DE69817065T2

DE69817065T2 - Schaufelblatt mit Sollbruchstelle

Info

Publication number: DE69817065T2
Application number: DE69817065T
Authority: DE
Inventors: Robert H. East Hartford Zipps; Reginald H. Hebron Spaulding; Edward S. East Hampton Todd; Robert F. Wethersfield Kasprow; Herman C. Enfield Klapproth; Douglas A. Portland Welch; Phyllis L. Hebron Kurz; Joseph J. Glastonbury Cafasso
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2018-04-25
Also published as: US6146099A; EP0874136A2; US5836744A; JPH116499A; DE69817065D1; EP0874136B1; EP0874136A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere Laufschaufeln für einen Bläser in der Maschine, die ausgelegt sind, ein Brechen des Strömungsprofils während eines Laufschaufelverlust-Zustands zu verringern.
Eine Gasturbinenmaschine, beispielsweise eine Turbobläsermaschine für ein Flugzeug weist einen Bläserabschnitt, einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt auf. Eine Achse der Maschine ist zentral in der Maschine angeordnet und erstreckt sich in Längsrichtung durch diese Abschnitte. Ein primärer Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase erstreckt sich axial durch die Abschnitte der Maschine. Ein sekundärer Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase erstreckt sich parallel zu und radial außerhalb des Primär-Strömungswegs.
Der Bläserabschnitt weist eine Rotoranordnung und eine Statoranordnung auf. Die Rotoranordnung des Bläsers weist eine Rotorscheibe und eine Mehrzahl von sich nach außen erstreckenden Rotorlaufschaufeln auf. Jede Rotorlaufschaufel weist einen Strömungsprofilbereich, einen schwalbenschwanzartigen Wurzelbereich und eine Plattform auf. Der Strömungsprofilbereich erstreckt sich durch den Strömungsweg und wechselwirkt mit den Arbeitsmediumsgasen, um Energie zwischen der Rotorlaufschaufel und den Arbeitsmediumsgasen zu übertragen. Der schwalbenschwanzförmige Wurzelbereich wirkt mit den Befestigungsmitteln der Rotorscheibe zusammen. Die Plattform erstreckt sich typischerweise umfangsmäßig von der Rotorlaufschaufel zu einer Plattform einer benachbarten Rotorlaufschaufel. Die Plattform ist radial zwischen dem Strömungsprofilbereich und dem Wurzelbereich angeordnet. Die Statoranordnung weist ein Bläsergehäuse auf, welches die Rotoranordnung in enger Nähe zu den Spitzen der Rotorlaufschaufeln umgibt.
Während des Betriebs saugt der Bläser Arbeitsmediumsgase, insbesondere Luft, in die Maschine. Der Bläser erhöht den Druck der Luft, die entlang dem sekundären Strömungsweg gefördert wird und erzeugt so Nutz-Schub. Die entlang dem primären Strömungsweg in den Verdichterabschnitt gesaugte Luft wird verdichtet. Die verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungsabschnitt kanalisiert, wo Brennstoff der verdichteten Luft zugegeben wird und die Luft-Brennstoffmischung verbrannt wird. Die Verbrennungsprodukte werden zu dem Turbinenabschnitt abgegeben. Der Turbinenabschnitt entzieht diesen Produkten Arbeit, um den Bläser und Verdichter anzutreiben. Sämtliche Energie aus den Verbrennungsprodukten, die nicht verwendet wird, um den Bläser und den Verdichter anzutreiben, trägt zu dem Nutz-Schub bei.
Die Erfordernisse für die Federal Aviation Administration (FAA)-Zertifizierung für eine mit Laufschaufeln versehene Turbobläsermaschine spezifizieren, dass die Maschine die Fähigkeit zeigt, ein Versagen einer einzelnen Bläserlaufschaufel bei maximal zulässiger Drehzahl zu überleben, was nachfolgend hier als "Laufschaufelverlust-Zustand" bezeichnet wird. Die Tests für die Zertifizierung erfordern eine Zurückhalten von allen Laufschaufelbruchstücken, ohne Feuer zu fangen und ohne einen nachfolgenden Laufschaufelverlust, bei einem Betrieb für mindesten fünfzehn Minuten. Das ideale Konstruktionskriterium ist, den Laufschaufelverlust auf eine einzige losgelöste Laufschaufel zu begrenzen. Die Auftreffbelastungen auf das Einschlussgehäuse und die Unwuchtbelastungen, die auf die Maschinenstruktur übertragen werden, sind dann minimal. Wenn die Bläserunwucht zu groß wird, kann es zu einem Verlust des gesamten Bläsers oder der gesamten Maschine kommen.
