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Dokumentenidentifikation DE102005054172A1 16.05.2007
Titel Schaufel einer Turbomaschine
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Kriegl, Bernd, 82140 Olching, DE
DE-Anmeldedatum 14.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005054172
Offenlegungstag 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse F01D 5/30(2006.01)A, F, I, 20051114, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01D 5/28(2006.01)A, L, I, 20051114, B, H, DE   C22C 21/00(2006.01)A, L, I, 20051114, B, H, DE   F04D 29/02(2006.01)A, L, I, 20051114, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit mindestens einem Befestigungsabschnitt (10) zur Befestigung derselben in einem Aufnahmeabschnitt (11) eines rotorseitigen oder eines statorseitigen Bauteils der Turbomaschine. Erfindungsgemäß weist der oder jeder Befestigungsabschnitt (10) einen Kernbereich (18) aus einem relativ spröden sowie relativ leichten Werkstoff auf, der in einem Umhüllungsbereich (19) aus einem Werkstoff mit einer relativ hohen Duktilität eingebettet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, nach dem Oberbergriff des Anspruchs 1.

Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Bei der Entwicklung von Gasturbinen spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle. Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Turbomaschinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Turbinenteile geeignet.

Gasturbinen umfassen in der Regel mehrere rotierende Laufschaufeln sowie mehrere feststehende Leitschaufeln, wobei die Laufschaufeln zusammen mit einem Rotor rotieren, und wobei die Laufschaufeln sowie die Leitschaufeln von einem feststehenden Gehäuse umschlossen sind. Zur Leistungssteigerung ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Zur Steigerung des Wirkungsgrads von Gasturbinen ist es wünschenswert, insbesondere die Laufschaufeln sowie Leitschaufeln leichter, also mit geringerem Gewicht, auszuführen. Leichte Werkstoffe verfügen jedoch über eine relativ geringe Duktilität und sind ferner relativ spröde, wodurch sich bei hohen punktuellen Belastungen, wie sie an Schaufeln üblich sind, eine Überlastung und damit ein Versagen der Werkstoffe bzw. der Schaufeln einstellen kann. Daher ist es in der Praxis bislang nicht möglich, die Schaufeln aus leichten Werkstoffen zu fertigen, wodurch letztendlich der Wirkungsgrad und damit die Leistungssteigerung an Gasturbinen beschränkt wird.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Schaufel einer Turbomaschine zu schaffen.

Dieses Problem wird durch eine Schaufel einer Turbomaschine im Sinne von Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist der oder jeder Befestigungsabschnitt einen Kernbereich aus einem relativ spröden sowie relativ leichten Werkstoff auf, der in einen Umhüllungsbereich aus einem Werkstoff mit einer relativ hohen Duktilität einbettet ist.

Die Erfindung ermöglicht den Einsatz leichter sowie spröder Werkstoffe für die Fertigung von Schaufeln. Erfindungsgemäß ist der Kernbereich des Befestigungsabschnitts der Schaufel aus dem leichten sowie spröden Werkstoff hergestellt, wobei der Kernbereich in einen Umhüllungsbereich eingebettet ist, der aus einem Werkstoff mit hoher Duktilität gefertigt ist. Durch die Umhüllung des Kernbereichs können an Kontaktflächen zwischen einer Außenkontur des Befestigungsabschnitts und einer Innenkontur eines Aufnahmeabschnitts für den Befestigungsabschnitt selbst bei hohen punktuellen Belastungen Überlastungen vermieden werden.

Durch den Einsatz leichter sowie spröder Werkstoffe für die Schaufeln, der mit der hier vorliegenden Erfindung erstmals möglich ist, können enorme Gewichtseinsparungen realisiert werden. Dies führt zu einer Optimierung des Wirkungsgrads und damit zu einer Leistungssteigerung.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1: einen schematisierten Querschnitt durch einen als Schaufelfuß ausgebildeten Befestigungsabschnitt einer erfindungsgemäßen, als Laufschaufel ausgebildeten Schaufel einer Turbomaschine zusammen mit einem Rotor.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf 1 in größerem Detail beschrieben, wobei 1 einen Querschnitt durch einen Schaufelfuß einer Laufschaufel zeigt. Bereits an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung an rotierenden Laufschaufeln beschränkt ist, sondern vielmehr in analoger Art und Weise auch an feststehenden Leitschaufeln zum Einsatz kommen kann.

