NO156502B

NO156502B - Rotorblad uten plattform

Info

Publication number: NO156502B
Application number: NO803544A
Authority: NO
Inventors: Howard Zipps Robert; Harold Rynaski Chester; Bryant Fulton Graham
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1979-11-30
Filing date: 1980-11-25
Publication date: 1987-06-22
Also published as: JPS57400A; US4621979A; DE3045224C2; NO803544L; JPH0141839B2; BE886426A; IL61521A; NO156502C; FR2471502A1; GB2064667B; IL61521A0; FR2471502B1; DE3045224A1; GB2064667A; SE8008320L; SE444028B

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et rotorblad uten plattform og av det slag som rager utad fra en rotorskive på tvers av den ringformete strømningsbane for drivmediumgassene i en turboviftemotors rotorseksjon, omfattende en aerofoilseksjon med bueformet tverrsnittsprofil ved innerveggen for drivmediets strømningsbane, og en rotseksjon som har en oppstrøms- og en nedstrømsende, og som smalner konvergerende av fra bladets ned-strømsende mot dets oppstrømsende.

Oppfinnelsen har tilknytning til turboviftemotorområdet og tjener til å redusere de maksimale spenningsnivåer ved rotorbladene i det geometriske overgangsområdet mellom aerofoil- og rotseksjonene, men det er ingen ting i veien for å utnytte oppfinnelsen innenfor andre tekniske områder hvor det anvendes deler med liknende utforming.

Ved rotorblader, som for tiden er i bruk i turbovifte-motorer rundt om i verden, blir det for rotsekjsonene benyttet rette rotforbindelser, hvor middellinjen for hver bladrot og tilsvarende fastgjøringsspor løper diagonalt tvers over rotorskive-kanten. Slike konstruksjoner har hittil vist seg forholdvis vel-lykkete for fastgjøring av bladene på rotorskiven. Fremtidige motorer vil imidlertid etter alt å dømme omfatte rotorblader, som vil bli utsatt for enda høyere toppbelastninger, og det kommer derfor til å være behov for større fastholdende krefter ved rot-seks jonene. I slike motorer er det nødvendig å vie konsentrerte spenningsnivåer langs rotorbladenes spennvidde stor oppmerksom-het, nemlig slik som forekommer ved tradisjonelt integrerte strømningsbegrensende plattformer og ved rotseksjonene. Oppfinnelsen tar sikte på å oppnå en reduksjon av slike konsentrerte spenningsnivåer.

Selv om det ifølge oppfinnelsen er frembrakt en ny konstruksjon, vil det innenfor damp- og gassturbinområdene gjen-finnes enkelte konstruktive trekk som i geometrisk henseende likner rotorbladet ifølge oppfinnelsen. Representative eksempler hentet fra dampturbinområdet illustreres blant annet i US-patentskrifter 1.041.269, 1.719.415, 1.793.468 og 3.986.793. Hvert av disse patentskrifter viser turbinskovler hvor rotseksjonene er utformet med bueformet geometri, slik at de kommer nær opp til hver enkelt aerofils profil. I hvert enkelt tilfelle har rotseksjonene ensartet tverrsnittsgeometri tvers over forbindelsen.

Innenfor gassturbinområdet er det i fransk patentskrift 1.143.952 vist en geometrisk likeartet, men teknisk avvikende konstruksjon. Ved denne konstruksjonen er en kjølt turbinskovl utformet med bueformet rotgeometri i den hensikt å muligjøre inn-strømning av kjøleluft i en flerkanalskovl. Ved en turbinkon-struksjon ifølge dette patentskrift utvider skovlenes rotpartier seg på en slik måte at de fastholdes i turbinkonstruksjonen ved kilevirkning. Det skal imidlertid påpekes at de forventede aero-dynamiske belastningene på skovlen skjer i en slik retning at de fastkilte rotpartier søkes frigjort. Dessuten skal det påpekes at bladets massepunkt befinner seg over et område med sammenlikningsvis mindre rottverrsnitt.

På tross av forekomsten av de foregående fremstillinger av bueformete og/eller avsmalnende rotseksjoner ved turbinskovler, har rotorbladenes rotseksjoner foreblitt utformet med rettlinjet geometri.

Rotorbladet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at krumningen av rotseksjonens middellinje kommer nær opp til krumningen av det bueformete aerofoiletverrsnitts middellinje ved innerveggen for drivmediets strømningsbane projisert på rot-seks jonen .

