DE3110096C2 - Turbinenlaufschaufel für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

a) Der Schaufelmantel (4) ist über einen quer zur Schaufelprofilrichtung (Skelettlinie) durch den Schaufelkern (3) hindurchgeführten Keramik- '5 stift (5) frei dehnbar am Kern aufgehängt;

b) der Keramikstift (5) ist ausschließlich am Schaufelmantel (4) verdreh- und verschiebesicher festgelegt;

c) die nur im Betriebszustand wirksamen zusäizlichen Aniageflächen werden von schaufeldruckseitig am Mantel (4) und/oder am Kern (3) angeordneten, noppenartigen Vorsprüngen (7 bzw. 6) gebildet;

d) es sind stift- oder nut-feder-artig ausgebildete Zentriermittel (8) zwischen Schaufelmantel (4) und -kern (3) vorgesehen;

e) einschließlich des Schaufelfußes (15) weist der Schaufelkern (3) — wie an sich bekannt — sich

in Schaufellängsrichtung erstreckende Kühlkanäle(16,17)auf.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer Bohrung (18) des Kerns (3) eingesetzte keramische Stift (5) mit dem Schaufelmantel (4) verlötet ode. verklebt ist (Lötbzw. Klebestelle K)

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden dem Schaufelkern (3) zugekehrten Bewan- *o düngen des Schaufelmantels (4) eine Einsenkung zur Festlegung eines Stiftendes aufweist

4. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Stift (19) an seinen beiden Enden jeweils wandparallel *s verlaufende, gleichförmige Aussparungen (9, 10) aufweist, mit denen er nach dem Einsetzen und daran anschließendem Verschieben innerhalb einer langlochartigen öffnung (11) des Kerns an die Aussparungen übergreifenden Kernbackenpartien (12, 13) so axial festlegbar ist, wobei die beidseitig vom Kern vorstehenden Stiftenden in konzentrischen Bohrungen oder Einsenkungen des Schaufelmantels zentrier- bzw. festlegbar sind.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenlaufschaufel für Gasturbinentriebwerke, die aus einem den &o Schaufelfuß enthaltenden, tragenden metallischen Schaufelkern und einem denselben blattseitig mit Abstand umgebenden Schaufelmantel besteht, der im Bereich des oberen Schaufellängendrittels am Kern aufgehängt ist, wobei zusätzliche Anlageflächen zwisehen dem Schaufelmantel und dem Kern vorgesehen sind.

Eine derartige Turbinenlaufschaufel ist aus der DE-PA S 9 222 Ia/46 f bekannt,

Bei dieser bekannten Turbinenlaufschaufel soll der den Heißgasen auszusetzende keramische Schaufelmantel so gegenüber dem Stahlkern abstützbar sein, daß er selbst frei von Zugbeanspruchungen ist und diese vielmehr auf den Stahlkern übertragen werden sollen. Die hiereu vorgeschlagenen Mittel dürften den praktischen Einsatz dieser bekannten Turbinenlaufschaufel nahezu unmöglich erscheinen lassen. Bei der bekannten Turbinenlaufschaufel soll nämlich der ker&Jiische Schaufelmantel am Stahlkern über einen am oberen Ende des letzteren befindlichen Kragen aufgehängt sein, der komplett in eine korrespondierende Aussparung des Schaufelmantels eingreift; zusätzlich soll dabei eine am inneren Schaufelwandutnfang befindliche Stützrippe dicht an der unteren Umfangsfläche des stählernen Kragens anliegen.

Eine derartig »räumlich enge« Keramik-Metall-Bauteilverknüpfung berücksichtigt ganz offensichtlich nicht das bekanntlich extrem unterschiedliche Wärmedehnverhalten einer solchen Bauteilpaarung als Ursache eines für Keramik auf der einen Seite verhältnismäßig geringen und für einen metallischen Werkstoff auf der anderen Seite verhältnismäßig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Bereits ein normaler Turbinenhochfahrvorgang dürfte bei der bekannten Turbinenlaufschaufel somit eine Aufsprengung des äußeren Schaufelmantels als unabänderliche Folge dieser »räumlich engen« Bauteilverknüpfung nach sich ziehen.

Eine weitere am inneren Wandumfang des Schaufelmantels angeordnete, vergleichsweise schlanke Stützrippe gegenüber dem metallischen Schaufelkern kann bei der bekannten Turbinenlaufschaufel zwar schon als Beitrag zur Erzielung möglichst gering zu haltender Wärmeübergangsflächen zwischen Schaufelmantel und -kern verstanden werden; diese Stützrippe soll jedoch im Interesse eines verbesserten Schaufelschwingungsverhaltens eng um den metallischen Schaufelkern geführt sein, wodurch wiederum ein Beitrag zur schon erwähnten »räumlich engen« BauteA-erknüpfung (Keramikschaufelmantel/Metallkern) und den daraus resultierenden ernsthaften Konsequenzen einer mangelnden thermischen Kompensation geListet wird.

