EP2322763A1 - Turbine or compressor blade - Google Patents
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- EP2322763A1 EP2322763A1 EP09014381A EP09014381A EP2322763A1 EP 2322763 A1 EP2322763 A1 EP 2322763A1 EP 09014381 A EP09014381 A EP 09014381A EP 09014381 A EP09014381 A EP 09014381A EP 2322763 A1 EP2322763 A1 EP 2322763A1
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- groove
- rotor
- carrier
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
- F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
- F01D5/282—Selecting composite materials, e.g. blades with reinforcing filaments
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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- F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
- F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced
Definitions
- the invention relates to a blade of a turbine or a compressor.
- a blade of a turbomachine normally comprises on the one hand an aerodynamically curved blade and on the other hand a blade root which serves to anchor the blade in a corresponding groove of a rotor.
- the rotor equipped with blades is referred to below as a rotor.
- CFRP carbon fiber reinforced plastic
- the invention has for its object to provide an at least partially made of fiber-reinforced plastic, in particular CFRP, manufactured blade for a turbine or a compressor, which is particularly durable, i. is durable. It is another object of the invention to provide a runner particularly resistant under operating conditions with blades made essentially of fiber-reinforced plastic.
- the blade comprises, in addition to an aerodynamically curved blade, a blade root with an elongated or pin-shaped support, which in a preferred embodiment Metal is made. Furthermore, the blade root comprises at least two brackets, these preferably plate-shaped brackets on the carrier - at least in the radial direction - are fixed in position. Each holder is designed to anchor the blade in a corresponding hammer-shaped or fir tree-shaped groove of a rotor and can rest against the side walls thereof.
- the airfoil is essentially made of stacked scrim webs of fiber reinforced plastic, in particular CFRP, which is guided (substantially between the brackets) around the carrier.
- CFRP fiber reinforced plastic
- the portion of the airfoil that is wrapped around the carrier forms a retaining loop for suspending the airfoil on the carrier.
- it is preferably provided to first manufacture the scrim for shaping the airfoil (that is to say the blade surface and the retaining loop) and subsequently to lift the airfoil thus produced onto the carrier.
- the scrims may also be applied around the wearer to form and shape the adjoining airfoil.
- this lies with its blade root, i. with the retaining loop of the blade and the carrier therein arranged in the groove of the rotor, while the airfoil substantially protrudes - with respect to the rotor - radially out of the groove.
- the blade and in particular its attachment area in the form of the blade root is therefore particularly resistant to long-lived operating conditions.
- the use of fiber-reinforced plastic, in particular CFRP, for producing the airfoil generally opens the possibility of constructing an aerodynamically particularly favorable airfoil. This thus contributes to a reduced use of energy, which in turn is advantageously accompanied by a reduced CO2 development.
- the blades of such blades Due to the lower weight of the fiber-reinforced plastic, the blades of such blades can also be larger than blade blades of metallic blades, with the same blade root. This also allows an increase in the mass flow.
- each of the holders in the region of the carrier protrudes on both sides beyond this at least substantially at right angles to the longitudinal extension of the blade.
- the supports extend beyond the scrim web at both sides in the region of the suspension of the airfoil, so that the scrim, at least in the region there, does not come into contact with the corresponding side surfaces of the groove (the groove flanks). Consequently, under centrifugal force, the blade mainly abuts only on the brackets on the groove flanks and not on the scrim, so that only the brackets experience compressive stresses. This avoids compressive stresses in the foot-side jaw regions, which could occur due to the centrifugal force, if the foot-side scrim would touch the groove flanks.
- each of the brackets also protrudes on the intended radially inner (facing away from the blade surface) side of the blade beyond the blade, so that the scrim web is suspended without contact in the groove bottom of the rotor groove.
- the blade root comprises two holders, in particular attached at the end of the carrier, and at least one third holder, which is fixed in position on the carrier spaced apart in the longitudinal direction of the carrier for each of the two end-mounted holders.
- these additionally provided holders are evenly distributed over the length of the carrier.
- the airfoil is expediently made of a plurality of scrim-webs, which are each suspended between two brackets on the carrier and thus fix the position of the central brackets in the longitudinal direction of the carrier.
- the two attachment positions of the brackets are selected on the elongated carrier depending on the center of gravity of the blade, so that even a non-end, but still arranged in the region of the support ends mounting position of the brackets can be useful.
- each of the brackets is provided with a corresponding with the cross section of the support passage through which the carrier is inserted in each case substantially fit.
- the carrier is welded to the brackets.
- the individual holders of the blade root are connected to each other by at least one edge part for stabilization thereof. this is aligned substantially parallel to the carrier.
- flank parts are provided, which are each attached to the two side edges of each of the brackets, with which the respective holder projects beyond the blade.
- the two flank parts are preferably diametrically opposite with respect to the carrier.
