Verfahren zur Herstellung eines Schaufelkranzes für Strömungsmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelkranzes für Strömungsmaschinen, z.B. für einen beschaufelten Rotor eines Gasturbinentriebwerkes, und auf einen Schaufelkranz, hergestellt nach diesem Verfahren, sowie auf die Verwendung dieses Schaufelkranzes in einem Kompressor eines Gasturbinentriebwerkes.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelkranzes aus wenigstens einer Reihe von im Winkelabstand zueinanderstehenden, radial zum Rotor verlaufenden und mit diesem verbundenen Rotorschaufeln.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelfüsse durch Umwickeln mit mindestens einem Strang von Fasermaterial, durch welchen die bei der Rotation entstehenden Zentrifugalkräfte übertragen werden, miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise werden mehrere Windungen aus Fasermaterial um die Schaufelfüsse gewickelt, wobei jede Windung sich über den Umfang des Rotors erstreckt und über die khaufelfüsse sämtlicher Schaufeln der betreffenden Reihe gelegt ist.
Die aus Fasermaterial bestehenden Windungen ermöglichen es nicht nur, dass die Schaufel anordnung den bei Drehung erzeugten Zentrifugalkräften standhalten kann, sondern sie verbinden die Schaufeln auch über eine Konstruktion, die einerseits stärker und andererseits leichter als die bisher benutzten Konstruktionen ist.
Der Schaufelfuss jeder Schaufel wird vorzugsweise mit zwei an gegenüberliegenden Seiten des Schaufelprofils liegenden Ausnehmungen versehen, die sich über die radial äussere Oberfläche der Schaufelfüsse erstrecken, und in welche die Windungen eingelegt werden.
Nachdem diese aus Fasermaterial bestehenden Windungen in diese Aufnehmungen eingelegt worden sind, können sie in diesen verdichtet werden.
Als Fasermaterial werden vorzugsweise kohlenstoffhaltige Fasern oder Borfasern verwendet.
Die Fasern des Fasermaterials können mit einem synthetischen Kunstharz, z. B. mit einem Epoxydharz, einem Polyimidharz, einem Polychinoxalinharz oder einem Polythiazolharz, überzogen werden.
Stattdessen können die Fasern auch mit Metall oder einer metallischen Legierung überzogen werden.
Als Metall kann Beryllium, Kobalt, Chrom, Nickel, Hafnium, Niob, Osmium, Paladium, Platin, Rhenium, Rhodium, Tantal oder Vanadium verwendet werden und als Legierung kann eine Nickel-Chromlegierung in Betracht kommen.
Das Überziehen der Fasern kann dadurch bewerkstelligt werden, dass sie durch ein dieses Metall oder diese Legierung enthaltendes Bad hindurchgezogen werden. So können die Fasern durch elektrolytische Plattierung mit diesem Metall oder dieser Legierung überzogen werden. Stattdessen können die Fasern auch dadurch überzogen werden, dass das Metall oder die Legierung aufgesprüht oder im Vakuum abgelagert wird.
So können z.B. kohlenstoffhaltige Textilfasern durch einen Ofen und dann unmittelbar in das Bad geführt werden.
Die Fasern können, nachdem sie durch das Bad hindurchgeführt worden sind, direkt auf die Schaufelfüsse aufgewickelt werden.
Die Fasern können, nachdem sie auf die Schaufelfüsse aufgewickelt worden sind, an diesen fixiert werden. Falls Fasern benutzt werden, die mit einem Metall oder einer Legierung überzogen sind, kann die Verbindung durch elektrolytische Plattierung, durch Verlötung, Elektronenstrahlschweissung oder Besprühung mit Metall oder Legierung bewerkstelligt werden.
Für die Schaufeln kann, falls erforderlich, faserverstärktes Material verwendet werden.
