DE4432999C2 - Laufrad einer Turbomaschine, insbesondere einer axial durchströmten Turbine eines Gasturbinentriebwerks - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad für eine Turbomaschine nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Bei Turbostrahltriebwerken führt die Anwendung hochlegierter temperaturfester Werkstoffe für die Laufschaufeln, z. B. bei einer Niederdruckturbine, zu hohen Randlasten am Radkranz, wodurch die Scheibenlebensdauer vergleichsweise stark beeinträchtigt wird. Die Schaufeln weisen ein relativ ho­ hes spezifisches Gewicht auf; sie sind z. B. als Präzisionsgußteil aus Nickel- oder Cobaltbasislegie­ rungen gefertigt. Üblicherweise sind diese Laufschaufeln mit mehrzahnigen Fußprofilen, z. B. soge­ nannten Tannenzapfen- oder Tannenbaumfüßen an korrespondierend ausgeformten Axialnuten ver­ ankert. Bei einem derartigen Schaufel- und Fußtyp stellen die stets vorliegenden Fertigungs­ toleranzen der Zahnprofile an Fuß und Nut bezüglich der Schaufelzentrierung praktisch kein Problem dar. Dies liegt daran, daß die genannten hochlegierten Schaufelwerkstoffe eine ausreichende Duktilität und Biegeelastizität bereitstellen, so daß existierende Fertigungstoleranzen im Betrieb durch relative örtliche Fußdeformationen ausgeglichen werden. Aus der GB-PS 614 678 ist eine Turbinenschaufel­ verankerung bekannt, welche über die genannte Verzahnung hinaus eine Zentrierung mittels einer Nut-/Federverbindung (Positionen c und d) vorsieht. Die Geometrie der Zentrierung mit axial/radialen Paßflächen und Flächenberührung läßt begrenzt radiale Bewegungen zu. Die Passung ist jedoch pro­ blematisch hinsichtlich ggf. auftretender Biegebeanspruchungen (in Umfangsrichtung) und setzt einen kerbunempfindlichen, duktilen Schaufelwerkstoff im Fußbereich voraus.

Die DE-PS 21 22 353 beschreibt gegossene Gasturbinenschaufeln aus schweren, hochtemperaturfe­ sten Metallegierungen, welche im Blattbereich eine hohe gerichtete Festigkeit, im Fußbereich eine hohe Duktilität und Kerbunempfindlichkeit aufweisen. Dies wird durch auf den Blattbereich begrenzte, gerichtete Erstarrung der Schmelze erreicht. Über die genaue Form des Schaufelfußes im fertig bear­ beiteten Zustand ist nichts ausgesagt.

Durch den Einsatz von Laufschaufeln aus sogenannten "Leichtbau-Werkstoffen", z. B. aus temperaturbeständiger Keramik bestehend, würden sich reduzierte Scheibenrandbe­ lastungen ergeben. Mangelnde Duktilität, Biegeelastizität und vielfach vorhandene Sprödbrüchigkeit dieser Werkstoffe lassen die Verwendung der erwähnten Tannenbaum- oder Tannenzapfenfüße und Profile praktisch nicht zu; es wären also mit den Leichtbau­ werkstoffen keine Fußdeformationen möglich, derart, daß die Fertigungstoleranzen aus­ geglichen werden könnten.

Es ist beispielsweise aus der DE-PS 27 17 810 bekannt, keramische Laufschaufeln mit einem Schwalbenschwanzfuß auszustatten Mit einem derartigen Fuß ist jedoch keine mit dem mehrzahnigen Tannenzapfen- oder Tannenbaum-Fuß vergleichbare Schaufelzen­ trierung zu erreichen. Daran ändert auch die spezielle Gestaltung des Deckbandberei­ ches kaum etwas, ebensowenig die Verwendung zusätzlicher Halteelemente zwischen Schaufel und Rad.

Günstiger ist die Schaufelbefestigung nach der DE-OS 28 50 941, bei welcher der Schwalbenschwanzfuß jeder der keramischen Schaufeln durch im Radkranz geführte Fliehgewichte radial belastet wird, wobei die Last relativ zur Drehzahl im Quadrat zu­ nimmt/abnimmt. Durch einen Versatz zwischen dem Fliehkraftvektor und der Schau­ felachse in Umfangsrichtung des Rotors werden strömungsbedingte Kippbewegungen der Schaufeln in der Rotorebene reduziert, d. h. de facto die Schaufelzentrierung verbessert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laufrad nach der Gattung des Anspruchs 1 zu schaffen, bei dem trotz hoher Drehzahlen geringe äußere fliehkraftbedingte Randla­ sten auftreten, wobei hinsichtlich des Einsatzes massearmer Laufschaufeln mit einer re­ lativ einfachen Fuß-Nutgestaltung eine einwandfreie Schaufelzentrierung am Radkranz ermöglicht werden soll.

