CH701161B1 - Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln und Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln. - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20), welche jeweils ein Turbinenschaufelblatt (10) mit einer metallischen Basis enthalten, umfasst das Füllen einer oder mehrerer Taschen (11) in dem Turbinenschaufelblatt (10) mit einem Polymerverbund (14), der Endlosfasern in einer Harzmatrix aufweist, wobei die Endlosfasern eine Orientierung aufweisen, die in Übereinstimmung mit einer vorgewählten Frequenzabstimmung des Turbinenschaufelblatts (10) bestimmt wird.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln und eine Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln.

[0002] Turbinenschaufelblätter (Schaufeln) arbeiten in einer Umgebung, in der sie hohen zentrifugalen Belastungen, Schwingungsbeanspruchungen, und einem variablen Auftreffwinkel der Strömung auf das Turbinenschaufelblatt ausgesetzt sind. Die Schwingungsbeanspruchungen nehmen zu, wenn diese Belastungen und Beanspruchungen die natürlichen Resonanzfrequenzen des Turbinenschaufelblattes erreichen. Die Grössenordnung der Schwingungsbeanspruchungen, wenn ein Turbinenschaufelblatt in Resonanz schwingt, ist im Allgemeinen proportional zu dem Ausmass an Dämpfung, das in dem System vorliegt (wobei die Dämpfung Material-, aerodynamische und mechanische Komponenten umfasst), und der Intensität des Stimulus. Für kontinuierlich gekoppelte Turbinenschaufelblätter ist die Schwingungsfrequenz eine Funktion des gesamten Turbinenschaufelsystems und nicht notwendigerweise jene von einzelnen Turbinenschaufeln.

[0003] Ein Hybridschaufelblatt umfasst ein Turbinenschaufelblatt (zum Beispiel ein Dampfturbinenschaufelblatt oder ein Gasturbinenschaufelblatt), das hauptsächlich aus einer metallischen Substanz hergestellt ist, aber zumindest eine «Tasche» aus einem nicht metallischen Verbundfüllmaterial aufweist. Das Füllmaterial kann ein Polyimid oder einen anderen Typ von Polymerharz (oder Kombinationen daraus) mit durchgehender Glas-, Kohlenstoff-, KEVLAR<®>- oder anderen Faserverstärkung umfassen, um eine Verbundmatrix mit der ursprünglichen Blattflächen-Oberfläche zu erreichen. Derzeit werden Verbundmatrizen zur Verwendung in Turbinen, die unter Bedingungen mit Ventilationsverlusten (geringe Strömung, Leerlaufbetrieb («Windmilling») der Turbinenschaufelblätter bei hoher Geschwindigkeit) hohe Turbinenschaufelblatttemperaturen aufweisen, konstruiert. Sehr steife Hochtemperatur-Verbundstoffe haften aber nicht gut an Metall.

