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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke
und insbesondere auf Turbinenlaufschaufeln in diesen.
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In
einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter komprimiert
und mit einem Treibstoff vermischt, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen,
die stromabwärts
durch die Turbinenstufen strömen.
Hoch- und Niederdruckturbinen enthalten entsprechende Reihen von
Turbinenrotorschaufeln, die sich von stützenden Rotorscheibe radial
nach außen
erstrecken, wobei den heißen
Verbrennungsgasen durch die Rotorschaufeln Energie zur Drehung der
Scheibe entzogen wird, die wiederum verwendet wird, um in einer
typischen Triebwerksanwendung den Verdichter und ein stromauf befindliches
Gebläse
anzutreiben.
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Ein
vorrangiges Konstruktionsziel bei Flugzeugtriebwerken ist es, ihre
Leistungsfähigkeit
bei gleichzeitiger Minimierung ihres Gewichts zu maximieren. Dementsprechend
sind die verschiedenen Komponenten eines Gasturbinentriebwerks konstruiert,
um so viel Gewicht wie möglich
zu entfernen, ohne die in ihnen auftretenden zulässigen Spannungen zu übertreffen.
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Eine
Gewichtsreduktion gestaltet sich insbesondere in Triebwerksrotorkomponenten
schwierig, da sie im Betrieb rotieren und beträchtliche Zentrifugallasten
aufnehmen müssen,
die in ihnen entsprechende Spannungen hervorrufen. Zusätzlich zu
den Zentrifugallasten werden infolge der verdichteten Luft oder
der Verbrennungsgase, die sich durch den Verdichter und die Turbinen
ausdehnen, die Ro torschaufeln aerodynamischen Belastungen oder Druckbelastungen
ausgesetzt.
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Da
eine Turbinenrotorschaufel im Betrieb heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt
ist, wird sie gewöhnlich
unter Verwendung von von dem Verdichter abgezapfter Luft gekühlt. Eine
typische Turbinenschaufel enthält
ein hohles Schaufelblatt, in dem verschiedene Kühlkreise vorgesehen sind, die
mit einer aus dem Verdichter empfangenen Kühlluft gespeist werden, die
in die Turbinenschaufel durch Einlassöffnungen einströmt, die
sich radial durch tragende Schwalbenschwänze der Schaufeln erstrecken.
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Der
Schwalbenschwanz einer Turbinenschaufel enthält typischerweise zugehörige Paare oberer
und unterer Schwalbenschwanzkeulen oder -schenkel in einer tannenbaumartigen
Anordnung. Der Umfang der Rotorscheibe enthält eine Reihe axialer Schwalbenschwanzschlitze,
die zwischen entsprechenden Scheibensäulen definiert sind, die komplementäre obere
und untere Tragkeulen oder -schenkel aufweisen.
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Die
Scheibenschlitze werden typischerweise unter Verwendung eines konventionellen
Räumprozesses
hergestellt, bei dem eine Reihe von zunehmend größeren Schneidwerkzeugen axial
durch den Rotorumfang geführt
werden, bis die endgültige
tannenbaumartige Gestaltung der Scheibenschlitze erzielt wird.
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Die
Scheibenschenkel sind deshalb zwischen der vorderen und hinteren
Endfläche
axial gerade. Und die zugehörigen
Schwalbenschwanzschenkel sind ebenfalls in Axialrichtung gerade,
um mit den komplementären
Scheibenschenkeln übereinzustimmen.
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Auf
diese Weise stellen die beiden Schwalbenschwanzschenkelpaare vier
axial gerade Druckflächen
zur Verfügung,
die mit den zugehörigen Druckflächen der
Scheibenschenkel in Eingriff stehen, um im Betrieb zentrifugale
und sonstige Belastungen von jeder Laufschaufel auf den Umfang der die
Schaufeln stützenden
Scheibe zu übertragen.
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In
anderen Konstruktionen können
die Schwalbenschwanzschlitze durch den Scheibenrand bezüglich der
Triebwerksmittellinie oder axialer Achse winklig oder schräg verlaufen,
und die Schaufelschwalbenschwänze
sind entsprechend winklig oder schräg angesetzt.