Die Erfindung umfasst auch eine Verwendung eines so ausgebildeten Schaufelkranzes in einem Kompressor eines Gasturbinentriebwerkes, bei dem eine Rotortrommel aussen mit wenigstens einer Reihe von Gebläseschaufeln und innen mit mehreren Reihen Leitschaufeln versehen ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schaufelfüsse der Leitschaufeln an der Rotortrommel durch das Faserstoffmaterial befestigt sind.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung der Schaufelanordnung,
Fig. 2 eine weggebrochene perspektivische Ansicht eines Teils der Schaufelanordnung, wie sie nach dem Verfahren gemäss Fig. 1 hergestellt wurde,
Fig. 3 eine schematische, teilweise im Schnitt gezeichnete Ansicht eines Oasturbinenstrahltriebwerks mit Vordergebläse, das mit einer Schaufelanordnung nach der Erfindung ausgestattet ist.
Zunächst wird auf Fig. 1 der Zeichnung Bezug genommen. Mehrere im Winkelabstand zueinander angeordnete, sich radial erstreckende Rotorschaufeln 10 werden in ihrer gegenseitigen Lage durch eine, in der Zeichnung nicht dargestellte, Vorrichtung gehalten, um einen Schaufelkranz zu bilden, der in diesem Fall eine einzige Schaufelreihe umfasst, wobei die Schaufeln sich wie dargestellt radial vom Rotorumfang aus nach aussen erstrecken.
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, weist jede Schaufel 10 einen Schaufelfuss 12 mit einer gekrümmten inneren Oberfläche 13 auf, und bei zusammengesetzten Schaufeln bilden diese inneren Oberflächen eine kontinuierliche zylindrische Oberfläche. Jeder der Schaufelfüsse 12 ist an gegenüberliegenden Seiten des Schaufelprofils 14 mit zwei Ausnehmungen 15 bzw. 16 ausgestattet, die nach den radial äusseren Oberflächen 17, 18 der Schaufelfüsse 12 hin offen sind.
Die Ausnehmungen 15 der von den Schaufeln 10 gebildeten Reihe sind aufeinander ausgerichtet und bilden so eine einzige ringsumlaufende Nut, wenn die Schaufeln 10 zusammengefügt sind, und diese Nut erstreckt sich über die Schaufelfüsse 12 sämtlicher Schaufeln der Schaufelreihe. Die Ausnehmungen 16 sind in gleicher Weise aufeinander ausgerichtet.
Kohlenstoffhaltige Textilfasern 21, wie sie z.B. in den Schweizer Patentschriften 467 724 sowie 491 815 beschrieben sind, werden durch einen Ofen 22 geführt und dann unmittelbar darauf in ein elektrolytisches Plattierungsbad 23, wo die Fasern elektrolytisch mit Metall oder einer Legierung, z. B. einer 80 O/o Nickel 20 /o Chromlegierung, plattiert werden.
Die Fasern 21 werden, nachdem sie durch das Bad 23 hin durchgetreten sind, direkt auf die Schaufelfüsse 12 der Schaufelreihe 10 aufgewickelt, indem eine grosse Zahl von Windungen überzogener Fasern 21 in die Ausnehmungen 15, 16 eingelegt wird, z.B. indem die Schaufelanordnung um ihre Drehachse gedreht wird. Auf diese Weise werden die Schaufelfüsse 12 miteinander verbunden. die Fasern 21 können den Zentrifugalkräften standhalten, denen die Rotorschan- feln 10 im Betrieb ausgesetzt sind. Jede Windung der überzogenen Fasern 21 erstreckt sich dann in Umfangsrichtung der Schaufelanordnung um die Schaufelfüsse 12 sämtlicher Schaufeln 10 der Reihe.
Nachdem die Windungen in die Ausnehmungen 15,
16 eingelegt sind, können sie mittels einer Rolle (nicht dargestellt) zusammengedrückt werden.
Die Fasern, die auf diese Weise in die Ausnehmungen 15, 16 eingelegt und dann in diesen Ausnehmungen zusammengedrückt wurden, werden schliesslich in diesen Ausnehmungen festgelegt. Dies kann geschehen, bevor die die Schaufeln haltende Vorrichtung entfernt wurde, indem die Vorrichtung mit den von ihr gehaltenen Schaufeln 10 in ein elektrolytisches Plattierungsbad eingelegt wird, und indem die überzogenen Fasern 21 an den Schaufelfüssen 12 durch das Plattierungsmaterial gebunden werden. Die Haltevorrichtung ist mit Isoliermaterial überzogen, das verhindert, dass die Vorrichtung selbst plattiert wird. Stattdessen kann die Verbindung durch Verlötung, durch Explosionsschweissen, durch Elektronenstrahlschweissen, durch Laserschweissen, durch Diffusionsverschweissung oder durch Heisspressen hergestellt werden. Wenn dies geschehen ist, wird die Vorrichtung entfernt.