[0004] Viele erteilte Patente betreffen Turbinenschaufeln, die aus Verbundmaterialien hergestellt werden. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 5,720,597 mit dem Titel «Multi-Component Blade for Gas Turbine» Gasturbinen-Flugzeugschaufeln, die aus Metall und Schaumstoff hergestellt und mit einer Aussenhaut aus Verbundstoff, einer Erosionsbeschichtung, oder beidem, versehen sind, und das US-Patent 6,139,728 mit dem Titel «Poly-Component Blade for a Steam Turbine» offenbart Konfigurationen ähnlich jenen, die in dem US-Patent 5,720,597 offenbart sind, aber für Dampfturbinen. Keines dieser Patente beschreibt jedoch Vorteile einer Frequenzabstimmung und/oder einer Dämpfung oder schlägt diese vor. In ähnlicher Weise beschreibt das US-Patent 5,931,641 mit dem Titel «Steam Turbine Blading Having Areas of Different Densities» eine Dampfturbinenschaufel, die aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, beschreibt aber ebenfalls nicht die Frequenzabstimmung oder Dämpfung. Darüber hinaus beschreibt das europäische Patent Nr. EP 1 152 123 A2 mit dem Titel «Hybrid blade with submerged rips» die Hybridtechnologie, aber nicht die Frequenzabstimmung oder die Anwendung der Hybridtechnologie auf Dampf- oder Gasturbinenschaufeln. Darüber hinaus schafft keines dieser Patente ein Verfahren oder Mittel zur Orientierung von Endlosfasern oder gibt an, dass Orientierungs- oder Schichtungstechniken verwendet werden können, um die Eigenfrequenz eines Turbinenschaufelblatts eines Satzes von Turbinenschaufelblättern unter Verwendung von gemischten Abstimmungstechniken zu verändern.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0005] In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln gemäss Anspruch 1 angegeben. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln gemäss Anspruch 2 angegeben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0006] <tb>Fig. 1<sep>ist eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration von mehreren Fenstertaschen in einer Turbinenschaufel. <tb>Fig. 2<sep>ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes eines Verbunds, der zur Füllung einer Tasche, wie jener, die in Fig. 1 dargestellt ist, verwendet wird. <tb>Fig. 3<sep>ist eine perspektivische Ansicht von einigen aus einer Vielzahl von Gruppen von Schaufeln, die in einigen Konfigurationen zu einer Turbine zusammengestellt sind. <tb>Fig. 4<sep>ist ein Beispiel für eine uniaxiale Faserorientierung. <tb>Fig. 5<sep>ist ein Beispiel für eine biaxiale Faserorientierung. <tb>Fig. 6<sep>ist ein Beispiel für eine quasi-isotrope Faserorientierung. <tb>Fig. 7<sep>ist eine seitlich abgeschnittene Ansicht einer Zweistrom-LP-Dampfturbine und zeigt die Position der Turbinenschaufelblätter der letzten Stufe. <tb>Fig. 8<sep>ist eine Seitenansicht einer Konfiguration einer Mehrfenster-Tasche. Die unterbrochenen Linien in Fig. 8stellen konkave Grenzflächen dar. Insbesondere stellen die durchgezogenen Linien, die eines der Durchgangsfenster umgeben, eine konvexe Grenzfläche dar, während die unterbrochenen Linien, die zwei der Durchgangsfenster umgeben, konkave Grenzflächen darstellen. <tb>Fig. 9<sep>ist eine Draufsicht einer Turbinenschaufelblattquerschnitts-Konfiguration mit mehreren Fenstern. <tb>Fig. 10<sep>ist eine teilweise Seitenansicht einer Konfiguration von Verbundfüllstoff mit einer Vielzahl von Gewebeschichten.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0007] Wenn ein Element oder Schritt mit den Worten «ein», «eine» oder «eines» (und insbesondere «zumindest ein») angeführt ist, bedeutet dies in diesem Dokument nicht, dass durch diese Formulierung mehrere solcher Schritte oder Elemente ausgeschlossen werden sollen, es sei denn, dies wird ausdrücklich angeführt. Ausserdem soll die Formulierung «eine Ausführungsform» (oder «andere Ausführungsformen») der vorliegenden Erfindung nicht so interpretiert werden, dass sie die Existenz von zusätzlichen Ausführungsformen, die ebenfalls die angeführten Merkmale beinhalten, ausschliesst, oder dass sie andere in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschriebene Merkmale ausschliesst. Darüber hinaus können Ausführungsformen «mit» oder «umfassend» ein Element oder eine Vielzahl von Elementen mit einer bestimmten Eigenschaft solche zusätzlichen Elemente einschliessen, die diese Eigenschaft nicht aufweisen, es sei denn, dies wird ausdrücklich verneint.

[0008] Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration von mehreren Fenstertaschen in einer Turbinenschaufel 20 und eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes eines Polymerverbunds 14, der zur Füllung einer Tasche 11 verwendet wird. Die erfindungsgemässen frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln 20 sind mittels des erfindungsgemässen Verfahrens derart geschaffen, um die Reduktion der Schwingungsamplitude und/oder der Dämpfungseigenschaften zu erleichtern. Das Verfahren umfasst die Verwendung einer gerichteten Orientierung von Endlosfasern 16 in einer hybriden Konfiguration eines Turbinenschaufelblatts 10. Das Turbinenschaufelblatt 10 besteht aus einer metallischen Basis mit einer Tasche oder Taschen 11, die mit einem Polymerverbund 14 gefüllt sind. Der Polymerverbund 14 kann ein polyimidbasierter Verbund oder ein anderer geeigneter Materialtyp sein. Der Polymerverbund 14 umfasst Endlosfasern 16, wie etwa Glas-, Kohlenstoff-, Kevlar<®>- oder andere Fasern, welche zum Beispiel in einer Harzmatrix 18 verbunden sind. Die Endlosfasern 16 können in einer einzelnen Schicht, in einer Vielzahl von Schichten, in einer oder mehreren Gewebeschichten oder in der gesamten Matrix 18 enthalten sein. Die Orientierung der Endlosfasern 16 ist so ausgewählt, dass sie die Abstimmung des Turbinenschaufelblatts 10 auf eine bestimmte Weise erleichtert und/oder kann verwendet werden, um den Satz «gemischt abzustimmen». Mit anderen Worten wird die Faserorientierung in Übereinstimmung mit einer vorgewählten Abstimmung des Turbinenschaufelblatts 10 bestimmt. Die Frequenzcharakteristik wird in einigen Konfigurationen durch Massschneidern der Orientierung der Endlosfasern 16 während der Anordnung und Aushärtung des Polymerverbunds 14 gesteuert. Durch Feinabstimmung der Orientierung der Endlosfasern 16 und/oder der Webung eines Gewebes 16 erleichtern einige Konfigurationen die Steuerung der Festigkeiten und Elastizitätsmodule in unterschiedlichen Richtungen in Gewebe, das aus diesen Endlosfasern aufgebaut ist.

