DE10110102C2 - Rotorschaufel - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Rotorschaufel in Hybrid-Bauweise mit einem
Schaufelblatt und einem Schaufelfuß, wobei das Schaufelblatt einen ersten
Schaufelblattabschnitt aus einem metallischen Werkstoff und einen zweiten
Schaufelblattabschnitt aus einem Leichtbauwerkstoff umfaßt und an dem
zweiten Schaufelblattabschnitt eine Hinterkante der Rotorschaufel gebildet ist.
Solch eine Rotorschaufel ist in der DE 197 51 129 C1 beschrieben, wobei dort
das Schaufelblatt in einem Schlitz gehalten ist, welcher an einem metallischen
Schaufelblattabschnitt gebildet ist.
Aus der EP 0 764 763 A1 ist eine Rotorschaufel bekannt, bei welcher in einem
ersten Segment aus einem metallischen Material ein zweites Segment aus
einem Verbundmaterial eingelegt ist.
In dem Artikel "Ein starker Verdichter" in den DLR-Nachrichten vom Juni 2000,
Seiten 54-57 ist eine Hybridschaufel beschrieben, welche einen mit einem
Kohlenfaser-Verbundwerkstoff gefertigten Teil aufweist.
Weitere Rotorschaufeln in Hybrid-Bauweise sind beispielsweise aus den
DE 16 28 355, GB 2 264 755 A, US 3 883 267, DE 195 35 713 A1,
DE 26 31 856 C2 oder DE 20 42 665 bekannt.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rotor
schaufel in Hybrid-Bauweise zu schaffen, welche einerseits eine kleine Masse
aufweist und andererseits eine hohe Tragfähigkeit gegenüber Belastungen auf
weist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Rotorschaufel erfindungs
gemäß dadurch gelöst, daß der zweite Schaufelblattabschnitt und der erste
Schaufelblattabschnitt in einer Fügefläche verbunden sind, welche an einem
Teilbereich des ersten Schaufelblattabschnitts gebildet ist und an einem
Teilbereich des zweiten Schaufelblattabschnitts gebildet ist, daß der erste
Schaufelblattabschnitt über den zweiten Schaufelblattabschnitt in einem
Vorderabschnitt hinausragt, daß eine Vorderkante der Rotorschaufel in dem
Vorderabschnitt gebildet ist und daß der zweite Schaufelblattabschnitt
einschnittig mit dem ersten Schaufelblattabschnitt verbunden ist, so daß eine
Kurve, welche durch den Schnitt der Fügefläche mit einem Profilschnitt
gebildet ist, in einer eineindeutigen Beziehung zu der Skelettlinie des
Profilschnitts steht.
Bei der Hybrid-Bauweise werden verschiedene Werkstoffe mit unterschied
lichen physikalischen Eigenschaften miteinander kombiniert, um eine optimale
Auslegung einer Rotorschaufel zu erhalten. Eine Hinterkante der Rotorschaufel
hat im wesentlichen nur eine aerodynamische Funktion und kann deshalb an
dem zweiten Schaufelblattabschnitt aus dem Leichtbauwerkstoff gebildet sein.
Durch eine solche "leichte" Hinterkante läßt sich das Gewicht der erfindungs
gemäßen Rotorschaufel minimieren.
Bei der Verbindung zweier Teile aus unterschiedlichen Materialien entstehen in
Übergangsbereichen grundsätzlich mechanische Spannungen einerseits durch
die Fertigung und andererseits bei Belastungen im Anwendungsfall, welche
bedingt sind durch unterschiedliches Werkstoffverhalten und durch unter
schiedliche physikalische und chemische Werkstoffeigenschaften, wie bei
spielsweise thermische
Ausdehnung, Schrumpfungsprozesse bei der Polymerisation bzw.
Aushärtung (Erstarrung) und unterschiedliche Steifigkeiten
bzw. unterschiedliches Querkontraktionsverhalten. Dadurch,
daß der zweite Schaufelblattabschnitt einschnittig mit dem
ersten Schaufelblattabschnitt verbunden ist, sind
hydrostatische Spannungszustände zwischen dem ersten
Schaufelblattabschnitt und dem zweiten Schaufelblattabschnitt
stark vermindert. Solche Spannungszustände entstehen dann,
wenn ein Teil von einem zweiten Teil zumindest teilweise
umschlossen und/oder umfaßt wird und dadurch dreidimensionale
Zwangsbedingungen hervorgerufen werden. Insbesondere
entstehen sie, wenn zwei Teile einander in der Art einer
Klemmung umfassen. Durch die erfindungsgemäße einschnittige
Verbindung entstehen bei der Herstellung vorzugsweise
deviatorische Spannungszustände, die im Gegensatz zu
hydrostatischen Spannungszuständen schon im Verlauf der
Herstellung der einschnittigen schäftigen Verbindung durch
Fließvorgänge relaxiert werden können. Bei der
erfindungsgemäßen Rotorschaufel treten dadurch weniger
Materialprobleme auf, da ein homogener Übergang zwischen dem
ersten Schaufelblattabschnitt und dem zweiten
Schaufelblattabschnitt erreicht ist. Gleichzeitig läßt sich
aber Masse einsparen und damit läßt sich eine
Schaufelfußbelastung reduzieren.
