DE69824817T2 - Frequenzabgestimmte Turbomaschinenschaufel - Google Patents

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Joseph Timothy Stevenson
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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/12Blades
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf eine breite Sehne aufweisende Fanschaufeln darin.
  • Ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk enthält eine Reihe von Fan- bzw. Bläserschaufeln, die durch eine Niederdruck-Turbine (NDT) angetrieben werden. Luft tritt zunächst in das Triebwerk durch den Fan bzw. Bläser ein, und ein innerer Teil davon tritt in einen Verdichter ein, der die Luft verdichtet zum Mischen mit Brennstoff in einem Brenner, und das Gemisch wird gezündet zum Erzeugen heißer Verbrennungsgase, die stromabwärts durch eine Hochdruck-Turbine (HDT) strömen, die Energie entzieht zum Antreiben des Verdichters. Die Verbrennungsgase strömen dann durch die NDT, die zusätzliche Energie daraus entzieht zum Antreiben des Fan. Der verbleibende äußere Teil von der durch den Fan strömenden Luft wird aus dem Triebwerk ausgestoßen zum Erzeugen von Schub zum Antreiben eines Flugzeuges im Fluge.
  • Eine Fanschaufel enthält einen Schwalbenschwanz an seinem radial inneren Ende, der in einer komplementären schwalbensschwanzförmigen Nut in dem Umfang von einer Rotorscheibe eingeschlossen ist. Ein stromlinienförmiger Abschnitt ist an dem Schwalbenschwanz durch einen tragenden Schaft befestigt. Plattformen können einstückig mit der Schaufel verbunden sein oder getrennt zwischen benachbarten Schaufeln befestigt sein zum Ausbilden einer radial inneren Strömungsbahn-Begrenzung für die Fanluft, wobei die Plattform radial auf dem Schaft an einem radial inneren Fuß von dem stromlinienförmigen Abschnitt angeordnet ist.
  • Der stromlinienförmige Abschnitt erstreckt sich radial nach außen zu einer gegenüber liegenden Spitze und hat eine Vorderkante und eine axial gegenüber liegende Hinterkante, die zusammen den Umfang des stromlinienförmigen Abschnittes bilden. Der stromlinienförmige Abschnitt hat eine im allgemeinen konkave oder erste Druckseite und eine in Umfangsrichtung gegenüber liegende konvexe oder zweite Saugseite. Der stromlinienförmige Abschnitt hat eine Spanne oder Längsachse, die in der radialen Richtung von der Mittellinie der Rotorscheibe ausgeht, an der er befestigt ist, und verschiedene Sehnen, die sich im allgemeinen axial zwischen den Vorder- und Hinterkanten erstrecken. Der stromlinienförmige Abschnitt ist üblicherweise von seinem Fuß bis zu seiner Spitze verdreht zum Maximieren der aerodynamischen Leistungsfähigkeit.
  • Eine breite Sehne aufweisende Fanschaufeln haben ein relativ kleines Seitenverhältnis, was ihr Spannen-zu-Sehnenverhältnis ist, und sie sind relativ schwer, wenn sie aus massiven Metallteilen gebildet sind. Eine Gewichtsreduktion wird üblicherweise erhalten, wenn hochfeste Superlegierungsmaterialien, wie beispielsweise diejenigen, die Titan enthalten, verwendet wird. Wenn jedoch Triebwerke in ihrer Größe wachsen, vergrößern die entsprechenden Fanschaufeln Größe und Gewicht und sie vergrößern die Schwierigkeit, eine geeignete Lebensdauer dafür unter den hohen Zentrifugalbelastungen zu erzielen, die während des Betriebs erzeugt werden.
  • In getrennten Entwicklungen sind Vollverbund-Fanschaufeln ausgestaltet worden, um das Gewicht zu reduzieren, während für eine akzeptable Leistungsfähigkeit in der Gasturbinen-Triebwerksumgebung gesorgt wird. Eine typische Verbundschaufel enthält mehrere Schichten aus Strukturfasern, wie beispielsweise Graphit, die in einer geeigneten Matrix, wie beispielsweise Epoxid, eingebettet sind, um für eine Maßschneiderung der Schaufelfestigkeit in einer leichtgewichtigen Struktur zu sorgen. Verbundschaufeln erfordern einen komplexen Fertigungsprozeß und sind teuer zu produzieren.
  • Hybridschaufeln sind ebenfalls entwickelt worden, die primär aus Metall, wie beispielsweise Titan, sind und geeignete Taschen darin aufweisen zum Reduzieren des Gewichtes, wobei die Taschen mit einem geeigneten Füllmaterial gefüllt sind, um das erforderliche aerodynamische Profil des stromlinienförmigen Abschnittes zu vervollständigen. Jedoch verkleinern Taschen in einem ansonsten tragenden stromlinienförmigen Abschnitt dessen Steifigkeit oder die entsprechenden Trägheitsmomente und erzeugen so ein zusätzliches Problem im Schwingungsverhalten und der Widerstandfähigkeit gegenüber Fremdobjektbeschädigung (FOD von Foreign Object Damage).
