DE102017221641A1

DE102017221641A1 - Schaufelkranz mit mischbeschaufelung

Info

Publication number: DE102017221641A1
Application number: DE102017221641.7A
Authority: DE
Inventors: Oskar Ostermeir
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2019-06-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaufelkranz für eine Strömungsmaschine mit einer Vielzahl von Schaufeln (4,5), die ringförmig um eine zentrale Achse (2) an einem Träger (1) angeordnet sind, wobei mindestens zwei Gruppen von Schaufeln vorgesehen sind, wobei die Schaufeln (4) einer ersten Gruppe zumindest teilweise aus einem unterschiedlichen Werkstoff im Vergleich zu den Schaufeln (5) einer zweiten oder weiteren Gruppen gebildet sind, wobei die Schaufeln (4) der erste Gruppe von Schaufeln im Wesentlichen aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind und die Schaufeln (5) der zweiten Gruppe von Schaufeln im Wesentlichen aus einem Werkstoff, der ein niedrigeres spezifisches Gewicht und eine geringere Duktilität als der metallische Werkstoff der ersten Gruppe aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaufelkranz für eine Strömungsmaschine mit einer Vielzahl von Schaufeln, die ringförmig um eine zentrale Achse an einem Träger angeordnet sind, wobei mindestens zwei Gruppen von Schaufeln vorgesehen sind, und wobei die Schaufeln einer ersten Gruppe zumindest teilweise aus einem unterschiedlichen Werkstoff im Vergleich zu den Schaufeln einer zweiten oder weiteren Gruppen gebildet sind.
STAND DER TECHNIK
Strömungsmaschinen werden als stationäre Gasturbinen oder als Flugtriebwerke in verschiedenen technischen Anwendungsgebieten eingesetzt. Ihnen ist jedoch gemeinsam, dass allgemein versucht wird, die Effizienz und Leistungsfähigkeit von derartigen Strömungsmaschinen zu erhöhen. Hierzu sind unterschiedlichste Maßnahmen denkbar und entsprechend sind im Stand der Technik vielfältige Vorschläge zur Gestaltung von Strömungsmaschinen verfügbar.
Insbesondere gilt dies auch für die Gestaltung der Rotoren und Schaufelkränze, da die Vielzahl von Schaufeln, die mit dem Rotor bewegt werden, ein vielversprechendes Verbesserungspotential bieten.
Beispielsweise beschreibt das Dokument EP 3 115 555 A1 einen sogenannten Hybridrotor, bei dem ein Rotor bzw. eine Scheibe einer Strömungsmaschine teilweise integral mit Laufschaufeln ausgebildet ist, während ein weiterer Teil der Laufschaufel durch mechanische Kopplung an der Scheibe angeordnet ist. Mit einer derartigen Gestaltung eines Rotors soll bewirkt werden, dass durch eine unterschiedliche Konfiguration der mechanisch gekoppelten Laufschaufeln im Vergleich zu den integral an der Scheibe ausgebildeten Laufschaufeln beispielsweise hinsichtlich der Materialauswahl eine Anpassung der Eigenschaften des Rotors ermöglicht wird. Außerdem soll damit eine einfachere Reparatur und Herstellung des Rotors gegenüber einem komplett integral mit Laufschaufeln versehenen Rotor ermöglicht werden.
Demgegenüber verfolgt die im Dokument EP 2 189 626 A1 beschriebene Lösung den Ansatz, Laufschaufeln aus mehreren Teilen zusammenzusetzen, um die verschiedenen Teile, wie beispielsweise den Blattbereich, den Fußbereich oder einen Plattformbereich aus unterschiedlichen, für die verschiedenen Anforderungen angepassten Werkstoffe zu bilden.