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Da
sich die Schwalbenschwanzschenkel in Umfangsrichtung in entgegengesetzte
Richtung zueinander erstrecken, definieren sie entsprechende Halsstücke mit
lokal minimalen Bereichen direkt über jedem der unteren und oberen
Schenkelpaare. Diese Schwalbenschwanzhalsstücke müssen eine ausreichend große Fläche aufweisen,
um über
diese die Zentrifugalbelastung zur Minimierung der maximalen oder
Spitzenspannung in dem Schwalbenschwanz zu verteilen. Im Betrieb
muss die Spitzenspannung in dem Schwalbenschwanz begrenzt werden
um eine ausreichende Nutzungsdauer der Schaufel im Betrieb sicherzustellen.
Entsprechend weisen die Schwalbenschwänze eine minimale Größe auf,
die durch eine maximal zulässige
Spitzenspannung in diesen bedingt ist.
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Um
die Festigkeit des radial innersten oder unteren Schwalbenschwanzschenkelpaares
zu steigern, kann sein Fußende
einen rechteckigen Fußblock
aus zusätzlichem
Material aufweisen, der sich entlang der gesamten axialen Länge des
Schwalbenschwanzes zwischen seiner vorderen und hinteren Endfläche erstreckt
und sich über
die seitliche oder in Umfangsrichtung gerichtete Weite des Schwalbenschwanzes
zwischen den Basisenden der zugehörigen gegenüberliegenden Schenkel erstreckt.
Der Fußblock
verbindet gewöhnlich
die unteren Schenkel an den zugehörigen Kehlen, die zur Reduktion
von an ihnen auftretenden Spannungskonzentrationen einen geeigneten
Radius aufweisen.
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Der
sich ergebende Schaufelschwalbenschwanz weist angesichts der zur Übertragung
aller betrieblichen Belastungen von der Schaufel auf die Rotorscheibe
erforderlichen tannenbaumartigen Gestaltung einen relativ komplexen
Aufbau auf.
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Eine
Verminderung der Masse oder des Gewichts von einzelnen Schaufelschwalbenschwänzen ist
derzeit durch die maximal zulässige
Spitzenspannung in diesen begrenzt. Da ein typisches Gasturbinentriebwerk
eine beträchtliche
Anzahl von Turbinenschaufeln in jeder Stufenreihe enthält, wäre es wünschenswert,
das Gewicht des Triebwerks durch eine entsprechende Reduktion des
Gewichts der Schwalbenschwänze
weiter zu verringern, wenn vorausgesetzt ist, dass die zulässige Schwalbenschwanzspitzenspannung
nicht überschritten
wird.
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GB 537 121 beschreibt den
Aufbau und die Art der Montage von Impulsschaufeln von Turbinen für elastische
Fluide.
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US 2,755,062 beschreibt
Schaufelverriegelungseinrichtungen für Turbinenrotoranordnungen.
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US 4,500,258 beschreibt
eine gekühlte
Turbinenschaufel für
ein Gasturbinentriebwerk.
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US 4,936,749 beschreibt
einen Schaufel/Schaufel-Schwingungsdämpfer.
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Demgemäß ist es
erwünscht,
einen verbesserten Schwalbenschwanz zu schaffen, der eine weitere
Gewichtsreduktion aufweist, ohne dass eine maximal zulässige Spitzenspannung
in diesem überschritten
wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Turbinenlaufschaufel geschaffen, die ein Schaufelblatt
und einen Schwalbenschwanz gemäß dem beigefügten Anspruch
1 enthält.
Der Schwalbenschwanz enthält
ein Paar Tragschenkel. Ein rechteckiger Fußblock überbrückt die Schenkel über einen Großteil seines
Fußendes.
Der Block endet kurz vor einer Endfläche des Schwalbenschwanzes,
um an dieser eine Fußkerbe
zur vorteilhaften Gewichtsreduktion auszubilden.
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Die
Erfindung gemäß bevorzugten
und beispielhaften Ausführungsformen
ist zusammen mit weiteren Aufgaben und ihren Vorteilen in der folgenden
detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
genauer beschrieben:
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1 zeigt
eine teilweise im Querschnitt dargestellte isometrische Ansicht
eines Paares benachbarter Turbinenrotorschaufeln, die durch axiale Schwalbenschwänze am Umfang
einer stützenden Rotorscheibe
befestigt sind.
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2 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
des Schwalbenschwanzteils der in 1 dargestellten Schaufel,
die an der Scheibe durch den axialen Schwalbenschwanz befestigt
ist, der zur bevorzugten Reduktion seines Gewichts eine darin vorgesehene Fußkerbe aufweist.