[0009] Unter Bezugnahme auf Fig. 3bis 7 werden auch spezifische Orientierungen von Endlosfasern 16 verwendet, um einzelne Frequenzen der Turbinenschaufelblätter 10 abzustimmen. Die «gemischte Abstimmung» umfasst die Kombination einer bestimmten Gruppe 22, die eine Frequenzcharakteristik aufweist, mit einer oder mehreren anderen Gruppen 24 einer anderen Frequenz. Gruppen 22 und 24 von Turbinenschaufeln 20 werden dann in einer Reihe zusammengestellt (z. B. abwechselnd), um eine verbesserte mechanische Dämpfung einer Turbine 26 (z. B. einer Dampf- oder Gasturbine) zu erleichtern. Je nach dem gewünschten Endergebnis der «gemischten Abstimmung» können mehr als eine oder zwei unterschiedliche Gruppen von Turbinenschaufeln 20 vorhanden sein.

[0010] Konfigurationen können mit anderen Turbinenschaufelblättern oder Schaufeln von Dampf- oder Gasturbinen verwendet werden, wo dies durch die Umgebung zugelassen wird (z. B. Kompressorschaufeln für die vordere Stufe einer Gasturbine).

[0011] Einige Konfigurationen schaffen eine Veränderung der Abstimmung der Eigenfrequenzen und der dynamischen Antwort einer Reihe von kontinuierlich gekoppelten oder freistehenden Turbinenschaufelblättern 10, ohne die aerodynamische Gestalt und Effizienz zu verändern. Einige Konfigurationen schaffen auch die Möglichkeit, eine Reihe von Turbinenschaufelblättern 10 individuell abzustimmen oder bestimmte Moden, die vielleicht die Konstruktionsanforderungen nicht erfüllen, abzustimmen, ohne die aerodynamische Gestalt und Effizienz zu verändern.

[0012] Einige Konfigurationen schaffen die Möglichkeit, eine individuelle Turbinenschaufelblattfrequenz unter Verwendung von Verbundorientierung abzustimmen, um die Steifigkeit in einem mit Taschen 11 versehenen Bereich eines Hybridschaufelblatts zu steuern, ohne die aerodynamische Effizienz zu verändern. Die Endlosfasern 16 können auf verschiedene Arten orientiert sein, um die Steifigkeit in der Richtung zu steuern, die (eine) bestimmte Turbinenschaufelblatteigenfrequenz(en) steuert. Ein Polymerverbund 14 kann auf Basis des Fasertyps, der Webung und der Orientierung so konstruiert werden, dass er in verschiedenen Richtungen deutlich verschiedene Festigkeiten und Elastizitätsmodule aufweisen kann.

[0013] Unter Bezugnahme auf Fig. 4bis 6 schaffen einige Konfigurationen die Möglichkeit, die aeroelastische Antwort einer Schaufelreihe (kontinuierlich gekoppelt oder freistehend) durch gemischte Abstimmung der Eigenfrequenzen der Turbinenschaufeln 20 innerhalb der Reihe zu unterdrücken. Diese Konfigurationen verwenden eine hybride lange Konstruktion der Turbinenschaufelblätter 10 mit Einstellung der Verstärkungssteifigkeit der Endlosfaser 16.

[0014] Diese Einstellung kann durch Verwendung verschiedener Kombinationen von Fasermaterialien sowie durch Webung und Orientierung zur Steuerung der Steifigkeit in unterschiedlichen Richtungen erreicht werden. Turbinenschaufelblätter 10 mit verschiedenen Frequenz- und (Dämpfungs-)Eigenschaften können auch verwendet werden, um die Eigenfrequenz einer Schaufelgruppe zu verändern. (Das oben erwähnte US-Patent Nr. 5,931,641 beschreibt eine Hybridschaufelblatt-Basiskonstruktion.) Die Konfigurationen erzeugen die zumindest zwei unterschiedlichen Gruppen 22 und 24 von Turbinenschaufeln 20. Jede Gruppe 22 und 24 hat dieselbe aerodynamische Gestalt und dasselbe äussere Profil, umfasst jedoch unterschiedliche Verbundfüller 14 innerhalb der mit Taschen versehenen Turbinenschaufeln 20, wodurch die Eigenfrequenz der zwei (oder mehr) Schaufelgruppen 22 und 24 absichtlich verändert wird. In einigen Konfigurationen verwendet zum Beispiel eine Gruppe 22 ein Verbundmaterial 14, das eine höhere Festigkeit aufweist oder «steifer» ist, während die andere Gruppe 24 ein Material 14 mit geringerer Steifigkeit oder höherer Dämpfung verwendet. In einigen Konfigurationen verwendet eine erste Gruppe 22 zum Beispiel auch Endlosfasern 16, die in eine Richtung orientiert sind (siehe Fig. 4), und eine zweite Gruppe 24 verwendet Endlosfasern 16, die in einer zweiten Richtung orientiert sind. Somit werden absichtlich zwei oder mehr Bestände von Turbinenschaufeln 20 hergestellt und logisch zusammengestellt, um den ihnen inhärenten Unterschied in den Eigenfrequenzen zur Dämpfung der Turbinenschaufelantwort auf synchrone und asynchrone Schwingungen auszunützen, ohne die aerodynamischen Eigenschaften der Turbinenschaufel negativ zu beeinflussen.

