DE102012015137A1 - Low-modulus gas turbine compressor blade - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluggasturbinenverdichterschaufel mit einem Schaufelblatt 29 mit einer Eintrittskante 33, wobei zumindest der Bereich der Eintrittskante 33 aus einer niedermoduligen Titanliegierung gefertigt ist.The invention relates to an aircraft gas turbine compressor blade with an airfoil 29 with an entry edge 33, at least the region of the entry edge 33 being made from a low-modulus titanium alloy.

Description

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.The invention relates to a gas turbine compressor blade, in particular an aircraft gas turbine or a stationary turbine, which has an airfoil, which is attached to a blade root. The compressor blade has an inlet edge or leading edge, which is also referred to as the blade leading edge.

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.In aircraft gas turbines, there is always the problem that the compressor blades are subject to strong erosion by sucked particles. These are, for example, grains of sand or the like, which impinge on the compressor blades at high speed.

Als Folge der auftretenden Erosion ist es erforderlich, die Verdichterschaufeln auszutauschen oder zu reparieren. Letzteres ist insbesondere bei Blisks technisch sehr aufwändig und kostenintensiv.As a result of the erosion that occurs, it is necessary to replace or repair the compressor blades. The latter is technically very complicated and cost-intensive, especially in the case of blisks.

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.The erosion-resistant materials known from the prior art are unsuitable as materials for compressor blades. Even erosion-resistant coatings prove to be in practice as not suitable because they are effective only at very small particle sizes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluggasturbinenverdichterschaufel zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine hohe Erosionsbeständigkeit aufweist.The invention has for its object to provide a Fluggasturbinenverdichterschaufel, which has a high erosion resistance with a simple structure and simple, cost manufacturability.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention the object is achieved by the combination of features of claim 1, the dependent claims show further advantageous embodiments of the invention.

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.According to the invention it is provided that at least the region of the leading edge of the compressor blade is made of a material which has a very low modulus of elasticity. A suitable, low modulus of elasticity is on the order of 50 GPa.

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.The compressor blade according to the invention thus has in the region of the leading edge, due to the low modulus of elasticity, a relatively large elasticity, so that an impact of a foreign body, such as a sand particle or stone, by the elasticity of the material in the region of the leading edge does not cause damage , In particular, this results in no or only a very small erosion, compared with the known from the prior art compressor blades.

Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest der Bereich der Eintrittskante aus einer Titanlegierung der Typen Ti 28Nb 1Fe 0,5Si, Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.3O 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.According to the invention, it is particularly advantageous if at least the region of the leading edge is made of a titanium alloy of the types Ti 28Nb 1Fe 0.5Si, Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.3O or Ti-24Nb-4Zr-8Sn. By means of such an alloy, for example, the erosion wear can be reduced by about 50% compared to compressor blades, which are made of conventional alloys, such as Ti64. Compared to known from the prior art compressor blades made of nickel-based alloys, such as IN718, the erosion wear can be reduced by 30%.

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.According to the invention, it is possible either the entire compressor blade from the o. G. Titanium alloy to produce the low modulus or only produce parts of the compressor blade made of this material.

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.In a particularly favorable embodiment of the invention, it is provided that the leading edge is designed in the form of an entry edge element, which is connected to the airfoil of the compressor blade by means of a welding process. Particularly advantageous is the use of a laser welding process.

Das Schaufelblatt selbst kann erfindungsgemäß aus einer der übliche Titanlegierungen hergestellt werden, beispielsweise Ti64, Ti6246 oder Ti6242.The blade itself can be made according to the invention of one of the usual titanium alloys, for example Ti64, Ti6246 or Ti6242.

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.When forming a separate entrance edge element, this preferably extends to just before the blade root, in the direct transition of the blade root, it is not necessary to apply or use the alloy according to the invention.

