Niedermodulige Gasturbinenverdichterschaufel

Abstract

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

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenverdichterschaufel, insbesondere auf eine Fluggasturbine oder eine stationäre Turbine, welche ein Schaufelblatt aufweist, welches an einem Schaufelfuß befestigt ist. Die Verdichterschaufel weist eine Eintrittskante oder Anströmkante auf, welche auch als Schaufelvorderkante bezeichnet wird.

[0002] Bei Fluggasturbinen besteht stets die Problematik, dass die Verdichterschaufeln starker Erosion durch angesaugte Partikel unterworfen sind. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Sandkörnchen oder Ähnliches, welche mit hoher Geschwindigkeit auf die Verdichterschaufeln auftreffen.

[0003] Als Folge der auftretenden Erosion ist es erforderlich, die Verdichterschaufeln auszutauschen oder zu reparieren. Letzteres ist insbesondere bei Blisks technisch sehr aufwändig und kostenintensiv.

[0004] Die aus dem Stand der Technik bekannten erosionsfesten Werkstoffe sind als Werkstoffe für Verdichterschaufeln ungeeignet. Auch erosionsfeste Beschichtungen erweisen sich in der Praxis als nicht geeignet, da diese nur bei sehr kleinen Partikelgrößen wirksam sind.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluggasturbinenverdichterschaufel zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine hohe Erosionsbeständigkeit aufweist.

[0006] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0007] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest der Bereich der Eintrittskante der Verdichterschaufel aus einem Werkstoff gefertigt ist, welcher einen sehr geringen E-Modul aufweist. Ein geeigneter, geringer E-Modul liegt in der Größenordnung von 50 GPa.

[0008] Die erfindungsgemäße Verdichterschaufel weist somit im Bereich der Eintrittskante, bedingt durch den geringen E-Modul, eine relativ große Elastizität auf, so dass ein Aufprall eines Fremdkörpers, beispielsweise eines Sandpartikels oder Steins, durch die Elastizität des Materials im Bereich der Eintrittskante nicht zu Beschädigungen führt. Insbesondere tritt damit keine oder nur eine sehr geringe Erosion auf, verglichen mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verdichterschaufeln.

[0009] Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest der Bereich der Eintrittskante aus einer Titanlegierung der Typen Ti 28Nb 1 Fe 0,5Si, Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 oder Ti-24Nb-4Zr-8Sn gefertigt sind. Mittels einer derartigen Legierung kann beispielsweise der Erosionsverschleiß um ca. 50 % verringert werden als bei Verdichterschaufeln, die aus gebräuchlichen Legierungen, beispielsweise Ti64 gefertigt sind. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verdichterschaufeln aus Nickel-Basislegierungen, beispielsweise IN718, kann der Erosionsverschleiß um 30 % gesenkt werden.

[0010] Erfindungsgemäß ist es möglich, entweder die gesamte Verdichterschaufel aus der o.g. Titanlegierung mit dem geringen E-Modul zu fertigen oder lediglich Teile der Verdichterschaufel aus diesem Werkstoff herzustellen.

[0011] In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Eintrittskante in Form eines Eintrittskantenelements ausgebildet ist, welches mit dem Schaufelblatt der Verdichterschaufel mittels eines Schweißverfahrens verbunden ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Laserschweißverfahrens.

[0012] Das Schaufelblatt selbst kann erfindungsgemäß aus einer der übliche Titanlegierungen hergestellt werden, beispielsweise Ti64, Ti6246 oder Ti6242.

[0013] Bei Ausbildung eines separaten Eintrittskantenelements erstreckt sich dieses bevorzugterweise bis kurz vor den Schaufelfuß, im direkten Übergang des Schaufelfußes ist es nicht erforderlich, die erfindungsgemäße Legierung aufzubringen oder einzusetzen.

[0014] Bei einer separaten Fertigung des erfindungsgemäßen Eintrittskantenelements und der Verbindung mittels eines Laserschweißverfahrens ergibt sich der Vorteil, dass sich durch die thermische Beeinflussung während des Laserschweißvorgangs ein weicher Übergang zwischen dem niedrigen E-Modul des Eintrittskantenelements und dem höheren E-Modul des Materials des restlichen Schaufelblattes ergibt. Es ergibt sich somit ein gradierter Übergang der elastischen Eigenschaften, welcher sich vorteilhaft auf das gesamte Bauteilverhalten der Verdichterschaufel auswirkt. Dieser Effekt beruht auf der Tatsache, dass bei Erwärmung der niedermoduligen Titanlegierung in Temperaturbereiche oberhalb ca. 500°C der E- Modul wieder auf Werte herkömmlicher Titanlegierungen ansteigt, und somit der unmittelbare Schweißnahtbereich homogen verläuft.