Die gestellte Aufgabe ist durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Somit ergibt sich eine relativ einfach fertigbare Schaufelfußkon­ struktion; das örtliche Fußprofil mit der Fuß-Nut-Verzahnung und mit den gegenseitigen kraftübertragenden Flächen ist im wesentlichen auf die Beherrschung der aus den massearmen Laufschaufeln resultierenden Kraftbeanspruchungen abgestimmt sowie im wesentlichen frei von Zen­ trieraufgaben gestaltbar; der massearme Fuß ist keinen nennenswerten Deformationen ausgesetzt, die aus Fertigungstoleranzen herrühren. Die Schaufelzentrierung fällt überwiegend dem betreffenden Endteil des Schaufelfußes zu, wobei von diesem Endteil der relativ zu den Zahnauf­ lageflächen größte Anteil an Zentrierkräfen aufgenommen wird. Der angebene Schaufelfuß ergibt im wesentlichen eine statisch bestimmte Auflage, wobei die erreichbare Fußzentrierung mit derjenigen eines mehrzahnigen Fußes (z. B. Tannenbaumfußes) bei gewichtlich schweren Schaufeln aus hochliegiertem Schaufelmaterial vergleichbar ist.

Die radiale Beweglichkeit des Endteils ist durch das vorhandene Ein­ bauspiel der Fuß-Nut-Verzahnung vorgegeben.

Mit der radialen Führung des Endteils in der Vertiefung können auch jeweils auftretende Torsionsmomente aufgenommen werden, die beim Verspannen der Strömungsprofile durch vorhandene Außendeckbänder ent­ stehen. Letzteres im vorteilhafter Kombination der Erfindung mit einer Deckbandkonstruktion nach Anspruch 7.

Über das Endteil für die Durchführung der Erfindung vorteilhafte abge­ wandelte Fußprofilgrundarten gehen aus den Ansprüche 2, 3 und 5 hervor.

Massearme Schaufelwerkstoffalternativen, die für die Durchführung der Erfindung bevorzugt geeignet sind, gehen aus den Merkmalen der An­ sprüche 8 bis 14 hervor.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielhaft weiter erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 die frontale Ansicht eines Laufradabschnitts an einem quer geschnittenen Turbinengehäuseabschnitt und mit drei von mehre­ ren gleichmäßig über dem Umfang verteilt am Radkranz der abge­ brochenen Radscheibe an Axialnuten verankerten Laufschaufeln,

Fig. 2 einen örtlich abgebrochenen Fußquerschnitt eines herkömmlichen tannenbaumartigen Fußes einer Laufschaufel in Zuordnung zur betreffenden Axialnut unter Verdeutlichung einer bezüglich der örtlichen Zentrierkräfte statisch überbestimmten Flächenauflage aus dieser Fuß-Nut-Geometrie und

Fig. 3 einen örtlich abgebrochenen Fußquerschnitt eines erfindungsge­ mäßen Laufschaufelfußes in Zuordnung zur betreffenden Axialnut und in Verdeutlichung einer bezüglich der örtlichen Zentrier­ kräfte erzielbaren nahezu statisch bestimmten Flächenauflage aus der Fuß- Nut- Profilgeometrie.

Fig. 1 zeigt ein Laufrad 1 einer axial durchströmten Turbine eines Gasturbinentriebwerks unter Anwendung einer erfindungsgemäßen Fuß-Scheiben-Verbindung. Dabei sind die Laufschaufeln 2 mit ihren Schaufelfüßen 3 an korrespondierend ausgeformten Axialnuten 4 des Rad­ kranzes 5 verankert. Die Laufschaufeln 2 sind aus einem sogenannten, später noch näher definierten "Leitbauwerkstoff" massearm bzw. mit verhältnismäßig niedrigem spezifischen Gewicht gefertigt. Jeweils beidseitig ihrer betreffenden Symmetrie-Mittelebene E (längs) sind die jeweiligen Schaufelfüße 3 gleichförmig einzahnig (Z) gestaltet. In dem Beispiel weisen die Laufschaufeln 2 Fußplatten auf. Radial nach in­ nen gesehen, gehen die Schaufelfüße 3 von den Fußplatten aus zu­ nächst in einen sich gleichförmig verengenden Halsquerschnitt über, von dem aus sie sich beidseitig gleichförmig in Richtung auf die ört­ liche Fußverzahnung Z verweitern. Insoweit liegt ein im wesentlichen schwalbenschwanzartiges Fußprofil vor. Jeder Schaufelfuß 3 geht auf der radial innen liegenden Seite symmetrisch in ein Endteil 6 über, das mit beidseitig gleichförmig gerundeten oder balligen Oberflächen in einer am Nutgrund ausgebildeten axialen Vertiefung 7 radial beweg­ lich geführt ist. Auf diese Weise wird die primäre Umfangszentrierung jeder Laufschaufel 2 ausgebildet.