Das Testverfahren für die Zertifizierung beinhaltet das Loslösen einer Bläserlaufschaufel von der Nabe, indem sowohl mechanische als auch explosive Mittel verwendet werden. Eine Öffnung mit einem großen Durchmesser wird durch die komplette Länge der Schwalbenschwanz-Befestigung einer Laufschaufel zu der Nabe gebohrt und mit Explosivmaterial gefüllt. Zu einem vorbestimmten Zeitpunkt wird das Explosivmaterial entzündet, und es brennt durch die Wände der Befestigung, um die Bläserlaufschaufel freizugeben. Die freigegebene Bläserlaufschaufel bewegt sich durch die Laufschaufelpassage mit Geschwindigkeiten von einigen 100 Fuß/s. Erfahrung aus der Vergangenheit hat gezeigt, dass, wenn Bläserlaufschaufeln des Stands der Technik an dem äußeren Bereich der Schwalbenschwanz-Befestigung brechen, die Plattform der freigegebenen Laufschaufel die Vorderkante der benachbarten Laufschaufel trifft, die der losgelösten Laufschaufel bezogen auf die Rotationsrichtung folgt, was nachfolgend als die "folgende Laufschaufel" bezeichnet wird. Als Folge des Auftreffens kann die Plattform an der losgelösten Laufschaufel brechen. Dieses Brechen wird an dem Tangentenpunkt auftreten, wo die Plattform den Ausrundungsradius zwischen der Plattform und dem Wurzelbereich der Bläserlaufschaufel schneidet. Eine Ausrundung ist die radiale Oberfläche an dem Übergang von zwei Oberflächen. Das abgebrochene Bruchstück der Plattform verlässt die Maschine über den Bläserkanal.
Der vorstehende gebrochene Rand der Plattform der losgelösten Laufschaufel trifft dann auf die Vorderkante der folgenden Laufschaufel und verursacht tendenziell die meiste Beschädigung an der folgenden Laufschaufel. Dieser sekundäre Treffer gegen die folgende Laufschaufel kann zur Folge haben, dass das Strömungsprofil der folgenden Laufschaufel bricht oder durchtrennt wird. Deshalb haben Bläserlaufschaufeln des Stands der Technik bei dem Test-Zulässigkeitskriterium für die Zertifizierung versagt, welches erfordert, dass ein Bläser keinen folgenden Laufschaufelverlust bei einer maximal zulässigen niedrigen Rotordrehzahl erfährt.
Es gibt einige mögliche Lösungen für das Problem abgetrennter Bläserlaufschaufeln in Folge des sekundären Auftreffens einer gebrochenen Laufschaufelplattform. Eine Lösung könnte sein, die Vorderkante des Strömungsprofils beispielsweise durch Zugeben von Material zu der Kante zu stärken. Jedoch hätte eine erhöhte Strömungsprofildicke durch Zugabe von Material, um ein Strömungsprofil-Brechen zu verhindern, eine signifikante Einwirkung auf das Laufschaufelgewicht, die Bläserleistung und das Maschinengewicht und ist deshalb unerwünscht. Eine weitere mögliche Lösung wäre, die Bläserlaufschaufelplattform in der Nähe des Übergangs von dem Plattformvorderrand und dem Strömungsprofilbereich der Bläserlaufschaufel strukturell zu verstärken. Diese strukturelle Verstärkung verhindert das Brechen der Plattform der freigegebenen Laufschaufel. Jedoch könnte während eines sekundären Auftreffens die verstärkte Plattform beim Auftreffen auf eine folgende Bläserlaufschaufel zu einem noch ernsthafteren Strömungsprofilbruch führen.