  • Genauer gesagt, wird eine Fanschaufel während des Betriebs Zentrifugalkraft, aerodynamischer Kraft und Schwingungsanstössen ausgesetzt aufgrund der Rotation der Fanschaufeln über den verschiedenen Betriebsdrehzahlen des Triebwerkes. Eine Fanschaufel hat verschiedene Resonanzschwingungsmodi aufgrund der verschiedenen Anregungskräfte, die während des Betriebs des Triebwerks auftreten. Eine Fanschaufel ist grundsätzlich von ihrer Rotorscheibe auskragend und kann sich deshalb im allgemeinen in der Umfangsrichtung in Biegemodi der fundamentalen oder höheren Ordnung biegen. Der stromlinienförmige Abschnitt ist auch Torsionsschwingungsmodie der fundamentalen oder höheren Ordnung ausgesetzt, die durch Verdrehen um die Spannenachse des stromlinienförmigen Abschnittes herum auftreten. Die Biege- und Torsionsschwingungsmodi können auch miteinander gekoppelt sein, wodurch um die Schwierigkeit des Schaufeldesigns noch weiter vergrößert wird.
  • Hybridschaufeln, die leichtgewichtige Taschen darin enthalten, können auch örtlichen Platten-Schwingungsmodi ausgesetzt sein aufgrund des verbleibenden dünnen Metalls an der Basis der Taschen, die getrennt schwingen können. Zusätzlich zu diesen verschiedenen Schwingungsmodi der einzelnen Schaufeln kann die volle Schaufelreihe auf der Rotorscheibe gemeinsam in Gruppenmodi schwingen.
  • Obwohl Hybridschaufeln, die entwickelt worden sind, eine wesentliche Reduktion im Schaufelgewicht erlauben, verkleinern die an den Enden offenen Taschen darin notwendigerweise sowohl die Biege- als auch Torsionssteifigkeiten oder Trägheitsmomente des stromlinienförmigen Abschnittes, was die verschiedenen Schwingungsmodi nachteilig beeinflußt. Beispielsweise verkleinern die Taschen die Biegesteifigkeit und können die Resonanzfrequenz des Grundschwingungsmodus entsprechend verkleinern. Dies verkleinert wiederum die Frequenzgrenze zwischen dem fundamentalen oder Grundschwingungsmodus der Schaufel und der üblichen 1/U Grundanregungsfrequenz des Triebwerks. Je kleiner die Frequenzgrenze, desto größer ist die Anregungsantwort und die entstehende Schwingungsverschiebung und Beanspruchung, die durch geeignete Dämpfung verkleinert werden kann. Die Taschen verkleinern auch die Torsionsbiegesteifigkeit der Schaufel, was zu einer Verringerung in der Frequenzgrenze beispielsweise zwischen Torsionsmodi und benachbarten Biegemodi führt. Dies kann ebenfalls zu einer unerwünschten Schaufelanregung während des Betriebs aus aerodynamischen Anregungskräften führen.
  • Da die Fanschaufeln die erste rotierende Struktur in einem Gasturbinentriebwerk sind, die Einströmungsluft empfangen, sind sie auch Fremdobjektbeschä digung (FOD) aufgrund von beispielsweise Vogelaufprall ausgesetzt. Übliche Fanschaufeln sind deshalb so ausgestaltet, daß sie geeignete FOD Festigkeit haben mit Flexibilität an dem Vorderkantenbereich der Schaufel, um einem Vogelaufprall mit geringer oder gar keiner permanenten Beschädigung daran zu widerstehen. Die Taschen, die für Hybridschaufeln entwickelt worden sind, verkleinern notwendigerweise die Steifigkeit des stromlinienförmigen Abschnittes hinter der Vorderkante und verkleinern somit die Fähigkeit des stromlinienförmigen Abschnittes, einer Fremdobjektbeschädigung zu widerstehen.
  • Es ist deshalb erwünscht, eine verbesserte Hybrid-Fanschaufel bereitzustellen, die speziell konfigurierte Taschen hat zur Frequenzabstimmung der Schaufel und Aufrechterhaltung von FOD Widerstandsfähigkeit.
  • Gasturbinen-Fanschaufeln, die einen metallischen stromlinienförmigen Abschnitt mit leichtgewichtigen Taschen haben, die mit einem Füllmaterial gefüllt sind, sind in US-A-5,634,771 und US-A-5,407,326 beschrieben.
