EP2692989A2 - Niedermodulige Gasturbinenverdichterschaufel - Google Patents

Niedermodulige Gasturbinenverdichterschaufel Download PDF

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EP2692989A2
EP2692989A2 EP13003790.6A EP13003790A EP2692989A2 EP 2692989 A2 EP2692989 A2 EP 2692989A2 EP 13003790 A EP13003790 A EP 13003790A EP 2692989 A2 EP2692989 A2 EP 2692989A2
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EP
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compressor
compressor blade
leading edge
modulus
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/303—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine compressor blade, in particular an aircraft gas turbine or a stationary turbine, which has an airfoil, which is attached to a blade root.
  • the compressor blade has an inlet edge or leading edge, which is also referred to as the blade leading edge.
  • erosion-resistant materials known from the prior art are unsuitable as materials for compressor blades. Even erosion-resistant coatings prove to be in practice as not suitable because they are effective only at very small particle sizes.
  • the invention has for its object to provide a Fluggasturbinenverêtrschaufel, which has a high erosion resistance with a simple structure and simple, cost manufacturability.
  • At least the region of the leading edge of the compressor blade is made of a material which has a very low modulus of elasticity.
  • a suitable, low modulus of elasticity is on the order of 50 GPa.
  • the compressor blade according to the invention thus has in the region of the leading edge, due to the low modulus of elasticity, a relatively large elasticity, so that an impact of a foreign body, such as a sand particle or stone, by the elasticity of the material in the region of the leading edge does not cause damage , In particular, this results in no or only a very small erosion, compared with the known from the prior art compressor blades.
  • At least the region of the leading edge is made of a titanium alloy of the types Ti 28Nb 1 Fe 0.5Si, Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 or Ti-24Nb-4Zr-8Sn.
  • a titanium alloy of the types Ti 28Nb 1 Fe 0.5Si, Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 or Ti-24Nb-4Zr-8Sn.
  • the erosion wear can be reduced by about 50% compared to compressor blades, which are made of conventional alloys, such as Ti64.
  • the erosion wear can be reduced by 30%.
  • the entire compressor blade from the o.g. Titanium alloy to produce the low modulus or only produce parts of the compressor blade made of this material.
  • the leading edge is designed in the form of an entry edge element, which is connected to the airfoil of the compressor blade by means of a welding process.
  • a welding process is particularly advantageous.
  • the blade itself can be made according to the invention of one of the usual titanium alloys, for example Ti64, Ti6246 or Ti6242.
  • this preferably extends to just before the blade root, in the direct transition of the blade root, it is not necessary to apply or use the alloy according to the invention.
  • the compressor blade according to the invention which can be designed as a single compressor blade, as a blisk blade or as a fan blade, is thus highly resistant to erosion and damage by foreign bodies.
  • the invention thus also relates to a method for producing a compressor blade, in which an inlet edge element is manufactured separately and connected to the blade by means of a welding process, in particular a laser welding process, wherein the inlet edge element of a low-modulus (with respect to the modulus of elasticity) titanium alloy, for example is made of Ti 28Nb 1 Fe 0.5Si or of or Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 or of Ti-24Nb-4Zr-8Sn, and / or an alloy having an E-modulus of substantially 50 to 70 GPa, and wherein the airfoil is made of an alloy known in the art.
  • a low-modulus (with respect to the modulus of elasticity) titanium alloy for example is made of Ti 28Nb 1 Fe 0.5Si or of or Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 or of Ti-24Nb-4Zr-8Sn, and / or an alloy having an E-modulus of substantially 50 to 70 GPa, and wherein the airfo
  • the invention also relates to the use of a low-modulus (modulus of elasticity) titanium alloy, for example Ti 28Nb 1 Fe 0.5Si or Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 or Ti-24Nb-4Zr-8Sn, in particular for the leading edge region of a compressor blade ,
  • a low-modulus (modulus of elasticity) titanium alloy for example Ti 28Nb 1 Fe 0.5Si or Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 or Ti-24Nb-4Zr-8Sn
  • the gas turbine engine 10 is an example of a turbomachine to which the invention may find application. However, it will be understood from the following that the invention can be used with other turbomachinery as well.