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3 zeigt
eine vergrößerte isometrische Ansicht
des in 2 gezeigten Schaufelschwalbenschwanzes, in dem
eine bevorzugte Ausführungsform
einer Fußkerbe
vorgesehen ist.
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4 zeigt
eine vergrößerte Endansicht
eines Bereichs des Schaufelschwalbenschwanzes und der Fußkerbe,
wie sie in 3 veranschaulicht sind.
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5 zeigt
eine Draufsicht einer der in 1 gezeigten
Laufschaufeln unter Veranschaulichung der Ausrichtung eines Schaufelblatts,
das über
dem darunter liegenden Schwalbenschwanz angeordnet ist.
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In 1 sind
beispielhafte Turbinenlaufschaufeln 10 eines Turbofan-Gasturbinenflugzeugtriebwerks
dargestellt. Das Triebwerk enthält
einen konventionellen Verdichter (nicht gezeigt) zur Verdichtung
von Luft 12, die mit einem Treibstoff in einer Brennkammer
(nicht gezeigt) vermischt und gezündet wird, um heiße Verbrennungsgase 14 zu
erzeugen, die stromab durch Hoch- und Niederdruckturbinen strömen, die
ihnen Energie entziehen.
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Die
in 1 gezeigten beispielhaften Turbinenrotorschaufeln 10 sind
in der zweiten Stufe einer zweistufigen Hochdruckturbine zu finden,
die den Gasen zum Antreiben des Verdichters Energie entzieht. Eine
Niederdruckturbine (nicht gezeigt) entzieht den Gasen weitere Energie,
um einen Bläser (nicht
gezeigt) anzutreiben, der in einer typi schen Turbofan-Flugzeugtriebwerksanwendung
stromauf von dem Verdichter montiert ist.
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Jede
Turbinenschaufel 10 enthält ein vorzugsweise hohles
Schaufelblatt 16, das mit einem Schwalbenschwanz 18 zur
axialen Einführung
an einer Plattform 20 integral verbunden ist, die die radial innere
Begrenzung für
die Verbrennungsgase definiert.
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Wie
in 2 zusätzlich
gezeigt, enthält
jedes Schaufelblatt eine Vorderkante 22, die die Verbrennungsgase
zuerst empfängt,
und eine axial gegenüber
liegende Hinterkante 24, mit einer sich dazwischen erstreckenden,
im Wesentlichen konkave Druckseite und einer gegenüberliegenden
konvexen Saugseite, die zur Entnahme von Energie aus den Verbrennungsgasen
geschaffen sind.
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Wie
in 2 und 3 gezeigt, enthält die bevorzugte
Ausführungsform
des Schaufelschwalbenschwanzes 18 ein oberes Paar von in
Seitenrichtung oder in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Ausbuchtungen
oder Schenkeln 26 und ein unteres Schenkelpaar 26,
die in Form einer typischen tannenbaumartigen Konfiguration zur
Stützung
einer einzelnen Schaufel in einem entsprechenden Schwalbenschwanzschlitz 28 gestaltet
sind, der, wie in 1 und 2 veranschaulicht,
am Umfang der stützenden
Rotorscheibe 30 ausgebildet ist. Jeder Schwalbenschwanzschlitz 28 ist
am Umfang zwischen sich radial nach außen erstreckenden Scheibensäulen definiert,
die sich axial erstreckende Keulen oder Schenkel 32 aufweisen,
die die doppelten Schwalbenschwanzschenkel zur Schaffung von vier
Druckkontaktflächen
zwischen ihnen ergänzen,
durch die zentrifugale und sonstige Belastungen von den Schaufeln
auf die stützende
Rotorscheibe übertragen
werden.
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Wie
am besten in 3 veranschaulicht, sind die
oberen und die unteren Schwalbenschwanzschenkel symmetrisch um die
radiale oder Längsachse
der Turbinenschaufel und weisen eine schmale Weite auf, um entsprechende
rechteckige Halsstücke 34 mit örtlich minimalem
Querschnittsbereich über
jedem der oberen und unteren Schenkelpaare zu definieren. Die während des
Rotationsbetriebs durch die Schaufeln in dem Triebwerk erzeugten
Zentrifugallasten werden radial nach innen zuerst durch das obere
Halsstück
und auf die oberen Schwalbenschwanzschenkel zur Übertragung in die zugehörigen oberen
Schenkel der Schwalbenschwanzschlitze in der stützenden Rotorscheibe übertragen.