Gleichwohl besteht jedoch immer noch Bedarf eine Optimierung der Werkstoffauswahl für Rotoren von Strömungsmaschine, um insbesondere die gewünschten Effizienzsteigerungen zu ermöglichen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Rotor bzw. Schaufelkranz für eine Strömungsmaschine mit einer Vielzahl von Schaufeln, die ringförmig um einen zentrale Achse an einem Träger angeordnet sind, bereitzustellen, wobei mittels des Schaufelkranzes eine Steigerung der Effizienz der Strömungsmaschine bei Aufrechterhaltung der Betriebssicherheit ermöglicht werden soll. Gleichzeitig soll die Lösung einfach technisch durchführbar sein.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Schaufelkranz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, bei mindestens zwei Gruppen von Schaufeln aus zumindest teilweise unterschiedlichen Werkstoffen die Schaufeln der ersten Gruppe von Schaufeln im Wesentlichen aus einem metallischen Werkstoff zu bilden und die Schaufeln der zweiten Gruppe von Schaufeln im Wesentlichen aus einem Werkstoff zu bilden, der ein niedrigeres spezifisches Gewicht und eine geringere Duktilität als der metallische Werkstoff der ersten Gruppe aufweist. Im Wesentlichen heißt hierbei, dass die jeweilige Schaufel überwiegend aus dem genannten Werkstoff gebildet ist, auch wenn die Schaufel andere Werkstoffe umfassen kann. Gemäß der Idee der Erfindung ist es nämlich möglich, durch die Kombination von Schaufeln, die aus verschiedenen Werkstoffen gebildet sind oder wenigstens teilweise verschiedene Werkstoffe aufweisen, die Vorteile von verschiedenen Werkstoffen miteinander zu kombinieren, um insgesamt für einen Schaufelkranz ein verbessertes Eigenschaftsprofil zu ermöglichen. So weisen Schaufeln, die aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind, üblicherweise eine gute Duktilität auf, um den Anforderungen hinsichtlich der Schlagzähigkeit zu genügen. Allerdings weisen die metallischen Werkstoffe, die üblicherweise für Schaufeln von Strömungsmaschinen und insbesondere Laufschaufel eingesetzt werden, den Nachteil auf, dass sie ein relativ hohes Gewicht aufweisen, was insbesondere bei den erforderlichen Beschleunigungen der Rotoren und den hohen Drehgeschwindigkeiten Effizienznachteile mit sich bringt. Dem wird erfindungsgemäß dadurch abgeholfen, dass mindestens eine zweite Gruppe von Schaufeln in dem Schaufelkranz vorgesehen ist, die zumindest teilweise aus einem unterschiedlichen Werkstoff im Vergleich zu den Schaufeln der ersten Gruppe aus metallischen Werkstoffen gebildet sind und zwar insbesondere aus einem Werkstoff, der ein niedrigeres spezifisches Gewicht aufweist, um dadurch Gewicht einzusparen und die Effizienz der Strömungsmaschine zu steigern. Werkstoffe, die ein niedrigeres spezifisches Gewicht aufweisen, können insbesondere keramische Werkstoffe oder sogenannte intermetallische Werkstoffe sein, die einen hohen kovalenten Bindungsanteil aufweisen. Bei diesen Werkstoffen besteht jedoch eine Problematik darin, dass sie üblicherweise eine geringe Schlagzähigkeit besitzen und als spröde gelten. Durch die erfindungsgemäße Kombination mit Schaufeln aus metallischen Werkstoffen kann diesem Nachteil jedoch begegnet werden, da bei einem Schadensfall durch Schlagbeanspruchung zwar möglicherweise eine Beschädigung der wenig duktilen Laufschaufeln der zweiten Gruppe von Schaufeln zu erwarten ist, aber die Schaufeln der ersten Gruppe von Schaufeln, die aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind, erwarten lassen, dass sie der Schlagbeanspruchung widerstehen, sodass kein Totalverlust des Schaufelkranzes zu erwarten ist.
Die Anzahl der Schaufeln der entsprechenden Gruppen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind oder zumindest teilweise unterschiedliche Werkstoffe umfassen, kann gleich gewählt werden, aber die Gruppen von Schaufeln können auch jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Schaufeln aufweisen, je nachdem welche Anforderungen an den Schaufelkranz insgesamt gestellt werden.