[0015] In verschiedenen Konfigurationen werden entweder die Faserorientierung, die Verarbeitungstechnik oder beide verwendet, um die primäre Eigenfrequenz der einzelnen Turbinenschaufelblätter, die spezielle Modusabstimmung der kontinuierlich gekoppelten Turbinenschaufelblattreihe, oder beides, zu verändern. Somit weist in einigen Konfigurationen die Verbundschichtung mehr Endlosfasern auf, die in einer bevorzugten Richtung ausgerichtet sind, was die Steifigkeit in einer relevanten Richtung beeinflusst, um so Frequenzen zu steuern oder zu verschieben. Einige Konfigurationen verwenden mehrere unterschiedliche Schichten von Gewebematerial, die in unterschiedlichen Richtungen orientiert sind, wodurch die Versteifung in zwei oder mehr Richtungen beeinflusst wird und dadurch die Steifigkeit in jeder dieser Richtungen unterschiedlich gesteuert werden kann.

[0016] In einigen Konfigurationen und unter Bezugnahme auf Fig. 6 werden eine quasi-isotrope Schichtung (wie etwa [0/45/90/-45]n, wobei n die Anzahl der wiederholten Lagesequenzen ist) oder zufällig orientierte, lange Fasern in einer Matrix (wie etwa Harzmatten oder «SMCs») primär als eine Vorrichtung zur «gemischten Abstimmung» wie oben beschrieben eingesetzt. Zumindest zwei unterschiedliche Sätze von Turbinenschaufelblättern und entsprechende Eigenfrequenzantworten werden auf eine Weise angeordnet, die so ausgewählt ist, um die Netto-Frequenzantwort der Turbinenschaufelblattreihe zu reduzieren.

[0017] In einigen Konfigurationen wird die Faserorientierung verwendet, um die Turbinenschaufelblattreihe gemischt abzustimmen. Insbesondere werden zwei oder mehr Sätze von Turbinenschaufelgruppen mit vertieften Abschnitten oder «Taschen», die hauptsächlich entlang der Druckseite der Turbinenschaufel liegen, zu einem Kranz zusammengestellt. Diese Turbinenschaufelgruppen umfassen einen Satz von Turbinenschaufelblättern in einer Stufe einer Turbine. Eine Gruppe von Turbinenschaufeln besitzt höhere Resonanzfrequenzen oder eine höhere Dämpfungskennlinie als der andere Satz oder die anderen Sätze. In einer Beispielkonfiguration ist eine Gruppe von Turbinenschaufeln so konfiguriert, dass eine Eigenfrequenz gleichermassen zwischen zwei Kriterien «per Umdrehung» eingebracht ist (zum Beispiel 4 per Umdrehung und 5 per Umdrehung abwechselnd), während eine weitere Gruppe von Turbinenschaufeln eine abwechselnde Orientierung der Faserschichtung aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie gleichermassen um einen weiteren Satz von Stimuli «per Umdrehung» angeordnet ist (wie etwa 3 per Umdrehung und 4 per Umdrehung abwechselnd). Eine inhärent unterschiedliche Dämpfung und Frequenzantwort tritt auf, wenn unterschiedliche Fasermaterialien und Orientierungen in der Verbund-Harzmatrix verwendet werden. Das Polymerverbund-Fasergewebe wird zusammen mit einem Harzbindemittel verwendet, um die gewünschte Blattflächenform zu schaffen, die vor dem Vorsehen der Taschen 11 existiert hatte.

[0018] Beispiele verschiedener Turbinenschaufel-/Taschengeometrie-Konfigurationen sind in den Figuren veranschaulicht. Fig. 7 illustriert eine typische Position von Niederdruck-Turbinenschaufelblättern der letzten Stufe in einer Turbinenkonfiguration. Konfigurationen können in mehreren Stufen einer Turbine verwendet werden, wo die Temperatur niedrig genug und die Turbinenschaufelblattgrösse gross genug ist, um dies zuzulassen. Konfigurationen können auch in einer Einzelstromturbine verwendet werden.

