DE3514393A1

DE3514393A1 - Rotorschaufelspitze

Info

Publication number: DE3514393A1
Application number: DE19853514393
Authority: DE
Inventors: William Kelly Cincinnati Ohio Koffel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-04-27
Filing date: 1985-04-20
Publication date: 1985-10-31
Also published as: US4589823A; IT1184777B; GB2158160A; JPS60256502A; FR2563571B1; IT8520480A0; GB2158160B; GB8509676D0; FR2563571A1

Description

9587.4-13DV-08290 * General Electric Company

Rotorschaufelspitze

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Schaufeln von Turbomaschinen und insbesondere auf eine verbesserte Schaufelspitze mit einem abreibbaren überzug.

Axialströmungsmaschinen weisen üblicherweise eine oder mehrere umlaufende Anordnungen oder Scheiben auf. Jede Schaufel enthält eine Reihe radial gerichteter Schaufeln. Jedes derartige Laufrad ist drehbar in bezug auf eine feststehende Oberfläche oder einen Mantel, der jedes Laufrad oder jede Scheibe in Umfangsrichtung umgibt. Das radial äußere Ende oder die Spitze jeder Schaufel bildet einen schmalen Spalt oder Spielraum in bezug auf den Mantel. Im Idealfall würden derartige Spalte nicht existieren. In der Praxis bilden jedoch der beschaufelte Rotor und der konzentrische Mantel keine unvariablen und vollständig kreisrunden Formen. Verschiedene darauf einwirkende Kräfte rufen Verformungen hervor. Beispielsweise erzeugen Temperaturänderungen unterschiedliche Geschwindigkeiten der thermischen Expansion und Kontraktion am Rotor und Mantel, die einen Reibeingriff zwischen den Schaufelspitzen und den Mänteln zur Folge haben können. Zusätzlich erzeugen Zentrifugalkräfte, die auf die Schaufeln wirken, und strukturelle Kräfte, die auf den Mantel einwirken, Verformungen, die derartige Reibeingriffe zur Folge haben können.

Derartige Reibeingriffe haben Beschädigungen der Schaufelspitzen und/oder der Manteloberfläche zur Folge, wodurch der durchschnittliche Spalt vergrößert wird, der im folgenden als Spitzenspalt bezeichnet wird. Vergrößerungen des Spitzenspaltes haben

wesentliche Verschlechterungen des Wirkungsgrades des Gasturbinenmotors und demzufolge des verbrannten Brennstoffes zur Folge.

Im allgemeinen können die Schaufelspitzen vor der Montage in dem Gehäuse so geformt werden, daß sie innerhalb sehr enger Toleranzen in bezug auf die Schaufellänge, die den Spitzenspalt beeinflussen,angepaßt sind. Im Gegensatz dazu können unrunde Gehäuse und Exzentrizitäten zwischen dem Rotor und den Mantelachsen nur schwer vermieden werden, insbesondere während des Betriebs des Motors bzw. des Triebwerks. Somit können während gewisser Betriebsperioden des Triebwerks die Schaufel-•n-' spitzen mit dem Mantel in gewissen Eingriffsbereichen in Berührung kommen. Wenn die Schaufelspitzen nicht abriebfest gemacht sind und durch einen Kontakt in diesen Bereichen abgenutzt werden, nimmt der mittlere Spitzenspalt in den Bereichen, wo kein Eingriff auftritt, zu, wodurch der Wirkungsgrad des Motors bzw. Triebwerks verkleinert wird. Wenn jedoch die Schaufelspitze einen abreibbaren überzug hat, kann der Mantel in den Exngrxffsbereichen weggeschnitten werden, und der Spalt in den Bereichen, in denen kein Reibeingriff auftritt, wird nicht beeinflußt.

In jedem Fall ist eine gewisse Abnutzung der Schaufelspitzen unvermeidbar. Um Schaufelreibungen ohne nachteilige Wirkungen der Reibeingriffe auf den Schaufeln aufzunehmen, ist es bekannt, "Pfeifen" auf dem radial äußeren Ende der Schaufeln zu verwenden. Die "Pfeifen" sind üblicherweise langgestreckte Verlängerungen auf der Schaufel und sie sind im wesentlichen eine lange dünne Rippe, die leicht bricht und schwer zu kühlen ist.