Insbesondere kann die erste Gruppe von Schaufeln, die im Wesentlichen aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind, mehr oder gleich 25 % insbesondere mehrere gleich 33 % vorzugsweise mehr oder gleich 66 % der gesamten Anzahl der Schaufeln des Schaufelkranzes stellen.
Vorteilhaft ist, wenn die Schaufeln der verschiedenen Gruppen von Schaufeln möglichst gleichmäßig verteilt in Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei sich insbesondere bei einer Anordnung von Schaufeln aus zwei verschiedenen Gruppen von Schaufeln mit in etwa gleicher Anzahl von Schaufeln pro Gruppe die abwechselnde Anordnung von einer Schaufel der ersten Gruppe und einer Schaufel der zweiten Gruppe anbietet.
Die Schaufeln aus der ersten Gruppe von Schaufeln, die aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind, können insbesondere aus Nickelbasis - Superlegierungen, Eisenbasis - Superlegierungen und Kobaltbasis - Superlegierungen gebildet sein, während die Schaufeln aus der zweiten Gruppe von Schaufeln oder weiteren Gruppen von Schaufeln beispielsweise aus Titanaluminid - Legierungen oder dergleichen gebildet sein können.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUR
Die einzige beigefügte Figur zeigt in rein schematischer Weise eine Scheibe einer Strömungsmaschine mit einem Laufschaufelkranz.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ersichtlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
In der beigefügten Figur ist ein Ausführungsbeispiel eines Laufschaufelkranzes einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise eines Flugtriebwerks, gemäß der Erfindung gezeigt, wobei eine Vielzahl von Laufschaufeln 4, 5 an einer Scheibe 1 der Strömungsmaschine angeordnet sind, die um eine axiale Drehachse 2, die durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, in der Strömungsmaschine gedreht werden kann.
Die Laufschaufeln 4, 5 sind entlang der Umfangsrichtung, die durch den Doppelpfeil 3 angezeigt ist, nebeneinander auf der Mantelfläche der Scheibe 1 angeordnet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind abwechselnd in Umfangsrichtung jeweils zwei Laufschaufeln 4, 5 angeordnet, die zwei verschiedenen Gruppen vom Laufschaufeln angehören. Die eine Gruppe von Laufschaufeln 4 ist aus einem ersten Werkstoff gebildet und die zweite Gruppe von Laufschaufeln 5 ist aus einem zweiten Werkstoff gebildet, der unterschiedlich zum ersten Werkstoff ist. Durch die abwechselnde Anordnung von Laufschaufeln 4, 5 der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe sind somit entlang der Umfangsrichtung 3 an der Scheibe 1 abwechselnd immer eine Laufschaufel 4 des einen Werkstoffs und eine Laufschaufel 5 des anderen, zweiten Werkstoffs angeordnet.
Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine andere Anordnung der zu den verschiedenen Gruppen von Laufschaufeln gehörigen Laufschaufeln vorgesehen werden, beispielsweise eine Anordnung von jeweils zwei, drei oder mehr Schaufeln eine Gruppe abwechselnd mit ein, zwei, drei, vier oder mehr Schaufeln der zweiten Gruppe von Laufschaufeln. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass mehrere Gruppen unterschiedlicher Laufschaufeln, die aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind, vorgesehen sind, beispielsweise Laufschaufeln aus drei, vier oder mehr verschiedenen Werkstoffen.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel können die Laufschaufeln 4 der ersten Gruppe beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise einer Nickelbasis - Superlegierung, einer Eisenbasis - Superlegierung oder einer Kobaltbasis - Superlegierung gebildet sein, während die Laufschaufeln 5 der zweiten Gruppe aus einem intermetallischen Material oder einem keramischen Material gebildet sein können, wie beispielsweise aus Titanaluminden bzw. einer entsprechenden Legierung.
