DE602004013205T2

DE602004013205T2 - Schaufel für eine strömungsmaschine

Info

Publication number: DE602004013205T2
Application number: DE602004013205T
Authority: DE
Inventors: Pieter Groth; Hans Martensson
Original assignee: Volvo Aero AB
Current assignee: GKN Aerospace Sweden AB
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2024-12-04
Also published as: DE602004013205D1; EP1819904A1; WO2006059935A1; US8061981B2; EP1819904B1; JP2008522097A; ATE392538T1; ES2305896T3; JP4575956B2; US20090202338A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufel, die während des Betriebs einer die Schaufel umfassenden Strömungsmaschine dazu bestimmt ist, einer Gasströmung mit hoher Geschwindigkeit ausgesetzt zu werden, wobei die Schaufel ein vorderes Ende, das dazu ausgelegt ist, in Richtung der einströmenden Gasströmung zu zeigen, und ein hinteres Ende umfasst.
Mit Strömungsmaschine ist in erster Linie eine Gasturbine gemeint, aber die Erfindung kann auch in anderen Arten von Strömungsmaschinen, wie etwa einer Dampfturbine oder einer Pumpe, implementiert werden. Die Erfindung wird im Folgenden für die Gasturbinenanwendung beschrieben.
Zusätzlich betrifft die Erfindung einen Abschnitt für eine Strömungsmaschinenkomponente, wie etwa eine Strömungsmaschinenkomponente, eine Gasturbine oder einen Luftfahrzeugmotor, die alle mit wenigstens einer Schaufel gemäß der Erfindung versehen sind.
Eine Gasturbine umfasst eine Kompressorstufe, eine Turbinenstufe und beispielsweise im Falle eines Luftfahrzeugmotors für viele Arten von Luftfahrzeugmotoren einen Gebläsekanal oder eine Gebläsestufe. Die Gasturbinenschaufel gemäß der Erfindung kann in wenigstens einem dieser Teile der Gasturbine angeordnet sein und ein Teil von diesem sein.
Die Gasturbinenschaufel bildet dadurch eine Komponente in einer Gasturbine, wodurch sie während des Betriebs einem Fluid ausgesetzt wird, das an diesem entlang von seinem vorderen Ende in Richtung seines hinteren Endes schnell strömt. Die Gasturbinenschaufel hat normalerweise eine aerodynamische Auslegung und bildet vorzugsweise eine Führung oder ein konstruktionstragendes Element in einem Stator, kann aber auch eine Schaufel in einem Rotor bilden.
Technischer Hintergrund
Gasturbinenschaufeln, die Schaufeln, Führungen und konstruktionstragende Elemente bilden, die in Gasturbinen beispielsweise in Luftfahrzeugmotoren verwendet werden und die einem schnell strömenden Fluid ausgesetzt sind, sind in der bisherigen Technologie gut bekannt und gut dokumentiert.
Die Fertigung von Gasturbinenschaufeln kann ausgeführt werden, indem sie aus Seitenwänden oder Schaufelhälften oder einfach aus einer einzelnen Platte aufgebaut werden, die dann an der Vorderkante und, falls notwendig, an der Hinterkante verbunden wird, um ein vorderes Ende und ein hinteres Ende zu schaffen. Da Gasturbinenschaufeln normalerweise aus Metall hergestellt sind, wird das Verbinden vorzugsweise durch Schweißen ausgeführt. Die Verbindung kann alternativ eine geklebte Verbindung oder eine Verbindung sein, die durch eine chemische Reaktion an der Verbindungsstelle zwischen den Seitenwänden geschaffen wird, insbesondere falls die Gasturbinenschaufel aus einem Verbundmaterial besteht, das Kunststoff umfasst.
Beim Betrieb strömt eine Fluidströmung mit hoher Geschwindigkeit an den Gasturbinenschaufeln in einer Richtung von ihrem vorderen Ende zu ihrem hinteren Ende vorbei. Demgemäß kann, falls beispielsweise die Verbindung eine Ungleichmäßigkeit an der Oberfläche schafft, wo sie positioniert ist, dies in bedeutender Weise das Strömungsbild und somit die Aerodynamik der gesamten Gasturbinenschaufel beeinflussen. Es ist natürlich erwünscht, eine durch die Verbindung verursachte ungünstige Wirkung auf die Aerodynamik zu vermeiden und die durch die Wirkung des Fluids auf die Verbindung verursachte Verschlechterung und Schwächung der Verbindung zu vermeiden.
Gemäß der bisher bekannten Technologie wird dieses Problem durch eine präzise Steuerung des Verbindungsprozesses zur Erzielung von Verbindungen von hoher Qualität und nachfolgendes Überwachen, dass die erforderliche Qualität tatsächlich erreicht worden ist, gelöst. Dies ist natürlich arbeitsaufwendig und teuer.