  • Gemäß der Erfindung wird eine Gasturbinentriebwerks-Bläserschaufel bereitgestellt enthaltend:
    einen metallischen stromlinienförmigen Abschnitt mit ersten und zweiten gegenüber liegenden Seiten, die sich radial zwischen einem Fuß und einer Spitze und axial zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstrecken, zum Verdichten von darüber geleiteter Luft;
    wobei der stromlinienförmige Abschnitt ferner mehrere Taschen aufweist, die in der ersten Seite angeordnet und durch entsprechende Rippen getrennt sind, die radiale und diagonale Rippen aufweisen; und
    einen Füllstoff, der in den Taschen gebunden ist und die gleiche Ausdehnung wie die erste Seite des stromlinienförmigen Abschnittes hat, dadurch gekennzeichnet, daß
    die radialen und diagonalen Rippen nur Rippen des anderen Typs schneiden zum selektiven Vergrößern von Torsions- und Biegesteifigkeit, um die Frequenzgrenze zwischen benachbarten Torsions- und Biege-Resonanzschwingungsarten zu vergrößern; und
    wobei sich jede diagonale Rippe von der Vorderkante zur Hinterkante erstreckt und mit der radialen Rippe einstückig verbunden ist.
  • Die Erfindung gemäß bevorzugten und einfachen Ausführungsbeispielen wird nun zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen in der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine Seitenansicht von einer Hybrid-Fanschaufel für ein Gasturbinentriebwerk ist, die speziell konfigurierte Taschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält;
  • 2 eine Draufsicht auf die in 1 dargestellte Fanschaufel ist, die in ihrer Rotorscheibe angebracht ist, und zwar allgemein entlang der Linie 2-2;
  • 3 eine radiale Schnittansicht durch einen Mittelspannenabschnitt von dem in 1 dargestellten stromlinienförmigen Abschnitt über einer diagonalen Rippe darin ist und entlang der Linie 3-3 gemacht ist;
  • 4 eine radiale Schnittansicht durch den stromlinienförmigen Abschnitt von der in 1 dargestellten Schaufel nahe ihrem Fuß ist und entlang der Linie 4-4 gemacht ist.
  • In 1 ist eine von mehreren beispielhaften Gasturbinentriebwerks-Fanrotorschaufeln 10 dargestellt, die auf dem Umfang von einer Rotorscheibe 12 angebracht sind, die zum Teil gezeigt ist. Gemäß der Erfindung ist die Schaufel 10 als eine Hybridschaufel konfiguriert, die einen metallischen stromlinienförmigen Abschnitt 14 mit einer ersten oder Druckseite 16, die im allgemeinen konkav ist, und eine in Umfangsrichtung gegenüber liegende zweite oder Saugseite 18 aufweist, die im allgemeinen konvex ist. Die ersten und zweiten Seiten oder Flächen 16, 18 erstrecken sich radial entlang der Spanne des stromlinienförmigen Abschnittes 14 zwischen einem radial inneren Fuß 20 und einer gegenüber liegenden radial äußeren Spitze 22.
  • Die ersten und zweiten Seiten erstrecken sich auch axial entlang der Sehne von dem stromlinienförmigen Abschnitt zwischen einer Vorderkante 24 des stromlinienförmigen Abschnittes und einer axial gegenüber liegenden Hinterkante 26. Während des Betriebs strömt Umgebungsluft 28 über die zwei Seiten des stromlinienförmigen Abschnittes von der Vorderkante zur Hinterkante und wird durch den stromlinienförmigen Abschnitt in einer üblichen Weise verdichtet, um Antriebsschub während des Betriebs zum Antreiben eines Flugzeuges im Fluge zu erzeugen.
  • Obwohl der stromlinienförmige Abschnitt 14 integral oder direkt an der Rotorscheibe 12 in einer einstückigen Anordnung angebracht sein kann, die als eine Blisk bzw. mit Schaufeln versehene Scheibe bekannt ist, ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel jeder der stromlinienförmigen Abschnitte 14 in einer üblichen Weise lösbar an der Scheibe 12 befestigt. Genauer gesagt, die Schaufel 10 enthält ferner einen integralen metallischen Schaft 30, der einstückig mit dem Fuß 20 des stromlinienförmigen Abschnittes verbunden ist, um die Schaufel an der Rotorscheibe 12 zu befestigen. Dies wird unter Verwendung eines üblichen metallischen Schwalbenschwanzes 32 herbeigeführt, der einstückig mit dem Schaft 30 verbunden ist zum Befestigen der Schaufel in einer komplementären schwalbensschwanzförmigen Nut 12a in der Rotorscheibe. Der stromlinienförmige Abschnitt 14, der Schaft 30 und der Schwalbenschwanz 32 können zunächst als eine einstückige oder einheitliche Metallstruktur gebildet sein, wie beispielsweise durch Schmieden. Ein geeignetes Metall für die Fanschaufel 10 ist beispielsweise Titan.