US 4 120 607 A beschreibt eine Laufschaufel für einen Bläser in einer Axialströmungs-Gasturbinenmaschine, die um eine Längsachse angeordnet ist, wobei die Gasturbinenmaschine einen axialen Strömungsweg aufweist, der eine Passage für Arbeitsmediumsgase definiert, wobei die Bläserlaufschaufel aufweist:
einen Strömungsprofilbereich, der eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Druckseite und eine Sogseite hat, und daran angepasst ist, sich über den Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase zu erstrecken,
einen Wurzelbereich, der radial innerhalb von dem Strömungsprofil angeordnet ist, wobei der Wurzelbereich einen Schwalbenschwanz-Hals und eine Schwalbenschwanz-Befestigung hat,
eine Plattform, die radial zwischen dem Strömungsprofilbereich und dem Wurzelbereich angeordnet ist, wobei sich die Plattform umfangsmäßig von der Laufschaufel erstreckt und aufweist:
einen Vorderrandbereich vor der Vorderkante des Strömungsprofilbereichs,
einen hinteren Randbereich hinter der Hinterkante des Strömungsprofilbereichs,
eine äußere Oberfläche, die eine Strömungsoberfläche des Strömungswegs definiert, und
eine innere Oberfläche radial innerhalb von der äußeren Oberfläche.
Die vorliegende Erfindung ist gegenüber US 4 120 607 A dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform derart konstruiert ist, dass sie an einer vorbe stimmten Stelle bricht, so dass die Bruchkante in dem Schwalbenschwanz-Hals positioniert ist und so das Risiko eines Strömungsprofilbruchs in Folge des Auftreffens der Laufschaufel auf nachfolgende rotierende Bläserlaufschaufeln verringert ist.
Deshalb ist eine Bläserlaufschaufel mit einer Plattform, die derart strukturiert ist, dass sie dem Strömungsprofilbereich benachbart bricht, so dass die Bruchkante der Plattform nicht in der Lage ist, auf die folgende Bläserlaufschaufel zu treffen, bereitgestellt. Das Risiko einer Beschädigung der folgenden rotierenden Bläserlaufschaufel ist verringert, da die Bruchkante umfangsmäßig innen in dem Wurzelbereich der Bläserlaufschaufel angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Laufschaufelstruktur, die umfangsmäßig außerhalb der Bruchstelle angeordnet ist, abgerundet bzw. abgeschwächt, um ein günstiges, mildes Auftreffen auf die Vorderkantenoberfläche der folgenden Laufschaufel sicherzustellen.
Noch bevorzugter ist der Strömungsprofilbereich der Bläserlaufschaufel verfestigt durch Verdicken der Vorderkante.
In ihren bevorzugten Ausführungsformen weist die Bläserlaufschaufel einige Merkmale auf, um Strömungsprofilbruch der folgenden Bläserlaufschaufel zu vermeiden. Vorzugsweise liefert die vorliegende Erfindung eine Hinterschneidung, die einen Ausnehmungsbereich definiert. Die Hinterschneidung ist in der radial inneren Oberfläche der Plattform angeordnet und erstreckt sich in den Wurzelbereich. Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung hat die Hinterschneidung eine gekrümmte äußere Oberfläche und eine flache abgeschrägte innere Oberfläche, die radial innerhalb der gekrümmten äußeren Oberfläche ist. Diese Hinterschneidung bewegt den Ausrundungsradius zwischen der inneren Oberfläche der Plattform und dem Schwalbenschwanz-Hals umfangsmäßig weg von der folgenden Laufschaufel. Als Folge ist, wenn die Plattform bricht, die Bruchkante in dem Schwalbenschwanz-Hals in dem Wurzelbereich positioniert. Keine scharfen Bruchkanten stehen vor, um eine Beschädigung in Folge des Auftreffens auf die folgende Laufschaufel zu verursachen.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal ist eine Nut an der Außenoberfläche der Plattform, die axial und umfangsmäßig mit der Hinterschneidung in der inneren Oberfläche der Plattform zusammenfällt. Die Nut ist ein Schwächungsbereich, der sicherstellt, dass der Bruch der Plattform an der Nut erfolgt. Gemäß einem noch weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung ist eine in Erstreckungsrichtung verlaufende Fase in dem Vorderrand des Wurzelbereichs positioniert. Die Fase sorgt für eine gebrochene Ecke, die beim Auftreffen auf die Vorderkante des Strömungsprofils der folgenden Laufschaufel minimale Beschädigung des Strömungsprofils verursachen wird.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung ist der Vorderrand der Plattform abgeschnitten, um eine gebrochene Ecke zu schaffen. Das Abschneiden minimiert zusätzlich die Beschädigung an der Vorderkante des Strömungsprofils der folgenden Laufschaufel für den Fall, dass die Vorderrandecke der Plattform das Strömungsprofil trifft. Außerdem ist gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung die Vorderkante des Strömungsprofils der Bläserlaufschaufel bei einem radialen Abstand von der Plattform verdickt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erhöhte Dicke durch eine Ausnehmung in der Vorderkante an einer radial inneren Position definiert, um eine kräftigere Vorderkante zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung liefert deshalb zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen eine haltbare Bläserlaufschaufel. Die Merkmale der Bläserlaufschaufel minimieren das Risiko eines Strömungsprofilbruchs einer folgenden Bläserlaufschaufel, wenn eine freigegebene Bläserlaufschaufel auf die folgende Laufschaufel trifft. Ein weiterer Vorteil sind die Einfachheit und die Kosten der Herstellung der Laufschaufeln mit den genannten Merkmalen. Laufschaufeln des Stands der Technik können aufgearbeitet werden, so dass sie die beschriebenen Merkmale beinhalten, was zu Laufschaufeln gemäß der vorliegenden Erfindung führt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Axialströmungs-Turbobläser-Gasturbinenmaschine.