Im Allgemeinen kann es, ob es eine Verbindung gibt oder nicht, zusätzlich erwünscht sein, die Wirkung des Fluids auf das vordere Ende der Gasturbinenschaufeln zu minimieren und die Wirkung des vorderen Endes auf die Aerodynamik der Schaufel zu minimieren.
Verwandter Stand der Technik ist in den Dokumenten US-A-6 139 258 und EP-A-0 503 696 geoffenbart.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Schaufel des in der Einleitung beschriebenen Typs, bei dem die Auslegung der Schaufel derart ist, dass es eine Verringerung der Belastungen gibt, denen das vordere Ende während der Betriebs aufgrund der schnellen Strömung von Gas, welches an der Schaufel vorbeiströmt, ausgesetzt ist. Eine zusätzliche Aufgabe ist die Bereitstellung einer Schaufel, die derart ausgelegt ist, dass sie jede Unebenheit an dem vorderen Ende vermeidet, die zu ungünstigen Wirkungen auf die Strömung des Gases führt, das während des Betriebs vorbeiströmt, wobei die Unebenheit beispielsweise durch den Fertigungsprozess verursacht sein kann.
Die Auslegung der Schaufel muss die Ausführung einer zuverlässigen und kosteneffektiven industriellen Herstellung der Schaufeln ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die in der Einleitung beschriebene Schaufel gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das vordere Ende mit einem konkaven Bereich versehen ist, der derart ist, dass ein Staupunkt für die einströmende Gasströmung während des Betriebs in einem Abstand vor der äußeren Schaufelfläche auftritt, die den konkaven Bereich bildet, und dass die äußere Schaufelfläche dadurch zumindest im Wesentlichen vor der einströmenden Gasströmung geschützt ist. Die Form und Größe des konkaven Bereichs sind somit derart, dass der Staupunkt für die Gasströmung vor dem konkaven Bereich auftritt.
Mit Staupunkt ist ein Punkt gemeint, an dem das Fluid eine niedrige Geschwindigkeit hat oder zwischen dem Staupunkt und der Schaufel sogar stationär ist. Die Geschwindigkeit ist zumindest niedriger oder im Wesentlichen niedriger als die Geschwindigkeit des Fluids, das entlang der Seitenwände der Schaufel strömt. In anderen Worten ist das Fluid in dem Bereich des vorderen Endes und insbesondere innerhalb des konkaven Bereiches stationär oder strömt nur langsam unter Bedingungen, in denen das Fluid ansonsten schnell vorbeiströmt. Dies macht es möglich, eine Verbindung in dem konkaven Bereich zu positionieren, an dem vorderen Ende Material mit einer niedrigeren Festigkeit oder Verschleißfestigkeit zu benutzen als andernfalls notwendig, eine kleinere Dicke in dem Bereich aufzuweisen oder weniger strenge Anforderungen das Oberflächenfinish betreffend zu stellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der konkave Bereich von dem Fuß der Schaufel zu ihrer Spitze. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die erforderliche Wirkung entlang der gesamten Länge der Schaufel erzielt wird.
Gemäß der Erfindung kann eine Verbindung, wie etwa eine Schweißverbindung, die die zwei Seitenwände in dem Bereich des vorderen Endes verbindet, innerhalb des konkaven Bereichs angeordnet sein und sich darin erstrecken. Falls sich der konkave Bereich über das vordere Ende erstreckt und die Geschwindigkeit der Fluidströmung über die Breite des konkaven Bereichs variiert, wird die Verbindung in geeigneter Weise dort positioniert, wo erwartet werden kann, dass die Strömung am langsamsten ist. Normalerweise wird die Verbindung jedoch in dem Bereich einer Mittellinie für den konkaven Bereich positioniert, wobei sich die Mittellinie in einer Richtung von dem Fuß der Schaufel zu der Spitze erstreckt. Die Verbindung wird auch vorteilhafter dort positioniert, wo der konkave Bereich am tiefsten ist.
Als Ergebnis der Erfindung hat eine Verbindung, die in dem vorderen Ende der Gasturbinenschaufel angeordnet ist, die kleinstmögliche ungünstige Wirkung auf die Aerodynamik der Schaufel und wird die Wirkung auf die Verbindung eines schnell über diese strömenden Fluids minimiert und wird die Wirkung auf die durch die Verbindung geschwächten Bereiche minimiert.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist wenigstens ein Kanal durch wenigstens einen der Wandteile angeordnet, der das vordere Ende innerhalb des konkaven Bereichs bildet, und mündet der Kanal in einer der Seitenwände in einem Abstand von dem vorderen Ende. Auf diese Weise ist es möglich, die Strömung von Fluid neben der Verbindung genauer zu steuern und auch das Strömungsbild entlang der Seitenwände mittels einer geeigneten Auslegung der betreffenden Kanäle zu beeinflussen.
