DE2734507A1

DE2734507A1 - Laufradelement

Info

Publication number: DE2734507A1
Application number: DE19772734507
Authority: DE
Inventors: Jan Mowill
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-08-11
Filing date: 1977-07-30
Publication date: 1978-02-16
Also published as: NO146029C; IT1084426B; DE2734507C2; SE433518B; SE7709108L; NO146029B; CA1104498A; GB1589774A; SU886756A3; US4188169A; JPS6056882B2; FR2361528B1; NO762794L; BR7705289A; FR2361528A1; JPS5321316A

Description

Patentanwälte ο τ ο / c η ·7 ZELLENTIN ~ Z / okbi) f

87 Ludwlgehafen/Rh. — j —

RubensstraBe 30

Jan Mowill j_{mk 2}079

Daniel Barths vei 11 28. Juli 1977

N-3600 KONGSBERG
Norwegen

Laufradelement

Die Erfindung betrifft ein Laufradelement oder an eine Zentripetalströmung anpassendes Element eines Gasturbinenrades, welchem das Gas radial zuströmt.

Derartige Radelemente werden bei Turbinen eingesetzt, bei denen das Fluid radial zuströmt und die ein Turbinenrad besitzen, das unterteilt ist in ein scheibenförmiges Laufradelement und einen Austrittsschaufelradabschnitt, wobei das Austrittsschaufelrad und das Laufrad miteinander verschraubt oder in anderer Weise in axialer Richtung des Rades verbunden werden. Der Abschnitt des Austrittsschaufelrades, welches im weiten Maße den axialen Bereich der Strömung anpaßt, kann aus einer Vielzahl von Elementen in Form von sternartig ausgebildeten Scheiben bestehen.

Jedoch kann das Laufradelement ebenso mit einem konventionellen Austrittsschaufelrad, welches aus einem einzigen, einstückigen Element besteht, benutzt werden.

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'Um die Kosten pro Leistungseinheit zu verringern und den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern, ist es wünschenswert, Gasturbinen, bei denen das Gas radial zuströmt, für höhere Temperaturen und höhere Umfangsgeschwindigkeiten als diejenigen, welche derzeit in Benutzung sind, zu konstruieren bzw. zu entwickeln. Wie es bekannt ist, verschlechtern sich die Eigenschaften des Materials bei höheren Temperaturen und mit höheren Umfangsgeschwindigkeiten werden die Spannungen im Laufrad ansteigen. Bei ansteigender Temperatur wird auch das Korrosionsproblem ernster.

Es sind in der Vergangenheit Versuche gemacht worden, den harten Anforderungen im Betrieb durch Verwendung besserer Materialien in der Turbine, durch Kühlung der Laufschaufeln und durch Verbesserung der Geometrie des Turbinenrades zu genügen. Der Einsatz jedoch von Speziellegierungen mit hoher Festigkeit, wi beispielsweise "Astroloy" und IN-1OO, wurde in weitem Umfang beschränkt durch Hindernisse bei dem Herstellungsverfahren, also beim Gießen und Schmieden ebenso wie bei der Bearbeitung von großen komplizierten Formen. Auch das Vorsehen einer Kühlung bringt ebenfalls viele Probleme mit sich. Es ist aus diesem Grunde immer wichtiger, die Grundgeometrie des Turbinenrades so zu verbessern, daß dieses in der Lage ist, immer härteren Betriebsbedingungen standzuhalten. Das Laufradelement besitzt den größten Durchmesser und aus diesem Grunde die höchste Umfangsgeschwindigkeit und ist in entsprechender Weise den höchsten Spannungen und ebenfalls den höchsten Temperaturen unterworfen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Laufradelement für eine Radialturbine des oben beschriebenen Typs zu schaffen, welches eine verbesserte Geometrie besitzt, die eine bessere Ausnutzung des Materials ermöglicht, bezogen auf die Spannungen und andere vorkommende Betriebsbedingungen, und welche gleichzeitig Vorteile bezüglich der Genauigkeit der Spannungsberechnung bringt, den Einsatz von überschallprüf- und anderer zer-

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. störungsfreier Prüfverfahren und die Erzielung einer bevorzugten Wärmebehandlung hoher Qualität ermöglicht, ebenso wie es die Kosten verringert. Als eine derartige Wärmebehandlung wird eine "differenzierte Wärmebehandlung" in radialer Richtung des Laufrades verstanden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Laufradelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Dicke oder die Umfangsabmessung jeder Laufradschaufel an Jedem gegebenen radialen Punkt des Laufradelementes im allgemeinen gleichförmig über im wesentlichen die gesamte axiale Länge des Laufradelementes ist.