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.In the case of a separate production of the entry edge element according to the invention and the connection by means of a laser welding process, there is the advantage that a soft transition between the low modulus of elasticity of the entry edge element and the higher modulus of elasticity of the material of the remaining airfoil results from the thermal influence during the laser welding process , This results in a graded transition of the elastic properties, which has an advantageous effect on the entire component behavior of the compressor blade. This effect is based on the fact that when heating the low-modulus titanium alloy in temperature ranges above about 500 ° C, the modulus of elasticity increases again to the values of conventional titanium alloys, and thus the immediate weld area is homogeneous.

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.The compressor blade according to the invention, which can be designed as a single compressor blade, as a blisk blade or as a fan blade, is thus highly resistant to erosion and damage by foreign bodies.

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 1Fe 0,5Si oder aus oder Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.3O 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. The invention thus also relates to a method for producing a compressor blade, in which an inlet edge element is manufactured separately and connected to the blade by means of a welding process, in particular a laser welding process, wherein the inlet edge element of a low-modulus (with respect to the modulus of elasticity) titanium alloy, for example is made of Ti 28Nb 1Fe 0.5Si or of Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.3O or of Ti-24Nb-4Zr-8Sn, and / or an alloy having an E-modulus of substantially 50 to 70 GPa, and wherein the airfoil is made of an alloy known in the art.

Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung einer niedermoduligen (E-Modul) Titanlegierung, beispielsweise Ti 28Nb 1Fe 0,5Si oder Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.3O oder Ti-24Nb-4Zr-8Sn, insbesondere für den Eintrittskantenbereich einer Verdichterschaufel.The invention also relates to the use of a low-modulus (modulus of elasticity) titanium alloy, for example Ti 28Nb 1Fe 0.5Si or Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.3O or Ti-24Nb-4Zr-8Sn, in particular for the leading edge region of a compressor blade ,

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following the invention will be described by means of an embodiment in conjunction with the drawing. Showing:

1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung, 1 a schematic representation of a gas turbine engine according to the present invention,

2 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel, und 2 a schematic side view of a compressor blade according to the invention, and

3 eine Darstellung des Verlaufs des E-Moduls über die Schaufellänge. 3 a representation of the course of the modulus of elasticity over the blade length.

Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 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.The gas turbine engine 10 according to 1 is an example of a turbomachine to which the invention may find application. However, it will be understood from the following that the invention can be used with other turbomachinery as well. The engine 10 is formed in a conventional manner and comprises one air inlet in succession in the flow direction 11 , a circulating in a housing fan 12 , an intermediate pressure compressor 13 , a high pressure compressor 14 , Combustion chambers 15 , a high-pressure turbine 16 , an intermediate-pressure turbine 17 and a low-pressure turbine 18 and an exhaust nozzle 19 all around a central engine axis 1 are arranged.

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.The intermediate pressure compressor 13 and the high pressure compressor 14 each comprise a plurality of stages, each of which comprises a circumferentially extending array of fixed stationary vanes 20 commonly referred to as stator blades and radially inward of the engine casing 21 in an annular flow channel through the compressors 13 . 14 protrude. The compressors further include an array of compressor blades 22 on, which is radially outward from a rotatable drum or disc 26 project with hubs 27 the high-pressure turbine 16 or the intermediate-pressure turbine 17 are coupled.

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.The turbine sections 16 . 17 . 18 have similar steps, comprising an array of fixed vanes 23 extending radially inward from the housing 21 into the annular flow channel through the turbines 16 . 17 . 18 project, and a subsequent arrangement of turbine blades 24 facing outward from a rotatable hub 27 protrude. The compressor drum or compressor disk 26 and the blades arranged thereon 22 as well as the turbine rotor hub 27 and the turbine blades disposed thereon 24 rotate around the engine axis during operation 1 ,

Die 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.The 2 shows a schematic side view of a compressor blade according to the invention, which may be a conventional compressor blade, a fan blade or a blisk blade. The blade has, for example, a blade root 31 on, with which a conventionally trained airfoil 29 connected is. In the area of an entry edge or leading edge is an entry edge element 30 by means of a laser weld 32 connected. The leading edge element 30 extends to just before the blade root 31 It does not need to be directly with the blade foot 31 get connected.