Der Kanal, von dem es wenigstens einen an der Zahl gibt, mündet in geeigneter Weise in einem spitzen Winkel rückwärts bezüglich einer äußeren Fläche der Seitenwand, in der der Kanal angeordnet ist, wobei die äußere Fläche den Kanal umgibt. Dies fördert eine sogenannte Grenzschichtströmung entlang der Seitenwände und bedeutet, dass die Luftströmung den äußeren Flächen der Seitenwände eng folgt.
Die Erfindung umfasst auch einen Abschnitt einer Strömungsmaschinenkomponente, wobei der Abschnitt eine erste und eine zweite Schaufelhälfte umfasst, die im Abstand angeordnet sind und dazu bestimmt sind, einen Teil der zwei angrenzenden Schaufeln in der Komponente zu bilden, die zwischen sich einen Gaskanal bilden, wobei jede der Schaufelhälften ein vorderes Ende, das dazu bestimmt ist, in Richtung einer einströmenden Gasströmung während eines Betriebs einer Strömungsmaschine zu zeigen, die die Komponente umfasst, und ein hinteres Ende umfasst. Das vordere Ende jeder der Schaufelhälften ist mit einem konkaven Bereich versehen, der derart ist, dass eine Schaufel in der Komponente, die von zwei Schaufelhälften von angrenzenden Abschnitten gebildet wird, dafür sorgt, dass der Staupunkt für die einströmende Gasströmung in einem Abstand vor einer äußeren Schaufelfläche auftritt, die den konkaven Bereich bildet, und derart, dass die äußere Schaufelfläche deshalb wenigstens im Wesentlichen vor der einströmenden Gasströmung geschützt ist. Durch Platzieren von mehreren derartigen Abschnitten nebeneinander und Verbinden von diesen ist es möglich, auf vorteilhafte Weise eine Strömungsmaschinenkomponente für eine Strömungsmaschine aufzubauen. Jeder der Abschnitte wird vorzugsweise getrennt gegossen und dann durch Schweißen verbunden. Die Schweißverbindung wird innerhalb des konkaven Bereichs positioniert.
Die Erfindung umfasst auch eine Strömungsmaschinenkomponente mit einer Vielzahl von Schaufeln, die sich in einer Radialrichtung von einem Element aus erstrecken, an dem sie befestigt sind, wobei die Schaufeln in einem Abstand zueinander in der Richtung des Umfangs der Komponente angeordnet sind, die dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens eine der Schaufeln eine Schaufel ist, die wie oben erwähnt ausgelegt ist.
Zusätzlich betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschinenkomponente, die eine Vielzahl von Abschnitten umfasst, die miteinander in der Richtung des Umfangs verbunden sind und eine kreisförmige Konstruktion bilden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens zwei der Abschnitte jeweils einen Abschnitt wie oben beschrieben bilden.
In ähnlicher Weise betrifft die Erfindung eine Gasturbine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie wenigstens eine Schaufel umfasst, die wie oben beschrieben ausgelegt ist, und eine Gasturbine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie wenigstens eine Strömungsmaschinenkomponente wie oben beschrieben umfasst.
Die Erfindung betrifft auch einen Luftfahrzeugmotor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er wenigstens eine Schaufel umfasst, die wie oben beschrieben ausgelegt ist, und einen Luft fahrzeugmotor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er wenigstens eine Strömungsmaschinenkomponente gemäß der Erfindung umfasst.
Zusätzliche Vorteile und Charakteristika der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung und aus anderen abhängigen Ansprüchen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1 ein Querschnitt von oben einer ersten Ausführungsform einer Schaufel für eine Strömungsmaschine gemäß der Erfindung ist;
2 ein Querschnitt von oben einer zweiten Ausführungsform einer Schaufel für eine Strömungsmaschine gemäß der Erfindung ist;
3 ein Querschnitt von oben einer dritten Ausführungsform einer Schaufel für eine Strömungsmaschine gemäß der Erfindung ist;
4 ein teilweise geschnittenes perspektivisches Diagramm der Schaufel in 3 ist,
5 ein Querschnitt durch eine schematisch veranschaulichte Gasturbine ist mit Gasturbinenschaufeln in Form von Führungen, Rotorschaufeln, Statorschaufeln und konstruktionstragenden Elementen ist,
6 einen gegossenen Sektor gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht zeigt und
7 eine Statorkomponente zeigt, die aus einer Vielzahl von Sektoren gemäß 6 in der Richtung ihres Umfangs aufgebaut ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Gasturbinenschaufel gemäß der Erfindung. Die Gasturbinenschaufel ist vorzugsweise eine Luftfahrzeugmotorkomponente, beispielswei se eine Leitschaufel, ein konstruktionstragendes Element oder eine Führung in einer Gasturbine. 1 zeigt nur einen Schnitt durch die Schaufel, die mit einem konkaven Bereich 7 versehen ist. Der konkave Bereich 7 und seine Funktion wird auch in Bezug auf andere Ausführungsformen detaillierter beschrieben. Es ist jedoch aus 1 ersichtlich, wie er dazu bestimmt ist, durch Erzeugung eines Staupunkts mit einer langsamen Gasströmung direkt vor dem tatsächlichen konkaven Bereich oder innerhalb von diesem eine Gasströmung 11 zu beeinflussen und die Strömung in Richtung der Außenseite des Schaufelprofils zu führen.