In der bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Schaufeln in einer axialen Ebene, wobei die Querschnittsform jeder Schaufel an jedem vorgegebenen Abstand von der Achse des Laufradelementes im allgemeinen rechtwinklig ist.

In diesem Zusammenhang werden die Schaufeln definiert als die Abschnitte des Laufrades, die radial nach außen von den am weitesten innen befindlichen Punkten der zwischen den Schaufeln befindlichen Bögen verlaufend angeordnet sind, wobei die übrigen Abschnitte des Laufradelementes als dessen Nabe definiert werden.

Als Folge der beschriebenen gleichförmigen Dicke der Schaufeln wird die Nabe des Laufradelementes definiert durch eine imaginäre kreisförmig-zylindrische Fläche, die koaxial zur Achse des Laufrades verläuft. Bedingt durch Modifikationen, welche von verschiedenen Arten der Befestigung und der Anordnung und von lokalen Spannungsberechnungen herrühren, bedeutet dies umgekehrt, daß die Nabe symmetrisch einer Mittelebene angeordnet sein wird, die senkrecht zu der Achse der Nabe verläuft. Das gleiche wird ebenfalls für richtig gehalten, wenn die Schaufeln genau axial verlaufen. Wenn die Schaufeln einen

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konstanten Winkel mit einer axialen Ebene bilden, dann werden sie im wesentlichen symmetrisch zu einer radial verlaufenden Zentralachse oder Mittelachse sein. Folglich bedeutet die gleichförmige Dicke der Schaufeln, daß die Zentrifugalkräfte auf die Schaufeln bezogen auf eine senkrecht zur Achse des Turbinenrades verlaufende mittlere Ebene ausgeglichen sind und auf diese Weise keine großen Biegemomente in der Hauptebene der Schaufeln erzeugen. Die vorderen und hinteren Endflächen der Laufradschaufeln sind vorzugsweise parallel, bevor irgendeine Bearbeitung stattgefunden hat. Das Laufradelement gemäß der Erfindung wird in axialer Richtung kürzer sein als konventionelle Laufradelemente, wobei die axiale Länge nahe bei der Spitzenbreite der Turbinenradschaufeln liegt. Die Grenzfläche zwischen den Schaufeln des Laufrades und den Schaufeln des Austrittsschaufelrades wird aus diesem Grunde weiter stromaufwärts im Strömungsweg liegen als üblich, wobei hierdurch die Verluste entsprechend dem "Leckstrom" zwischen den Druck- und Saugseiten des Schaufelkanals minimalisiert werden.

Das Erfordernis, daß die Schaufeln im allgemeinen eine gleichförmige Dicke entlang im wesentlichen der gesamten axialen Länge des Elementes aufweisen, schließt kleine Modifikationen des in radialer Richtung weiter außenliegenden Profiles der Schaufelblätter /aus, um es an die Kontur des Turbinengehäuses oder für andere Zwecke anzupassen. Daher können die hinteren und/oder vorderen Endflächen der Schaufeln leicht abgeschrägt werden. Ebenso können natürlich Befestigungsanordnungen im Nabenbereich zusätzlich vorgesehen sein.

Die Geometrie des Laufradelementes, wie sie oben dargestellt bzw. definiert ist, bietet eine bessere Ausnutzung der Charakteristiken des Materials der Laufradnabe und der Laufradschaufeln, dahingehend, daß eine bessere und gleichförmigere