[0015] Die erfindungsgemäße Verdichterschaufel, welche als einzelne Kompressorschaufel, als Blisk-Schaufel oder als Fan-Schaufel ausgebildet sein kann, ist somit in hohem Maße beständig gegen Erosion und Beschädigungen durch Fremdkörper.

[0016] Die Erfindung bezieht sich somit auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Verdichterschaufel, bei welchem ein Eintrittskantenelement separat gefertigt und mit dem Schaufelblatt mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens verbunden wird, wobei das Eintrittskantenelement aus einer niedermoduligen (bezüglich des E-Moduls) Titanlegierung, beispielsweise aus Ti 28Nb 1 Fe 0,5Si oder aus oder Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 oder aus Ti-24Nb-4Zr-8Sn, und/oder einer Legierung mit einem E-Modul von im Wesentlichen 50 bis 70 GPa gefertigt ist und wobei das Schaufelblatt aus einer nach dem Stand der Technik bekannten Legierung gefertigt ist.

[0017] Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung einer niedermoduligen (E-Modul) Titanlegierung, beispielsweise Ti 28Nb 1 Fe 0,5Si oder Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 oder Ti-24Nb-4Zr-8Sn, insbesondere für den Eintrittskantenbereich einer Verdichterschaufel.

[0018] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2

eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel, und

Fig. 3

eine Darstellung des Verlaufs des E-Moduls über die Schaufellänge.

[0019] Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, Brennkammern 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.

[0020] Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Zwischendruckturbine 17 gekoppelt sind.

[0021] Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.

[0022] Die Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel, welche eine übliche Kompressorschaufel, eine Fan-Schaufel oder eine Blisk-Schaufel sein kann. Die Schaufel weist beispielsweise einen Schaufelfuß 31 auf, mit welchem ein in üblicher Weise ausgebildetes Schaufelblatt 29 verbunden ist. Im Bereich einer Eintrittskante oder Anströmkante ist ein Eintrittskantenelement 30 mittels einer Laser-Schweißnaht 32 verbunden. Das Eintrittskantenelement 30 erstreckt sich bis kurz vor den Schaufelfuß 31, es braucht nicht direkt mit dem Schaufelfuß 31 verbunden werden.

[0023] Die Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Verlaufs des E-Moduls in schematischer Weise. Daraus ist ersichtlich, dass der E-Modul des Eintrittskantenelements 30 geringer ist als der E-Modul des Schaufelblatts 29, wobei sich im Bereich der Schweißnaht 32 ein weicher Übergang zwischen dem niedrigeren und dem höheren E-Modul ergibt.

Bezugszeichenliste:

[0024] 

1

Triebwerksachse

10

Gasturbinentriebwerk / Kerntriebwerk

11

Lufteinlass

12

Fan

13

Mitteldruckkompressor (Verdichter)

14

Hochdruckkompressor

15

Brennkammern

16

Hochdruckturbine

17

Mitteldruckturbine

18

Niederdruckturbine

19

Abgasdüse

20

Leitschaufeln

21

Triebwerksgehäuse

22

Kompressorlaufschaufeln

23

Leitschaufeln

24

Turbinenschaufeln

26

Kompressortrommel oder -scheibe

27

Turbinenrotornabe

28

Auslasskonus

29

Schaufelblatt

30

Eintrittskantenelement

31

Schaufelfuß

32

Schweißnaht

33

Eintrittskante

Ansprüche

1. Gasturbinenverdichterschaufel mit einem Schaufelblatt (29) mit einer Eintrittskante (33), wobei zumindest der Bereich der Eintrittskante (33) aus einer niedermoduligen Titanlegierung gefertigt ist.

2. Verdichterschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Bereich der Eintrittskante aus Ti 28Nb 1 Fe 0,5Si oder Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.30 oder Ti-24Nb-4Zr-8Sn gefertigt ist.

3. Verdichterschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskante in Form eines Eintrittskantenelements (30) ausgebildet ist, welches mittels eines Schweißverfahrens mit dem Schaufelblatt (29) verbunden ist.

4. Verdichterschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintrittskantenelement (30) mittels eines Laserschweißverfahrens mit dem Schaufelblatt verbunden ist.

5. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Eintrittskante (33) einen E-Modul von im Wesentlichen 50 bis 70 GPa aufweist.

6. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt aus Ti64 oder Ti6246 oder Ti6242 oder IN718 gefertigt ist.

7. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterschaufel in Form einer Kompressorschaufel ausgebildet ist.

8. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterschaufel in Form einer Fan-Schaufel ausgebildet ist.

9. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese in Form einer Blisk-Schaufel ausgebildet ist.

Zeichnung