Die Kombination einer leichten Hinterkante mit einer ein
schnittigen Verbindung bewirkt also, daß die Masse der Rotor
schaufel reduziert ist und Materialprobleme, wie sie bei der
Hybrid-Bauweise entstehen, zumindest verringert sind.
Bei dem Betrieb einer Rotorschaufel können auch starke
Temperaturbelastungen entstehen, die zu einer entsprechenden
thermischen Ausdehnung des Materials der Rotorschaufel führen. Bei drei
dimensionalen Zwangsbedingungen kann dies zum Entstehen von Spannungen
führen, welche die Belastbarkeit der Rotorschaufel beschränken. Durch die er
findungsgemäße einschnittige Verbindung, bei welcher dreidimensionale
Zwangsbedingungen im wesentlichen vermieden sind, ist die durch thermische
Spannungen hervorgerufene Bruchgefahr stark vermindert, da diese Spannun
gen sich leichter abbauen lassen bzw. nicht oder nicht in dem Maße entstehen,
wie wenn dreidimensionale Zwangsbedingungen vorliegen.
Es läßt sich dann erfindungsgemäß eine Rotorschaufel schaffen, welche eine
hohe Tragfähigkeit gegenüber dynamischen und quasistatischen Belastungen
und gegen Impact-Belastungen wie Vogelschlag aufweist und eine verhältnis
mäßig geringe Masse hat.
Eine Vorderkante der Rotorschaufel ist an dem ersten Schaufelblattabschnitt
gebildet ("schwere" Vorderkante). Ein Staupunkt der Luftströmung um die
Rotorschaufel liegt an der Vorderkante. Diese ist daher stark belastet und das
metallische Material des ersten Schaufelblattabschnitts sorgt für einen guten
Erosionsschutz. Darüber hinaus ist auch die Gefahr des Vogelschlags stark
erhöht im Bereich der Vorderkante der Rotorschaufel. Das metallische Material
des ersten Schaufelblattabschnitts kann ohne Verlust des Schaufelblatts selber
die Energie des Vogelschlags irreversibel durch plastische Verformung auf
nehmen; dies bedeutet, daß der Betrieb eines Triebwerks, welches mit erfin
dungsgemäßen Rotorschaufeln ausgestattet ist, trotz Vogelschlag noch mög
lich ist.
Günstig ist es, wenn der zweite Schaufelblattabschnitt und der erste
Schaufelblattabschnitt in einer Fügefläche verbunden sind, welche an einem
Teilbereich des ersten Schaufelblattabschnittes gebildet ist und welchen an
einem Teilabschnitt des zweiten Schaufelblattabschnittes gebildet ist. Es läßt
sich dadurch ein gradueller Übergang (Gradierung) zwischen den Materialien
erreichen und es lassen sich so auf einfache Weise hydrostatische
Spannungszuständen vermeiden und deviatorische Spannungszustände je
nach Material durch die Möglichkeit des Fließens bereits bei der Herstellung
abbauen und sich in Folge davon die Gefahr des Materialfließens während des
Betriebs vermeiden oder zumindest reduzieren.
Ein besonders geeignetes Kriterium für das Vorliegen einer
einschnittigen/schäftigen Verbindung ist es, wenn eine Kurve, welche durch
den Schnitt der Fügefläche mit einem Profilschnitt gebildet ist, in einer
eineindeutigen Beziehung zu der Skelettlinie des Profilschnitts steht. Eine
Skelettlinie eines Profils ist definiert als die Verbindungskurve der Mittelpunkte
der Kreise, welche im Profil eingeschrieben sind bzw. dieses in zwei Punkten
berühren. Entsprechend ist die Skelettlinie des Profilschnitts dann die
Mittelpunktskurve der Kreise, welche im zweidimensionalen Profilschnitt
eingeschrieben sind. Ist die Beziehung der Schnittkurve der Fügefläche mit
dem Profilschnitt relativ zu der Skelettlinie des Profilschnitts längs deren
Bogenlänge eineindeutig, dann läßt sich dieser Zusammenhang durch eine
streng monotone Funktion darstellen. Beispielsweise wird ein entsprechender
Funktionswert längs der Bogenlinie dadurch erhalten, daß auf der Normalen
zur Skelettlinie innerhalb eines Profilschnitts der Ort der Schnittkurve,
nominiert auf die lokale Dicke an der Skelettlinie, aufgetragen wird. Nur wenn
der resultierende Funktionsverlauf eineindeutig ist (streng monoton), dann
liegt eine einschnittige/schäftige Verbindung vor.