- the attachment of the flank parts in turn takes place in such a way that they do not touch the scrim web, at least in the region in which the grips protrude beyond the airfoil.
- the flank parts are preferably attached to the two legs of the trapezoid.
- flank parts are each positively or materially - preferably plugged or welded - connected to the brackets.
- the carrier is preferably round or substantially triangular in cross-section.
- an isosceles triangle in particular with rounded edges, is preferred, wherein the edge enclosed by the two legs in particular faces approximately the blade surface of the blade leaf.
- the support is provided on its surface with a sliding layer, in particular with a layer of polytetrafluoroethylene.
- a sliding layer in particular with a layer of polytetrafluoroethylene.
- the clutch is formed in an advantageous embodiment of the invention substantially unidirectional, wherein it has a main fiber direction, which is aligned substantially along an operational centrifugal force direction.
- the blade is thus particularly stable against the resulting tensile forces.
- the scrim is reinforced in the region of the blade root or in the region of the carrier by a three-dimensional interweaving of the fibers.
- the blade is, at least in the region of its blade surface, provided on its surface with an erosion control layer, in particular of a particle composite or of a coated with a hard metal foil.
- This layer advantageously also improves the resistance of the blade to the ingress of water.
- the rotor comprises a rotor, in which at least one groove is inserted and at least one of the previously described blades according to the invention.
- the blade is fixed in position with its blade root in the groove.
- each of the grooves provided in the rotor is advantageously made comparatively small.
- the entire runner is advantageously particularly light.
- the blade root to the blade can be made disproportionately large, if the blade according to the invention in a turbocharged Renishawt a purely made of metal or stainless steel blade to replace.
- the groove and the brackets are matched to one another such that the brackets are respectively supported on the side surfaces of the groove.
- the brackets essentially fill the groove cross-section in an expedient manner.
- both the brackets and the groove in cross section are substantially trapezoidal in shape ("dovetail groove”).
- Other cross-sectional shapes e.g. a "fir tree shape” or semi-circular shapes, are also possible for holders and Nutqueritesskonturen.
- the supports of the blade are congruent to each other, wherein the groove has a uniform width and shape over its length.
- this includes a plurality of each substantially axially aligned, evenly distributed over the circumference grooves, in particular in each groove in each case a blade is inserted and fixed in position there.
- a circumferential groove is introduced into the rotor of the turbine or compressor rotor, wherein a multiplicity of blades are accommodated in a row in this groove and fixed there.
- FIG. 1 shows in a slightly schematic sectional view of a turbine runner 1.
- the turbine runner. 1 comprises a rotor 2 made of stainless steel, in which evenly distributed over the circumference a plurality of axial grooves 3 are introduced.
- a section of the rotor 2 in the region of a single axial groove 3 is shown.
- each axial groove 3 is designed substantially as a so-called dovetail groove.
- the turbine blade 4 comprises an airfoil 5 (shown only partially here), as well as a blade root 6, which serves for anchoring the turbine blade 4 in the axial groove 3.
- the blade 5 is made of several superimposed webs 7 of predominantly unidirectional CFRP scrim.
- the webs 7 are folded in such a way-preferably approximately in the middle-that a retaining loop 9 is formed in the region of the fold 8 formed during folding. Beyond this retaining loop 9 (in the illustration above), the web ends 10 lie flat against one another, wherein they are "baked” under shaping to form a blade surface 11 of the blade 5.
- the blade surface 11 projects approximately radially out of the axial groove 3 of the rotor 2.
- a major fiber direction of the CFRP sheeting is oriented approximately along the tracks 7 so that each carbon fiber 12 of the CFRP sheeting is oriented substantially parallel to the longitudinal sectional surface of the airfoil 5 (substantially also each forming a loop).
- the blade 5 is coated with an erosion protection layer 14.
- the erosion protection layer 14 is provided only in the area of the blade surface 11.
- the blade root 6 comprises on the one hand as a carrier an elongated metal core 20, which rests in the retaining loop 9 for suspending the blade 5.
- the structure of the blade root 6 is based on a three-dimensional exploded view of the same in FIG. 2 explained in more detail.
- the metal core 20 is formed by a round rod made of stainless steel.
- the surface 21 of the metal core 20 may be provided with a sliding layer 22, for example made of PTFE.
- At its two ends 23, 24 of the metal core 20 is connected in each case with a holder 25.
- the two brackets 25 are essentially formed by congruent, isosceles, trapezoidal steel plates, which are corresponding to the dovetail-shaped axial groove 3 inserted into this.
- Each holder 25 has approximately in its center of area a circular passage 26, in which the metal core 20 is inserted substantially accurately, the brackets 25 projecting about at right angles to the metal core 20 on this.
- each holder 25 At the two legs 27 of each holder 25 each have a peripheral recess 28 is inserted into this. These recesses 28 are used for fixing two flank parts 30, with which the two brackets 25 are connected to the legs 27 in the assembled state.