[0019] Einige Konfigurationen schaffen ein Verfahren zur Verringerung der Schubspannung in einer Klebstoffschicht zwischen Metall und Polymerverbund sowie zur Schaffung einer formschlüssigen mechanischen Verbindung des Polymerverbunds 14 mit dem Turbinenschaufelblatt 10. Die Konfigurationen sind auf Verbundmatrizen einer oder mehrerer unterschiedlicher Schichten aus Faser- oder Gewebeorientierung anwendbar.

[0020] In einigen Konfigurationen und unter Bezugnahme auf Fig. 8 und Fig. 9 ist eine Konfiguration aus geometrischem Durchgangs-»Fenster» 12 und Tasche 11 für eine hybride Konstruktion des Turbinenschaufelblatts 10 geschaffen. Die Taschen 11 in einigen dieser Konfigurationen weisen eine verlaufende Neigung zu einer Grenzfläche 56 mit einer Strömungswegoberfläche auf. Die Fenster 12 unterstützen die formschlüssige mechanische Befestigung eines Polymerverbundmaterials 14 an einem Turbinenschaufelblatt 10. Zusätzlich sorgen die Fenster 12 für eine reduzierte Schubspannung in einer Klebeschicht zwischen dem Polymerverbund 14 und dem metallischen Turbinenschaufelblatt 10.

[0021] Einige Konfigurationen stellen eine Konfiguration aus mehreren Fenstern 12 bereit, die eine verbesserte mechanische Schnittstelle zwischen dem Schichtverbundmaterial 14 und einem Turbinenschaufelblatt 10 fördert. Auf Grund der hohen Steifigkeit des Polymerverbundmaterials 14 ist es auch möglich, das Fenster durch das Turbinenschaufelblatt 10 durchgehend zu schaffen. (In zumindest einer Konfiguration nach dem Stand der Technik mit Hybridschaufelblättern wird ein Polymer mit niedriger Temperaturtauglichkeit und sehr geringer Steifigkeit verwendet. Mit einem flexiblen Niedertemperatur-Polymer ist es in dieser Konfiguration nach dem Stand der Technik nicht möglich, ein durch eine Turbinenschaufelblattwandung durchgehendes Fenster zu schaffen.)

[0022] In einigen Konfigurationen umfassen die Konfigurationen mit der Geometrie von Tasche 11 für ein Hybridschaufelblatt 10 eine Vielzahl von «Fenstern» 12, die ganz durch die Turbinenschaufelblattwandung 52 reichen. Die Taschen 11 sind um den Rand herum entweder konkav oder konvex. Die Auswahl einer konkaven oder konvexen Konfiguration kann empirisch erfolgen, abhängig davon, was sich beim Verbundlaminierverfahren als am vorteilhaftesten erweist, und/oder davon, was die besten Formstabilitätseigenschaften aufweist. Die Fenster 12 sind in Bereichen 54 angeordnet, die ausgewählt wurden, um Beanspruchungskonzentrationen an den Taschen 11 und der Turbinenschaufelblattkonstruktion zu minimieren oder zumindest zu verringern. Die Fenster 12 können verschiedene Formen aufweisen, die durch Finite-Element-Analyse eines Turbinenschaufelblatts mit Fenstern 12 ermittelt werden. In einigen Konfigurationen kann das Fenster 12 sowohl eine konkave als auch eine konvexe Oberfläche um den Rand des Fensters herum aufweisen, was durch empirische Untersuchung bestimmt werden kann.

[0023] In einigen Konfigurationen umfasst das Verbundmaterial 14 ein Gewebe 16, wie etwa Glas, Kohlenstoff, Kevlar oder anderes Material, das unter Verwendung eines Harz-Bindemittels/Füllers 18 konfiguriert ist. Der Schichtverbund 14 wird zum Beispiel unter Verwendung eines vorimprägnierten, unidirektionalen oder verwebten Gewebebands hergestellt. Ein anderes Beispiel für ein geeignetes Verfahren zur Herstellung des Schichtverbunds umfasst das Spritzen von Harz über die Endlosfasern während des Giessvorgangs. In einigen Konfigurationen wird eine Hochtemperatur-Polyimidbasis verwendet, doch andere Polymere mit Hochtemperatureigenschaften sind ebenfalls geeignet.

[0024] Die Konfigurationen der Metall-Füller-Randkonstruktion sind nicht auf die Verwendung an den vorderen Rändern beschränkt, sondern sind auf alle Ränder, einschliesslich, aber ohne darauf beschränkt zu sein, des aussen liegenden Randes anwendbar. Ein innen liegender Rand kann auf ein radiales Strömungsfeld mit einem hohen Auftreffwinkel oder einen rein radialen Strom von der zentrifugalen Last treffen, was ein Fliessen von «nassem» Dampf radial nach aussen verursachen kann. Die Unterschneidung hat einen kleinen oder grossen Radius, je nach der Dicke der Blattfläche am betreffenden Rand. Die Unterschneidung verläuft allmählich auf solche Art in der hinteren Wandung der Tasche, dass die Beanspruchungskonzentration verringert wird.