  • Der Schwalbenschwanz 32 ist üblicherweise ein Schwalbenschwanz mit axialem Eintritt, der in einer komplementären axialen schwalbensschwanzförmigen Nut 12a im Umfang der Rotorscheibe 12 aufgenommen ist. Der Schaft 30 sorgt für einen strukturellen Übergang von dem Schwalbenschwanz 32 zu dem aerodynamischen Schaufelabschnitt 14 und ist üblicherweise kein aerodynamisches Teil. Der Schaft 30 ist üblicherweise gegenüber der Luftströmung 28 abgedeckt durch eine geeignete Strömungsbegrenzungs-Plattform 34, die an dem Schaufelfuß 20 angeordnet ist, der entweder einstückig damit ausgebildet ist oder als getrennt angebrachte Plattformen zwischen benachbarten Schaufeln 10 in einer üblichen Art und Weise.
  • Gemäß der Erfindung enthält der stromlinienförmige Abschnitt 14 ferner mehrere Vertiefungen oder Taschen, die durch das Präfix 36 bezeichnet sind und die vorzugsweise allein in der ersten oder Druckseite 16 des stromlinienförmigen Ab schnittes angeordnet und durch entsprechende metallische Holme oder Rippen getrennt sind, die mit dem Präfix 38 bezeichnet sind. Die Rippen 38 sind einstückig in dem stromlinienförmigen Abschnitt 14 ausgebildet und sind Teil seiner einheitlichen Metallstruktur. Es ist eine geeignete Anzahl der Taschen 36 über dem stromlinienförmigen Abschnitt 14 vorgesehen, um sein Gewicht wesentlich zu reduzieren, während seine strukturelle Integrität gemäß der Erfindung beibehalten wird.
  • Die Taschen 36 können in geeigneter Weise geformt sein, beispielsweise durch Bearbeiten oder Gießen, und sind an ihren unteren Enden geschlossen durch die verbleibenden, relativ dünnen Abschnitte der zweiten Seite 18 des stromlinienförmigen Abschnittes und sie sind offen entlang der ersten Seite 16 des stromlinienförmigen Abschnittes. Indem die Taschen 36 in der konkaven Seite 16 ausgebildet werden, bleibt an der konvexen Seite massives Metall, um die Trägheitsmoment-Steifigkeit zu maximieren.
  • Die einzelnen Taschen 36 können mit einem geeigneten leichtgewichtigen Füllstoff 40 gefüllt werden, der in die Taschen 36 eingebunden wird. Der Füllstoff 40 füllt jede Tasche 36 vollständig aus und hat an seiner äußeren Oberfläche eine gleiche Ausdehnung mit der ersten Seite 16 des stromlinienförmigen Abschnittes, um eine aerodynamisch glatte und kontinuierliche Oberfläche zu bilden, die das erforderliche aerodynamische Profil für die erste Seite 16 erfüllt. Der Füllstoff 40 kann jede geeignete Form annehmen, wie beispielsweise ein elastomerartiger Gummi, der mit den Taschen verbunden ist. Der Füllstoff hat ein leichteres Gewicht und Dichte als das Metall von dem stromlinienförmigen Abschnitt 14, um das Gesamtgewicht der Schaufel 10 zu senken, während ein geeignetes aerodynamisches Profil von ihr beibehalten wird. Der Füllstoff 40 sorgt vorzugsweise auch für eine innere Dämpfung zum Verringern der Schwingungsantwort des stromlinienförmigen Profils 14 während des Betriebs.
  • Die Rippen 38 enthalten allein radiale bzw. diagonale Rippen, die allein einander schneiden, um selektiv die Torsions- und Biegesteifigkeit zu vergrößern, um die Frequenzgrenze (Frequenzmargin) zwischen benachbarten Torsions- und Biege-Resonanzschwingungsmodi zu vergrößern. Die Rippen haben vorbestimmte Orientierungen in dem stromlinienförmigen Abschnitt 14, um die Schwingungsantwort des stromlinienförmigen Abschnittes 14 speziell abzustimmen, um ein unerwünschtes Verhalten von ihm zu verkleinern.
  • Wie oben angegeben ist, haben Fanschaufeln, wie die in 1 dargestellte, natürliche Biege- und Torsions-Schwingungsmodi bei speziellen Resonanzfrequenzen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Schwingungsmodus der erste Biegemodus, in dem sich der stromlinienförmige Abschnitt 14 im allgemeinen in Umfangsrichtung um den Schwalbenschwanz 32 wie ein einfacher Kragarm biegt. Der zweite Schwingungsmodus ist der zweite Biegungsmodus, bei dem der stromlinienförmige Abschnitt 14 einen Knoten mit einer Biegeverschiebung von Null enthält, wobei sich eine entgegen gesetzte Biegeverschiebung oberhalb und unterhalb des Knotens befindet.