2 ist eine isometrische Ansicht einer Laufschaufel des Stands der Technik für einen Bläser in der Maschine von 1.
3 ist eine isometrische Ansicht einer Laufschaufel der vorliegenden Erfindung für einen Bläser in der Maschine von 1.
4 ist eine Seitenansicht einer Bläserlaufschaufel der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht des Wurzelbereichs der in 3 gezeigten Bläserlaufschaufel der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine isometrische Ansicht, die die Bläserlaufschaufel mit einer zugehörigen Dichtung zeigt.
7 ist eine isometrische Ansicht der Dichtung angepasst zwischen zwei benachbarten Bläserlaufschaufeln.
Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Axialströmungs-Turbobläser-Gasturbinenmaschine 10 weist eine Bläserabschnitt 14, einen Verdichterabschnitt 16, einen Verbrennungsabschnitt 18 und einen Turbinenabschnitt 20 auf. Eine Achse der Maschine A_r ist zentral in der Maschine angeordnet und erstreckt sich in Längsrichtung durch diese Abschnitte. Ein primärer Strömungsweg 22 für Arbeitsmediumsgase erstreckt sich in Längsrichtung entlang der Achse A_r. Der sekundäre Strömungsweg 24 für Arbeitsmediumsgase erstreckt sich parallel zu und radial außerhalb von dem primären Strömungsweg 22.
Der Bläserabschnitt 14 weist eine Statoranordnung 27 und eine Rotoranordnung 28 auf. Die Statoranordnung hat ein sich in Längsrichtung erstreckendes Bläsergehäuse 30, welches die äußere Wand des sekundären Strömungswegs 24 bildet. Das Bläsergehäuse hat eine äußere Oberfläche 31. Die Rotoranordnung 28 weist eine Rotorscheibe 32 und eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln 34 auf. Jede Rotorlaufschaufel 34 erstreckt sich von der Rotorscheibe 32 über die Arbeitsmediums-Strömungswege 22 und 24 in die Nähe des Bläsergehäuses 30. Jede Rotorlaufschaufel 34 hat einen Wurzelbereich 36, eine entgegengesetzte Spitze 38 und einen Bereich 40 in Erstreckungsmitte, der sich dazwischen erstreckt.
2 zeigt eine Laufschaufel des Stands der Technik für einen Bläser in der Axialströmungs-Gasturbinenmaschine 10, wie in der 1 gezeigt ist. Die Bläserlaufschaufel 34 weist einen Wurzelbereich 44, eine Plattform 46 und einen Strömungsprofilbereich 48 auf. Es wird auf die 3 Bezug genommen. Die Bläserlaufschaufel 34 der vorliegenden Erfindung weist einen Wurzelbereich 44, eine Plattform 46 und einen Strömungsprofilbereich 48 auf. Der Strömungsprofilbereich hat eine Vorderkante 50, eine Hinterkante 52, eine Druckseite 54 und eine Sogseite 56. Der Strömungsprofilbereich ist daran angepasst, sich über die Strömungswege 22, 24 für die Arbeitsmediumsgase zu erstrecken. Der Wurzelbereich 44 ist radial innerhalb des Strömungsprofilbereichs 48 angeordnet, und er weist einen Schwalbenschwanz-Hals 60 und eine Schwalbenschwanz-Befestigung 22 auf. Die Plattform 46 ist radial zwischen dem Strömungsprofilbereich 48 und dem Wurzelbereich 44 angeordnet. Die Plattform 46 erstreckt sich umfangsmäßig von der Laufschaufel weg. Die Plattform 46 weist einen Vorderrandbereich 64, der sich vor der Vorderkante 50 des Strömungsprofilbereichs befindet, einen hinteren Randbereich 66, der sich hinter der Hinterkante 52 des Strömungsprofilbereichs befindet, auf. Die Plattform 46 weist auch eine äußere Oberfläche 68 auf, welche eine Strömungsoberfläche für den Strömungsweg definiert und eine innere Oberfläche 70 auf, die radial innerhalb der äußeren Oberfläche ist.