- Each flank part 30 is essentially formed by a rectangular, elongated steel plate.
- Each flank part 30 has on a side surface 31 a bulge 32, which extends in each case over the entire length of the corresponding flank part 30.
- the bulges 32 are in each case formed in a complementary manner to the recesses 28, so that the flank parts 30 with the bulges 32 in the recesses 28 are fixable in position.
- each flank part 30 also has a slightly angled longitudinal edge 33.
- each flank part 30 is dimensioned such that the straight part of the side surface 31 has a width b which corresponds approximately to the leg length L of the brackets 25.
- the flank members 30 are mounted on both sides of two legs 27 of the two brackets 25, preferably welded.
- the edge parts 30 are arranged approximately flush with the long trapezoid side 35, the angled edge 33 protruding beyond the legs 27 on the short trapezoid side 36 in each case.
- FIG. 1 it can be seen that the protruding edges 33 essentially serve to support the blade 5 in the mounting state in the tangential direction.
- each of the brackets 25 is dimensioned sufficiently large that this protrudes in the region of the metal core 20 and the retaining loop 9, substantially at right angles to the blade surface 14 on both sides of the airfoil 5, so in particular each also via the scrim webs 7.
- the blade 5 therefore aligns with the centrifugal force F, as a result of which the blade 5 is almost exclusively under tensile load, against which the CFRP clutch, in particular also due to the favorable main fiber direction, is particularly resistant.
- the two flank parts 30 are welded to the rotor 2 in the axial groove 3.
- FIG. 3 is the blade root 6 according to a second embodiment of the turbine rotor 1 and the turbine blade 4 shown.
- the second embodiment substantially corresponds to the first embodiment.
- the blade root 6 has a third holder 25 here for more favorable load transfer, which is arranged approximately centrally in the longitudinal direction of the metal core 20.
- This middle bracket 25 is constructed analogously to the end-side brackets 25, wherein the metal core 20 is inserted through the passage 26 therethrough.
- the airfoil 5 is formed here by two-part webs 7. In the region of the retaining loops 9, the webs 7 are each arranged in the longitudinal direction of the metal core 20 between the brackets 25, wherein they serve in addition to the suspension of the airfoil 5 for the axial fixation of the middle bracket 25.
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufel einer Turbine oder eines Verdichters.The invention relates to a blade of a turbine or a compressor.
Eine Schaufel einer Turbomaschine umfasst normalerweise einerseits ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt sowie andererseits einen Schaufelfuß, der zur Verankerung der Schaufel in einer korrespondierenden Nut eines Rotors dient. Der mit Schaufeln bestückte Rotor wird im Folgenden als Läufer bezeichnet.A blade of a turbomachine normally comprises on the one hand an aerodynamically curved blade and on the other hand a blade root which serves to anchor the blade in a corresponding groove of a rotor. The rotor equipped with blades is referred to below as a rotor.
Als vergleichsweise neuartiger Werkstoff zur Fertigung von Schaufeln wird derzeit auch kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) in Betracht gezogen. Die Fertigung aus CFK bedingt z.B. vorteilhafterweise ein geringeres Gewicht der Schaufel. Nachteiligerweise ist CFK jedoch gegenüber Druckbelastung vergleichsweise wenig stabil. Solche Druckbeanspruchungen entstehen an einer Schaufel z.B. im Bereich des Schaufelfußes innerhalb der Nut durch Einwirkung einer rotationsbedingten Fliehkraft.As a comparatively new material for the production of blades, carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is also currently being considered. The manufacture of CFK requires e.g. advantageously a lower weight of the blade. However, disadvantageously, CFRP is comparatively less stable with respect to pressure loading. Such compressive stresses occur on a blade e.g. in the region of the blade root within the groove by the action of a rotational centrifugal force.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere CFK, gefertigte Schaufel für eine Turbine oder einen Verdichter anzugeben, welche besonders beständig, d.h. langlebig ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen unter Betriebsbedingungen besonders beständigen Läufer mit im Wesentlichen aus faserverstärktem Kunststoff gefertigten Schaufeln anzugeben.The invention has for its object to provide an at least partially made of fiber-reinforced plastic, in particular CFRP, manufactured blade for a turbine or a compressor, which is particularly durable, i. is durable. It is another object of the invention to provide a runner particularly resistant under operating conditions with blades made essentially of fiber-reinforced plastic.
