DE60122550T2

DE60122550T2 - Nachgiebiges zwischenstück für eine fanschaufel

Info

Publication number: DE60122550T2
Application number: DE60122550T
Authority: DE
Inventors: Michael Phoenix KOLODZIEJ; D. Bruce Chandler WILSON
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: US6431835B1; CA2426135C; TW567276B; WO2002033224A1; US20020044870A1; DE60122550D1; EP1327056A1; US6398499B1; EP1327056B1; ATE337471T1; CA2426135A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbomotoren und insbesondere ein nachgiebiges Zwischenstück, das zwischen dem schwalbenschwanzförmigen Fuß einer Fan- oder Verdichterschaufel und der entsprechenden schwalbenschwanzförmigen Nut in einer Fan- oder Verdichterscheibe verwendet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wie im Herzner et al. US-Patent Nr. 5,160,243 besprochen, können bei wiederholtem Aneinandergleiten oder -reiben von zwei Materialteilen die sich ergebenden Reibungskräfte die Materialien durch die Erzeugung von Wärme oder durch die verschiedensten Ermüdungsprozesse, die allgemein als Reibverschleiß bezeichnet werden, beschädigen. Einige Materialsysteme, wie zum Beispiel Titan berührendes Titan, sind besonders anfällig für eine solche Beschädigung. wenn zwei Titanteile mit einer angelegten Normalkraft aneinander gerieben werden, können die Teile nach nur hundert Zyklen eine als Abrieb bezeichnete Art von Oberflächenbeschädigung aufweisen. Der Abrieb verstärkt sich mit der Anzahl der Zyklen und kann letztendlich zu Versagen eines oder beider Teile durch Ermüdung führen.
Die Verwendung von Titanteilen, die potentiell aneinander reiben können, kommt bei mehreren Luft- und Raumfahrtanwendungen vor. Titanlegierungen werden aufgrund ihrer großen Festigkeit, geringen Dichte und günstigen Umwelteigenschaften bei geringen und mittleren Temperaturen in Flugzeugen und Flugzeugtriebwerken verwendet. Wenn eine bestimmte Ausführung das Aneinanderreiben von Titanteilen erfordert, kann es zu der soeben angeführten Art von Ermüdungsbeschädigung kommen.
Bei einer Art von Flugzeugtriebwerksausführung weist eine auch als Rotor bezeichnete Titanverdichterscheibe oder Fanscheibe in ihrem Außenumfang eine Anordnung von schwalbenschwanzförmigen Schlitzen auf. Die schwalbenschwanzförmige Basis einer Verdichter- oder Fanschaufel aus Titan passt in jeden schwalbenschwanzförmigen Schlitz der Scheibe. Wenn die Scheibe in Ruhestellung ist, wird der Schwalbenschwanz der Schaufel in dem Schlitz festgehalten. Wenn das Triebwerk in Betrieb ist, wird durch Zentrifugalkraft eine radial nach außen verlaufende Bewegung der Schaufel erzeugt. Die Seiten des Schaufelschwalbenschwanzes gleiten an den geneigten Seiten des schwalbenschwanzförmigen Schlitzes der Scheibe, wodurch zwischen der Schaufel und der Rotorscheibe eine Relativbewegung erzeugt wird.
Die Gleitbewegung tritt zwischen den Scheiben- und Schaufeltitanteilen unter Übergangsbetriebsbedingungen, wie zum Beispiel Triebwerkstart, Hochfahren (Abheben), Herunterfahren und Abschalten, auf. Bei wiederholten Betriebszyklen kann die Gleitbewegung die Oberflächentopographie beeinträchtigen und zu einer Verringerung der Ermüdungsleistung der aneinander angreifenden Titanteile führen. Unter solchen Betriebsbedingungen können auf den Rotor in der Nähe des schwalbenschwanzförmigen Schlitzes ausgeübte Normal- und Gleitkräfte zu Abrieb führen, woran sich die Erzeugung und Verbreitung von Ermüdungsrissen in der Scheibe anschließt. Es ist schwer, Risserzeugung oder Ausmaß von Beschädigung mit zunehmender Anzahl von Triebwerkszyklen vorherzusagen. Triebwerksbetreiber, wie zum Beispiel Fluggesellschaften, müssen deshalb das Innere der schwalbenschwanzförmigen Rotorschlitze häufig inspizieren, was ein sehr arbeitsaufwendiger Prozess ist.
