DE3512008A1

DE3512008A1 - Turbinenlaufschaufel, insbesondere fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3512008A1
Application number: DE19853512008
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 8069 Reichertshausen Krüger
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1985-04-02
Filing date: 1985-04-02
Publication date: 1986-10-09

Description

Turbinenlauf schaufel, insbesondere
für Gasturbinentriebwerke Die Erfindung bezieht sich auf eine Laufschaufel nach der Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Laufschaufelkonzepte, wie sie z.B. aus der DE-PS 32 03 869 bzw. der US-PS 4,480,956 bekannt sind, erzwingen das Vorhandensein eines verhältnismäßig großen axialen Dehnspaltes zwischen dem unteren Schaufelmantelende und daran angrenzenden Schaufelfußpartien.
Aufgrund dieser Bauweise können Heißgasstromanteile nahezu ungehindert in den normalerweise als "Wärmeschutzschild" wirkenden Hohlraum-zwischen metallischem Schaufelkern und keramischem Schaufelmantel-einströmen.
Hierdurch wird der metallische Schaufelkern einschließlich einer gegebenenfalls mit diesem innig verknüpften Schaufelmantelhalteeinrichtung zusätzlich erwärmt, was wiederum eine unzulässig hohe thermische Dehnung des Kerns nebst Halteeinrichtung zur Folge haben könnte, wodurch letztlich wiederum die angestrebte "freie" Dehnbarkeit des Mantels nicht unerheblich beeinträchtigt werden könnte. Letzterer Mangel dürfte insbesondere um so gravierender dann in Erscheinung treten, wenn z.B. aus Festigkeits- oder Schwingungsgründen auch nur kleinste unmittelbare Berührungsflächen zwischen Mantel und Kern vorgesehen sein sollten, wodurch in einem ganz extremen Fall eine Auf sprengung des keramischen Schaufelmantels nicht auszuschließen wäre.
Auch besteht z.B. beim zuvor erwähnten bekannten Schaufelkonzept nach der DE-PS 32 03 869 die Gefahr einer zusätzlichen unmittelbaren Aufheizung der thermischen Isoliermittel - zwischen Kern, Trageinrichtung und Mantel-, so daß die ursprünglich angestrebte thermische Isolierwirkung - von außen nach innen - zumindest teilweise nicht im erwünschten Sinne zum Tragen kommen könnte.
Ferner wäre beim vorliegenden bekannten Laufschaufelkonzept das untere freie Mantelende keiner schwingungsdämpfenden Abstützung unterworfen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgetragenen Mängel zu beseitigen und die eingangs angegebene Laufschaufel so auszubilden, daß der axiale Dehnspalt im Betrieb einfachst absperrbar ist und trotzdem vorrangig die axiale freie Dehnbarkeit des Mantels gegenüber dem Kern erhalten bleibt.
Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
Im Betrieb wird also die Dichtung durch Fliehkraftwirkung gegen Innenflächen der Mantelendpartie gepreßt, wobei der axiale Dehnspalt verschlossen ist und ein notwendiges seitliches Spiel zwischen der Berandung der Ausnehmung und der angrenzenden Umfangswand der Mantelendpartie, 4.
insbesondere aus Wärmedehnungsdifferenzgründen (Keramik/ Metall), erhalten bleibt.
Ferner im Betrieb auftretende Schaufelschwingungen, die normalerweise bei derartigen Schaufeln in Hybridbauweise zu Auslenkungen des Schaufelmantels gegenüber dem Kern führen, werden durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Dichtungssystems gedämpft (Reibungsdämpfung).
Weiter ist es vorteilhaft, daß als Folge des Dichtungssystems keine aerodynamischen Störungen der Heißgasströmung im unteren Schaufelmantelrandbereich hervorgerufen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 8.
Die Zeichnung verdeutlicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Rahmen eines Schaufelradialschnitts. Die in der Zeichnung dargestellte Turbinenlaufschaufel für ein Gasturbinentriebwerk besteht aus einem den Schaufelfuß enthaltenden, tragenden metallischen Schaufelkern 2 und einem denselben mit Abstand umhüllenden keramischen Schaufelmantel 3, der aus einem hoch-temperaturbeständigen keramischen Werkstoff, z.B. selbstgesintertem Siliziumkarbid (SSIC), gefertigt ist. Der Schaufelmantel 3 ist frei dehnbar am Kern 2 aufgehängt. Hierzu dient u.a. die Befestigung des Schaufelmantels 3 mittels eines Tragstiftes 4 im Bereich des oberen Schaufellängendrittels am Kern 2, wozu der Schaufelmantel 3 einen integralen Quersteg 5 aufweist, der mit einer mittigen Durchgangsbohrung ausgestattet ist. Zuerst wird also der Schaufelmantel 3 mit dem Quersteg 5 von oben auf den Kern 2 aufgesetzt, wonach der Tragstift 4 durch die Querstegbohrung hindurch in die Kernbohrung 6 eingefügt wird und zwar soweit, bis die schraubenkopfartige Erweiterung 7 den Mantel 3 über den Quer steg 5 fest gegen das obere Kernende drückt. Der Tragstift 4 kann gegebenenfalls eine Schraube sein, welche in ein Gewinde der Kernbohrung 6 paßt.
Mit 8 und 9 sind ferner an geeigneten Stellen angeordnete thermische Isolierkörper bezeichnet. 10 verkörpert eine am oberen Ende der schraubenkopfartigen Erweiterung 7 befindliche poröse Anstreifschicht gegenüber einem angrenzenden, nicht weiter dargestellten, an der Innenseite des Turbinengehäuses befindlichen Schaufeleinlaufbelag.
Zur Heißgasabsperrung des axialen Dehnungsspaltes A, und damit des Schaufelhohlraums 3' ist der Schaufelmantel 3 der gesamten, hier z.B. gegenüber dem Kern 2 seitlich auskragenden Mantelendpartie 11 innerhalb einer koplanaren Ausnehmung 12 des Schaufelfußes 1 seitlich beweglich sowie unter Einhaltung des erforderlichen axialen Dehnungsspaltes A versenkt angeordnet; im Betrieb kann dann der Dehnungsspalt A durch ein zugleich Schaufelschwingungen dämpfendes, ausnehmungsgrundseitig axial beweglich geführtes Dichtelement 13 unter Fliehkrafteinwirkung abgesperrt werden.
Gemäß der Patentzeichnungen ist das Dichtelement 13 in eine an den seitlichen Ausnehmungsrand 14 unmittelbar angrenzende Vertiefung 15 am Ausnehmungsgrund eingesetzt und darin axial beweglich geführt.
Zweckmäßig sollte dabei die Tiefe der Ausnehmung 12 auf die-Wandstärke der Mantelendpartie 11 und auf den maximal einzuhaltenden axialen Dehnspalt A abgestimmt sein, um so einen bündigen Wandübergang zwischen der Außenfläche der Mantelendpartie 11 mit der angrenzenden Fußaußenwandfläche im Betrieb herzustellen, so daß keine aerodynamischen Störungen auftreten.
Ausgestaltungsgemäß kann die Dichtung 13 z.B. aus einem hoch-warm-festen metallischen oder keramischen Werkstoff gefertigt sein. Die unter allen Betriebszuständen vergleichsweise niedrige Wärmedehnung einer keramischen Dichtung hätte ferner den Vorteil einer geringen Verklemmungsgefahr der Dichtung.
Gemäß der Zeichnung weist das Dichtelemente 13 einen kreisförmigen Querschnitt auf; es wäre aber durchaus auch möglich und sinnvoll, das Dichtelement auf der der Schaufelmantelendpartie 11 zugekehrten Seite überwiegend geradflächig (gleichförmige und verhaltnismäßig große Stützanlagefläche), auf der Nutgrundseite überwiegend gleichförmig ausgerundet bzw. mit abgeschrägten Ecken aus zu gestalten, um im Wege der letzteren Merkmale einer etwaigen Verklemmungsgefahr weiter entgegenwirken zu können.
Als Keramikmaterial für die Dichtung könnte u.a. z.B.
SSN (selbstsinterndes Siliziumnitrid) oder SiSiC (Siliziumkarbid) oder Al203 (Aluminiumoxid) oder PSZ (partiell stabilisiertes Zirkonoxid) verwendet werden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Grundgedankens wird zunächst davon ausgegangen, daß das untere Ende des keramischen Schaufelmantelshinsichtlich der vorhandenen Wandstärke breit genug ausgeführt ist, um die betreffende Gegendichtfläche bereitstellen zu können.
Die betreffende seitlich auskragende Mantelendpartie 11 gemäß der Zeichnung stellt demnach eine vorteilhafte weitere Alternative zum Erfindungsgrundgedanken dar.
Anstelle einer seitlich auskragenden Mantelendpartie könnte die Erfindung auch dadurch realisiert werden, daß der Schaufelmantel bzw. das untere Mantelende in Richtung auf die Ausnehmung im Schaufelfuß keilförmig bzw. leicht keilförmig sich erweiternd ausgebildet ist unter Gewährleistung der erforderlichen axialen Schaufelmanteldehnungsbewegung.