Während oder nach der Zusammenstellung können die Schaufeln mit einer Rotorscheibe oder Trommel herkömmlicher Bauart (in der Zeichnung nicht dargestellt) verbunden werden. Es können auch in der Zeichnung nicht dargestellte Abstandshalter an den Seiten der Schaufelfüsse 12 befestigt sein, um eine integrale Rotoranordnung zu schaffen.
Die Schaufeln 10 können aus bekanntem Werkstoff bestehen. Sie können auch aus überzogenen Fasern bestehen, die beispielsweise die gleichen sein können wie die überzogenen Fasern 21.
Die kohlenstoffhaltigen Fasern können durch Borfasern oder andere Fasern ersetzt werden, während der Nickel-Chromlegierungsüberzug auf den Fasern 21 durch einen Überzug aus Beryllium, Kobalt, Chrom, Nickel, Hafnium, Niob, Osmium, Paladium, Platin, Rhenium, Rhodium, Tantal oder Vanadium ersetzt werden kann. Das Überzugsmaterial wird im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften bei jenen Temperaturen gewählt, denen der beschaufelte Rotor im Betrieb ausgesetzt ist.
Ausserdem können die Fasern 21 anstatt mit einem Metall oder einer Legierung überzogen zu sein, auch mit einem synthetischen Kunstharzmaterial überzogen werden, z. B. einem Epoxydharz, einem Polyimidharz, einem Polychinoxalinharz oder einem Polythiazolharz.
In diesem Falle werden jedoch die Fasern 21, nachdem sie in die Ausnehmungen 15, 16 aufgewickelt sind, mit Kunstharz gebunden, indem weiteres synthetisches Kunstharzmaterial eingespritzt wird.
Die Rotorschaufelanordnung gemäss Fig. 1 und 2 ist insbesondere geeignet zur Benutzung in Verbindung mit einem Kompressorrotor eines Gasturbinenstrahltriebwerks, jedoch ist es auch möglich, diese Konstruktion für die Turbine des Triebwerkes zu benutzen.
In Fig.3 ist schematisch ein spezielles Gasturbinenstrahltriebwerk dargestellt, von dem ein Teil gemäss dem Verfahren nach Fig. 1 und 2 hergestellt ist.
Fig. 3 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 24, das mit einem Triebwerksgehäuse 25 ausgestattet ist, indem in Strömungsrichtung hintereinander Einlassstreben 26, ein Kompressor 27, Auslassleitschaufeln 28, eine Verbrennungseinrichtung 29, Düsenleitschaufeln 30 und eine Turbine 31 vorgesehen sind.
Der Kompressor 27 weist drei im axialen Abstand zueinander liegende Reihen von Rotorschaufeln 34 auf, die durch die Turbine 31 mittels einer Welle 35 angetrieben werden. Der Kompressor 27 ist auch mit vier in Achsrichtung im Abstand zueinander liegenden
Reihen von drehbaren Leitschaufeln 36 ausgestattet, die hinsichtlich ihrer Wirkung Stator -Schaufeln des
Rotors 27 bilden. Die Reihen von Schaufeln 36 sind innerhalb einer Rotortrommel 40 angeordnet, die aus sen eine Reihe von Gebläseschaufeln 41 eines Frontge bläses 42 trägt.
Die Schaufeln 41 sind innerhalb eines Gebläseka nals 43 angeordnet, der zwischen der Rotortrommel 40 und einem äusseren Gehäuse 44 gebildet ist, welch letzteres von dem Gehäuse 25 über vordere bzw. hin tere Streben 45 bzw. 46 getragen wird.