1 bis 3 zeigen drei Ausführungsformen der Gasturbinenschaufel. Die Gasturbinenschaufel umfasst ein vorderes Ende 1, ein hinteres Ende 2, eine erste Seitenwand 3 und eine zweite Seitenwand 4. Sie hat zusätzlich einen Fuß 5, siehe 4, an dem sie dazu bestimmt ist, an einem Rahmen, wie etwa einem Rotor oder einem Stator, befestigt zu werden, und eine Spitze 6, die in 4 im Schnitt gezeigt ist. 4 zeigt die Positionen des vorderen Endes 1, des hinteren Endes 2, des Fußes 5 und der Spitze 6. Für die Befestigung kann der Fuß 5 mit speziellen Fixiereinrichtungen versehen sein, die jedoch hier nicht gezeigt sind. Die Spitze 6 kann auch mit derartigen Fixiereinrichtungen versehen sein und kann so angeordnet sein, dass sie an einer Baukomponente, wie einem Rotor oder einem Stator, befestigt ist.
Gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform, siehe 2 bis 4, ist die Gasturbinenschaufel hohl und wird aus zwei Hälften gebildet, von denen jede eine der Seitenwände 3, 4 bildet. und die an einer Vorderkante zur Bildung des vorderen Endes 1 und an einer Hinterkante zur Bildung des hinteren Endes 2 verbunden sind. Die Hälften sind vorzugsweise aus Metall hergestellt, entweder durch Gießen oder durch Blechformung und sie werden verbunden, indem sie von außen geschweißt werden. Sie können alternativ aus irgendeinem anderen Material, beispielsweise einem Verbundmaterial hergestellt sein. Es ist gut möglich, dass das Schaufelprofil mit internen quer verlaufenden konstruktionstragenden Elementen oder ähnlichen Verstärkungselementen versehen ist. Es ist aerodynamisch mit einem Schaufelprofil ausgelegt und vorzugsweise hohl.
An dem vorderen Ende 1, das breiter als das hintere Ende 2 ist, und das während des Betriebs einem Fluid ausgesetzt wird, das in Richtung von diesem strömt, ist ein konkaver Bereich 7 angeordnet. Der konkave Bereich 7 erstreckt sich entlang des ganzen Teils der Länge der Schaufel, der während des Betriebs einem vorbeiströmenden Fluid ausgesetzt wird, geeigneterweise entlang der gesamten Länge, von dem Fuß 5 zu der Spitze 6. Es ist natürlich möglich, als Alternative einen unterbrochenen konkaven Bereich aufzuweisen. Es ist auch bevorzugt, aus Gründen, die mit der Belastungskonzentration zusammenhängen, dass der konkave Bereich in den Bereichen, wo die Schaufel befestigt ist, das heißt, an dem Fuß 5 und/oder der Spitze 6, im Vergleich zu seinem freien mittleren Bereich stärker ausgeprägt ist. Ein stärker ausgeprägter konkaver Bereich kann entweder dadurch erreicht werden, dass der konkave Bereich sich tiefer erstreckt oder dass die umgebenden Teile in diesen Bereichen langgestreckter sind.
Die Gasturbinenschaufel wird vorzugsweise vor dem Verbinden der Seitenwände 3, 4 entweder durch Formung der fertigen Seitenwände 3, 4 oder im Zusammenhang mit der Fertigung von diesen mit dem konkaven Bereich 7 versehen.
Der konkave Bereich 7 hat eine derartige Breite in einer Querrichtung zur Länge der Schaufel und eine derartige Tiefe, dass er gewährleistet, dass ein Staupunkt für die einströmende Gasströmung 11 vor der Schaufel auftritt. Dadurch ergibt sich ein langsam strömendes oder stationäres Fluid zwischen dem Staupunkt und dem konkaven Bereich während des Betriebs. Die Form des konkaven Bereichs 7 muss zusätzlich natürlich auch derart sein, dass sie gewährleistet, dass ein Staupunkt vor diesem erzeugt wird. Die Breite des konkaven Bereichs 7 entspricht vorzugsweise wenigstens 10% der maximalen Breite des vorderen Endes 1, bevorzugter wenigstens 25% der maximalen Breite des vorderen Endes und noch bevorzugter ungefähr 50% der maximalen Breite des vorderen Endes. In ähnlicher Weise entspricht die Tiefe des konkaven Bereichs 7 vorzugsweise wenigstens 10% der maximalen Breite des vorderen Endes 1, bevorzugter wenigstens 25% der maximalen Breite des vorderen Endes und noch bevorzugter ungefähr 50% der maximalen Breite des vorderen Endes. Mit maximaler Breite ist hier der Gesamtabstand zwischen den Außenflächen der Schaufel gemeint. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist die Tiefe des konkaven Bereichs genauso groß wie seine Breite. Die Gesamtbreite des vorderen Endes entspricht in diesem Fall der größten Dicke der Schaufel.
Die Verbindung, hier durch 8 angezeigt, die die Seitenwände 3, 4 an dem vorderen Ende 1 verbindet, liegt im Zentrum des konkaven Bereichs 7, an seinem tiefsten Punkt, und erstreckt sich über den ganzen Weg von dem Fuß 5 zu der Spitze 6 innerhalb des konkaven Bereichs. Als Ergebnis dieser Position der Verbindung 8 bezüglich des konkaven Bereichs 7 wird die Wirkung des Fluids auf die Verbindung 8 während des Betriebs verringert und wird in ähnlicher Weise die durch die Verbindung 8 verursachte Wirkung auf die Aerodynamik der Schaufel oder der Führungen verringert. Als Ergebnis davon kann erlaubt werden, dass die Verbindung 8 etwas von den angrenzenden umgebenden Oberflächen der Gasturbinen schaufel vorsteht, ohne infolgedessen die Aerodynamik in bedeutender Weise zu beeinträchtigen.
3 und 4 zeigen eine dritte Ausführungsform der Gasturbinenschaufel gemäß der Erfindung. Der einzige Unterschied im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform ist, dass die Schaufel Kanäle 9, 10 umfasst, die an dem vorderen Ende 1 in dem konkaven Bereich 7 auf jeder Seite der Verbindung 8 angeordnet sind. Es sollte erkannt werden, dass in einem solchen Fall die Gasturbinenschaufel mit einer oder zwei parallelen Reihen solcher Kanäle versehen sein sollte, wobei sich jede Reihe in der Längsrichtung der Schaufel oder der Führung erstreckt. Die Kanäle 9, 10 erstrecken sich schräg nach hinten in dem homogenen Wandmaterial und münden an den Außenflächen der Seitenwände 3, 4. Als Ergebnis der Kanäle 9, 10 wird eine Strömung von Fluid durch die Gasturbinenschaufel ermöglicht. Mittels einer geeigneten Auslegung der Kanäle 9, 10 ist es möglich, die Position des Staupunkts vor dem konkaven Bereich 7 zu beeinflussen und auch eine sogenannte Grenzschichtströmung an den Außenflächen der Seitenwände 3, 4 in dem Bereich zu erreichen, wo die Kanäle 9, 10 münden. Auf diese Weise kann eine Strömung nahe bei den Außenflächen gefördert werden. Geeigneterweise sind die Kanäle 9, 10, von einer Mittellinie durch die Gasturbinenschaufel aus gesehen oder betrachtet, von der Schweißverbindung 8 schräg nach außen und nach hinten gerichtet, um die Strömung von Fluid durch diese zu fördern. Die Kanäle erstrecken sich nur durch homogenes Material ohne Strömungsverbindung mit dem zentralen Hohlraum der Schaufel, wenn ein solcher vorhanden ist. Es sollte betont werden, dass die Anordnung der Kanäle 9, 10 nicht notwendigerweise mit den Charakteristika kombiniert werden muss, die den konkaven Bereich und die Position der Schweißverbindung gemäß der Erfindung betreffen, sondern auch mit einem herkömmlichen Gasturbinenschaufelprofil kombiniert werden und somit an sich der Gegenstand einer Erfindung sein könnte.
5 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Gasturbine 13 mit einem Stator 14 und einem Rotor 15, der in dem Stator über konstruktionstragende Elemente 16 in bekannter Weise derart aufgehängt ist, dass er sich drehen kann. Irgendwelche Lager sind hier jedoch nicht veranschaulicht. Der Stator ist in bekannter Weise mit einem (nicht gezeigten) Luftfahrzeugflügel verbunden. Eine erste Kompressorstufe ist stromaufwärtig von den konstruktionstragenden Elementen 16 angeordnet, das heißt, in der Figur links von diesen, in welchen Reihen von Rotorschaufeln 17 und Reihen von Statorschaufeln 18 abwechselnd in der Richtung der Luftströmung angeordnet sind. Es gibt eine zweite Kompressorstufe stromabwärtig von den konstruktionstragenden Elementen 16, auch mit abwechselnden Reihen von Rotorschaufeln 17 und Reihen von Statorschaufeln 18. Stromabwärtig von der zweiten Kompres sorstufe gibt es eine Verbrennungskammer 19, in der über (nicht gezeigte) Kraftstoffeinspritzeinrichtungen der komprimierten Luft Kraftstoff zugeführt wird und eine Verbrennung stattfindet. Stromabwärtig von der Verbrennungskammer 19 gibt es die tatsächliche Gasturbinenstufe, die, wie die Kompressorstufen, Reihen von Rotorschaufeln 20 und Reihen von Statorschaufeln 21 umfasst, die, in der Richtung des Gasströmung gesehen, abwechselnd angeordnet sind.
Um den Stator 14 herum ist ein Gebläsekanal 22 angeordnet. An dem Einlass von diesen und von der ersten Kompressorstufe ist der Rotor 15 mit einer ersten Reihe von Rotorschaufeln 23 vorgesehen. Stromabwärtig von diesem gibt es in dem Gebläsekanal 22 wenigstens eine Reihe von aerodynamischen Führungen 24. Jedes der konstruktionstragenden Elemente 16 in den Reihen der vorher erwähnten konstruktionstragenden Elemente 16 erstreckt sich stromabwärtig von den Führungen 24 auch radial durch den Gebläsekanal 22.
Wenigstens eine der Führungen 24 in dem Gebläsekanal 22, eines der konstruktionstragenden Elemente 16 in dem Kompressorluftkanal und/oder in dem Gebläsekanal 22 und auch eine der Rotorschaufeln 20 und der Statorschaufeln 21 in der Gasturbinenstufe ist vorteilhafterweise mit einem Profil wie etwa demjenigen versehen, welches die Erfindung kennzeichnet und irgendeines von jenen sein kann, die oben für eine Gasturbinenschaufel beschrieben worden sind. In anderen Worten kann irgendeine der Führungen, Rotorschaufeln und Statorschaufeln eine Gasturbinenschaufel gemäß der Erfindung bilden. Es ist auch möglich, Rotorschaufeln 17 und Statorschaufeln 18 in den Kompressorstufen in Übereinstimmung mit der Erfindung auszulegen.
6 bzw. 7 zeigen, wie ein Abschnitt 25 und eine aus einer Vielzahl von derartigen Abschnitten aufgebaute Gasturbinenkomponente aufgebaut sein können. Die Gasturbinenkomponente bildet vorzugsweise einen Teil einer Gasturbine, die wiederum einen Teil eines Luftfahrzeugsmotors bildet.
Der Abschnitt 25, der einen Sektor eines Kreises in einer Gasturbinenkomponente bildet, hat einen Gaskanal 26, der im Wesentlichen in einer Axialrichtung verläuft. Es ist auch möglich, dass es einen oder mehrere Gaskanäle gibt, die in einer Radialrichtung für eine (nicht gezeigte) Kompressorströmung, und in bestimmten Fällen auch für eine Gebläseströmung, verlaufen.
Der Abschnitt 25 umfasst Schaufelhälften 27, 28, die den Seitenwänden oder Gasturbinenschaufelhälften 3, 4 entsprechen, die oben beschrieben worden sind, und die zwischen sich den Gaskanal 26 in der Richtung des Umfangs der Statorkomponente begrenzen.
Wenn zwei Abschnitte 25 verbunden sind, bildet eine Schaufelhälfte 26 zusammen mit einer entsprechenden Schaufelhälfte an dem angrenzenden Abschnitt ein konstruktionstragendes Element 29 gemäß der Erfindung, beispielsweise das konstruktionstragende Element 16 in 4.
Der Abschnitt 25 umfasst zusätzlich einen Wandteil 30, der sich tangential zwischen den Schaufelhälften 27, 28 erstreckt und den Gaskanal 26 radial nach außen bildet, und einen Wandteil 31, der sich tangential zwischen den Schaufelhälften 27, 28 erstreckt und den Gaskanal 26 radial nach innen bildet.
Der die Schaufelhälften 27, 28 umfassende Abschnitt 25 hat Endteile, die eine langgestreckte durchgehende Oberfläche 32 umfassen, die den Abschnitt 25 in der Richtung des Umfangs bildet und die dazu bestimmt ist, geschweißt zu werden. Es kann somit gesagt werden, dass die Schweißfläche aus einer durchgehenden Kurve besteht.
Einige unterschiedliche Schweißverfahren sind möglich, aber vorzugsweise werden Laser- oder Elektronenstrahlschweißen verwendet.
Die ersten und zweiten Schaufelhälften 27, 28 erstrecken sich somit im Wesentlichen in der Radialrichtung der Komponente 25. Zusätzlich haben sie ein Ausmaß, das im Wesentlichen in der Axialrichtung der Komponente verläuft.
Der Abschnitt 25 hat zusätzlich einen gekrümmten Plattenabschnitt 33 zum Begrenzen des Sektors radial nach innen und einen gekrümmten Plattenabschnitt 34 zum Begrenzen des Sektors radial nach außen.
Nach dem Platzieren der Sektoren nebeneinander in der Richtung des Umfangs, siehe 2, werden die Sektoren somit durch Schweißen der angrenzenden Ränder der Sektoren in einer Radialrichtung miteinander verbunden. Dadurch werden die konstruktionstragenden Elemente 29 gebildet.
Eine Vielzahl von Abschnitten 25, 35, die identisch sind oder die unterschiedlich sind, aber identische Querschnitte haben, die in Übereinstimmung mit der obigen Beschreibung aufgebaut sind, sind somit nebeneinander angeordnet, siehe 6.
Die Statorkomponente kann beispielsweise ein Einlassteil, ein Zwischengehäuse, ein Turbinenauslassgehäuse, das heißt ein Endgehäuseteil, oder einen Teil von diesem, für eine Gasturbine bilden. Ihre Hauptaufgabe ist es, als eine Befestigung für Lager und zum Übertragen von Lasten zu wirken und einen Kanal für Gase bereitzustellen.
Es sollte erkannt werden, dass für den Fachmann auf diesem Gebiet eine Reihe von Alternativbeispielen für die Gasturbinenschaufel und das Verfahren zur Fertigung von dieser offensichtlich sind, ohne den Schutz zu umgehen, der durch die Erfindung bereitgestellt wird, wie sie in den angehängten Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen definiert ist.
Beispielsweise deckt die Erfindung auch Herstellungsverfahren ab, bei denen die Gasturbinenschaufel aus einer Reihe von Abschnitten von ihrem vorderen Ende zu ihrem hinteren Ende besteht. In anderen Worten wird die Montage dann durch Verbinden einer Gesamtheit von mehr als zwei Teilen, aber durch Verbinden von zwei Teilen zur Schaffung des vorderen Endes ausgeführt. Die Erfindung beinhaltet, dass eine Verbindung an dem vorderen Ende an einem Bereich ausgeführt wird, wo, bevor oder nachdem das tatsächliche Verbinden ausgeführt wird, ein konkaver Bereich an der Position der Verbindung angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung erstrecken sich die Seitenwände jedoch genau bis hoch zu sowohl dem vorderen Ende 1 als auch dem hinteren Ende 2 und bilden beide.
Die Dicke der Wände der Gasturbinenschaufeln gemäß der Erfindung kann variieren und sich beträchtlich von dem unterscheiden, was hier gezeigt ist, ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen. In ähnlicher Weise kann das Material, aus dem die betreffende Gasturbinenschaufel gebaut ist, variieren, beispielsweise abhängig von ihrer Position und somit der Betriebsumgebung. Es ist beispielsweise gut möglich, dass die Gasturbinenschaufel gemäß der Erfindung aus Metall, einen Kunststoffmaterial, einem Verbundmaterial oder einem Verbindungsmaterial gebaut ist oder es wenigstens umschließt. Sie kann entweder nur an ihrem Fuß, wie bei den Rotorschaufeln 20 oder Statorschaufeln 21, oder sowohl an dem Fuß 5 als auch der Spitze 6 befestigt sein, wie bei den Führungen 24 und den konstruktionstragenden Elementen 16.
Es sollte auch erkannt werden, dass, obwohl die Turbine, in der die Gasturbinenschaufel gemäß der Erfindung angeordnet ist, vorzugsweise einen Luftfahrzeugmotor bildet, sie auch eine stationäre Turbine irgendeiner Art sein kann, in der es zu erwarten ist, dass ein Fluid, wie etwa Luft oder Gas, an der betreffenden Gasturbinenschaufel mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmt.
Der Begriff "Schaufelhälfte" ist nicht so zu verstehen, dass der betreffende Teil als genau eine halbe Schaufel definiert sein muss. Es ist gut möglich, dass eine Schaufelhälfte beispielsweise 3/4 der Schaufel bildet, während die zugehörige Schaufelhälfte das verbleibende 1/4 bildet.
Es ist auch möglich, dass innerhalb des Rahmens der folgenden Ansprüche die Schaufel massiv, das heißt, nicht hohl, ist.
Gemäß einem Beispiel umfasst ein Verfahren zur Fertigung der Schaufel die Schritte des Formens, vorzugsweise durch Gießen, Schmieden oder Spritzgießen, von wenigstens einem Rohling zur Schaffung einer ersten Seitenwand und einer zweiten Seitenwand, des Verbindens der Seitenwände zur Schaffung des vorderen Endes und des Formens der Seitenwände in solcher Weise, dass ein konkaver Bereich an dem vorderen Ende gebildet wird. Das Formen kann im Zusammenhang mit dem Erstellen der einzelnen Seitenwand oder durch Umformen von dieser, nachdem sie hergestellt worden ist, ausgeführt werden. Die Seitenwände werden innerhalb des konkaven Bereichs zusammengeschweißt.

Claims

Schaufel, die während des Betriebs einer die Schaufel umfassenden Strömungsmaschine dazu bestimmt ist, einer Gasströmung (11) mit hoher Geschwindigkeit ausgesetzt zu werden, wobei die Schaufel ein vorderes Ende (1), das dazu ausgelegt ist, in Richtung der einströmenden Gasströmung (11) zu zeigen, und ein hinteres Ende (2) umfasst, wobei das vordere Ende (1) mit einem konkaven Bereich (7) versehen ist, der so angeordnet ist, dass während des Betriebes ein Staupunkt für die einströmende Gasströmung (11) in einem Abstand vor einer äußeren Schaufelfläche (12) auftritt, die den konkaven Bereich (7) bildet, und wobei die äußere Schaufelfläche (12) deshalb zumindest im Wesentlichen vor der einströmenden Gasströmung geschützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel eine erste und eine zweite Seitenwand (3, 4) umfasst, und dass eine Verbindung (8), die die erste und zweite Seitenwand (3, 4) verbindet, innerhalb des konkaven Bereiches (7) angeordnet ist.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Bereich (7) sich von dem Fuß (5) der Schaufel zu ihrer Spitze (6) erstreckt.
Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Bereich (7) im Wesentlichen zentral in dem vorderen Ende bezüglich einer ersten und einer zweiten Außenwand (103, 104) angeordnet ist, die die Schaufel in Querrichtung definieren.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des konkaven Bereichs (7) in der Querrichtung der Schaufel wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 25% und vorzugsweise ungefähr 50% der Breite des vorderen Endes (1) entspricht.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des konkaven Bereichs (7) wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 25% und vorzugsweise ungefähr 50% der Breite des vorderen Endes (1) entspricht.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (3, 4) aus Metall oder Verbundmaterial hergestellt sind und dass die Verbindung (8) eine Schweißverbindung ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kanal (9, 10) durch wenigstens einen der Wandteile angeordnet ist, der das vordere Ende (1) innerhalb des konkaven Bereichs (7) bildet, und dass der Kanal (9, 10) sich im Abstand von einem äußersten Teil des vorderen Endes (1) befindet.
Schaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kanal (9, 10) in einem spitzen Winkel rückwärts bezüglich einer äußeren Fläche des Wandteils mündet, der den Kanal (9, 10) umgibt und in dem er angeordnet ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Luftfahrzeugmotorkomponente in einem Luftfahrzeugmotor bildet, der mit einer Gasturbine versehen ist, und sie im Betrieb einer Strömung von Fluid ausgesetzt ist, die mit hoher Geschwindigkeit in einer Richtung von dem vorderen Ende (1) des Profils in Richtung seines hinteren Endes (2) strömt.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein konstruktionstragendes Element (16) ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Führung (24) in einem Gasturbinenstator (14) ist.
Abschnitt einer Strömungsmaschinenkomponente, wobei der Abschnitt eine erste und eine zweite Schaufelhälfte (27, 28) umfasst, die im Abstand angeordnet sind und dazu bestimmt sind, einen Teil von zwei angrenzenden Schaufeln (29) in der Komponente zu bilden, die zwischen sich einen Gaskanal (26) bilden, wobei jede der Schaufelhälften (27, 28) ein vorderes Ende, das dazu ausgelegt ist, in Richtung einer einströmenden Gasströmung während eines Betriebs einer Strömungsmaschine zu zeigen, die die Komponente umfasst, und ein hinteres Ende umfasst, wobei das vordere Ende jeder der Schaufelhälften mit einem konkaven Bereich (7) versehen ist, der so angeordnet ist, dass eine Schaufel in der Komponente, die von zwei Schaufelhälften von angrenzenden Abschnitten gebildet wird, dafür sorgt, dass der Staupunkt für die einströmende Gasströmung (11) in einem Abstand vor einer äußeren Schaufelfläche (12) auftritt, die den konkaven Bereich (7) bildet, und dass die äußere Schaufelfläche (12) deshalb wenigstens im Wesentlichen vor der einströmenden Gasströmung geschützt ist.
Strömungsmaschinenkomponente mit einer Vielzahl von Schaufeln, die sich in einer Radialrichtung von einem Element aus erstrecken, an dem sie befestigt sind, wobei die Schaufeln in einem Abstand zueinander um den Umfang der Komponente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schaufel eine Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ist.
Strömungsmaschinenkomponente mit einer Vielzahl von Abschnitten, die miteinander in der Richtung des Umfangs verbunden sind und eine kreisförmige Konstruktion bilden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Abschnitte jeweils einen Abschnitt nach Anspruch 12 bilden.
Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.
Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Komponente nach Anspruch 14 umfasst.
Luftfahrzeugmotor, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens eine Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.
Luftfahrzeugmotor, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens eine Komponente nach Anspruch 14 umfasst.