  • the engine 10 is conventionally formed and includes in the flow direction one after another an air inlet 11, a fan 12 circulating in a housing, an intermediate pressure compressor 13, a high pressure compressor 14, combustion chambers 15, a high pressure turbine 16, an intermediate pressure turbine 17 and a low pressure turbine 18 and an exhaust nozzle 19, which are all arranged around a central engine axis 1.
  • the intermediate pressure compressor 13 and the high pressure compressor 14 each include a plurality of stages, each of which includes a circumferentially extending array of fixed stationary vanes 20, commonly referred to as stator vanes, that radially inwardly from the engine casing 21 in an annular flow passage through the compressors 13, 14 protrude.
  • the compressors further include an array of compressor blades 22 projecting radially outward from a rotatable drum or disc 26 coupled to hubs 27 of high pressure turbine 16 and intermediate pressure turbine 17, respectively.
  • the turbine sections 16, 17, 18 have similar stages, comprising an array of fixed vanes 23 projecting radially inward from the housing 21 into the annular flow passage through the turbines 16, 17, 18, and a downstream array of turbine blades 24 projecting outwardly from a rotatable hub 27.
  • the compressor drum or compressor disk 26 and the vanes 22 disposed thereon and the turbine rotor hub 27 and the turbine blades 24 disposed thereon rotate about the engine axis 1 during operation.
  • the Fig. 2 shows a schematic side view of a compressor blade according to the invention, which may be a conventional compressor blade, a fan blade or a blisk blade.
  • the blade has, for example, a blade root 31, with which a blade 29 designed in the usual way is connected.
  • an entry edge element 30 is connected by means of a laser weld seam 32.
  • the leading edge element 30 extends to just before the blade root 31, it does not need to be connected directly to the blade root 31.
  • the Fig. 3 shows a diagram of the course of the modulus of elasticity in a schematic manner. It can be seen that the modulus of elasticity of the leading edge element 30 is less than the modulus of elasticity of the blade 29, whereby a soft transition between the lower and the higher modulus of elasticity results in the region of the weld 32.

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Abstract

Fluggasturbinenverdichterschaufel mit einem Schaufelblatt (29) mit einer Eintrittskante (33), wobei zumindest der Bereich der Eintrittskante (33) aus einer niedermoduligen Titanliegierung gefertigt ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenverdichterschaufel, insbesondere auf eine Fluggasturbine oder eine stationäre Turbine, welche ein Schaufelblatt aufweist, welches an einem Schaufelfuß befestigt ist. Die Verdichterschaufel weist eine Eintrittskante oder Anströmkante auf, welche auch als Schaufelvorderkante bezeichnet wird.
  • Bei Fluggasturbinen besteht stets die Problematik, dass die Verdichterschaufeln starker Erosion durch angesaugte Partikel unterworfen sind. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Sandkörnchen oder Ähnliches, welche mit hoher Geschwindigkeit auf die Verdichterschaufeln auftreffen.
  • Als Folge der auftretenden Erosion ist es erforderlich, die Verdichterschaufeln auszutauschen oder zu reparieren. Letzteres ist insbesondere bei Blisks technisch sehr aufwändig und kostenintensiv.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten erosionsfesten Werkstoffe sind als Werkstoffe für Verdichterschaufeln ungeeignet. Auch erosionsfeste Beschichtungen erweisen sich in der Praxis als nicht geeignet, da diese nur bei sehr kleinen Partikelgrößen wirksam sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluggasturbinenverdichterschaufel zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine hohe Erosionsbeständigkeit aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest der Bereich der Eintrittskante der Verdichterschaufel aus einem Werkstoff gefertigt ist, welcher einen sehr geringen E-Modul aufweist. Ein geeigneter, geringer E-Modul liegt in der Größenordnung von 50 GPa.