Die Bläserlaufschaufel 34 der vorliegenden Erfindung weist eine Hinterschneidung 72 auf, welche einen Ausnehmungsbereich definiert, so dass, wenn die Bläserlaufschaufel bricht, der Bruch innerhalb des Schwalbenschwanz-Halses 60 positioniert ist. Die Hinterschneidung 72 ist in der inneren Oberfläche 70 der Plattform angeordnet und erstreckt sich in den Schwalbenschwanz-Hals 60 in dem Wurzelbereich 44. Diese Hinterschneidung 72 verschiebt den Ausrundungsradius zwischen der inneren Oberfläche 70 der Plattform 46 und dem Schwalbenschwanz-Hals 60 umfangsmäßig weg von der folgenden Laufschaufel. In Folge ist, wenn die Plattform 46 bricht, die Bruchkante in dem Schwalbenschwanz-Hals 60 in dem Wurzelbereich 44 angeordnet: Die Bläserlaufschaufel 34 der vorliegenden Erfindung, wie sie in der 3 gezeigt ist, weist auch eine Nut 74 an der äußeren Oberfläche 68 der Plattform 46 auf, die axial und umfangsmäßig mit dem Ausrundungsradius zwischen der inneren Oberfläche 70 der Plattform 46 und dem Schwalbenschwanz-Hals 60 in der Hinterschneidung 72 zusammenfällt. Die Nut 74 ist ein Schwächungsbereich, der sicherstellt, dass der Bruch der Plattform 46 bei der Nut 74 erfolgt. Außerdem weist der Vorderrand des Schwalbenschwanz-Halses 60 in dem Wurzelbereich 44 eine in Erstreckungsrichtung verlaufende Fase 76 auf, welche die vordere Ecke bzw. Kante des Schwalbenschwanz-Halses 60 bricht. Die Fase 76 sorgt für eine stumpfe Ecke, die bei einem Aufprall auf die Vorderkante des Strömungsprofils 50 der folgenden Laufschaufel keine Beschädigung des Strömungsprofils 48 verursachen wird.
Es wird auf die 3 Bezug genommen. Der Vorderrand 64 der Plattform ist abgeschnitten 78, um für eine stumpfe Ecke zu sorgen. Das Abschneiden 78 minimiert zusätzlich das Risiko einer Beschädigung der Vorderkante 50 des Strömungsprofils 48 der folgenden Laufschaufel für den Fall, dass die Vorderrand-Ecke auf das Strömungsprofil 48 trifft. Außerdem ist die Plattform 46 umfangsmäßig so dimensioniert, dass sie mit einer benachbarten Plattform einen großen Spalt definiert. Dieser Spalt definiert die Nähe zu benachbarten Laufschaufelplattformen. Ein vergrößerte Spalt verringert die Möglichkeit, dass Plattformränder der folgenden benachbarten Laufschaufel während des Zustands eine Laufschaufelverlusts die der lsgelösten Laufschaufel berühren. Die Berührung zwischen benachbarten Plattformrändern verursacht eine Beschä digung der Plattformen 46, was dazu führen kann, dass die folgenden Laufschaufelplattform 46 bricht.
Außerdem ist die Vorderkante 50 des Strömungsprofils bei einem radialen Abstand von der Plattform, bei der der Strömungsprofilbereich 48 am wahrscheinlichsten von einer losgelösten Laufschaufel getroffen wird, verdickt. Die erhöhte Dicke ist durch eine Ausnehmung 51 in der Vorderkante an einer radial inneren Position definiert, was für eine kräftigere Vorderkante sorgt.