Die durch die Rotorschaufeln 34 des Kompressors
27 hindurchtretende und von diesen komprimierte Luft treibt die drehbaren Leitschaufeln 36 an, die ihrerseits die Gebläseschaufeln 41 antreiben.
Die drehbaren Leitschaufeln 36 haben die in den
Fig. 1 und 2 dargestellte Gestalt und sind miteinander über die Fasern 21 verbunden.
Process for the production of a blade ring for turbo machines
The invention relates to a method of manufacturing a blade ring for fluid flow machines, e.g. for a bladed rotor of a gas turbine engine, and on a blade ring, produced according to this process, and on the use of this blade ring in a compressor of a gas turbine engine.
In particular, the invention relates to a method for producing a blade ring from at least one row of rotor blades which are angularly spaced from one another and run radially to the rotor and are connected to it.
The method according to the invention is characterized in that the blade roots are connected to one another by being wrapped around with at least one strand of fiber material through which the centrifugal forces arising during rotation are transmitted.
Preferably, several turns of fiber material are wound around the blade roots, each winding extending over the circumference of the rotor and being laid over the blade roots of all the blades of the row in question.
The windings made of fiber material not only enable the blade arrangement to withstand the centrifugal forces generated during rotation, but they also connect the blades via a construction that is stronger on the one hand and lighter on the other hand than the previously used constructions.
The blade root of each blade is preferably provided with two recesses located on opposite sides of the blade profile, which extend over the radially outer surface of the blade roots, and into which the windings are inserted.
After these windings made of fiber material have been placed in these receptacles, they can be compressed in them.
Carbon-containing fibers or boron fibers are preferably used as the fiber material.
The fibers of the fiber material can be coated with a synthetic resin, e.g. B. with an epoxy resin, a polyimide resin, a polyquinoxaline resin or a polythiazole resin are coated.
Instead, the fibers can also be coated with metal or a metallic alloy.
Beryllium, cobalt, chromium, nickel, hafnium, niobium, osmium, palladium, platinum, rhenium, rhodium, tantalum or vanadium can be used as the metal, and a nickel-chromium alloy can be used as the alloy.
The coating of the fibers can be accomplished by drawing them through a bath containing this metal or this alloy. Thus the fibers can be coated with this metal or this alloy by electrolytic plating. Instead, the fibers can also be coated in that the metal or alloy is sprayed on or deposited in a vacuum.
E.g. carbonaceous textile fibers are passed through an oven and then directly into the bath.
After the fibers have been passed through the bath, they can be wound directly onto the blade roots.
After they have been wound onto the blade roots, the fibers can be fixed to these. If fibers are used which are coated with a metal or an alloy, the connection can be made by electrolytic plating, soldering, electron beam welding or spraying with metal or alloy.
If necessary, fiber-reinforced material can be used for the blades.
The invention also includes the use of a blade ring designed in this way in a compressor of a gas turbine engine, in which a rotor drum is provided on the outside with at least one row of fan blades and on the inside with several rows of guide vanes, which is characterized in that the blade roots of the guide vanes on the rotor drum the fibrous material are attached.
An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the drawing. Show it:
1 shows a schematic representation of the method for producing the blade arrangement,
FIG. 2 shows a broken away perspective view of part of the blade arrangement as it was produced by the method according to FIG. 1,
3 is a schematic view, partially in section, of a gas turbine jet engine with a front fan, which is equipped with a blade arrangement according to the invention.
Reference is first made to FIG. 1 of the drawing. A plurality of angularly spaced, radially extending rotor blades 10 are held in their mutual position by a device not shown in the drawing to form a blade ring, which in this case comprises a single row of blades, the blades radially as shown extend outwards from the rotor circumference.
As best seen in Figure 2, each blade 10 has a blade root 12 with a curved inner surface 13, and when the blades are assembled, these inner surfaces form a continuous cylindrical surface. Each of the blade roots 12 is equipped on opposite sides of the blade profile 14 with two recesses 15 and 16, which are open towards the radially outer surfaces 17, 18 of the blade roots 12.
The recesses 15 of the row formed by the blades 10 are aligned with one another and thus form a single circumferential groove when the blades 10 are joined together, and this groove extends over the blade roots 12 of all the blades of the blade row. The recesses 16 are aligned with one another in the same way.
