DE69121027T2

DE69121027T2 - Schutzschicht für Laufschaufeln

Info

Publication number: DE69121027T2
Application number: DE69121027T
Authority: DE
Inventors: James Edwin Rhoda
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-08-06
Filing date: 1991-08-01
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2011-08-02
Also published as: EP0470763A1; HK44697A; JPH076363B2; US5137426A; SG43016A1; JPH05106403A; EP0470763B1; DE69121027D1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaufel zur Anbringung an einer Rotorscheibe und auf einen beschaufelten Rotor, der eine derartige Schaufel aufweist. Man hat überlegungen angestellt, die Dauerhaftigkeit von Schaufeln in Gasturbinentriebwerken zu vergrößern. Insbesondere ist die Erfindung auf die Verringerung der Empfindlichkeit von einein stromlinienförmigen Schaufelteil gegenüber Beschädigung gerichtet, die durch den Aufprall zwischen dem Mantel und dem stromlinienförmigen Abschnitt von benachbarten Schaufeln hervorgerufen wird.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Gasturbinentriebwerke, die Axialströmungsbläser und -verdichter aufweisen, verwenden häufig Mittelspant-Mantelvorsprünge, um für eine Dämpfung zu sorgen oder Schwingungen an dem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt zu verringern. Die Bläser- oder Verdichterschaufeln haben stromlinienförmige Abschnitte, die von einer Rotorscheibe in radialer Richtung ausgehen. Die Mantelvorsprünge gehen in Umfangsrichtung von jedem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt aus und berühren Mantelvorsprünge auf benachbarten Schaufeln während des Triebwerkbetriebes. Die benachbarten Mantelvorsprünge haben gegenüberliegende, zusammenpassende Flächen, die während des Triebwerkbetriebes aneinander anliegen. Gemeinsam greifen die Mäntel auf allen stromlinien- förmigen Schaufelabschnitten während des Triebwerkbetriebes aneinander an, um einen ringförmigen Versteifungsring zu bilden. Bei ein hohes Seitenverhältnis aufweisenden Bläser- und Verdichterschaufeln sind üblicherweise Mittelspantmäntel verwendet worden. Ein hohes Seitenverhältnis aufweisende Schaufeln sind relativ lang und schmal und haben hohe Verhältnisse der Spannenlänge zur Sehnenbreite. Derartige Schaufeln sind besonders empfindlich gegenüber aerodynamischem Flattern und haben üblicherweise tiefe Resonanzfrequenzen, die bei Betriebsdrehzahlen des Rotors angeregt werden können. Der Versteifungsring, der durch die Mittelspantmäntel gebildet wird, verhindert aerodynamisches Schaufelflattern und vergrößert die Resonanzfrequenz der Schaufeln.
Beispiele für Schaufeln mit Mittelspantmänteln sind in den US-Patentschriften 3 734 646, erteilt am 22. Mai 1973 für Perkins, und 4 257 741 beschrieben, die am 24. März 1981 für Betts erteilt wurde und die dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 entspricht. Das Betts-Patent beschreibt eine mit einem Mantel versehene Schaufel, wobei ein Kissen bzw. Streifen auf die zusammenpassenden Mantelflächen aufgebracht ist. Jedoch ist das Kissen bzw. der Streifen in dem Betts-Patent abriebbeständig anstatt deformierbar und ist nicht auf die Verkleinerung der Beschädigung an stromlinienförmigen Schaufelabschnitten aufgrund eines Aufpralles zwischen dem Mantel und dem stromlinien- förmigen Abschnitt von benachbarten Schaufeln gerichtet.
Während eines Triebwerkbetriebes können Fremdobjekte durch die Bläser- und Verdichterabschnitte eingesaugt werden. Die Bläser- und Verdichterschaufeln müssen so ausgelegt sein, daß sie einem derartigen Einsaugen von Fremdobjekten mit minimaler Beschädigung an den stromlinienförmigen Schaufelabschnitten widerstehen. Während eines starken Einsaugereignisses, beispielsweise dem Einsaugen eines Vogels, kann die von dem Fremdobjekt getroffene Schaufel beschädigt werden. Weiterhin kann die plötzliche Belastung auf die Schaufel bewirken, daß der Schaufelmantel außer Eingriff mit dem Mantel auf der benachbarten Schaufel kommt und sich nach vorne verschiebt, um gegen den benachbarten stromlinienförmigen Schaufelabschnitt zu prallen. Der Aufprall des Mantels gegen den benachbarten stromlinienförmigen Schaufelabschnitt kann heftige lokalisierte Stoßbelastungen und eine Schaufelbeschädigung verursachen, die erfordert, daß die benachbarte Schaufel ausgewechselt wird. In extremen Fällen kann ein Schaufelbruch auftreten, der ein Abschalten des Triebwerkes aufgrund von Schwingungen erfordert, die durch unwuchtbelastungen hervorgerufen werden.
Eine mögliche Lösung, die Schaufelbeschädigung während des Einsaugens von Fremdobjekten zu verringern, besteht darin, den stromlinienförmigen Abschnitt zu verdicken. Jedoch ist Verdicken des stromlinienförmigen Abschnittes unerwünscht, weil es Gewicht zu dem Triebwerk hinzufügt und die aerodynamische Leistungsfähigkeit des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes beeinträchtigen kann. Infolgedessen suchen Ingenieure und Wissenschaftler weiterhin nach besseren Methoden, um bei in Gasturbinentriebwerken verwendeten Schaufeln die Fremdobjekt-Beschädigungstoleranz zu vergrößern.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Minimieren der Schaufelbeschädigung durch Mantelaufprall während des Einsaugens von Fremdstoffen zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird eine Schaufel geschaffen zur Befestigung auf einer Rotorscheibe in im wesentlichen gleichförmigem Umfangsabstand mit anderen Schaufeln der Rotorscheibe, wobei die Schaufel einen stromlinienförmigen Abschnitt aufweist, der sich von der Rotorscheibe radial nach außen erstreckt und eine stromlinienförmige Oberfläche aufweist, die aus einem Material relativ hoher Festigkeit gebildet ist, wobei jede Schaufel ferner einen Mantel aufweist, der sich in Umfangsrichtung von dem stromlinienförmigen Abschnitt erstreckt, gekennzeichnet durch einen permament verformbaren Schutzüberzug, der stärker verformbar ist als das Material des stromlinienförmigen Abschnittes und der ein Material relativ geringerer Festigkeit aufweist, das außen auf die Schaufel aufgebracht ist, wobei der Schutzüberzug so angeordnet ist, daß er eine Beschädigung des stromlinienförmigen Abschnittes verkleinert, die durch einen Aufprall zwischen dem Mantel und dem stromlinienförmigen Abschnitt von benachbarten Schaufeln hervorgerufen ist.
Ferner enthält die Erfindung einen beschaufelten Rotor, der derartige Schaufeln enthält.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine vereinfachte schematische Darstellung von einem Gasturbinentriebwerk im Querschnitt ist;
Figur 2 eine vergrößerte, ausgeschnittene Ansicht von einem beschaufelten Rotor in dem Bläserabschnitt ist, der Bläserschaufeln mit Mittelspantmänteln aufweist;
Figur 3 eine Ansicht entlang den Linien 3-3 in Figur 2 ist, wenn man entlang der Achse des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes radial nach innen blickt, und sie zeigt die Relativbewegung von benachbarten Schaufeln aufgrund des Einsaugens von einem Fremdobjekt;
Figur 4 eine Ansicht des vergrößerten Bereiches 4 ist, der in Figur 3 angegeben ist, und die Lage des Schutzüberzuges auf der Manteleckfläche zeigt;
Figur 5 eine Querschnittsansicht von dem Schutzüberzug auf der Eckfläche des Mantels ist nach einem Schnitt entlang den Linien 5-5 in Figur 4;
Figur 6 eine vergrößerte Ansicht der Relativbewegung von benachbarten Schaufeln, die in Figur 3 gezeigt sind, ist und auch das relative Verschieben der Eckfläche des Mantels relativ zu dem stromlinienförmigen Abschnitt auf der benachbarten Schaufel während einer Deformation des Schutzüberzuges zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung von einem typischen Gasturbinentriebwerk 10. Das Triebwerk 10 enthält einen Bläser- bzw. Fanabschnitt 14, einen Verdichterabschnitt 16, einen Brennkammerabschnitt 18, einen Hochdruck-Turbinenabschnitt 20 und einen Niederdruck-Turbinenabschnitt 22, die alle in einer Reihenanordnung in einer axialen Strömungsbahn angeordnet und im allgemeinen konzentrisch um eine Längsachse 12 herum angeordnet sind. Während des Triebwerkbetriebes wird Luft, die durch den Pfeil 9 angegeben ist, in den Bläserabschnitt 14 gezogen und wird durch den beschaufelten Bläserrotor 15 und den beschaufelten Verdichterrotor 17 in dem Bläserabschnitt 14 bzw. dem Verdichterabschnitt 16 verdichtet. Verdichtete Luft, die aus dem Verdichterabschnitt 16 austritt, strömt in den Brennkammerabschnitt 18, wo sie mit Brennstoff gemischt und verbrannt wird, um eine Gasströmung mit hohem Druck und hoher Temperatur zu erzeugen. Die einen hohen Druck und eine hohe Temperatur aufweisende Gasströmung, die aus dem Brennkammerabschnitt 18 austritt, expandiert durch den beschaufelten Hochdruck-Turbinenrotor 21 und die beschaufelten Niederdruck-Rotoren 23. Der beschaufelte Hochdruck-Turbinenrotor 21 treibt den beschaufelten Verdichterrotor 17 über eine Kernwelle 24 an, und beschaufelte Niederdruck-Turbinenrotoren 23 treiben den beschaufelten Bläserrotor 15 über eine Bläserwelle 25 an, die im allgemeinen koaxial mit der Welle 24 ist. Die in das Triebwerk eintretende Luftströmung 9 kann ein oder mehr Fremdobjekte 11 enthalten. Beispielsweise werden gelegentlich Vögel oder andere Fremdstoff, wie beispielsweise Schmutz und Trümmerteile, durch Gasturbinentriebwerke eingesaugt.
Figur 2 zeigt eine ausgeschnittene Ansicht von einem mit Schaufeln versehenen Bläser- bzw. Fanrotor 15. Der beschaufelte Rotor 15 enthält eine im allgemeinen achssymmetrische Rotorscheibe 30 und mehrere Schaufeln 36, die auf einem Rotorscheibenrand 32 auf dem Umfang der Rotorscheibe angebracht sind. Die Schaufeln 36 sind auf dem Scheibenrand 32 durch den Fachmann gut bekannte Mittel angebracht, wie beispielsweise durch einen passenden Eingriff mit schwalbenschwanzförmigen Nuten auf dem Scheibenrand 32. Die Schaufeln sind auf dem Rotorscheibenrand 32 in einer im allgemeinen gleichförmigen, auf den Umfang im Abstand angeordnete Weise angebracht, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Jede Schaufel 36 weist einen stromlinienförmigen Abschnitt 38 auf, der sich im allgemeinen von der Scheibe 30 radial nach außen erstreckt. Während des Triebwerkbetriebes rotiert der beschaufelte Bläserrotor um die Triebwerkachse 12, wie es durch den Pfeil 49 angegeben ist.
Jede Schaufel weist auch einen Mantel 50 auf, der sich von dem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt in Umfangsrichtung erstreckt, so daß der Mantel 50 im allgemeinen senkrecht zu dem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt ist. Mäntel von benachbarten stromlinienförmigen Schaufelabschnitten erstrecken sich zwischen den benachbarten Schaufeln. Während des Triebwerkbetriebes sind die benachbarten Mäntel in einem aneinander anliegenden Eingriff, und die benachbarten Mäntel 50 bilden, wenn sie zusammen genommen werden, einen kreisförmigen Mantelring 51, der sich in Umfangsrichtung um und im Abstand zu der Rotorscheibe 30 erstreckt, wie es in Figur 2 gezeigt ist.
Figur 3 ist eine Ansicht entlang den Linien 3-3 in Figur 2, wenn man entlang der Achse des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes von zwei benachbarten Schaufeln 36a und 36b radial nach innen blickt. Wie in Figur 3 gezeigt ist, weist der stromlinienförmige Abschnitt eine Vorderkante 41, die den stromaufwärtigen Rand des stromlinienförmigen Abschnittes 38 bildet, und eine Hinterkante 42 auf, die die stromabwärtige Kante des stromlinienförmigen Abschnittes 38 bildet. Eine im allgemeinen konvexe Saugfläche 44 auf der einen Seite des stromlinienförmigen Abschnittes 38 erstreckt sich von der Vorderkante 41 zur Hinterkante 42. Eine im allgemeinen konkave Druckfläche 46 auf der anderen Seite des stromlinienförmigen Abschnittes 38 erstreckt sich von der Vorderkante 41 zur Hinterkante 42.
Jeder Schaufelmantel 50 auf jeder Schaufel 36 kann einen ersten Mantelvorsprung 54, der sich von der Saugfläche 44 des stromlinienförmigen Abschnittes im allgemeinen in umfangsrichtung erstreckt, und einen zweiten Mantelvorsprung 56 aufweisen, der sich von der Druckfläche 46 des stromlinienförmigen Abschnittes im allgemeinen in Umfangsrichtung erstreckt. Der erste Mantelvorsprung ist im allgemeinen dreieckförmig und weist eine erste passende Fläche 64, eine stromaufwärtige Fläche 84 und eine erste Eckfläche 74 auf. Die erste Eckfläche 74 ist benachbart zur ersten zusammenpassenden Fläche 64 und erstreckt sich von der ersten zusammenpassenden Fläche 64 zu der stromaufwärtigen Fläche 84. Der zweite Mantelvorsprung ist im allgemeinen dreieckförmig und weist eine zweite zusammenpassende Fläche 66, eine stromabwärtige Fläche 86 und eine zweite Eckfläche 76 auf, die sich von der zweiten zusammenpassenden Fläche 66 zu der stromabwärtigen Fläche 86 erstreckt. Der zweite Mantelvorsprung 56 weist auch eine im allgemeinen konkave zurückgeschnittene Fläche 77 neben der zweiten zusammenpassenden Oberfläche 66 auf. Eine Übergangsfläche 79 erstreckt sich zwischen der zurückgeschnittenen Fläche 77 und der Druckfläche 46 des stromlinienförmigen Abschnittes. Die Ubergangsfläche 79 des stromlinienförmigen Abschnittes sorgt für einen glatten, aerodynamischen Übergang von der zurückgeschnittenen Fläche 77 zu der Druckfläche 46.
Wie weiterhin in Figur 3 gezeigt ist, ist während des Triebwerkbetriebes die erste zusammenpassende Fläche 64 des ersten Mantelvorsprunges 54 auf jeder Schaufel in einem Stoßeingriff mit der zweiten zusammenpassenden Fläche 66 auf dem zweiten Mantelvorsprung 56 der benachbarten Schaufel. Aufgrund der Schaufelrotation 49 kann ein Fremdobjekt 11, das entlang der Luftströmung 9 in das Triebwerk eintritt, gegen die Druckfläche 46 von einer Schaufel, beispielsweise der Schaufel 36b, prallen. Der Aufprall bewirkt eine Trennung der ersten zusammenpassenden Oberflächen 64 auf der Schaufel 36b von der zweiten zusammenpassenden Oberfläche 66 auf der Schaufel 36a und kann bewirken, daß sich die Schaufel 36b nach vorne verschiebt, und zwar entlang der Grenzfläche zwischen der ersten zusammenpassenden Fläche 64 auf der Schaufel 36b und der zweiten zusammenpassenden Fläche 66 auf der Schaufel 36a. Die verschobene Position der Schaufel 36b ist in Figur 3 gestrichelt gezeigt und als 36b' bezeichnet.
Die Bewegung der Schaufel 36b relativ zur Schaufel 36a bewirkt, daß die Eckfläche 74 der Schaufel 36b gegen den stromlinienförmigen Abschnitt der Schaufel 36a stößt. Der Stoßpunkt auf der Übergangsfläche 79 des stromlinienförmigen Abschnittes ist als Punkt 90 in Figur 3 bezeichnet. Der Stoß der Eckfläche 74 gegen die Schaufel 36a kann eine ernsthafte Beschädigung auf der Schaufel 36a und, in extremen Fällen, einen Schaufelbruch zur Folge haben.
Die hier offenbarte Erfindung sorgt für eine erhöhte Beschädigungstoleranz von stromlinienförmigen Schaufelabschnitten im Falle des Einsaugens von Fremdobjekten. Die erhöhte Beschädigungstoleranz wird dadurch ausgebildet, daß ein deformierbarer Schutzüberzug auf jede Schaufel aufgebracht wird. Der Schutzüberzug wird angeordnet, um die Schaufelbeschädigung zu verringern, die durch einen Aufprall zwischen dem Mantel und dem stromlinienförmigen Abschnitt von benachbarten Schaufeln während einer Trennung der benachbarten Schaufelmäntel hervorgerufen wird. Der Schutzüberzug deformiert sich während des Aufpralles, wodurch Energie absorbiert und die Stoßbelastung verringert wird, die auf den stromlinienförmigen Abschnitt übertragen wird.
Gemäß Figur 3 ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Schutzüberzug 95 auf die erste Eckfläche 74 von dem ersten Mantelvorsprung 54 aufgebracht, der von jeder Saugfläche 44 des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes ausgeht. Figur 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Überzuges 95 auf der Eckfläche 74. Der Überzug erstreckt sich über denjenigen Teil der Eckfläche 74, die während des Einsaugens von Fremdobjekten mit dem benachbarten stromlinienförmigen Schaufelabschnitt in Kontakt kommt. Die Ansicht in Figur 5 ist entlang der Linien 5-5 in Figur 4 gemacht und zeigt den Schutzüberzug, der sich über die Dicke des ersten Mantelvorsprunges 54 von einem unteren Rand 53 des Mantelvorsprunges zu einem oberen Rand 55 des Mantelvorsprunges erstreckt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Schutzüberzug glatt an die Eckf läche 74, den oberen Rand 53 und den unteren Rand 55 angepaßt, um Stufen oder Diskontinuitäten zu eliminieren, die die Luftströmung über die Eckfläche 74 unterbrechen könnten. In einern bevorzugten Ausführungsbeispiel verläuft der Schutzüberzug nicht auf die erste zusammenpassende Oberfläche 64 und auch nicht auf die stromaufwärtige Fläche 84.
Alternativ könnte der Schutzüberzug auch auf der Oberfläche des stromlinienförmigen Abschnittes angeordnet sein, wie beispielsweise an dem Stoßpunkt 90 in Figur 3. Jedoch könnte das Anordnen des Schutzüberzuges auf der Oberfläche des stromlinienförmigen Abschnittes eine nachteilige Wirkung auf die aerodynamische Leistungsfähigkeit (Performance) des stromlinienförmigen Abschnittes haben, da die Übergangsfläche 79 des stromlinienförmigen Abschnittes einen Höcker bzw. eine Unebenheit haben würde, die durch die Überzugdicke hervorgerufen wird. Zusätzlich würde der Überzug einer Erosion durch die Luftströmung über die stromlinienförmige Oberfläche ausgesetzt sein. Das Anordnen des Überzuges auf der Eckfläche des Mantels bringt keinen so großen aerodynamischen Nachteil mit sich, da der Überzug glatt an die Eckfläche des Mantels angepaßt werden kann. Das Anordnen des Überzuges auf der Eckfläche des Mantels verringert auch die Empfindlichkeit des Überzuges gegenüber Erosion durch die Luftströmung über die stromlinienförmigen Schaufelabschnitte.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schaufel 36 einschließlich der Mantelvorsprünge 50 und des stromlinienförmigen Abschnittes 38 ein Schmiedestück aus einer Titanlegierung, obwohl die Schaufel auch gegossen sein oder aus anderen Metallen oder Zusammensetzungen hergestellt sein kann. Die aus einer Titanlegierung bestehende Schaufel hat eine Norninalzusammensetzung, in Gewichtsprozenten, von etwa 6% Aluminium und etwa 4% Vanadium, wobei der Rest im wesentlichen Titan ist. Diese Legierung wird üblicherweise als Ti-6-4 bezeichnet.
Der Schutzüberzug kann zahlreiche Überzugsschichten aufweisen. Da Schaufelmaterialien, wie beispielsweise Titanlegierungen, anhaftende Oxidüberzüge bilden können, ist es schwierig, eine gute Anhaftung von einigen Überzügen zu erhalten. Somit ist es üblicherweise notwendig, eine erste Bindungsüberzugsschicht einzuschließen, die mit dem Schaufelmaterial kompatibel ist und mit einer zweiten Überzugsschicht kompatibel ist. Beispielsweise kann der Schutzüberzug 95 eine erste Bindungsüberzugsschicht, wie beispielsweise eine Bindungsüberzugsschicht 97 aus einer Nickel-Aluminium-Legierung, und wenigstens eine zweite Überzugsschicht aufweisen, die beispielsweise eine äußere Aluminiumschicht 99, die über wenigstens einem Teil der ersten Bindungsüberzugsschicht angeordnet ist, wie es in den Figuren 4 und 5 gezeigt ist.