Es wird auf die 4 Bezug genommen. Die Hinterschneidung 72 erstreckt sich in den Schwalbenschwanz-Hals 60 des Wurzelbereichs 44. Die Hinterschneidung 72 weist eine gekrümmte äußere Oberfläche 80 und eine flache abgeschrägte innere Oberfläche 82 radial innerhalb von der gekrümmten äußeren Oberfläche 80 auf. Diese Hinterschneidung 72 verschiebt den Ausrundungsradius zwischen der inneren Oberfläche 70 der Plattform 46 und dem Schwalbenschwanz-Hals 60 umfangsmäßig weg von der folgenden Laufschaufel. In. der Folge ist, wenn die Plattform 46 bricht, die Bruchkante in dem Schwalbenschwanz-Hals 60 in dem Wurzelbereich 44 positioniert.
5 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht einer Bläserlaufschaufel 34 der vorliegenden Erfindung. Sie zeigt weiter, dass sich die Hinterschneidung 72 in der inneren Oberfläche 70 der Plattform 46 in den Schwalbenschwanz-Hals 60 erstreckt. Außerdem zeigt sie die in Erstreckungsrichtung abgefaste vordere Ecke 76 des Schwalbenschwanz-Halses 60.
6 zeigt eine zur Bläserlaufschaufel 34 der vorliegenden Erfindung gehörende Dichtung 86. Die Dichtung 86 ist generell elastomer. Die Dichtung ist daran angepasst, den örtlich großen Spalt zwischen Plattformen 46 von benachbarten Laufschaufeln 34 abzudichten. Die Dichtung 86 weist einen nach oben stehenden oder erhabenen Bereich 88 auf, der daran angepasst ist, den durch das Abschneiden 78 in dem vorderen Rand 64 der Plattform 46 definierten örtlich großen Spalt abzudichten.
Es wird auf die 7 Bezug genommen. Die Dichtung 86 ist zwischen zwei benachbarten Plattformen 46 angeordnet. Die Dichtung 86 ist daran angepasst, den Spalt in dem Zwischenbereich von Plattform zu Plattform abzudichten. Die Elastomerdichtung 86 ist an der inneren Oberfläche 70 von einer der Plattformen 46 befestigt und wird zentrifugal in Eingriff mit der inneren Oberfläche 70 der benachbarten Plattform 46 gedrückt.
Während des Betriebs der Gasturbinenmaschine werden die Arbeitsmediumsgase in dem Bläserabschnitt 14 und dem Verdichterabschnitt 16 verdichtet. Die Gase werden mit Brennstoff in dem Verbrennungsabschnitt 18 verbrannt, um den Gasen Energie zuzuführen. Die heißen, Hochdruckgase lässt man durch den Turbinenabschnitt 20 expandieren, um Schub zu Nutzarbeit zu machen. Die durch die expandierenden Gase geleistete Arbeit treibt die Rotoranordnungen in der Maschine an, beispielsweise die Rotoranordnung 28, die sich zu dem Bläserabschnitt 14 über die Rotationsachse A_r erstreckt.
In Folge des Verlustes der strukturellen Integrität an der Schwalbenschwanzförmigen Befestigung 62 der Bläserlaufschaufeln 34 zu der Nabe 32 kann es zu einem Laufschaufel-Verlust-Zustand kommen. Dieses Szenario wird als Teil der FAA-Zertifizierungserfordernisse getestet. Die losgelöste Laufschaufel wandert über die Bläserlaufschaufelpassage mit Geschwindigkeiten von einigen 100 Fuß/s.
Die Plattform 46 der losgelösten Laufschaufel trifft auf die Vorderkante des Strömungsprofils 50 der erfolgenden benachbarten Laufschaufel. Die Strömungsprofil-Vorderkante 50 der Bläserlaufschaufeln sind verdickt und deshalb verstärkt. Die Dicke wird erzielt, indem die Vorderkante auf eine radial innere Position zurückgenommen wird 51. Als Folge wird eine Beschädigung der Strömungsprofil-Vorderkante 50 verringert. Außerdem sorgt der abgeschnittene 78 Vorderrand der Plattform für einen milden Aufprall auf die Strömungsprofil-Vorderkante 50. Dieses Merkmal sorgt zusätzlich für eine verringert Strömungsprofil-Beschädigung.
