DE2307566A1 - Verbundschaufel - Google Patents

Description

Pate:'.*,"*■ vrn'.t Ben; - : · ■}>:

65302LuΓ?·.·-- '7 United Aircraft Corporation Bömerstr. 10 - ιοί. ^o. ΐ,^ι

East Hartford,Connecticut Ο61Ο8 2307566

Vereinigte Staaten von Amerika

Verbundscha ufe1.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbundschaufel und insbesondere auf eine verbesserte Konstruktion für verbundschaufeln.

Es ist bekannt, dass Verbundwerkstoffe, welche mit Fasern hoher Festigkeit verstSrkt sind in den letzten Jahren eine wesentliche Forschung und Entwicklung zur Verwendung in Flugzeugmotoren durchlaufen heben. Der Hauptgrund für diese Forschung und Entwicklung liegt in dem sehr hohen Festigkeit-GewichtverhSltnis dieser Werkstoffe. Ein Nachteil dieser Werkstoffe liegt darin, dass ihre Festigkeit nur in einer Richtung sehr hoch ist, das heisst, die Fasern können nur eine hohe Zugbelastung aufnehmen. Diese hohe Zugfestigkeit ist vom grossera Vorteil zur Anwendung in Rotorschaufeln, wie z.B. für Gebläse, Verdichter oder Turbinen, wobei die Hauptkrä'fte durch Zentrifugalbelastungen erzeugt werden und radial sind. Die Fasern hoher Festigkeit sind deshlab in einer Verbundachaufel im wesentlichen radial gerichtet und verlaufen von der. Schaufelspitze zu dessen Grundfläche und dann in die Schaufelv/urzel. Die Schaufelwurzel kann verschiedene Konstruktionen aufweisen, von denen die Schwalbenschwanzform am häufigsten ist. Die Schaufel wird an der Rotorscheibe durch Einführen der Vfurzol in eine entsprechend geformte Nut befestigt, welche in axifiler Richtung von der Vorderseite zur Hinterseite der Rotorscheibe vurlSuft oder die Schaufelwursel wird in eine Umfangsnut einqe^d.y.t, wie es z.B. bei einain Tromrne!rotor üblich ist. Zur Befestigung der Schaufel an der Rotorschcsibe ist es ebenfalls möglich αic Fasern um Stifte herumzuführen, die in der Rctorseheibu

309839/0377

■ fest angeordnet sind. Unabhängig von der Befestigungsart der Schaufeln an der Rotorscheibe (oder der Rotortrommel) liegt das wesentliche Problem darin, die radialen Belastungen von der Schaufel auf die Rotorscheibe zu übertragen und der Schaufelwurzel die erforderliche Festigkeit zu verleihen, damit sie diese Belastungen aufnehmen kann.

Bei den meisten üblichen Schaufeln ist die Wurzel breiter als der aerodynamische Abschnitt so dass sie einfach an der Rotorscheibe befestigt und die hohen Scherbelastungen aufnehmen kann. Die Fasern verlaufen von der Schaufelspitze in die Schaufelv/urzel und sind dort auseinander gespreizt um die Fasern festzuhalten und die Scherfestigkeit der Wurzel zu verbessern. Zum Beispiel, bei einer faserverstärkten Verbundschaufel mit der üblichen Schwalbenschwan;*-- wurzel ragen die Fasern nach unten in die Schaufelwurzel und sind entlang der Hauptwölbungslinie an der Grundfläche der Schaufel in zwei Bündel aufgespreizt, wobei ein Bündel in einon Ansi'.tz der Schwalbenschwanzwurzel und der andere Bündel in don anderen

^; Ansatz der Schwalbenschwanuwurzol gebogen ist. Hierdurch erreicht man eine mehr oder weniger gleiche Verteilung der Fasern zwischen den beiden Ansätzen der Schwalbenschwanswurze1 und die Fasern erstrecken sich über die ganze Länge der Wurzel, Ein geeignetes Keilstück kann zwischen die Faserbündel eingesetzt werden, und

^: ebenfalls entlang der gesamten WürzeHänge verlaufen.