Bezüglich der Schaufel wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst die Schaufel neben einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt einen Schaufelfuß mit einem länglichen bzw. stiftförmigen Träger, der in bevorzugter Ausgestaltung aus Metall gefertigt ist. Weiterhin umfasst der Schaufelfuß mindestens zwei Halterungen, wobei diese vorzugsweise plattenförmigen Halterungen am Träger - zumindest in dessen Radialrichtung - lagefixiert verbunden sind. Jede Halterung ist zur Verankerung der Schaufel in einer korrespondierenden hammerförmigen oder tannenbaumförmigen Nut eines Rotors ausgebildet und kann an deren Seitenwänden anliegen.With regard to the blade, this object is achieved according to the invention by the features of claim 1. Thereafter, the blade comprises, in addition to an aerodynamically curved blade, a blade root with an elongated or pin-shaped support, which in a preferred embodiment Metal is made. Furthermore, the blade root comprises at least two brackets, these preferably plate-shaped brackets on the carrier - at least in the radial direction - are fixed in position. Each holder is designed to anchor the blade in a corresponding hammer-shaped or fir tree-shaped groove of a rotor and can rest against the side walls thereof.
Das Schaufelblatt ist im Wesentlichen aus übereinandergeschichteten Gelege-Bahnen aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere CFK, gefertigt, welche (im Wesentlichen zwischen den Halterungen) um den Träger herumgeführt ist. Dabei sind die beiden jeweils jenseits des Trägers überstehenden Bahnenden zur Bildung einer Schaufelfläche flächig miteinander verbunden. Der Teil des Schaufelblattes, der um den Träger herumgeführt ist, bildet eine Halteschlaufe zur Aufhängung des Schaufelblatts an dem Träger. Fertigungstechnisch ist dabei bevorzugt vorgesehen, zunächst das Gelege zur Formgebung des Schaufelblatts (also der Schaufelfläche und der Halteschlaufe) zu fertigen, und das so gefertigte Schaufelblatt anschließend auf den Träger aufzuziehen. Alternativ dazu können selbstverständlich die Gelege auch um den Träger herum angebracht werden zur Bildung und Formung des sich daran anschließenden Schaufelblatts.The airfoil is essentially made of stacked scrim webs of fiber reinforced plastic, in particular CFRP, which is guided (substantially between the brackets) around the carrier. In this case, the two web ends protruding beyond the carrier in each case are connected to one another in a planar manner to form a blade surface. The portion of the airfoil that is wrapped around the carrier forms a retaining loop for suspending the airfoil on the carrier. In terms of manufacturing technology, it is preferably provided to first manufacture the scrim for shaping the airfoil (that is to say the blade surface and the retaining loop) and subsequently to lift the airfoil thus produced onto the carrier. Alternatively, of course, the scrims may also be applied around the wearer to form and shape the adjoining airfoil.
In bestimmungsgemäßer Montagesituation der Schaufel liegt diese mit ihrem Schaufelfuß, d.h. mit der Halteschlaufe des Schaufelblatts samt des darin angeordneten Trägers in der Nut des Rotors ein, während deren Schaufelblatt im Wesentlichen - in Bezug auf den Rotor - radial aus der Nut herausragt.In the intended mounting situation of the blade, this lies with its blade root, i. with the retaining loop of the blade and the carrier therein arranged in the groove of the rotor, while the airfoil substantially protrudes - with respect to the rotor - radially out of the groove.
Da das Schaufelblatt mittels der Halteschlaufe an dem Träger aufgehängt ist, werden auf die Schaufel einwirkende, rotationsbedingte Fliehkräfte im Wesentlichen über den Träger aufgenommen. Eine direkte Kraftübertragung zwischen dem Schaufelblatt und der Rotornut findet nicht, oder nur in vergleichsweise geringem Umfang statt. Daher steht das Schaufelblatt bzw. dessen Gelege größtenteils unter Zugspannung.Since the airfoil is suspended from the carrier by means of the retaining loop, rotationally induced centrifugal forces acting on the blade are absorbed substantially via the carrier. A direct power transmission between the blade and the rotor groove does not find, or only in a comparatively small scale. Therefore, the blade or its clutches is mostly under tension.
Da faserverstärkter Kunststoff gegenüber Zugbelastungen um ein Vielfaches resistenter ist als gegenüber Druck- oder Scherbelastungen, ist die Schaufel und insbesondere deren Befestigungsbereich in Form des Schaufelfußes somit gegenüber Betriebsbedingungen besonders beständig und langlebig.Since fiber-reinforced plastic is much more resistant to tensile loads than to compressive or shear loads, the blade and in particular its attachment area in the form of the blade root is therefore particularly resistant to long-lived operating conditions.