Carbon-containing textile fibers 21, as e.g. are described in Swiss patents 467 724 and 491 815, are passed through an oven 22 and then immediately thereafter into an electrolytic plating bath 23, where the fibers are electrolytically coated with metal or an alloy, e.g. B. an 80 o / o nickel 20 / o chromium alloy are plated.
The fibers 21, after having passed through the bath 23, are wound directly onto the blade roots 12 of the blade row 10 by placing a large number of turns of coated fibers 21 in the recesses 15, 16, e.g. by rotating the blade assembly about its axis of rotation. In this way, the blade roots 12 are connected to one another. the fibers 21 can withstand the centrifugal forces to which the rotor blades 10 are exposed during operation. Each turn of the coated fibers 21 then extends in the circumferential direction of the blade arrangement around the blade roots 12 of all blades 10 in the row.
After the turns in the recesses 15,
16 are inserted, they can be pressed together by means of a roller (not shown).
The fibers which have been inserted into the recesses 15, 16 in this way and then compressed in these recesses are finally fixed in these recesses. This can be done before the device holding the blades has been removed by placing the device with the blades 10 held by it in an electrolytic plating bath and by bonding the coated fibers 21 to the blade roots 12 by the cladding material. The holding device is covered with insulating material that prevents the device itself from being plated. Instead, the connection can be made by soldering, by explosion welding, by electron beam welding, by laser welding, by diffusion welding or by hot pressing. When this is done, the device is removed.
During or after assembly, the blades can be connected to a rotor disk or drum of conventional design (not shown in the drawing). Spacers (not shown in the drawing) can also be attached to the sides of the blade roots 12 in order to create an integral rotor arrangement.
The blades 10 can be made of known material. They can also consist of coated fibers, which for example can be the same as the coated fibers 21.
The carbon-containing fibers can be replaced by boron fibers or other fibers, while the nickel-chromium alloy coating on the fibers 21 by a coating of beryllium, cobalt, chromium, nickel, hafnium, niobium, osmium, palladium, platinum, rhenium, rhodium, tantalum or vanadium can be replaced. The coating material is chosen with regard to the mechanical properties at those temperatures to which the bladed rotor is exposed during operation.
Furthermore, instead of being coated with a metal or an alloy, the fibers 21 can also be coated with a synthetic resin material, e.g. B. an epoxy resin, a polyimide resin, a polyquinoxaline resin or a polythiazole resin.
In this case, however, after the fibers 21 are wound in the recesses 15, 16, they are bound with synthetic resin by injecting further synthetic resin material.
The rotor blade arrangement according to FIGS. 1 and 2 is particularly suitable for use in connection with a compressor rotor of a gas turbine jet engine, but it is also possible to use this construction for the turbine of the engine.
A special gas turbine jet engine is shown schematically in FIG. 3, a part of which is manufactured according to the method according to FIGS. 1 and 2.
3 shows a gas turbine jet engine 24 which is equipped with an engine housing 25 in that inlet struts 26, a compressor 27, outlet guide vanes 28, a combustion device 29, nozzle guide vanes 30 and a turbine 31 are provided one behind the other in the direction of flow.
The compressor 27 has three rows of rotor blades 34 which are axially spaced apart from one another and which are driven by the turbine 31 by means of a shaft 35. The compressor 27 is also provided with four spaced apart in the axial direction
Rows of rotatable guide vanes 36, which have the effect of stator vanes
Form rotor 27. The rows of blades 36 are arranged within a rotor drum 40, which carries a row of fan blades 41 of a Frontge blower 42 from sen.
The blades 41 are arranged within a Gebläseka channel 43 which is formed between the rotor drum 40 and an outer housing 44, the latter being carried by the housing 25 via front or rear struts 45 and 46, respectively.
The through the rotor blades 34 of the compressor
Air passing through 27 and compressed by these drives the rotatable guide vanes 36, which in turn drive the fan vanes 41.
The rotatable guide vanes 36 have in the
1 and 2 and are connected to one another via the fibers 21.