  • Die erfindungsgemäße Verdichterschaufel weist somit im Bereich der Eintrittskante, bedingt durch den geringen E-Modul, eine relativ große Elastizität auf, so dass ein Aufprall eines Fremdkörpers, beispielsweise eines Sandpartikels oder Steins, durch die Elastizität des Materials im Bereich der Eintrittskante nicht zu Beschädigungen führt. Insbesondere tritt damit keine oder nur eine sehr geringe Erosion auf, verglichen mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verdichterschaufeln.
  • Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest der Bereich der Eintrittskante aus einer Titanlegierung der Typen Ti 28Nb 1 Fe 0,5Si, Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 oder Ti-24Nb-4Zr-8Sn gefertigt sind. Mittels einer derartigen Legierung kann beispielsweise der Erosionsverschleiß um ca. 50 % verringert werden als bei Verdichterschaufeln, die aus gebräuchlichen Legierungen, beispielsweise Ti64 gefertigt sind. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verdichterschaufeln aus Nickel-Basislegierungen, beispielsweise IN718, kann der Erosionsverschleiß um 30 % gesenkt werden.
  • Erfindungsgemäß ist es möglich, entweder die gesamte Verdichterschaufel aus der o.g. Titanlegierung mit dem geringen E-Modul zu fertigen oder lediglich Teile der Verdichterschaufel aus diesem Werkstoff herzustellen.
  • In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Eintrittskante in Form eines Eintrittskantenelements ausgebildet ist, welches mit dem Schaufelblatt der Verdichterschaufel mittels eines Schweißverfahrens verbunden ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Laserschweißverfahrens.
  • Das Schaufelblatt selbst kann erfindungsgemäß aus einer der übliche Titanlegierungen hergestellt werden, beispielsweise Ti64, Ti6246 oder Ti6242.
  • Bei Ausbildung eines separaten Eintrittskantenelements erstreckt sich dieses bevorzugterweise bis kurz vor den Schaufelfuß, im direkten Übergang des Schaufelfußes ist es nicht erforderlich, die erfindungsgemäße Legierung aufzubringen oder einzusetzen.
  • Bei einer separaten Fertigung des erfindungsgemäßen Eintrittskantenelements und der Verbindung mittels eines Laserschweißverfahrens ergibt sich der Vorteil, dass sich durch die thermische Beeinflussung während des Laserschweißvorgangs ein weicher Übergang zwischen dem niedrigen E-Modul des Eintrittskantenelements und dem höheren E-Modul des Materials des restlichen Schaufelblattes ergibt. Es ergibt sich somit ein gradierter Übergang der elastischen Eigenschaften, welcher sich vorteilhaft auf das gesamte Bauteilverhalten der Verdichterschaufel auswirkt. Dieser Effekt beruht auf der Tatsache, dass bei Erwärmung der niedermoduligen Titanlegierung in Temperaturbereiche oberhalb ca. 500°C der E- Modul wieder auf Werte herkömmlicher Titanlegierungen ansteigt, und somit der unmittelbare Schweißnahtbereich homogen verläuft.
  • Die erfindungsgemäße Verdichterschaufel, welche als einzelne Kompressorschaufel, als Blisk-Schaufel oder als Fan-Schaufel ausgebildet sein kann, ist somit in hohem Maße beständig gegen Erosion und Beschädigungen durch Fremdkörper.