Ifølge en detaljert utførelsesform av oppfinnelsen er aerofoiltverrsnittets middellinje en ikke-sirkulær bue, mens rotseksjonens middellinje er en sirkelbue, som faller sammen med aerofoiltverrsnittets middellinje ved bladets bakkantområde og er ubetydelig forskjøvet fra denne mot aerofoilens sugeside ved bladets forkantområde.

Hensiktsmessig strekker tenner på rotseksjonen seg sideveis fra middellinjen til tilsvarende sirkelbuer, som dannes av punkter med samme avstand fra det punkt som middellinjen dannes fra. Enkelttannsforbindelse, f.eks. av svalehaletypen, eller flertannsforbindelse, f.eks. av den såkalte grantretypen, kan benyttes.

Et formål med oppfinnelsen er at det unngås lokalt høye spenninger i overgangsområdet mellom rotorbladets rotseksjon og

aerofoilseksjonen. De maksimale påkjenningene, som vanligvis opptrer i den fremre delen av rotseksjonens sugeside og i den bakre delen av rotseksjonens trykkside reduseres som følge av den bueformete rotgeometrien. Det blir unngått spenningskonsentrasjonsfaktorer langs bladets spennvidde ved å feste strømningsav-grensende organer direkte på rotorskiven istedenfor integrert an-brakte blad-plattformer. Effektiv anvendelse av en bueformet rotgeometri blir muliggjort ved avsmalning av rotseksjonen i det fremre kantområdet. Den maksimale membranspenning, som kan hen-føres til sentrifugal strekkspenning, hvilken vanligvis opptrer ved omtrent 75% av korden, blir redusert ved en slik avsmalnet utforming at det skaffes til veie ytterligere rottverrsnittsareal i nevnte område. Dessuten muliggjør rotgeometrien ifølge oppfinnelsen at det utformes raffinerte aerofoilprofiler uten å fremkalle de altfor høye spenningsnivåer som er iboende ved tradisjonelle rotkonstruksjoner.

De foregående og andre trekk ved oppfinnelsen samt for-delene med denne vil fremgå tydeligere i lys av etterfølgende beskrivelse og tegninger, som viser foretrukne utførelses-eksempler, og hvor: Fig. 1 viser et forenklet perspektivriss av en del av et rotoraggregat i en jetmotor som omfatter rotorblader ifølge oppfinnelsen . Fig. 2 viser i perspektivriss et rotorblad av det slag som inngår i en slik motor. Fig. 3 viser rotseksjonen av bladet i fig. 1, sett neden-fra, og illustrerer bladets bueformete krumning og avsmalnende geometri.

Fig. 4 viser bladet i fig. 1, sett fra sugesiden.

Fig. 5 viser et enderiss, sett forfra, og viser rotseksjonen ved forkanten av bladet i fig. 1. Fig. 6 viser et planriss ovenfra av bladet og viser projeksjoner av tverrsnittsriss etter linjene A-A og B-B i fig. 4 gjennom bladrotpartiet. Fig. 6A viser en grafisk fremstilling av den kordevise fordelingen av spenningsnivåene ved seksjonen for maksimal spenning i rotpartiet av bladet i fig. 6. Fig. 7 (teknikkens standpunkt) svarer til fig. 6 og viser teoretiske projeksjoner av snittene A-A og B-B ved en rett bladrotseksjon. Fig. 7A viser en grafisk fremstilling av den kordevise fordelingen av spenningsnivåer ved seksjonen med maksimal spenning i rotpartiet av den teoretiske skovl eller blad i fig. 7.

Trekk ved oppfinnelsen er illustrert i fig. 1 i tilknytning til et rotoraggregat 10 i en jetmotor. Et større antall rotorblader 12 strekker seg utover fra en rotorskive 14. Hvert blad har en aerofoilseksjon 16 og en rotseksjon 18. Den viste rotseksjcn har svalehaleformet tverrsnittsgeometri og griper inn i et motsvarende utformet spor 20 i rotorskiven. Hvert blad har videre en oppstrøms- eller fremre kant 22 ved skivens oppstrømsende 24 og en nedstrøms- eller bakre kant 26 ved skivens nedstrømsende 28. Hvert blad har en sugeside 30 med kaveks geometri og en trykkside 32 med konkav geometri. I

den viste utførelsesformen strekker det seg en mellomliggende rotorblad-plattform 34 mellom hvert blads sugeside og nabo-bladets trykkside. Plattformene mellom bladene danner i felles-skap innerveggen for drivmediets strømningsbane på tvers av rotorbladene. Som vist har hver plattform leddforbindelse direkte med rotorskiven. Ved andre utførelsesformer kan rotor-skivens omkrets danne innervegg for drivmediets strømningsbane.

Et rotorblad 12, som er konstruert i samsvar med de idéer som danner grunnlaget for oppfinnelsen, er vist i fig. 2 og 3, henholdsvis i perspektiv- og enderiss. Den tiltenkte støtte-linjen L for den tilstøtende plattformen angir den innerste delen av strømningsbanen for drivmediumgassene. Mellom aerofoilseksjonen 16 og rotseksjonen 18 strekker det seg et over-gangsområde 36. Rotseksjonen er utformet med bueformet geometri og omfatter to tenner 38, som er profilert på liknende måte og

strekker seg i rotseksjonens sideretning.

Rotseksjonens bueformete profil fremgår tydelig av ende-risset i fig. 3. Tennene 38A og 38B er utformet omkring en sirkulær middellinje med radius R . Radien er trukket fra et punkt P , som ligger til side for rotseksjonen mellom for- og bakkanten. Rotseksjonen smalner konvergerende av omkring middellinjen Rj^ fra bladets bakkant 26 eller nedstrømsende til dets forkant 22 eller oppstrømsende. Tannens 38A konvekse krumning og tannens 38B konkave krumning har stort sett like krumnings-radier, henholdsvis Rft og Rg. Krumningssentrene PA, Pg ligger på en linje, som går gjennom punktet PR og skjæringspunktet mellom rotmiddellinjen og rotseksjonens nedstrøms- eller bakkant 26. Punktene PA, Pg ligger i samme avstand fra punktet PR, slik at det fremkommer en ensartet avsmalning fra rotseksjonen langs middellinjen.

Fig. 4 viser et sideriss av bladet i fig. 2, sett fra sugesiden, og fig. 5 viser forkanten eller -siden av samme blad. Den maksimale membranspenning som kan tilskrives sentri-fugalstrekket skjer ved et slikt rotorblad i nærheten av det kordevise massepunktet, som vanligvis ligger ved ca. 75% av korden i området S. Lokalt høyere spenninger ved bladets over-flate opptrer som følge av aerofoilseksjonens tilbøyelighet til å vri seg løs, på den konkave siden av aerofoilen ved ca. 25% av korden i området og på den konvekse siden av aerofoilen ved ca. 75% av korden i området Slike spenninger har maksimal effekt gjennom typiske spenningskonsentrasjonsfaktorer av størrelsesorden 2,5 - 3,5 ved avrundingsradien 40 ovenfor tennene på svalehaleforbindelsen.

Det er svært viktig at rotorbladene ifølge oppfinnelsen ikke har plattformer i ett stykke med bladkroppen, for å av-grense innerveggen for drivmediets strømningsbane. Slike plattformer er derimot montert direkte på rotorskiven ved hjelp av passende teknikk, eksempelvis i form av den hengsel- og bolt-mekanisme som vises i fig. 1. Ved å fjerne disse plattformer fra rotorbladveggenes suge- og trykkside elimineres spenningskonsentrasjon i områder med høy bøyningsspenning ved forbindelsen mellom veggene og bladets rotseksjon. Påføring av spenningskonsentrasjonsfaktorer av størrelsesorden 1,2 - 1,4 ved forbindelsen mellom plattformen og aerofoilseksjonene begrenser bruken av vanlige rotorblader ifølge kjent teknikk i nevnte område. Ifølge oppfinnelsen unngås en slik levetidsbegrensende spenning.