Darüber hinaus ist bei der vorliegenden bekannten Turbinenlaufschaufel weder eine praktikable Lösbarkeit noch eine praktikable Montierbarkeit des keramischen Schaufelmantels vom bzw. am metallischen Kern vorstellbar, um z. B. den keramischen Schaufelmantel im Falle einer Beschädigung gegen einen neuen Schaufelmantel leicht austauschen zu können.

Ein weiterer Nachteil bei der bekannten Turbinenlaufschaufel wird in der aus der angegebenen Kragen- und Stützrippenausbildung resultierenden vergleichsweise großen Wärmübergangsfläche vom keramischen Schaufelmantel zum metallischen Schaufelkern hin gesehen.

Aus der US-PS 38 67 068 ist eine kühlbare Laufschaufel für Turbomaschinen bekannt, bei der ein im Schaufelhohlraum anzuordnender Kühleinsatz im Schaufelfußbereich, unterhalb der jeweiligen Schaufelfußplatte, durch einen quer zur Schaufelprofilrichtung verlaufenden Haltestift festlegbar sein soll; der Haltestift ist im vorliegenden bekannten Fall also mit beiden Enden verdreh- und verschiebesicher am Schaufelfuß festlegbar. Eine weitere sachliche Beziehung zwischen dieser bekannten Laufschaufel und einer Turbinenlaufschaufel im Rahmen der eingangs genannten Art besteht jedoch nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgetragenen Nachteile zu beseitigen und eine hocbtemperaturbeständige Turbinenlaufschaufel zu schaffen, bei der eine das stark unterschiedliche Werkstoffdehnverhalten (Metall/Keramik) berOcksich- s tigende, einfache Mantel-Kern-Verbindung zugleich eine leichte Montierbarkeit des Schaufelmantels gewährleisten soll.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruchs K

Es wird also eine hochtemperaturbelastbare Turbinenlaufschaufel geschaffen, bei der die an sich bekannten vorteilhaften Kriterien der Keramik-Metall-Verbundbauweise voll zum Tragen kommen können. Durch den keramischen Stift kann demnach also einerseits eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Schaufelmantel und -kern geschaffen werden, die das stark unterschiedliche Wärmedehnungsverhalten von Metall und Keramik kompensieren soll und zudem durch die Verwendung dieses keramischen Stiftes eine Verbindung mit minimalen Berührungsflächen im Interesse eines äußerst geringen Wärmeübergangs vom keramischen Mantel zum metallischen Ke;-n ermöglicht In Kombination mit diesen erwähnten vorteilhaften Eigenschaften ergibt sich eine vergleichsweise leichte Montage bzw. Lösbarkeit des Mantels am Kern bzw. vom Kern. Darüber hinaus berücksichtigt die erfindungsgemäße Stiftverbindung eine formschlüssige, sichere Verankerung des Mantels am Kern im Hinblick auf die bei verhältnismäßig hohen Drehzahlen zu erwartenden hohen Fliehkraftbeanspruchungen.

Durch die Verwendung der noppenartigen Anlageflächen zwischen dem keramischen Mantel und dem metallischen Kern sind die übrigen Verbindungsflächen mit einem vergleichsweise noch geringeren Wärmeübergang gekoppelt.

In Verbindung mit der ferner vorgesehenen, an sich bekannten Kühlung des gesamten Schaufelkerns gelingt es zusätzlich, den Metallkern auf einem vergleichsweise niedrigen und weitgehend gleichförmigen Temperaturniveau zu halten, wodurch nur vergleichsweise geringe Wärmedehnungen des Metallkerns zugrunde gelegt werden müssen, was sich wiederum äußerst günstig auf die Wärmeausgleichsdehnpassung des Keramikstiftes auswirkt, und zwar in Verbindung mit dessen vergleichsweise niedrig zu veranschlagenden Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Ferner wird eine mit vergleichsweise geringen Fertigungskosten erstellbare Turbinenlaufschaufel mit so für die ausschließliche Kernkühlung vergleichsweise geringem Kühlluftbedarf geschaffen, ohne die bei hocheffizient gekühlten Metallschaufeln auftretenden aerodynamischen Störungen und Verluste in Kauf nehmen zu müssen.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen in Höhe des Keramikstiftes verlaufenden Profilquerschnitt einer Turbinenlaufschaufel,

F i g. 2 einen in Höhe der Zentriermittel verlaufenden Profilquerschnitt der Turbinenlaufschaufel nach Fig. 1,

F i g, 3 einen in Höhe des Keramikstiftes verlaufenden Profilteilquerschnitt der Turbinenlaufschaufel, worin besonders eine gegenüber Fig. 1 und 2 abgewandelte Stiftfestlegung erläutert ist,

Fig.4 perspektivisch dargestellte Einzelheiten eines weiter gegenüber F i g. 1 und 3 abgewandelten Keramikstiftes,

F i g, 5 eine Seitenansicht einer besonderen Stiftsicherung am Schaumkern unter Zugrundelegung des Keramikstiftes aus F i g, 4,

Fig.6 die Seitenansicht eines im Betrieb köhlbaren Schaufelkernsund

Fig,7 die Vorderansicht des Schaufelkerns nach Fig,6,

Die Turbinenlaufschaufel nach Fig.] soll einen den Schaufelfuß enthaltenden, tragenden metallischen Kern 3 aufweisen, der mit Ausnahme der fußseitigen Kernpartie von einem keramischen Sohaufelmantel 4 mit Abstand umgeben ist Gemäß F i g. 1 ist ferner der Schaufelmantel 4 mittels eines quer durch den Kern 3 hindurchgeführten Keramikstifts 5 am metallischen Kern 3 frei dehnbar aufgehängt, und zwar im Bereich des oberen Schaufellängendrittels, wobei der Keramikstift 5 in später noch näher erläuterter Weise ausschließlich am Schaufelmantel 4 verdreh- und verschiebesicher festgelegt sein soll.