Man könnte glauben, dass dieses Verfahren oder eine ander willkürliche, mehr oder weniger gleiche Aufteilung de;r Fasern auf jeden Ansatz der Schaufelv/urzel für jede Ausführung oder Form einer faserverstärkten Verbunä.;c:haufel geeignet ist, jedoch ist dies nicht der Fall. Die Fasern hoher Zugfestigkeit, v/elche in Verbundschaufeln verwandet werden sind im allgemeinen sehr .spröde und um eine Uborbelastung der Fasern zu vermeide? η darf me in tons ein bestimmter minimaler Biegerev.lius nicht überschritten weiden. Dieser minimale Biegsredius ηIm-T₁1 schnell zu falls der Durch«viser der Fasern steigt. Für stark gewölbte oder stark verdrillte Schaufeln kann es durchaus möglich sein, daes viele For.orn nicht his in die Wurzel hinein verdrillt oder in, einen bestimm ton Ansatz

309839/0377

BAD ORIGINAL

dieser Wurzel gebogen werden können,ohne die Fasern über die zulässige Grenze hinaus zu biegen oder ohne dass ein Bereich einzelner Fasern ausserhalb des Wurzelprofiles fällt. Dies gilt insbesondere für Fasern, die an der Vorderkante oder der Hinterkan te des Schaufelquerschnittes vorgesehen sind und welche meistens am weitesten zum Zentrum der Wurzel entfernt sind. Diese Fasern müssen zuerst in einer Richtung zum Wurzelzentrum gebogen werden, so dass sie in diese hineinragen können und anschliessend müssten sie in einer anderen Richtung vom Zentrum der Wurzel weg in einen Ansatz der Schwalbenschwanzform gebogen v/erden. In einer stark vetrddllten Schaufel sind die Fasern äh der Vorderkante und der Hinterkante an der Stelle wo sie in die Wurzel eindringen nicht radial gerichtet und somit ist eine zusätzliche Krümmung erfordert um diese Fasern in die Ansätze der Schwalbenschwanzform hineinzuführen.

Derjenige Bereich der Fanern, welcher aussorhalb der Wurzel fä'llt wird natürlich beim Bearbeiten der Wurzel abgeschnitten. Bei einer Schaufel mit einer Schvalbenschwanzwurzei wird üblicherweise der Bereich der Fesern zwischen der unteren Seite der Schaufelplattform und der LngerflSchecbs Schwalbencchwanzansatzes abgeschnitten. Dieses Abschneiden der Fanern wirkt sich zweifach aus, erstens, die Faser trSgt n.fcht raehr zur radialen Festigkeit des Blattes bei, und zweitens sind die Prison der abgeschnittenen Fasern in der Schwalbenschwsnzwargel freigelegt und somit können diese Fasern,^ welche aus einem harten Material v/ie z.B. Bor, Aluminiumoxyd oder Saphir bestehen die Lagerfische der Rotorschoibe durch Fressen in unerwünschter Weise beschädigen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin eine verbesserte faserverstärkte* verbunäochftufel zu schaffen und zwar insbesondere eine verbesserte Schaufäl i.tit einem stark verdrillten oder stark gewölbton aerodynamischem Abschnitt.

Entsprechend dor vorliegenden Erfindung hat eine faserverstärkte Vorbu^dnchaufcl rait einem aerodynamischen Abschnitt und einem Würze!abschnitt in dem aerodynamischen Abschnitt bestimmte Fasern, di« aus dem aerodynamischen Abschnitt in eine geeignete StelJ.e der VJuJiTZGl rejon, p.o äesc alle lauern in dor Wurzel un-

30983 9/0377 BAD. OBIOiNM.

unterbrochen sind und einen Biegeradius aufweisen, der grosser ist als der minimal zulässige Biegeradius der Fasern.

Zum Beispiel, werden Fasern, die nicht in die rechte Seite der Wurzel gebogen werden können ohne den minimalen Biegeradius der Fasern zu überschreiten nur in die linke Seite der Wurzel oder umgekehrt umgebogen. Im allgemeinen sind solche Fasern in einem bestimmten Bereich des aerodynamischen Profils gebündelt wie z.B. an der Profilvorderkante oder an der Profi!hinterkante einer stark gewölbten Schaufel. An anderen Stellen sind nur Fasern vorhanden, die ohne Schwierigkeiten in die eine oder andere Seite der Wurzel gebogen werden können, und die Fasern dieser Stellen können in willkürlicher Weise entweder in die rechte Seite oder die linke Seite der Wurzel umgebogen werden.

Auf diese Weise erhSlt man eine Wurzel, die an bestimmten stelle:* keine verstSrkende Fasern aufweist. Man hat jedoch gefunden, dass die Gesamtfestigkeit der Wurzel einer Schaufel nach dieser Erfindung im wesentlieheη beträchtlich höher ist als die Festigkeit einer bekannten Wurzel wobei eine wesentliche Anzahl der Fasern durchgeschnitten (wie bei der oben beschriebenen bekannten Ausführung), geknickt oder durch einen zukleinen Biegeradius überbelastet ist.

Ein Ausführ'ingsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beschrieben, es zeigen:

Figur 1 eine Darstellung in Perspektive einer ctark gewölbten und stark verdrillten Verdichterschaufel.

Figur 2 eine teilweise Vorderansicht der Verdichterschaufel nach Figur 1.

Figur 3 eine Schnittansicht der Schaufclwurzel entlang eier Lirii«!

3-3 nach Figur 2.

Figur 4 eine Schnittansicht der Schaufelwurjäßl entlang der Linio 4-4 nach Figur 2.

Figur 5 eine Schnittansicht der Schaufc!wurzel entlang der Liuv; 5-5 nach Figur 2.

Figur 6 eine Schnitt ansieht der Schaufel nach Figur 2 onLlant?

309833/0377 BADORtQtNAt

der Linie 6-6 nach Figur 2.

Die Markmale der vorliegenden Erfindung können in einer Schaufel IO für ein Gasturbinentriebwerk angewandt werden, eine solche Schaufel ist in Figur 1 dargestellt. Bei dieser Ausfuhrungsform dient die Schaufel als Verdichterschaufel. Die Schaufel hat einen aerodynamischen Bereich 12, eine Platform 14 und eine Wurzel 16. Die Wurzel 16 ist schwalbenschwenzförmig und hat einen Hals 18 sowie eine breitere na3is 19, die einen rechten Ansatz 21 und einen linken Ansatz 20 aufweist. Die Wurzel hat ein vorderes Ende 22 und ein hinterec Ende 24 und das aerodynamische Profil 12 hat eine Profilvorderkante 26 und eine Profilhinterkante 28 sowie eine Grundfläche 29.

Eine Symrcetriebene 30 der Wurzel (siehe Figuren 5 und 6) verläuft vom vorderen Ende 22 zum hinteren Ende 24 der Wurzel und teilt den Hals 18und die Basis 19 in eine rechte und eine linke Seite (Figur 5). Der Umstand dass bei dieser Ausführungsform die Wurzel unterhalb des Halses 18 symmetrisch zu der Ebene 3p ist, ist in keinem Fall kritisch für die vorliegende Erfindung, jedoch sind die meisten Schaufelwurzeln in dieser Weise ausgeführt. Das aerodynamische Profil 12 umfasst mehrere in einerRichtung belastbare Fasern hoher Festigkeit. z.B. Borfasern die in einer geeigneten Matrixmasse, z.B. Aluminium eingebettet sind. Die Achsen der Borfasern verlaufen im wesentlichen in Längsrichtung der Schaufel . Die Fasern in der Nähe der Oberfläche des aerodynamischen Profiles können winkelförmig inbezug zu den in Längsrichtung verlaufenden Fasern angeordnet werden um dem aerodynamischen Profil eine bessere Torsionsfestigkeit zu verleihen. Ein solches aerodynamisches Profil ist in der U.S. Patentanmeldung 2O6.426 vom 9.Dezember 1971 beschrie, ben.