Es ist ferner bekannt, abreibbare überzüge auf Schaufelspitzen zu verwenden. Beispielsweise beschreiben die US-Patentschriften 4 232 995 und 4 390 320 Schaufelspitzen mit abreibbaren überzügen. Derartige Schaufelspitzen haben sich zwar für ihren beabsichtigten Zweck als wirksam erwiesen. Jedoch ist eine gute Verbindung zwischen dem abreibbaren überzug und der Schaufelspitze ein kritisches Problem. Schaufelspitzenabriebe treten

sehr schnell auf und erzeugen eine Scherkraft auf den überzug. Bekannte Schaufeln bauen auf der Festigkeit der Verbindung zwischen dem abreibbaren überzug und der Schaufelspitze auf, damit sie diesen Kräften widerstehen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Schaufelspitze mit einem abreibbaren überzug zu schaffen, der eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Scherkräfte aufweist und für eine verbesserte Kühlung sorgt.

Eine Rotorschaufel gemäß der Erfindung enthält eine verbesserte Schaufelspitze mit einem abreibbaren überzug. Die Schaufel ist in bezug auf eine feststehende Oberfläche drehbar. Die Spitze hat eine Form, die eine normale Belastungskomponente auf den überzug ausübt, wenn die Spitze während des Rotierens die Oberfläche berührt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Schaufelspitze eine Endwand auf, die sich von dem äußeren Schaufelende radial nach außen erstreckt und in einer im allgemeinen ebenen Oberfläche endet. Die Spitze weist ferner eine konkave Oberfläche auf, die mit der Endwand verbunden ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht von einer Turbomaschinenschaufel und einer Spitze gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht von einer Schaufelspitze gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Rotorschaufel 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, An dem radial äußeren Ende der Schaufel 10 ist eine Schaufelspitze 12 mit einem abreibbaren Überzug 14 angeordnet. Es sind verschiedene abreibbare Materialien bekannt, die in vorteilhafter Weise in einem überzug verwendet werden können. Beispielsweise können kubisches Bornitrid oder Aluminiumoxid verwendet werden.

Fig. 2 ist eine Teilguerschnittsansicht von der in Fig. 1 gezeigten Schaufel 10. Die Schaufelspitze 12 ist radial außen von dem äußeren Ende 20 der Schaufel 10 angeordnet und weist eine Endwand 16 auf, die sich von dem Umfang 18 des radial äußeren Endes 20 radial nach außen erstreckt. Die Endwand 16 erstreckt sich um den Umfang der Schaufel 10 und endet in einer im allgemeinen ebenen bzw. flachen Oberfläche 22. Die Schaufelspitze 12 weist auch eine konkave Oberfläche 24 auf, die von der Endwand 16 begrenzt ist und sich radial nach innen erstreckt. Die konkave Oberfläche 24 hängt mit der ebenen Oberfläche 22 zusammen. Wenn sie in eine Turbomaschine eingebaut ist, ist die Schaufel 10 drehbar in bezug auf einen Mantel oder eine feststehende Oberfläche (nicht gezeigt), so daß die Schaufelspitze 12 sehr nahe daran angeordnet ist.

Die maximale Tiefe "d" der konkaven Oberfläche 24 unterhalb einer die ebene Oberfläche 22 einschließenden Bezugsebene kann variieren in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall und der Größe bzw. Stärke des angenommenen Reibeingriffes zwischen der Schaufelspitze 12 und dem ebenen Mantel. Im allgemeinen wird die Dicke "t" des abreibbaren Überzugs 14 relativ klein sein, um große Temperaturdifferenzen zwischen der konkaven Oberfläche 24 und der Grenzfläche 26 zu verhindern. Die anwendbare Dicke des Reibüberzuges 14 kann variieren in Abhängigkeit von dem gewählten Abriebmaterial und der Verfahren, die zum Verbinden des Überzuges mit der Schaufelspitze verwendet sind. Wenn die effektive thermische Leitfähigkeit des Überzuges 14 klein ist, kann eine zu große Dicke ein Absplittern oder Abblättern bei thermischen Beanspruchungen bewirken. Wenn der überzug zu dünn ist, kann die Verbindung an der Grenzfläche

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26 durch überhöhte Temperatur erweichen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die Dicke "t" des Oberzuges 14 zwischen 0,125 und 0,75 mm (5 und 30 Tausendstel Zoll).

Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft die Mittel zum Kühlen der Schaufelspitze 12. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, weist die Schaufel 10 einen inneren Kühlkanal 28 auf, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, um für eine Schaufelkühlung zu sorgen. Die Mittel zum Kühlen der Schaufelspitze 12 umfassen Leitungen 30, die einen Teil des Kühlmittels aus dem Kanal 28 durch die Endwand 16 leiten und durch die ebene Oberfläche 22 austreten. In bekannten Schaufelspitzen, wie sie beispielsweise als die "Pfeifenspitzen¹¹ bekannt sind, sind die Endwandbereiche langgestreckt und im allgemeinen zu dünn, um eine Leitung gemäß der Erfindung aufzunehmen. Die minimale Dicke ."T" zwischen dem Kühlkanal 28 und der Grenzfläche 26 ist relativ dünn, um in vorteilhafter Weise eine starke, konvektive Kühlung in dem Kühlkanal 28 zu erhalten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt diese Abmessung zwischen 1,25 und 1,65 mm (50 und 65 Tausendstel Zoll).

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.3 gezeigt. Leitungen 30 erstrecken sich von dem Kühlkanal 28 zur äußeren Oberfläche 32 der Endwand 16. Vorzugsweise tritt die Leitung 30 aus der Endwand 16 an einem Punkt gerade unterhalb des Überzuges 14 aus. Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel kann etwas weniger wirksam sein für eine konvektive Kühlung durch die Schaufelspitze 12, aber bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Tendenz kleiner sein, daß die Kühlkanäle durch Schmieren während der Reibeingriffe mit dem Mantel geschlossen werden. In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel definieren die Leitungen 30 eine durch den Pfeil 34 gezeigte Richtung, die nahezu senkrecht zur ebenen Oberfläche 22 ist. Dieser Winkel hat kleinere Spannungskonzentrationen an dem Leitungsausgang zur Folge als bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel.

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Im Betrieb läuft die Schaufel 10 in der durch den Pfeil 27 gezeigten Richtung um. Wenn die Schaufelspitze 12 mit dem umgebenden Mantel in Berührung kommt, schneidet der Reibüberzug 14 eine Schramme darin ein. Gleichzeitig wird der Reibüberzug abgenutzt. Wenn diese Abnutzung auftritt, berührt der Mantel die konkave Oberfläche 24, um so eine senkrechte Lastkomponente auf den überzug 14 auszuüben, wie es durch den Pfeil 36 gezeigt ist. Somit wird die Tendenz gemindert, daß der überzug 14 einer Scherbeanspruchung ausgesetzt wird.

Die hier beschriebene Erfindung ist jedoch nicht nur auf Turbinen- oder Verdichterschaufeln anwendbar. Die Erfindung ist vielmehr in gleicher Weise auf jede Schaufel anwendbar, die relativ zu einer in Umfangsrichtung angeordneten feststehenden Oberfläche rotiert.

Claims

Patentansprüche

Rotorschaufel, die in bezug auf eine stationäre Oberfläche drehbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß an der Schaufelspitze (12) ein abreibbarer Überzug (14) angeordnet ist und die Schaufelspitze (12) eine Form aufweist, die während der Rotation eine senkrechte Lastkomponente auf den Überzug (14) ausübt, wenn die Schaufelspitze (12) die Oberfläche berührt.
2. Rotorschaufel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelspitze (12) eine Endwand (16), die sich von dem Umfang des radial äußeren Endes der Schaufel radial nach außen erstreckt; und eine konkave Oberfläche (24) aufweist, die mit der Endwand (16) verbunden ist und sich von dort radial nach innen erstreckt.
3. Rotorschaufei nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet

daß die

Endwande (16) in einer im allgemeinen ebenen Oberfläche (22) endet.
4. Rotorschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (30) einen Teil des Strömungsmittels in einem inneren Strömungsmittelkanal (28) durch die Endwand (16) hindurchleitet.
5. Rotorschaufel nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (30) einen Teil des Strömungsmittels aus dem — inneren Kanal (28) durch die ebene Oberfläche (22) leitet.
6. Rotorschaufel nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (30) in einer Richtung nahezu senkrecht zur ebenen Oberfläche (22) verläuft.