DE9422418U1

DE9422418U1 - Device for reducing stresses at the tip of turbine or compressor blades

Info

Publication number: DE9422418U1
Application number: DE9422418U
Authority: DE
Original assignee: United Technologies Corp; Pratt and Whitney Co Inc
Current assignee: Pratt and Whitney Co Inc; RTX Corp
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1994-10-10
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2004-10-11

Description

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Vorrichtung zum Reduzieren von Spannungen an der Spitze von Turbinen- oder KompressorschaufeinDevice for reducing stresses at the tip of turbine or compressor blades

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reduzieren von Spannungen an den Spitzen von Schaufeln in einer Gasturbinenmaschine und insbesondere eine Vorrichtung zum Reduzieren von Spannungen an Schaufelspitzen, die für den Kontakt mit einer Umfangsdichtung vorgesehen sind.The invention relates to a device for reducing stresses at the tips of blades in a gas turbine engine and, more particularly, to a device for reducing stresses at blade tips intended for contact with a circumferential seal.

Gasturbinenmaschinen enthalten eine Reihe von Kompressor- und Turbinenschaufeln, die um eine Mittelachse der Maschine rotieren. Die Wirksamkeit des Kompressors und der Maschine ist teilweise abhängig von dem Volumen komprimierter Luft, das durch die Spalte zwischen den Komperessorschaufeln und der sie umgebenden Umfangswände oder Umfangsdichtungen hindurchtritt. Ähnlich ist die Wirksamkeit des Turbinenabschnittes durch das Hindurchtreten der expandierenden Verbrennungsprodukte durch die Umfangsspalte der Turbinenschaufeln beeinträchtigt. Der Maschinenwirkungsgrad kann erhöht werden, indem die Größe des 0 Spaltes zwischen den Spitzen der Kompressor- oder Turbinenschaufeln und der damit zusammenwirkenden Umfangsdichtung verkleinert wird, um eine Leckage am Schaufeldichtungsübergang zu reduzieren.Gas turbine engines contain a series of compressor and turbine blades that rotate about a central axis of the engine. The efficiency of the compressor and engine is partly dependent on the volume of compressed air that passes through the gaps between the compressor blades and the surrounding peripheral walls or peripheral seals. Similarly, the efficiency of the turbine section is affected by the passage of expanding combustion products through the peripheral gaps of the turbine blades. Engine efficiency can be increased by reducing the size of the gap between the tips of the compressor or turbine blades and the cooperating peripheral seal to reduce leakage at the blade seal interface.

Ein bekanntes Verfahren, das zur Reduzierung von Verlusten zwischen den Schaufelspitzen und der damit zusammenwirkenden Umfangsdichtung angewendet wird, verwendet abschleifbare Dichtungen. Bei dieser Konstruktion ist die Umfangsdichtung, von welcher die Schaufel umgeben wird, aus einem Material, das 0 leicht durch den Kontakt mit den Schaufelspitzen abgetragen oder abgeschliffen werden kann. Um die Schaufeln in der Außendichtung zu lagern, werden die Schaufeln gedreht, so daß die Spitzen der Schaufeln an der Außendichtung reiben oder diese abtragen, bis ein geeigneter Sitz erreicht wird. Durch dieses Verfahren zum Einrichten der Dichtung wird ein Sitz mit enger Toleranz erzeugt, durch den Luftverluste entlang der Dichtung reduziert werden. Die Verwendung von abschleifbaren Außendichtungen hat sich für die Erhöhung desOne known method used to reduce losses between the blade tips and the associated peripheral seal is to use abradable seals. In this design, the peripheral seal surrounding the blade is made of a material that is easily worn or abraded by contact with the blade tips. To seat the blades in the outer seal, the blades are rotated so that the tips of the blades rub or abrade the outer seal until a proper fit is achieved. This method of setting up the seal produces a close tolerance fit which reduces air losses along the seal. The use of abradable outer seals has been proven to increase

2
Maschinenwirkungsgrades als erfolgreich erwiesen.2
machine efficiency has proven successful.

In der Vergangenheit wurden die abschleifbaren Außendichtungen gewöhnlich aus einem Material ausgebildet, das mit "Fasermetall" bezeichnet wurde. Fasermetall ist ein sehr weiches, leicht abschleifbares Material, durch welches ein Einschneiden der Schaufelspitzen in die Dichtungen zugelassen wird, ohne daß dadurch eine wesentliche Beschädigung oder ein wesentlicher Verschleiß der Schaufelspitzen verursacht wird.In the past, the abradable outer seals were usually made of a material referred to as "fiber metal." Fiber metal is a very soft, easily abradable material that allows the blade tips to cut into the seals without causing significant damage or wear to the blade tips.

Bei modernen Turbinenmaschinen sind noch engere Toleranzen zwischen den Schaufeln und Dichtungen wünschenswert, als in der Vergangenheit erreicht wurde, um den Maschinenwirkungsgrad weiter zu vergrößern. Um dies zu erreichen, wurden die Außendichtungen aus einem härteren, dichteren und dauerhafteren Material ausgebildet, das engere Toleranzen und eine längere Dichtungslebensdauer ermöglicht. Jedoch trägt die Verwendung solcher Materialien zu einer stärkeren Beschädigung und einem stärkeren Verschleiß der Schaufelspitzen während des 0 Einschleifprozesses bei. Durch den physischen Kontakt zwischen den Schaufelspitzen und dem härteren Dichtungsmaterial besteht die Gefahr, daß die Schaufelspitzen abgeschliffen und beschädigt werden. Diese Beschädigung trägt ihrerseits zu einem verstärkten Schaufelverschleiß und zu erhöhten Metalltemperaturen bei, was zu Fehlern wegen des Auftretens von Rissen und deren Vergrößerung beitragen kann. Durch den Verschleiß der Schaufelspitzen wird die Schaufellebensdauer insgesamt verringert und die aeorodynamische Gestaltung der Schaufel beeinträchtigt, wodurch der Maschinenwirkungsgrad 0 verringert wird.In modern turbine engines, even closer tolerances between the blades and seals are desirable than have been achieved in the past to further increase machine efficiency. To achieve this, the outer seals have been formed from a harder, denser and more durable material which allows closer tolerances and longer seal life. However, the use of such materials contributes to more damage and wear of the blade tips during the grinding process. The physical contact between the blade tips and the harder seal material risks abrading and damaging the blade tips. This damage in turn contributes to increased blade wear and increased metal temperatures which can contribute to failures due to the appearance and growth of cracks. Blade tip wear reduces overall blade life and affects the aerodynamic design of the blade, thereby reducing machine efficiency.