Vorteilhafterweise ragt der erste Schaufelblattabschnitt über den zweiten
Schaufelblattabschnitt in einem Vorderabschnitt hinaus. Dadurch läßt sich eine
erhöhte Erosionsbeständigkeit bezüglich der Vorderkante erreichen, und
andererseits läßt sich die Gesamtmasse des Schaufelblatts minimieren.
Günstigerweise ist dazu in dem Vorderabschnitt eine Vorderkante der Rotor
schaufel gebildet.
Vorteilhafterweise ist der zweite Schaufelblattabschnitt schäftig mit dem ersten
Schaufelblattabschnitt verbunden, um Materialprobleme in der Übergangszone
zwischen dem ersten Schaufelblattabschnitt und dem zweiten Schaufelblatt
abschnitt zu vermeiden.
Weiterhin ist es besonders günstig, wenn der zweite Schaufelblattabschnitt
über den ersten Schaufelblattabschnitt in einem Hinterabschnitt hinausragt.
Dadurch läßt sich die Hinterkante an dem zweiten Schaufelblattabschnitt bilden
und sich so weiterhin die Masse des Schaufelblatts reduzieren und damit die
Schaufelfußbelastung reduzieren. Der Hinterabschnitt ist dabei so ausgestaltet,
daß er im wesentlichen nur eine aerodynamische Funktion hat und seine Kraft
belastung, insbesondere bezüglich Fliehkräften, Auftriebskräften, Erosion und
Impact wie Vogelschlag gering ist oder nur eine geringe Auf
tretungswahrscheinlichkeit hat. Insbesondere ist in dem Hinterabschnitt die
Hinterkante der Rotorschaufel gebildet.
Zur Bildung einer einschnittigen bzw. schäftigen Fügefläche zwischen den
Schaufelblattabschnitten ist es besonders günstig, wenn der zweite Schaufel
blattabschnitt auf dem ersten Schaufelblattabschnitt angeordnet ist. Zudem
läßt sich
dadurch die erfindungsgemäße Rotorschaufel auf einfache Weise
herstellen, da sich der erste Schaufelblattabschnitt getrennt
von dem zweiten Schaufelblattabschnitt herstellen läßt.
Vorteilhafterweise bildet der erste Schaufelblattabschnitt
eine konkave Seite der Rotorschaufel bei einer Vorderkante
der Rotorschaufel. Weiterhin ist es günstig, wenn der erste
Schaufelblattabschnitt eine konvexe Seite der Rotorschaufel
bei einer Vorderkante der Rotorschaufel bildet. Dadurch ist
die Vorderkante aus dem metallischen Material gebildet, so
daß insbesondere eine gute Erosions- und Impactbeständigkeit
erreicht ist.
Weiterhin ist es günstig, wenn der zweite Schaufelblatt
abschnitt eine konkave Seite der Rotorschaufel bei einer
Hinterkante der Rotorschaufel bildet. Zusätzlich bildet der
zweite Schaufelblattabschnitt eine konvexe Seite der Rotor
schaufel bei einer Hinterkante der Rotorschaufel. Dadurch
läßt sich die Gesamtmasse der Rotorschaufel reduzieren.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite Schaufel
blattabschnitt einen Bereich der Rotorschaufel bildet,
welcher im wesentlichen nur aerodynamische Funktionen hat.
Das Material des zweiten Schaufelblattabschnitts weist einer
seits eine geringere Dichte auf als das Material des ersten
Schaufelblattabschnitts, um die Masse der Rotorschaufel zu
erniedrigen. Andererseits kann es aber unter Umständen ein
schlechteres plastisches Verhalten aufweisen und ist dann
anfälliger gegen Sprödbrüche, insbesondere wenn es sich um
einen keramischen Werkstoff handelt. Die Kraftbelastung
sollte also in diesem Bereich gering sein. Es lassen sich an
einer Rotorschaufel Bereiche ermitteln, welche eine geringe
Kraftbelastung aufweisen und Bereiche ermitteln, welche eine große
Kraftbelastung aufweisen. Ein solcher letztgenannter Bereich ist insbesondere
der Schaufelfußbereich. Werden dann die Bereiche mit im wesentlichen nur
aerodynamischen Funktionen mit dem Material des zweiten
Schaufelblattabschnitts hergestellt, dann ist eine Gesamtoptimierung der
Rotorschaufel erreicht.
Um eine einschnittige/schäftige Verbindung zwischen den beiden
Schaufelblattabschnitten zu erreichen, sollte die Fügefläche so ausgebildet
sein, daß ein Krümmungsradius wesentlich größer ist als die laterale
Ausdehnung der Fügefläche und insbesondere mindestens fünfmal und
vorteilhafterweise mindestens zehnmal größer ist als diese laterale Aus
dehnung. Bei einer ebenen Fügefläche ist der Krümmungsradius unendlich.
