Festigkeitsberechnung für Laufschaufeln mit rudimentären Deckbändern in schnelllaufenden Niederdruckturbinen

Abstract

Ein Turbofantriebwerk ist durch sein Nebenstromverhältnis geprägt, welches den Luftmassenstrom, der um die Gasturbine geführt wird, zum Luftmassenstrom durch das Kerntriebwerk in Relation setzt. Um den Wirkungsgrad eines solchen Flugtriebwerkes zu erhöhen und somit den spezifischen Brennstoffverbrauch zu senken, wurde in den letzten Jahrzehnten das Nebenstromverhältnis auf 7-8 erhöht. Dabei steigt der Durchmesser des Fans, welcher folglich mit einer geringeren Drehzahl drehen muss um nicht über seiner Beanspruchungsgrenze betrieben zu werden. Da der bei konventioneller Bauart Fan, Niederdruckverdichter und Niederdruckturbine auf einer Welle angeordnet sind, dreht die Turbine ebenfalls mit dieser niedrigen Drehzahl. Ein weiterer Anstieg des Nebenstromverhältnisses kann mit dem Konzept des Geared Turbofans erzielt werden. Dabei wird ein Getriebe vor dem Fan verbaut, welches es ermöglicht, dass die Niederdruckturbine bei einer höheren Drehzahl betrieben wird, welche somit schnelllaufende Niederdruckturbine genannt wird. Die Fliehkraft, die an einer Turbinenschaufel angreift steigt mit der Drehzahl, mit zunehmendem Abstand zur Drehachse und mit der Dichte des Schaufelwerkstoffes. Bei alleiniger Anhebung der Drehzahl würden die Niederdruckturbinenschaufeln der Beanspruchung durch die Fliehkraft nicht mehr standhalten können und würden zerstört werden. In dieser Arbeit werden die Kreisprozesse von konventionellen und Geared Turbofans berechnet um im Anschluss die Niederdruckturbine genauer betrachten zu können. Die auftretende Fliehkraft wird anhand prismatischer und verjüngter Schaufelmodelle berechnet. Zusätzlich tritt bei Niederdruckturbinenschaufeln eine Fliehkraft aufgrund eines Deckbandes an den Schaufelspitzen auf. Um diese Beanspruchung zu reduzieren wird der Einfluss rudimentärer Deckbänder mit stark reduzierter Grundfläche betrachtet. Die Berechnungen ergeben, dass die stark steigende Drehzahl beim Übergang auf einen Geared Turbofan bei Verwendung herkömmlichen Schaufelmaterials (Nickelbasiswerkstoffe) eine zu große Fliehkraftbeanspruchung zur Folge hätte. Um die Spannungen im Schaufelfuß zu senken wird ein halb so schwerer Werkstoff eingesetzt. Durch die Verwendung von Titanaluminid wird die Beanspruchung reduziert. Die Streckgrenzen der beiden Materialien sind dabei sehr ähnlich. Mit dem Einsatz von Titanalumind können die Werte der Schaufelfußspannung auf das Niveau konventioneller Turbofantriebwerke gesenkt werden. Titanaluminid ist somit der Schlüssel zur Umsetzung des Geared Turbofan Konzepts. Durch die angehobene Umfangsgeschwindigkeit kann die Anzahl an Turbinenstufen und -schaufeln reduziert werden.

A turbofan engine is characterized by its bypass-ratio which is defined as the proportion of air mass flow around the gas turbine to air mass flow through the core engine. In order to increase the engine's efficiency and to decrease the specific fuel consumption, the bypass ratio has been increased to 7-8 over the last decades, which also led to an increase in the fan diameter. In order not to reach its stress limit, the fan now needs to be operated at a lower rotary speed. When constructing a fan for a conventional engine, the low pressure compressor, the low pressure turbine and the fan itself are mounted on the same shaft. This forces the turbine to run at the same low rotary speed. A further increase in bypass-ratio can be achieved by using the Geared Turbofan design where a gearbox is placed just in front of the fan so the turbine operates at a much higher rotary speed. The centrifugal force which affects onto each turbine blade increases with the rotary speed, the displacement to the rotary axis and with the density of the blade material. By increasing rotary speed only, the blades of the low pressure turbine would not resist the stress caused by centrifugal force and would be destroyed. In this thesis the thermodynamic cycles of conventional and Geared Turbofan engines are calculated, in order to properly examine the low pressure turbine. The occurring centrifugal force is computed based on prismatic and tapered turbine blades. An additional centrifugal force is developed by the shroud on the tips of the blades. In order to reduce this stress the impact of partially shrouded blades with drastically reduced shroud base is examined. It is found out that the increasing rotary speed results in an unfavourably high blade root strain caused by a significant increase in centrifugal force when using the same material - a nickel-base superalloy - for the blades. In order to reduce the stress, titanium aluminide is used. This material is much lighter than the conventional one, which results in a reduction of strain. However these two materials have similar yield strengths. With the use of titanium aluminide, the stress in the blade root can be reduced to the level of conventional turbofans. Titanium aluminide can therefore be seen as the key to implementing a Geared Turbofan. Due to an increased rotary speed the number of turbine stages and turbine blades can be reduced and the engine's overall length is reduced.