[0025] Einige Konfigurationen können «Druckkissen» an beiden Seiten einer Blattfläche aufweisen, während das Polymerverbundmaterial in der Tasche 11 aushärtet. Das Druckkissen erzeugt die Blattflächenform an den Stellen, an denen die Tasche 11 ausgefräst wurde. Um die vor der «Taschenbildung» existierende Blattflächenform wiederherzustellen, werden Harzfüller verwendet.

[0026] Zusätzlich schaffen einige Konfigurationen ein Verfahren zur Hinzufügung einer zusätzlichen mechanischen Befestigung des Verbundmaterials in einer Turbinenschaufelblatttasche, wodurch Schubspannungen in einer Klebstoffschicht zwischen dem Polymerverbund und einer metallischen Blattfläche verringert werden. Einige Konfigurationen verleihen der Verbundmatrix in dem Turbinenschaufelblatt auch eine feste mechanische Formstabilität.

[0027] Zusammenfassend und nochmals auf die Fig. 1und Fig. 2Bezug nehmend, schaffen einige Konfigurationen ein Verfahren zur Reduktion von Beanspruchungen in einem Turbinenschaufelblatt 10, das eine metallische Basis umfasst. Das Verfahren umfasst das Füllen einer Tasche oder von Taschen 11 in dem Turbinenschaufelblatt 10 mit einem Polymerverbund 14, der Endlosfasern 16 in einer Harzmatrix 18 aufweist. Die Endlosfasern 16 haben eine Orientierung, die in Übereinstimmung mit einer vorgewählten Frequenzabstimmung des Turbinenschaufelblatts bestimmt wurde.

[0028] Unter Bezugnahme auf Fig. 3bis 7 kann dieses erfindungsgemässe Verfahren für die Herstellung einer Vielzahl von erfindungsgemässen frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln 20 benützt werden, wobei die vorgewählte Frequenzabstimmung der Turbinenschaufelblätter 10 zwischen zumindest einer ersten Gruppe 22 von Turbinenschaufeln 20 und einer zweiten Gruppe 24 von Turbinenschaufeln 20 unterschiedlich ist. Darüber hinaus schliessen einige Verfahren das Zusammenbauen der ersten Gruppe 22 von Turbinenschaufeln 20 und der zweiten Gruppe 24 von Turbinenschaufeln 20 ein, um eine mechanische Dämpfung einer Turbine 26 zu erreichen. Das Verfahren kann auch den Zusammenbau von Turbinenschaufeln 20 der ersten Gruppe 22 abwechselnd mit Turbinenschaufeln 20 der zweiten Gruppe 24 umfassen. In einigen Konfigurationen hat die Vielzahl von Turbinenschaufeln 20 dieselbe äussere aerodynamische Gestalt und dasselbe Profil, und die Turbinenschaufeln 20 schliessen zumindest zwei Gruppen 22, 24 ein, wobei eine Gruppe 24 einen Polymerverbund 14, der entweder höhere Festigkeit aufweist oder steifer ist als die andere(n) Gruppe(n) 24, oder beides, in den Turbinenschaufelblättern 10 aufweist. In einigen Konfigurationen, in welchen die Vielzahl von Turbinenschaufeln 20 dieselbe aerodynamische Gestalt und dasselbe Profil aufweisen und die Turbinenschaufeln 20 zumindest zwei Gruppen 22, 24 umfassen, umfasst das Verfahren des Weiteren das Orientieren der Endlosfasern 16 in der Harzmatrix 18 in einer Gruppe 22 in einer anderen Richtung als in der oder den anderen Gruppe(n) 24.

[0029] Unter Bezugnahme auf Fig. 4bis 6 schliessen einige Konfigurationen des Weiteren das Füllen des Polymerverbunds 14 mit Endlosfasern 16 ein, die in zumindest zwei Richtungen orientiert sind, wobei mehr Endlosfasern in eine erste, bevorzugte Richtung 36 orientiert sind als in eine unterschiedliche, zweite Richtung 38. Unter Bezugnahme auf Fig. 10 schliessen einige Konfigurationen auch das Füllen des Polymerverbundes 14 mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Schichten 40, 42 aus Gewebematerial ein, wobei die Endlosfasern 16 in den unterschiedlichen Schichten in unterschiedlichen Richtungen orientiert sind. Der Polymerverbund 14 kann eine quasi-isotrope Schichtung umfassen, und das Verfahren kann des Weiteren einschliessen, dass zwei unterschiedliche Sätze von Turbinenschaufelblättern so in einer Konfiguration angeordnet werden, dass eine Netto-Frequenzantwort einer Turbinenschaufelblattreihe verringert wird. In einigen Konfigurationen umfasst der Polymerverbund 14 zufällig orientierte, lange Endlosfasern 16 in einer Matrix 18, und das Verfahren umfasst, dass zwei unterschiedliche Sätze von Turbinenschaufelblättern so in einer Konfiguration angeordnet werden, dass eine Netto-Frequenzantwort einer Turbinenschaufelblattreihe verringert wird.

