erste Aufnahme 7 eingelassen. In der Hinterkante 3 ist eine zweite Aufnahme 8 eingelassen. Die Druckseite 5, aus keramischem Faserverbundstoff hergestellt, weist an ihren beiden Längsenden 9 und 10 eine zu den beiden Aufnahmen 7 und 8 komplementär geformte Schulter auf. Mit den Schultern kann die Druckseite 5 formschlüssig mit der Vorderkante 2 und der Hinterkante 3 verbunden werden. Zusätzlich oder alternativ können diese Elemente auch kraft- und/oder stoffschlüssig, z.B. durch Kleben, miteinander verbunden werden. In dieser Ausführungsform sind die Vorderkante 2, die Saugseite 4 und die Hinterkante 3 integral einstückig aus Metall hergestellt. Ggf. kann bzw. können die Vorderkante 2 und/oder die Saugseite 4 und/oder die Hinterkante 3 und/oder die Druckseite 4 auch noch eine oder mehrere Beschichtungen aufweisen, welche vorzugsweise an der Außenoberfläche vorgesehen ist bzw. sind.
1B zeigt eine Schaufel 11 mit einer metallischen Vorderkante 12 und einer metallischen Hinterkante 13. Die Saugseite 14 und die Druckseite 15 bestehen aus mindestens einem keramischem Faserverbundwerkstoff. Der durch diese Elemente 12 bis 15 umschlossene Raum 16 weist eine metallische Struktur 17 auf, die mit der Vorderkante 12 und mit der Hinterkante 13 verbunden ist. Vorzugsweise kann diese metallische Struktur auf der Skelettlinie des Schaufelprofils angeordnet sein. Die Druckseite 15 ist ebenso an die Schaufel befestigt wie die Druckseite der ersten Ausführungsform 5. Daher wird nicht näher auf die Details eingegangen. Zusätzlich weist die metallische Vorderkante 12 im Bereich der Saugseite 14 eine weitere erste Aufnahme 19 auf. Ebenso weist die metallische Hinterkante 13 im Bereich der Saugseite 14 eine weitere zweite Aufnahme 18 auf. In diesen beiden Aufnahmen 18 und 19 ist die Saugseite 14 befestigt. Dabei weist die Saugseite 14 an den beiden Längsenden 20 zu den Aufnahmen 18 und 19 komplementär geformte Schultern auf.
In 1C wird eine dritte Ausführungsform abgebildet, in der der Raum mit mindestens einem keramischem Faserverbundwerkstoff ausgefüllt ist, und die Druckseite ebenfalls aus keramischem Faserverbundwerkstoff besteht.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass in dem Faserverbundwerkstoff aller Ausführungsformen auch metallische Armierungen vorhanden sein können. Im Unterschied zu aus Metall hergestellten Elementen weisen Elemente aus einem Faserverbundwerkstoff mit metallischen Armierungen jedoch vorzugsweise einen gegenüber dem Gewichtsanteil an Faserverbundwerkstoff deutlich geringeren Gewichtsanteil an Metall auf.
Die Schaufel 21 weist eine metallische Vorderkante 22 und eine metallische Hinterkante 23 auf, die über eine metallische Saugseite 24 miteinander, vorzugsweise integral, verbunden sind. Die metallische Saugseite 24 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei in den Hohlraum 26 ragende Noppen 27 und 28 auf. Statt Noppen oder zusätzlich zu den Noppen können auch Vertiefungen bzw. Aufnahmen verwendet werden, um eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Metall und dem keramischen Faserverbundwerkstoff zu erzielen. Wie hier abgebildet, können diese Noppen unterschiedliche Formen aufweisen und dienen insbesondere dazu, die Oberfläche für eine Verklebung zwischen dem Metall und dem keramischen Faserverbundwerkstoff zu vergrößern. Jedoch kann auch ein Formschlüssiger Zusammenhalt hierdurch hergestellt oder zumindest gefördert werden. Im Bereich der Hinterkante 23 ist eine dritte Aufnahme 29 vorgesehen. Die Vorderkante 22, die Hinterkante 23 und die Saugseite 24 umschließen den Raum 26, der zur Druckseite hin offen ist. In diesen Raum 26 kann eine zum Raum 26 komplementär geformte Schale 31 eingebracht werden, die aus keramischem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Zur zusätzlichen Sicherung kann im Bereich der Vorderkante 22 noch eine vierte Aufnahme 30 vorgesehen sein, in der die Schale 31 eingreift. Alternativ oder zusätzlich könnte im Bereich der Vorderkante 22 und/oder der Hinterkante 23 auch wenigstens ein Vorsprung vorgesehen sein, welcher in eine entsprechend ausgebildete Vertiefung der Schale 31 eingreift. Die Schale 31 kann, vorzugsweise integral damit ausgebildet, die Druckseite 5 umfassen.