Ein alternatives oder zusätzliches Kriterium für eine schäftige Ausbildung einer
Fügefläche ist es, wenn die Abweichung
von Normalenvektoren der Fügefläche von einem mittleren
Normalenvektor der Fügefläche höchstens 20° ist und insbesondere kleiner als
10° ist. Es wird dadurch sichergestellt, daß die Fügefläche nicht zweischnittig
ausgebildet ist. Dies dient zur Vermeidung von hydrostatischen Spannungs
zuständen in der Fügefläche.
Vorteilhafterweise ist der Schaufelfuß mit dem ersten Schaufelblattabschnitt
verbunden. Die Kraftbelastung der
Rotorschaufel an dem Schaufelfuß ist maximal, da dort ins
besondere die Fliehkräfte und mögliche Kraftbelastungen durch
Impact maximal sind. Dadurch, daß der Schaufelfuß mit dem
ersten Schaufelblattabschnitt verbunden und insbesondere
einstückig an diesem gebildet ist, ist dafür gesorgt, daß das
duktile isotrope Metall die Kräfte aufnehmen kann, ohne daß
Versprödungsrisse eintreten, welche Sprödbruch zur Folge
haben können.
Vorteilhafterweise ist der zweite Schaufelblattabschnitt
außerhalb eines Anschlußbereichs des Schaufelfußes ange
ordnet. Auch um einen Anschlußbereich des Schaufelfußes liegt
erhöhte Kraftbelastung vor. Der zweite Schaufelblattabschnitt
mit dem spröden Material und der leichten Hinterkante im Ver
gleich zu der schwereren Vorderkante ist dann hinreichend
weit entfernt von Regionen erhöhter Kraftbelastung.
Günstigerweise umfaßt die Rotorschaufel einen ersten Bereich
zwischen einer konvexen Seite und einer konkaven Seite der
Rotorschaufel, welcher aus dem metallischen Werkstoff ge
fertigt ist, einen zweiten Bereich zwischen der konvexen
Seite und der konkaven Seite der Rotorschaufel, welcher aus
dem Leichtbauwerkstoff gefertigt ist, und einen Übergangs
bereich zwischen der konvexen Seite und der konkaven Seite
der Rotorschaufel, welcher teilweise den metallischen Werk
stoff und teilweise den Leichtbauwerkstoff umfaßt. In diesem
Übergangsbereich erfolgt ein homogener Übergang (Gradierung)
zwischen den Werkstoffen, so daß Materialprobleme dort ver
ringert sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn in dem
Übergangsbereich ein gradueller Übergang der Werkstoffe
bezogen auf den Abstand zwischen konvexer Seite und konkaver
Seite der Rotorschaufel stattfindet, um so einerseits die
Materialprobleme im Übergangsbereich zu verringern, anderer
seits die Fügung zu verbessern und hydrostatische Spannungs
zustände zu vermeiden.
Günstig ist es, wenn der Übergangsbereich in einer Quer
schnittsfläche der Rotorschaufel näherungsweise linear ist.
Der lineare Übergang ist dabei nur als erste Näherung zu ver
stehen. Bei einem solchen linearen Übergang ist die Ein
schnittigkeit/Schäftigkeit der Fügefläche garantiert, wobei
hydrostatische Spannungszustände weitgehend vermieden sind.
Es kann aber vorgesehen sein, daß der Übergangsbereich dahin
gehend von der Linearität abweicht, daß im Übergangsbereich
zur konkaven Seite der Rotorschaufel hin der zweite
Schaufelblattabschnitt vergrößert ist. Der zweite
Schaufelblattabschnitt dehnt sich dann vorzugsweise an dem
der Hinterkante zugewandten Ende des Übergangsbereichs
stärker als linear aus, d. h. er weist einen Bauch nach außen
in den ersten Schaufelblattabschnitt hinein auf. Dadurch wird
die Kompatibilität bezüglich der unterschiedlichen
Materialien der beiden Schaufelblattabschnitte erhöht: Bei
einem metallischen Werkstoff, wie er beim ersten
Schaufelblattabschnitt zum Einsatz kommt, ist in der Regel
die Schubverformbarkeit vernachlässigbar, während das
Material des zweiten Schaufelblattabschnitts gegenüber einer
Querverschieblichkeit weich ist. Durch den Bauch in das
Metall hinein ist für ein dünnes Auslaufen desselben gesorgt,
wodurch die unterschiedliche Verformungsbilder der
Materialien über die geometrische Ausgestaltung des
Übergangsbereichs aneinander angepaßt sind. Vorzugsweise
läuft dabei der erste Schaufelblattabschnitt in einer dünnen
Folie aus.