Der Hauptaufprall der losgelösten Laufschaufelplattform 46 auf das Strömungsprofil 48 der folgenden Laufschaufel wird zur Folge haben, dass die Plattform 46 der losgelösten Laufschaufel entlang der Nut 74 an der äußeren Oberfläche 68 der Plattform 46 bricht, da diese Nut 74 einen Schwächungsbereich definiert. Die Bruchkante wird dann in dem zurückgenommenen hinterschnittenen 72 Bereich positioniert sein, der umfangsmäßig innerhalb des Wurzelbereichs 44 ist. Der Ausrundungsradius zwischen der inneren Oberfläche 70 der Plattform und dem Schwalbenschwanz-Hals 60 in der Hinterschneidung 72 und der Nut 74 definiert die Position des Plattformbruchs. Indem die Bruchkante in der Hinterschneidung 72 positioniert wird, ist die Bruchkante in dem Schwalbenschwanz-Hais 60 des Wurzelbereichs 44 positioniert. In der Folge können keine scharfen Bruchkanten vorstehen und auf die folgende Bläserlaufschaufel treffen. Somit sind Sekundärtreffer der gebrochenen Plattformränder weniger wahrscheinlich. Sämtliche Sekundärtreffer der losgelösten Laufschaufel werden wild sein, da die Bereiche, die auftreffen, abgestumpft sind, wie z. B. die in Erstreckung verlaufende Fase 76 an dem Schwalbenschwanz-Hals 60.
Somit ist das Risiko eines Strömungsprofilbruchs der folgenden Laufschaufel minimiert. Außerdem ist eine Plattformbeschädigung der folgenden Laufschaufel verringert, da die Spalte zwischen den Plattformen zwischen benachbarten Laufschaufeln vergrößert sind. Das erlaubt das Verringern von unabsichtlicher Berührung mit den losgelösten Laufschaufelplattformen. In der bevorzugten Ausführungsform wurde der Spalt zwischen Plattformen auf bis zu 0,22 cm (0,090 inch) erhöht. Diese Dimension repräsentiert eine Zunahme um fünfzig Prozent (50%) des Spalts zwischen Plattformen gegenüber dem Stand der Technik. Außerdem wurde für den Spalt, der durch das Abschneiden des vorderen Rands der Plattform definiert ist, der Zwischen-Plattform-Spalt in diesem lokalisierten Bereich auf bis zu 1,27 cm (0,50 inch) erhöht. Es hat sich in Tests jedoch gezeigt, dass der Spalt in dem lokalisierten Bereich auf 1,9 cm (0,75 Inch) erhöht werden könnte.
Man sollte erkennen, dass die losgelösten Bruchstücke der gebrochenen Plattform zusammen mit der losgelösten Laufschaufel auf das Bläser-Einschluss gehäuse treffen, wenn sie sich durch die Bläserpassage bewegen. Das Einschlussgehäuse zerbricht die losgelöste Laufschaufel in Bruchstücke, die in der Maschine gefangen werden oder die Maschine über den Bläserkanal verlassen.
Obwohl die Erfindung gezeigt und beschrieben wurde mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen davon, sollte der Fachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, der durch die Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Laufschaufel (34) für einen Bläser (14) in einer Axialströmungs-Gasturbinenmaschine, die um eine Längsachse (A_r) angeordnet ist, wobei die Gasturbinenmaschine einen axialen Strömungsweg (22) aufweist, der eine Passage für Arbeitsmediumsgase definiert, wobei die Laufschaufel aufweist: einen Strömungsprofilbereich (48), der eine Vorderkante (50), eine Hinterkante (52), eine Druckseite (54) und eine Sogseite (56) hat und daran angepasst ist, sich über den Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase zu erstrecken; einen Wurzelbereich (44), der radial innerhalb von dem Strömungsprofilbereich angeordnet ist, wobei der Wurzelbereich einen Schwalbenschwanz-Hals (60) und eine Schwalbenschwanz-Befestigung (62) aufweist; eine Plattform (46), die radial zwischen dem Strömungsprofilbereich und dem Wurzelbereich angeordnet ist, wobei sich die Plattform umfangsmäßig von der Laufschaufel erstreckt und aufweist: einen Vorderrandbereich (64) vor der Vorderkante des Strömungsprofilbereichs, einen hinteren Randbereich (66) hinter der Hinterkante des Strömungsprofilbereichs, eine äußere Oberfläche (68), die eine Strömungsoberfläche des Strömungswegs definiert, und eine innere Oberfläche (70) radial innerhalb der äußeren Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform derart ausgebildet ist, dass sie an einer vorbestimmten Stelle derart bricht, dass die Bruchkante in dem Schwalbenschwanz-Hals positioniert ist und so das Risiko eines Strömungsprofilbruchs in Folge des Auftreffens der Laufschaufel auf nachfolgende rotierende Bläserlaufschaufeln verringert ist.