Die 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.The 3 shows a diagram of the course of the modulus of elasticity in a schematic manner. It can be seen that the modulus of elasticity of the leading edge element 30 is less than the modulus of elasticity of the airfoil 29 , being in the area of the weld 32 gives a smooth transition between the lower and the higher modulus of elasticity.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
TriebwerksachseEngine axis
1010
Gasturbinentriebwerk/KerntriebwerkGas turbine engine / core engine
1111
Lufteinlassair intake
1212
Fanfan
1313
Mitteldruckkompressor (Verdichter)Medium pressure compressor (compressor)
1414
HochdruckkompressorHigh pressure compressor
1515
Brennkammerncombustors
1616
HochdruckturbineHigh-pressure turbine
1717
MitteldruckturbineIntermediate pressure turbine
1818
NiederdruckturbineLow-pressure turbine
1919
Abgasdüseexhaust nozzle
2020
Leitschaufelnvanes
2121
TriebwerksgehäuseEngine casing
2222
KompressorlaufschaufelnCompressor blades
2323
Leitschaufelnvanes
2424
Turbinenschaufelnturbine blades
2626
Kompressortrommel oder -scheibeCompressor drum or disc
2727
TurbinenrotornabeTurbinenrotornabe
2828
Auslasskonusoutlet cone
2929
Schaufelblattairfoil
3030
EintrittskantenelementLeading edge element
3131
Schaufelfußblade
3232
SchweißnahtWeld
3333
Eintrittskanteleading edge

Claims (9)

Gasturbinenverdichterschaufel mit einem Schaufelblatt (29) mit einer Eintrittskante (33), wobei zumindest der Bereich der Eintrittskante (33) aus einer niedermoduligen Titanlegierung gefertigt ist.Gas turbine compressor blade with an airfoil ( 29 ) with an entry edge ( 33 ), wherein at least the region of the leading edge ( 33 ) is made of a low modulus titanium alloy. Verdichterschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Bereich der Eintrittskante aus Ti 28Nb 1Fe 0,5Si oder Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.3O oder Ti-24Nb-4Zr-8Sn gefertigt ist.Compressor blade according to claim 1, characterized in that at least the region of the leading edge of Ti 28Nb 1Fe 0.5Si or Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.3O or Ti-24Nb-4Zr-8Sn is made. 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.Compressor blade according to claim 1 or 2, characterized in that the leading edge in the form of a leading edge element ( 30 ) is formed, which by means of a welding process with the airfoil ( 29 ) connected is. Verdichterschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintrittskantenelement (30) mittels eines Laserschweißverfahrens mit dem Schaufelblatt verbunden ist.Compressor blade according to claim 3, characterized in that the inlet edge element ( 30 ) is connected to the airfoil by means of a laser welding process. 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.Compressor blade according to one of claims 1 to 4, characterized in that the region of the leading edge ( 33 ) has an E-modulus of substantially 50 to 70 GPa. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt aus Ti64 oder Ti6246 oder Ti6242 oder IN718 gefertigt ist.Compressor blade according to one of claims 1 to 5, characterized in that the blade is made of Ti64 or Ti6246 or Ti6242 or IN718. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterschaufel in Form einer Kompressorschaufel ausgebildet ist.Compressor blade according to one of claims 1 to 6, characterized in that the compressor blade is formed in the form of a compressor blade. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterschaufel in Form einer Fan-Schaufel ausgebildet ist.Compressor blade according to one of claims 1 to 6, characterized in that the compressor blade is designed in the form of a fan blade. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese in Form einer Blisk-Schaufel ausgebildet ist.Compressor blade according to one of claims 1 to 6, characterized in that it is designed in the form of a blisk blade.
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