  • Der dritte Schwingungsmodus ist der erste Torsionsmodus, wo der stromlinienförmige Abschnitt um seine Spannenachse relativ zum Schwalbenschwanz 32 oszilliert oder sich verdreht. Und ein vierter Schwingungsmodus ist der dritte Biegemodus mit zwei Knotenlinien der Verschiebung von Null und einer sich ändernden Verschiebung über den Knotenlinien. Die zugeordneten Resonanzfrequenzen für die ersten vier Modi nehmen in ihrer Größe von dem ersten bis zum vierten Modus zu, wobei jeder Modus an einer bestimmten Resonanzfrequenz auftritt. Selbstverständlich sind zusätzliche Schwingungsmodi höherer Ordnung bekannt, die bei noch höheren Resonanzfrequenzen auftreten, die aber eine höhere Energie zur Anregung erfordern. Die ersten vier Modi in diesem Ausführungsbeispiel sind einer Anregung in der Gasturbinentriebwerks-Fanschaufel aufgrund aerodynamischer Anregungskräfte oder der 1/U (1/Rev) Anregungskraft ausgesetzt.
  • Eine vollständig massive Fanschaufel erfreut sich maximaler Biege- und Torsionssteifigkeit oder Trägheitsmomente. Eine relativ einfache hohle Fanschaufel mit einem vollständigen Metallumfang hat eine entsprechende Verringerung in der Biege- und Torsionssteifigkeit und indem Taschen in nur eine Seite von einer Fanschaufel eingefügt werden, werden sowohl Biege- als auch Torsionssteifigkeit weiter verringert. Die Änderungen in der Biege- und Torsionssteifigkeit beeinflussen direkt die verschiedenen Resonanzfrequenzen und die entsprechenden Modenformen, seien sie nun durch Biege- oder Torsionsbeanspruchungen oder Kombinationen davon hervorgerufen.
  • In einer Hybridschaufel mit symmetrischen Taschen darin, die überwiegend durch radiale Rippen oder axiale Rippen oder beides gebildet sind, werden signifikante Verringerungen in sowohl der Biege- als auch Torsionssteifigkeit gefunden, die eine unerwünschte Anregung von beispielsweise dem ersten Schwingungsmodus bewirken. Der erste Schwingungsbiegemodus kann eine relativ kleine Frequenzgrenze mit der 1/U Anregungskraft haben. Und die Biege- und Torsionsmodi höherer Ordnung können relativ nahe zusammen in der Frequenz liegen und auch einer übermäßigen Schwingungsantwort während des Betriebs ausgesetzt sein.
  • Es ist deshalb erwünscht, die Taschen 36 und die Rippen 38 speziell zu konfigurieren, um die Frequenzgrenzen zwischen den mehreren ersten Schwingungsmodi zu vergrößern und auch die Frequenzgrenze des Grundmodus relativ zu dem 1/U zu vergrößern.
  • Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine selektive Rippenverschiebung in dem stromlinienförmigen Abschnitt 14 herbeigeführt, um bevorzugte Querschnitts-Steifigkeiten zu erhalten, um die Resonanzfrequenzen und die Frequenzgrenzen dazwischen abzustimmen, um die Schaufelstabilität zu fördern, während eine wesentliche Gewichtsreduktion erzielt wird. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine radiale Rippe 38a im allgemeinen an der Mittelsehne zwischen den Vorder- und Hinterkanten des stromlinienförmigen Abschnittes angeordnet, um die mehreren Taschen 36 zwischen dem Schaufelfuß 20 und der Spitze 22 axial zu trennen. Zwei diagonale Rippen 38b, c erstrecken sich einstückig von der Vorderkante 24 zur Hinterkante 26, um die Taschen 36 radial zu trennen, und sie sind mit der radialen Rippe 38 dazwischen einstückig verbunden. Der Umfang des stromlinienförmigen Abschnittes 14 entlang seinen Vorder- und Hinterkanten und dem Fuß und der Spitze ist durchgehendes Metall, zwischen denen sich die verschiedenen Metallrippen erstrecken, um für eine gemeinsame Steifigkeit zu sorgen.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist der stromlinienförmige Abschnitt 14 vorzugsweise von seinem Fuß 20 bis zu seiner Spitze 22 aus üblichen aerodynamischen Gründen verdreht und hat beispielsweise einen Verdrehungswinkel von etwa 60°. Die diagonalen Rippen 38b, c folgen der Verdrehung des stromlinienförmigen Ab schnittes 14, da sie sowohl axial als auch radial zwischen den Vorder- und Hinterkanten verlaufen und deshalb eine entsprechende verdrehte oder wendelförmige Konfiguration haben. Die diagonalen Rippen 38b, c sorgen deshalb für eine dreidimensionale feste Verbindung zwischen den Vorder- und Hinterkanten, um primär die Torsionssteifigkeit oder das polare Trägheitsmoment zu vergrößern.
