DE3110096A1 - "turbinenschaufel, insbesondere turbinenlaufschaufel fuer gasturbinentriebwerke" - Google Patents

Description

• Turbinenschaufel , i.nsbesondere Turbinen- -
• laufschaufeln für Gasturbinentriebwerke" Die Erfindung-bezieht sich auf eine Turbinenschaufel, insbesondere Turbinenlaufschaufel für Gasturbinentriebwerke, die einen den Schaufel fuß enthaltenden, tragenden metalli-schen Kern aufweist, der mit Ausnahme der im wesentlichen fußseitigen Kernpartie von einem keramischen Schaufelmantel. mit Abstand eingehüllt ist.
• Zur besseren Kraftstoffausnutzung sowie für ein noch besseres -Leist.ungsspektrum bei Gasturbinentriebwerken, insb.esondere bei Gasturbinenstrahltriebwerken für F1'ugzeuge,wie auch brei stationären Gasturbinenanlagen' geht es um die Gewährleistung möglichst hoher Turbineneintrittstemperaturen.
• Mittels auslegungsmäßig und fertigungstechnisch verhältnismäßig a-uf-wendiger Kühikonzepte ist es im Rahmen der heutigen Gasturbinentriebwerkstechnik möglich, mit.Turbineneintrittstemperaturen zu arbeiten, die zum Teil' über dem Schmelzpunkt der Turbinenscha(lfelwerkstoffe liegen. Dies kann allerdings ntr mit äußerst hochwertigen sowie verhältnismäßig teueren Schau'felwerksto'ffen sowie ntir nit einem hohen fertigungst'echnisc'hen Aufwand erreicht werden, wobei ein verhältnismäßig hoher Kühlluftbedarf erforderl ich ist und gegebenenfalls Störungen der Strömungsverhältnisse in der betreffenden Turbine dadurch hervorgerufe-n werden, daß die Kühlluft aus den Schaufeln bzw. dem Schaufelmantel unmittelbar dem Gasstrom. wieder zugeführt werden soll.
• Aus der DE-OS 28 34 843 ist eine Turbinenlaufschaufel bekannt, die aus einem tragenden metällischen Kern besteht, der den unteren Schaufelfuß einschließt, wobei ein den metallischen Kern mit Abstand umhüllendes Schaufelblatt aus Keramik vorgesehen ist.
• Bei dieser bekannten -Lösung soll im wesentlichen der Schaufel kern an seinem oberen Ende einen nach wenigstens einer Seite herausragenden Kopf aufweisen, an dem sich das dünnwandige Schaufelblatt- mit von einem ins Schaufel innere ragenden Vorsprung von unten her abstützen soll.
• Die Nachteile dieser bekannten L()sung.werden zum einen in den verhältnismäßig hohen Querschnittsspringen im Ker-ami kma ntel gesehen sowie andererseits in der verhältnismäßig k-omplizierten Montage der Schaufel, die u.a. durch den gesc:hilderten Kern- aufbau dieser bekannten Lösung bedingt ist.
• Zum andern ergeben sich im vorliegenden bekannten Fall verhält'nismäßig.große Kontakt- bzw.
• Auflageflächeniwischen dem Schaufejkern und dem Schaufelmantel', wodurch' ein verhältnismäßig großer Wärmefluß vom Mantel zum Kern im Betrieb dieser Schaufel zu erwarten ist. Aus dem geschilderten Aufbau der bekannten Lösung ergibt sich der weitere Nachteil, daß thermisch verursachte Bewegungen zwischen Schaufelmantel und Schaufelke-rn, insbesondere im Hinblick auf häufig wechselnde therm-ische Relastungen, nicht einwandfrei kompensiert werden können.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten.Nachteile zu beseitigen und eine Schaufel der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß bei relativ einfacher Montage dieser Schaufel und verhältnismäßig einfachem Schaufelaufbau insbesondere thermisch unterschiedliche Belastungen'besser aufgefangen werden können.
• Zur Lösung dieser Aufgabe.sieht die Erfindung hauptsächlich die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale vor.-Weitere vqrteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentantansprüchen 2 bis 14.
• Anhand der Zeichnung is't die Erfindung beispielsweise weiter er-läutert: es zeigen: Fig. 1 eine stirnseitig aufgeschn4ttene sowie perspektivisch dargestellte Turbinenlaufschaufel in einer ersten Ausführungsform, Fig.'2 eine ebenfalls stirnseitig aufgeschnittene, perspektivisch dargestellte Laufschaufel in leicht abgewandelter Ausführungsform gegenüber Fig. 1, Fig. 3 einen abschnittsweise dargestellten Schaufelquerschnitt, Fig. 4 Einzelheiten der Stiftsicherung des Schaufelmantels am Schaufelkern, Fig. 5 eine Seitenansicht der in Fig. 4 angegebenen Stiftsicherung-am Schaufelkern, Fig. 6 die Seitenansicht eines Schaufel kerns in einer weiteren Ausfiihrungsform, Fig. 7 die Vorderansicht des Schaufel kerns nach Fig. 6, Fig. 8 einen Schaufelquerschnitt in einer weiteren Ausführungsform, Fig. 9 einen als Längsschnitt dargestellten Abschnitt einer Turhinenlaufschaufel in einer weiteren Ausführungsform, worin insbesondere eine weitere Aus führungsvari änte eines Stiftes für die Aufhängung des Schau.felmantels am Schaufelkern erl autert ist Fig. 1'0 ei'ne perspektivische Darstellung der in Fig angegebenen stiftartigen Sicherungseinr.ichtung des Schaufel.mantels am Schaufelkern und Fig. 11 einen als Axialschnitt dargestellten.
• Abschnitt einer Turbinenlaufschaufel gemäß einer weiteren Ausftihrungsform nach- der Erfindung.
• Die Turbinenlaufsc.haufel 1 nach Fig. 1 weist -einen den Schaufelfuß 2 einschließenden tragenden metallischen Kern 3 auf. Dieser Kern 3 ist mit Ausnahme der im wesentlichen fußseitigen Kernpartie von einem keramischen.Schaufelmantel 4 mit Abstand eingehüllt. Gemäß Fig. 1 ist ferner der Schaufelmantel 4 mittel:s eines quer durch den Kern 3 hindurchgeführten keramischen Stifts 5 an diesem metallischen.Kern 3 befestigt. Der Stift.5 ist hierbei - bezogen auf die dem Schaufelfuß 2 einschließende Ge'samtlange L gesehen - vorzugsweise im oberen Schaufel.längendrittel L3 an-g.eordnet, wobei vorausgesetzt wird, daß in später noch näher erläuterter Weise Zentriermittel zwischen dem Schaufel mantel 4 und dem Schaufelk'er'n 3 vorgesehen sind.
• Für Fig. 2 gelten die zur Fig. 1 gemachten Ausführungen sinngemäß, wobei Fig. 2 'gegenüber Fig. 1 lediglich' dahingehend abweicht, daß der Schaufelmantel 4' die Turbinenschaufel 1' amioberen und unteren Ende jeweils seitlich nach außen umgebördelt ist.
• Bei den Ausführungsbeispielen.bei den Fig.
• 1 und 2 sowie auch bei den nachfolgenden Ausführungsbeispieien der Erfindung wird davon ausgegangen, daß der jeweilige keramische Stift, z.B. 5 gemäß Fig. 1 und 2, jeweils se'itlich an den äußeren Enden mit dem Schaufel mantel 4 bzw..
• 4' f'est verbunden ist, während erzen der bebetreffenden Bohrung des Schaufelkerns 3 beweglich angeordnet ist, derart, daß etwaige durch- Temperatureinflüsse bedingte Dehnungen dieses Stiftes 5 nicht auf den metallischen Kern 3 übertragen werden sollen.
• Wie aus Fig.. 8 weiter hervorgeht, soll der Schaufelkern 3 auf der den Ciaskräften ausgesetzten Seite (Druckseite D) mit no.ppen.artig ausgebildeten Vorsprüngen 6 versehen sein, an denen die betreffende druckseitige Schaufelmantelpartie.im Betriebszustand anliegen soll. In Abweichung von'Fig. 8 kann gemäß Fig. 3 der Schaufelmantel 4' auf der den Gaskräften ausgesetzten Seite (Druckseite D) mit noppenartigen Vors.prüngen 7 versehen sein, mit denen die betreffenden Schaufelmante partie im Betniebszustand an der betreffenden Kernpartie zur Anlage gebracht werden soll.
• In nicht weiter dargestellte Weise kann sowohl der Schaufelmantel als auch der Kern der den Gaskräften -ausgesetzten Seite (Druckseite) mit noppenartigen, untereinander druckgleiche Anlageflächen überweisenden Vorsprüngen versehen sein.
• Wie insbesondere aus Fig. 11 weiter hervorgeht, können als Zentriermittel für den Schaufel mantel 4 am Schaufel kern 3 stiftartig ineinandergreifende, ein geeignetes seitliches Spiel zwischen dem Schaufel mantel 4 und dem Kern 3 gewährleistende Verbindungen 8 vorgesehen sein. In den Zeichnungen nicht weiter dargestellt, können an Stelle dieser stiftartigen Verbindungen z.R. auch nut-federartig ineinandergreifende Zentrierverbindungen vorgesehen sein.
• Aus Fig. 3 geht ferner hervor, daß der in einer Bohrung des Kerns 3 beweglich angeordnete keramische Stift 5 mit dem Schaufelmantel 4' verlötet oder verklebt werden kann, wobei die betreffende Löt- oder Klebestel'le in der Zeichnung mit K bezeichnet ist. Fig. 3 gibt ferner Aufschluß darüber, daß zumindest ein Stiftende innerhalb einer im Schaufelmantel 4' angeordneten Einsenkung angebettet werden kann; der Verlauf dieser genannten Einsenkung entspricht der mit K angegebenen Kontur für die betreffende Klebe- bzw. Lötstelle K.
• Aus den Fig. 4 und 5 geht weiter eine vorteilhafte Einrichtung zur. Sicherung bzw. Be'festigung des Schaufel.mantels 4 bzw. 4' am Schaufelkern 3 hervor Wie insbesondere aus Fig. 5 hervorgeht, weist der keramische-Stift 8 an seinen beiden Enden jeweils wandparallel verlaufende, gleichför.mige Aussparungen 9, 10 auf. M-it diesen Ausnehmungen 9, 10 ist der keramische Stift 8 nach dem Einsetzen und daran anschließendem radialen Verschieben innerhalb einer längslochartigen nffnung 11 des Kerns 3 an Kernbackenpartien 12, 13 axial festlegbar, die den ke-' ramischen Stift 8 in seiner Endstellung übergreifen.
• Hierbei ist weiter vorausgesetzt, d.aß die beidseitig vom Kern 3 vorstehenden Enden des kerami scfien St'ifts 8 in zuvor schon erläuterter Weise in konzentrischen Bohrungen oder Einsenkungen des Schaufel mantel s 4 bzw.
• 4' zentriert- bzw. festlegbar sind.
• Gemäß Fig. 6 und 7 kann der betreffende Schaufelkern 14 einschließlich des Schaufel fußes 15 sich huber die gesamte Länge erstreckende Kühlkanäle 16, 17 aufweis.en, wobei mit 18 die Bohrung für den keramischen Stift bezeichnet ist In nicht weiter dargestellter Weise.kann der Schaufelkern ferner gegenüber der Wärmeeinstrahlung v.om Schaufelmantel her mittels einer Wärmedämmschicht verkleidet.und so dementsprechend zusätzlich geschützt werden. Diese Wärmedämmschicht kann aus Zirkonoxyd oder nluminiuntitanat oder einer fas.ermattenartigen Isolierung, die mittels Metallfolien ummantelt ist bestehen, wobei d-ie Metallfolien wiederum mit einer die Wärmeeinstrahlung re-flektierenden Schicht belegbar sind.
• Enenfalls in den Zeichnungen nicht weiter dargestellt, kann der keramische Stift auf der der Druckseite der Schaufel zugekehrten Seite mit einem größeren Querschnitt ausgestattet sein, als auf der betreffenden, der Saugseite zugekehrten Seite. Auf diese Weise ergibt sich ein \!er- ha'ltnismäßig großer Riegequerschnitt dieses Stiftes in druckseiten Rereich, ohne den Metallquerschnitt des Schaufelkerns u-nzuläs'sig beeinträchtigen zu müssen.
• Auf diese Gleise ist der Stift also in der Lage, der auf der Drucksei-te herrschenden größeren Kraftbeanspruchung gerecht zu werden.
• Die Fig. 9 und 10' veranschaulichen eine bevorzugt hinsichtlich der Gaskräftebeanspruchung an der Schaufel in geeigneter Weise aus-gebildete Ausfiihrung eines keramischen Stifts 19, der hier in der saugseitigen Befestigungsebene des Schaufelmantels 4 einen mit verhältnismäßig geringem Kreisquerschnitt ausgestatteten er'sten Abschnitt 20 aufweist. Von diesen Abschnitt 20 aus geht dann der Stift wei.ter im Bereich der schaufelkernseitigen Lagerebene in einen Abschnitt 21 über, der einen ell.iptischen Q'uerschnitt aufweist und den zylindrischen Abschnitt 20 hochkant länglich iibersteigt. In der'druckseitigen Refestigungsebene (Druckseite D) weist der Stift 19 einen mit dem größten Durchmesser des zweiten Abschnitts 21 ausgestatteten dritten Abschnitt 22 mit einem kreisförmigen Querschnitt auf.
• Leerseite

Claims (14)

1. P a t e n t a n s p r U c h e 1. Turbinenschaufel insbesondere Turbi'nenlaufschaufe' für Casturbinentriebwerke, die einen den Schaufelfuß enthaltenden, tragenden metallischen Kern aufweist, der mit Ausnahme der im-wesentlichen fußseitigen Kernpartie von einem keramischen Schaufelmantel mit Abstand eingeholt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufel mantel (4) mittels eines in Querrichtung verl-aufenden keramischen Stiftes (5) am metallischen Kern (3) dehnelastisch aufgehängt ist, und hierbei der Stift (5) - bezogen auf die den Schaufelfuß (2) einschließende Sesamtlänge (L) der Schaufel gesehen - vorzugsweise im oberen Schaufellängendrittel (L3) angeordnet ist, wobei Zentriermittel zwischen Schaufel mantel und -kern vorgesehen sind.
2. 2. Turbinenschaufel nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß der Sch.aufelkern (3) auf der der Gaskräften ausgesetzten Seite (Druckseite'D)mit nop-penartig ausgebildeten Vorsprüngen (6) versehen ist, an denen die betreffende Schaufelmantelpartie im Betriebsustand anliegt.
3. 3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelmantel (4') auf der den Gaskräften ausgesetzten Seite (Druckseite D) mit noppenartigen Vorsprüngen (7) versehen ist, mit denen die betreffende Schaufelpartie im Betriebszustand -an der zugehörigen Kernpartie anliegt.
4. 4. Turbinenschaufel- nach Anspruch 1, dadurch g'ekennzeichn.et, daß sowohl der Schaufelmantel als auch der Kern auf der den Gaskräften ausgesetzten Seite (Druckseite) mit noppenartigen, untereinander deckungsgleiche Anlageflächen aufweisenden -Vorsprüngen versehen sind.
5. 5. Turbinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zentriermittel nutfederartig oder stiftartig (8) ineinandergreifende, ein geeignetes seitliches Spiel. zwischen Schaufelmantel (4) und Kern (3) gewährleistende Verbindu'ngen vorgesehen-sind.
6. 6. Turbinenschaufel nach den An.sprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer Bohrung des Kerns (3) eingesetzte keramische Stift.(5) mit dem Schaufelmantel (4'-) verlötet oder verklebt ist (Löt- bzw. Klebestelle K).
7. 7. Turbinenschaufel na-ch den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden dem Kern (3) zugekehrten Bewandungen des Schaufelmantels (4') ) eine Einsenkung zur Festlegung eines Stiftendes aufweist.
8. 8. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Stift (8) an seinen beiden Enden jeweils wandparallel verlaufende, gleichförmige Aussparung (9,10) aufweist, mit denen er nach dem Einsetzen und daran anschließendem Verschieben innerhalb einer langlochartigen öffnung (11) des Kerns an die Aussparungen übergreifenden Kernbackenpartien (12,13) axial festlegbar ist, wobei die beidseitig vom Kern vorstehenden Stiftenden in konzentrischen Bohrungen oder Einsenkungen des Schaufelmantels'zentriert bzw. festlegbar sind.
9. 9. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (14) nebst Schauf'elfuß (15) in an sich bekannter.lleise von in Schaufellängsrichtung sich erstreckenden Kiihlkanälen (16,17) durchsetzt ist.
10. 10. Turbinenschaufei nach den Ansprüchen 1 his 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern gegen Wärmeeinstrahlung mittels einer blärmedämmschicht geschützt bzw. verkleidet ist.
11. 11. Turbinenschaufe nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Stift insbesondere im Hinblick auf die seitlichen Anlageflächen in'der betreffenden Bohrung des Schaufel kerns einen ov.alis'ierten Querschnitt.au'fweist.
12. 12. .Turbinenschaufel nach den An-sprüchen .1 bis'11, dadurch.gekennzeichnet, daß der keramische Stift auf der der Druckseite der Schaufel zugewandten Seite einen größeren nuerschnitt aufweist als auf der der Sa-ugseite der Schaufel zugewandten Seite.
13. 13. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Stift (19) in der saugseitigen Befestigungsebene des Schaufelmantels (4) einen mit verhältnismäßig geringem Kreisquerschnitt ausgestatteten ersten Abschnitt (20) aufweist, der im Bereich der schaufelkerns'eitigen Lageehene in einen den Querschnitt des ersten Abschnitts (20') hochkant länglich-übersteigenden, ovalisierten zweiten Abschnitt (21) übergeht, während der Stift (19) in der druck- seitigen Befestigungsebene einen mit dem größten Durchmesser des zweiten Abschnitts (21) ausgestatteten dritten Abschnitt (22) kreisförmigen Quers.chnitts aufweist.
14. 14. Turbinenschaufel nach Anspru-ch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht aus Zirkonoxid oder Aluminiustitanat oder einer fasermattenartigen Isolierung besteht, die mittels Metallfolien: ummantelt ist, die ihrerseits mit einer strahlungsreflektieren--den Schicht belegt sind.