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Einige
der Zentrifugalbelastungen werden ferner durch das untere Halsstück des Schwalbenschwanzes
und durch die unteren Schwalbenschwanzschenkel auf die zugehörigen unteren Schenkel
des Schwalbenschwanzschlitzes in der Rotorscheibe übertragen.
Auf diese Weise werden die beiden Schwalbenschwanzschenkelpaare
gemeinsam zur Aufnahme der gesamten zentrifugalen und sonstigen
Belastungen, die während
eines Rotorbetriebs in der Turbinenlaufschaufel erzeugt werden,
in die tragende Rotorlaufscheibe verwendet.
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Zur
Gewichtsreduktion der einzelnen Turbinenschaufeln werden die zugehörigen Schwalbenschwänze 18 so
klein wie möglich
hergestellt, was aber durch die maximal zulässige Spitzenspannung innerhalb
des Schwalbenschwanzes zur Sicherstellung einer geeigneten Nutzungsdauer
der Schaufel während
eines Betriebs in dem Triebwerk begrenzt ist. Da die Schwalbenschwanzhälse 34 eine
minimale Querschnittsfläche
aufweisen, stellen sie gewöhnlich
die Stelle mit der Spitzenspannung in dem Schwalbenschwanz dar.
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Wie
in 1 und 3 gezeigt, enthält der Schwalbenschwanz
vorzugsweise auch einen integrierten rechteckigen Fußblock 36,
der die unteren Schenkel 26 seitlich oder in Umfangsrichtung über den
Großteil
ihres Fußendes überbrückt. In
einem herkömmlichen
Schaufelschwalbenschwanz würde der
Fußblock
an der vorderen Endfläche
des Schwalbenschwanzes beginnen und sich vollständig bis zu einer hinteren
Endfläche
des Schwalbenschwanzes erstrecken und an ihr enden. Der rechteckige
Block verstärkt
die strukturelle Integrität
und Festigkeit des Schwalbenschwanzes, ist aber in der radialen
Spannungsweite ziemlich dünn,
um die dadurch geschaffene Gewichtszunahme zu begrenzen.
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Die
Erfinder haben entdeckt, dass die z. B. in 1 dargestellte
axial gerade Konstruktion der Scheibenschenkel 32 eine
axiale Schwankung ihrer Tragfestigkeit herbeiführt. Insbesondere sind die Scheibenschenkel 32 an
ihren axial mittleren Abschnitten tatsächlich steifer als an ihren
axial entgegengesetzten Enden in der Nähe der vorderen und der hinteren
Stirnfläche
des Scheibenumfangs.
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Demgemäß führt die
axiale Schwankung der Steifigkeit der Scheibenschenkel zu einer
axialen Schwankung der zwischen den Schwalbenschwanzschenkeln 26 und
den Scheibenschenkeln 32 übertragenen Zentrifugalkräfte.
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Wie
in 3 veranschaulicht, zeigt eine detaillierte Belastungsanalyse
an, dass die Spitzen- oder maximale Spannung SM in dem unteren Schwalbenschwanzhalsstück 34 in
der Nähe
der axialen Mitte des Schwalbenschwanzes zwischen seinen beiden
entgegengesetzten Endflächen 38, 40 auftritt.
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Dementsprechend
kann die Größe des in 3 dargestellten
zweischenkligen Schwalbenschwanzes mit konventionellen Methoden
nicht mehr als bis zu der Größe reduziert
werden, bei der für
ein bestimmtes für
den Schwalbenschwanz verwendetes Material sich die örtlich maximale
Spitzenspannung SM der erlaubten oder zulässigen Spitzenspannung nähert, aber
diese nicht übersteigt.
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Entsprechend
haben die Erfinder auch herausgefunden, dass aufgrund der axialen
Schwankung der Steifigkeit der Scheibenschenkel die betrieblichen
Belastungen in dem Schwalbenschwanz wesentlich unter der maximalen
Spannung SM an beiden Endflächen 38, 40 des
Schwalbenschwanzes liegen.
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Der
in 3 dargestellte Fußblock 36 erstreckt
sich nicht vollständig über das
gesamte Fußende
des Schwalbenschwanzes, sondern endet kurz vor der vorderen Endfläche 40,
um an dieser eine entsprechende Fußkerbe 42 auszubilden.