Zwischen je zwei in Umfangsrichtung benachbarten Axialnuten 4 sind am Radkranz 5 Scheibenhöcker 8 belassen, die jeweils beidseitig eine gleichförmige zahnartige Gegenflächenprofilierung für die Zähne Z der Schaufelfüße 3 ausbilden. An relativ zu den Symmetrie-Mittelebenen E jeweils gleichförmig abgeschrägten axialen gegenseitigen Sitzflächen S sind die Schaufelfüße 3 radial und in Umfangsrichtung an der örtlich zahnartigen Abschnitten der Scheibenhöcker 8 verankert und abgestützt. Das schwalbenschwanzartige Grundprofil der Schaufelfüße 3 mit den Zäh­ nen Z ist jeweils auf die örtliche herrschenden Kraftbeanspruchungen, insbesondere aus Schaufelfliehkräften, abgestimmt gestaltet.

Gemäß schematisch dargestelltem Fußquerschnitt der Fig. 3 ergibt sich, daß über das Endteil 6 an jedem Schaufelfuß 3 die überwiegende Schau­ felzentrierung erfolgt. Dies ist durch die relativ großen umfänglichen Zentrierkraftanteile K in Relation zu den relativ kleinen, noch an den gegenseitigen Sitzflächen S auftretenden Zentrierkraftanteilen K' ver­ deutlicht. Gemäß Kräfte-Parallelogrammen sind die kleinen Zentrier­ krakftanteile K' aus den relativ zu den Sitzflächen S senkrecht ste­ henden Auflagekräften A abgeleitet. Mit der Fußkonstruktion nach Fig. 1 und 3 ergibt sich mithin im wesentlichen eine statisch bestimmte Auflage entlang der gegenseitigen Sitzflächen S zwischen Fuß und Nut sowie -axial linearentlang der Oberflächen F des Endteils 6 und der Gegenflächen der axialen Vertiefung 7 (Fig. 1).

Insbesondere gemäß Fig. 3 weist das betreffende Endteil 6 über die gesamte Längenerstreckung hinweg beidseitig gleichförmig abgerundete oder ballige Oberflächen F auf, mit denen es eine axiale, im wesentli­ chen lineare Flächenkontaktierung an den geradwandigen Innenflächen der Vertiefung 7 (Fig. 1) bereitstellt.

Fig. 2 veranschaulicht - unter Verwendung der Bezugszeichen aus Fig. 1 und 3 - eine herkömmliche Tannenbaum-Fußart mit statisch überbe­ stimmter Fuß-Nut-Auflage an den gegenseitigen Sitzflächen S. Gemäß ei­ ner Mehrzahl beidseitig der betreffenden Symmetriemittel-Ebene E aus­ gebildeter Fußzähne ergibt sich eine Mehrzahl an örtlichen Zentrier­ kräften K' relativ zu gegenseitigen Bauteilauflagen an den Sitzflächen S, wobei eine Schaufelzentrierung im Hinblick auf die Fertigungs­ toleranzen nur durch entsprechend ausgeprägte Fußdeformation im Be­ trieb möglich ist.

Zu Fig. 1 ist ferner zu bemerken: An den radial äußeren Enden weisen die Laufschaufeln 2 Deckbandsegmente 9 auf, mit denen die Laufschau­ feln 2 im Betrieb in Umfangsrichtung aneinander abgestützt sind. Über die Deckbandsegmente 9 können ferner die Laufschaufeln 2 1. schwin­ gungsdämpfend und/oder 2. torsionshemmend angeordnet werden.

Zu 1.: Hierzu können die gegenseitigen Stoßkanten der Deckbandsegmente 9 so ausgebildet sein, daß durch eine bestimmte Bauteilreibung Schwingungen aufgezehrt werden (schräge Stoßkante St- Fig. 1).

Zu 2.: Hierzu können - als Draufsicht zu verstehen - sägezahnartig pro­ filierte Stoßkanten der Deckbandsegmente 9 vorgesehen sein; z. B. kön­ nen jeweils gleichförmig zur Radachse abgeschrägte Abschnitte gegen­ seitiger Stoßkanten durch gegenseitige Querabschnitte zueinander ver­ setzt verlaufen.

Die Laufschaufeln 2 können aus einem massearmen temperaturbeständigen keramischen Werkstoff gefertigt sein. Bei dem Keramikwerkstoff kann es sich um Siliziumcarbid, selbst gesintert oder heißgepreßt handeln. Bei dem keramischen Werkstoff kann es sich ferner um Siliziumnitrid handeln, das reaktionsgesintert oder selbstsinternd oder heißgepreßt ist.