[0030] In einem weiteren Aspekt und nochmals Bezug nehmend auf Fig. 1 bis 7 schaffen einige Konfigurationen eine abgestimmte Turbinenschaufel 20. Die Turbinenschaufel 20 weist zumindest ein Turbinenschaufelblatt 10 auf, das eine metallische Basis mit einer Tasche oder Taschen 11 aufweist, die mit einem Polymerverbund 14 mit in einer Harzmatrix 18 gebundenen Endlosfasern 16 gefüllt ist bzw. sind. Die Endlosfasern 16 weisen eine Orientierung auf, die in Übereinstimmung mit einer vorgewählten Frequenzabstimmung des Turbinenschaufelblatts 10 bestimmt wurde. Einige Konfigurationen schliessen eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 20 ein, welche zumindest eine erste Gruppe 22 von Turbinenschaufeln 20 mit Turbinenschaufelblättern 10, die auf eine erste Frequenz abgestimmt sind, und eine zweite Gruppe 24 von Turbinenschaufeln 20 mit Turbinenschaufelblättern 10, die auf eine unterschiedliche zweite Frequenz abgestimmt sind, einschliesst. Die Turbinenschaufeln 20 werden zusammengestellt, um eine mechanische Dämpfung einer Gas- oder Dampfturbine 26 zu erreichen. In einigen Konfigurationen besteht die Vielzahl von Turbinenschaufelblättern 10 nur aus der ersten Gruppe 22 und der zweiten Gruppe 24, und Turbinenschaufeln 20 mit Turbinenschaufelblättern 10 der ersten Gruppe 22 werden abwechselnd mit Turbinenschaufeln 20 mit Turbinenschaufelblättern 10 der zweiten Gruppe 24 zusammengestellt. Einige Konfigurationen schliessen eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 20 mit derselben äusseren aerodynamischen Gestalt und demselben Profil ein, und die Turbinenschaufeln 20 schliessen zumindest zwei Gruppen 22, 24 ein, jede Gruppe mit einem unterschiedlichen Polymerverbund 14 innerhalb der Turbinenschaufelblätter 10. Auch zusätzliche Konfigurationen schliessen eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 20 mit derselben äusseren aerodynamischen Gestalt und demselben Profil ein, und die Turbinenschaufeln umfassen zumindest zwei Gruppen 22, 24. In diesen Konfigurationen weist eine Gruppe 22 einen Polymerverbund 14, der entweder höhere Festigkeit aufweist oder steifer ist als die andere(n) Gruppe(n) 24, oder beides, in den Turbinenschaufelblättern 10 auf. Auch andere Konfigurationen schliessen eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 20 mit derselben äusseren aerodynamischen Gestalt und demselben Profil ein. Die Turbinenschaufeln 20 umfassen jedoch zumindest zwei Gruppen 22, 24, wobei in einer Gruppe 22 die Endlosfasern 16 in einer anderen Richtung orientiert sind als in der oder den anderen Gruppe(n) 24.

[0031] Einige Konfigurationen schaffen eine Turbinenschaufel 20, wobei der Polymerverbund 14 in zumindest zwei Richtungen orientierte Endlosfasern 16 aufweist, wobei mehr Endlosfasern 16 in eine erste, bevorzugte Richtung 36 orientiert sind als in eine unterschiedliche, zweite Richtung 38. Unter Bezugnahme auf Fig. 10 schaffen einige Konfigurationen auch eine Turbinenschaufel 20, wobei der Polymerverbund 14 eine Vielzahl von unterschiedlichen Schichten 40, 42 aus Gewebematerial umfasst, wobei die Endlosfasern 16 in den unterschiedlichen Schichten 40, 42 in unterschiedlichen Richtungen orientiert sind.

[0032] Noch weitere Konfigurationen schaffen eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 20, wobei der Polymerverbund 14 entweder eine quasi-isotrope Schichtung oder zufällig orientierte lange Endlosfasern 16 in einer Matrix 18 umfasst. Zumindest zwei verschiedene Sätze Turbinenschaufelblätter 10 sind in einer Konfiguration angeordnet, um eine Netto-Frequenzantwort einer Turbinenschaufelblattreihe zu verringern.

[0033] Noch eine weitere Konfiguration schafft eine Turbinenschaufel 20, die ein Turbinenschaufelblatt 10 mit einer Vielzahl von Fenstertaschen 11 aufweist, die ganz durch eine Wandung 52 des Turbinenschaufelblatts 10 reichen. Die Fenster 12 sind in Bereichen 54 angeordnet, die Beanspruchungskonzentrationen an den Fenstertaschen 11 minimieren oder zumindest verringern, und die Turbinenschaufel 20 umfasst des Weiteren ein Polymerverbundmaterial 14, das eine Harzmatrix 18 und Schichten eines Gewebematerials 16 umfasst.