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.Verteillang der Spannungen erreicht wird, was höhere Belastungen des Rades für einen gegebenen Materialwert ermöglicht. Bis jetzt besaß das äußere Profil der Nabe eine Form, die bis zu einem beträchtlichen Grad an den theoretischen Strömungsweg des Gases angepaßt ist, wobei der Unterschied zwischen dem größten und dem kleinsten Durchmesser der Laufradnabe beträchtlich war. Eine derartige Konfiguration der Laufradnabe ist vom aerodynamischen Standpunkt aus als vorteilhaft angesehen worden. Es ist jedoch jetzt gefunden worden, daß es erheblich wichtiger ist, lokale Spitzenspannungen zu vermeiden und für nahezu konstante Spannungen im Laufrad zu sorgen, um hierdurch die höchstmögliche zulässige Spannung für ein gegebenes Volumen des Materials zu erhalten. Gemäß der Erfindung sollte deshalb das Laufrad symmetrische Schaufeln aufweisen, wie oben dargestellt, und eine Nabe, die ein äußeres Profil besitzt, welches im wesentlichen parallel zur Achse des Rades ist. Kleine Radien, die aus Herstellungsgründen oder zur Reduzierung von Spannungskonzentrationen an Kanten vorgesehen sind, ebenso wie kleine Abweichungen vom Parallelen, können in Kauf genommen werden, ohne daß die hieraus folgende Struktur aus dem Umfang der Erfindung fällt. Entsprechend der Form der gesamten Turbine und der Forderung nach einer ausreichenden Austrittsfläche kann im Zwischenraum zwischen dem Turbinenlaufradelement und dem Austrittsschaufelradabschnitt eine Stufe vorgesehen sein. In der "Ecke", die durch eine solche Stufe erzeugt wird, wird ein Strömungsabschnitt mit zurückströmendem Fluid erhalten. Jedoch ist festzuhalten, daß die Strömung in der Turbine eine Expansionsströmung ist, und man kann erwarten, daß das Strömungsmedium in diesem Bereich ein "fluidisches" Profil erzeugt, so daß die Stufe deshalb nureinen kleineren Einfluß auf den Wirkungsgrad des Turbinenrades ausübt, entsprechend den Charakteristiken einer Expansionsströmung und dem relativ langen Gesamtströmungsweg innerhalb der Turbine. Die positiven Wirkungen der erhöhten Temperatur und Drehzahl, bei der dieses einfache Laufrad wegen einer erhöhten spezifischen

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Spannung arbeiten kann, sind von erheblich größerer Wichtigkeit für die Gesamtleistung und den Einsatz der Gasturbine. Wegen der geometrischen Einfachheit des Turbinenlaufrades sind das präzise Gießen, das präzise Schmieden und andere Verfahren zum Erzielen der geforderten Form und Qualität erheblich einfacher. Die Benutzung von Keramiken und Mischmaterialien würde durch diese einfache Geometrie erleichtert. Die einfache geometrische Form mit im wesentlichen zweidimensionalen Oberflächen würde erheblich besser dazu beitragen, Kühlvorrichtungen bzw. eine Kühlung vorzusehen als dies die erheblich komplexere Oberfläche tun würde, die man normalerweise bei Axial- und Radialturbinen findet. Das durch die Erfindung erhaltene Laufrad wird ebenso beachtlich weniger kosten als konventionell geformte Laufräder und auf diese Weise kleinere Aufwendungen im Falle eines Austausches bewirken.

Der Laufradaustrittsabschnitt kann aus Elementen in Form von präzisionsgeschmiedeten oder präzisionsgegossenen Rohteilen der im wesentlichen gleichen Form wie das Laufradelement gemäß der Erfindung bestehen und mit letzterem in anderer Hinsicht identisch sein. Es ist dann möglich, die gleichen Rohteile für alle Austrittsradelemente zu benutzen und gleichzeitig für eine leichte Bearbeitung bzw. Herstellung jeder Art von Kühlleitungen in den Schaufelrädern vorzusehen. Jede Endbearbeitung kann hauptsächlich eingeschränkt sein auf das Formen des äußeren Durchmessers der Schaufeln. Doch kann das Laufradelement gemäß der Erfindung in gleicher Weise zusammen mit einem einzelnen, einstückigen, konventionellen Austrittsschafelrad oder mit sich selbst verwendet werden.

Im Gegensatz zur normalen Ausführung können die Schaufeln des Laufradelementes einen Winkel mit einer axialen Ebene bilden, d.h., die Verdrehung der Austrittsschaufeln kann sich bis zu den Laufradschaufeln hin fortsetzen. Jedoch sind die Laufradschaufeln vorzugsweise axial. Sie können in axialer Richtung

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'gekrümmt sein und an der Schaufelhinterkante den gleichen Winkel mit der axialen Ebene bilden wie die Schaufeln des Austrittsradelementes, wodurch eine enge Verbindung zwischen den Schaufeln des Laufrades und denen des Austrittsschaufelrades erzielt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Turbinenlaufrad gemäß der Erfindung im wesentlichen symmetrisch zu zwei Ebenen, einer durch die Drechachse und einer senkrecht zu letzterer. Dies schafft eine gleichmäßigere und symmetrische Spannungsverteilung, die zu besseren Materialausnutzung führt, verglichen mit konventionellen Radialturbinen.

