DE3100798A1

DE3100798A1 - Rotorschaufel fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3100798A1
Application number: DE19813100798
Authority: DE
Inventors: John Frederick Duffield Derby Coplin; George Stanton-By-Bridge Derby Pask; John Henry Roy Aston-on-Trent Derby Sadler
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1980-01-17
Filing date: 1981-01-13
Publication date: 1981-12-10
Also published as: FR2474095B1; US4484859A; JPS56106006A; FR2474095A1; DE3100798C2; JPS6318002B2

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

a Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum. 13. Januar I98I

Unser Zeichen: Ij 077 -

Anmelder: Rolls-Royce Limited

65 Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Titel: Rotorschaufel für ein Gasturbinen

triebwerk

13005Ö/0U1

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk.

Ein Problem, welches bei derartigen Rotorschaufeln auftritt, insbesondere wenn sie nicht miteinander durch Schaufelringe an den Spitzen verbunden sind, besteht in der Vibration des Schaufelblattes. Bisher hat man versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß Dämpfungsgewichte unter den Schaufelplattformen angebracht werden, die sich als wirksam im Hinblick auf eine Dämpfung der Vibration erwiesen haben, Jedoch notwendigerweise andere unerwünschte Polgen nach sich zogen. Um eine genügende Dämpfung zu erhalten ist es nämlich notwendig, einen relativ langen Schaufelschaft vorzusehen, der zwischen dem Schaufelfuß und der Plattform verläuft, und die Plattformen selbst müssen schwerer gestaltet werden, um die relativ großen Belastungen auszuhalten, die in einem Zentrifugalfeld erzeugt werden, selbst wenn nur sehr kleine Dämpfungsgewichte benutzt werden.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Rotorschaufel, die erfindungsgemäß ein inneres Dämpfungsgewicht an der Spitze besitzt, d.h. an einer äußerst wirksamen Stellung für eine solche Dämpfung.

Die Erfindung geht aus von einer Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Schaufelblatt, das wenigstens im Spitzenbereich einen Hohlraum aufweist. Erfindungsgemäß ist die Anordnung derart getroffen, daß eine innere Oberfläche des Hohlraums quer zur Richtung der wirkenden Zentrifugalkraft verläuft, und es ist ein Gewicht vorgesehen, welch« in der Nähe dieser Oberfläche abgestützt ist und frei gegen diese Fläche unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte anliegen kann, so daß beim Vibrieren der Schaufel eine Gleitbewegung

15ÖÖSQ/0U1

;■■;■; 3ioo798

zwischen dem Gewicht und der Oberfläche stattfinden kann, wodurch die Vibration der Schaufel gedämpft wird. Das Gewicht besteht vorzugsweise aus Keramikmaterial.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besitzt die Rotorschaufel ein hohles Schaufelblatt und das Gewicht wird durch den spitzen Teil eines Kühllufteinsatzrohres an Ort und Stelle gehalten, welches in dem hohlen Schaufelblatt eingesetzt ist.

Zur Herstellung des Gewichtes können verschiedene Keramikmaterialien, insbesondere Silicium-Nltrid oder Silicium-Karbid herangezogen werden.

Nachstehend werden Ausführungsbe!spiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene schematische Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks mit erfindungsgemäß ausgebildeter Turbinenrotorschaufel;

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Schnitt durch eine Turbinenrotorschaufel gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen Teilschnitt der Schaufelspitze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 gemäß Fig.

130050/0441

Figur 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit den herkömmlichen Bauteilen, nämlich mit einem Kompressor 11, einer Verbrennungseinrichtung 12, einer Turbine I3 und einer Schubdüse 14. Die Arbeitsweise des Triebwerks ist die übliche und braucht nicht weiter erläutert zu werden. Das dargestellte Triebwerk repräsentiert einen sehr einfachen Aufbau und dieser kann als Kerntriebwerk oder als Fantriebwerk oder auch als mehr komplexes Triebwerk aufgebaut sein. Die Erfindung ist für unterschiedliche Bauarten von Gasturbinen anwendbar.

Der Turbinenteil I3 des Triebwerks weist eine Rotorscheibe

15 auf, die mehrere Rotorschaufeln 16 trägt. Die Schaufeln

16 werden durch den Heißgasstrom beaufschlagt, der aus der Verbrennungseinrichtung 12 austritt, und sie treiben die Rotorscheibe I5 und damit den Kompressor 11 an. Figur 2 zeigt in größerem Maßstab einen Schnitt einer der Schaufeln 16 mit einem gerippten Schaufelfuß I7, einem Schaufelschaft 18, einer Plattform I9 und einem hohlen Schaufelblatt 20. Wie ersichtlich, ist an der Spitze keine Schaufelplattform vorgesehen, wie dies bei gewissen Turbinen der Fall ist.