Es sind verschiedene Techniken ausprobiert worden, um die durch die Reibbewegung zwischen dem Titanschaufelschwalbenschwanz und dem schwalbenschwanzförmigen Schlitz der Titanrotorscheibe erzeugte Beschädigung zu vermeiden oder zu verringern. Eine Technik besteht darin, die Berührungsbereiche der Titanteile mit einer Metalllegierung zu überziehen, um die Titanteile vor Abrieb zu schützen. Der Gleitkontakt zwischen den beiden überzogenen Berührungsbereichen wird zur weiteren Reibungsverringerung mit einem festen Trockenschmierfilm, der Primärmolybdändisulfid enthält, geschmiert.
Obgleich dieser Ansatz dahingehend effektiv sein kann, das Auftreten von Abrieb oder Ermüdungsbeschädigung bei Rotor-/Schaufelteilen zu verringern, hat sich gezeigt, dass die Betriebslebensdauer des Überzugs stark variiert. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass der Prozess des Auftragens der Metalllegierung auf die Scheiben- und Schaufelteile die Ermüdungsleistung der überzogenen Teile reduzieren kann. Es besteht fortwährender Bedarf an einem verbesserten Ansatz zur Verringerung solch einer Beschädigung und zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit von Komponenten. Solch ein Ansatz würde wünschenswerterweise eine wesentliche Neukonstruktion der Rotoren und Schaufeln vermeiden, die über Jahre hinweg optimiert worden sind, während er die Lebensdauer der Titankomponenten und den Zeitraum zwischen erforderlichen Inspektionen verlängert. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und liefert weiterhin verwandte Vorteile.
Die US-Patente Nr. 5,160,243 und 5,240,375 offenbaren die verschiedensten ein- und mehrschichtigen Zwischenstücke, die zur Montage zwischen dem Fuß einer Titanschaufel und seiner entsprechenden Nut in einem Titanrotor ausgeführt sind. Das einfachste dieser Zwischenstücke ist ein U-förmiges Zwischenstück, das gemäß seiner Ausführung über den Fuß der Fanschaufel geschoben werden soll (siehe 3 des '243-Patents). Ein Nachteil dieser Art von Zwischenstück besteht darin, dass es dazu neigt, sich während des Triebwerksbetriebs zu lösen. Des Weiteren beseitigt es nicht völlig den Abrieb zwischen der Nut und dem Fanschaufelfuß.
Das US-Patent Nr. 2,686,656 von Abild offenbart eine Schaufelverriegelung für eine Scheibe eines Verdichters oder einer Turbine; die Schaufelverriegelung liegt in Form eines Streifens mit einem Paar lateral angeordneter Kerben vor, wobei der Streifen weiterhin an seinen Enden nach innen gebogen ist. Das US-Patent Nr. 6,132,175 von Cai et al. offenbart eine nachgiebige Hülse für keramische Turbinenschaufeln, wobei die Hülse ein Superlegierungssubstrat, eine Nickelschicht, eine Platinschicht, eine Zunderschicht, einen Bornitridüberzug über das Oxid auf einer Metallberührungsseite und eine Goldschicht über dem Oxid auf einer Keramikberührungsseite umfasst.
Das US-Patent Nr. 5,558,500 von Elliott et al. offenbart eine elastomere Dichtung zur Verhinderung von Luftstrom unter Rotorschaufeln eines Turbomotors.
