WO2021013282A1 - Laufschaufel für eine strömungsmaschine, zugehöriges turbinenmodul und verwendung derselben - Google Patents

Laufschaufel für eine strömungsmaschine, zugehöriges turbinenmodul und verwendung derselben Download PDF

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blade
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radially
rotor
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Kari MAAR
Jörg FRISCHBIER
Hans-Peter Hackenberg
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MTU Aero Engines AG
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Definitions

  • the present invention relates to a rotor blade for a turbomachine.
  • the turbo engine can be, for example, a jet engine, e.g. B. a turbofan engine.
  • the flow machine is functionally divided into a compressor, combustion chamber and turbine.
  • the air that is sucked in is compressed by the compressor and burned in the downstream combustion chamber with the added kerosene.
  • the resulting hot gas a mixture of combustion gas and air, flows through the downstream turbine and is expanded in the process.
  • the turbine is usually made up of several stages, each with a stator (guide vane ring) and a rotor (rotor blade ring); the rotors are driven by the hot gas.
  • the present subject matter relates to a rotor blade for arrangement in the gas duct of the turbomachine.
  • the rotor blade can generally also be used in the compressor area, that is to say can be arranged in the compressor gas duct; Be preferred is an application in the turbine area, so it is placed in the hot gas duct.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous rotor blade.
  • the inclination is set so that, during operation, a centrifugal force bending moment, which the centrifugal force effects on the rotor blade as a result of the inclination, is greater than a gas force bending moment which acts on the rotor blade as a result of the flow around the rotor blade in the gas duct.
  • a gas force bending moment is therefore overcompensated, in particular at least in sections.
  • the rotor blade is bent towards the pressure side in operation, driven by centrifugal force. In the case of vane profiles with a curvature, this increases the stresses on the suction side in the area of the profile chord centers (profile back), while it decreases on the pressure side and at the inlet and outlet edges.
  • the relative tension on the pressure side and, because of the curvature, also on the leading edge can be reduced during operation, which increases the impact tolerance, i.e. the resistance to (foreign) particle impact. Due to the relief at the leading edge, because the rotor blade material is less stressed there during operation (the relative stress can be reduced by up to 20%, for example), only an impact of higher energy leads to critical material damage.
  • the inclination is set so that, during operation, the centrifugal force bending moments are at least 50% of the blade height and / or at least 50% to 80%, in particular at least 25% to 95% of the blade height, measured from radially inside to outside which the centrifugal force acts on the rotor blade due to the inclination at the respective radial positions are each greater than the gas force bending moments which act on the rotor blade at the respective radial positions as a result of the flow around the rotor blade in the gas duct at the respective radial positions each make up at least 1.25 times the respective gas force bending moments.
  • Possible upper limits can be, for example, 3, 2.5 or 2 times.
  • the inclination of the rotor blade towards the suction side is designed such that the tension in the inlet and / or outlet edges is reduced to at least 50% of the rotor blade height and / or at least from 50% to 80%, in particular from at least 25% to 95% % of the rotor blade height measured from radially inside to outside by at least 30%, preferably by at least 50%, in particular by at least 70% compared to the centrifugal mean stress on the respective radial position of the rotor blade.
  • This is a comparatively strong reduction compared to a conventional voltage equalization with a possibly regionally small reduction, as is used, for example, for the purposes of optimizing creep life.
  • local excess stresses and possibly a reduced creep life can be associated, e.g. on the blade back (chord center areas), there in particular on the blade hub. This is usually avoided, but can be tolerated under certain conditions and therefore consciously accepted, for example in the case of creep-resistant high-temperature materials.
  • the robustness or impact tolerance can be significantly improved by reducing the tension specifically and locally at the leading edge through a centrifugal force bending moment that is significantly uncompensated during operation due to a corresponding inclination and profile design.
  • a voltage reduction at the leading edge has a particularly positive effect on the robustness and is particularly preferred.
  • the stress reduction at the leading edge is greater, in particular by at least 10% or 20%, than at the trailing edge.
  • the rotor blade is at least partially tilted or deflected with respect to a radial line, specifically towards the suction side.
  • a radial line specifically towards the suction side.
  • it is tangenti al, that is, inclined in the circumferential direction, and / or axially, that is, in the axial direction.
  • the rotor blade is intended to be tilted or deflected at least in sections with respect to a radial line, specifically towards the suction side.
  • the terms “axial”, “radial” and “circumferential”, as well as the associated directions relate to the axis of rotation around which the rotor blade rotates during operation and which typically coincides with a longitudinal axis of the turbo machine.
  • a threading axis or curve which connects the centroids of the profile sections (tangential sections) at different radial positions, can be inclined with respect to the centrifugal force axis or radial direction.
  • the center of gravity of the rotor blade is therefore not on the centrifugal force axis, which generates a restoring force, namely the centrifugal force bending moment. This is set so that the gas force or the gas force bending moment is overcompensated.
  • the gas pressure or the gas force that acts on the rotor blade during operation results from the profiling of the rotor blade as a result of the flow in the gas duct.
  • the gas flowing around it i.e. the hot gas in the case of the preferred turbine application, causes a bending moment on the rotor blade towards the suction side. Since the rotor blade is at least partially inclined towards the suction side, the rotation results in a centrifugal force vector in the direction of the pressure side, i.e. the centrifugal force bending moment opposite to the gas force bending moment.
  • the inclination is set so that the centrifugal bending moment is at least 1.25 times, preferably 1.5 times, the gas force bending moment. Possible upper limits can be, for example, 3, 2.5 or 2 times.
  • the rotor blade is inclined more towards the suction side in a radially central section than in a radially inner section.
  • the radially middle section can, for example, be between 20% and 60% of the blade height taken from radially inside to outside, the radially inner section correspondingly between 0% and 20%.
  • the probability of an impact can be lower radially on the inside, which is why the rotor blade can be inclined less or not at all there.
  • the rotor blade is inclined more in a radially central section than in a radially outer section.
  • the former can, for example, be between 20% and 60% of the rotor blade height (see above), the radially outer section correspondingly between 60% and 100%.
  • the rotor blade can also not be inclined at all radially on the outside.
  • a course of the inclination can be preferred such that it increases in sections from radially inside to radially outside, reaches a maximum in the radially central section and then decreases again radially outwards.
  • the course of the inclination is such that it increases in the radially inner section from radially inside to radially outside, reaches a maximum in the radially middle section and then continues radially outwards in the radially outer section constantly or with a deviation of a maximum of 10% of the maximum.
  • the rotor blade has a radially outwardly decreasing profile surface over at least a portion of the rotor blade height, for example over at least 60%, 70%, 80% or 90% of the rotor blade height, particularly preferably over the entire rotor blade height (100%).
  • the profile surface is viewed in a tangential section. Due to the decrease in the radial direction, the edge load is reduced, in other words, to put it simply, the mass that pulls outwards. This can result, for example, in an advantageous distribution of the mean stress or the moment of resistance over the blade height, which can further increase the breaking strength or impact strength (in particular in the hub area). Occasionally, a radial stress curve can also be set in a targeted manner in the blade profile.
  • the profile surface decreasing radially outward could also be achieved solely by decreasing the profile thickness.
  • the chord length decreases radially outward, which can result in the desired profile surface profile individually or in combination with a decreasing profile thickness.
  • a course of the chord length S is preferred such that the chord length Si is radially inward by at least 10%, 20% or 30% longer than the chord length Sa radially outward.
  • h is (increasingly preferred in the order in which it is mentioned). Possible upper limits can, for example, be at most 50% or 40%.
  • a regional thickening of the profile can generally be of interest, also independently of the profile surface course described above.
  • the profile can, for example, be thickened in the radially outer 20% of the blade height, which is preferably compensated for by the decreasing chord length in terms of the profile surface.
  • a thickening is possible, especially in the area of the leading edge, for example between 0% and 5% or between 0% and 10% of the chord length taken from upstream to downstream.
  • Such a deliberate deviation from an aerodynamically actually more optimal thin profile shape can take into account increased impact rates, i.e. a locally higher impact probability of particles.
  • the outer shroud of the rotor blade is designed with only a single sealing fin.
  • This sealing fin also referred to as a sealing tip, can, in operation, have a sealing structure facing radially inward
  • the sealing fin can run into the sealing structure, for example a honeycomb structure, to a certain extent, which can then result overall in a good seal in the axial or radial direction.
  • the restriction to a single sealing fin can mean a certain disadvantage, but the associated weight reduction can be advantageous due to the reduced edge load, see the above remarks.
  • the weight of the outer shroud for example If a maximum of 7 g per rotor blade is reduced, a static mean stress of at most 150 MPa can thus be set, for example, in all profile sections of the blade profile.
  • the rotor blade is made of a high temperature-resistant material.
  • a high temperature-resistant material can in particular be titanium aluminide, e.g. B. TNM.
  • High temperature resistance can mean, for example, a suitability for temperatures up to at least 700 ° C or even 800 ° C, whereby such high temperature strength is usually associated with a lower ductility. goes. This results in a higher susceptibility to impact, which is countered with the measures described here. Modifications of the microstructure are also possible in order to increase the ductility of the brittle material.
  • an intermetallic titanium aluminide alloy can be used, which contains titanium and aluminum as the main components with the largest atomic percentages and the intermetallic phases, in particular a-TbAl and / or g-T ⁇ A1, sums up.
  • Ti and Al can have a proportion of over 90 at.%.
  • the proportion of Al can be in a range from 42 at.% To 48 at.%.
  • an alloy composition is used with 45-48 at.% Al, 5-7 at.% Nb, 0.3-0.7 at.% W, 0-0.3 at.% Si and the remainder Ti as well as unavoidable impurities.
  • the rotor blade preferably the rotor blade as a whole, can be produced, for example, by casting, forging and / or additive manufacturing and final contour milling (in particular from the high-temperature-resistant material).
  • the rotor blade can, for example, have a rotor blade root that can be mounted in a rotor disk.
  • the rotor blade can also be combined with one or more rotor blades to form an integral multiple segment, and it can also be part of a blisk (Blade Integrated Disk).
  • the rotor blade is provided with a coating at least on the leading edge.
  • the coating can locally cover the leading edge and optionally the trailing edge, but the rotor blade can also be completely coated (full armor).
  • the coating is designed as a multilayer system, that is to say composed of at least two layers placed one on top of the other.
  • Advantageous can be the combination of a brittle and a ductile layer, with the ductile material preferably being arranged on the inside and the brittle material on top.
  • the brittle material can shatter in the event of an impact, which consumes part of the impact energy.
  • With the ductile material underneath, which is preferably applied directly to the rotor blade the growth of cracks into the blade material can be prevented (the crack nuclei lie in the brittle material).
  • the brittle material is a ceramic material and / or the ductile material is a metallic material.
  • the rotor blade is designed for a high-speed rotor, in particular a high-speed turbine, e.g. a low-pressure turbine.
  • Values of An 2 of at least 2000 m 2 / s 2 are considered to be “high-speed”, in the order in which they are mentioned, increasingly preferred at least
  • An 2 can be around 1800 m 2 / s 2 , for example.
  • An 2 results from the annulus area, especially at the outlet, multiplied by the square of the speed in the ADP area.
  • the Aerodynamic Design Point (ADP) results under cruise conditions at cruising altitude, it is characterized by ideal flow conditions and the best efficiency and thus the lowest consumption.
  • the invention also relates to a turbine module for an aircraft engine, in particular a geared turbo fan engine, with a rotor blade disclosed in the present case.
  • the turbine module can in particular be designed for “high-speed” operation of the rotor blade, see the information in the previous paragraph. Due to the coupling via the gearbox, the turbine module can operate faster than turn the fan of the aircraft engine (fast running).
  • the turbine module is preferably a low-pressure turbine module.
  • the turbine module can preferably be designed such that the outer shroud of the rotor blade is cooled during operation with a cooling fluid that is not passed through the rotor blade itself.
  • the cooling fluid for example compressor air
  • the temperature reduction associated with the outer shroud cooling can, for example, be advantageous to the extent that possible shroud creep or blade profile creep can be reduced. Conversely, this can increase the leeway when modifying the microstructure of the blade material, i.e. allow a material with somewhat increased ductility despite the high-temperature design.
  • a combination of the measures outlined here can be advantageous insofar as they can raise a critical impact energy above the practice-relevant requirement profile.
  • the invention also relates to the use of the presently disclosed run show fel or a turbine module, the rotor blade having an at least 2 of Minim 2000 m / s is rotating, it is referred to the above information.
  • FIG. 1 schematically a turbofan engine in an axial section
  • FIG. 2 schematically shows a rotor blade of the engine according to FIG. 1 in one
  • FIG. 3 shows the rotor blade according to FIG. 2 in an axial view.
  • FIG. 1 shows a flow machine l in a schematic view, specifically a telstromtriebwerk Man.
  • the turbo machine 1 is functionally divided into compressor la, combustion chamber lb and turbine lc, the latter has a floch pressure turbine module lca and a downstream high-speed turbine module leb, in particular low pressure turbine module, which drives the fan and rotates faster than the fan during operation.
  • Both the compressor la and the turbine lc are each made up of several stages, each stage being composed of a guide and a rotor blade ring.
  • the rotor blade In relation to the flow around the gas duct 2, the rotor blade is located downstream of the guide vane ring for each stage. During operation, the rotor blades rotate about the longitudinal axis 3.
  • FIG. 2 shows a rotor blade 20 in a schematic side view, specifically a rotor blade 20 of a rotor blade ring of the turbine 1c, specifically of the turbine module leb.
  • the rotor blade has a blade root 21, which is not relevant in detail in the present case, and an inner platform 22 radially outside thereof.
  • the blade 23 extends radially outward from the inner platform 22.
  • the blade 23 has, based on the flow around the hot gas duct, a front edge 23a, a rear edge 23b, and two side surfaces 23c, d each connecting the front 23a and rear edge 23b.
  • One of the soflä surfaces 23c, d forms the suction side of the rotor blade 20, the other the pressure side.
  • the rotor blade 20 is provided with a coating 25 for protection against impact damage, which is composed of a metallic layer and a ceramic layer arranged thereon (the layers are not shown in detail). It can also be seen from the illustration according to FIG. 2 that the The chord length 26 shown schematically and thus the profile surface 27 decreases radially outward, which also reduces the edge load.
  • FIG. 3 shows the rotor blade 23 schematically in an axial view which illustrates the inclination of the rotor blade 23.
  • the blade 23 is inclined towards the suction side 41, specifically in a radially central section 45.1 of the blade height 45.
  • the rotor blade 23 can also run into the hub or the housing without any inclination.
  • the inclination to the suction side 41 is set so that the centrifugal force bending moment 46 acting on the blade 23 during operation is greater than the gas force bending moment 47.
  • the blade 23 is bent towards the pressure side 42, which the load there and thus reducing the susceptibility to impact at the leading edge 23a, see also the introduction to the description.
  • Turbine module (snow accumulating) liv

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel (20) zum Anordnen in einem Gaskanal (3) einer Strömungsmaschine (1), mit einen Laufschaufelblatt (23), das bezogen auf eine Strömung in dem Gaskanal (3) eine Vorderkante (23a) und stromab dazu eine Hinterkante (23b) sowie eine Saugseite (41) und eine Druckseite (42) hat, wobei das Laufschaufelblatt (23) über zumindest einen Abschnitt (45.1) seiner radialen Laufschaufelblatthöhe (45) mit einer Neigung zu der Saugseite (41) hin vorgesehen ist, wobei die Neigung so eingestellt ist, dass im Betrieb ein Fliehkraft-Biegemoment (46), das die Fliehkraft infolge der Neigung auf das Laufschaufelblatt (23) bewirkt, größer ist als ein Gaskraft-Biegemoment (47), das infolge der Umströmung des Laufschaufelblatts (23) in dem Gaskanal (3) auf das Laufschaufelblatt (23) wirkt.

Description

LAUFSCHAUFEL FÜR EINE STRÖMUNGSMASCHINE, ZUGEHÖRIGES TURBINENMODUL UND
VERWENDUNG DERSELBEN
BESCHREIBUNG Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Strömungsmaschine.
Stand der Technik
Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkam mer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mi schung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Die Turbine ist in der Regel aus mehreren Stufen mit jeweils einem Stator (Leitschaufelkranz) und einem Rotor (Laufschaufelkranz) aufgebaut, die Rotoren werden von dem Heißgas angetrieben. In jeder Stufe wird dem Heißgas dabei anteilig innere Energie entzogen, die in eine Bewegung des jeweiligen Lauf schaufelkranzes und damit der Welle umgesetzt wird. Der vorliegende Gegenstand betrifft ein Laufschaufel zum Anordnen im Gaskanal der Strömungsmaschine. Die Laufschaufel kann im Allgemeinen auch im Verdichterbereich Anwendung finden, also im Verdichtergaskanal angeordnet werden; be vorzugt ist eine Anwendung im Turbinenbereich, wird sie also im Heißgaskanal plat ziert.
Darstellung der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Laufschaufel anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit der Laufschaufel gemäß Anspruch 1 gelöst. Deren Laufschaufelblatt ist zumindest abschnittsweise zur Saugseite hin geneigt. Diese
Bestätigungskopie Neigung ist dabei so eingestellt, dass im Betrieb ein Fliehkraft-Biegemoment, das die Fliehkraft infolge der Neigung auf das Laufschaufelblatt bewirkt, größer ist als ein Gaskraft-Biegemoment, das infolge der Umströmung des Laufschaufelblatts in dem Gaskanal auf das Laufschaufelblatt wirkt. Ein Gaskraft-Biegemoment wird also, ins- besondere zumindest abschnittsweise, überkompensiert. Vereinfacht gesprochen wird das Laufschaufelblatt im Betrieb fliehkraftgetrieben zu der Druckseite hin ge bogen. Bei Schaufelprofilen mit Wölbung erhöht dies saugseitig die Spannungen im Bereich der Profilsehnenmitten (Profilrücken), auf der Druckseite und an Ein- und Austrittskante nimmt sie hingegen ab. Durch die gezielte Vorspannung des Lauf- Schaufelblatts lässt sich somit im Betrieb die relative Spannung druckseitig und we gen der Wölbung auch an der Vorderkante verringern, was die Impact-Toleranz er höht, also die Widerstandsfähigkeit gegen (Fremd-)Partikeleinschlag. Aufgrund der Entlastung an der Vorderkante, weil das Laufschaufelblattmaterial dort im Betrieb weniger verspannt ist (die relative Spannung kann bspw. um bis zu 20 % reduziert sein), führt erst ein Impact höherer Energie zu einer kritischen Materialschädigung.
In einigen Ausfuhrungsformen ist die Neigung so eingestellt, dass im Betrieb die Fliehkraft-Biegemomente auf mindestens 50% der Laufschaufelblatthöhe und/oder zumindest von 50% bis 80%, insbesondere zumindest von 25% bis 95% der Lauf schaufelblatthöhe gemessen von radial innen nach außen, welche die Fliehkraft in- folge der Neigung an den jeweiligen Radialpositionen auf das Laufschaufelblatt be wirkt, jeweils größer sind als die Gaskraft-Biegemomente, welche infolge der Um strömung des Laufschaufelblatts in dem Gaskanal an den jeweiligen Radialpositio nen auf das Laufschaufelblatt wirken, insbesondere dabei jeweils mindestens das 1,25-fache der jeweiligen Gaskraft-Biegemomente ausmachen. Mögliche Obergren- zen können bspw. bei dem 3-, 2,5- bzw. 2-fachen liegen. Bevorzugte Ausführungs formen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrich- tungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Werden bspw. die Vorteile der Laufschaufel in einer bestimmten Anwendung be- schrieben, ist dies als eine Offenbarung sowohl der entsprechend ausgelegten Lauf schaufel als auch einer entsprechenden Verwendung zu lesen.
In einigen Ausführungsformen ist die Neigung des Laufschaufelblatts zur Saugseite derart ausgelegt, dass die Spannung in den Ein- und/oder Austrittkanten auf mindes- tens 50% der Laufschaufelblatthöhe und/oder zumindest von 50% bis 80%, insbesondere zumindest von 25% bis 95% der Laufschaufelblatthöhe gemessen von radial innen nach außen um mindestens 30%, vorzugsweise um mindestens 50%, insbeson dere um mindestens 70% gegenüber der Fliehkraftmittelspannung auf der jeweiligen Radialposition des Laufschaufelblatts abgesenkt ist. Dabei handelt es sich um eine vergleichsweise starke Reduktion gegenüber einem herkömmlichen Spannungsausgleich mit einer möglicherweise bereichsweisen ge ringen Absenkung, wie sie beispielsweise zu Zwecken der Kriechlebensdaueropti mierung verwendet wird. Mit einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kön nen dabei lokale Spannungsüberhöhungen und ggf. eine reduzierte Kriechlebensdau- er einhergehen, z.B. an den Schaufelrücken (Sehnenmittenbereiche), dort insbeson dere an der Schaufelblattnabe. Dies wird üblicherweise vermieden, kann aber unter be-stimmten Bedingungen toleriert und damit bewusst in Kauf genommen werden, bspw. bei kriechbeständigen Hochtemperaturwerkstoffen. Indem also die Spannung gezielt und lokal an der Eintrittskante durch ein im Betrieb signifikant unkompen- siertes Fliehkraft-Biegemoment aufgrund einer entsprechenden Neigung und Profil gestaltung abgesenkt wird, kann die Robustheit bzw. Impact-Toleranz wesentlich verbessert werden.
Eine Spannungsabsenkung an der Eintrittskante wirkt sich besonders positiv auf die Robustheit aus und ist besonders bevorzugt. In einigen Ausführungsformen ist die Spannungsabsenkung an der Eintrittskante größer, insbesondere um mindestens 10% oder 20% als an der Austrittskante.
Das Laufschaufelblatt ist zumindest abschnittsweise gegenüber einer radialen Linie verkippt bzw. ausgelenkt, und zwar zur Saugseite hin. Beispielsweise ist es tangenti al, also in Umlaufrichtung, und/oder axial, also in Axialrichtung geneigt. Axial be- trachtet ist das Laufschaufelblatt zumindest abschnittsweise gegenüber einer radialen Linie verkippt bzw. ausgelenkt, und zwar zur Saugseite hin. Generell beziehen sich die Angaben„axial“,„radial“ und„umlaufend“, sowie die zugehörigen Richtungen, auf die Drehachse, um welche die Laufschaufel im Betrieb rotiert und die typischer- weise mit einer Längsachse der Strömungsmaschine zusammenfallt. Infolge der „Neigung“ kann eine Fädelachse bzw. -kurve, welche die Flächenschwerpunkte der Profilschnitte (Tangentialschnitte) auf unterschiedlichen Radialpositionen miteinan der verbindet, gegenüber der Fliehkraftachse bzw. Radialrichtung geneigt sein. Der Schwerpunkt des Laufschaufelblatts liegt damit nicht auf der Fliehkraftachse, was eine Rückstellkraft erzeugt, nämlich das Fliehkraft-Biegemoment. Dieses wird so eingestellt, dass die Gaskraft bzw. das Gaskraft-Biegemoment überkompensiert wird.
Der Gasdruck bzw. die Gaskraft, die im Betrieb auf das Laufschaufelblatt wirkt, ergibt sich aufgrund der Profilierung des Laufschaufelblatts infolge der Umströmung im Gaskanal. Das umströmende Gas, also das Heißgas im Falle der bevorzugten Turbinenanwendung, bewirkt auf das Laufschaufelblatt ein Biegemoment zur Saugseite hin. Da das Laufschaufelblatt zumindest abschnittsweise zur Saugseite hin ge neigt ist, ergibt sich infolge der Rotation ein Fliehkraftvektor in Richtung Druckseite, also das dem Gaskraft-Biegemoment entgegengesetzte Fliehkraft-Biegemoment.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Neigung so eingestellt, dass das Fliehkraft- Biegemoment mindestens das 1,25-fache, vorzugsweise das 1,5-fache des Gaskraft- Biegemoments ausmacht. Mögliche Obergrenzen können bspw. bei dem 3-, 2,5- bzw. 2-fachen liegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Laufschaufelblatt in einem radial mittleren Abschnitt stärker zu der Saugseite geneigt als in einem radial inneren Ab- schnitt. Der radial mittlere Abschnitt kann bspw. zwischen 20 % und 60 % der von radial innen nach außen genommenen Laufschaufelblatthöhe liegen, der radial innere Abschnitt entsprechend zwischen 0 % und 20 %. Die Wahrscheinlichkeit für einen Impact kann radial innen geringer sein, weswegen das Laufschaufelblatt dort weniger oder auch gar nicht geneigt sein kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Laufschaufelblatt in einem radial mittleren Abschnitt stärker geneigt als in einem radial äußeren Abschnitt. Ersterer kann bspw. zwischen 20 % und 60 % der Laufschaufelblatthöhe liegen (siehe vorne), der radial äußere Abschnitt entsprechend zwischen 60 % und 100 %. Radial außen kann das Laufschaufelblatt auch gar nicht geneigt sein. Zusammengefasst kann ein Verlauf der Neigung derart bevorzugt sein, dass diese von radial innen nach radial außen abschnittsweise zunimmt, in dem radial mittleren Abschnitt ein Maximum erreicht und anschließend nach radial außen wieder abnimmt.
In einer alternativen Ausführungsform ist Verlauf der Neigung derart, dass diese in dem radial inneren Abschnitt von radial innen nach radial außen zunimmt, in dem radial mittleren Abschnitt ein Maximum erreicht und sich anschließend in dem radial äußeren Abschnitt nach radial außen konstant fortsetzt oder mit einer Abweichung von maximal 10% vom Maximum fortsetzt.
In bevorzugter Ausgestaltung hat das Laufschaufelblatt über zumindest einen Ab schnitt der Laufschaufelblatthöhe eine nach radial außen abnehmende Profilfläche, bspw. über mindestens 60 %, 70 %, 80 % bzw. 90 % der Laufschaufelblatthöhe, besonders bevorzugt über die gesamte Laufschaufelblatthöhe (100 %). Die Profilfläche wird jeweils in einem Tangentialschnitt betrachtet. Aufgrund der Abnahme nach radial außen wird die Randlast verringert, also vereinfacht gesprochen die Masse, die nach außen zieht. Dies kann bspw. eine vorteilhafte Verteilung der Mittelspannung bzw. des Widerstandsmoments über die Laufschaufelblatthöhe ergeben, was die Bruch- bzw. Impactfestigkeit weiter erhöhen kann (insbesondere im Nabenbereich). Es lässt sich mitunter auch gezielt ein radialer Spannungsverlauf im Schaufeiprofil einstellen. Im Allgemeinen ließe sich die nach radial außen abnehmende Profilfläche auch allein über eine abnehmende Profildicke erreichen. In bevorzugter Ausgestaltung nimmt die Sehnenlänge nach radial außen ab, was für sich oder in Kombination mit einer abnehmenden Profildicke den gewünschten Profilflächenverlauf ergeben kann. Bevorzugt ist ein Verlauf der Sehnenlänge S derart, dass die Sehnenlänge Si radial in- nen um mindestens 10 %, 20 % bzw. 30 % länger als die Sehnenlänge Sa radial au- ßen ist (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Mögliche Obergrenzen können bspw. bei höchstens 50 % bzw. 40 % liegen.
Eine bereichsweise Aufdickung des Profils kann generell, auch unabhängig von dem vorstehend geschilderten Profilflächenverlauf, von Interesse sein. Das Profil kann bspw. in den radial äußeren 20 % der Schaufelblatthöhe aufgedickt sein, was hin sichtlich der Profilfläche bevorzugt durch die abnehmende Sehnenlänge überkom pensiert wird. Ferner ist eine Aufdickung speziell im Bereich der Vorderkante mög lich, bspw. zwischen 0 % und 5 % bzw. zwischen 0 % und 10 % der von stromauf nach stromab genommenen Sehnenlänge. Durch eine solche bewusste Abweichung von einer aerodynamisch eigentlich optimaleren dünnen Profilform kann erhöhten Impactraten, also einer lokal höheren Auftreffwahrscheinlichkeit von Partikeln Rechnung getragen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Außendeckband der Laufschaufel mit nur einem einzigen Dichtfin ausgeführt. Dieser Dichtfin, auch als Dichtspitze bezeichnet, kann im Betrieb mit einer nach radial innen gewandten Dichtstruktur
Zusammenwirken, die relativ zum Gehäuse ruht. Der Dichtfin kann in die Dichtstruk tur, bspw. eine Honigwabenstruktur, ein Stück weit einlaufen, was dann insgesamt eine gute Abdichtung in Axial- bzw. Radialrichtung ergeben kann. Im Hinblick auf die Dichtwirkung kann die Beschränkung auf einen einzigen Dichtfin einen gewissen Nachteil bedeuten, die damit einhergehende Gewichtsreduktion kann jedoch auf grund der verringerten Randlast von Vorteil sein, vgl. die vorstehenden Anmerkun gen. Zur Illustration, wird das Gewicht des Außendeckbands bspw. auf höchstens 7 g pro Laufschaufel verringert, kann sich damit bspw. in allen Profilschnitten des Schaufelprofils eine statische Mittelspannung von höchstens 150 MPa einstellen las- sen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Laufschaufelblatt aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff vorgesehen. Bei diesem kann es sich insbesondere um Titanaluminid handeln, z. B. um TNM.„Hochtemperaturfest“ kann bspw. eine Eignung für Temperaturen bis mindestens 700 °C oder sogar 800 °C meinen, wobei eine solche Hochtemperaturfestigkeit i.d.R. mit einer geringeren Duktilität einher- geht. Diese ergibt eine höhere Impactanfälligkeit, welcher mit der bzw. den vorlie gend beschriebenen Maßnahmen begegnet wird. Dabei sind auch Modifikationen der Mikrostruktur möglich, um die Duktilität des spröden Werkstoffs zu erhöhen. Insbe sondere kann eine intermetallische Titanaluminid-Legierung verwendet werden, die als Hauptbestandteile mit den größten Atomprozentanteilen Titan und Aluminium enthält und die intermetallische Phasen, insbesondere a-TbAl und/oder g-TΐA1, um fasst. Zusammen können Ti und Al einen Anteil von über 90 at.% aufweisen. Dabei kann der Anteil von Al in einem Bereich von 42 at.% bis 48 at.% liegen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform wird eine Legierungszusammensetzung verwendet mit 45-48 at.% Al, 5-7 at.% Nb, 0,3-0, 7 at.% W, 0-0,3 at.% Si und dem Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausfuhrungsform eine Legierungszusammenset zung verwendet mit 42-45 at.% Al, 3, 7-4, 2 at.% Nb, 0,8- 1,2 at.% Mo, 0,05-0,15 at.% B und dem Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Das Laufschaufelblatt, vorzugsweise die Laufschaufel insgesamt, kann bspw. durch Gießen, Schmieden und/oder generative Fertigung sowie Endkonturfräsen hergestellt werden (insbesondere aus dem hochtemperaturfesten Werkstoff). Zusätzlich zu dem Laufschaufelblatt und dem bereits erwähnten Außendeckband kann die Laufschaufel bspw. einen Laufschaufelfuß aufweisen, der in einer Rotorscheibe montiert werden kann. Die Laufschaufel kann auch mit einer weiteren oder mehreren Laufschaufeln zu einem integralen Mehrfachsegment zusammengefasst sein, ebenso kann sie Teil eines Blisk sein {Blade Integrated Disk).
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist das Laufschaufelblatt zumindest an der Vorderkante mit einer Beschichtung versehen. Die Beschichtung kann lokal die Vor- derkante und gegebenenfalls die Hinterkante bedecken, das Laufschaufelblatt kann aber auch vollständig beschichtet sein (Vollpanzerung).
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Beschichtung als Mehrschichtsystem ausge- führt, also aus mindestens zwei aufeinandergelegten Schichten aufgebaut. Vorteilhaft kann die Kombination einer spröden und einer duktilen Schicht sein, wobei bevorzugt das duktile Material innen und das spröde Material darauf angeordnet wird. Das spröde Material kann bei einem Einschlag zerspringen, was einen Teil der Impac tenergie verbraucht. Mit dem duktilen Material darunter, das vorzugsweise direkt auf das Laufschaufelblatt aufgebracht ist, kann einem Risswachstum in den Schaufelwerkstoff hinein vorgebeugt werden (die Risskeime liegen im spröden Material). In bevorzugter Ausgestaltung ist das spröde Material ein keramischer Werkstoff und/oder ist das duktile Material ein metallischer Werkstoff.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Laufschaufel für einen schnelllaufenden Rotor, insbesondere einer schnelllaufenden Turbine, z.B. Niederdruckturbine, ausgelegt.
Als„schnelllaufend“ werden dabei Werte von An2 von mindestens 2000 m2/s2 be trachtet, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens
2500 m2/s2, 3000 m2/s2, 3500 m2/s2, 4000 m2/s2, 4500 m2/s2 bzw. 5000 m2/s2 (mögli che Obergrenzen können bspw. bei höchstens 9000 m2/s2, 7000 m2/s2 bzw.
6000 m2/s2 liegen). Bei einer konventionellen, nicht für einen schnelllaufenden Be trieb ausgelegten Laufschaufel kann An2 bspw. rund 1800 m2/s2 betragen. Generell ergibt sich An2 über die Ringraumfläche, insbesondere am Austritt, multipliziert mit der Drehzahl im ADP-Bereich im Quadrat. Der Aerodynamic Design Point (ADP) ergibt sich unter Cruise Bedingung auf Reiseflughöhe, er zeichnet sich durch ideale Anströmbedingungen und den besten Wirkungsgrad und damit geringsten Verbrauch aus. Bezieht man sich alternativ auf die Umlaufgeschwindigkeit an der Schaufelspit ze (radial außen), so kann diese bei einer konventionellen Laufschaufel bspw. bis höchstens 220 m/s reichen, bei einer schnelllaufenden Laufschaufel hingegen mehr als 300 m/s oder sogar 400 m/s betragen. Die Erfindung betrifft auch ein Turbinenmodul für ein Flugtriebwerk, insbesondere ein Geared-Turbo-Fan- Triebwerk, mit einer vorliegend offenbarten Laufschaufel. Dabei kann das Turbinenmodul insbesondere für einen„schnelllaufenden“ Betrieb der Laufschaufel ausgelegt sein, vgl. die Angaben im vorherigen Absatz. Aufgrund der Kopplung über das Getriebe kann das Turbinenmodul im Betrieb schneller als der Fan des Flugtriebwerks drehen (schnell laufend). Bevorzugt handelt es sich bei dem Turbinenmodul um ein Niederdruckturbinenmodul.
Das Turbinenmodul kann bevorzugt so ausgelegt sein, dass das Außendeckband der Laufschaufel im Betrieb mit einem Kühlfluid gekühlt wird, das nicht durch die Lauf- schaufei selbst geführt wird. Das Kühlfluid, bspw. Kompressorluft, kann bspw. durch eine der Laufschaufel vorgelagerte Leitschaufel von radial innen nach radial außen geführt und so an das Außendeckband der Laufschaufel gebracht werden. Die mit der Außendeckbandkühlung einhergehende Temperaturverringerung kann bspw. dahin gehend von Vorteil sein, dass ein mögliches Deckbandkriechen bzw. Schaufelprofil- kriechen reduziert werden kann. Dies kann umgekehrt den Spielraum bei einer Modi fikation der Mikrostruktur des Schaufelwerkstoffs vergrößern, also trotz der hoch temperaturfesten Auslegung ein Material mit etwas erhöhter Duktilität erlauben. Ge nerell kann eine Kombination der vorliegend geschilderten Maßnahmen insofern von Vorteil sein, als sie in Summe eine kritische Impactenergie über das praxisrelevante Anforderungsprofil heben können.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Laufschau fel oder eines Turbinenmoduls, wobei die Laufschaufel mit einem An2 von mindes tens 2000 m/s rotiert, es wird auf die vorstehenden Angaben verwiesen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt
Figur 1 schematisch ein Mantelstromtriebwerk in einem Axialschnitt; Figur 2 schematisch eine Laufschaufel des Triebwerks gemäß Figur 1 in einer
Seitenansicht; Figur 3 die Laufschaufel gemäß Figur 2 in einer Axialansicht.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Strömungsmaschine l in schematischer Ansicht, konkret ein Man telstromtriebwerk. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter la, Brennkammer lb und Turbine lc, letztere weist ein Flochdruckturbinenmodul lca und ein nachgelagertes schnelllaufendes Turbinenmodul leb, insbesondere Nie derdruckturbinenmodul, welches den Fan antreibt und im Betrieb schneller als der Fan dreht, auf. Dabei sind sowohl der Verdichter la als auch die Turbine lc jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz zusammen. Bezogen auf die Umströmung im Gaskanal 2 ist je Stufe der Laufschaufel- dem Leitschaufelkranz nachgelagert. Im Betrieb rotieren die Laufschaufeln um die Längsachse 3.
Figur 2 zeigt eine Laufschaufel 20 in einer schematischen Seitenansicht, und zwar eine Laufschaufel 20 eines Laufschaufelkranzes der Turbine lc, konkret des Turbi nenmoduls leb. Die Laufschaufel weist einen vorliegend nicht weiter im Einzelnen relevanten Schaufelfuß 21 und radial außerhalb davon eine Innenplattform 22 auf. Von der Innenplattform 22 erstreckt sich das Schaufelblatt 23 nach radial außen. Am radial äußeren Ende des Schaufelblatts 23 ist ein Außendeckband 24 angeordnet, das genau einen Dichtfin 24.1 aufweist. Dies ist hinsichtlich des Gewichts und damit der Randlast von Vorteil, vgl. die Beschreibungseinleitung im Einzelnen. Das Schaufelblatt 23 weist bezogen auf die Umströmung im Heißgaskanal eine Vor derkante 23a, eine Hinterkante 23b, sowie zwei jeweils die Vorder- 23a und die Hin terkante 23b miteinander verbindende Seitenflächen 23c, d auf. Eine der Seitenflä chen 23c, d bildet die Saugseite der Laufschaufel 20, die andere die Druckseite. An der Vorderkante 23a ist die Laufschaufel 20 zum Schutz vor Impactschäden mit einer Beschichtung 25 versehen, die aus einer metallischen Schicht und einer darauf angeordneten keramischen Schicht aufgebaut ist (die Schichten sind nicht im Einzelnen dargestellt). Aus der Darstellung gemäß Figur 2 ist ferner ersichtlich, dass die sche- matisch gezeigte Sehnenlänge 26 und damit die Profilfläche 27 nach radial außen abnimmt, was ebenfalls die Randlast verringert.
Figur 3 zeigt das Laufschaufelblatt 23 schematisch in einer Axialansicht, welche die Neigung des Laufschaufelblatts 23 veranschaulicht. In der Darstellung links des Laufschaufelblatts 23 ist dessen Saugseite 41, rechts davon die Druckseite 42. Das Laufschaufelblatt 23 ist zu der Saugseite 41 hin geneigt, und zwar speziell in einem radial mittleren Abschnitt 45.1 der Laufschaufelblatthöhe 45. In dem radial inneren Abschnitt 45.2 und dem radial äußeren Abschnitt 45.3 ist die Neigung geringer, das Laufschaufelblatt 23 kann auch gänzlich ohne Neigung in die Nabe bzw. das Gehäu- se laufen.
Die Neigung zur Saugseite 41 ist dabei so eingestellt, dass das auf das Laufschaufel blatt 23 im Betrieb wirkende Fliehkraft-Biegemoment 46 größer ist als das Gaskraft- Biegemoment 47. Infolgedessen wird das Laufschaufelblatt 23 zu der Druckseite 42 hin gebogen, was die Belastung dort und damit die Impactanfälligkeit an der Vorder- kante 23a verringert, vgl. auch die Beschreibungseinleitung.
BEZUGSZEICHENLISTE
Strömungsmaschine 1
Verdichter la
Brennkammer 1 b Turbine lc
Turbinenmodul lca
Turbinenmodul (schnei Häufend) leb
Gaskanal 2
Längsachse 3 Laufschaufel 20
Schaufelfuß 21
Innenplattform 22
Schaufelblatt 23
Vorderkante 23 a Hinterkante 23b
Seitenflächen 23c, d
Außendeckband 24
Dichtfin 24.1
Beschichtung 25 Sehnenlänge 26
Profilfläche 27
Saugseite 41
Druckseite 42
Laufschaufelblatthöhe 45 mittlerer Abschnitt 45.1 innerer Abschnitt 45.2 äußerer Abschnitt 45.3
Fliehkraft-Biegemoment 46
Gaskraft- Biegemoment 47

Claims

ANSPRÜCHE
Laufschaufel (20) zum Anordnen in einem Gaskanal (3) einer Strömungsmaschine (1), mit einen Laufschaufelblatt (23), das bezogen auf eine Strömung in dem Gaskanal (3) eine Vorderkante (23a) und stromab dazu eine Hinter kante (23b) sowie eine Saugseite (41) und eine Druckseite (42) hat, wobei das Laufschaufelblatt (23) über zumindest einen Abschnitt (45. 1 ) sei ner radialen Laufschaufelblatthöhe (45) mit einer Neigung zu der Saugseite (41 ) hin vorgesehen ist,
wobei die Neigung so eingestellt ist, dass im Betrieb ein Fliehkraft- Biegemoment (46), das die Fliehkraft infolge der Neigung auf das Laufschau felblatt (23) bewirkt, größer ist als ein Gaskraft-Biegemoment (47), das infol ge der Umströmung des Laufschaufelblatts (23) in dem Gaskanal (3) auf das Laufschaufelblatt (23) wirkt.
2. Laufschaufel (20) nach Anspruch 1 , bei welcher die Neigung des Laufschaufelblatts (23) zu der Saugseite (41) derart ausgelegt ist, dass die Spannung in den Ein- und/oder Austrittkanten auf mindestens 50% der Lauf schaufelblatthöhe und/oder zumindest von 50% bis 80%, insbesondere zumindest von 25% bis 95% der Laufschaufelblatthöhe um mindestens 30%, vorzugsweise um mindestens 50%, insbesondere um mindestens 70% gegen über der Fliehkraftmittelspannung auf der jeweiligen Laufschaufelblatthöhe abgesenkt ist.
Laufschaufel (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Fliehkraft- Biegemoment (46) im Betrieb mindestens das 1,25-fache des Gaskraft- Biegemoments (47) ausmacht.
Laufschaufel (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Neigung des Laufschaufelblatts (23) zu der Saugseite (41) in einem radial mittleren Abschnitt (45.1 ) der Laufschaufelblatthöhe (45) größer als in einem radial inneren Abschnitt (45.2) ist.
5. Laufschaufel (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Neigung des Laufschaufelblatts (23) in einem radial mittleren Abschnitt (45.1) der Laufschaufelblatthöhe (45) größer als in einem radial äußeren Ab schnitt (45.3) ist oder bei welcher die Neigung des Laufschaufelblatts (23) in einem radial äußeren Abschnitt (45.3) um maximal 10% von der maximalen
Neigung in dem radial mittleren Abschnitt (45.1 ) abweicht.
6. Laufschaufel (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Laufschaufelblatt (23) über zumindest einen Abschnitt der Laufschaufelblatt- höhe (45) eine nach radial außen abnehmende Profilfläche (27) hat.
7. Laufschaufel (20) nach Anspruch 6, bei welcher das Laufschaufelblatt (23) in dem zumindest einen Abschnitt der Laufschaufelblatthöhe (45) eine nach ra dial außen abnehmende Sehnenlänge (26) hat.
8. Laufschaufel (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche ein radial außen an dem Laufschaufelblatt (23) angeordnetes Außendeckband (24) auf weist, wobei radial außen an dem Außendeckband (24) ein einziger Dichtfin (24.1) angeordnet ist.
9. Laufschaufel (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher zu mindest das Laufschaufelblatt (23) aus einem hochtemperaturfesten Werk stoff vorgesehen ist.
10. Laufschaufel (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das
Laufschaufelblatt (23) zumindest an der Vorderkante (23a) mit einer Be schichtung (25) versehen ist.
1 1. Laufschaufel (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Beschichtung (25) ein Mehrschichtsystem ist, das eine keramische Schicht und eine metallische Schicht aufweist, wobei die metallische Schicht zwi- sehen der keramischen Schicht und dem Laufschaufelblatt (23) angeordnet ist.
12. Laufschaufel (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die für einen schnelllaufenden Rotor mit einem An2 von mindestens 2000 m/s2 ausgelegt ist.
13. Turbinenmodul ( l ca,cb) für ein Flugtriebwerk, insbesondere ein Geared- Turbo-Fan- Triebwerk, mit einer Laufschaufel (20) nach einem der vorste- henden Ansprüche.
14. Turbinenmodul ( l ca,cb) nach Anspruch 13, das als Niederdruckturbinenmo dul (l eb) und/oder schnelllaufendes Fan-antreibendes Turbinenmodul ausge legt ist, und/oder welches dazu ausgelegt ist, einem Außendeckband (24) der Laufschaufel (20) ein Kühlfluid zuzuführen, wobei das Kühlfluid von außerhalb der Laufschaufel (20) zugeführt wird.
15. Verwendung einer Laufschaufel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder einer Turbinenmoduls (lca,cb) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, bei wel cher Verwendung die Laufschaufel (20) mit einem An2 von mindestens 2000 m/s2 rotiert.
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