Es kann auch vorgesehen sein, daß der erste
Schaufelblattabschnitt zur konvexen Seite hin im
Übergangsbereich vergrößert ist, d. h. der metallische
Werkstoff weist einen Bauch in Richtung der konvexen Seite
der Rotorschaufel hin in den zweiten Schaufelblattabschnitt
hinein auf. Der Hauch des metallischen Werkstoffs liegt dabei
insbesondere in dem Bereich des Übergangsbereichs, welcher
der Vorderkante näher liegt. Es lassen sich dadurch in diesem
Bereich Spannungsspitzen vermeiden, da durch die geometrische
Gestaltung der Fügefläche für ein "flacheres" Auslaufen
gesorgt ist. Dadurch wird die Anrißempfindlichkeit in diesem
Bereich verringert.
Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es dabei
vorgesehen, daß zum einen im Übergangsbereich, welcher der
Vorderkante näher ist, der erste Schaufelblattabschnitt
gegenüber einem linearen Verlauf vergrößert ist und in dem
Bereich des Übergangsbereichs, welcher näher der Hinterkante
liegt, der zweite Schaufelblattabschnitt gegenüber einem
linearen Verlauf vergrößert ist. Der metallische Werkstoff
erstreckt sich dann in einem Bauch im Übergangsbereich,
welcher der konvexen Seite zugewandt ist, und der
Leichtbauwerkstoff erstreckt sich in einem Bauch im
Übergangsbereich, welcher der konkaven Seite der
Rotorschaufel zugewandt ist. Eine Schnittkurve zwischen der
Fügefläche und einem Profilschnitt weist dann bei dieser
Variante einer Ausführungsform bezogen auf eine Gerade einen
Wendepunkt auf. Bei dieser Variante ist der Übergangsbereich
geometrisch so ausgestaltet, daß im Bereich, welcher der
Vorderkante näher liegt, die Anrißempfindlichkeit reduziert
ist, und in dem Bereich, welcher der Hinterkante näher liegt,
eine bessere Kompatibilität bezüglich der unterschiedlichen
Materialien hinsichtlich Schubverformungen erreicht ist.
Zur Optimierung einer erfindungsgemäßen Rotorschaufel bezüg
lich einerseits Belastbarkeit und andererseits Masse ist es
günstig, wenn zumindest in einem dem Schaufelfuß abgewandten
Bereich der erste Schaufelblattabschnitt lateral etwa 20%
bis 45% der konvexen Seite der Rotorschaufel einnimmt.
Weiterhin günstig ist es, wenn zumindest in einem dem
Schaufelfuß abgewandten Bereich der erste Schaufelblatt
abschnitt lateral 50% bis 75% einer konkaven Seite der
Rotorschaufel einnimmt. Insbesondere sollte der erste
Schaufelblattabschnitt ca. 1/3 der konvexen Seite und ca. 2/3
der konkaven Seite einnehmen. Dadurch ist ein optimaler Über
gangsbereich erzielt, durch den einerseits eine gute Fügung
(Klebung) zwischen den beiden Schaufelblattabschnitten er
reichbar ist und andererseits eine gute Massenreduzierung
erreichbar ist.
Als besonders vorteilhafter Werkstoff für den ersten
Schaufelblattabschnitt hat sich Titan oder eine Titanver
bindung erwiesen. Es kann dabei auch eine Verstärkung der
Metallgrundmasse mit Fasern aus Siliziumkarbid vorgesehen
sein. Diese Werkstoffe werden dann als Titanmatrix-Verbund
werkstoffe (TMC) bezeichnet. Diese weisen hervorragende
Festigkeits- und Steifigkeitswerte auf.
Vorteilhafterweise ist der Werkstoff für den zweiten
Schaufelblattabschnitt ein Faserverbundwerkstoff. Solche
Werkstoffe weisen eine niedrige Dichte auf, d. h. sind sehr
leicht. Bei einer entsprechend erfindungsgemäß ausgestalteten
Rotorschaufel läßt sich die mittlere Schaufelfußbelastung
beispielsweise um 20% reduzieren.
Ein besonders leichter Faserverbundstoff, welcher als Werk
stoff für den zweiten Schaufelblattabschnitt geeignet ist,
ist ein Kohlenfaser-Verbundwerkstoff (CFK - carbon fiber
composite).
Um ein sicheres Halten des zweiten Schaufelblattabschnitts an
dem ersten Schaufelblattabschnitt zu ermöglichen, sind diese
miteinander verklebt. Grundsätzlich ist es denkbar, dazu ein
Adhäsionsmaterial vorzusehen. Es kann aber auch vorgesehen
sein, daß die Verklebung ohne einen separaten adhäsiven
Werkstoff durch das Aufbringen eines Fasergeleges oder
Prepreg-Materials auf ein entsprechend vorbearbeitetes Metall
erreichbar ist. Ist insbesondere der zweite
Schaufelblattabschnitt durch ein auf den ersten
Schaufelblattabschnitt gelegtes und anschließend
weiterverarbeitetes Fasergelege oder Prepreg-Material
gebildet, dann läßt sich dadurch eine gute und homogene
Fügung erreichen. Bei einem Fasergelege erfolgt die
Weiterverarbeitung durch Harztränkung innerhalb einer Form.