Selv om plattformløse rotorblader ikke er nye i og for seg, representerer dette trekk ikke desto mindre en del av den beskrevne oppfinnelsesgjenstand når det anvendes i kom-binasjon med den nye rotgeometrien. I mangel av den tidligere omtalte spenningskonsentrasjon blir de plattformløse rotorbladene ifølge oppfinnelsen spenningsbegrensete ved avrundingsradiene mellom bladets aerofoil- og rotseksjoner. Følgelig går oppfinnelsen ut på å oppnå spenningsreduksjoner langs avrundingsradiene mellom bladets aerofoil- og rotseksjoner. I den hensikt å belyse de idéer som ligger til grunn for oppfinnelsen ble det nye rotorbladet ifølge fig. 6 med krummet, avsmalnende rotseksjon sammenliknet med det mer tradisjonelle rotorbladet i fig. 7, hvor det finnes et rett, diagonalt rotparti. Bladene ble datautformet under konstruksjonsbetin-gelser hvorunder trykkforholdet tvers over bladets rotparti var 1,7 og trykkforholdet tvers over bladspissen var 1,9. Periferihastigheten ble innstilt på 512 m/sek.

Den geometriske utforming av hvert blad omfattet en bladrotkorde på 12,32 cm og en spennvidde på 44,3 cm med et forhold mellom bredde og høyde (gjennomsnittlig aerofoil-spennlengde dividert med gjennomsnittlig aerofoilrotlengde)

på 3,6. Hvert blad ble ansett fremstilt av titanlegering med høye fasthetsegenskaper. Det ble benyttet materialegenskapene hos titanlegeringen AMS 4928. Oppfinnelsens grunnleggende idéer kan i like høy grad utnyttes i forbindelse med andre material-systemer med så vel metallisk som ikke-metallisk sammensetning, og de kan være særlig fordelaktige i samband med fiberarmerte konstruksjoner med høy modul og høy fasthet.

Illustrasjonene i fig. 6 og fig. 7 (teknikkens standpunkt) tilsvarer rissene ovenfra av bladet i fig. 4 med snittene A-A og B-B projisert på bladrotgeometrien. Snittet A-A er tatt gjennom bladet ved innerveggen for drivmediets strømningsbane og snittet B-B er tatt gjennom området for bladspissen. Under dynamiske forhold forsøker aerofoilseksjonen å. vri seg løs i retning mot urviserne ifølge fig. 6 og fig. 7 (teknikkens standpunkt) .

Ved rotorbladet ifølge oppfinnelsen i fig- 6 ligger blad-tverrsnittet A-A ved innerveggen for drivmediets strømningsbane og er utformet omkring en ikke-sirkulær buemiddellinje L . Middellinjen LR for rotseksjonen er en sirkelbue og har en krum-ningsradius RR, som frembringer en middellinje med omtrent samme krumning som den for den ikke-sirkulære buemiddellinjen LA< Ved optimalisering av konstruksjonen er det blitt konsta-tert at de laveste påkjenningene resulterer i utforminger,

hvor forkantområdet for middellinjen L er forskjøvet mot den konvekse siden eller sugesiden av middellinjen L og hvor bak-kantområdet for middellinjen LR faller sammen med middellinjens LA forløp. Som det tydeligst fremgår av fig. 3 er det ved konstruksjonen av rotseksjonens avsmalnende geometri trukket en rett referanselinje X slik at den går gjennom punktet P og gjennom skjæringspunktet mellom rotmiddellinjen L og ned-strøms- eller bakkanten 26. Den konkave tannen 38A og den konvekse tannen 38B strekker seg til krumningen med på tilsvarende måte like store radier RA og Rg fra hvert sitt sentrum, henholdsvis PA og Pfi, som ligger på linjen X i samme avstand fra punktet PR.

Den viste krumning av rotseksjonen til den bueformete geometri medfører den fordel at lokale bøyningsspenninger i overgangsområdet mellom bladets rot- og aerofoilseksjoner reduseres. Lokale bøyningsspenninger stammer fra bladets til-bøyelighet til å vri seg løs under sentrifugal- og aerodyna-miske belastninger. Reduksjon av bøyningspåkjenningen bidrar indirekte til å minske toppåkjenningen med resulterende mindre tendens til dannelse og utbredelse av sprekker. Sprekker som frembringes ved overflaten som følge av høyere påkjenninger i dette området tenderer å forplante seg mot bladets sentrum med økende frekvens. Når det har funnet sted en tilstrekkelig utbredelse av sprekker, blir resultatet brudd på bladet. For å unngå sprekkdannelse og tendens til forplantning av sprekkene fra overflaten av metallkonstruksjonen må den maksimale spen-ningen i dette område reduseres.