Claims

Patentansprüche 1./ Turbinenlauf schaufel für Gasturbinentriebwerke, die aus einem den Schaufelfuß enthaltenden tragenden metallischen Kern und einem denselben mit Abstand umhüllenden keramischen Schaufelmantel besteht, der frei dehnbar am Kern aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelmantel (3) am unteren Ende in einer Ausnennung (12) des Schaufelfußes (1) unter Einhaltung eines axialen Dehnungsspaltes (A) beweglich angeordnet ist, der durch eine ausnehmungsgrundseitig axial verschiebbar geführte Dichtung (13) unter Fliehkrafteinwirkung absperrbar ist.
2. Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelmantel (3) mit einer kragenartig aufgeweiteten Endpartie (11), die eine stützende Gegendichtfläche bildet, in der Ausnehmung 112) beweglich angeordnet ist.
3. .Turbinenlauf schauf el nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (13) in eine an den seitlichen Ausnehmungsrand (14) unmittelbar angrenzende Vertiefung (15) am Ausnehmungsgrund eingesetzt ist.
4. Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ausnehmung (12) auf die Wandstärke der Mantelpartie (11) und auf den maximal einzuhaltenden axialen Dehnspalt (A) abgestimmt ist.
5. Turbinenlaufschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (13) aus einem hoch-warm-festen metallischen oder keramischen Werkstoff gefertigt ist.
6. Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (13) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
7. Turbinenlaufschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement auf der der Schaufelmantelendpartie zugekehrten Seite überwiegend geradflächig, auf der Nutgrundseite überwiegend gleichförmig ausgerundet bzw. mit abgeschrägten Ecken ausgestattet ist.
8. Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelmantel bzw. das Mantelende in Richtung auf die Ausnehmung keilförmig verdickt ausgebildet ist.