Die erste Bindungsüberzugsschicht aus Nickel-Aluminium ist vorzugsweise eine 0,1 bis 0,15 mm (0,004 Zoll bis 0,006 Zoll) dicke Schicht, die auf die Eckfläche des Mantels beispielsweise durch ein übliches Plasmasprühverfahren aufgebracht ist, um eine plasmagesprühte Schicht auf der Eckfläche des Mantels zu bilden. Die erste Bindungsüberzugsschicht 97 kann eine nominelle Zusammensetzung von etwa 5 Gew. % Aluminium mit dem Rest im wesentlichen Nickel haben. Eine Nickel-Aluminium-Legierung, die als ein Legierungspulver kommerziell erhältlich und zum Plasmasprühen geeignet ist, ist Metco 450, die von Metco Inc. geliefert wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zweite Überzugsschicht eine äußere Aluminiumschicht 99, die eine 0,4mm bis 0,5mm (0,016 bis 0,20 Zoll) dicke Schicht, die über wenigstens einen Teil der ersten Bindungsüberzugsschicht 97 durch ein übliches Plasmasprühverfahren aufgebracht ist, um eine plasmagesprühte Schicht auf der ersten Bindungsüberzugsschicht 97 zu bilden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die äußere Aluminiumschicht wenigstens etwa 99 Gew.% Aluminium, wobei der Rest zufällige Verunreinigungen sind. Eine geeignete Aluminiumzusammensetzung in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist im Handel erhältlich als ein Pulver zum Plasmasprühen, wie beispielsweise Metco 54, das von der Metco Inc. geliefert wird.
Versuche zur Ermittlung der Beschädigungstoleranz von Schaufeln während des Einsaugens von Fremdobjekten sind erforderlich für ein Bläserschaufelzertifikat und werden üblicherweise dadurch ausgeführt, daß während einer Triebwerksprüfung Projektile in rotierende Schaufeln gefeuert werden. Versuche, die mit Schaufeln ohne den Schutzüberzug ausgeführt wurden, zeigten, daß die Eckfläche 74 der Schaufel sich in die Übergangsfläche 79 an dem Punkt 90 auf der benachbarten Schaufel eingräbt, so daß die Stoßenergie an dem Stoßpunkt 90 in Figur 3 konzentriert wird. Die Versuche zeigten eine Schaufelbeschädigung, die über diejenige hinausgeht, die für ein Zertifikat zulässig ist.
Versuche, die mit Schaufeln mit dem Schutzüberzug durchgeführt wurden, zeigten, daß sich bei einem Aufprall der Schutzüberzug verformt bzw. deformiert. Die Deformation enthielt nicht nur eine Verdichtung des Schutzüberzuges, sondern auch eine Scherwirkung oder ein Schmieren des Schutzüberzuges, womit gestattet wird, daß die Eckfläche des Mantels sich leicht verschiebt bzw. gleitet relativ zu der Schaufelfläche auf der benachbarten Schaufel. Als ein Ergebnis wird Stoßenergie durch die Deformation des Überzuges absorbiert, und die auf den stromlinienförmigen Schaufelabschnitt übertragene Belastung wird über eine größere Fläche als den lokalisierten Stoßpunkt 90 verteilt. Versuchsergebnisse zeigten, daß der Schutzüberzug die Schaufelbeschädigung auf einen Wert reduzierte, der für ein Zertifikat zulässig ist.
Die energieabsorbierenden und lastverteilenden Merkmale des deformierbaren Schutzüberzuges sind, wenigstens teilweise, gegeben aufgrund der kleinen Scherstreckgrenze des Schutzüberzuges im Vergleich zu der Scherstreckgrenze des Materials des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes. Die Scherbeanspruchung resultiert üblicherweise aus Traktionskräften, die parallel zu der Oberfläche eines Gegenstandes ausgeübt werden. Die Scherstreckgrenze von einem Material ist der Wert der Scherbeanspruchung, an dem das Material eine permanente Biegung oder permanente Deformation durchläuft. Die Ti-6-4 Schaufellegierung, aus der der stromlinienförmige Abschnitt und der Mantel gebildet sind, hat eine minimale Scherstreckgrenze von mehr als 4,22 x 10³ kg/cm² (60.000 Pounds pro Zoll²). Es ist bevorzugt, daß die Scherstreckgrenze von der äußeren Aluminiumschicht, die durch Plasmasprühen aufgebracht ist, etwa 350 kg/cm² (5.000 Pounds pro Zoll²) nicht überschreiten sollte. Eine Plasmasprühschicht enthält im allgemeinen Fehlstellen oder Einschlüsse, die die Festigkeit der Schicht verringern. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Scherstreckgrenze des Schutzüberzuges kleiner als etwa 10% der Scherstreckgrenze des Materials des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes.
Gemäß Figur 6 prallt der Mantelvorsprung 54 im allgemeinen so gegen den benachbarten stromlinienförmigen Schaufelabschnitt, daß die Stoßkraft eine Kraftkomponente senkrecht zu der Schaufeloberfläche und eine Kraftkomponente parallel zu der Schaufelfläche aufweist. Beispielsweise ist die Tangente an die Übergangsfläche 79 der Schaufel an dem Stoßpunkt 90 durch eine imaginäre Achse 104 in Figur 6 angegeben. Während des Einsaugens eines Fremdobjektes verschiebt sich der erste Mantelvorsprung 54 entlang einer imaginären Achse 108, die im allgemeinen parallel zu der ersten zusammenpassenden Oberfläche 64 auf der Schaufel 36b und der zweiten zusammenpassenden Oberfläche 66 auf der Schaufel 36a ist. Ein Winkel 102, der durch den Schnitt der Achse 104 und der Achse 108 gebildet ist, ist kleiner als 90º. Als ein Ergebnis prallt der Mantelabsohnitt 54 an dem Punkt 90 init einer Kraf tkomponente parallel zu der Übergangsfläche 79 des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes auf und auch mit einer Kraftkornponente senkrecht zu der Übergangsfläche 79 des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes. Auf Schaufeln ohne den Schutzüberzug gräbt sich die Titanfläche 74 der Mantelecke in die Übergangsfläche 79 der Titanschaufeln an dem Punkt 90. Die hohe Scherstreckgrenze des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes widersteht einer Deformation und gestattet kein Gleiten bzw. Verschieben der Manteleckfläche, die anderenfalls durch die Kraftkomponente parallel zu der Schaufeloberfläche eingeleitet würde.
Im Gegensatz dazu gestattet die kleine Scherstreck grenze des Schutzüberzuges 95, daß sich der Überzug bei einem Aufprall am Punkt 90 durch Scheren oder Schmieren deformiert. Das Scheren des Schutzüberzuges gestattet, daß die Manteleckflächen 74 entlang der Übergangsfläche 79 zu einem Punkt 91 gleitet bzw. sich verschiebt, der von dem Stoßpunkt 90 verschoben ist, und zwar aufgrund der Stoßkraftkomponente parallel zu der Übergangsfläche 79 des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes. Die verschobene Position der Schaufel 36b aufgrund dieser Gleitbewegung ist als 36b" ist Figur 6 bezeichnet. Die Deformation des Überzuges absorbiert Stoßenergie. Zusätzlich hat die Deformation des Überzuges und das leichte Verschieben bzw. Gleiten der Manteleckf läche relativ zu dem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt eine Verteilung der Stoßbelastung über eine größere Fläche auf der Übergangsfläche 79 des stromlinienförmigen Abschnittes zur Folge. Deshalb wird die lokalisierte Stoßbeanspruchung auf den stromlinienförmigen Schaufelabschnitt, die ein Maß der Kraft pro Flächeneinheit ist, verkleinert.
Es ist zwar ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, es wird aber für den Fachmann deutlich, daß verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist. Beispielsweise ist die Erfindung in Relation zu einem Mantelschutzüberzug auf einer Bläserschaufel beschrieben worden, aber die Erfindung ist auch auf ummantelte Verdichter- oder Turbinenschaufeln anpaßbar. In ähnlicher Weise ist die Erfindung für Titanlegierungsschaufeln beschrieben worden, aber andere Anwendungen könnten einen Mantelschutzüberzug auf einer Schaufel mit einer anderen Metallzusammensetzung oder auf einer Schaufel mit einer Verbundrnaterialkonstruktion enthalten. Ferner könnten andere Anwendungen unterschiedliche Kombinationen von Mantelüberzugsinaterial und Schaufelmaterial enthalten, wo die Scherstreckgrenze des Schutzüberzuges klein ist im Vergleich zu der Scherstreckgrenze von dem Schaufelmaterial.
Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit einem speziellen repräsentativen Vorbild und Ausführungsbeispiel beschrieben. Es wird jedoch für den Fachmann deutlich, daß noch weitere Vorbilder und Ausführungsbeispiele möglich sind.

Claims

1. Schaufel (36) zur Befestigung auf einer Rotorscheibe (32) in im wesentlichen gleichförmigem Umfangsabstand mit anderen Schaufeln auf der Rotorscheibe (32), wobei die Schaufel einen stromlinienförmigen Abschnitt aufweist, der sich von der Rotorscheibe (32) radial nach außen erstreckt und eine stromlinienförmige Oberfläche (46) aufweist, die aus einem Material relativ hoher Festigkeit gebildet ist, wobei jede Schaufel ferner einen Mantel (54) aufweist, der sich in Umfangsrichtung von dem stromlinienförmigen Abschnitt erstreckt, gekennzeichnet durch einen permanent verformbaren Schutzüberzug (95), der stärker verformbar ist als das Material des stromlinienförmigen Abschnittes und der ein Material relativ geringerer Festigkeit aufweist, das außen auf die Schaufel (36) aufgebracht ist, wobei der Schutzüberzug so angeordnet ist, daß er eine Beschädigung des stromlinienförmigen Abschnittes verkleinert, die durch einen Aufprall zwischen dem Mantel (54) und dem stromlinienförmigen Abschnitt (38) von benachbarten Schaufeln hervorgerufen ist.

2. Schaufel (36) nach Anspruch 1, wobei die stromlinienförmige Oberfläche (44, 46) eine Druckfläche (46) und eine Saugfläche (44) aufweist;

ein erster Mantelvorsprung (54) sich in Umfangsrichtung von der Saugfläche (44) des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes (38) erstreckt, wobei der erste Mantelvorsprung (54) eine erste passende Fläche (64) und eine Eckfläche (74) benachbart zu der ersten passenden Fläche (64) aufweist;

ein zweiter Mantelvorsprung (56) sich in Umfangsrichtung von der Druckfläche (46) des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes (38) erstreckt, wobei der zweite Mantelvorsprung (56) eine zweite passenden Fläche (66) aufweist, wobei die ersten (64) und zweiten (66) passenden Flächen ausgelegt sind für ein entsprechendes Zusammenpassen mit zweiten (66) und ersten (64) Flächen von benachbar ten Schaufeln (36) auf der Rotorscheibe (32) in einem Stoßeingriff; und wobei der permanent verforinbare Schutzüberzug (95) auf die Eckfläche (74) auf dem ersten Mantelvorsprung (54) aufgebracht ist, wobei der verformbare Schutzüberzug (95) so angeordnet ist, daß er eine Schaufelbeschädigung vermindert, die durch einen Aufprall zwischen dem ersten Mantelvorsprung (54) und der stromlinienförmigen Oberfläche (46) von benachbarten Schaufeln hervorgerufen ist.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der verformbare Schutzüberzug (95) eine Scherstreckgrenze hat, die kleiner als die Scherstreckgrenze des Materials des stromlinienförmigen Abschnittes ist.

4. Schaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Scherstreckgrenze des Materials des stromlinienförmigen Abschnittes wenigstens zehn mal größer ist als die Scherstreckgrenze des forinbaren Schutzüberzuges (95).

5. Schaufel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaufel (36) einschließlich des Mantels (54) und des stromlinienförmigen Abschnittes (38) eine Titanlegierung ist und wobei der verformbare Schutzüberzug (95) wenigstens eine Aluminium-Überzugsschicht aufweist.

6. Schaufel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der verformbare Schutzüberzug (95) eine Aluminiumschicht aufweist.

7. Schaufel nach Anspruch 6, wobei die Aluminium schicht eine Plasma-gesprühte Schicht ist.

8. Schaufel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo bei der Schutzüberzug (95) eine erste Verbindungsüberzugsschicht (97), die mit dem Mantelmaterial kompatibel ist und die auf wenigstens einem Teil der Eckfläche (74) auf dem ersten Mantelvorsprung (54) aufgebracht ist, und eine zweite Überzugsschicht (99) aufweist, die mit der ersten Verbindungsüberzugsschicht (97) kompatibel ist und auf wenigstens einen Teil der ersten Verbindungsüberzugsschicht (97) aufgebracht ist.

9. Schaufel nach Anspruch 8, wobei die erste Verbindungsüberzugsschicht (97) und die zweite Überzugsschicht (99) Plasma-gesprühte Schichten sind.

10. Schaufel nach Anspruch 8 oder 9, wobei die erste Verbindungsüberzugsschicht (97) eine Nickel-Aluminiumlegierung ist, die eine norninale Zusammensetzung von etwa 5 Gew.% Aluminium mit dem Rest im wesentlichen Nickel aufweist.

11. Schaufel nach Anspruch 10, wobei die zweite Überzugsschicht (99) wenigstens etwa 99 Gew.% Aluminium aufweist, wobei der Rest zufällige Verunreinigungen ist.

12. Schaufel nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die erste Verbindungsüberzugsschicht (97) zwischen etwa 0,1 und 0,15 mm (0,004 Zoll und 0,006 Zoll) dick ist und die zweite Überzugsschicht (99) zwischen etwa 0,4 und 0,5 mm (0,016 und 0,020 Zoll) dick ist.

13. Schaufel nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Schaufel (36) einschließlich des stromlinienförmigen Abschnittes (38) und des Mantels (54, 56) ein Schmiedeteil aus einer Titanlegierung ist mit einer nominalen Zusammen setzung von etwa 6 Gew.% Aluminium und etwa 4 Gew.% Vanadium, wobei der Rest im wesentlichen Titan ist.

14. Beschaufelter Rotor (15) mit einer Rotorscheibe (32), die mehrere Schaufeln (36), die im wesentlichen gleichförmig auf dem Umfang auf der Rotorscheibe (32) angebracht sind, wobei jede Schaufel (36) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist und Mäntel (54, 56) aufweist, die in Stoßeingriff sind.