Diese in bevorzugter Weise angeordnete Fußkerbe verringert örtlich begrenzt
die Festigkeit des Schwalbenschwanzes, was im Betrieb einer lokalen
Spannungserhöhung
entspricht. Entsprechend kann eine deutliche zusätzliche Gewichtsreduktion in
dem Schwalbenschwanz 18 durch eine Maximierung der Größe der Fußkerbe 42 erzielt
werden, ohne andererseits die maximale Spannung in dem Schaufelschwalbenschwanz über die
vorgegebene zulässige maximale
Spannung zu erhöhen.
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Wie
in 3 gezeigt, bildet der Fußblock 36 eine integrale
Erweiterung des unteren Schenkelpaares und ist radial darunter in
einem gemeinsamen Gussstück
angeordnet.
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Die
gesamte Turbinenlaufschaufel wird zunächst im Gussverfahren aus einer
geeigneten Superlegierung hergestellt, um der schädigenden
Temperatur- und Belastungsumgebung in der Hochdruckturbine standzuhalten.
Der Schwalbenschwanz samt seiner zweifachen Schenkelpaare wird zunächst mit Überschussmaterial
gegossen, das durch herkömmliches
Präzisionsschleifen
entfernt werden kann, um eine endgültige Gestalt und Größe und ein
glattes Oberflächenfinish
hierfür
zu erhalten.
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Wie
in 3 und 4 gezeigt, ist der Fußblock 36 vorzugsweise
mit den unteren Schenkeln 26 an einer ersten Kehle 44 verbunden,
die einen geeigneten Radius A zur Minimierung der in ihr auftretenden
Spannungskonzentration aufweist. Wie in 3 gezeigt,
ist die Fußkerbe 42 flach
und mit dem Fußblock
an einer zweiten Kehle 46 verbunden, die einen entsprechend
großen
Radius B ebenfalls zur Reduktion der in ihr auftretenden Spannungskonzentration aufweist.
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Der
Radius der ersten Kehle kann z. B. ca. 50 mils (1,27 mm) betragen,
und die zweite Kehle kann einen Radius von ca. 100 mils (2,54 mm)
aufweisen.
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Der
Fußblock
weist eine Höhe
C auf, die sich von der Tangente an der ersten Kehle 44 aus
erstreckt, und die zweite Kehle 46 weist vorzugsweise eine
so große
Tiefe D wie die Blockhöhe
C auf. Auf diese Weise kann die Tiefe der Fußkerbe zur Maximierung eines
Abtrags des überschüssigen Materials an
dem vorderen Ende des Schwalbenschwanzes maximiert werden, ohne
die Schwalbenschwanzspannungen über
die maximal erlaubte Spannung hinaus übermäßig zu erhöhen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
sind die zweite Kehle 46 und die zugehörige Fußkerbe 42 in ihrer
Tiefe D größer als
die Höhe
C des Blocks. Und wie in 4 dargestellt, erstreckt sich
die Kehle 46 in die erste Kehle 44 hinein, etwas über die
Tangente der ersten Kehle hinweg mit der geraden Seitenwand des
Fußblocks 36.
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Auf
diese Weise kann eine maximale Materialmenge lokal von dem Fußende des
Schwalbenschwanzes in der Nähe
der vorderen Endfläche
entfernt werden, was einer reduzierten Steifigkeit der zugehörigen Scheibenschenkel
entspricht, die die Schwalbenschwanzschenkel stützen. Die Fußkerbe ergibt
eine entsprechende Erhöhung
der örtlichen Spannung
in dem unteren Halsstück 34 in
der Nähe der
vorderen Endfläche.
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Wie
in 3 gezeigt, weist der Fußblock 36 eine Weite
E auf, die sich seitlich in der Umfangsrichtung zwischen den unteren
Schenkeln 26 an ihren zugehörigen ersten Kehlen 44 erstreckt.
Dementsprechend weist die Fußkerbe 42 eine
Weite auf, die mit der Blockweite E gleich ist, um die Menge von
in dem lokalen Bereich der Kerbe entferntem Material zu maximieren.
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Die
Fußkerbe 42 weist
ferner eine axiale Länge
F auf, die sich von der vorderen Endfläche 40 bis zu der
zweiten Kehle 46 erstreckt, wobei die Kerbenlänge F in
der Größenordnung
der Blockweite E liegt. Auf diese Weise ist die Fußkerbe in
der axialen Richtung relativ kurz und weist eine maximale Weite in
der Umfangsrichtung oder seitlichen Richtung auf und ist örtlich direkt
neben der vorderen Endfläche 40 des
Schwalbenschwanzes angeordnet, der entsprechend durch die Abschnitte
der Scheibenschenkel mit relativ niedriger Steifigkeit gestützt wird.