[0034] Es ist klar, dass die Konfigurationen die Reduktion von Beanspruchungen in Turbinenschaufelblättern 10 erleichtern und/oder zur spezifischen Änderung der Turbinenschaufelblattfrequenz und/oder der Dämpfungseigenschaften dienen.

[0035] Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene spezifische Ausführungsformen offenbart wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung mit verschiedenen Abwandlungen innerhalb des Schutzbereichs der Patentansprüche ausgeführt werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20), welche jeweils ein Turbinenschaufelblatt (10) mit einer metallischen Basis enthalten, wobei das Verfahren das Füllen einer oder mehrerer Taschen (11) in dem Turbinenschaufelblatt (10) mit einem Polymerverbund (14) umfasst, der Endlosfasern (16) in einer Harzmatrix (18) aufweist, wobei die Endlosfasern (16) eine Orientierung aufweisen, die in Übereinstimmung mit einer vorgewählten Frequenzabstimmung des Turbinenschaufelblatts (10) bestimmt wird.

2. Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20), wobei die Turbinenschaufeln (20) jeweils zumindest ein Turbinenschaufelblatt (10) umfassen, welches umfasst: eine metallisches Basis mit einer Tasche oder Taschen (11), die mit einem Polymerverbund (14) mit in einer Harzmatrix (18) gebundenen Endlosfasern (16) gefüllt sind, wobei die Endlosfasern (16) eine Orientierung aufweisen, die in Übereinstimmung mit einer vorgewählten Frequenzabstimmung des Turbinenschaufelblatts (10) bestimmt ist.

3. Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20) nach Anspruch 2, welche zumindest eine erste Gruppe (22) von Turbinenschaufeln mit einer Vielzahl von Turbinenschaufelblättern, die auf eine erste Frequenz abgestimmt sind, und eine zweite Gruppe (24) von Turbinenschaufeln, die auf eine unterschiedliche zweite Frequenz abgestimmt sind, einschliesst, wobei die erste und zweite Gruppe (22, 24) von Turbinenschaufeln so zusammengestellt sind, dass eine vorbestimmte mechanische Dämpfung erreicht ist.

4. Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20) nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl von Turbinenschaufeln (20) aus der ersten Gruppe (22) und der zweiten Gruppe (24) besteht, und die Turbinenschaufeln der ersten Gruppe (22) abwechselnd mit den Turbinenschaufeln der zweiten Gruppe (24) zusammengestellt sind.

5. Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20) nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Turbinenschaufeln (20) dieselbe äussere aerodynamische Gestalt und dasselbe Profil aufweisen und die Turbinenschaufeln (20) zumindest zwei Gruppen (22, 24) umfassen, wobei jede Gruppe einen unterschiedlichen Polymerverbund (14) innerhalb der Turbinenschaufelblätter (10) aufweist.

6. Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20) nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Turbinenschaufeln (20) dieselbe äussere aerodynamische Gestalt und dasselbe Profil aufweisen und die Turbinenschaufeln (20) zumindest zwei Gruppen (22, 24) umfassen, wobei eine Gruppe einen Polymerverbund (14) mit mindestens einer höheren Festigkeit und/oder einer grösseren Steifigkeit in den Turbinenschaufelblättern (10) aufweist als die andere(n) Gruppe(n).

7. Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20) nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Turbinenschaufeln (20) dieselbe äussere aerodynamische Gestalt und dasselbe Profil aufweisen und die Turbinenschaufeln (20) zumindest zwei Gruppen (22, 24) umfassen, wobei in einer Gruppe die Endlosfasern (16) in einer anderen Richtung orientiert sind als in der oder den anderen Gruppe(n).

8. Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Polymerverbund (14) in zumindest zwei Richtungen orientierte Endlosfasern (16) aufweist, wobei mehr Endlosfasern in eine erste, bevorzugte Richtung (36) orientiert sind als in eine unterschiedliche, zweite Richtung (38).

9. Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Polymerverbund (14) eine Vielzahl von unterschiedlichen Schichten (40, 42) aus Gewebematerial umfasst, wobei die Endlosfasern (16) in den unterschiedlichen Schichten (40, 42) in unterschiedlichen Richtungen orientiert sind.

10. Vielzahl von frequenzabgestimmten Turbinenschaufeln (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der Polymerverbund (14) entweder eine quasi-isotrope Schichtung oder zufällig orientierte lange Endlosfasern in einer Matrix (18) umfasst, wobei zumindest zwei verschiedene Sätze von Turbinenschaufelblättern (10) in einer Konfiguration angeordnet sind, um eine Netto-Frequenzantwort einer Turbinenschaufelblattreihe zu verringern.