Beregnete overflatespenninger langs avrundingsradiene

ved bladenes konkave og konvekse sider er avmerket i tilsvarende kurver i fig. 6A og 7A (teknikkens standpunkt) for å vise den kordevise fordelingen av påkjenningsnivåene. I kurven for det tradisjonelle bladet med rett rotparti ifølge fig. 7A (tek-

teknikkens standpunkt) skal en særlig legge merke til at påkjenningsnivåene har sin toppverdi på bladets konkave side ved ca. 25% av korden med 586.000 kPa (85.000 psi) og videre ved ca. 75% av korden med 414.000 kPa (60.000 psi) på bladets konvekse side. Tilsvarende verdier for det sammenliknete rotorbladet med rotgeometri i overensstemmelse med oppfinnelsen har blitt be-regnet og er avsatt i kurven ifølge fig. 6A. Toppspenningene som sammenlikningsvis opptrer ved 25% av korden ved bladet med rett rot og ved 75% av korden ved bladet med rett rott er blitt vesentlig redusert. På den konkave siden av bladet ligger spenningsnivåene på et nærmere ensartet nivå, som har en topp ved 50% av korden med en størrelse på omtrent 310.000 kPa (45.000 psi). På tilsvarende måte er spenningene på aerofoilens konvekse side sammenlikningsvis redusert til en nesten ensartet nivåverdi på ca. 241.000 kPa (35.000 psi).

En spenningskonsentrasjonsfaktor ved strekkbelastning på 2,8 og en spenningskonsentrasjonsfaktor ved bøyning på 1,6 ble anvendt ved verdiene i fig. 7A (teknikkens standpunkt) for å gi en total konsentrert spenning på 1.220.000 kPa (177.000 psi). På-føring av samme spenningskonsentrasjonsfaktorer til verdiene i fig. 6A ga en maksimal konsentrert spenning på 813.000 kPa (118.000 psi).

Størrelsen av den spenningsreduksjon som er oppnådd her er stor, men den kommer klarere til uttrykk i forbindelse med lavsyklisk utmattingsfasthet. Det er eksempelvis kjent at en spenningsreduksjon på 10% resulterer i en ca. 100% forbedring av den lavsykliske utmattingsfasthet.

Claims

1. Rotorblad uten plattform og av det slag som rager utad fra en rotorskive på tvers av den ringformete strømningsbane for drivmediumgassene i en turboviftemotors rotorseksjon, omfattende en aerofoilseksjon (16) med bueformet tverrsnittsprofil ved innerveggen for drivmediets strømningsbane, og en rotseksjon (18) som har en oppstrøms- (22) og en nedstrømsende (26), og som smalner konvergerende av fra bladets nedstrømsende mot dets opp-strømsende, karakterisert ved at krumningen av rotseksjonens (18) middellinje (L_) kommer nær opp til krumningen av det bueformete aerofoiletverrsnitts middellinje (L^) ved innerveggen for drivmediets strømningsbane projisert på rotseksjonen (18) .

2. Rotorblad i samsvar med krav 1, med en sugeside (30) og en trykkside (32), karakterisert ved at det projiserte aerofoiltverrsnitt har en ikke-sirkulær buemiddellinje (LA), mens rotseksjonen har en sirkelbueformet middellinje (LR), og at det projiserte aerofoiltverrsnitts ikke-sirkulære middellinje (L^) er forskjøvet mot bladets (12) sugeside (30) fra den sirkelbueformete middellinje (L_) ved bladets oppstrømsende (22) og løper slik at den stort sett faller sammen med den sirkelbueformete middellinje (LD) ved bladets (12) nedstrømsende (26).

3. Rotorblad i samsvar med krav 2, karakterisert ved at den sirkelbueformete middellinje (L0) har en radius (Rn) med sentrum i et punkt (Pn) ved siden av bladet (12) mellom dettes oppstrøms- (22) og nedstrømsende.

4. Rotorblad i samsvar med krav 3, karakterisert ved at det omfatter minst én bueformet tann (38B) ved bladets (12) sugeside (30) og minst én bueformet tann (38A) ved bladets trykkside (32), idet tennene (38A,38B) har omtrent like store radier (R^,(Rg)) fra punkter (<p>A»(<p>B) som ligger på en linje (X) i like store avstander fra den sirkelbueformete middellinjes sentrum (P_), idet linjen (X) går gjennom dette punkt (P_.) og skjæringspunktet mellom rotseksjonens middellinje (L ) og bladets nedstrømskant (26).