In Anbetracht der heißen Umgebung,in der sich die Schaufel und insbesondere das Schaufelblatt bewegt, ist es notwendig eine Kühlung für das Schaufelblatt vorzusehen. Der Schaft ist daher mit einer Kühllufteintrittsöffnung 21 versehen, durch die Kühlluft aus einer nicht dargestellten Quelle in einen Kanal 22 abströmt, der in das hohle Innere 23 eines Kühlluftelntrittsrohres 24 führt. Das Rohr 24 bildet gemäß dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel einen integralen Bestandteil der Schaufel. Es könnte jedoch auch getrennt hergestellt und hart verlötet oder auf sonstige Weise in das hohle Schaufelinnere am Schaftende des Schaufelblattes eingesetzt sein.

130080/0441

Das Rohr 2k ist mit mehreren Auftreff-KUhlöffnungen 25 versehen, durch die Kühlluft in einer Vielzahl von strahlen ' auf der inneren Oberfläche 26 des hohlen Schaufelblattes 20 auftrifft. Um dies zu ermöglichen, ist das Rohr 24 in seiner Form der Gestalt der inneren Oberfläche 26 derart angepaßt, daß nur ein kleiner Spalt dazwischen verbleibt, über den die KUhlluftstrahlen verlaufen müssen, um auf die innere Oberfläche 26 aufzutreffen.

Insoweit ist die Schaufel von konventioneller Bauart. Dieses Kühlsystem mit einem einzigen Lüfteintrittsrohr, welches eine Auftreffkühlung des gesamten Schaufelblattes bewirkt, stellt eine ziemlich einfache Form der Kühlung dar. In der Praxis kann es erwünscht sein, ein komplexeres System vorzusehen, welches gegossene Kanäle innerhalb des Schaufelblattes aufweist, und zusätzlich dazu das Eintrittsrohr und das Prallsystem wie vorstehend beschrieben.

Da die Schaufel 16 kein äußeres Deckband aufweist, um der Vibrationsbewegung zu widerstehen, wird die Schaufel einer beträchtlichen Vibration bei gewissen Resonanzfrequenzen ausgesetzt sein. Um eine Dämpfung dieser Vibration herbeizuführen ist das hohle Schaufelblatt mit einer an der Schaufelspitze vorgesehenen Scheidewand 27 versehen, die eine innere Oberfläche 28 besitzt, welche sich quer zur Richtung des Zentrifugalfeldes erstreckt, welches im Betrieb auf die Schaufel einwirkt. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die Oberfläche 28 senkrecht zu dieser Richtung. Ein Gewicht 29, welches gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Keramikgewicht, beispielsweise aus Silicium-Nitrid oder Siliciura-Karbid besteht, ist in die offene Spitze des Rohres 24 eingesetzt und kann sich frei radial nach außen unter der Zentrifugalkraft bewegen, es wird jedoch an einer Berührung mit der Innenseite des Rohres

130060/OU1

24 gehindert. Zu diesem Zweck sind eine Reihe von Vorsprüngen 30 an der Innenseite des Rohres 24 vorgesehen, die das Gewicht 29 daran hindern, in das Innere des Rohres einzufallen und wie aus Fig. 3 ersichtlich, passen die Gewichte sehr dicht in das Rohr 24 ein, um eine Abdichtung des sonst offenen Rohrendes zu bewirken.

Wenn das Triebwerk arbeitet, dann drehen sich Rotor I5 und Schaufeln 16 mit einer hohen Drehzahl, und die Gewichte werden gegen die innere Oberfläche 28 der Trennwand 26 angedrückt. Wenn die Schaufel vibrieren sollte, dann bewirken die unterschiedlichen Abmessungen von Schaufelblatt und Rohr 24, daß auch die Bewegungen unterschiedlich sind. Infolgedessen bewegt sich die Spitze des Rohres 24 relativ zur Spitze des Schaufelblattes 20 und bewirkt, daß das Gewicht 29 längs der Oberfläche 28 verschoben vird. Der Reibungseingriff zwischen der Oberfläche und dem Gewicht bewirkt eine Abbremsung dieser Bewegung und bei der Überwindung der Bremskraft wird Energie verbraucht und demgemäß wird die Vibration gedämpft.

Wenn die Reibungskraft, die der Bewegung der Gewichte auf der Oberfläche 28 entgegenwirkt zu groß ist, dann findet keine solche Bewegung statt und das System ist "blockiert" und es wird keine Dämpfung oder nur eine sehr geringe Dämpfung erreicht. Die Reibungskraft hängt von der Masse des Gewichtes und vom Reibungskoeffizienten zwischen dem Material des Gewichts und der Oberfläche ab. Es hat sich gezeigt, daß fUr praktische Anwendungen das Gewicht und der Reibungskoeffizient niedrig sein müßten, und diese Kombination erhält man durch Benutzung eines Keramikgewichtes. Für Keramikmaterialien kann der Reibungskoeffizient weniger als die Hälfte einer Superlegierung betragen, während die

13Q0S0/0U1

Dichte nur ein Drittel jener der Superlegierung beträgt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3 sollte die Lage der Scheidewand 27 berücksichtigt werden. Es ist notwendig, daß die Oberfläche 28 quer zur Richtung des Zentrifugalfeldes im Schaufelblatt verläuft, so daß eine minimale seitwärts gerichtete Kraft auf das Gewicht 29 ausgeübt wird, die dazu neigt das Gewicht gegen die Wand des Rohres 24 zu drücken, und demgemäß das System zu blockieren. Die Spitze 3I der Schaufel braucht Jedoch nicht parallel zu dieser Scheidewand 27 zu verlaufen, und diese Spitze weist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen beträchtlichen Neigungswinkel auf. Um diese Erfordernisse miteinander in Einklang zu bringen, besitzt das Schaufelblatt einen Hohlraum 32 außerhalb der Scheidewand 27.