  • Wie in den 1 und 3 dargestellt ist, ist die erste diagonale Rippe 38b die unterste diagonale Rippe, die im allgemeinen unter der Mittelspanne des stromlinienförmigen Abschnitts 14 angeordnet ist und die radiale Rippe 38a schneidet, um wenigstens zwei Fußtaschen 36a zu bilden. Die Fußtaschen 36a sind gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzugsweise im Abstand radial außen von dem Schaufelfuß 20 angeordnet, um sowohl die Biege- als auch Torsionssteifigkeit des stromlinienförmigen Abschnittes 14 unmittelbar neben dem Schaufelfuß 20 zu vergrößern, um die Resonanzfrequenzen der Biege- und Torsions-Grundschwingungsmodi zu erhöhen.
  • Entsprechend ist der radiale Abschnitt des Schaufelfußes 20 zwischen den Vorder- und Hinterkanten und den ersten und zweiten Seiten vorzugsweise eine geschlossene Kontur, wie es in 4 dargestellt ist, um die Biege- und Torsionssteifigkeit des aerodynamischen Profils des Fußes 20 zu maximieren, ohne Taschen darin einzuführen, die die Torsionsfestigkeit des Abschnittes in unerwünschter Weise unterbrechen würden. Der stromlinienförmige Abschnitt 14 ist im Querschnitt vorzugsweise geschlossen über eine vorbestimmte Spannenausdehnung zwischen dem Unterteil der Fußtaschen 36a und dem Fuß 20 selbst, um sowohl die Biege- als auch Torsionssteifigkeit selektiv zu erhöhen. Der integrale Schaft 30 hat in ähnlicher Weise einen geschlossenen Querschnitt zur Beibehaltung der Steifigkeit der Schaufel an der Verbindungsstelle mit dem Schwalbenschwanz 32.
  • Auf diese Weise hält der einen geschlossenen Querschnitt aufweisende Fußabschnitt des stromlinienförmigen Abschnittes 14 eine relativ hohe Biegemodus-Grundfrequenz bei und sorgt für eine geeignete Frequenzgrenze über der 1/U. Ferner ist der Torsionsgrundmodus ebenfalls an einer relativ hohen Frequenz. Da die erste Diagonalrippe 38b im allgemeinen wendelförmig ist und sich über einen entsprechenden Abschnitt von der Schaufelspanne in dem unteren Abschnitt des strom linienförmigen Abschnittes 14 erstreckt, wird sie speziell zugeschnitten zum Vergrößern der Torsionssteifigkeit des stromlinienförmigen Abschnittes, ohne auf andere Weise unterschiedliche Schwingungsmodi miteinander zu verbinden. Auf diese Weise kann eine Erhöhung in der Frequenzgrenze zwischen dem ersten Torsionsmodus und dem nächsten unteren Biegemodus erhalten werden. Dies verbessert das Schwingungsverhalten der Schaufel im Betrieb, indem diese benachbarten Schwingungsmodi weiter entkoppelt werden.
  • Um das Gewicht der Schaufel 14 weiter zu senken, kann der geschlossene Querschnitt des Fußabschnittes des stromlinienförmigen Abschnittes unterhalb der Fußtaschen 36a mehrere Bohrungen 42 enthalten, die sich radial durch den Schaft 30 und Schaufelfußabschnitte bis unterhalb der Fußtaschen 36a erstrecken. Die Bohrungen 42 verringern auf effektive Weise das Gewicht, ohne entweder die Biege- oder Torsionssteifigkeit der Schaufel in den Schaft- und Fußbereichen wesentlich zu verringern.
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist die zweite Diagonalrippe 38c radial oberhalb der ersten Diagonalrippe 38b angeordnet und schneidet die Schaufelspitze 22 neben den Vorder- und Hinterkanten 24 und 26. In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Diagonalrippen 38b, c nicht-parallel und konvergieren von der Vorderkante 24 in Richtung auf die Hinterkante 26. In einem anderen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) könnten die zwei Rippen 38b, c parallel zueinander sein, aber sie würden das Schwingungsverhalten der Schaufel in signifikanter Weise beeinflussen.
  • Wie die erste Diagonalstrebe 38b schneidet die zweite Diagonalstrebe 38c allein die gemeinsame Radialrippe 38a an ihrem radial äußeren Ende. Die zweite Diagonalstrebe 38c bildet in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Schaufelspitze und der Hinterkante eine einzelne entsprechende Spitzentasche 38b, wobei zusätzliche Rippen, die hindurch führen, zur Frequenzabstimmung nicht erforderlich sind.