In 1D wird eine vierte Ausführungsform abgebildet, in der lediglich der umschlossene Raum mit keramischen Faserverbundwerkstoffen (Kern 46) ausgefüllt ist. In dieser vierten Ausführungsform ist die Hülle der Schaufel 41 metallisch. Zu dieser Hülle gehört die Vorderkante 42, die Hinterkante 43, die Saugseite 44 und die Druckseite 45. Der Kern 46 ist, wie bereits erwähnt, mit keramischem Faserverbundwerkstoff ausgefüllt. Theoretisch kann der Kern 46 dabei ebenfalls als Schale ausgebildet sein, d.h. wenigstens einen Hohlraum in seinem Inneren umschließen.
Allgemein sei angemerkt, dass die Vorderkante und/oder Hinterkante und/oder Saugseite und/oder Druckseite in den Schnittebenen orthogonal zur Radialrichtung der entsprechenden Gasturbine überall eine Dicke von mindestens einem halben Millimeter, stärker bevorzugt von mindestens einem Millimeter, noch stärker bevorzugt von mehreren Millimetern aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Schaufel der ersten Ausführungsform
2: Vorderkante der ersten Ausführungsform
3: Hinterkante der ersten Ausführungsform
4: Saugseite der ersten Ausführungsform
5: Druckseite der ersten Ausführungsform
6: Hohlraum der ersten Ausführungsform
7, 8: erste und zweite Aufnahme
9 und 10: Enden der Druckseite 5
11: Schaufel der zweiten Ausführungsform
12: Vorderkante der zweiten Ausführungsform
13: Hinterkante der zweiten Ausführungsform
14: Saugseite der zweiten Ausführungsform
15: Druckseite der zweiten Ausführungsform
16: Hohlraum der zweiten Ausführungsform
17: metallische Struktur
18, 19: Aufnahme der zweiten Ausführungsform
20: Enden der Saugseite 14
21: Schaufel der dritten Ausführungsform
22: Vorderkante der dritten Ausführungsform
23: Hinterkante der dritten Ausführungsform
24: Saugseite der dritten Ausführungsform
26: Raum
27, 28: Noppen
29, 30: dritte bzw. vierte Aufnahme
31: Schale
35: Druckseite
41: vierte Ausführungsform der Schaufel
42: Vorderkante der vierten Ausführungsform
43: Hinterkante der vierten Ausführungsform
44: Saugseite der vierten Ausführungsform
45: Druckseite der vierten Ausführungsform
46: Kern

Claims

Schaufel (1; 11; 21; 41) für eine Gasturbine mit – einer Saugseite (4; 14; 24; 44); – einer Druckseite (5; 15; 45); – einer Vorderkante (2; 12, 22; 42), die die Druckseite (4; 14; 24; 45) und die Saugseite (5; 15; 44) miteinander verbindet, und – einer Hinterkante (3, 13; 23; 43), die die Druckseite (2; 12; 22; 45) und die Saugseite (5; 15; 44) miteinander verbindet, wobei die Saugseite (5; 15; 35; 44), die Vorderkante (2; 12; 22; 42), die Druckseite (4; 14; 24; 45) und die Hinterkante (3; 13; 23; 43) einen Raum (6; 16; 26; 46) umschließen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorderkante (2; 12; 22; 42) aus Metall hergestellt ist, und – dass die Saugseite (5; 15; 35; 44) und/oder die Druckseite (4; 14; 24; 45) und/oder die Hinterkante (3; 13; 23; 43) aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist bzw. sind und/oder der Raum (6; 16; 26; 46) mit keramischem Faserverbundwerkstoff teilweise und/oder vollständig aufgefüllt ist.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (3; 13; 23; 43) aus Metall hergestellt ist.
Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (2; 12, 22; 42) und die Hinterkante (3; 13; 23; 43) über wenigstens ein aus Metall hergestelltes Element (4; 17; 24; 44, 45), insbesondere über die Saugseite (4; 24; 44) und/oder die Druckseite (45) und/oder eine im Raum (16) verlaufende metallische Struktur (17), miteinander verbunden sind, vorzugsweise integral miteinander verbunden sind.
Schaufel nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckseite (45) aus Metall hergestellt ist oder die Druckseite (15; 35; 5) aus keramischem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.
Schaufel nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite (4; 44) aus Metall hergestellt ist oder die Saugseite (14) aus keramischem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.
Schaufel nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (12) und die Hinterkante (13) über eine im Raum (16) verlaufende metallische Struktur (17) miteinander verbunden sind.
Schaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur (17) entlang der Skelettlinie des Schaufelprofils verläuft.
Schaufel nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel im Bereich der Vorderkante (2; 12; 22) mindestens eine Aufnahme (7; 19; 30) und/oder mindestens einen Vorsprung aufweist, um das entsprechende Element aus keramischem Faserverbundwerkstoff zu fixieren.
Schaufel nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel im Bereich der Hinterkante (3; 13; 23) mindestens eine Aufnahme (8; 29) und/oder mindestens einen Vorsprung aufweist, um das entsprechende Element aus keramischem Faserverbundwerkstoff zu fixieren.
Schaufel nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite (24) in den Raum (26) ragende Noppen (27, 28) und/oder mindestens eine Aufnahme (29) aufweist, die an den Raum (26) angrenzt.