Durch die Anordnung einer Vielzahl von Laufschaufeln 5 aus Titanaluminiden kann das Gewicht des Laufschaufelkranzes deutlich gegenüber einer Ausbildung des Laufschaufelkranzes nur mit Laufschaufeln aus metallischen Werkstoffen, wie Nickelbasis - Superlegierungen, Kobaltbasis -Superlegierungen oder Eisenbasis - Superlegierung reduziert werden, da Titanaluminid - Legierungen gegenüber den für Laufschaufeln verwendeten metallischen Materialien üblicherweise ein niedrigeres spezifisches Gewicht aufweisen. Gleichzeitig weist ein Laufschaufelkranz mit einer Mischung von Laufschaufeln aus verschiedenen Werkstoffen den Vorteil auf, dass Nachteile des einen Werkstoffs durch den anderen Werkstoff kompensiert werden können. Entsprechend können Laufschaufeln 4 aus einem relativ spröden Werkstoff mit niedriger Schlagzähigkeit, wie beispielsweise Titanaluminide, von Laufschaufeln 5 aus einem duktileren Werkstoff, wie beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, begleitet werden, sodass es bei einem Schadensfall durch Schlagbeanspruchung mindestens eine Anzahl von Schaufeln gibt, die aufgrund ihrer höheren Duktilität der Schlagbeanspruchung widerstehen können, sodass es nicht zu einem Totalausfall des Laufschaufelkranzes kommt.
Entsprechend kann ein erfindungsgemäßer Laufschaufelkranz vorzugsweise in einem Verdichter oder einer Turbine einer Strömungsmaschine und insbesondere einer stationären Gasturbine oder eines Flugtriebwerks eingesetzt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere schließt die vorliegende Offenbarung sämtliche Kombinationen der in den verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Einzelmerkmale mit ein, sodass einzelne Merkmale, die nur in Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben sind, auch bei anderen Ausführungsbeispielen oder nicht explizit dargestellten Kombinationen von Einzelmerkmalen eingesetzt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Scheibe
2: Drehachse
3: Umfangsrichtung
4: Laufschaufel der ersten Gruppe
5: Laufschaufel der zweiten Gruppe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3115555 A1 [0004]
EP 2189626 A1 [0005]

Claims

Schaufelkranz für eine Strömungsmaschine mit einer Vielzahl von Schaufeln (4,5), die ringförmig um eine zentrale Achse (2) an einem Träger (1) angeordnet sind, wobei mindestens zwei Gruppen von Schaufeln vorgesehen sind, wobei die Schaufeln (4) einer ersten Gruppe zumindest teilweise aus einem unterschiedlichen Werkstoff im Vergleich zu den Schaufeln (5) einer zweiten oder weiteren Gruppen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (4) der erste Gruppe von Schaufeln im Wesentlichen aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind und die Schaufeln (5) der zweiten Gruppe von Schaufeln im Wesentlichen aus einem Werkstoff, der ein niedrigeres spezifisches Gewicht und eine geringere Duktilität als der metallische Werkstoff der ersten Gruppe aufweist.
Schaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (5) der zweiten Gruppe von Schaufeln im Wesentlichen aus intermetallischen oder keramischen Werkstoffen gebildet sind.
Schaufelkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Schaufeln (4,5) der entsprechenden Gruppen gleich groß oder unterschiedlich ist.
Schaufelkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (4) der ersten Gruppe von Schaufeln mehr oder gleich 25 %, insbesondere mehr oder gleich 33 %, vorzugsweise mehr oder gleich 66 % der gesamten Anzahl der Schaufeln des Schaufelkranzes sind.
Schaufelkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln in Umfangsrichtung des Schaufelkranzes abwechselnd durch eine Schaufel (4) der ersten Gruppe von Schaufeln und eine Schaufel (5) der zweiten Gruppe von Schaufeln gebildet sind.
Schaufelkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkranz ein Laufschaufelkranz ist.
Schaufelkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff für die erste Gruppe von Schaufeln ausgewählt ist aus der Gruppe, die Eisenbasis - Superlegierungen, Nickelbasis - Superlegierungen und Kobaltbasis - Superlegierungen umfasst, und / oder dass die Schaufeln der zweiten Gruppe von Schaufeln aus Titanaluminid - Legierungen gebildet sind.
Strömungsmaschine mit mindestens einem Schaufelkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche.