DE4411679C1

DE4411679C1 - Schaufelblatt in Faserverbundbauweise mit Schutzprofil

Info

Publication number: DE4411679C1
Application number: DE4411679A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sikorski; Michael Schober; Reinhold Schoenacher
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1994-04-05
Filing date: 1994-04-05
Publication date: 1994-12-01
Anticipated expiration: 2014-04-06
Also published as: FR2718101A1; GB2288441A; GB9506904D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Propeller- oder Gebläseschaufel nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aufgrund ihrer günstigen werkstofftechnischen Eigenschaften werden Schaufelblätter von Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Gebläse schaufeln von Turbotriebwerken, Propeller und Rotorblätter von Hub schraubern und Windkraftanlagen zunehmend aus faserverstärkten Werk stoffen gefertigt. Diese Werkstoffe haben den Vorteil hoher Festigkeit und geringen Gewichts, andererseits ist ihnen jedoch der Nachteil zu eigen, daß sie sich Betrieb erosionsempfindlich zeigen. Je nach Einsatz bedingungen unterliegen sie der Regen- und Partikelerosion (z. B. In sekten und Sand). Insbesondere reagieren sie empfindlich beim Auftreffen größerer Fremdkörper, wie beispielsweise Eisbrocken, Steine, Vögel u. a. Dieser Nachteil gilt verschärft für die schmalen Eintrittskanten von Gebläseschaufeln, und zwar um so mehr, je höher die Relativgeschwindig keit zwischen dem Schaufelblatt und dem auftreffenden Partikel ist. Eine Profilveränderung aufgrund der Erosion kann jedoch im Hinblick auf die Erhaltung einer hoher aerodynamischen Güte keinesfalls toleriert werden. Zum Schutz von Rotorschaufelblättern ist es aus dem Hubschrauberbau bekannt, die Blattvorderkante mit einem aufgeklebten Blechprofil zu versehen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei starken Schlagbelastungen, beispielsweise durch Fremdkörpereinfluß, die Klebestelle aufgrund star ker Verformung des Blechprofils versagt und sich dann meist das Blech profil vom übrigen Schaufelblatt komplett abschält und ablöst.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schutz gegen Erosion und Fremdkörpereinwirkung für Propeller- und Gebläseschaufeln in Faserverbundbauweise anzugeben, welcher auch bei lokaler Schädi gung einen zuverlässigen Verbund mit dem Schaufelblatt bildet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß aufgrund der Vernäh ung des Schutzprofils mit dem Schaufelblatt sich ein formschlüssiger Verbund zwischen diesen ergibt, welcher die Haftfestigkeit des Schutz profils am Schaufelblatt, insbesondere nach einer schlagartigen Fremd körpereinwirkung auf das Schutzprofil gegenüber einer Klebeverbindung erheblich erhöht. Ein wesentlicher Vorzug ist darin zu sehen, daß selbst bei lokaler Zerstörung oder Beschädigung der Vernähung, also bei ge rissenem Faden sich die Vernähung über den Schadensbereich hinaus nicht weiter löst, da die quer durch Faserschichten laufenden Fäden infolge Haftung einen festen Verbund mit den Faserschichten bilden und somit ein Auffädeln der Vernähung sicher unterbunden wird.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist das Schutzprofil im Be reich der Schaufelvorder- bzw. -hinterkanten konturgebend U- oder V-för mig ausgebildet. Womit ein zuverlässiger Schutz auch bei quer auf treffenden Fremdkörpern gewährleistet wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der Patentansprüche 3 bis 16.

Zur Vermeidung von widerstandsbildenden Stufen auf der Oberfläche des Schaufelblattes sind zur oberflächenplanen Aufnahme der Fäden in den Bohrungen Einsenkungen und zwischen den Bohrungen Vertiefungen vorge sehen. Aufgrund der augenfälligen Lage der Einsenkungen und Vertiefungen auf der Profiloberfläche sind die Nahtstellen ohne weiteren apparativen Aufwand einer Sichtinspektion zugänglich, da lose Fäden auf eine schad hafte Vernähung hinweisen. Weitere Ausbildungen zur Erhöhung der Stand festigkeit der Vernähung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentan sprüche 10 bis 13.