Das Laufrad gemäß der Erfindung wird eine geringere Differenz zwischen den mittleren und den maximalen Spannungen zeigen, als es bei konventionellen Radialturbinen der Fall ist. Dies hat zur Folge, daß die mittleren Spannungen höher gewählt werden können, als bei einer konventionellen Turbine, daß jedoch die maximalen Spannungen gleich oder geringer werden als bei konventionellen Radialturbinen. Eine einfache symmetrische Form ist auch vorteilhafter für die Verringerung von thermischen Spannungen. Entfernt von den tatsächlichen Spannungshöhen, die man erhält, gibt es einen größeren Grad der Sicherheit bei der Beherrschung der Spannungshöhe und "Sicherheitsfaktoren" können aus diesem Grunde verringert werden, wenn man mit normaler Ausführung vergleicht.

Eine bessere als die übliche Materialausnutzung folgt aus einer Situation, wo die maximalen und mittleren Spannungen in ihrer Größe nahe beieinander liegen. Zusätzlich dazu, daß die Kosten reduziert v/erden, verringert diese Ausgestaltung ebenfalls das Gewicht der Komponente, was dann wichtig ist, wenn man derartige Teile im Luftfahrzeugbau einsetzt.

Ein leichter Austausch oder ein Reparieren des kostenmäßig billigen Laufrades zusammen mit einem höheren Sicherheitsniveau bei der Qualitätssicherung sind wesentliche Vorteile der

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Erfindung. Durch Absondern (segregating) eines kleineren Abschnittes der gesamten Turbine im Laufradbereich im Laufradbereich wird der Austrittsradbereich relativ teuer. Da jedoch die Spannungen und die Temperaturen in diesem Bereich niedriger sind, kann man eine im v/esentlichen längere Komponenten-Lebensdauer für diesen teueren Abschnitt erzielen, der, wie man festgestellt hat, auch weniger einer Beschädigung und Zerstörung ausgesetzt ist, als das Laufrad.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen vorteilhafte Weiterbildungen und besondere Vorteile sowie die Erfindung selbst näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise Vorderansicht auf ein Laufradelement gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen teilweisen axialen Schnitt des Laufradelementes, sowie einen Abschnitt eines Austrittsschaufelrades, strichliert dargestellt und

Fig. 3 eine teilweise perspektivische Ansicht einer Schaufel.

In der Figur 2 ist das Laufradelement in Verbindung mit einem konventionellen Austrittsschaufelrad 2 dargestellt. Jedoch kann das Austrittsschaufelrad in verschiedene Elemente von der gleichen Form wie das Laufrad unterteilt sein. Die Elemente können miteinander nach jedem geeigneten Verfahren verbunden werden, beispielsweise mittels Löten, Schweißen oder mittels einer Schraubverbindung. Die Elemente werden dabei eine

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geeignete Führungsgeometrie an ihren Berührungsflächen besitzen. Ein Führungselement oder eine Führungsanordnung kann aus miteinander in Eingriff gelangenden Endflächen an den Schaufelrädern bestehen, welche zu einer geeigneten Führung oder zur Dämpfung der Elemente dienen werden.

Das Laufrad 2 (auch Austrittsschaufelrad 2 genannt) eines Turbinenlaufrades ist kurzer als normal, wobei es eine axiale Länge aufweist, die annähernd die gleiche ist, wie die an der Spitze der Turbinenschaufeln, d.h. an dem radial am weitesten außenliegenden Abschnitt der Schaufeln, wo die heißen Gase in das Turbinenrad einströmen» Das Laufrad 1 besitzt eine Nabe mit einem äußeren Profil 6, welches im allgemeinen parallel zur Mittellinie oder zur Mittelachse 7 des Rades verläuft, was zu einer Stufe 8 führen kann. Diese Stufe ist selbst nicht wünschenswert, rührt jedoch von der neuen Konfiguration der Nabe des Laufrades 1 her.

Wie man aus der Figur 2 entnehmen kann, kann die hintere Endfläche der Schaufeln 11 des Laufradelementes 1 leicht am radialen äußeren Ende einer jeden Schaufel abgeschrägt sein, wie durch die strichlierte Linie 10 dargestellt ist.