  • Es ist erwünscht, die Anzahl von Rippen zu begrenzen, die in dem stromlinienförmigen Abschnitt 14 gefunden werden, um eine unerwünschte Schwingungskopplung zwischen den verschiedenen Schwingungsmodi zu verhindern und statt dessen den stromlinienförmigen Abschnitt 14 für gewünschte Frequenzgrenzen speziell abzustimmen. Da der äußere Abschnitt des stromlinienförmigen Abschnittes 14, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist, relativ dünn ist im Vergleich zu seinem radial äußeren Abschnitt, ist der äußere Abschnitt relativ flexibel und Schwingungsmodi höherer Ordnung ausgesetzt. Indem die zweite Diagonalrippe 38c über der äußeren Spanne des stromlinienförmigen Abschnittes 14 zwischen der Ecke des stromlinienförmigen Abschnittes an der Verbindungsstelle der Vorderkante und Spitze zu einer unteren Spannenverbindung entlang der Hinterkante 26 eingeführt wird, werden erhöhte Biege- und Torsionssteifigkeiten des äußeren Abschnitts des stromlinienförmigen Abschnittes geliefert. Die zweite Diagonalrippe 38c vergrößert auf effektive Weise die Frequenzgrenze zwischen entsprechenden Biege- und Torsions-Schwingungsmodi auf dem äußeren Abschnitt des stromlinienförmigen Abschnittes, ohne daß ein Kompromiß im Schwingungsverhalten des unteren Abschnitts des stromlinienförmigen Abschnitts entsteht.
  • Die Radialrippe 38a und die ersten und zweiten Diagonalrippen 38b, c bilden dazwischen mehrere Mittelspannentaschen 36c. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine vierte Diagonal- oder Brückenrippe 38d radial im Abstand zwischen den ersten und zweiten Diagonalrippen 38b, c angeordnet und erstreckt sich in axialer Richtung zwischen der Vorderkante 24, nahe der Mittelspanne und der Radialrippe 38a und der Mittelsehne, um speziell die Vorderkante 24 zu versteifen. Da die Diagonalrippen 38b, c von der Vorderkante zur Hinterkante divergieren, würde anderenfalls ohne die überbrückende Rippe 38d eine relativ hohe Tasche hinter der Vorderkante 24 gebildet.
  • Die Vorderkante 24 ist wesentlichen aerodynamischen Belastungen während des Betriebs und auch Stoßbelastungen aufgrund von FOD, wie beispielsweise Vogelaufprall, ausgesetzt. Die überbrückende Rippe 38d sorgt für eine strukturelle Verbindung zwischen der Vorderkante 24 und der Radialrippe 38a, die die Steifigkeit der Vorderkante 24 lokal vergrößert und Belastungen hinter der radialen Rippe 38a abführt. Die überbrückende Rippe 38d ist vorzugsweise diagonal von der Vorderkante 24 und radial nach außen geneigt in Richtung auf die Hinterkante 26, um das Schwingungsverhalten der Schaufel 10 weiter maßzuschneidern.
  • Durch die selektive Einfügung der diagonalen und radialen Rippen in dem in 1 dargestellten stromlinienförmigen Abschnitt 14 kann also die Schaufel 10 speziell abgestimmt werden für Resonanzfrequenzen und Frequenzgrenzen, die eine Schwingungsantwort verkleinern. Zusätzliche Rippen sind nicht bevorzugt, wenn sie nicht speziell abgestimmt sind für bestimmte Schwingungsmodi und nicht unterschiedliche Schwingungsmodi in nachteiliger Weise koppeln. Eine zusätzliche Radialrippe kann verwendet werden, um drei Säulen von Taschen (nicht gezeigt) zu bilden, wobei sich die zwei Diagonalrippen 38b, c über diese hinweg erstrecken. Auch kann ein längerer stromlinienförmiger Abschnitt eine weitere abstimmende Diagonalrippe für zusätzliche Torsionssteifigkeit erfordern.
  • Die bevorzugte Anzahl von Taschen und die Anordnung der Rippen können für jedes spezielle Design verändert werden für das Erfordernis, daß Resonanzfrequenzen und die Frequenzgrenze die Schaufelstabilität während des Betriebs vergrößern. Dies kann in einem systematischen Versuch und Fehler erfolgen oder durch Analyse unter Verwendung geeigneter Computer-Algorithmen, die dafür speziell ausgestaltet sind. Es können mehrere Iterationen erforderlich sein, da die Konfiguration von jeder Tasche und Rippe das gesamte Schwingungsverhalten beeinflußt.
  • Die bevorzugte Konfiguration der Taschen und Rippen gemäß der Erfindung behält die Vorteile der Gewichtssenkung der Taschen bei, während das Schwingungsverhalten zugeschnitten wird, um unerwünschte Schwingungsmodi während des Betriebs in der Umgebung eines Gasturbinentriebwerks zu vermeiden, die aerodynamischen und 1/U Anregungsfrequenzen ausgesetzt ist. Der Füllstoff 40 in den Taschen 36 bewahrt das aerodynamische Profil des stromlinienförmigen Abschnittes und den aerodynamischen Wirkungsgrad, während das Schaufelgewicht gesenkt und für eine verbesserte Reparaturfähigkeit gesorgt wird. Wenn der stromlinienförmige Abschnitt während des Betriebs beschädigt wird, kann der Füllstoff 40 in geeigneter Weise aus den Taschen entfernt, die Schaufel repariert und neuer Füllstoff 40 in die Taschen 36 eingefüllt werden, wobei die Schaufel dann in den Betrieb zurückgebracht wird.

