DE102018202725A1 - Arrangement of blades in a blade ring based on a primary crystal orientation - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein Schaufelkranz (1) einer Strömungsmaschine, der eine Mehrzahl an Schaufeln (S1, S2,..., Si, Si+1, ... Sn-1, Sn) umfasst, die jeweils ganz oder teilweise aus einem monokristallinen Werkstoff bestehen. Die Mehrzahl weist zwei benachbarte Schaufeln (S1, Sn) auf, deren primäre Kristallorientierungen (α) eine betragsmäßige Differenz aufweisen, die größer ist als das 10-Fache einer betragsmäßigen Differenz der primären Kristallorientierungen zumindest eines anderen Paares benachbarter Schaufeln der Mehrzahl.
Offenbart ist ferner eine Strömungsmaschine mit einem Schaufelkranz.
Disclosed is a blade ring (1) of a turbomachine, which comprises a plurality of blades (S 1 , S 2 , ..., S i , S i + 1 , ... S n-1 , S n ), each completely or partially made of a monocrystalline material. The plurality comprises two adjacent blades (S 1 , S n ) whose primary crystal orientations (α) have an absolute difference greater than 10 times an absolute difference in the primary crystal orientations of at least one other pair of adjacent blades of the plurality.
Also disclosed is a turbomachine with a blade ring.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaufelkranz für eine Strömungsmaschine und eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Schaufelkranz.The present invention relates to a blade ring for a turbomachine and a turbomachine with such a blade ring.
Schaufelkränze mit Lauf- oder Leitschaufeln in Strömungsmaschinen wie Flugzeugtriebwerken und stationäre Gasturbinen sind starken thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die in der Strömungsmaschine auftretenden Vibrationen können zudem Resonanzen auslösen, die das Material eines Schaufelkranzes belasten. So kann es zu Materialermüdung und schlimmstenfalls zu einem Materialbruch kommen.Blade rings with blades or vanes in turbomachinery such as aircraft engines and stationary gas turbines are exposed to strong thermal and mechanical loads. The vibrations occurring in the turbomachine can also trigger resonances that stress the material of a blade ring. This can lead to material fatigue and, in the worst case, to a material break.
In der
Aus der Druckschrift
In der
Aus der
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Technik bereitzustellen, mit der nachteilige Resonanzen in einer Strömungsmaschine bzw. eine Materialermüdung vermindert werden können.The present invention has for its object to provide a technique with which adverse resonances in a fluid machine or material fatigue can be reduced.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Schaufelkranz gemäß Anspruch 1 und eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.The object is achieved by a blade ring according to
Ein erfindungsgemäßer Schaufelkranz ist für den Einbau in einer Strömungsmaschine vorgesehen oder bereits in eine Strömungsmaschine eingebaut. Er weist eine Mehrzahl an Schaufeln auf, die jeweils ganz oder teilweise aus einem monokristallinen Werkstoff (z.B. einer Superlegierung) bestehen. Die Mehrzahl umfasst zwei benachbarte Schaufeln, deren betragsmäßige Differenz ihrer jeweiligen primären Kristallorientierungen größer ist als das 10-Fache einer betragsmäßigen Differenz der zugehörigen primären Kristallorientierungen zumindest eines anderen Paares benachbarter Schaufeln der Mehrzahl.An inventive blade ring is intended for installation in a turbomachine or already installed in a turbomachine. It has a plurality of blades, each entirely or partially made of a monocrystalline material (e.g., a superalloy). The plurality comprises two adjacent blades whose magnitude difference in their respective primary crystal orientations is greater than ten times an absolute difference of the associated primary crystal orientations of at least one other pair of adjacent blades of the plurality.
Insbesondere ist die betragsmäßige Differenz der primären Kristallorientierungen der zwei genannten benachbarten Schaufeln also von Null verschieden und weisen die besagten zwei benachbarten Schaufeln unter allen Schaufeln der Mehrzahl als einzige eine größte auftretende betragsmäßige Differenz der primären Kristallorientierungen auf.In particular, therefore, the difference in magnitude of the primary crystal orientations of the two adjacent blades is different from zero, and the two adjacent blades among all the blades of the plurality are the only ones having the largest occurring absolute difference of the primary crystal orientations.
Die „primäre Kristallorientierung“ ist durch einen Winkel zwischen einer [001]-Richtung des monokristallinen Werkstoffs (bzw. dessen Elementarzellen) zur radialen Richtung des Schaufelkranzes (bzw. zur Stapelachse der Schaufel) gegeben; die Angabe „[001]“ ist dabei die übliche Millersche Indexbezeichnung. Die Termini „radial“, „axial“ und „Umfangsrichtung“, beziehen sich in dieser Schrift stets auf eine (abstrakte) zentrale geometrische Achse, den der Schaufelkranz umläuft; im in der Strömungsmaschine eingebauten Zustand des Schaufelkranzes stimmt diese Achse mit einer vorgesehenen Rotationsachse der Strömungsmaschine überein. The "primary crystal orientation" is given by an angle between a [001] direction of the monocrystalline material (or its unit cells) to the radial direction of the blade ring (or to the stacking axis of the blade); the indication "[001]" is the usual Miller's index designation. The terms "radial", "axial" and "circumferential direction", in this document always refer to an (abstract) central geometric axis, which rotates around the blade ring; when installed in the turbomachine state of the blade ring this axis coincides with a designated axis of rotation of the turbomachine.
Zwischen den genannten zwei benachbarten Schaufeln mit größter betragsmäßiger Differenz der primären Kristallorientierungen besteht somit erfindungsgemäß eine besonders große Verstimmung, im Vergleich zu der die Differenzen der primären Kristallorientierungen der anderen jeweils benachbarten Schaufeln relativ klein sind. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige große lokale Verstimmung zwischen zwei benachbarten Schaufeln bei zugleich relativ kleinen Unterschieden zwischen allen übrigen Schaufeln besonders vorteilhaft ist, indem sie eine besonders günstige Auswirkung auf die Reduktion von Resonanzen und Materialermüdung in der Strömungsmaschine hat.Thus, according to the invention, there is a particularly great detuning between the two adjacent blades with the greatest difference in the absolute value of the primary crystal orientations, in comparison to which the differences between the primary crystal orientations of the other respective adjacent blades are relatively small. It has been found that such a large local detuning between two adjacent blades, with at the same time relatively small differences between all the remaining blades, is particularly advantageous in that it has a particularly favorable effect on the reduction of resonances and material fatigue in the turbomachine.
Vorzugsweise entspricht diese größte unter der Mehrzahl an Schaufeln auftretende betragsmäßige Differenz der primären Kristallorientierungen der zwei genannten benachbarten Schaufeln mindestens dem 0,5-fachen, bevorzugter mindestens dem 0,8-fachen oder genau der Differenz zwischen der größten und der kleinsten primären Kristallorientierung von allen primären Kristallorientierungen aller Schaufeln des Schaufelkranzes.Preferably, this largest difference of the primary crystal orientations of the two adjacent blades, which occurs among the plurality of blades, corresponds at least to the largest 0.5 times, more preferably at least 0.8 times or exactly the difference between the largest and smallest primary crystal orientation of all the primary crystal orientations of all the blades of the blade ring.
Eine zweitgrößte unter benachbarten Schaufeln der Mehrzahl auftretende Differenz zugehöriger primärer Kristallorientierungen entspricht vorzugsweise höchstens dem 0,8-fachen, höchstens dem 0,5-fachen oder sogar höchstens dem 0,3-fachen der Differenz zwischen der größten und der kleinsten primären Kristallorientierung von allen primären Kristallorientierungen aller Schaufeln des Schaufelkranzes.A second largest difference in associated primary crystal orientations occurring among adjacent vanes of the plurality is preferably at most 0.8 times, at most 0.5 times, or even at most 0.3 times the difference between the largest and the smallest primary crystal orientation of all primary crystal orientations of all blades of the blade ring.
In einigen Ausführungsformen liegt die Differenz zwischen der größten und der kleinsten primären Kristallorientierung von allen primären Kristallorientierungen aller Schaufeln des Schaufelkranzes im Bereich zwischen 0° und 30° oder auch zwischen 4° und 16°.In some embodiments, the difference between the largest and the smallest primary crystal orientation of all primary crystal orientations of all blades of the blade ring is in the range between 0 ° and 30 ° or even between 4 ° and 16 °.
Der Schaufelkranz kann ein Lauf- oder ein Leitschaufelkranz sein. Er kann zusammengesetzt ausgebildet sein oder monolithisch als Blisk.The blade ring may be a walking or a vane ring. It may be composed or monolithic as a blisk.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist eine der besagten zwei benachbarten, die größte betragsmäßige Differenz der primären Kristallorientierungen aufweisenden Schaufeln eine erste Schaufel, und die andere der zwei benachbarten Schaufeln ist in Bezug auf eine Umfangsrichtung die letzte Schaufel der Mehrzahl, also zur ersten Schaufel entgegen der Umfangsrichtung benachbart. Der Umfangsrichtung folgend liegen also zwischen der ersten und der letzten eine zweite, dritte, usw. und eine vorletzte Schaufel. Dabei weisen die Schaufeln in Bezug auf die Umfangsrichtung von der ersten bis zur letzten Schaufel eine monoton wachsende oder sogar streng monoton wachsende primäre Kristallorientierung auf. Der Umfangsrichtung folgend sind die Schaufeln der Mehrzahl also bei dieser Ausführungsform so angeordnet, dass von der ersten bis zu einer vorletzten Schaufel der Mehrzahl jede Schaufel eine primäre Kristallorientierung aufweist, die höchstens so groß ist wie bzw. die kleiner ist als eine primäre Kristallorientierung der benachbarten nachfolgenden Schaufel.According to an advantageous embodiment of the present invention, one of said two adjacent vanes having the largest absolute difference of the primary crystal orientations is a first vane, and the other of the two adjacent vanes is the last vane of the plurality, ie the first vane with respect to a circumferential direction adjacent to the circumferential direction. Following the circumferential direction, therefore, there are between the first and the last a second, third, etc. and a penultimate blade. In this case, the blades have a monotonically growing or even monotonically growing primary crystal orientation with respect to the circumferential direction from the first to the last blade. Thus, in the circumferential direction, in this embodiment, the blades of the plurality are arranged such that from the first to a penultimate blade of the plurality, each blade has a primary crystal orientation that is at most equal to or smaller than a primary crystal orientation of the adjacent ones following scoop.
Die größte auftretende betragsmäßige Differenz der zugehörigen primären Kristallorientierungen, nämlich diejenige zwischen der letzten und der ersten Schaufel, ergibt sich in diesem Fall somit aus der Summe aller übrigen betragsmäßigen Differenzen.The largest occurring absolute difference of the associated primary crystal orientations, namely that between the last and the first blade, in this case thus results from the sum of all other differences in absolute value.
Es versteht sich, dass die Umfangsrichtung - einem positiven oder negativen Vorzeichen entsprechend - einer (festen) von zwei möglichen, einander entgegengesetzten Umfangsrichtungen um die zentrale geometrische Achse entspricht.It is understood that the circumferential direction - corresponding to a positive or negative sign - one (fixed) of two possible, opposite circumferential directions around the central geometric axis.
Vorzugsweise umfassen alle Schaufeln des Schaufelkranzes denselben monokristallinen Werkstoff; alternativ kann der Schaufelkranz aber auch mindestens zwei Schaufeln umfassen, die voneinander verschiedene monokristalline Werkstoffe enthalten.Preferably, all blades of the blade ring comprise the same monocrystalline material; Alternatively, however, the blade ring may also comprise at least two blades containing mutually different monocrystalline materials.
Die Mehrzahl an Schaufeln des Schaufelkranzes kann beispielsweise mindestens 30, mindestens 40, mindestens 60, mindestens 75 oder mindestens 80 Schaufeln umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Mehrzahl an Schaufeln des Schaufelkranzes alle Schaufeln des Schaufelkranzes umfassen bzw. der Anzahl aller Schaufeln des Schaufelkranzes entsprechen.The plurality of blades of the blade ring may include, for example, at least 30, at least 40, at least 60, at least 75, or at least 80 blades. Additionally or alternatively, the plurality of blades of the blade ring may comprise all blades of the blade ring or correspond to the number of all blades of the blade ring.
Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine umfasst einen erfindungsgemäßen Schaufelkranz gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen.A turbomachine according to the invention comprises a blade ring according to the invention according to one of the embodiments disclosed in this document.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand zweier Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombiniert werden können als dargestellt.In the following preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to two drawings. It is understood that individual elements and components can be combined differently than shown.
Es zeigen schematisch:
-
1 : einen exemplarischen Schaufelkranz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
2 : eine Illustration einer exemplarischen Kristallorientierung bezogen auf die zentrale Achse eines Schaufelkranzes.
-
1 FIG. 2 shows an exemplary blade ring according to an embodiment of the present invention; FIG. and -
2 : An illustration of an exemplary crystal orientation with respect to the central axis of a blade ring.
In
Die Schaufeln
Erfindungsgemäß umfasst die Mehrzahl zwei benachbarte Schaufeln, deren jeweilige primäre Kristallorientierungen unter allen benachbarten Schaufeln der Mehrzahl die größte betragsmäßige Differenz aufweisen; als diese beiden Schaufeln werden hier die in der
Bezeichnet α(
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante gilt max{|α(Si+1) - α(Si)|: i= 1, .., n-1} ≤ w, wobei w=0,8·Dmax, w=0,5·Dmax oder w=0,3·Dmax sein kann, wobei Dmax die Differenz zwischen der größten und der kleinsten primären Kristallorientierung von allen primären Kristallorientierungen aller Schaufeln des Schaufelkranzes ist.In an advantageous embodiment, max {| α (S i + 1 ) -α (S i ) |: i = 1,..., N-1} ≦ w, where w = 0.8 × D max , w = 0 , 5 · D max or w = 0.3 · D max , where Dmax is the difference between the largest and smallest primary crystal orientation of all the primary crystal orientations of all the blades of the blade ring.
Vorzugsweise gilt |α(Sn) - α(S1)| ≥ 0,5·Dmax oder sogar |α(Sn) - α(S1)| ≥ 0,8·Dmax oder ja(Sn) - α(S1)| = Dmax.Preferably, | α (S n ) -α (S 1 ) | ≥ 0.5 · D max or even | α (S n ) - α (S 1 ) | ≥ 0.8 · D max or yes (S n ) - α (S 1 ) | = D max .
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform gilt α(Si+1) ≥ α (Si) für alle i=1,..., n-1, so dass die Schaufeln bezogen auf die Umfangsrichtung
In
Offenbart ist ein Schaufelkranz
Offenbart ist ferner eine Strömungsmaschine mit einem Schaufelkranz.Also disclosed is a turbomachine with a blade ring.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Schaufelkranzblade ring
- S1, S2,..., Si, Si+1, ... Sn-1, Sn S 1 , S 2 , ..., S i , S i + 1 , ... S n-1 , S n
- Schaufelnshovel
- αα
- primäre Kristallorientierungprimary crystal orientation
- KK
- Kreiskegelcircular cone
- UU
- Umfangsrichtungcircumferentially
- zz
-
zentrale Achse des Kreiskegels
K central axis of the circular coneK
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1571297 A2 [0004]EP 1571297 A2 [0004]
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