Wenn man will, kann man die vordere Endfläche in der gleichen Weise abschrägen, wie durch die Linie 10' gezeigt ist, damit man nicht das gewünschte Gleichgewicht bezogen auf die Mittelachse jeder Schaufel wesentlich stört. Das Abschrägen könnte durch eine maschinelle Endbearbeitung erfolgen, welche dann durchgeführt wird, nachdem das Laudradelement wärmebehandelt und geprüft worden ist, beispielsweise mittels Ultraschallprüfung. In dar bevorzugten Ausführungsform des Laufrades ist die Querschnittsform einer jeden Schaufel rechtwinklig, wie man aus der Figur 3 entnehmen kann. Dieses erleichtert in besonderem Maße die Kalkulation, Herstellung und Ultraschallprüfung.

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In entsprechender Weise besitzt das Laufrad gemäß der Erfindung vor der endgültigen maschinellen Bearbeitung das, was man als "Schallform (sonic shape)" bezeichnen kann. Die Bearbeitung nach einer Schall- oder Röntgenstrahlenprüfung sollte auf einem Minimum gehalten werden, da die Materialien, die verwendet werden, extrem schwierig zu bearbeiten und ebenso sehr teuer sind. Die Konstruktion bzw. die Herstellung eines Gasturbinenlaufrades mit radialer Zuströmung gemäß der Erfindung führt zu einer Vielzahl von Vorteilen. Der wichtigste Vorteil bzw. die wichtigsten Vorteile befinden sich in der spannungsmäßig ausgeglichenen Konstruktion der Schaufel eines Laufradelementes, wobei man für eine optische Ausnutzung der Spannungscharakteristiken des Materials durch Verringerung der Biegebeanspruchung und durch Eliminierung hoher Spannungsspitzen sorgt.

Entsprechend der Gleichmäßigkeit der Geometrie wird eine bessere Steuerung der Materialeigenschaften durch eine bevorzugte Wärmebehandlung erhalten.

Die Stufe 8 kann sehr stark in Form und Größe variieren, was davon abhängt, wie man die Gestalt der Austrittsschaufelräder anpaßt. Die Verluste, die auf eine Stufe in dem Strömungspfad zurückzuführen sind bzw. zurückgeführt werden können, werden voaussichtlich unbedeutend sein, entsprechend der Expansionsströmung und der allgemeinen aerodynamsichen Unempfindlichkeit, die man bei Radialturbinen-Strömungspfaden gefunden hat. In entsprechender Weise ist jeder derartige Verlust von geringerer Bedeutung als die erhöhte Spannung, die man bei dieser Geometrie und bei diesen Materialien zulassen kann, entsprechend der Tatsache, daß diese Anordnung höhere Temperaturen und höhere Geschwindigkeiten am Außenradius zulassen kann, was insgesamt zu höheren thermischen Wirkungsgraden und höherer Leistungsabgabe zusätzlich zu den Vorteilen der Konstruktion, Produktion und Qualitätssicherung führt, welche durch diese Erfindung ermöglicht werden.

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Claims

Patentanwälte ' ο το / c η τ

ZELLENTIN HJbSi)I

87 Lmjwlgshafen/Rh. RubensstraBe 30

Jan Mowill jmk 2079

Daniel Barths vei 11 28.JuIi 1977

N-3600 KONGSBERG
Norwegen

Patentansprüche

Laufradelement oder an eine Zentripetalströmung anpassendes Element eines Gasturbinenrades, welchem das Gas radial zuströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke oder die Umfangsabmessung jeder Laufradschaufel (11) an jedem gegebenen radialen Punkt des Laufradelementes (1) im allgemeinen gleichförmig über im wesentlichen die gesamte axiale Länge des Laufradelementes ist.
2. Laufradelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (11) in einer axialen Ebene verläuft, wobei die Querschnittsform jeder Schaufel an jedem vorgegebenen radialen Punkt des Laufradelementes (1) im allgemeinen rechteckig ist.

809807/0597 OWQINAL INSPECTED
3. Laufradelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge jeder Schaufel (11) entlang des
radialen Verlaufes der Schaufel vor der Endbearbeitung des Laufrades konstant ist.
4. Laufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Laufradelementes (1) annähernd

gleich ist der Spitzenbreite der Turbinenradschaufeln.

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