Bei einem Prepreg-Material erfolgt die Weiterverarbeitung
durch Konsolidierung und insbesondere Verpressung.
Um eine gute Verbindung zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn
der erste Schaufelblattabschnitt in einem Überlappungsbereich
eine aufgerauhte Oberfläche aufweist. Dadurch läßt sich eine
Kleber-Matrix-Einheit an der Fügefläche ausbilden, durch den
der zweite Schaufelblattabschnitt mit dem ersten Schaufel
blattabschnitt verklebt ist, ohne daß ein zusätzliches
adhäsives Material vorgesehen werden muß.
Um eine sichere Verbindung zwischen den beiden Schaufelblatt
abschnitten zu erreichen, kann es vorgesehen sein, daß die
Verbindung über die Verklebung hinaus durch Vernähung oder
Vernietung verstärkt ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Her
stellung einer Rotorschaufel, wie sie oben beschrieben wurde.
Es liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereit
zustellen, welches die Herstellung einer bezüglich Belastung
und Masse optimierten Rotorschaufel erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei dem genannten Verfahren erfindungs
gemäß dadurch gelöst, daß der erste Schaufelblattabschnitt
hergestellt wird, daß zur Vorbereitung des Aufbringens eines
Leichtbauwerkstoffs zur Bildung des zweiten Schaufelblatt
abschnitts ein Oberflächenbereich des ersten Schaufelblatt
abschnitts bearbeitet wird und daß anschließend das Leicht
baumaterial aufgebracht wird und ein zweiter Schaufelblatt
abschnitt geformt wird.
Es wird also von einem vorgeformten ersten Schaufelblatt
abschnitt ausgegangen und an diesem dann der zweite Schaufel
blattabschnitt gebildet. Dadurch läßt sich beispielsweise der
erste Schaufelblattabschnitt als Teil einer Form einsetzen
und außerdem ist für eine gute Fügeverbindung gesorgt.
Um eine Fügeverbindung hoher Qualität zu erhalten, ist es
vorteilhaft, wenn der Oberflächenabschnitt gereinigt wird.
Insbesondere wird dieser fettfrei gemacht, indem beispiels
weise Lösungsmittel angewandt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Oberflächenabschnitt
aufgerauht wird. Dadurch läßt sich eine gute Verbindung
zwischen Verbundwerkstoff mit seiner Matrixstruktur und der
Metalloberfläche erreichen. Es kann beispielsweise vorgesehen
sein, daß der Oberflächenabschnitt zur mechanischen
Aufrauhung sandgestrahlt wird. Es kann auch vorgesehen sein,
daß der Oberflächenabschnitt mit Ultraschall bearbeitet wird.
Bei einer Variante einer Ausführungsform, bei der als Leicht
bauwerkstoff insbesondere ein Duromer eingesetzt wird, wird
ein Faserwerkstoff in einer Form aufgebracht und mit Harz
infiltriert, welches dann aushärtet. Es kann alternativ auch
ein Prepreg-Leichtbauwerkstoff eingesetzt werden, welcher
vorgetränkte Gewebelagen mit Fasern in einer Matrix umfaßt.
Günstig ist es dann, wenn ein Gelege auf den Ober
flächenabschnitt aufgelegt und anschließend weiterverarbeitet
wird, um so einerseits den zweiten Schaufelblattabschnitt
herzustellen und andererseits gleichzeitig die Fügeverbindung
mit dem ersten Schaufelblattabschnitt zu bewirken. Bei dem
Gelege kann es sich um ein Fasergelege handeln, bei dem die
Matrixstruktur durch anschließende Harz-Imprägnierung erzeugt
wird; es kann sich auch um ein Prepreg-Material handeln,
welches bereits eine Matrixstruktur aufweist. Wenn das
Fasergelege in einer Form aufgebracht und anschließend mit
Harz imprägniert wird, läßt sich gleichzeitig die vorgegebene
Form der Rotorschaufel herstellen und andererseits läßt sich
die Verbindung bewirken. Die Verbindung läßt sich auch
herstellen, wenn der Leichtbauwerkstoff mittels eines
Prepreg-Geleges aufgebracht und nach dem Aufbringen in einer
Form konsolidiert und insbesondere verpreßt wird.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungs
form dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Teilansicht eines Rotors eines Triebwerks
mit Rotorschaufeln;
Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Rotorschaufel in Explosionsdarstellung;
Fig. 3
(a) bis (g) Profilschnitte einer zusammengesetzten Rotor
schaufel gemäß Fig. 2, beginnend von einem
einem Schaufelfuß abgewandten Ende (a) bis in
den Bereich des Schaufelfußes (g);
Fig. 4 schematisch einen Profilschnitt mit einer
eingezeichneten Skelettlinie und einer
Schnittkurve zwischen Profilschnitt und einer
Fügefläche und
Fig. 5(a) den Verlauf zweier Varianten einer Fügefläche
Fig. 5(b) in jeweiliger Schnittdarstellung
(Schnittkurvenverlauf).