Laufschaufel nach Anspruch 1, wobei der Wurzelbereich ferner einen vorderen Rand und einen hinteren Rand aufweist, wobei die Plattform (46) ferner eine Hinterschneidung (72) in der inneren Oberfläche (78) und sich in den Schwalbenschwanz-Hals (60) erstreckend aufweist, wobei die Hinterschneidung eine gekrümmte äußere Oberfläche (80), einen Ausrundungsradius und eine flache abgeschrägte innere Oberfläche (82) radial innerhalb der gekrümmten äußeren Oberfläche aufweist, wobei die Hinterschneidung einen zurückgesetzten Bereich derart definiert, dass, wenn die Bläserlaufschaufelplattform bricht, der Bruch in dem Schwalbenschwanz-Hals positioniert ist und so die gebrochene Plattform mild macht und das Risiko eines Strömungsprofilbruchs in Folge des Auftreffens der Laufschaufel auf eine nachfolgende rotierende Bläserlaufschaufel reduziert, wenn sich die Bläserlaufschaufel von dem Bläser löst.
Laufschaufel (34) nach Anspruch 2, wobei die äußere Oberfläche (68) der Plattform (46) ferner eine Nut (74) aufweist, die axial und umfangsmäßig mit dem in der Hinterschneidung (72) in der inneren Oberfläche (70) der Plattform positionierten Ausrundungsradius zusammenfällt, wobei die Nut einen Schwächungsbereich definiert, so dass, wenn die Bläserlaufschaufelplattform bricht, sie das entlang der Nut tut und so den Bruch der Plattform in dem Schwalbenschwanz-Hals positioniert.
Laufschaufel (34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Vorderrand des Schwalbenschwanz-Halses (60) in dem Wurzelbereich (44) eine sich in Erstreckungsrichtung verlaufende Fase (76) aufweist, um die vordere Ecke des Schwalbenschwanz-Halses abzustumpfen und/oder wobei der vordere Rand (64) der Plattform (46) abgeschnitten ist, um eine abgeschwächte Ecke zu schaffen, die für ein abgeschwächtes Auftreffen auf eine Vorderkante des Strömungsprofilsbereichs einer nachfolgenden rotierenden Bläserlaufschaufel während eines Laufschaufelverlust-Zustands sorgt.
Laufschaufel (34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Plattform (46) umfangsmäßig dimensioniert ist, dass sie mit einer benachbarten Plattform einen Spalt definiert, der ausreichend ist, wodurch eine Berührung zwischen benachbarten Plattformen vermieden ist, wenn sich eine Laufschaufel löst.
Bläser (14) in einer Axialströmungs-Gasturbinenmaschine, die um eine Achse in (A_r) angeordnet ist, wobei die Gasturbinenmaschine einen axial gerichteten Strömungsweg (22) aufweist, der eine Passage für Arbeitsmediumsgase definiert, wobei der Bläser Bläserlaufschaufeln (34) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
Bläser nach Anspruch 6, wobei jede der Bläserlaufschaufelplattformen (46) derart dimensioniert und positioniert ist, dass zwischen benachbarten Plattformen ein Spalt von etwa 1,27 cm (0,5 Inch) definiert ist.
Laufschaufel (34) zur Verwendung in einem Bläser nach Anspruch 6 oder 7, ferner aufweisend eine elastomere Dichtung (86), die an der inneren Oberfläche (70) der Plattform (46) angebracht ist, um zu einer benachbarten Plattform abzudichten, wobei die Dichtung daran angepasst ist, einen großen Spalt in dem Zwischenraum von Plattform zu Plattform abzudichten, und wobei die elastomere Dichtung zentrifugal in Zusammenwirkung mit den radial inneren Oberflächen einer benachbarten Plattform gedrückt wird.
Laufschaufel (34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorderkante (50) des Strömungsprofils (48) bei einem radialen Abstand von der Plattform (46) verdickt ist, an dem der Strömungsprofilbereich am wahrscheinlichsten von einer losgelösten Laufschaufel getroffen wird.
Bläserlaufschaufel (34) nach Anspruch 9, wobei die vergrößerte Dicke durch eine Ausnehmung (51) in der Vorderkante (50) definiert ist.