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Die
Tiefe D und die Länge
F der Fußkerbe 42 sind
gemeinsam bemessen, um nicht nur das Gewicht des gesamten Schwalbenschwanzes
zu reduzieren, sondern eine Spannung SL in dem Abschnitt des unteren
Halsstücks 34 direkt über der
Fußkerbe zu
bewirken, wobei diese Spannung nahe an die maximale Spannung SM
in dem Rest des unteren Halsstücks
herankommt, aber diese nicht übersteigt.
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Wie
oben angegeben, bewirkt die axiale Gestaltungder Scheibenschenkel
eine größere Steifigkeit
in der Nähe
der axialen Mitte dieser Schenkel als an ihren axial gegenüberliegenden
Enden. Wie in 3 veranschaulicht, bewirkt dies
typischerweise, dass die maximale Schwalbenschwanzspannung SM in
der Nähe
der axialen Mitte des Schwalbenschwanzes in dem unteren Halsstück 34 auftritt.
Die Spannung SL in dem unteren Halsstück in der Nähe der vorderen Endfläche ist
entsprechend kleiner als die maximale Spannung SM, wobei mit der
Einführung der
Fußkerbe 42 die
Größe der unteren
Spannung SL steigt, diese jedoch begrenzt ist, um die maximale Spannung
SM in der Mitte des Halsstücks
nicht zu übersteigen.
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Auf
diese Weise kann durch die örtliche
Einführung
der Fußkerbe 42 an
der vorderen Endfläche 40 eine
deutliche Reduktion der Schwalbenschwanzmasse erzielt werden, was
die Spannung in dem unteren Halsstück in der Nähe der vorderen Endfläche entsprechend
erhöht.
Da die lokale Spannung SL dennoch kleiner als die maximale Spannung
SM ist, wird die Nutzungsdauer der Turbinenschaufel nicht reduziert,
aber eine wesentliche Gewichtsreduktion erzielt.
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Die
Fußkerbe 42 kann
z. B. relativ schmal sein, mit einer Kerbentiefe D von ca. 40 mils
(1 mm) und einer Kerben länge
F von ca. 400 mils (10 mm) über
die gesamte Weite E des Fußendes
der unteren Schenkel. In einer beispielhaften Rotorschaufel der zweiten
Stufe ergibt dies eine Reduktion der Schwalbenschwanzmasse um ca.
ein Prozent, was in einem Flugzeugturbofantriebwerk eine beträchtliche
Größe darstellt.
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Da
der in 3 dargestellte Fußblock 36 speziell
zur Verstärkung
des Schwalbenschwanzes eingeführt
wurde, ist eine übermäßige Abtragung
von diesem nicht erwünscht
und ist vorzugsweise begrenzt. In der bevorzugten Ausführungsform
endet der Fußblock
insgesamt an der Stelle der Einbringung der Fußkerbe 42, wobei die
Fußkerbe
eine Tiefe aufweist, die größer als
die Höhe
des Fußblocks ist,
um eine Gewichtsreduktion zu maximieren, ohne dass daraus eine übermäßige lokale
Spannung resultiert. In alternativen Ausführungsformen kann der Fußblock lediglich
teilweise an der Stelle der Einbringung einer entsprechenden seichten
Fußkerbe
enden, die eine Tiefe aufweist, die zur Reduktion der örtlichen
Spannungserhöhung
bei geringerer Gewichtsreduktion kleiner als die Höhe des Fußblocks ist.
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Wie
in 5 dargestellt, ist die Schaufelblattvorderkante 22 über der
vorderen Schwalbenschwanzendfläche 40 angeordnet,
wobei sie in Längsrichtung
oder radial mit der Fußkerbe 42 ausgerichtet
ist. Da das Schaufelblatt 16 aus aerodynamischen Gründen verwunden
ist, ist die Hinterkante 24 seitlich oder in Umfangsrichtung
zu der hinteren Endfläche 38 des
Schwalbenschwanzes versetzt angeordnet und erzeugt einen Überstand über der
Seite des Schwalbenschwanzes.