Demgemäß besteht Bedarf an einem verbesserten nachgiebigen Zwischenstück zur Beseitigung von Abrieb zwischen Titankomponenten und einem Mechanismus zum Festhalten solch eines Zwischenstücks bei Motorbetrieb.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Aufgabe durch Bereitstellung einer Turbomotoranordnung nach Anspruch 1, die unter anderem ein nachgiebiges Zwischenstück zur Verwendung zwischen dem Fuß einer Gasturbinenfanschaufel und einer schwalbenschwanzförmigen Nut in einer Gasturbinenrotorscheibe zur Verringerung von Abrieb dazwischen umfasst. Das nachgiebige Zwischenstück weist einen ersten und einen zweiten Schlitz zur Ineingriffnahme von sich von dem Fanschaufelfuß erstreckenden Nasen auf. Die Schlitze und Nasen wirken zusammen, um das Zwischenstück während des Motorbetriebs zu halfen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bedeckt eine Oxidationsschicht das nachgiebige Zwischenstück und verringert Abrieb zwischen der Schaufel und dem nachgiebigen Zwischenstück.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei Lektüre in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen speziell angeführt oder daraus ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer von der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Rotoranordnung.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Schaufelanordnung mit dem von der vorliegenden Erfindung vorgesehenen nachgiebigen Zwischenstück.
3 ist eine Perspektive des von der vorliegenden Erfindung vorgesehenen nachgiebigen Zwischenstücks.
4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 von 3.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Auf 1 Bezug nehmend, wird eine Fananordnung allgemein durch die Bezugszahl 10 bezeichnet. Die Anordnung 10 enthält eine Scheibe 12 mit einem ringförmigen Stegteil 14 und einem Außenumfang 16, der mehrere schwalbenschwanzförmig konfigurierte Nuten 18 mit radial nach außen weisenden Basisflächen 20 aufweist. Die Nuten 18 verlaufen in einem Winkel zwischen den axialen und tangentialen Achsen der Scheibe 12, der als Scheibenschlitzwinkel bezeichnet wird.
Fanschaufeln 30 werden am Außenumfang 16 getragen. Jede Schaufel 30 enthält einen radial hochstehenden Schaufelblattteil 32, der sich von einer Eintrittskante 34 zu einer Austrittskante 36 axial erstreckt. Des Weiteren weist jede Schaufel 30 einen Fußteil 40 auf, der zur Aufnahme von einer der Nuten 18 schwalbenschwanzförmig geformt ist. An seiner Eintritts- und Austrittskante weist der Fußteil 40 eine erste und eine zweite Nase 42, 44 auf, die sich radial nach innen zur Basisfläche 20 erstrecken, um zwischen der Basisfläche 20 und einer Innenfläche 41 des Fußteils 40 einen Spalt zu definieren. Eine dritte Nase 46 neben der ersten Nase 42 erstreckt sich weiter nach innen und stößt an eine in Axialrichtung weisende Fläche des Außenumfangs 16. Die dritte Nase 46 wird gemeinhin als Biberzahn bezeichnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Scheibe 12 und die Fanschaufel 30 aus Titan oder Titanlegierungen hergestellt.
Auf die 2 und 3 Bezug nehmend, handelt es sich bei dem Zwischenstück 50 um eine dünne, geschichtete Platte, die zur Montage in dem Spalt zwischen der Basisfläche 20 und der Innenfläche 41 geformt ist. Das Zwischenstück 50 weist eine flache Basis 52 und zwei beabstandete Wände 54, 64 auf, die sich von der Basis 52 nach außen erstrecken. Jede der Wände 54, 64 ist krummlinig und weist einen ersten Teil 56, 66, die sich voneinander weg krümmen, und einen zweiten Teil 58, 68, die sich zueinander krümmen, und einen dritten Teil 60, 70, die sich voneinander weg krümmen, auf. Das Zwischenstück 50 erstreckt sich von einem ersten Ende 72 zu einem zweiten Ende 76. Das erste Ende 72 weist einen ersten Schlitz 74 zur Aufnahme der ersten Nase 42 auf, und das zweite Ende 76 weist einen zweiten Schlitz 78 zur Aufnahme der zweiten Nase 44 auf. Die Schaufel 30 wird durch Aufschieben des Zwischenstücks 50 auf den Fuß 40 und dann Einführen der mit dem Zwischenstück versehenen Schaufel in einen schwalbenschwanzförmigen Schlitz auf dem Fachmann vertraute Weise an der Scheibe 12 angebracht. Auf 4 Bezug nehmend, weist das Zwischenstück sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenfläche eine Oxidationsschicht 80 auf. Die Oxidationsschicht 80 weist auf jeder Seite eine Dicke in einem Bereich von 5–7,6 mm (0,0002–0,0003 Zoll) auf und wird durch Wärmebehandlung des Zwischenstücks 50 für 14 bis 16 Minuten in einer Luftatmosphäre bei 1135°C (2075°F) gebildet. Das Zwischenstück 50 ist vorzugsweise aus einer Kobaltlegierung, wie zum Beispiel L605, hergestellt.