  • Die Erfindung bezieht sich somit auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Verdichterschaufel, bei welchem ein Eintrittskantenelement separat gefertigt und mit dem Schaufelblatt mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens verbunden wird, wobei das Eintrittskantenelement aus einer niedermoduligen (bezüglich des E-Moduls) Titanlegierung, beispielsweise aus Ti 28Nb 1 Fe 0,5Si oder aus oder Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 oder aus Ti-24Nb-4Zr-8Sn, und/oder einer Legierung mit einem E-Modul von im Wesentlichen 50 bis 70 GPa gefertigt ist und wobei das Schaufelblatt aus einer nach dem Stand der Technik bekannten Legierung gefertigt ist.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung einer niedermoduligen (E-Modul) Titanlegierung, beispielsweise Ti 28Nb 1 Fe 0,5Si oder Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 oder Ti-24Nb-4Zr-8Sn, insbesondere für den Eintrittskantenbereich einer Verdichterschaufel.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
    Fig. 2
    eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel, und
    Fig. 3
    eine Darstellung des Verlaufs des E-Moduls über die Schaufellänge.
  • Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, Brennkammern 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
  • Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Zwischendruckturbine 17 gekoppelt sind.
  • Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
  • Die Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel, welche eine übliche Kompressorschaufel, eine Fan-Schaufel oder eine Blisk-Schaufel sein kann. Die Schaufel weist beispielsweise einen Schaufelfuß 31 auf, mit welchem ein in üblicher Weise ausgebildetes Schaufelblatt 29 verbunden ist. Im Bereich einer Eintrittskante oder Anströmkante ist ein Eintrittskantenelement 30 mittels einer Laser-Schweißnaht 32 verbunden. Das Eintrittskantenelement 30 erstreckt sich bis kurz vor den Schaufelfuß 31, es braucht nicht direkt mit dem Schaufelfuß 31 verbunden werden.
  • Die Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Verlaufs des E-Moduls in schematischer Weise. Daraus ist ersichtlich, dass der E-Modul des Eintrittskantenelements 30 geringer ist als der E-Modul des Schaufelblatts 29, wobei sich im Bereich der Schweißnaht 32 ein weicher Übergang zwischen dem niedrigeren und dem höheren E-Modul ergibt.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Triebwerksachse
    10
    Gasturbinentriebwerk / Kerntriebwerk
    11
    Lufteinlass
    12
    Fan
    13
    Mitteldruckkompressor (Verdichter)
    14
    Hochdruckkompressor
    15
    Brennkammern
    16
    Hochdruckturbine
    17
    Mitteldruckturbine
    18
    Niederdruckturbine
    19
    Abgasdüse
    20
    Leitschaufeln
    21
    Triebwerksgehäuse
    22
    Kompressorlaufschaufeln
    23
    Leitschaufeln
    24
    Turbinenschaufeln
    26
    Kompressortrommel oder -scheibe
    27
    Turbinenrotornabe
    28
    Auslasskonus
    29
    Schaufelblatt
    30
    Eintrittskantenelement
    31
    Schaufelfuß
    32
    Schweißnaht
    33
    Eintrittskante

Claims (9)

  1. Gasturbinenverdichterschaufel mit einem Schaufelblatt (29) mit einer Eintrittskante (33), wobei zumindest der Bereich der Eintrittskante (33) aus einer niedermoduligen Titanlegierung gefertigt ist.
  2. Verdichterschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Bereich der Eintrittskante aus Ti 28Nb 1 Fe 0,5Si oder Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 oder Ti-24Nb-4Zr-8Sn gefertigt ist.
  3. Verdichterschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskante in Form eines Eintrittskantenelements (30) ausgebildet ist, welches mittels eines Schweißverfahrens mit dem Schaufelblatt (29) verbunden ist.
  4. Verdichterschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintrittskantenelement (30) mittels eines Laserschweißverfahrens mit dem Schaufelblatt verbunden ist.
  5. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Eintrittskante (33) einen E-Modul von im Wesentlichen 50 bis 70 GPa aufweist.
  6. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt aus Ti64 oder Ti6246 oder Ti6242 oder IN718 gefertigt ist.
  7. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterschaufel in Form einer Kompressorschaufel ausgebildet ist.
  8. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterschaufel in Form einer Fan-Schaufel ausgebildet ist.
  9. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese in Form einer Blisk-Schaufel ausgebildet ist.
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