Vorteilhafterweise eröffnet die Verwendung von faserverstärktem Kunststoff, insbesondere CFK, zur Herstellung des Schaufelblatts generell die Möglichkeit, ein aerodynamisch besonders günstiges Schaufelblatt zu konstruieren. Dies trägt somit zu einem reduzierten Energieeinsatz, der wiederum vorteilhafterweise mit einer reduzierten CO2-Entwicklung einhergeht, bei. Aufgrund des geringeren Gewichts des faserverstärkten Kunststoffs können die Schaufelblätter derartiger Schaufeln auch größer sein als Schaufelblätter metallischer Schaufeln, bei gleichgroßem Schaufelfuß. Dies ermöglicht auch eine Erhöhung des Massenstroms.Advantageously, the use of fiber-reinforced plastic, in particular CFRP, for producing the airfoil generally opens the possibility of constructing an aerodynamically particularly favorable airfoil. This thus contributes to a reduced use of energy, which in turn is advantageously accompanied by a reduced CO2 development. Due to the lower weight of the fiber-reinforced plastic, the blades of such blades can also be larger than blade blades of metallic blades, with the same blade root. This also allows an increase in the mass flow.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragt jede der Halterungen im Bereich des Trägers zumindest im Wesentlichen rechtwinklig zur Längserstreckung des Schaufelblatts beidseitig über dieses hinaus. Mit anderen Worten ragen in solchen Konfigurationen die Halterungen im Bereich der Aufhängung des Schaufelblatts zu beiden Seiten über die Gelege-Bahn hinaus, so dass das Gelege zumindest in dem dortigen Bereich nicht mit den entsprechenden Seitenflächen der Nut (den Nutflanken) in Berührung kommt. Folglich liegt unter Fliehkraft die Schaufel hauptsächlich nur über die Halterungen an den Nutflanken an und nicht über das Gelege, so dass nur die Halterungen Druckspannungen erfahren. Dies vermeidet Druckspannungen in den fußseitigen Gelegebereichen, welche aufgrund der Fliehkrafteinwirkung auftreten könnten, wenn das fußseitige Gelege die Nutflanken berühren würde.In a particularly preferred embodiment of the invention, each of the holders in the region of the carrier protrudes on both sides beyond this at least substantially at right angles to the longitudinal extension of the blade. In other words, in such configurations, the supports extend beyond the scrim web at both sides in the region of the suspension of the airfoil, so that the scrim, at least in the region there, does not come into contact with the corresponding side surfaces of the groove (the groove flanks). Consequently, under centrifugal force, the blade mainly abuts only on the brackets on the groove flanks and not on the scrim, so that only the brackets experience compressive stresses. This avoids compressive stresses in the foot-side jaw regions, which could occur due to the centrifugal force, if the foot-side scrim would touch the groove flanks.
Zweckmäßigerweise ragt jede der Halterungen auch auf der bestimmungsgemäß radial innenliegenden (von der Schaufelfläche abgewandten) Seite der Schaufel über das Schaufelblatt hinaus, so dass die Gelege-Bahn auch im Nutgrund der Rotornut berührungsfrei aufgehängt ist.Conveniently, each of the brackets also protrudes on the intended radially inner (facing away from the blade surface) side of the blade beyond the blade, so that the scrim web is suspended without contact in the groove bottom of the rotor groove.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schaufelfuß zwei insbesondere endseitig des Trägers angebrachte Halterungen, sowie mindestens eine dritte Halterung, wobei diese in Längsrichtung des Trägers zu jeder der beiden endseitig angebrachten Halterungen beabstandet an dem Träger lagefixiert ist. Vorzugsweise sind diese zusätzlich vorgesehenen Halterungen über die Länge des Trägers gleichmäßig verteilt. Bei dieser Ausführungsform ist das Schaufelblatt zweckmäßigerweise aus mehreren Gelege-Bahnen gefertigt, die jeweils zwischen zwei Halterungen an dem Träger aufgehängt sind und somit die mittleren Halterungen in Längsrichtung des Trägers lagefixieren. Prinzipiell werden die beiden Befestigungspositionen der Halterungen am länglichen Träger abhängig vom Schwerpunkt der Schaufel gewählt, so dass auch eine nicht endseitige, aber dennoch im Bereich der Trägerenden angeordnete Befestigungsposition der Halterungen sinnvoll sein kann.In a further embodiment of the invention, the blade root comprises two holders, in particular attached at the end of the carrier, and at least one third holder, which is fixed in position on the carrier spaced apart in the longitudinal direction of the carrier for each of the two end-mounted holders. Preferably, these additionally provided holders are evenly distributed over the length of the carrier. In this embodiment, the airfoil is expediently made of a plurality of scrim-webs, which are each suspended between two brackets on the carrier and thus fix the position of the central brackets in the longitudinal direction of the carrier. In principle, the two attachment positions of the brackets are selected on the elongated carrier depending on the center of gravity of the blade, so that even a non-end, but still arranged in the region of the support ends mounting position of the brackets can be useful.
Vorzugsweise ist jede der Halterungen mit einer mit dem Querschnitt des Trägers korrespondierenden Durchführung versehen, durch die der Träger jeweils im Wesentlichen passgenau gesteckt ist. Optional ist der Träger mit den Halterungen verschweißt.Preferably, each of the brackets is provided with a corresponding with the cross section of the support passage through which the carrier is inserted in each case substantially fit. Optionally, the carrier is welded to the brackets.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Halterungen des Schaufelfußes zur Stabilisierung desselben durch mindestens ein Flankenteil miteinander verbunden, wobei dieses im Wesentlichen parallel zu dem Träger ausgerichtet ist.In a preferred embodiment, the individual holders of the blade root are connected to each other by at least one edge part for stabilization thereof. this is aligned substantially parallel to the carrier.
Vorzugsweise sind dabei zwei Flankenteile vorgesehen, die jeweils an den beiden Seitenrändern jeder der Halterungen angebracht sind, mit denen die jeweilige Halterung über das Schaufelblatt hinausragt. Dementsprechend liegen sich die beiden Flankenteile bezüglich des Trägers bevorzugt diametral gegenüber. Insbesondere erfolgt die Anbringung der Flankenteile dabei wiederum derart, dass diese die Gelege-Bahn, zumindest in dem Bereich, in dem die Halterungen über das Schaufelblatt hinausragen, nicht berühren. Bei trapezförmigen Halterungen sind die Flankenteile bevorzugt an den beiden Schenkeln des Trapezes befestigt.Preferably, two flank parts are provided, which are each attached to the two side edges of each of the brackets, with which the respective holder projects beyond the blade. Accordingly, the two flank parts are preferably diametrically opposite with respect to the carrier. In particular, the attachment of the flank parts in turn takes place in such a way that they do not touch the scrim web, at least in the region in which the grips protrude beyond the airfoil. In trapezoidal brackets, the flank parts are preferably attached to the two legs of the trapezoid.
Zweckmäßigerweise sind die Flankenteile jeweils formschlüssig oder stoffschlüssig - bevorzugt gesteckt bzw. geschweißt - mit den Halterungen verbunden.Conveniently, the flank parts are each positively or materially - preferably plugged or welded - connected to the brackets.
Der Träger ist bevorzugt im Querschnitt rund oder im Wesentlichen dreieckig geformt. Bei einer Dreiecksform ist ein gleichschenkliges Dreieck, insbesondere mit abgerundeten Kanten, bevorzugt, wobei die von den beiden Schenkeln eingeschlossene Kante insbesondere in etwa der Schaufelfläche des Schaufelblatts zugewandet ist.The carrier is preferably round or substantially triangular in cross-section. In a triangular shape, an isosceles triangle, in particular with rounded edges, is preferred, wherein the edge enclosed by the two legs in particular faces approximately the blade surface of the blade leaf.
Vorzugsweise ist der Träger an seiner Oberfläche mit einer Gleitschicht, insbesondere mit einer Schicht aus Polytetrafluorethylen, versehen. Hierdurch kann, falls nötig, die innerste Gelegebahn relativ zum Träger gleiten.Preferably, the support is provided on its surface with a sliding layer, in particular with a layer of polytetrafluoroethylene. As a result, if necessary, the innermost jelly web can slide relative to the carrier.
Das Gelege ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung im Wesentlichen unidirektional ausgebildet, wobei es eine Hauptfaserrichtung aufweist, die im Wesentlichen entlang einer betriebsbedingten Fliehkraftrichtung ausgerichtet ist. Das Schaufelblatt wird hierdurch besonders stabil gegenüber den entstehenden Zugkräften. Zusätzlich oder alternativ ist das Gelege im Bereich des Schaufelfußes bzw. im Bereich des Trägers durch eine dreidimensionale Verflechtung der Fasern verstärkt.The clutch is formed in an advantageous embodiment of the invention substantially unidirectional, wherein it has a main fiber direction, which is aligned substantially along an operational centrifugal force direction. The blade is thus particularly stable against the resulting tensile forces. Additionally or Alternatively, the scrim is reinforced in the region of the blade root or in the region of the carrier by a three-dimensional interweaving of the fibers.
Zweckmäßigerweise ist das Schaufelblatt, zumindest im Bereich seiner Schaufelfläche, an seiner Oberfläche mit einer Erosionsschutzschicht, insbesondere aus einem Teilchenverbund oder aus einer mit einem Hartstoff beschichteten Metallfolie, versehen. Diese Schicht verbessert vorteilhafterweise auch die Beständigkeit der Schaufel gegen das Eindringen von Wasser.Advantageously, the blade is, at least in the region of its blade surface, provided on its surface with an erosion control layer, in particular of a particle composite or of a coated with a hard metal foil. This layer advantageously also improves the resistance of the blade to the ingress of water.
Bezüglich des Läufers wird oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 12. Danach umfasst der Läufer einen Rotor, in welchen mindestens eine Nut eingebracht ist sowie mindestens eine der zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Schaufeln. Die Schaufel liegt mit ihrem Schaufelfuß lagefixiert in der Nut ein.With regard to the rotor, the above-mentioned object is achieved according to the invention by the features of
Durch das vergleichsweise geringe Gewicht der im Wesentlichen aus faserverstärktem Kunststoff gefertigten Schaufeln, ist jede der vorgesehenen Nuten im Rotor vorteilhafterweise vergleichsweise klein ausgeführt. Zudem ist der gesamte Läufer vorteilhafterweise besonders leicht. Selbstverständlich kann der Schaufelfuß auch zum Schaufelblatt unverhältnismäßig groß ausgeführt werden, wenn die erfindungsgemäße Schaufel in einer betriebsbeanspruchten Turbomaschine eine rein aus Metall oder Edelstahl gefertigte Schaufel ersetzen soll.Due to the comparatively low weight of the blades made essentially of fiber-reinforced plastic, each of the grooves provided in the rotor is advantageously made comparatively small. In addition, the entire runner is advantageously particularly light. Of course, the blade root to the blade can be made disproportionately large, if the blade according to the invention in a turbocharged Betriebskeansprüht a purely made of metal or stainless steel blade to replace.
Bevorzugt sind die Nut und die Halterungen derart aufeinander abgestimmt, dass sich die Halterungen jeweils an den Seitenflächen der Nut abstützen. Insbesondere füllen die Halterungen den Nutquerschnitt in zweckmäßiger Ausführung im Wesentlichen aus.Preferably, the groove and the brackets are matched to one another such that the brackets are respectively supported on the side surfaces of the groove. In particular, the brackets essentially fill the groove cross-section in an expedient manner.
Bevorzugt sind sowohl die Halterungen als auch die Nut im Querschnitt im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ("Schwalbenschwanznut"). Andere Querschnittsformen, z.B. eine "Tannenbaumform" oder Halbrundformen, sind für Halterungen und Nutquerschnittskonturen auch möglich.Preferably, both the brackets and the groove in cross section are substantially trapezoidal in shape ("dovetail groove"). Other cross-sectional shapes, e.g. a "fir tree shape" or semi-circular shapes, are also possible for holders and Nutquerschnittskonturen.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind die Halterungen der Schaufel kongruent zueinander ausgebildet, wobei die Nut eine über ihre Länge einheitliche Breite und Form aufweist.In an advantageous embodiment of the invention, the supports of the blade are congruent to each other, wherein the groove has a uniform width and shape over its length.
In bevorzugter Ausgestaltung des Läufers umfasst dieser eine Vielzahl von jeweils im Wesentlichen axial ausgerichteten, gleichmäßig über den Umfang verteilten Nuten, wobei insbesondere in jeder Nut jeweils eine Schaufel eingesetzt und dort lagefixiert ist. In einer Alternative dazu ist in den Rotor des Turbinen- oder Verdichter-Läufers eine Umfangsnut eingebracht, wobei eine Vielzahl von Schaufeln aneinandergereiht in dieser Nut aufgenommen sind, und dort fixiert sind.In a preferred embodiment of the rotor this includes a plurality of each substantially axially aligned, evenly distributed over the circumference grooves, in particular in each groove in each case a blade is inserted and fixed in position there. In an alternative to this, a circumferential groove is introduced into the rotor of the turbine or compressor rotor, wherein a multiplicity of blades are accommodated in a row in this groove and fixed there.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- in einem Querschnitt eine erste Ausführungsform eines Turbinenläufers mit einer Turbinenschaufel, umfassend ein Schaufelblatt sowie einen Schaufelfuß,
- FIG 2
- in einer schematischen Explosionsdarstellung den Schaufelfuß gemäß der ersten Ausführungsform, und
- FIG 3
- in Darstellung gemäß
FIG 2 den Schaufelfuß gemäß einer zweiten Ausführungsform.
- FIG. 1
- 1 is a cross-section of a first embodiment of a turbine runner with a turbine blade, comprising an airfoil and a blade root;
- FIG. 2
- in a schematic exploded view of the blade root according to the first embodiment, and
- FIG. 3
- in illustration according to
FIG. 2 the blade root according to a second embodiment.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numerals in all figures.
In der Axialnut 3 ist eine Turbinenschaufel 4 aufgenommen. Die Turbinenschaufel 4 umfasst ein Schaufelblatt 5 (hier nur teilweise dargestellt), sowie einen Schaufelfuß 6, der zur Verankerung der Turbinenschaufel 4 in der Axialnut 3 dient.In the
Das Schaufelblatt 5 ist aus mehreren übereinandergelegten Bahnen 7 aus überwiegend unidirektionalem CFK-Gelege gefertigt. Die Bahnen 7 sind dabei derart - vorzugsweise in etwa mittig - gefaltet, dass im Bereich des beim Falten entstehenden Falzes 8 eine Halteschlaufe 9 gebildet ist. Jenseits dieser Halteschlaufe 9 (in der Darstellung oben) liegen die Bahnenden 10 flächig aufeinander, wobei sie unter Formgebung zu einer Schaufelfläche 11 des Schaufelblatts 5 "verbacken" sind. Die Schaufelfläche 11 ragt in etwa radial aus der Axialnut 3 des Rotors 2 heraus.The
Eine Hauptfaserrichtung des CFK-Geleges ist in etwa entlang der Bahnen 7 orientiert, so dass jede Kohlenstofffaser 12 des CFK-Geleges im Wesentlichen parallel zur Längsschnittsfläche des Schaufelblatts 5 (im Wesentlichen ebenfalls jeweils unter Bildung einer Schlaufe) ausgerichtet ist.A major fiber direction of the CFRP sheeting is oriented approximately along the
An seiner - im hier dargestellten Fertigungszustand - außenseitigen Oberfläche 13 ist das Schaufelblatt 5 mit einer Erosionsschutzschicht 14 überzogen. Alternativ dazu ist die Erosionsschutzschicht 14 nur im Bereich der Schaufelfläche 11 vorgesehen.At its - in the manufacturing state shown here -
Der Schaufelfuß 6 umfasst zum Einen als Träger einen länglichen Metallkern 20, der zur Aufhängung des Schaufelblatts 5 in dessen Halteschlaufe 9 einliegt. Der Aufbau des Schaufelfußes 6 ist anhand einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung desselben in
Jede Halterung 25 weist in etwa in ihrem Flächenmittelpunkt eine kreisförmige Durchführung 26 auf, in welche der Metallkern 20 im Wesentlichen passgenau eingesteckt ist, wobei die Halterungen 25 in etwa rechtwinklig zum Metallkern 20 über diesen hinausragen.Each
An den beiden Schenkeln 27 jeder Halterung 25 ist jeweils eine randseitige Ausnehmung 28 in diese eingebracht. Diese Ausnehmungen 28 dienen zur Fixierung von zwei Flankenteilen 30, mit denen die beiden Halterungen 25 im Montagezustand jeweils an den Schenkeln 27 verbunden sind.At the two
Jedes Flankenteil 30 ist im Wesentlichen durch eine rechteckige, längliche Stahlplatte gebildet. Jedes Flankenteil 30 weist auf einer Seitenfläche 31 eine Ausbuchtung 32 auf, die sich jeweils über die gesamte Länge des entsprechenden Flankenteils 30 erstreckt. Die Ausbuchtungen 32 sind dabei jeweils komplementär zu den Ausnehmungen 28 ausgeformt, so dass die Flankenteile 30 mit den Ausbuchtungen 32 in den Ausnehmungen 28 lagefixierbar sind.Each
Jedes Flankenteil 30 weist weiterhin einen leicht abgewinkelten längsseitigen Rand 33 auf. Dabei ist jedes Flankenteil 30 derart dimensioniert, dass der gerade Teil der Seitenfläche 31 eine Breite b aufweist, die in etwa der Schenkellänge L der Halterungen 25 entspricht. Im Montagezustand sind die Flankenteile 30 jeweils beidendseitig an zwei Schenkeln 27 der zwei Halterungen 25 angebracht, vorzugsweise verschweißt. Jeweils mit einem dem Rand 33 gegenüberliegenden Seitenrand 34 sind die Flankenteile 30 in etwa bündig mit der langen Trapezseite 35 angeordnet, wobei der abgewinkelte Rand 33 jeweils an der kurzen Trapezseite 36 über die Schenkel 27 hinausragt.Each
Aus
Aus
Hierdurch liegt insbesondere radial auf Höhe des Metallkerns 20 bzw. der Halteschlaufe 9, keine Berührung zwischen den Flankenteilen 30 und den CFK-Gelege-Bahnen 7 vor. Somit entsteht in diesem Bereich auch unter Einwirkung einer im Betrieb des Turbinenläufers 1 entstehenden (radial zum Rotor wirkenden) Fliehkraft F keine für das CFK-Gelege nachteilige Druckbelastung.As a result, in particular radially at the level of the
Im Betrieb richtet sich das Schaufelblatt 5 daher entlang der Fliehkraft F aus, wodurch das Schaufelblatt 5 nahezu ausschließlich unter Zugbelastung steht, gegenüber der das CFK-Gelege, insbesondere auch aufgrund der günstigen Hauptfaserrichtung, besonders resistent ist.During operation, the
In der hier dargestellten Ausführungsform sind die beiden Flankenteile 30 in der Axialnut 3 mit dem Rotor 2 verschweißt.In the embodiment shown here, the two
In
Das Schaufelblatt 5 ist hier durch zweigeteilte Bahnen 7 gebildet. Im Bereich der Halteschlaufen 9 sind die Bahnen 7 jeweils in Längsrichtung des Metallkerns 20 zwischen den Halterungen 25 angeordnet, wobei sie zusätzlich zur Aufhängung des Schaufelblatts 5 auch zur axialen Fixierung der mittleren Halterung 25 dienen.The
Eine Ausführungsform mit vier oder mehr Halterungen 25 ist auch denkbar.An embodiment with four or
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