Eine bekannte Methode zur Verringerung des Schaufelspitzenverschleisses während des Einschleifens der Dichtung aus härterem Dichtungsmaterial besteht darin, eine abschleifbare Beschichtung der Schaufelspitzen aufzubringen, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Eine abschleifbare Beschichtung 10 wird auf die Spitze 12 einer Schaufel 14 aufgebracht. Die abschleifbare Beschichtung ist aus einemA known method for reducing blade tip wear during the grinding of the seal from harder sealing material is to apply an abradable coating to the blade tips as shown in Figures 1 and 2. An abradable coating 10 is applied to the tip 12 of a blade 14. The abradable coating is made of a

Hartmaterial, das zur Einschneidbarkeit in die abschleifbare Dichtung beiträgt, ohne einen wesentlichen Verschleiß oder eine wesentliche Beschädigung der abschleifbaren Beschichtung 10 oder der Schaufelpitze 12 herbeizuführen. Häufig enthält die abschleifbare Dichtung abschleifbare Teilchen 16, die in eine Metallmatrix eingebettet sind. Die abschleifbaren Teilchen können aus der Beschichtung der Schaufelspitze vorstehen, um zum Einschneiden der Schaufelspitze in die abschleifbare Dichtung und zum Einschleifen beizutragen.Hard material that assists in cutting into the abradable seal without causing significant wear or damage to the abradable coating 10 or the blade tip 12. Often, the abradable seal includes abradable particles 16 embedded in a metal matrix. The abradable particles may protrude from the blade tip coating to assist in cutting and grinding the blade tip into the abradable seal.

Zwei Beispiele von Methoden, eine abschleifbare Beschichtung der Schaufelspitze aufzubringen, sind in der US-PS 5 074 970 und 4 169 020 beschrieben, deren Beschreibungen hiermit durch die Bezugnahme darauf in die vorliegende Offenbarung einbezogen ist. Viele unterschiedliche Materialien können als abschleifbare Beschichtungen von Schaufelspitzen verwendet werden, einschließlich Nickel oder Aluminiumoxid, kubisches Bornitrid, verschiedene abschleifbare Karbide, Oxide, Suizide, Nitride und andere Materialien, die in eine Matrix eingebettet 0 sind. Solche Beschichtungen können durch Elektroplattieren, Plasmaspritzen oder auch mit anderen Methoden aufgebracht werden, die im Stand der Technik bekannt und gebräuchlich sind.Two examples of methods for applying an abradable blade tip coating are described in U.S. Patent Nos. 5,074,970 and 4,169,020, the descriptions of which are hereby incorporated by reference into the present disclosure. Many different materials can be used as abradable blade tip coatings, including nickel or aluminum oxide, cubic boron nitride, various abradable carbides, oxides, suicides, nitrides, and other materials embedded in a matrix. Such coatings can be applied by electroplating, plasma spraying, or by other methods known and used in the art.

Wenngleich es zutreffend ist, daß abschleifbare Schaufelspitzenbeschichtungen den Verschleiß und die Beschädigung der Schaufelspitzen während des Einschleifens der abschleifbaren Dichtung reduzieren, führt der Kontakt zwischen der Schaufelspitze und der abschleifbaren Dichtung zur Verstärkung der ohnehin schon hohen Spannungen an der 0 Schaufelspitze während des Betriebs der Maschine. Wie in Figur 3 gezeigt, neigt die Schaufelspitze bei einer Resonanzfrequenz zur Deformation. Eine repräsentative Gestalt für einen typischen Resonanzbiegemodus an der Schaufelspitze ist in Figur 3 gestrichelt gezeigt. Bei dem dargestellten Verhalten deformieren sich die vorlaufende 17 und nachlaufende 18 Kante der Schaufel während der Resonanz abwechselnd nach innen und nach außen, wodurch Biegespannungen über die Dicke der Schaufel hin entstehen. Wie für den Schaufelquerschnitt in Figur 4While it is true that abradable blade tip coatings reduce blade tip wear and damage during the grinding of the abradable seal, the contact between the blade tip and the abradable seal tends to increase the already high stresses at the blade tip during operation of the machine. As shown in Figure 3, the blade tip tends to deform at a resonant frequency. A representative shape for a typical resonant bending mode at the blade tip is shown in dashed lines in Figure 3. In the behavior shown, the leading 17 and trailing 18 edges of the blade alternately deform inward and outward during resonance, creating bending stresses across the thickness of the blade. As for the blade cross section in Figure 4

dargestellt, vergrößert sich der Absolutwert der Spannungen von der Mitte der Schaufel aus zu den Schaufelseiten hin. Durch den Kontakt zwischen der Schaufelspitze und der Umfangsdichtung wird die Stärke der Spannungen an der Schaufelspitze weiter erhöht und wird die Neigung zur Rißentstehung und Rißfortsetzung verstärkt.As shown, the absolute value of the stresses increases from the center of the blade towards the sides of the blade. The contact between the blade tip and the peripheral seal further increases the strength of the stresses at the blade tip and increases the tendency for crack initiation and crack propagation.

Durch Beschichtungen der Schaufelspitze werden außerdem die Spannungen an der Schaufelspitze verstärkt, weil jedes der abschleifbaren Teilchen 16 (Figur 2) als Spannungsverstärker an der Schaufelspitze wirken kann. Durch diese Spannungsverstärker wird ihrerseits die Möglichkeit eines Schaufelschadens durch Rißbildung vergrößert.Blade tip coatings also increase the stresses at the blade tip because each of the abradable particles 16 (Figure 2) can act as a stress amplifier at the blade tip. These stress amplifiers, in turn, increase the possibility of blade damage due to cracking.

Die Anwendung von Beschichtungen der Schaufelspitzen ist insbesondere nachteilig für die Lebensdauer von Schaufeln, die aus sehr rißempfindlichen Materialien sind, wie Titan. Titan ist wegen seiner hohen Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Steifigkeit und seines geringen spezifischen Gewichts eines der bevorzugten Materialien, aus denen Kompressorschaufeln hergestellt werden. Daher sind Verringerungen der Ermüdungsfestigkeit durch Beschichtungen der Schaufelspitzen insbesondere wesentlich für die Herstellung von Langzeitturbinen hohen Wirkungsgrades, die unter Verwendung solcher Materialien hergestellt werden.The application of blade tip coatings is particularly detrimental to the lifetime of blades made of very crack-sensitive materials such as titanium. Titanium is one of the preferred materials from which compressor blades are made because of its high strength, temperature resistance, stiffness and low specific gravity. Therefore, reductions in fatigue strength by blade tip coatings are particularly essential for the manufacture of long-term, high-efficiency turbines manufactured using such materials.

Einher mit dem besseren Verständnis der aerodynamischen Prozesse in Gasturbinenmaschinen wird es immer wichtiger, den nachteiligen Effekt von Beschichtungen der Schaufelspitzen auf 0 die Gesamtlebensdauer der Schaufeln zu verringern. Die Schaufeln werden zunehmend dünner und in ihrer Kontur feiner, um die aerodynamische Wirksamkeit zu verbessern. Daher gibt es bei neueren Schaufelkonfigurationen kleinere Flächen an der Schaufelspitze, auf welche abschleifbare Beschichtungen aufgebracht werden können. Durch diese Verringerung der Fläche können Entwicklungen neuer abschleifbarer Beschichtungen zum Einschleifen der Schaufeln in den abschleifbaren Dichtungen erforderlich werden.As the aerodynamic processes in gas turbine engines become better understood, it is becoming increasingly important to reduce the adverse effect of blade tip coatings to 0 on the overall life of the blades. Blades are becoming increasingly thinner and more refined in contour to improve aerodynamic efficiency. Therefore, newer blade configurations have smaller areas at the blade tip to which abradable coatings can be applied. This reduction in area may require the development of new abradable coatings to grind the blades into the abradable seals.

Durch die Erfindung wird dazu beigetragen, die Nachteile der bekannten Schaufelgestaltungen zu überwinden, indem die Stärke der Spannungen an der Schaufelspitze reduziert wird. Diese Spannungsreduzierung trägt ihrerseits dazu bei, die Bildung und das Wachsen von Rissen zu verhindern, so daß die Ermüdungsfestigkeit der Schaufel vergrößert wird. Die Erfindung kann angewendet werden, Spannungen an der Spitze jeder Schaufel zu verringern. Jedoch ist die Erfindung insbesondere vorteilhaft für Schaufeln mit Beschichtungen der Schaufelspitzen. Weiter kann die Erfindung auf Schaufeln aus jedem Material angewendet werden, jedoch ist sie besonders vorteilhaft zur Verwendung bei Schaufeln, die aus rißempfindlichem Materialien, wie Titanlegierungen, hergestellt sind.The invention helps to overcome the disadvantages of known blade designs by reducing the magnitude of stresses at the blade tip. This stress reduction in turn helps to prevent the formation and growth of cracks, thus increasing the fatigue strength of the blade. The invention can be applied to reduce stresses at the tip of any blade. However, the invention is particularly advantageous for blades having coatings on the blade tips. Furthermore, the invention can be applied to blades made of any material, but is particularly advantageous for use with blades made of crack-prone materials such as titanium alloys.

Spannungen an den Schaufelspitzen werden reduziert, indem die Gestaltung der Schaufelspitze geändert wird. Die Schaufelspitzengestalt wird derart geändert, daß die Maximalspannung von der Schaufelspitze weggebracht wird, so daß 0 die Ermüdungsfestigkeit für eine hohe Lebensdauer vergrößert wird.Stresses at the blade tips are reduced by changing the design of the blade tip. The blade tip shape is changed to move the maximum stress away from the blade tip so that the fatigue strength is increased for long life.

Gemäß der Erfindung besteht eine Vorrichtung zur Vergrößerung der Ermüdungsfestigkeit von Schaufeln einer Turbinenmaschine, die Schaufeln aufweist, von denen jede einen Schaufelfuß und eine Schaufelspitze aufweist, darin, daß die Schaufelspitzen über wenigstens einen Teil ihrer Breite hin abgerundet, abgefast, abgeschrägt oder ausgekehlt sind, um eine Spannungskonzentration an den Schaufelspitzen während des 0 Betriebs der Maschine zu verringern. Bei einigen Ausführungsformen werden die Schaufelspitzen vor dem Abfasen mit einer abschleifbaren Beschichtung versehen, wohingegen bei anderen Ausführungsformen die Schaufelspitzen erst nach dem Abfasen mit einer abschleifbaren Beschichtung versehen werden. Bei anderen Ausführungsformen werden die Schaufelspitzen überhauptnicht beschichtet. Bei manchen Anwendungsformen wird die Schaufelspitze entweder vor oder nach dem Abfasen gehämmert oder gewalzt, um Druckspannungen in der Schaufelspitze zuAccording to the invention, an apparatus for increasing the fatigue strength of blades of a turbine engine having blades each having a blade root and a blade tip comprises rounding, chamfering, beveling or fluting the blade tips over at least a portion of their width to reduce stress concentration at the blade tips during operation of the machine. In some embodiments, the blade tips are provided with an abradable coating prior to chamfering, whereas in other embodiments the blade tips are provided with an abradable coating after chamfering. In other embodiments the blade tips are not coated at all. In some embodiments the blade tip is hammered or rolled either before or after chamfering to reduce compressive stresses in the blade tip.

erzeugen, die ihrerseits die Ermüdungsfestigkeit der Schaufel vergrößern.which in turn increase the fatigue strength of the blade.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die abschleifbare Beschichtung, die auf die Schaufelspitze aufgebracht wird, nur in einem Mittelabschnitt der Schaufelspitze aufgebracht. Hierbei erstreckt sich daher die Beschichtung nicht bis zu den Außenkanten der Schaufelspitze. Dadurch, daß lediglich der Mittelabschnitt der Schaufelspitze beschichtet wird, werden Spannungskonzentrationen an der Schaufelspitze aufgrund des Vorhandenseins der abschleifbaren Beschichtung reduziert, wodurch die Ermüdungsfestigkeit der Schaufel vergrößert wird. Eine der bevorzugten abschleifbaren Beschichtungen besteht aus kubischen Bornitridpartikeln, die in eine Nickellegierungsmatrix eingebettet sind. Die abschleifbaren Beschichtungen werden durch Elektroplattieren, Plasmaspritzen oder durch andere Verfahren aufgebracht.In another embodiment of the invention, the abradable coating applied to the blade tip is applied only to a central portion of the blade tip. Therefore, the coating does not extend to the outer edges of the blade tip. By coating only the central portion of the blade tip, stress concentrations at the blade tip due to the presence of the abradable coating are reduced, thereby increasing the fatigue strength of the blade. One of the preferred abradable coatings consists of cubic boron nitride particles embedded in a nickel alloy matrix. The abradable coatings are applied by electroplating, plasma spraying or other methods.

Das Verständnis von der Erfindung und ihre Vorteile werden 0 durch die folgende detailierte Beschreibung in Zusammenhang mit der Zeichnung verdeutlicht. In der Zeichnung zeigt:The understanding of the invention and its advantages will be made clearer by the following detailed description in conjunction with the drawing. In the drawing:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Schaufel aus dem Stand der Technik, die eine abschleifbare Beschichtung an der Schaufelspitze aufweist,Figure 1 is a perspective view of a prior art blade having an abradable coating on the blade tip,

Figur 2 einen Teillängsschnitt der Schaufel aus Figur 1 in vergrößertem Maßstab entlang der Schnittlinie 2-2 in Figur 1,Figure 2 is a partial longitudinal section of the blade of Figure 1 on an enlarged scale along the section line 2-2 in Figure 1,

0 Figur 3 eine perspektivische Ansicht der Schaufel aus Figur 1 zur Darstellung eines repesentativen Biegeverhaltens,0 Figure 3 is a perspective view of the blade from Figure 1 to illustrate a representative bending behavior,

Figur 4 einen Längsschnitt der Schaufel aus Figur 3 in vergrößertem Maßstab entlang der Schnittlinie 4-4 in Figur 3 zur Darstellung repräsentativer Spannungswerte über die Dicke der Schaufel hin,Figure 4 is a longitudinal section of the blade of Figure 3 on an enlarged scale along section line 4-4 in Figure 3 to show representative stress values across the thickness of the blade,

Figur 5 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Schaufel inFigure 5 shows a longitudinal section of a blade according to the invention in

vergrößerter Darstellung, wobei dafür repräsentative Spannungswerte dargestellt sind,enlarged view, with representative voltage values shown,

Figur 6 eine perspektivische Ansicht einer Schaufel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,Figure 6 is a perspective view of a blade according to a preferred embodiment of the invention,

Figur 7 einen Längsschnitt der Schaufel aus Figur 6 in vergrößertem Maßstab entlang der Schnittlinie 7-7 in Figur 6,Figure 7 is a longitudinal section of the blade of Figure 6 on an enlarged scale along the section line 7-7 in Figure 6,

Figur 8 eine Stirnansicht der Schaufelspitze der Schaufel aus Figur 6,Figure 8 is a front view of the blade tip of the blade of Figure 6,

Figur 9 einen Längsschnitt einer alternativen Ausführungsform aus Figur 6 in vergrößertem Maßstab entlang der Schnittlinie 7-7 in Figur 6,Figure 9 is a longitudinal section of an alternative embodiment of Figure 6 on an enlarged scale along section line 7-7 in Figure 6,

Figur 10 eine Stirnansicht der Schaufelspitze einer Schaufel gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, undFigure 10 is a front view of the blade tip of a blade according to another embodiment of the invention, and

0 Figur 11 einen Längsschnitt der Schaufel aus Figur 10 entlang der Schnittlinie 11-11 in Figur 10.0 Figure 11 is a longitudinal section of the blade of Figure 10 along the section line 11-11 in Figure 10.

In den Figuren 1 und 2 ist eine Schaufel 14 aus dem Stand der Technik gezeigt, welche eine abschleifbare Beschichtung 10 auf der Schaufelspitze 12 aufweist und für das Schleifen an einer Umfangsdichtung gestaltet ist. Wie oben diskutiert, ist die Schaufel 14 aus dem Stand der Technik insgesamt als Tragflügelprofil zur Verwendung entweder in dem Kompressorteil oder dem Turbinenteil einer Turbinenmaschine (nicht gezeigt) gestaltet. Die abschleifbare Beschichtung 10 der Schaufelspitze enthält abschleifbare Teilchen 16, durch welche Spannungskonzentrationen am Übergang zwischen der abschleifbaren Beschichtung der Schaufelspitze und der Schaufelspitze 12 erzeugt werden. Diese Spannungskonzentrationen tragen ihrerseits dazu bei, daß Risse an der Schaufelspitze 12 während des Maschinenbetriebs gebildet werden und sich fortsetzen.In Figures 1 and 2, a prior art blade 14 is shown having an abradable coating 10 on the blade tip 12 and designed for grinding at a peripheral seal. As discussed above, the prior art blade 14 is designed as an airfoil for use in either the compressor portion or the turbine portion of a turbine engine (not shown). The blade tip abradable coating 10 contains abradable particles 16 which create stress concentrations at the interface between the blade tip abradable coating and the blade tip 12. These stress concentrations, in turn, contribute to the formation and propagation of cracks at the blade tip 12 during engine operation.

In den Figuren 5 bis 7 ist eine Schaufel 2 0 entsprechend einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gemäß der Erfindung ist von der Schaufelspitze Material abgetragen, um die Spannung an der Schaufelspitze zu verringern. Wie in Figur 5 gezeigt, ist die Spannungsverteilung 21 durch die Ausbildung von Abfasungen 3 0 an der Schaufelspitze oder durch anderweitiges Abtragen von Material von der Schaufelspitze geändert. Die maximale Biegespannung entsteht an der Außenfläche der Schaufel. Wenn daher die Kanten der Schaufelspitze 23 abgefast werden, werden die Spannungen an der Schaufelspitze um den Betrag 33 reduziert. Durch diese Reduzierung der Spannungen an der Schaufelspitze werden Beschädigungen der Schaufel reduziert, indem die Möglichkeit reduziert wird, daß sich Risse an der Schaufelspitze bilden und fortsetzen.Figures 5 to 7 show a blade 20 according to a first preferred embodiment of the invention. According to the invention, material is removed from the blade tip to reduce the stress at the blade tip. As shown in Figure 5, the stress distribution 21 is changed by forming chamfers 30 at the blade tip or by otherwise removing material from the blade tip. The maximum bending stress occurs at the outer surface of the blade. Therefore, if the edges of the blade tip 23 are chamfered, the stresses at the blade tip are reduced by an amount of 33. This reduction in stress at the blade tip reduces damage to the blade by reducing the possibility of cracks forming and propagating at the blade tip.

Die Erfindung ist anwendbar sowohl auf Kompressorschaufeln als auch Turbinenschaufeln, jeweils mit oder ohne Beschichtung der Schaufelspitze, und ist insbesondere für hochbeanspruchte 0 Titankompressorschaufeln wegen der hohen Empfindlichkeit von Titanlegierungen gegen Rißbildung geeignet.The invention is applicable to both compressor blades and turbine blades, each with or without a coating of the blade tip, and is particularly suitable for highly stressed titanium compressor blades due to the high sensitivity of titanium alloys to cracking.

Die bevorzugte Ausführungsform der Schaufel 2 0 ist in den Figuren 5 bis 7 in Form eines Tragflügelprofils dargestellt.The preferred embodiment of the blade 2 0 is shown in Figures 5 to 7 in the form of an airfoil profile.

Die aerodynamische Konfiguration dieser Ausführungsform der Schaufel ist jedoch nicht als Beschränkung gemeint. Tatsächlich ist die Erfindung auf alle unterschiedlichen Formen und Konfigurationen von Schaufeln anwendbar. Die Schaufel 20 weist einen Körper 22 mit einer vorlaufenden Kante 24, einer nachlaufende Kante 26, einer konkaven Seitenfläche 27, einer konvexen Seitenfläche 28 und einer Schaufelspitze 29 auf. Die Begrenzungen des Mittelteils der Schaufelspitze werden von der vorlaufenden Kante 24, der nachlaufenden Kante 2 6 und die einander gegenüberliegenden Flächen 27 und 28 definiert.However, the aerodynamic configuration of this embodiment of the blade is not intended to be limiting. In fact, the invention is applicable to all different shapes and configurations of blades. The blade 20 comprises a body 22 having a leading edge 24, a trailing edge 26, a concave side surface 27, a convex side surface 28 and a blade tip 29. The boundaries of the central portion of the blade tip are defined by the leading edge 24, the trailing edge 26 and the opposing surfaces 27 and 28.

Gemäß der Erfindung erstecken sich Abfasungen oder Abschrägungen 3 0 wenigstens teilweise entlang der gegenüberliegenden Flächen der Schaufelspitze zwischen derAccording to the invention, chamfers or bevels 3 0 extend at least partially along the opposite surfaces of the blade tip between the

vorlaufenden und der nachlaufenden Kante 24 bzw. 26. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Abfasungen 30 an beiden Flächen 27 und 28 ausgebildet und erstrecken sich über gleiche Strecken hin entlang der einander gegenüberliegenden Schaufelflächen. Jedoch ist die Konfiguration der gezeigten bevorzugten Ausführungsform nicht als Beschränkung aufzufassen und bei alternativen Ausführungsformen können die Abfasungen entlang der einander gegenüberliegenden Flächen der Schaufelspitze über unterschiedliche Strecken hin, rings des gesamten oberen Umrisses der Schaufelspitze oder entlang nur einer Fläche der Schaufel hin verlaufen.leading and trailing edges 24 and 26, respectively. In the preferred embodiment shown, the chamfers 30 are formed on both surfaces 27 and 28 and extend equal distances along the opposing surfaces of the blade. However, the configuration of the preferred embodiment shown is not to be construed as limiting and in alternative embodiments the chamfers may extend along the opposing surfaces of the blade tip over different distances, around the entire upper contour of the blade tip, or along only one surface of the blade.

Wie am besten aus den Figuren 6 und 8 ersichtlich, beginnen die Abfasungen 3 0 bei der bevorzugten Ausführungsform hinter der vorlaufenden Kante 24 der Schaufel und enden vor der nachlaufenden Kante 26 der Schaufel. Wie außerdem am besten aus Figur 7 ersichtlich, beginnen die Abfasungen gerade unter der Schaufelspitze und verlaufen schräg nach innen zu der Mitte der 0 Schaufel hin. In der bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Abfasungen schräg nach innen in einem Winkel Φ von annähernd 45°. Der in dieser Weise und beschriebene Winkel der Abschrägung soll keine Beschränkung darstellen, jedoch liegt der bevorzugte Winkel Φ der Abschrägung wenigstens annähernd im Bereich von 30 bis 50°. Ferner kann die Abfasung mit mehreren Winkeln oder Flächen verlaufen, die unter Ausbildung der Abfasung aneinandergrenzen. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Strecke 42 (gemessen in Längsrichtung der Schaufel), über welche sich die Abfasung hin erstreckt, annähernd 8 bis mils (0,20 bis 038 mm). Jedoch sind die dargestellten Abmessungen der Abfasung nicht als Beschränkung anzusehen und andere Abfasungswinkel und Längen können in alternativen Ausführungsformen verwendet werden.As best seen in Figures 6 and 8, in the preferred embodiment the chamfers 30 begin behind the leading edge 24 of the blade and end before the trailing edge 26 of the blade. Also as best seen in Figure 7, the chamfers begin just below the blade tip and slope inward toward the center of the blade. In the preferred embodiment the chamfers slope inward at an angle φ of approximately 45°. The angle of the chamfer as described is not intended to be limiting, but the preferred angle φ of the chamfer is at least approximately in the range of 30 to 50°. Furthermore, the chamfer may extend with multiple angles or surfaces which adjoin one another to form the chamfer. In the preferred embodiment the distance 42 (measured along the length of the blade) over which the chamfer extends is approximately 8 to mils (0.20 to 038 mm). However, the chamfer dimensions shown are not to be considered limiting and other chamfer angles and lengths may be used in alternative embodiments.

Der Winkel Φ der Abfasung und die Strecke 42, über welche hin die Abfasung sich erstreckt, stellt eine Optimierung zwischen der an der Schaufelspitze gewünschten Verringerung der Spannungskonzentration und der Flächengröße der SchaufelspitzeThe angle Φ of the chamfer and the distance 42 over which the chamfer extends represent an optimization between the reduction of stress concentration desired at the blade tip and the surface area of the blade tip

dar, die nach dem Abfasen verblieben ist· Durch die Größe der Oberfläche, die an der Schaufelspitze nach dem Abfasen
verbleibt, wird die Größe des Flächenbereichs bestimmt, auf den eine Beschichtung der Schaufelspitze aufgebracht werden kann. Von dieser Grenze wird ihrerseits der Oberflächenbereich der
Beschichtung der Schaufelspitze bestimmt, der für das
Einschneiden in die abschleifbaren Außendichtungen während der Einschleifprozeduren zur Verfügung steht. Falls ein
unzureichender Flächenbereich nach dem Abfasen verbleibt, ist es möglich, daß die Beschichtung der Schaufelspitze durch den Kontakt mit der abschleifbaren Außendichtung verschleißt, bevor der Einschleifvorgang beendet ist. Andererseits wird durch ein unzureichendes Abfasen das Maß der Spannungsentlastung
reduziert, wodurch möglicherweise die Vorteile der Erfindungthat remains after chamfering. The size of the surface that remains at the blade tip after chamfering
The size of the surface area to which a coating of the blade tip can be applied is determined from this limit. This limit in turn determines the surface area of the
Coating of the blade tip, which is responsible for the
Cutting into the abradable outer seals during the grinding procedures. If a
If insufficient surface area remains after chamfering, it is possible that the blade tip coating will wear out due to contact with the abradable outer seal before the grinding process is completed. On the other hand, insufficient chamfering will reduce the degree of stress relief
reduced, possibly reducing the advantages of the invention

reduziert werden, wie im einzelnen unten diskutiert.reduced, as discussed in detail below.

Abschleifbare Beschichtungen der Schaufelspitzen können aus
zahlreichen unterschiedlichen Materialien sein, einschließlich Aluminiumoxid, kubischem Bornitrid, diversen abschleifbarenAbradable coatings on the blade tips can be made from
many different materials, including aluminum oxide, cubic boron nitride, various abradable

0 Karbiden, Oxiden, Suiziden, Nitriden oder anderen geeigneten Materialien, die den strengen Bedingungen gewachsen sind, unter denen die Schaufeln betrieben werden. Diese Beschichtungen
können durch Elektroplattieren, Plasmaspritzen oder durch
andere geeignete Aufbringungsmethoden aufgebracht werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Beschichtung aus
kubischen Bornitridteilchen, die in einer
Nickellegierungsmatrix eingebettet sind, auf die
Schaufelspitzen durch Elektroplattieren aufgebracht.0 carbides, oxides, suicides, nitrides or other suitable materials that can withstand the severe conditions under which the blades are operated. These coatings
can be produced by electroplating, plasma spraying or by
other suitable application methods. In the preferred embodiment, a coating of
cubic boron nitride particles in a
Nickel alloy matrix embedded on the
Blade tips applied by electroplating.

0 Durch das Anpassen des Winkels Φ der Abfasung und der Strecke 42, über welche hin sich die Abfasung erstreckt, wird das
Optimum zwischen der erforderlichen Schaufelspitzenfläche und der erforderlichen Spannungsentlastung bestimmt. Wenn ein
steilerer Abfasungswinkel verwendet wird, verbleibt eine
größere Fläche der Schaufelspitze, wodurch ein größerer0 By adjusting the angle Φ of the bevel and the distance 42 over which the bevel extends, the
Optimum between the required blade tip area and the required stress relief is determined. If a
If a steeper bevel angle is used, a
larger surface area of the blade tip, which allows a larger

Flächenbereich vorhanden ist, auf welchen eine abschleifbare
Beschichtung aufgebracht werden kann. Durch eine Vergrößerung des Abfasungswinkels oder der Abfasungsbreite kann der Ort derThere is a surface area on which a sandable
coating can be applied. By increasing the chamfer angle or the chamfer width, the location of the

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Spannungskonzentration weiter nach unten von der Schaufelspitze weg verlagert werden und durch diesen Effekt wird ihrerseits die Spannungskonzentration am Übergang zwischen der Beschichtung 46 der Schaufelspitze und dem Körper 22 der Schaufel vermindert, so daß die Neigung der Schaufel zur Entstehung und Vergrößerung von Rissen vermindert wird. Die Abmessungen der Abfasung ist für unterschiedliche Schaufelformen unterschiedlich; für jede neue Schaufelgestaltung ist es daher notwendig die Abmessungen der Abfasung zu optimieren.Stress concentration can be shifted further down from the blade tip and this effect in turn reduces the stress concentration at the transition between the coating 46 of the blade tip and the body 22 of the blade, so that the tendency of the blade to develop and grow cracks is reduced. The dimensions of the chamfer are different for different blade shapes; for each new blade design it is therefore necessary to optimize the dimensions of the chamfer.

Wie am besten aus Figur 8 ersichtlich, erstreckt sich die Abfasung entlang der gegenüberliegenden Seitenkanten der Schaufelspitze über eine Strecke 32 hin. In der bevorzugten Ausführugsform hat die Strecke 32 die Größe von annähernd bis 90 % der Gesamtbreite der Schaufel. Jedoch kann sich die Abfasung je nach der Schaufelkonfiguration über andere Teilmaße der Gesamtschaufelbreite hin oder rings des gesamten Umrisses der Schaufel erstrecken, ohne die Wirksamkeit der Erfindung zu 0 beeinträchtigen. Wie der Abfasungswinkel ist die Strecke, über welche hin sich die Abfasung erstreckt, bestimmend für die Größe der verfügbaren Fläche an der Schaufelspitze, auf welcher eine Beschichtung aufgebracht werden kann, und die Größe der gewünschten Spannungsreduzierung an der Schaufelspitze. Die Länge der Abfasung muß ausreichend sein, um die Spannungen in den am höchsten beanspruchten Bereichen der Schaufelspitze zu reduzieren. Im allgemeinen ist der Mittelteil entlang der Schaufelspitze stärker beansprucht als die vorlaufende und die nachlaufende Kante.As best seen in Figure 8, the chamfer extends along the opposite side edges of the blade tip for a distance 32. In the preferred embodiment, the distance 32 is approximately 90% of the total width of the blade. However, depending on the blade configuration, the chamfer may extend over other portions of the total blade width or around the entire contour of the blade without affecting the effectiveness of the invention. Like the chamfer angle, the distance the chamfer extends determines the amount of area available at the blade tip to which a coating can be applied and the amount of stress reduction desired at the blade tip. The length of the chamfer must be sufficient to reduce the stresses in the most highly stressed areas of the blade tip. Generally, the center portion along the blade tip is more stressed than the leading and trailing edges.

Es ist auch erwünscht, eine abgerundete Auskehlung 34 an den vorlaufenden und den nachlaufenden Enden der Abfasungen vorzusehen. Durch eine solche Auskehlung werden scharfe Schaufelkonturen vermieden, durch welche die Spannungskonzentrationen an der Schaufelspitze vergrößert werden könnten. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein Krümmungsradius von 0,047 bis 0,078" (0,0194 bis 0,0198 mm) verwendet; es können jedoch auch andere Radien verwendetIt is also desirable to provide a rounded fillet 34 at the leading and trailing ends of the chamfers. Such a fillet avoids sharp blade contours which could increase stress concentrations at the blade tip. In the preferred embodiment, a radius of curvature of 0.047 to 0.078" (0.0194 to 0.0198 mm) is used, however, other radii may be used.

werden, je nach Schaufelkonfiguration und Materialien. Die Abfasungen können mit Hilfe zahlreicher bekannter Schleif- oder Fräsmethoden ausgearbeitet werden.depending on the blade configuration and materials. The chamfers can be created using a number of common grinding or milling methods.

In der in den Figuren 6 bis 8 gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird die abschleifbare Beschichtung 46 nach dem Abfasen aufgebracht, so daß die abschleifbare Beschichtung selbst nicht abgefast wird. Das Abfasen der Schaufel vor dem Aufbringen der abschleifbaren Beschichtung wird bevorzugt, weil dadurch die Handhabung und Herstellung der Schaufel vereinfacht werden. Es ist vorteilhaft die Schaufelspitze einschließlich der Abfasungen zu hämmern oder zu walzen, um Druckspannungen in dem abgefasten Bereich zu erzeugen. Durch diese Druckspannungen wird die Möglichkeit einer Rißbildung und Rißfortsetzung vermindert, wodurch die Lebensdauer der Schaufel vergrößert wird. Falls das Hämmern oder Walzen nach dem Aufbringen der abschleifbaren Beschichtung erfolgt, könnte die abschleifbare Beschichtung während des Hämmer- oder Walzvorgangs beschädigt werden. Das Aufbringen der abschleifbaren Beschichtung nach dem 0 Abfasen trägt auch dazu bei, eine Beschädigung der abschleifbaren Beschichtung während des Abfasprozesses zu verhindern.In the preferred embodiment shown in Figures 6-8, the abradable coating 46 is applied after chamfering so that the abradable coating itself is not chamfered. Chamfering the blade prior to applying the abradable coating is preferred because it simplifies handling and manufacturing of the blade. It is advantageous to hammer or roll the blade tip including the chamfers to create compressive stresses in the chamfered area. These compressive stresses reduce the possibility of crack initiation and crack propagation, thereby increasing the life of the blade. If hammering or rolling is done after applying the abradable coating, the abradable coating could be damaged during the hammering or rolling process. Applying the abradable coating after chamfering also helps prevent damage to the abradable coating during the chamfering process.

In der in Figur 9 gezeigten alternativen Ausführungsform wurde die abschleifbare Beschichtung 46 vor dem Abfasen auf die Schaufelspitze aufgebracht. Daher ist diese abschleifbare Beschichtung ebenfalls abgefast. Wie bei der bevorzugten Ausführungsform ist es dann vorteilhaft, die Schaufel zu walzen oder zu hämmern. Wenngleich das Abfasen vor dem Beschichten aufgrund von Herstellungsüberlegungen vorgezogen wird, werden durch ein Beschichten vor dem Abfasen Spannungen an der Schaufelspitze reduziert, was durch die Erfindung ebenfalls umfaßt ist.In the alternative embodiment shown in Figure 9, the abradable coating 46 was applied to the blade tip prior to chamfering. Therefore, this abradable coating is also chamfered. As in the preferred embodiment, it is then advantageous to roll or swage the blade. Although chamfering prior to coating is preferred due to manufacturing considerations, coating prior to chamfering reduces stresses at the blade tip, which is also encompassed by the invention.

5 Nur zur Erläuterung wird bei den beispielgebenden Ausführungsformen der Erfindung eine Beschichtung 46 aus Teilchen aus kubischem Bornitrid in einer Nickellegierungsmatrix verwendet. Die Beschichtung der5 For illustration purposes only, the exemplary embodiments of the invention use a coating 46 of cubic boron nitride particles in a nickel alloy matrix. The coating of the

Schaufelspitze hat eine mittlere Dicke von 3 bis 15 mil (0,076 bis 0,381 mm) . Die Schaufelspitze wird vor dem Beschichten der Schaufelspitze in einem Winkel von 45° abgefast und erstreckt sich über annähernd 75 bis 8 0 % der Schaufelbreite hin. Ferner hat die Strecke 42, über welche hin sich die Abfasung in Längsrichtung der Schaufel erstreckt, eine Länge von etwa 8 bis 15 mil (0,203 bis 0,381 mm) .The blade tip has an average thickness of 3 to 15 mils (0.076 to 0.381 mm). The blade tip is chamfered at a 45° angle prior to coating the blade tip and extends over approximately 75 to 80% of the blade width. Furthermore, the distance 42 over which the chamfer extends in the longitudinal direction of the blade has a length of approximately 8 to 15 mils (0.203 to 0.381 mm).

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist aus den Figuren 10 und 11 ersichtlich. Bei dieser Ausführungsform werden Abfasungen zur Reduzierung der Spannungskonzentrationen an der Schaufelspitze nicht verwendet. Stattdessen ist eine abschleifbare Beschichtung 68 nur in dem Mittelbereich der Schaufelspitze aufgebracht und die abschleifbare Beschichtung beginnt in kleinem Abstand hinter der vorlaufenden Kante 6 0 und endet in kleinem Abstand vor der nachlaufenden Kante 62 und außerdem erstrecken sich die Seitenränder der abschleifbaren Beschichtung nicht über die gesammte Dicke der Schaufel bis zu den einander gegenüberliegenden Flächen 64 und 66 hin. Daher ist die Beschichtung 68 der Schaufelspitze auf den Mittelbereich der Schaufelspitze beschränkt und die Umfangsränder der Beschichtung der Schaufelspitze sind gegen die benachbarten Begrenzungen der Schaufelspitze versetzt. Wie durch ein Abfasen werden durch diese alternative Ausführungsform der Erfindung die Spannungskonzentrationen am Übergang zwischen dem Körper der Schaufel und der Beschichtung der Schaufelspitze vermindert. Da diese Beschichtung der Schaufelspitze auf den Mittelbereich der Schaufelspitze beschränkt ist, wird ein Beitrag zur Reduzierung von 0 Spannungskonzentrationen an den am höchsten beanspruchten Kanten der Schaufelspitze geleistet, so daß die Lebensdauer der Schaufel verlängert wird.An alternative embodiment of the invention is shown in Figures 10 and 11. In this embodiment, chamfers are not used to reduce stress concentrations at the blade tip. Instead, an abradable coating 68 is applied only to the central region of the blade tip and the abradable coating begins a short distance behind the leading edge 60 and ends a short distance before the trailing edge 62 and, furthermore, the side edges of the abradable coating do not extend the entire thickness of the blade to the opposing surfaces 64 and 66. Therefore, the blade tip coating 68 is confined to the central region of the blade tip and the peripheral edges of the blade tip coating are offset from the adjacent boundaries of the blade tip. Like chamfering, this alternative embodiment of the invention reduces stress concentrations at the interface between the body of the blade and the blade tip coating. Since this blade tip coating is limited to the central region of the blade tip, it helps reduce 0 stress concentrations at the most highly stressed edges of the blade tip, thus extending the service life of the blade.

Die Erfindung ist auch anwendbar auf andere Schaufelkonfigurationen ohne Beschichtung der Schaufelspitze. Wie im Hinblick auf die bevorzugte Ausführungsform erläutert, wird es durch Abfasen der Schaufelspitze oder durch anderweitiges Abtragen von Material von der SchaufelspitzeThe invention is also applicable to other blade configurations without coating of the blade tip. As explained with regard to the preferred embodiment, by chamfering the blade tip or by otherwise removing material from the blade tip

ermöglicht, die Spannungen an der Schaufelspxtze zu reduzieren. Hierdurch wird seinerseits die Möglichkeit vermindert, daß Schaufelfehler aufgrund von Rißentstehung oder Rißfortsetzung an der Schaufelspitze auftreten, sei es nun mit oder ohne Vorhandensein einer Beschichtung.allows the stresses at the blade tip to be reduced. This in turn reduces the possibility of blade failures due to crack initiation or crack propagation at the blade tip, whether or not a coating is present.

Claims

1. A blade for a turbine engine, the blade being in contact with a peripheral seal and the blade comprising:

(a) a root and a blade tip having leading and trailing edges, opposite side surfaces and a central portion defined by the leading edge, the trailing edge and the opposite side surfaces, and

b) a chamfer at the transition of at least one of the opposite side surfaces and the central part where high stresses occur, wherein the chamfer extends at least over a partial area between the leading edge and the trailing edge.

2. A blade according to claim 1, wherein an abradable coating is arranged on the central portion of the blade tip and extends over at least a portion between the leading edge and the trailing edge.

3. A blade according to claim 2, wherein the abradable coating comprises particles of cubic boron nitride embedded in a nickel alloy matrix.

4. A blade according to claim 2, wherein the abradable coating is applied by electroplating.

5. A blade according to claim 2, wherein the abradable coating is applied by plasma spraying.

6. A blade according to claim 1, wherein the chamfer begins behind the leading edge and ends before the trailing edge.

7. A blade according to claim 1, wherein the blade tip is hammered or rolled.

8. A blade having improved fatigue strength for use in a turbine engine, the blade being in contact with a circumferential seal, comprising:

(a) a root and a blade tip having leading and trailing edges, opposite side surfaces and a central part defined by the leading and trailing edges and the opposite side surfaces, and

b) an abradable coating arranged on the central part of the blade tip such that its peripheral edge is set back from the opposite side surfaces and covers at least a part between the leading edge and the trailing edge.

9. A blade according to claim 8, wherein the abradable coating is applied by electroplating.

10. A blade according to claim 8, wherein the abradable coating is applied by plasma spraying.