Wie schon oben erwEhnt, müssen bestimmte Stellen der Wurzel mit einigen Fasern hoher Festigkeit verstärkt werdenum der Wurzel die erforderliche Belastbarkeit zu verleihen. Bei dieser Ausführungsform sind diese Stellen die Ansätze 20 und 21. Eine "kritische" Faser kann nicht in eine dieser Stellen geführt werden, ohne dass sie aus dom Wurzelquerschnitt herausfällt oder ohne den minimal

309839/0377

zulässigen Biegeradius der Fasern zu überschreiten. Eine Faser, welche in alle Stellen umgebogen werden kann ohne aus dem Wurzelquerschnitt herauszufallen, und ohne den minimal zulässigen Biegeradius zu überschreiten ist eine "unkritische" Faser. Die Borfasern, welche bei dieser AusfUhrungsform verv/endet werden haben einen Durchmesser von etwa 0,125nun und ihr minimal zulässiger Biegeradius betrögt etwa 19 mm. Es ist somit möglich für jedes aerodynamische Profil und für jede Wurzelform festzustellen, welche Fasern "unkritisch" oder "kritisch"sind.

Wie aus den Figuren 1 und 6 zu erkennen ist, ist das aerodynamische Profil 12 stark gewölbt und stark verdrillt. Die Figur 6 stellt eine Schnittansicht durch das aerodynamische Profil 12 in der Ka'he der Grundfläche 29 dar und man kann aus dieser Figur erkennen, dass alle Fasern in der Na'he der Profilvorderkante 26 und in der Nähe der Profilhinterkante 28 auf der gleichen Seite dor Symmetrieebene 30 liegen und in einemv;esentlichen Abstand von dieser Ebene sind. Die Fasern in der Nähe der Profilvorderkante und der Profilhinterkante sind kritische Fasern infolge ihror Lage inbezug zu der Symraetriebene der Wurzel und infolge ihrer Ausrichtung in der verdrillten Schaufel. Diese Fasern können nicht in den linken Ansatz 20 gebogen werden ohne an einer Stelle ausserhalb des Wurzelquerschnittes zu fallen oder ohne den minimal zulässigen Biegeradius der Fasern ?,u überschreiten. Bei dieser AusführungE-form sind nur die Fasern in der NShe der Prof ilvorderkaate und der Profilhinterkante kritische Fasern.

Jeder Querschnitt eines aerodynamischen Profiles kann aufgeteilt werden in Bereiche, welche keine kritischen Fasern und Bereiche welche wenigstens einige kritische Fasern enthalten. Diese 'Bereiche werden im folgenden als unkritische und kritische'Eereiche bezeichnet. Der Zweck für diese Aufteilung des Querschnittes dec aerodynamischen Profiles wird nun beschrieben.

In der bevorzugten Ausfi'ihrungsform ist der aerodynamische Querschnitt (Figur 6) durch gestrichelte Linien 31,32 in drei Bereiche; 33, 34 und 35 aufgeteilt. Die beiden ersten Bereiche sind kritische Bereiche da sie kritische Fasern in der Nähe dor ProfiI-

309839/0377

AAVIi

vorderkante und der Profilhinterkante enthalten. Diese Fasern können nickt durch den Hals 18 in den linken Ansatz 20 gebogen werden

ohne den minimal zulässigen Biegeradius der Fasern zu überschreiten. Alle Fasern dieser beiden Bereiche verlaufen deshalb in den rechten Ansatz 21. Für die Fasern in dem ernten und dem zweiten Berech stellt somit die rechte Seite der Wurzel die schere Seite dar. Bei einem bestimmten aerodynamischen Profil und einer bestimmten Ausführung der Wurzel können mehrere sichere Bereiche für eine kritische Faser vorliegen. Die Fasern des dritten Bereiches 35 sind in einen linken und einen rechten Bündel 36,37 entlang einer Spreizliixie 38 aufgeteilt. Der linke Bündel 36 ragt in den liaken Ansatz, der Wurzel und der rechte Bündel 37 ragt in den rechten Ansatz 21 der Wurzel um beide Wurzelseiten zu verstärken. Ein Keil 4O (Figur 5) mit einer Spitze 42 ist in dein mittleren Teil der Wurzel zwischen den Bündeln 36 und 37 vorgesehen. Dieser Teil 4O kann als Eirisotzteil mit den Bündeln verklebt sein, oder er kann mit dem restlichen Teil der Wurzel aus einen Stück hergestellt sein falls z.B. die Wurzel aus einem grössorcen Stück maschinell hergestellt ist, in die später die Fasern des aerodynamischen Profils eingebettet werden. Die Spreizlinie 38 (Figur 6) entspricht dor Spüre 42 des Keiles 40.

Wie Dun der obigen Ecrichreibung des bo vox* äugten 7vusführungsbeiePieJx-3 zu erkennen int, hat nur ein raittlei-er Bereich 39 der Wurzel 16 Fasern, die sich in den linken und in den rechten Ansstz 20.21 crcfcrcf.tfn (siehe Figur 5) und nur der rechte Annatz 21 enthält die Füfcrn, welche in der Kühe der Viurzelvordcrsaite 22 "und der Vi'urüclrnckseitf: 24 liegen (siehe Figuren 3 und 4). Nachöera jedoch tlor gross:te Teil der radialen Belastung der Schaufel durch den v.dtti.r.rr-n Dc::oich der Blattwurzel übertragen wird konnte raan ftf; Irstnllen, ö?f?s tfic CndGn der Wurzel eine genügende Festigkeit auivaisen n:a acn auf cie ent£allendc?.n Anteil de3T Scherbe la r Lung ohne Vorr-tarKuno rmi zunehmen. Obschon an verschiedenen örtlichen S tu 1 If η in o'-?r· Nahe der Enden 22, 24 der lirvken Würze Ine it«.» 20 kein«, ver iL;'.;;},cnde Fi-.sern vorgesehen nx;>a wird die gesamte Festigkeit das D/.'ctep ü'.ürch aas Ausschalten von durch'jerchnittt·;-»;«!! und öb...-rbvlaf?Leti--n Fascru v;cjcnt? ich vorbor.s<;rt. Durch die Ai/i'-llung

309839/0377 BAD ORiQtNAi

-⁸ - 230756?

des aerodynamischen Querschnittes in verschiedene Bereiche, wie oben beschrieben wurde, und durch das Sicherstellen dass kritische Fasern nur in den sicheren Bereich der Wurzel verlaufen eihiflt man eine maximale Ausnutzung aller Fasern.

Obschon die Erfindung anhand einer Schaufel mit einer Schwalbsnschwanzwurael beschrieben wurde ist sie nicht auf die Anwendung bei einer solchen Schaufel begrenzt und kann z.B. auch bei einer Wurzel mit einer doppelten Schv/albenschwanzform entsprechend der U.S. Patentanmeldung Nr. 234.743 Anwendung finden.

309839/0377

Claims (4)

1. PATENTANS PRUECHE.

   / 1) Verbundschaufel mit einem aerodynamischen Profil und einer Wurzel, wobei das aerodynamische Profil im wesentlichen in Längsrichtung verlaufende Fasern enthält, die in die Wurzel hineinragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern unkritische und kritische Fasern umfassen und die Wurzel wenigstens einen sicheren Bereich für die kritischen Fasern umfasst, wobei im wasentlichen alle Fasern ununterbrochen sind und die kritischen Fasern nur in den sicheren Breich hineinragen damit die Fasern den minimal zulässigen Biegeradius nicht überschreiben.
2. 2. Verbundschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unkritischen Fasern auf die rechte und linke Seite der Wurzel aufgeteilt sind um dieser zusätzliche Festigkeit zu verleihen.
3. 3. Verbundschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wurzel wenigstens einen Ansatz auf jeder Seite aufweist und dass wenigstens einer dieser Ansätze den sicheren Bereich darstellt und die Fasern in alle Ansätze zu ihrer Verstärkung gefühxt sind.
4. 4. Verbundschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in der Nähe der Profilvorderkanto und der Profilhinterkante kritische Fasern sind und die rechte Seite der Wurzel den sicheren Bereich für diese kr it. ir. ehe Fasern darstellt die somit in diese Seite hineinragen und dass die Fasern zwischen den kritischen Fesern an der Profilvorderkante und der Profilhinterkante unkritische Fasern sind und auf beicb Wurzelseiten aufgeteilt sind.

   309839/0377

   Leerseite