F i g. 2 veranschaulicht die genau in der Keramikstiftlängsmittelebene, sowie in einer unterhalb der in F i g. I angegebenen Profilquermitteleb j.e angeordnete nutfeder-ariige Zentriermittel 8 für den Schaufelmantei 4 am Schaufelkern, also Zentriermittel, die die frei dehnbare Aufhängung des Schaufelmantels am -kern nicht behindern sollen. Diese Zentriermittel könnten also auch stiftartig ausgebildet sein. Wie aus Fig.2 deutlich hervorgeht sollen dahin die Zentriermittel 8 unter Gewährleistung eines seitlichen Spiels zwischen Schaufelmantel 4 und -kern 3 angeordnet sein.

Gemäß F i g. 1 und 2 weist der Sclfaufelkern 3 auf der den Gaskräften ausgesetzten Seite (schaufeldruckseitig) noppenartig ausgebildete Vorsprünge 6 auf, an denen die betreffende druckseitige Schaufelmantelpartie im Betriebszustand anliegen soll. Gemäß F i g. 3 weist der Schaufelmantel 4 auf der den Gaskräften ausgesetzten Seite (Druckseite D) noppenartige Vorsprünge 7 auf.

In nicht weiter dargestellter Weise kann sowohl der Schaufelmantel als auch der Kern auf der den Gaskräften ausgesetzten Seite (Druckseiie) mit noppenartigen, untereinander druckgleiche Anlageflächen aufweisenden Vorsprüngen versehen sein.

Aus Fig.3 geht ferner hervor, daß der in der betreffenden Bohrung 18 (Fig.6) des Schaufelkerns 3 beweglich anzuordnende Keramikstift 5 mit dem Schaufelmantei 4 verlötet oder verklebt werden kann, wobei die betreffende Lot- oder Klebestelle in F i g. 3 mit K bezeichnet ist. Fig.3 gibt ferner Aufschluß darüber, daß zumindest ein Stiftende innerhalb einer im Schaufelmantel 4 angeordneten Einsenkung eingebettet werden kann; der Verlauf dieser sogenannten Einsenkung entspricht der mit K angegebenen Kontur für die betreffende Lot- bzw. Klebestelle K.

Aus den Fig.4 und 5 geht weiter eine vorteilhafte Einrichtung zur Sicherung bzw. Befestigung des Schaufelmantels 4 am Schaufelkern 3 hervor. Dabei weist der Keramikstift 19 an seinen beiden Enden jeweils wandparallel verlaufende, gleichförmige Aussparungen 9, IC auf. Mit diesen Aussparungen 9,10 kann der Keramikstift 19 nach dem Einsetzen und daran anschließendem radialen Verschieben innerhalb einer längslochartigen Öffnung 11 des Kerns 3 an die Aussparungen 9, 10 des Kerns 3 übergreifenden Kernbackenpartien 12, 13 axial festgelegt werden. Die dabei beidseitig vom Kern 3 vorstehenden Stiftenden können dann in konzentrischen Bohrungen oder Einsenkungen des Schaufelmantels 4 zentriert bzw. festgelegt werden.

Gemäß F i g. 6 und 7 soll der betreffende Schaufelkern 3 einschließlich des Schaufelfußes 15 sich über die gesamte Länge erstreckende Kühlkanäle 16, 17 aufweisen.

Für sämtliche Ausführungsbeispiele wäre davon auszugehen, daß der jeweilige Keramikstift, z. B. 5, gemäß Fig. 1 und 3, jeweils seitlich an den äußeren Enden mit dem Schaufelmantei 4 fest zu verbinden ist, während er in der betreffenden Bohrung 18 (F i g. 6) des Schaufelkerns 3 beweglich anzuordnen ist, derart, daß etwaige durch Temperatureinflüsse bedingte. Dehnungen des Keramikstiftes 5 nicht auf den metallischen Kern 3 übertragen werden sollen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche;

1. TurbinetWufscbaufel für Gasturbinentriebwerke, die aus einem den Schaufelfuß enthaltenden, tragenden metallischen Schaufelkern und einem denselben blattseitig mit Abstand umgebenden Schaufelmantel besteht, der im Bereich des oberen Schaufellängendrittels am Kern aufgehängt ist, wobei zusätzliche Anlageflächen zwischen dem Schaufelmantel und dem Kern vorgesehen sind, to gekennzeichnet durch folgende Merkmale: