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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration
insbesondere für
hoch belastete Einkristallturbinenlaufschaufeln.
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Hochdruckturbinenlaufschaufeln
in modernen Turbostrahlmaschinen werden typischerweise aus gegossenen
Nickellegierungen hergestellt, die speziell gebildet werden, um
als ein Einkristall zu verfestigen. Diese Legierungen haben eine
Kristallstruktur, die sehr richtungsabhängige Eigenschaften besitzt.
Der Elastizitätsmodul
kann sich abhängig
von der Richtung um mehr als 2:1 ändern. Er ist über die Ecken
es Kristallwürfels
am höchsten
und parallel zu den Rändern
des Kristallwürfels
am niedrigsten. Andere Eigenschaften wie das Poisson'sche Verhältnis variieren
auch dramatisch.
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Diese
Laufschaufeln benötigen
beträchtliche Kühlluft,
um zu überleben,
weil die Gaswegtemperaturen deutlich über dem Schmelzpunkt des Laufschaufelmaterials
sind. Kühlluft
muss durch den Befestigungsbereich zugeführt werden, der typischerweise
eine Tannenbaumgestalt hat, um die Laufschaufel in den geräumten oder
herausgearbeiteten Scheibenschlitzen zu halten, die eine passende
Tannenbaumgestalt haben. Mit der Zunahme der Größe und des Gewichts des Strömungsprofils
bringt die Quetschbelastung der Haltekräfte hohe Druckkräfte über die
Luftpassagen auf, denen durch Druckspannung in den Rippen, welche
die einzelnen Luftpassagen separieren, widerstanden werden muss,
siehe z.B. EP-A-1 041 246.
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Die
stark richtungsabhängigen
Eigenschaften der Einkristalllegierung verursachen sehr hohe konzentrierte
Spannungen in den Rippen zwischen den Luftpassagen. Die konzentrierte
Spannung an einem Punkt in einem aus einer Einkristalllegierung hergestellten
Teil kann folgendermaßen
beschrieben werden: Konzentrierte Spannung an einem Punkt = [P/A
+/– Mc/l]·Kt·kc, wobei
gilt:
- [P/A +/– Mc/l]
- = Nominalschnittspannungen
an einem Punkt;
- Kt
- = lokaler Spannungsmultiplikator infolge
der örtlichen
Geometrie für equiaxiale
Materialien; und
- Kc
- = lokaler Spannungsmultiplikator infolge
der Gesamtteilgeometrie und der Kristallorientierung relativ zu
dieser Geometrie.
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Konventionelle
Strömungspassagen
und Rippengeometrie erzeugen sehr hohe konzentrierte Spannungen
in modernen Laufschaufeln, die sowohl hohe radiale Belastungen als
auch hohe Quetschbelastungen an der Befestigung haben. Diese hohen Spannungen
verursachen eine plastische kompressive Umverteilung von Spannung,
was zu Zugspannungen an Teilen der kompressiven Rippen und Rippen-Rissbildung
führt.
Konventionelle Befestigungen haben sich als sehr sensitiv auf Kc-Effekte
herausgestellt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Folglich
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration
mit einem Befestigungsbereich mit einer Kern-/Rippen-konfiguration bereitzustellen,
welche die konzentrierten Spannungen verringert und dabei die erforderlichen
Strömungsparameter
und Druckverlustparameter in den Kühlpassagen beibehält.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration bereitzustellen, welche das
Rippenspannungsproblem löst,
ohne die Gesamtgröße und das
Gesamtgewicht der Befestigung und der abstützenden Scheibe zu erhöhen.
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Die
vorangegangenen Ziele werden durch die Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration
der vorliegenden Erfindung erzielt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration für eine Turbinenlaufschaufel
eine Befestigung mit einem Wurzelbereich mit einer Mittelebene und
einer Mehrzahl von Einlässen
in dem Wurzelbereich der Befestigung auf, die mit mindestens zwei
Strömungspassagen
in der Laufschaufel kommunizieren. Jeder der Einlässe kommuniziert
mit einem Zuführhohlraum und
empfängt
ein Kühlfluid,
beispielsweise Kühlluft. Jeder
der Einlässe
hat eine nicht-kreisförmige
Gestalt mit einer Hauptachse, wobei die Hauptachse im Wesentlichen
normal zu einer Mittelachse der Mittelebene des Wurzelbereichs ist.
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Andere
Details der Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration der vorliegenden
Erfindung sowie weitere damit einhergehende Vorteile werden in der
folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen
dargelegt, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine konventionelle Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration im Teilschnitt;
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2 zeigt
eine Ansicht von unten der Befestigungs- und -Lufteinlasskonfiguration
von 1;
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3 ist
eine entlang der Linien 3-3 von 2 genommene
Schnittansicht;
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4 ist
eine Seitenansicht einer Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration gemäß der vorliegenden
Erfindung im Teilschnitt;
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5 ist
eine Ansicht von unten der Befestigungs- und -Lufteinlasskonfiguration
von 4; und
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6 ist
eine Schnittansicht, die entlang der Linien 6-6 von 5 genommen
ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
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Es
wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 bis 3 zeigen
eine konventionelle Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration für eine Laufschaufel 8 mit
einem tannenbaumförmigen
Befestigungsbereich 16 zum Verbinden der Laufschaufel 8 mit
einer (nicht gezeigten) Scheibenstruktur. Wie in den 1 und 3 gezeigt,
hat der Befestigungsbereich 16 einen Minimal-Verjüngungsbereich 14 und
einen Kernabschnitt 15, der eine Mehrzahl von Rippen 10 aufweist,
die Lufteinlässe 18 zum
Zuführen
von Kühlluft
zu Passagen in der Laufschaufel 8 definieren. Wie man aus 1 erkennen
kann, haben die Rippen 10 eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke
in den Bereichen über
und unter dem minimalen Verjüngungsabschnitt 14.
Bei diesem Typ von Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration sind die
Rippen 10 in dem Bereich 12 unter dem minimalen
Verjüngungsabschnitt 14 des
tannenbaumförmigen
Befestigungsbereichs 16 hoch druckbelastet. Das ist dort,
wo die konzentrierten Spannungen am höchsten sind wegen beiden, den
lokalen Geometrieeffekten (Kt) und wo die richtungsmäßigen Steifigkeitseffekte
(Kc) am meisten ausgeprägt
sind. Wie man aus 2 erkennen kann, haben die Lufteinlässe 18 in dieser
Konfiguration eine längliche
Gestalt mit einer Hauptachse, die entlang der Mittelachse 20 der
Laufschaufelwurzel-Mittelebene liegt.
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Es
wird nun auf die 4 bis 6 Bezug genommen.
Die Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration 39 der vorliegenden
Erfindung ändert
die Kernkonfiguration in dem untersten Tannenbaumbereich 32 unter
dem minimalen Abschnitt 34 des Tannenbaums 36.
Die Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration der vorliegenden Erfindung
liefert eine erhöhte
Anzahl von Rippen 36 in dem Kernabschnitt zum Definieren
einer erhöhten
Anzahl von Lufteinlässen 39. Wie
man aus 5 erkennen kann, haben die Lufteinlässe 39 jeweils
eine elliptische Gestalt, wobei die Hauptachse eines jeden Lufteinlasses 39 normal
zur Laufschaufelwurzel-Mittelebene 41 ist. Jeder der Einlässe 39 befindet
sich in Kommunikation mit einem Einlassplenum 47 und erhält ein Kühlfluid,
beispielsweise Luft, von diesem. Die Gesamtdicke und die Gesamtquerschnittsfläche von
allen Rippen 38 über dem minimalen
Abschnitt 34 bleibt unverändert, um den Strömungsquerschnitt
für die
Kühlluft
zu bewahren.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wurde unterhalb dem minimalen Verjüngungsabschnitt 34 mehr Rippenquerschnittsfläche vorgesehen,
indem jede der Rippen 38 in der Nähe der Laufschaufelwurzel-Mittelebene 41 länger gemacht
wurde und jede der Rippen 38 in einem Bereich unterhalb
des minimalen Verjüngungsabschnitts
mit einer variablen Dicke versehen wurde, die größer ist als die Dicke in dem
Bereich über
dem minimalen Verjüngungsabschnitt.
Eine der Rippen 38 ist eine Hauptrippe, welche den Kernabschnitt
in zwei Strömungspassagen 52 und 54 teilt.
Die anderen Rippen 38 sind in den zwei Strömungspassagen 52 und 54 gleich
beabstandet und bilden Serien von Einlasskanälen 56. Das erzeugt
Serien von Kernabschnitten an dem minimalen Verjüngungsabschnitt 34,
die nahe bei einem Dimensionsverhältnis von 1 sind. Das erlaubt auch
die Entwicklung von Einlasskanälen 56 unterhalb
des minimalen Verjüngungsabschnitts 34,
welche eine Anordnung von annähernd
elliptischen Schnitten haben, deren Hauptachse normal zur Laufschaufelwurzel-Mittelebene
ist.
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Die
vergrößerte Länge der
Rippen 38 verringert tendenziell den Strömungsquerschnitt
in das Einlassplenum 47 unterhalb der Laufschaufelbefestigung.
Um das anzusprechen, ist die Befestigung 36 in der vorliegenden
Erfindung mit einer abgerundeten unteren Oberfläche 46 versehen, um
zusätzlichen Querschnitt
an den Seitenrändern 60 zu
schaffen, um den Strömungsquerschnitt
zu kompensieren, der als Folge der vergrößerten Länge der Rippen 38 in
der Nähe
der Mittelebene 41 verloren gegangen ist.
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Um
die Übergangsoberflächen der
Kernluftpassagen zwischen dem Boden der Laufschaufelwurzel 57 und
dem minimalen Verjüngungsabschnitt 34 zu
definieren, wurden zwei Profile für jede Oberfläche generiert.
Ein Profil war an der Laufschaufelwurzel-Mittelebene 41 und
das andere war an einer Ebene normal zur Laufschaufelwurzel-Mittelebene durch
die Mitte des elliptischen Abschnitts. Das Obere eines jeden Profils
ist durch den minimalen Verjüngungsabschnitt 34 definiert.
Mehrere zusätzliche
Abschnitte wurden parallel zu und unterhalb des minimalen Verjüngungsabschnitts
konstruiert, um an die vertikalen Profile anzuformen. Jeder war
als praktisch elliptisch mit Berücksichtigung
der Zugbedürfnisse
für keramische
Kernproduktion definiert. Schließlich wurden 3D-Oberflä chen erzeugt
(aus den Abschnitten und den Profilen), um den Übergangsbereich der Kernluftpassagen
zu definieren. Das erzeugte glatte Übergangsoberflächen, so
dass der Strömungsquerschnitt
allmählich
von den großen
Ellipsen an dem Kühllufteinlass 39 zu
dem existierenden Strömungsquerschnitt
an dem Minimalquerschnitt-Verjüngungsabschnitt 34 verringert
ist. Mit anderen Worten hat jeder der Einlasskanäle einen ersten Strömungsquerschnitt
an dem minimalen Verjüngungsabschnitt
und einen größeren variablen
Strömungsquerschnitt
unterhalb des minimalen Verjüngungsabschnitts.
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Indem
man die Befestigung-Lufteinlasskonfiguration der vorliegenden Erfindung
schafft, ist der Eintrittsverlust für die Kühlluftströmung verringert, indem ein
größerer Strömungsquerschnitt
und ein größerer Lippenumfang
an dem Punkt geschaffen ist, wo die Strömung abbiegt, um in den Kernbereich
an dem Boden 57 der Befestigung einzutreten. Diese Verringerung
beim Eintrittsverlust kompensiert den höheren internen Strömungsverlust,
der durch die Zunahme an benetztem Umfang der Strömungshohlräume infolge
der größeren Anzahl
an kleineren Strömungspassagen
verursacht ist.
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Bei
einer Einkristallstruktur hergestellte Laufschaufeln ist typischerweise
eine der Richtungen mit niedrigem Modul radial orientiert, um die
Schwingungsfrequenz der Laufschaufel im ersten Biegemodus zu verringern.
Die Teile können
während
des Gießprozesses
geimpft werden, um die sekundäre Kristallorientierung
(Rotation des Kristalls um die primäre Orientierungsrichtung) zu
definieren, aber das erhöht
die Kosten.
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Spannung
in der Laufschaufelbefestigung wird durch die sekundäre Orientierung
des Kristalls beeinflusst (Kc-Effekt). Traditionelle Kern-Rippen-Konfigurationen,
wie in den 1 bis 3 gezeigt,
sind durch die Kt- und Kc-Effekte stark beeinflusst, und in großen, sehr
hoch belasteten Befestigungen müsste
die Laufschaufel geimpft werden, um die Druckspannung zu minimieren
und Rippen-Rissbildung zu verhindern. Die optimale Rippengeometrie würde von
der gewählten
sekundären
Orientierung abhängen.
Das kommt, weil der Kc-Kern in der Spannungsgleichung in großem Maße das Ergebnis
des Änderns
des Belastungspfads mit der Änderung
der sekundären
Orientierung ist.
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Durch
3D-Spannungsanalyse wurde gezeigt, dass die hier beschriebene Konfiguration
für die
sekundäre
Orientierung relativ unempfindlich ist. Dieser Vorteil kann auf
einem von zwei Weisen genutzt werden: (a) Zulassen von zufälliger sekundärer Orientierung
und Bewirken von Kosteneinsparungen; und (b) Verwenden der sekundären Kristallorientierung
zum Lösen
anderer Spannungs- oder Herstellungsprobleme.
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Die
Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration der vorliegenden Erfindung
minimiert die maximale Druckspannung in der Befestigung infolge
der kombinierten Effekte von Kc (lokale Geometrie) und Kc (Gesamtgeometrie
und richtungsabhängiger
variabler Modul) in den kompressiven Rippen einer Laufschaufelbefestigung.
Die Konfiguration der vorliegenden Erfindung liefert eine effiziente
Lösung
(minimales Gewicht) für
die kombinierten Probleme des Kühlströmungsdruckabfalls,
der hoch konzentrierten Druckspannung und der Spannungs-Rissbildung
der Druckrippen infolge von plastischer Umverteilung des Einkristallmaterials
entlang der kubischen und oktahedralen Scherebenen des Materials.
Die Rippengeometrie in der Konfiguration der vorliegenden Erfindung
ist relativ unempfindlich für
die sekundäre Kristallorientierung,
was es dem Teil erlaubt, eine zufällige sekundäre Kristallorientierung
zu nutzen (Kosten zu minimieren) oder eine Kristallorientierung
zu spezifizieren, um Probleme in anderen Bereichen der Laufschaufel
zu lösen.
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Obwohl
es bevorzugt ist, lediglich eine Hauptrippe zu haben, welche zwei
Strömungspassagen
in der Laufschaufel bildet, ist es möglich, mehr als zwei Strömungspassagen
mit den Rippen 38 zu bilden, falls das gewünscht ist.
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Es
ist ersichtlich, dass gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Befestigungs-Lufteinlasskonfiguration für hoch belastete
Einkristallturbinenlaufschaufeln bereitgestellt wurde, welche die
Ziele, Mittel und Vorteile, die vorangehend dargelegt wurden, vollständig erfüllt. Obwohl
die Erfindung in dem Kontext einer speziellen Ausführungsform
davon beschrieben wurde, sollte ersichtlich werden, dass andere Modifikationen,
Alternativen und Abwandlungen Fachleuten, die die vorangegangene
Beschreibung gelesen haben, ersichtlich werden. Deshalb ist es beabsichtigt,
dass diese Modifikationen, Alternativen und Variationen als in den
breiten Umfang der angefügten
Ansprüche
fallend eingeschlossen sind.