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Die überstehende
Hinterkante bewerkstelligt den Lastentransfer durch die Schwalbenschwanzschenkel
hindurch und in die Scheibensäulen
hinein. Eine Spannungsanalyse zeigt an, dass die Spannung in dem
unteren Halsstück
des Schwalbenschwanzes in der Nähe
der hinteren Endfläche
unter dem Hinterkantenüberstand
hinsichtlich ihrer Größe näher an die
maximale Spannung SM in dem unteren Halsstück in der Nähe der Mitte des Schwalbenschwanzes
herankommt als die Spannung in dem unteren Halsstück an der
vorderen Endfläche.
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Demgemäß ist in
der bevorzugten Ausführungsform
die Fußkerbe 42 in
dem Fußblock
lediglich an der vorderen Endfläche
und nicht an der hinteren Endfläche
angeordnet. Und der Fußblock
weist von der Fußkerbe
vollständig
bis zu der hinteren Endfläche
ein vorzugsweise gleichförmiges
Profil auf.
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Auf
diese Weise wird die Konfiguration des Fußblocks 36 von der
hinteren, kurz vor der vorderen Endfläche endenden Endfläche zur
Maximierung der Festigkeit des Schwalbenschwanzes maximiert, wobei
die Fußkerbe
eine örtlich
begrenzte Gewichtsreduktion des Schwalbenschwanzes ergibt, die der
axialen Stelle an dem Schwalbenschwanz entspricht, die mit der Stelle
der verringerten axialen Steifigkeit der Scheibenschenkel übereinstimmt.
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Das
in 1 und 2 dargestellte Turbinenschaufelblatt 16 ist
vorzugsweise hohl und enthält
innere Kühlkreise 48,
die eine beliebige konventionelle Konfiguration aufweisen können. Dementsprechend
enthält
der Schwalbenschwanz mehrere axial ausgerichtete Einlassöffnungen 50,
z. B. vier Öffnungen,
die sich in Längsrichtung
oder radial durch den Schwalbenschwanz hindurch, in Strömungsverbindung
mit den Kühlkreisen
des Schaufelblatts erstrecken. Von dem Triebwerksverdichter abgezapfte
Kühlluft 12 wird
geeignet durch die Scheibenschlitze 28 geleitet und tritt
in die verschiedenen Einlassöffnungen 50 ein,
um Kühlluft
durch den Schwalbenschwanz hindurch und in das Schaufelblatt hinein
zu liefern.
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Die
Fußkerbe 42 endet
in Längsrichtung
innerhalb der ersten Einlassöffnung 50,
die zu der vorderen Endfläche 40 des
Schwalbenschwanzes am nächsten
liegt.
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Eine
Belastungsanalyse zeigt an, dass, wenn die Fußkerbe in der Rippe zwischen
der ersten und der zweiten Einlassöffnung endet, wie in 3 dargestellt,
unerwünschte
lokale Kompressionsspannungen in der Rippe auftreten würden, die
die Nutzungsdauer der Turbinenschaufel verkürzen könnten. Dadurch, dass die Fußkerbe kurz
vor der zwischen den Öffnungen
befindlichen Rippe, z. B. in der Mitte der ersten Öffnung,
endet, kann eine deutliche Gewichtsreduktion in dem Schwalbenschwanz
erzielt werden, ohne im Betrieb die maximale Spannung in diesem
zu überschreiten
und ohne unerwünschte Spannungen
in den Rippen zwischen den Öffnungen herbeizuführen.
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Ungeachtet
der komplexen Gestaltung des Schwalbenschwanzes mit zweifachen Schenkeln
in der beispielhaften Turbinenrotorschaufel, kann eine deutliche
Gewichtsreduktion in ihm erzielt werden, ohne dass die maximale
Spannung an seiner ursprünglichen
Stelle überschritten
wird und ohne übermäßige lokale
Spannungen hervorzurufen, die die Nutzungsdauer der Laufschaufel
verkürzen
würden.
Die Fußkerbe
wird in einer bevorzugten Anordnung mit den zusammenwirkenden ersten
und zweiten Kehlen gezielt ausschließlich in der Nähe der vorderen
Endfläche
des Schwalbenschwanzes eingeführt,
um damit verbundene Spannungskonzentrationen zu reduzieren. Die
resultierende Turbinenschaufel kann eine gleich lange Nutzungsdauer
erreichen wie eine entsprechende Schaufel ohne eine Fußkerbe,
jedoch mit dem zusätzlichen
Vorteil einer deutlichen Gewichtsreduktion.