In Fig. 1 ist in einer Auschnittansicht ein als Ganzes mit
10 bezeichneter Rotor gezeigt, welcher einen an einer Welle
fixierbaren Haltering 12 oder eine Haltescheibe umfaßt, an
welchem wiederum gleichmäßig beabstandet um dessen Umfang
eine Mehrzahl von Rotorschaufeln 14 angeordnet ist.
Eine Rotorschaufel 14 umfaßt, wie in Fig. 2 gezeigt, einen
Schaufelfuß 16, mit dem die Rotorschaufel 14 an dem Haltering
12 fixierbar ist und ein als Ganzes mit 18 bezeichnetes
Schaufelblatt. Das Schaufelblatt 18 weist eine Vorderkante 20
und eine Hinterkante 22 auf. Ein Staupunkt einer
Luftströmung, welche das Schaufelblatt 18 umströmt, liegt an
der Vorderkante 20.
Eine Rotorschaufel 14, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, ist
zweistückig ausgebildet mit einem ersten Schaufelblatt
abschnitt 24 und einem zweiten Schaufelblattabschnitt 26. Der
erste Schaufelblattabschnitt 24 ist aus einem duktilen,
isotropen Werkstoff gefertigt und insbesondere aus einem
metallischen Werkstoff. Insbesondere ist der erste Schaufel
blattabschnitt 24 aus Titan oder einer Titanverbindung ge
fertigt. In Frage kommt auch Titan, welches durch Fasern bei
spielsweise aus Siliziumkarbid verstärkt ist (Titanmatrix-
Verbundwerkstoff).
Der zweite Schaufelblattabschnitt 26 ist aus einem Leichtbau
material gefertigt, welches eine geringere Dichte aufweist
als das Material des ersten Schaufelblattabschnitts 24. Denk
bar ist beispielsweise, daß der zweite Schaufelblattabschnitt
26 aus Aluminium gefertigt ist. Insbesondere vorteilhaft ist
es, wenn der zweite Schaufelblattabschnitt 26 aus einem
Faserverbundwerkstoff hergestellt ist und beispielsweise aus
einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff (CFK), welcher sehr leicht
ist. Ein solches Material weist jedoch eine geringere Plasti
zität als ein Metall auf und ist dadurch anfälliger gegenüber
Sprödbruch.
Der Schaufelfuß 16 ist einstückig an dem ersten Schaufel
blattabschnitt 24 gebildet und insbesondere ebenfalls aus dem
metallischen Werkstoff wie Titan gefertigt. An ihm tritt eine
maximale Belastung auf, da er den Fliehkräften der gesamten
Rotorschaufel 14 standhalten muß.
Die Vorderkante 20 der Rotorschaufel 14 ist an dem ersten
Schaufelblattabschnitt 24 gebildet und die Hinterkante 22 der
Rotorschaufel 14 an dem zweiten Schaufelblattabschnitt 26.
Die Vorderkante 20 ist damit eine "schwere" Kante und die
Hinterkante 22 eine "leichte" Kante.
Der zweite Schaufelblattabschnitt 26 ist auf dem ersten
Schaufelblattabschnitt 24 angeordnet, so daß ein erster
Bereich 28 (Vorderabschnitt) an dem Schaufelblatt 18 gebildet
ist, welcher aus dem metallischen Werkstoff besteht, und ein
zweiter Bereich 30 (Hinterabschnitt) gebildet ist, welcher
aus dem Leichtbauwerkstoff besteht (Fig. 3(d)). In einem
Übergangsbereich 32 findet von einer konkaven Seite 34 der
Rotorschaufel 14 zu einer konvexen Seite 36 ein gradueller
Übergang statt, bei dem mindestens gemittelt über den
Übergangsbereich 32 die Breite des ersten Schaufelblatt
abschnitts 24 von der Vorderkante 20 zu der Hinterkante 22 zu
hin abnimmt und entsprechend umgekehrt die Breite des zweiten
Schaufelblattabschnitts 26 von der Hinterkante 22 zu der Vor
derkante 20 zu hin abnimmt. Dem Übergangsbereich 32 ist eine
Übergangsfläche 38 (Fügefläche) zugeordnet. (Vgl. Fig. 2,
bei welcher die Übergangsfläche 38 an dem zweiten Schaufel
blattabschnitt 26 sichtbar ist und an dem ersten Schaufel
blattabschnitt 24 verdeckt ist).
Der Vorderabschnitt 28 des ersten Schaufelblattabschnitts 24
ragt freistehend über den zweiten Schaufelblattabschnitt 26
hinaus, und zwar zur Vorderkante 20 hin. Der Hinterabschnitt
30 des zweiten Schaufelblattabschnitts 26 ragt freistehend
über den ersten Schaufelblattabschnitt 24 hinaus in Richtung
der Hinterkante 22.