Im folgenden wird auf die Figuren 4 und 5 Bezug genommen. Der Grundaufbau der Schaufel und die Kühlanordnung ist die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3. In diesem Fall ist jedoch die äußere Spitze des Rohres 33 durch einen Stopfen 34 geschlossen, der in das Innere des Rohres hart eingelötet 1st. Der Stopfen 34 weist eine Vertiefung 35 in der nach außen weisenden Oberfläche auf, und in diese Ausnehmung bzw. Vertiefung ist ein Keramikgewicht 36 aus Silicium-Nitrid oder Silicium-Karbid eingesetzt. Das Gewicht 36 kann sich frei bewegen um an der Oberfläche 37 anzugreifen, welche die innere Oberfläche der massiven Schaufelspitze 38 ist. Wie die Oberfläche 28 bei dem ersten Ausführungsbeispiel, liegt die Oberfläche 37 quer, und in diesem Fall senkrecht zur Richtung des Zentrifugalfeldes, und die Dämpfungswirkung des Gewichtes 36 wird in genau der gleichen Weise wie bei

130050/OU1

-lO-dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel erzeugt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist an der Spitze der Schaufel wiederum ein beträchtlicher Anstellwinkel vorhanden, d.h. die Schaufelspitze verläuft nicht parallel zur Oberfläche 37. In diesem Fall ist der Raum zwischen Schaufelspitze und Oberfläche 37 vollständig durch die massive Schaufelspitze 38 ausgefüllt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich eine bessere Abdichtung für die Spitze des Lufteintrittsrohres als bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, jedoch auf Kosten eines etwas schwereren und komplexeren Aufbaus.

Es können verschiedene Abwandlungen getroffen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Wie erwähnt, ist das beschriebene KUhlluftsystem sehr einfach im Aufbau und könnte auch durch eine komplexere Anordnung ersetzt werden. Auch brauchen die Gewichte, die zweckmäßigerweise durch die Spitze des Lufteintrittsrohres gehaltert werden nicht so angeordnet zu werden, und natürlich ist es möglich Gewichte zu benutzen,ohne daß ein Rohr oder ein ähnlicher Aufbau benutzt wird, um diese festzulegen. Es können auch andere Materialien, insbesondere andere Keramikmaterialien für das Gewicht benutzt werden.

Die Erfindung kann auch bei einer ungekühlten Schaufel Anwendung finden, die mit Ausnahme eines Hohlraumes, der insbesondere im spitzen Teil untergebracht ist, von massiver Ausbildung ist, um eine Dämpfung gemäß der Erfindung herbeizuführen.

1300-50/0441-

Claims

Patentansprüche

1. Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Hohlraum, der sich wenigstens über den spitzen Abschnitt erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß eine innere Oberfläche (28; 37) des Hohlraumes quer zur Richtung der Zentrifugalkraft verläuft, der die Schaufel (16) in Betrieb ausgesetzt ist, und daß ein Keramikgewicht (29; 36) in der Nähe dieser Oberfläche abgestützt ist, um unter der Wirkung der Zentrifugalkraft derart gegen die Oberfläche anzuliegen, daß im Falle einer Vibration der Schaufel eine Gleitbewegung zwischen dem Gewicht (29; 36) und der Oberfläche (28; 37) stattfinden kann, wodurch die Vibration der Schaufel gedämpft wird.

2. Rotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht (29; 36) aus einem Keramikgewicht besteht.

3. Rotorschaufel nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (28; 37) senkrecht zur Richtung der Zentrifugalkraft verläuft.

4. Rotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufel (16) als Hohlschaufel ausgebildet ist und ein hohles Schaufelblatt (20) aufweist.

130Ö60/OU1

5. Rotorschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennze lehne t, daß das Gewicht (29; 36) durch den spitzen Teil eines KUhllufteintrittrohres (24; 33) an Ort und Stelle gehalten wird, welches in Längsrichtung in den Hohlraum (20) des Schaufelblattes eingesetzt ist.

6. Rotorschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht (29) vollständig das außen offene Lufteintrittsrohr (24) abschließt und abdichtet.

7. Rotorschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Lufteintrittsrohres (32) durch einen Pfropfen (34) abgeschlossen und abgedichtet ist, der eine Vertiefung (35) aufweist, in der das Gewicht (36) ruht.

8. Rotorschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht (29; 36) aus Silicium-Nitrid oder Silicium-Karbid besteht.

130050/0441