1 zeigt einen schematisierten Querschnitt durch einen als Schaufelfuß ausgebildeten Befestigungsabschnitt 10 einer Gasturbinenlaufschaufel, wobei der Befestigungsabschnitt 10 der Gasturbinenlaufschaufel in einem Aufnahmeabschnitt 11 eines Rotors 12 positioniert ist. Im Betrieb rotiert die Gasturbinenschaufel zusammen mit dem Rotor in Richtung des in 1 dargestellten Pfeils 13.

Der Befestigungsabschnitt 10 der Gasturbinenlaufschaufel verfügt über eine tannenbaumförmig gestaltete Außenkontur 14, wobei eine Innenkontur 15 des Aufnahmeabschnitts 11 an die Außenkontur 14 des Befestigungsabschnitts 10 angepasst ist. Der tannenbaumförmig konturierte Befestigungsabschnitt 10 verfügt über Vorsprünge 16, die in entsprechend konturierte Ausnehmungen 17 des Aufnahmeabschnitts 11 eingreifen.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist der Befestigungsabschnitt 10 der Gasturbinenlaufschaufel aus zwei funktional voneinander getrennten Bereichen gebildet, nämlich aus einem Kernbereich 18 und einem den Kernbereich 18 allseits umhüllenden Umhüllungsbereich 19. Der Kernbereich 18 ist demnach im Umhüllungsbereich 19 eingebettet.

Der Kernbereich 18 des Befestigungsabschnitts 10 ist erfindungsgemäß aus einem relativ spröden sowie relativ leichten Werkstoff gebildet, der eine relativ geringe Duktilität aufweist. So kann der Kernbereich 18 aus einem keramischen Werkstoff oder aus einem intermetallischen Werkstoff gebildet sein. Dann, wenn der Kernbereich 18 aus einem intermetallischen Werkstoff gebildet ist, ist derselbe vorzugsweise aus einem TiAl-Werkstoff gebildet.

Der Umhüllungsbereich 19, in welchen der Kernbereich 18 eingebettet ist, ist erfindungsgemäß aus einem Werkstoff mit einer relativ hohen Duktilität gebildet. Der Umhüllungsbereich 19 kann aus einem metallischen Werkstoff gebildet sein, der an den metallischen Werkstoff des Rotors 12 angepasst ist, also eine ähnliche jedoch nicht identische Werkstoffzusammensetzung wie der Rotor aufweist. So kann der Umhüllungsbereich 12 zum Beispiel aus einer Nickelbasislegierung oder einer Kobaltbasislegierung gebildet sein. Weiterhin kann der Umhüllungsbereich 19 aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet sein.

Der Umhüllungsbereich 19 des Befestigungsabschnitts 10 kann auch aus sogenannten Aluminiumbronze-Werkstoffen gefertigt sein, die vorzugsweise 4 bis 8 Gew.-% Aluminium, 2 bis 5 Gew.-% Chrom, 0 bis 3,5 Gew.-% Eisen sowie im Rest Kupfer aufweisen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 ist der Umhüllungsbereich 19 einschichtig bzw. einlagig ausgeführt. Alternativ kann der Umhüllungsbereich auch mehrschichtig bzw. mehrlagig ausgebildet sein.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 ist der Umhüllungsbereich 19 relativ dick ausgeführt und auf eine nicht endkonturgenaue Außenkontur des Kernbereichs 18 aufgebracht. Der Umhüllungsbereich 19 des Befestigungsabschnitts 10 ist derart bearbeitet, dass die Außenkontur 14 desselben, welche die Außenkontur des Befestigungsabschnitts 10 definiert, an die Innenkontur 15 des Aufnahmebereichs 11 des Rotors 12 angepasst ist. In diesem Fall kann der Kernbereich 18 des Befestigungsabschnitts 10, der aus dem relativ spröden sowie relativ leichten Werkstoff gebildet ist, eine beliebige Kontur aufweisen. Der Umhüllungsbereich 19, der aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist, ist mit geläufigen Bearbeitungsverfahren auf die gewünschte Endkontur anpassbar.

Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass bereits der Kernbereich 18 eine endkonturgenaue Außenkontur aufweist, hinsichtlich seiner Abmessungen lediglich um die Dicke des Umhüllungsbereichs 19 reduziert ist. In diesem Fall ist der Umhüllungsbereich 19 relativ dünn ausgeführt, da in diesem Fall keine endkonturgenaue Bearbeitung desselben erforderlich ist.

Im Ausführungsbeispiel der 1 wurde davon ausgegangen, dass es sich bei dem Befestigungsabschnitt 10 um einen Schaufelfuß einer Gasturbinenlaufschaufel handelt. Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung jedoch nicht auf die Verwendung an rotierenden Laufschaufeln begrenzt, vielmehr kann die Erfindung auch an feststehenden Leitschaufeln zum Einsatz kommen. Derartige feststehende Leitschaufeln können über mehrere hakenartige, flanschartige oder zapfenartige Befestigungsabschnitte verfügen, wobei dann vorzugsweise jeder Befestigungsabschnitt der feststehenden Leitschaufeln, wie unter Bezugnahme auf 1 für eine Laufschaufel beschrieben, ausgebildet ist.

Mit der Erfindung ist es möglich, Schaufeln von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinenflugtriebwerken, aus relativ leichten sowie relativ spröden Werkstoffen herzustellen. Zur Vermeidung einer Überbelastung solcher Schaufeln im Bereich deren Befestigungsabschnitte, sind Kernbereiche der Befestigungsabschnitte, die aus dem relativ leichten sowie relativ spröden Werkstoff gebildet sind, in Umhüllungsbereiche eingebettet, die aus Werkstoffen mit einer relativ hohen Duktilität gebildet sind. Hierdurch sind enorme Gewichtseinsparungen und damit Leistungssteigerungen an Turbomaschinen realisierbar.

10
Befestigungsabschnitt
11
Aufnahmeabschnitt
12
Rotor
13
Pfeil
14
Außenkontur
15
Innenkontur
16
Vorsprung
17
Ausnehmung
18
Kernbereich
19
Umhüllungsbereich


Anspruch[de]
Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit mindestens einem Befestigungsabschnitt (10) zur Befestigung derselben in einem Aufnahmeabschnitt (11) eines rotorseitigen oder eines statorseitigen Bauteils der Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Befestigungsabschnitt (10) einen Kernbereich (18) aus einem relativ spröden sowie relativ leichten Werkstoff aufweist, der in einem Umhüllungsbereich (19) aus einem Werkstoff mit einer relativ hohen Duktilität einbettet ist. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich (18) aus einem keramischen Werkstoff gebildet ist. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich (18) aus einem intermetallischen Werkstoff gebildet ist. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich (18) aus einem TiAl-Werkstoff gebildet ist. Schaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umhüllungsbereich (19) einschichtig ausgebildet ist. Schaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umhüllungsbereich mehrschichtig ausgebildet ist. Schaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umhüllungsbereich (19) aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist, der an den metallischen Werkstoff des rotorseitigen oder eines statorseitigen Bauteils angepasst ist. Schaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umhüllungsbereich (19) aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet ist. Schaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umhüllungsbereich (19) aus einem Nickelbasislegierungs-Werkstoff gebildet ist. Schaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umhüllungsbereich (19) aus einem Kobaltbasislegierungs-Werkstoff gebildet ist. Schaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenkontur des Kernbereichs an eine Innenkontur des Aufnahmebereichs des rotorseitigen oder statorseitigen Bauteils derart angepasst ist, dass dieselbe reduziert um die Dicke eines relativ dünnen Umhüllungsbereichs endkonturgenau ist. Schaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine nicht endkonturgenaue Außenkontur des Kernbereichs (18) ein relativ dicker Umhüllungsbereich (19) aufgebracht ist, der derart bearbeitet ist, dass eine Außenkontur (14) desselben an eine Innenkontur (15) des Aufnahmebereichs (11) des rotorseitigen oder statorseitigen Bauteils endkonturgenau angepasst ist. Schaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe als rotorseitige Laufschaufel ausgebildet ist. Schaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe als statorseitige Leitschaufel ausgebildet ist.






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