Claims (12)

  1. Gasturbinentriebwerks-Bläserschaufel (10) enthaltend: einen metallischen stromlinienförmigen Abschnitt (14) mit ersten und zweiten gegenüber liegenden Seiten (16, 18), die sich radial zwischen einem Fuss (20) und einer Spitze (22) und axial zwischen einer Vorderkante (24) und einer Hinterkante (26) erstrecken, zum Verdichten von darüber geleiteter Luft (28), wobei der stromlinienförmige Abschnitt ferner mehrere Taschen (36) aufweist, die in der ersten Seite (16) angeordnet und durch entsprechende Rippen (38) getrennt sind, die radiale und diagonale Rippen (38a–c) aufweisen, und einen Füllstoff (40), der in den Taschen gebunden ist und die gleiche Ausdehnung wie die erste Seite des stromlinienförmigen Abschnitts hat, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen und diagonalen Rippen nur Rippen des anderen Typs schneiden zum selektiven Vergrössern von Torsions- und Biegesteifigkeit, um die Frequenzgrenze zwischen benachbarten Torsions- und Biege-Resonanzschwingungsarten zu vergrössern, und wobei sich jede diagonale Rippe (38b, c) von der Vorderkante (24) zur Hinterkante (26) erstreckt und mit der radialen Rippe (38a) einstückig verbunden ist.
  2. Schaufel nach Anspruch 1, wobei der stromlinienförmige Abschnitt (14) vom Fuss (20) bis zur Spitze (22) verdreht ist, und die diagonale Rippe (38b, c) entsprechend wendelförmig ist.
  3. Schaufel nach Anspruch 2, ferner enthaltend: eine erste der diagonalen Rippen (38b) schneidet die diagonale Rippe (38a), um zwei Fusstaschen (36a) zu bilden, die im Abstand radial aussen von dem Fuss (20) des stromlinienförmigen Abschnitts angeordnet sind, und der stromlinienförmige Abschnitt (14) hat einen geschlossenen Fussabschnitt zwischen den Fusstaschen (36a) und dem Fuss (20) zum selektiven Vergrössern von sowohl der Biege- als auch der Torsionssteifigkeit.
  4. Schaufel nach Anspruch 3, wobei eine zweite der diagonalen Rippen (38c) mit radialem Abstand über der ersten diagonalen Rippe (38b) angeordnet ist und die Spitze (22) des stromlinienförmigen Abschnitts neben einer der Vorder- und Hinterkanten (24, 26) schneidet.
  5. Schaufel nach Anspruch 4, wobei die ersten und zweiten diagonalen Rippen (38b, c) nicht-parallel sind.
  6. Schaufel nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten diagonalen Rippen (38b, c) von der Vorderkante (24) zur Hinterkante (26) zusammenlaufen.
  7. Schaufel nach Anspruch 6, wobei die radiale Rippe (38a) und die ersten und zweiten diagonalen Rippen (38b, c) dazwichen mehrere Mittelspannen-Taschen (36c) bilden, und ferner eine Brückenrippe (38d) vorgesehen ist, die im Abstand radial zwischen den ersten und zweiten diagonalen Rippen angeordnet ist und sich axial zwischen der Vorderkante (24) und der radialen Rippe (38a) erstreckt, um die Vorderkante gegenüber einer Belastung zu versteifen.
  8. Schaufel nach Anspruch 4, wobei der Füllstoff (40) elastisch ist zum Dämpfen von Schwingungen des stromlinienförmigen Abschnitts.
  9. Schaufel nach Anspruch 4, ferner enthaltend: einen Schaft (30), der mit dem Fuss (20) des stromlinienförmigen Abschnitts einstückig verbunden ist, und einen Schwalbenschwanz (32), der mit dem Schaft (30) einstückig verbunden ist, zum Befestigen der Schaufel an einer Rotorscheibe (12).
  10. Schaufel nach Anspruch 9, ferner mehrere Bohrungen (42) enthaltend, die sich radial durch den Schaft (30) und den Fussabschnitt des stromlinienförmigen Abschnitts bis unter die Fusstaschen (36a) erstrecken.
  11. Schaufel nach Anspruch 4, wobei die erste Seite (16) im allgemeinen konkav ist.
  12. Schaufel nach Anspruch 4, wobei die Rippen allein die radialen und diagonalen Rippen (38a–c) aufweisen.
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