DE2309404C2

DE2309404C2 - Laufschaufel für Turbotriebwerksverdichter

Info

Publication number: DE2309404C2
Application number: DE2309404A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Ronald Bristol Guy; Robert Burns Hood
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1972-03-09
Filing date: 1973-02-24
Publication date: 1982-07-22
Also published as: JPS5430123B2; DE2309404A1; FR2175429A5; JPS48101603A; US3871791A; GB1419381A; IT977572B

Description

Die Erfindung betrifft iine Laufschaufel für Turbotriebwerksverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige, der üblichen Bauart entsprechende Laufschaufel ist beispielsweise aus dem Buch »the JET ENGINE«, fünfte unnumerierte Buchseite bekannt, veröffentlicht im Juli 1969 von der Firma Rolls-Royce Limited, Derby, England.

Bei dieser bekannten Schaufel hat der Schaufelfuß mit dem Schaufelblatt verbindende Schaft die übliche massive Schaftform mit gleichbleibendem rechteckigem Querschnitt. Diese Schaftform wählt man einerseits wegen ihrer einfachen Herstellbarkeit durch spangebende Formung und andererseits aus Festigkeitsgründen zur Aufnahme der auftretenden Biegebelastungen im Betrieb. Das Schaufelblatt weist die durch die Aerodynamik von der Schaufel geforderte Schränkung, Profilkrümmung und Profilform auf.

Aus aerodynamischen Gründen verringert sich der Schränkungswinkel des Schaufelblattes langer Schaufeln fortschreitend zum radial inneren Schaufelblattende hin, was als Verwindung bezeichnet wird. Unter dem Einfluß der Fliehkraft bildet sich infolge der Verwindung des Schaufelblattes ein Torsionskräftepaar, das so gerichtet ist, daß es die Verwindung zu verringern, d. h. die Blattspitze in einer zur Rotordrehachse parallele Stellung zu drehen sucht. Dieses fliehkraftbedingte Torsionskräftepaar sucht also das Schaufelblatt entgegen seiner konstruktiven Verwindung zu verdrehen, wobei das Schaufelblatt im Vorderkanten- und Hinterkantenbereich auf Stauchung, im Profilmittenbereich dagegen auf Dehnung beansprucht wird. Dadurch wird das Spannungsbild am inneren Schaufelende wesentlich beeinflußt. Zusätzlich zu den durch das fliehkraftinduzierte Torsionsmoment bedingten Schersp&nnungen treten also am Übergang vom Schaft zum Schaufelblatt im Vorderkantenbereich und im Hinterkantenbereich des Schaufelblattes wegen der Stauchung dieser Kantenbereiche jeweils eine Verminderung der fliehkraftbedingten Zugspannungen und im mittleren Bereich wegen der dort vorhandenen Dehnungsbeanspruchung eine Verstärkung der fliehkraftbedingten Zugspannung auf. Hinzu kommt, daß der Übergang zwischen? dem massiven Schaft üblicher Schaufeln und

ίο dem Schaufelblatt eine Stelle mit verhältnismäßig großer Spannungskonzentration darstellt

Bisher hat man Laufschaufeln der eingangs genannten Gattung stets als einseitig eingespannten Biegeträger betrachtet in der Annahme, daß die Biegebeanspru-

chungen das Spannungsbild bestimmen und die durch das fliehkraftinduzierte Torsionsmoment erzeugten Beanspruchungen vernachlässigbar seien. Zwischenzeitlich hat sich aber herausgestellt daß gerade bei langen Schaufeln mit starker Profilkrümmung und starker Verwindung die durch das fliehkraftinduzierte Torsionsmoment hervorgerufenen Beanspruchungen entgegen der bisherigen Annahme die durch Biegespannungen verursachten Beanspruchungen wesentlich übersteigen und zur kritischen Größe bei der Schaufelkonstruktion werden. Infolge dieser Beanspruchungen besteht auch insbesondere im Vorder- und Hinterkantenbereich des Schaufelblattes am Übergang zwischen Schaft und Schaufelblatt erhd'ate Rißbildungsgefahr, und beim Auftreffen eines Vogels oder dgl. auf eine Schaufel besteht erhöhte Bmchgefahr der Schaufel.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laufschaufel der eingangs genannten Gattung im Sinne einer Verringerung der unter Fliehkraftbelastung auftretenden Spannungsbeanspruchungen auszubilden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Schaufelgestaltung gelöst.

Die Ausbildung des Schaftes mit einem Tragflügelprofil mit an seinem plattformseitigen Ende gleicher Profilform, Schränkung und Profükrümmung wie das angrenzende Schaufelblattende ist aus der US-PS 33 34 685 an sich bekannt, in welcher eine Turbinenschaufel dargestellt ist, bei welcher Schaft und Schaufelblatt über ihre gesamte radiale Länge eine gleichbleibende Profilform, konstante Profilkrümmung und unveränderte Schränkung, nämlich die Schränkung Null, haben und Schaufelblatt und Schaft lediglich durch eine Plattform voneinander getrennt sind. Bei dieser bekannten, nicht verwundenen Schaufel, die außerdem nur eine verhältnismäßig kleine Länge aufweist treten die eingangs erläuterten Spannungsprobleme nicht auf.

Außerdem ist es aus der US-PS 32 94 364 an sich

bekannt, bei einer Laufschaufel einen das Schaufelblatt mit dem Schaufelfuß verbindenden Schaft so zu gestalten, daß der Schaft allmählich von dem geradlinigen verdickten Schaufelfuß in die Profilkrümmung des Schaufelblattes überleitet, wobei jedoch aus dieser Druckschrift die Profilform des durch einen Verdikkungsbereich vom Schaufelblatt getrennten Schaftes nicht erkennbar ist. Auch bei dieser bekannten Schaufel ist keine Verwindung zwischen dem Schaufelfuß und dem Schaufelblatt vorhanden, so daß auch hier die oben erläuterten Probleme nicht gegeben sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemä-Ben Schaufelgestaltung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben,

in welchen zeigt

Fi g. 1 Eine Gebläseschaufel eines Gasturbinentriebwerks in Ansicht, und

Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene H-II in Fig. 1.

F i g. I zeigt eine in einen ausschnittsweise angedeuteten Rotor 11 eingesetzte Laufschaufel 10, die ein Schaufelblatt 12, einen Schaft 14, einen in eine entsprechende Nut 18 des Rotors 11 eingesetzten Schaufelfuß 15 und eine Plattform 16 aufweist, die den vom Schaufelblatt durchsetzten Strömungskanal radial innen begrenzt.

Die Schaufelquerschnitte am radial äußeren Ende des Schaufelblattes, am radial inneren Ende des Schaufelblattes oberhalb der Plattform 16, am schaufelblattseitigen Schaftende unterhalb der Plattform 16 und am schaufelfußseiitigen Schaftende sind mit A. B, C und D bezeichnet Die SchaufeHängsachse ist mit 21, die Vorderkante von Schaft und Schaufelblatt mit 26 bzw. 28 und ciie Hinterkante von Schaft und Schaufelblatt mit 27 bzw. 29 bezeichnet In Fig.2 gibt ein Pfeil 20 die Drehrichtung an.

Die Schränkung des Schaufelblattes vermindert sich fortschreitend zwischen den Querschnitten A und B, und im Querschnitt B hat der Sclrankungswinkel gemäß Fig.2 noch den Wert ß. Diese Änderung uer Schränkung ergibt die Verwindung der Schaufel.

Der radial äußerste Querschnitt C des Schaftes 14 weist denselben Schränkungswinkel ß, dieselbe Profilform und dieselbe Profilkrümmung wie der Querschnitt B des ihm zugewandten radial inneren Sehaufelblattendesauf.

Der Schaft 14 ist so ausgebildet, daß sich von seinem schaufelblattseitigen Querschnitt C zu seinem schaufelfußseitigen Querschnitt D hin die Profilkrümmung und der Schränkungswinkel fortschreitend verringern. Am schaufelfußseitigen Querschnitt D ist gemäß Fig. 2 sowohl die Profilkrümmung als auch der Schränkungswinkel Null, d. h. der Querschnitt D ist bezüglich der Symmetrieachse 25 des Schaufelfußes 15 symmetrisch, die sich ihrerseits mit der Drehachse 19 des Rotors 11 deckt.

IÜerzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Laufschaufel für Turbotriebwerksverdichter, deren Schaufelfuß mit dem ein Tragflögelprofil aufweisenden, geschränkten und verwundenen Schaufelblatt durch einen Schaft verbunden ist, wobei sich am Übergang vom Schaft zum Schaufelblatt eine Plattform befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der ebenfalls ein Tragflügelprofi! aufweisende Schaft (14) an seinem plattformseitigen Ende (C) gleiche Profilform, Schränkung und Profilkrümmung wie das angrenzende Schaufelblattende (B) aufweist, wie an sich bekannt, und daß sich die Profilkrümmung und der Schränkungswinkel (ß) des Schaftes (14) von der Plattform (16) zum Schaufelfuß (15) hin fortschreitend verringern.

2. Lau schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilkrümmung des Schaftes (14) an seinem schaufelfußseitigen Ende (D) gleich Null ist

3. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sehne des Schaftprofils an dessen schaufelfußseitigem Ende (D) parallel zur Symmetrieachse (25) des Schaufelfußes (15) verläuft.

4. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daS die Symmetrieachse (25) des Schaufelfußes (15) parallel zur Drehachse (19) des die Schaufel haltenden Rotors (11) verläuft.