Somit wird ein Zwischenstück 50 bereitgestellt, das Abrieb zwischen dem Fanschaufelfuß und seinem entsprechenden Scheibenschlitz verhindert. Weiterhin ist das Zwischenstück 50 mit einem Schlitz versehen, um sich von dem Schaufelfuß nach unten erstreckende Nasen in Eingriff zu nehmen, die dann das Zwischenstück bei Betrieb des Motors festhalten.

Claims

Turbomotorrotoranordnung (10), die Folgendes umfasst: eine Scheibe (12), die mindestens eine schwalbenschwanzförmige Nut (18) entlang ihrem Umfang (16) aufweist; eine Schaufel (30) mit einem Schaufelblattteil (32) und einem Fußteil (40), wobei der Fußteil (40) zur Aufnahme in der schwalbenschwanzförmigen Nut (18) konturiert ist und eine sich axial von einer Eintrittskante zu einer Austrittskante erstreckende Innenfläche (41) aufweist, die eine erste und eine zweite Nase (42, 44) enthält, die sich von der Innenfläche (41) nach innen erstrecken, um zwischen der Innenfläche (41) und einer Basis der schwalbenschwanzförmigen Nut (18) einen Spalt zu definieren, wobei die erste Nase (42) an der Eintrittskante der Innenfläche (41) und die zweite Nase (44) an der Austrittskante der Innenfläche (41) angeordnet ist; und ein nachgiebiges Zwischenstück (50), das zwischen dem Fußteil (40) und der schwalbenschwanzförmigen Nut (18) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das nachgiebige Zwischenstück (50) in dem Spalt angeordnet ist, das nachgiebige Zwischenstück (50) ein erstes Ende (72) und ein zweites Ende (76), einen am ersten Ende (72) zur Ineingriffnahme der ersten Nase (42) angeordneten ersten Schlitz (74) und einen am zweiten Ende (76) zur Ineingriffnahme der zweiten Nase (44) angeordneten zweiten Schlitz (78) aufweist; und das nachgiebige Zwischenstück (50) eine flache Basis (52) und zwei sich von der Basis (52) nach außen erstreckende, voneinander beabstandete Wände (54, 64) aufweist.
Anordnung (10) nach Anspruch 1, bei der jede der Wände (54, 64) krummlinig ist.
Anordnung (10) nach Anspruch 2, bei der die Wände (54, 64) erste Teile (56, 66), die voneinander weg gekrümmt sind, zweite Teile (58, 68), die zueinander gekrümmt sind, und dritte Teile (60, 70), die voneinander weg gekrümmt sind, aufweisen.
Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter mit einer Oxidationsschicht (80) über mindestens einen Teil des nachgiebigen Zwischenstücks (50).
Anordnung (10) nach Anspruch 4, bei der die Dicke der Oxidationsschicht (80) in einem Bereich von 5–7,6 mm (0,0002–0,0003 Zoll) liegt.
Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Scheibe (12) und die Schaufel (36) aus einer Titanlegierung bestehen und das nachgiebige Zwischenstück (50) aus einer Kobaltlegierung besteht.
Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das nachgiebige Zwischenstück (50) eine dritte Nase (46) enthält, die von der ersten Nase (42) nach innen ragt, wobei die dritte Nase (46) an einer in Axialrichtung weisenden Fläche des Umfangs (16) der Scheibe (12) anliegt.