DE2753773A1

DE2753773A1 - Laufschaufel

Info

Publication number: DE2753773A1
Application number: DE19772753773
Authority: DE
Inventors: Charles Elmore Platt
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1978-06-29
Also published as: JPS5379110A; IT1089443B; CA1085304A; GB1542578A; US4108572A; FR2375442A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Laufschaufeln für Turbomaschinen und betrifft insbesondere Schaufeln, die aus in ein Grundmaterial eingebetteten Fasern, welche eine hohe Festigkeit und einen hohen Modul haben, hergestellt sind.

Die Betriebskenntdaten und erwünschten Eigenschaften der Beschaufelung eines Laufrades sind dem Turbomaschinenfachmann bekannt. Vor diesem Hintergrund werden weiterhin beträchtliche Forschungsanstrenungen auf die Entwicklung von Materialsystemen gerichtet, die*die erwünschten Eigenschaften

809826/0581

von Schaufeln in ihrer Betriebsumgebung verbessern.

Eine erwünschte Eigenschaft ist ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht in dem Schaufelsystem. In den vergangenen Jahren hat die umfangreiche Verwendung von Titan beträchtliche Erhöhungen der Verhältnisse von Schaufelfestigkeit zu Schaufelgewicht im Vergleich zu früher benutzten Stahl- oder Aluminiumschaufeln ermöglicht. Titan ist nun als gängiges Material für die meisten Verdichterschaufe!anwendungen zu betrachten.

Eine weitere erwünschte Eigenschaft ist ein hohes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht. Die hohe Steifigkeit reduziert die Empfindlichkeit der Laufschaufeln gegen schädliche Auswirkungen von nachteiligen Schwingungsanregungen. Beträchtliche aerodynamische Verbesserungen sind in Schaufelsystemen erzielbar, die eine ausreichende Torsionssteifigkeit haben, ohne daß im Bereich der Spannweite Teilummantelungen vorgesehen sind.

Verbundmaterialien aus Fasern mit hoher Festigkeit und hohem Modul, die in ein Grundmaterial eingebettet sind, haben sich in den letzten zehn Jahren als vielversprechend für künftige Steigerungen der Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht und Steifigkeit zu Gewicht erwiesen. Leider haben jedoch bislang VerbundschaufeIn eine bekannt niedrige Toleranz gegenüber einer Beschädigung durch Fremdkörper. Bei bekannten Systemen, die beispielsweise aus folgenden US-Patentschriften bekannt sind: 3 098 723 ("Neues Konstruk-

809826/0581

tionsverbundmaterial**), 3 572 971 ("Leichtgewichtige Turbomaschinenbeschaufelung'*), 3 649 425 ("Gekrümmt geformte Verbundmaterialien aus in ein metallisches Grundmaterial eingebetteten feuerfesten Bändern**), 3 699 623 ("Verfahren zum Herstellen von korrosionsbeständigen Verbundmaterialien** und 3 762 835 ("Schutz von Verdichterschaufeln und anderen Teilen vor Beschädigung durch Fremdkörper und diesbezügliche Verfahren**), wird ein sprödes Verbundmaterial in eine duktilere und ganz aus He tall bestehende Hülle eingeschlossen, um die Beständigkeit der Verbundkonstruktion gegen Beschädigung durch Fremdkörper zu verbessern.

Weitere Verbesserungen, die die Überiebenschancen von Verbundschaufeln steigern und die Herstellbarkeit von Verbundschaufeln erleichtern, sind erforderlich, bevor eine volle Nutzanwendung in Turbomaschinen erfolgen kann.

Ziel der Erfindung ist es, eine LaufSchaufelkonstruktion zu schaffen, die ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und ein hohes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht hat. Eine ausreichende Beständigkeit der Schaufelkonstruktion gegen eine Beschädigung durch Fremdkörper soll vorhanden sein und in einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein wirksamer Gebrauch von Titan gemacht, um die Beständigkeit gegen eine Beschädigung durch Fremdkörper in einer vorwiegend aus Verbundmaterial bestehenden Konstruktion zu verbessern. Außerdem sollen die Torsionsteifigkeit und die Festigkeit der Schaufelkonstruktion in Richtung der Schaufelspannweite

809826/0581

optimiert werden.

Gemäß der Erfindung ist an einem Kern aus Fasern, die eine hohe Festigkeit und einen hohen Modul haben und sich in Richtung der Spannweite über die Länge einer Laufschaufel erstrecken, auf der Saugseite ein Laminat aus Kreuzlagenverbundmaterial (d.h. aus kreuzweise übereinandergelegten Lagen) und auf der Druckseite ein Material aus Titanblech und Kreuzlagenlaminat befestigt worden, wobei die Kombination einen Beitrag zu der Gesamtschaufelsteifigkeit liefert, der dem Beitrag zu der Gesamtsschaufelsteifigkeit des Laminats aus Kreuzlagentnaterial auf der Saugseite der Schaufel nahekommt.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist der Kern aus sich in Richtung der Spannweite erstreckenden Fasern. Ein weiteres Merkmal ist das Titanblech, das sich von der Vorderkante aus über die Druckseite der Schaufel erstreckt. Weitere Merkmale sind das Laminat aus Kreuzlagenverbundmaterial auf der Druckseite, das an dem Titanblech in dem Schaufelmittsehnenbereich befestigt ist, und das Laminat aus Kreuzlagenverbundmaterial auf der Saugseite, das an dem Kern in dem Schaufelmittsehnenbereich befestigt ist.

Ein Hauptvorteil der Laufschaufel ist das hohe Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, das sich durch maximale Verwendung von sich in Richtung der Spannweite erstreckendem Fasermaterial ergibt. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist

809826/0581

der Widerstand gegen eine Beschädigung durch Fremdkörper, welcher sich durch das Titanblech ergibt. Die Materialien mit der größten Scherungssteifigkeit sind in maximalem Abstand von der Flügelprofilmittellinie angeordnet. Symmetrische Beiträge der Materialien zur Torsionssteifigkeit maximieren die Torsionssteifigkeit der Schaufel durch Verlegen des Zentrums der Torsionssteifigkeit in die unmittelbare Nähe der geometrischen Mittellinie des Flügelprofils.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Lauf

schaufel,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittanischt auf der

Linie 2-2 von Fig. 1, und

Fig. 3 eine stark vergrößerte Schnittansicht

des vorderen Randes längs der Linie 2-2 in Fig. 1, die den Grundmaterialaufbau zeigt, der zwischen Lagen auf der Saugseite der verformten Schaufel infolge eines Fremdkörperaufpralls auftritt.

Eine Laufschaufel,wie beispielsweise die Gebläseschaufel 10 eines Gasturbinentriebwerks, die in Fig. 1 gezeigt ist,

809826/0581

hat einen Flügelprofilabschnitt 12 und einen Wurzelabschnitt 14. Eine vergrößerte Querschnittansicht durch das Flügelprofil ist in Fig. 2 gezeigt. Der Flügelprofilabschnitt hat einen Vorderrand 16 und einen Hinterrand 18. Die Druckseite 20 des Flügelprofilabschnitts und die Saugseite 22 sind ebenfalls gezeigt. Der Flügelprofilabschnitt hat einen Kern 24 aus Fasern, die eine hohe Festigkeit und einen hohen Modul haben, in ein Grundmaterial eingebettet sind und sich in Richtung der Spannweite durch die Schaufel erstrecken. Ein Titanblech 26 erstreckt sich von dem Vorderrand über einen größeren Teil der Druckseite des Flügelprofils. Ein erstes Laminat 28 aus Kreuzlagenverbundmaterial bedeckt den Mittsehnenbereich und ist an dem Titanblech auf der Druckseite des Flügelprofilabschnitts befestigt. Ein zweites Laminat 30 aus Kreuzlagenverbundmaterial bedeckt den Mittsehnenbereich und ist an dem Kern auf der Saugseite des Flügelprofils befestigt.