Vorzugsweise ist das Schutzprofil mit nach innen weisenden Krallen versehen, welche durch Eingreifen in die Faserschichten den form schlüssigen Verbund zwischen Schaufelblatt und Schutzprofil ver stärken. Weitere Maßnahmen zur Unterstützung der genähten Verbindung sind in den Patentansprüchen 15 und 16 angegeben, wobei ein Über zug des Schutzprofils mit einer Faserverbundschicht diesem eine bessere Korrosionsbeständigkeit verleiht.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Grundriß einer Propfanschaufel mit Schutzprofilen,

Fig. 2 einen Querschnitt der Propfanschaufel gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung der Propfanschaufel im Bereich einer vernähten Bohrung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung der Propfanschaufel im Bereich eines in der Bohrung verknoteten Fadens gemäß Fig. 2,

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht im Bereich der Schaufel vorderkante mit Schutzprofil und

Fig. 6 ein Diagramm zum Schälversuch einer FVK-2D und 3D-Schaufelblattprobe.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Gebläseschaufel 1 eines nicht weiter dar gestellten Propfan-Strahltriebwerkes ist zum Schutz vor Erosion und Fremdkörpereinwirkung die Schaufelvorderkante 2 und die -hinterkante 3 des Schaufelblattes 4 mit metallischen Schutzprofilen 5 versehen, die sich von der Blattspitze 6 bis knapp an die Blattwurzel 7 er strecken. Zur Verstärkung des geklebten Verbundes zwischen Schau felblatt 4 und den Schutzprofilen 5 sind diese jeweils entlang ihres zur Schaufelmittellinie M hin weisenden Profilrandes 8 mit dem Schau felblatt 4 in mehreren Abschnitten vernäht. Die Fäden 9 der Nähte 10 verlaufen dabei abschnittsweise gerade, gekrümmt oder gezackt entlang des Profilrandes 8 oder auch kreuzend mit Fäden 9′ einer anderen Naht 10′ über die Breite des Schutzprofils 5. Die Nähte 10 können also in den verschiedensten Mustern je nach Breite und Länge des Schutz profils 5 und Anforderung an den Verbund verlaufen. Zur Vernähung des in Faserverbundbauweise erstellten Schaufelblattes 4 mit dem Schutz profil 5 ist dieses mit Bohrungen 11 versehen, durch die die Fäden 9 hindurchgeführt sind.

Wie im Querschnitt der Fig. 2 näher ersichtlich durchdringen Fäden 9, der in Blattiefenrichtung sich erstreckenden Nähte 10′ die in Blattlängs- und Blattiefenrichtung sich erstreckenden Faserschichten 12 des Schaufelblattes 4 zickzackförmig. Zur Sicherung der Naht 10 gegen Auffädelung ist das Fadenende 13′ zwischen zwei Faserschichten 12′ einlaminiert, während in alternativer Fixierung ein anderes Fadenende 13′′ mit einer Faserschicht 12′′ vernäht ist. Als zu sätzliche Lagefixierung des Schutzprofils 5 am Schaufelblatt 4 weisen die Profilränder 8 ins Blattinnere weisende Krallen 14 auf, die mit einer Anzahl oberflächlicher Faserschichten 12 in Ein griff stehen.

Um der Gefahr des Auffädelns zu begegnen, wird für eine Anzahl dicht beieinanderliegender quer- und längsverlaufender Nähte 10 ein einzel ner ununterbrochener Faden 9 statt mehrerer separater kurzer Fäden 9 verwendet wie dies in Fig. 2 im Bereich der Schaufelhinterkante 2 gezeigt ist. Hierzu ist der Faden 9 an Kreuzungsstellen längs und quer verlaufender Nähte 10 vermascht, wie in Fig. 3 gezeigt. Dort ist ein Fadenstück innerhalb einer Bohrung 11 in einer Schlaufe 15 ge legt, und umschlingt dabei ein quer verlaufendes Fadenstück. Oberflä chenseitig in einer Bohrung 11 endende Fäden 9 sind in einer oberflä chenseitigen Einsenkung 16 der Bohrung 11 verknotet (s. Fig. 4) und somit gegen Lockern gesichert. Um ein Auftragen oberflächenseitig verlaufender Nähte 10 zu vermeiden sind zwischen Bohrungen 11 auf der Oberfläche 5 des Schutzprofils 5 nutartige Vertiefungen 17 vorge sehen, deren Tiefe zur Aufnahme eines Fadens 9 auf dessen Dicke abge stimmt ist (s. Fig. 5).

Um ein Aufschwingen der Gebläseschaufel 1 bei bestimmten Betriebs drehzahlen zu vermeiden oder zu dämpfen weist das Schutzprofil 5 mehrere wellenartige Vorsprünge 18 entlang des Profilrandes 8 im Blattspitzenbereich 6 auf. Die Vorsprünge 18 sind in Schaufellängs richtung voneinander beabstandet und ragen zur Schaufelmitte M hinein. Für eine sichere Verbindung sind die Vorsprünge 18 mit dem Schaufelblatt 4 vernäht.

Fig. 6 zeigt in einem Diagramm die erhöhte Schlagbeständigkeit eines vernähten Faserverbundes gegenüber der eines unvernähten Faserverbundes. Als Simultation für die Wirkung einer durch einen senkrechten Fremdkörpereinschlag ausgelösten Schockwelle wird das Ende der Faserproben aufschälend auseinandergezogen. Wie im Diagramm ersichtlich ist zum Aufschälen der vernähten Faser verbundprobe eine etwa 10fache Schälkraft F notwendig, die auf eine erhöhte Beständigkeit der zuvor beschriebenen Gebläseschaufel 1 gegenüber Fremdkörpereinwirkung und Erosion hinweist. Die Zacken im Kurvenverlauf machen dabei den festigkeitserhöhenden Einfluß der Vernähung deutlich.

Claims

1. Propeller- oder Gebläseschaufel für Strömungsmaschinen mit einem Schaufelblatt in Faserverbundbauweise und mit längs der Schaufel vorderkante und/oder -hinterkante angebrachten, separat vom Faser verbund ausgebildetem Schutzprofil, wobei das Schutzprofil, die Kante umfassend, wenigstens abschnittsweise sich auf der Druck- und/oder -saugseite des Schaufelblattes zur Schaufelmittel linie hin erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzprofil (5) mittels eines oder mehrerer Fäden (9) zur Befestigung am Schaufelblatt (4) mit diesem vernäht ist, wobei die Fäden (9) eine Anzahl von Faserschichten (12) quer durchdringen.

2. Propeller- oder Gebläseschaufel nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Schutzprofil (5) im Bereich der Schaufelvorder- bzw. -hinterkanten (2 bzw. 3) konturgebend, U- oder V-förmig ausgebildet ist.

3. Propeller- oder Gebläseschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzprofil quer zur Blattfläche laufende Bohrungen (11) aufweist, durch die zur Vernähung mit dem Schau felblatt (4) Fäden (9) hindurchgeführt sind.

4. Propeller- oder Gebläseschaufel nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bohrungen (11) druck- und saugseitig am Schutzprofil (5) vorgesehen sind.

5. Propeller- oder Gebläseschaufel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (11) abseits der Schaufelvor der- bzw. -hinterkante (2 bzw. 3) im Randbereich des Schutzprofils (5) vorgesehen sind.

6. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzprofil (5) druck- und/oder saugseitig zur Schaufelmittellinie (M) hin sich erstreckende, voneinander in Schaufellängsrichtung beabstandete Vorsprünge aufweist, die zur Vernähung mit dem Schaufelblatt (4) mit Bohrungen (11) versehen sind.

7. Propeller- oder Gebläseschaufel nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ausdehnung der Vorsprünge in Schaufeltiefe und Schaufellänge sowie deren Beabstandung voneinander zur Schwin gungsdämpfung der Propeller- bzw. Gebläseschaufel abgestimmt sind.

8. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (11) strömungsseitig eine Einsenkung (16) zur oberflächenplanen Aufnahme der Fäden (9) aufweisen.

9. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Schutzprofil (5) zwischen den Boh rungen (11) strömungsseitig Vertiefungen (17) zur Aufnahme der streckenweise strömungsseitig verlaufenden Fäden (9) ausgebildet sind.

10. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (9) strömungsseitig zur Fixierung in den Bohrungen (11) stellenweise verknotet sind.

11. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (9) in den Bohrungen (11) strömungsseitig in Schlaufen (15) gelegt sind und mittels durch die Schlaufen (15) laufende Querfäden fixiert sind.

12. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (4) zwischen den saug- und druckseitigen, zur Schaufelmitte (M) sich erstrek kenden Schenkeln des Schutzprofils (5) zick-zack-förmig vernäht ist.

13. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (9), eine Anzahl von Faserschichten (12) zick-zack-förmig vernähend, sich in Schau feltiefe und/oder -länge erstrecken.

14. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gegekennzeichnet, daß das Schutzprofil (5) zur zusätzlichen formschlüssigen Verbindung mit dem Schaufelblatt (4) in Faserschichten eingreifende Krallen (14) aufweist.

15. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Fixierung des Schutzprofils (5) am Schaufelblatt (4) dieses mit dem Schutz profil (5) verklebt ist.

16. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzprofil (5) zur zusätzlichen Fixierung strömungsseitig zumindest teilweise mit einer Faserverbundschicht (12) überzogen ist.