Alternativ können die Laufschaufeln 2 aus einem massearmen temperatur­ beständigen Leichtbaumaterial mit globularer Zellstruktur gefertigt sein. Hierzu können die Laufschaufeln 2 aus einer massearmen inter­ metallischen Verbindung und Legierungen derselben, bestehen.

Unter "globularer" Zellstruktur kann ein hohlkugelartig gefertigter Werkstoff verstanden werden. Hierzu können metallische Hohlkugeln dicht gepackt und durch Vorsintern grob verbunden werden; danach kön­ nen die Hohlräume zwischen den Kugeln mit einer pulverförmigen Me­ tall-Legierung aufgefüllt werden, so daß beim anschließenden Sintern intermetallische Verbindungen, als Stege, zwischen den von den Hohlku­ geln belassenen Zwischenräumen entstehen; hierauf erfolgt ein Nach­ sintern derart, daß das vorgesinterte Material aus Kugeln und Füllpul­ ver bei entsprechender Temperatur intermetallisch zum Leichtbauwerk­ stoff örtlich fest miteinander verbunden wird.

Es kann die intermetallische Verbindung aus einem Titanaluminid (TIAL) bestehen.

Alternativ kann die intermetallische Verbindung aus einem Nickelalumi­ nid (NiAL) bestehen.

Bezüglich der genannten keramischen oder metallischen Werkstoffe kann eine Faserverstärkung der betreffenden Keramik- oder Metallmatrix in Frage kommen.

Gemäß weiterer Alternative eines Leichtbauwerkstoffes für die Lauf­ schaufeln 2 kann eine durch Siliciumkarbid-Fasern verstärkte Titanma­ trix vorgesehen sein.

Claims (14)

1. Laufrad (1) einer Turbomaschine, insbesondere einer axial durchströmten Turbine ei­ nes Gasturbinentriebwerks, bei der die Laufschaufeln (2) mit einer Zahnprofilierung der Schaufelfüße (3) an korrespondierend ausgeformten Axialnuten (4) des Radkran­ zes (5) verankert sind, wobei ausschließlich massearme Laufschaufeln (2) vorgese­ hen sind, und sämtliche Schaufelfüße (3) einen beidseitig symmetrisch einzahnig (Z) profilierten Fußabschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - jeder Schaufelfuß (3) symmetrisch in ein Endteil (6) übergeht, das einen gegenüber dem Fußabschnitt mit der Verzahnung (Z) reduzierten Fußquerschnitt aufweist, und
• - jedes Endteil (6) mit abgerundeten Oberflächen (F) in einer am Nutgrund ange­ ordneten Vertiefung (7) radial beweglich geführt ist.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Endteil (6) an einem schwalbenschwanzartigen Schaufelfuß (3) ausgebildet ist.

3. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Endteil (6) an einem hammerkopfartigen Schaufelfuß (3) ausgebildet ist.

4. Laufrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Endteil (6) mit über die gesamte Länge hinweg beidseitig symmetrisch abgerundeten bzw. balligen Ober­ flächen (F) in der axial und radial geradwandigen Vertiefung (7) sitzt.

5. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuß jeder Laufschaufel (2) - von oben außen nach innen unten gesehen - von einem zunächst halsförmig verengten Fußquerschnitt aus in die beid­ seitige Fußverzahnung (Z) übergeht.

6. Laufrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abgerundeten Oberflächen (F) jedes Endteils (6) von einem zumindest teilweise elliptischen oder vasenförmigen oder kreisförmigen Endteilquerschnitt ausgebildet sind.

7. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschau­ feln (2) durch eine Deckbandkonstruktion an ihren äußeren Blatt­ enden torsionshemmend und/oder schwingungsdämpfend angeordnet sind.

8. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Laufschaufeln (2) aus einem massearmen keramischen und temperatur­ beständigen Werkstoff gefertigt sind.

9. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Laufschaufeln (2) aus einem massearmen, temperaturbeständigen Leichtbaumaterial mit globularer Zellstruktur gefertigt sind.

10. Laufrad nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß sämt­ liche Laufschaufeln (2) aus einer massearmen intermetallischen Ver­ bindung, und Legierungen derselben gefertigt sind.

11. Laufrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Verbindung aus einem Titanaluminid (TIAL) besteht.

12. Laufrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die inter­ metallsiche Verbindung aus einem Nickelaluminid (NiAL) besteht.

13. Laufrad nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelwerkstoff bzw. die Keramik- oder Metallmatrix durch Fasern verstärkt ist.

14. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtbau­ material der Laufschaufeln (2) aus einer durch Siliciumkarbid-Fa­ sern verstärkten Titanmatrix besteht.