Der Kern 24 aus sich über die Spannweite erstreckenden Fasern gibt der Konstruktion ein sehr hohes Verhältnis von Festigkeit in Richtung der Spannweite zu Gewicht. Das hohe Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ermöglicht eine Verringerung der Größe derjenigen Konstruktion, die zum Haltern der Schaufeln in einem arbeitenden Triebwerk erforderlich ist. Nebenbei haben Verbundmaterialien ein sehr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Querschnittsfläche und ermöglichen deshalb aerodynamisch bessere SchaufeIkonstruk-

809826/0581

tionen. Eine bedeutende Verbesserung ergibt sich in der Nähe der Schaufelwurzel, wo Schaufeln mit geringerer Dicke die Querschnittsfläche des Arbeitsmittelströmungsweges beträchtlich erhöhen.

Die sich in Richtung der Spannweite erstreckenden Fasern von relativ flachen Schaufeln geben dem System wenig Torsionsteifigkeit. Ein Mangel an Torsionssteifigkeit ist besonders kritisch bei Gebläseschaufeln, da bei ihnen nachteilige Schwingungsanregungen und eine nachteilige Selbsterregung die Lebensdauer der Schaufel in zerstörerischer Weise beeinflussen können. Gemäß der Erfindung erhält das Schaufelsystem seine Torsionssteifigkeit durch die Vereinigung des Titanblechs mit dem ersten Laminat von Kreuzlagenmaterial auf der Druckseite des Flügelprofils und durch das zweite Laminatkreuzlagenmaterial auf der Saugseite des Flügelprofils. Nahezu gleiche Steifigkeitsbeiträge von torsionssteifem Material auf der Druckseite und auf der Saugseite des Flügelprofils werden benutzt, um die Flügelprofilsteifigkeit zu max linieren.

Die Torsionssteifigkeit der Konstruktion ist eine Funktion des Abstandes des Versteifungsmaterials von dem Torsionssteifigkeitsmittelpunkt:

Gx²dxdb

wobei K - Torsionssteifigkeit; G - Scherungsmodul;

809826/0581

χ = Abstand des Materials von dem Torsionssteifigkeits-

mittelpunkt; und
b ■ Strecke längs der Flügelprofilabschnittmittellinie.

Die Lage des Materials, das den größten effektiven Scherungsmodul hat, ist kritisch. Je weiter dieses Material von dem Steifigkeitsmittelpunkt der Konstruktion entfernt ist, um so größer wird der Beitrag zur Torsionssteifigkeit. In einem besonderen Schaufelsystem sind die Fasern hoher Festigkeit und hohen Moduls sowohl des Kerns als auch der Kreuzlagen Borfasern und in ein Aluminiumlegierungsgrundmaterial eingebettet. In diesem System ist der Scherungsmodul des Kreuzlagenmaterials größer als der Scherungsmodul des Titans. Der Scherungsmodul der Kernmaterials ist jedoch wesentlich kleiner als der des Titans oder des Kreuzlagenmaterials. Demgemäß trägt das Kernmaterial unbedeutend zu der Torsionssteif igkeit der Konstruktion bei.

Der Steifigkeitsmittelpunkt wird in unmittelbarer Nähe der geometrischen Mittellinie A des Flügelprofils gehalten. Das Kreuzlagenmaterial auf der Saugseite und die Kombination aus Kreuzlagenmaterial und Titanblech auf der Druckseite sind so abgeglichen, daß sie beinahe gleiche Beiträge zu der Steifigkeit der Gesamtkonstruktion liefern. Gemäß Fig. 2 ist eine größere Menge an Kreuzlagenmaterial auf der Saugseite des Flügelprofils angeordnet, um das auf der Druckseite des Flügelprofils angeordnete Titan zu kompensieren.

809826/0581

Das Biegen der Schaufel In der Profilsehne bei dem Aufprall eines Fremdkörpers erzeugt Zugbeanspruchungen auf der Druckseite der Schaufel und Druckbeanspruchungen auf der Saugseite der Schaufel. Das Titanblech hat eine wesentlich größere Zugfestigkeit in Richtung der Profilsehne als das Grundmaterial in den Kernfasern, an welchen es festhaftet. Das Titanblech gibt dem Kerngrundmaterial Zugfestigkeit und die Empfindlichkeit der Schaufel gegenüber Versagen durch Zugbeanspruchung auf der Druckseitenfläche wird stark verringert. Es sei angemerkt, daß das Ausdehnen des Titanbleches über ungefähr 75 % der Sehnenlänge oder mehr die Empfindlichkeit der Konstruktion bezüglich Brechens bei Stoßbeanspruchung stark verringert.

Obgleich Titan offenbar vergleichbare Vorteile bieten würde, wenn es auf der Saugseite des Flügelprofils angeordnet wäre, hat sich diese Doppelverwendung von Titan als weniger wirksam als eine gleichwertige Dicke von eich in Spannweite erstreckendem Verbundmaterial erwiesen. Das sich in Spannweite erstreckende Verbundmaterial auf der Saugseite nimmt bei der Verformung aufgrund von Stoßbelastungen eine Beanspruchung in Richtung der Spannweite auf und verleiht der Konstruktion Stoßbeständigkeit. Außerdem wird bei einem Stoß der Vorderrand der Schaufel In der in Flg. 3 gezeigten Weise verformt. Zugbeanspruchungen auf der Druckseite des Flügelprofils werden durch das Titanmaterial toleriert. Druckbeanspruchungen auf der Saugseite des Flügelprofils verursachen eine örtliche Ausbauchung B des Grundmaterials und infolgedessen eine größere Querschnittsfläche des Grundmaterials. Die Fähigkeit des Verbundmaterials, weiterer

809826/0581

Verformung standzuhalten, wird durch den vergrößerten Querschnitt verbessert.

In der vorstehend beschriebenen Schaufelkonstruktion wird von geeigneten Materialien passender Gebrauch gemacht. Titanmaterial wird längs des Vorderrandes angeordnet und erstreckt sich in einer Hauptausführungsform nicht bis zu der Saugseite des Flügelprofils. Eine begrenzte Menge an Kreuzlagenmaterial haftet fest auf der Saugseite und auf der Druckseite des Flügelprofils j um die Torsionssteifigkeit zu verbessern. Eine maximale Verwendung von sich über die Spannweite erstreckenden Fasern wird durch die zweckmäßige Anordnung von Kreuzlagenmaterial und Titan ermöglicht.

OfMINM- INSPECTED 809826/0581

Claims

Patentansprüche;

Laufschaufel der Verbundbauart für eine Turbomaschine, mit einem Vorderrand, einer Druckseite und einer Saugseite, gekennzeichnet durch einen Kern aus Fasern, die eine hohe Festigkeit und einen hohen Modul haben, in ein metallisches Grundmaterial eingebettet sind und sich in Richtung der Spannweite durch die Schaufel erstrecken; durch ein Titanblech, das an der Druckseite des Kerns festhaftet;

durch ein erstes Laminat aus Kreuzlagenverbundmaterial aus Fasern, die eine hohe Festigkeit und einen hohen Modul haben und in ein metallisches Grundmaterial eingebettet sind, das an dem Titanblech in dem Schaufelmittsehnenbereich festhaftet; und

durch ein zweites Laminat aus Kreuzlagenverbundmaterial aus Fasern, die eine hohe Festigkeit und einen hohen Modul haben und in ein metallisches Grundmaterial eingebettet

809826/0581

ORIGINAL

sind, das an der Saugseite des Schaufelkerns festhaftet.
2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern hoher Festigkeit und hohen Moduls Borfasern sind und daß das metallische Grundmaterial eine Legierung auf Aluminiumbasis ist.
3. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Titanblech und das erste Laminat aus Kreuzlagenmaterial so ausgebildet sind, daß sie eine Komponente der Gesamtschaufeltorsionssteifigkeit liefern, die ungefähr gleich der Steifigkeitskomponente ist, die durch das zweite Laminat aus Kreuzlagenmaterial geliefert wird.
4. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Flügelprofilabschnitt, der den sich über die Spannweite erstreckenden Kern aufweist.
5. Laufschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß sich das Titanblech von dem Vorderrand des Flügelprofilabschnitts über ungefähr 75 % der Schaufelsehne erstreckt.

809826/0581