Der erste Schaufelblattabschnitt 24 und der zweite Schaufel
blattabschnitt 26 sind einschnittig bzw. schäftig miteinander
verbunden. Dadurch sind Materialprobleme, welche durch die
hybride Bauweise mit einem ersten Schaufelblattabschnitt 24
und einem zweiten Schaufelblattabschnitt 26 und entsprechend
unterschiedlichen Werkstoffen entstehen, verringert, da durch
die Gradierung im Übergangsbereich 32 ein homogener Übergang
entsteht und hydrostatische Spannungszustände, wie sie durch
Klemmverbindungen entstehen (vgl. die Fig. 2 der
DE 197 51 129 C1), weitgehend vermieden sind bzw.
deviatorische Spannungszustände durch plastisches Fließen
abbaubar sind.
Die erfindungsgemäße Rotorschaufel 14 weist dadurch
statistisch eine höhere Lebensdauer und eine höhere Betriebs
sicherheit auf.
Der zweite Schaufelblattabschnitt 26 ist in der Art einer
Fahne an dem ersten Schaufelblattabschnitt 24 angeordnet. Der
zweite Schaufelblattabschnitt 26 ist dabei so dimensioniert,
daß er einen Bereich der Rotorschaufel 14 bildet, welcher
vorwiegend aerodynamische Funktionen hat, d. h. insbesondere
nur untergeordnete strukturelle Funktionen hat. Er hat jedoch
eine schwingungsdämpfende Funktion, da bei einem
Faserverbundstoff als Herstellungsmaterial die Makromoleküle
aufgrund der hohen inneren Reibung schwingungsdämpfend
wirken.
Dadurch, daß die Vorderkante 20 der Rotorschaufel 14 aus
einem metallischen Werkstoff gebildet ist, liegt dort eine
gute inhärente Erosionsbeständigkeit vor. Eine grundsätzliche
Gefahr für Rotorschaufeln stellt Vogelschlag dar. Dadurch
kann eine bleibende Verformung entstehen, wobei der Betrieb
eines Triebwerks mit einem Rotor in vorgeschriebenen Grenzen
noch möglich sein muß. Eine Rotorschaufel ist dahingehend
auszulegen, daß ohne Verlust eines Schaufelblatts die Energie
beim Vogelschlag irreversibel durch plastische Verformung
aufgenommen werden kann. Daher ist der Schaufelfuß 16 und
eine konkave Seite 40 des ersten Schaufelblattabschnitts 24,
welche an die Vorderkante 20 grenzt, aus dem metallischen
Werkstoff gefertigt.
Andererseits kann mit dem zweiten Schaufelblattabschnitt 26
aus dem Leichtbauwerkstoff Blattmasse eingespart werden, was
einer Reduktion einer Blattenergie im Betriebspunkt ent
spricht und weiterhin eine Reduktion einer mittleren
Schaufelfußbelastung bewirkt. Zudem läßt sich ein ver
bessertes Strukturdämpfungsvermögen erzielen. Deshalb ist das
Schaufelblatt 18 so aufgeteilt, daß in Bereichen, welche im
wesentlichen nur aerodynamische Funktionen haben, der Leicht
bauwerkstoff verwendet wird. Daher ist eine konkave Seite 42
des zweiten Schaufelblattabschnitts 26, welcher an die
Hinterkante 22 grenzt, aus dem Leichtbauwerkstoff gefertigt.
Eine konvexe Seite 44 des ersten Schaufelblattabschnitts 24
und eine konvexe Seite 46 des zweiten Schaufelblattabschnitts
26 treffen sich dann aufgrund ihrer schäftigen Verbindung und
bilden gemeinsam die konvexe Seite 36 der Rotorschaufel 14
(Saugseite). Die konkave Seite 34 ist die Druckseite.
Die Dimensionierung des ersten Schaufelblattabschnitts 24 und
des zweiten Schaufelblattabschnitts 26 ist dadurch bestimmt,
daß zum einen der zweite Schaufelblattabschnitt 26 genügend
oberhalb eines Schaufelfußanschlußbereichs 48 enden sollte,
da im Schaufelfuß 16 und im Schaufelfußanschlußbereich 48
eine erhöhte Kraftbelastung auftritt. Weiterhin muß die
quasistatische Tragfähigkeit gegenüber Belastungen sicher
gestellt werden, wobei diese Belastungen insbesondere Flieh
kraftbelastungen sind und aerodynamische Auftriebskräfte. Es
muß auch das Schwingungsverhalten insbesondere bezüglich
Resonanzen optimiert werden, um zu starke Materialbelastungen
zu vermeiden. Die Optimierung gegenüber der Gefahr von Vogel
schlag wurde bereits oben erwähnt.
Bei einer Rotorschaufel 14, bei welcher der erste Schaufel
blattabschnitt 24 und der zweite Schaufelblattabschnitt 26
die in Fig. 2 gezeigte Form aufweisen, wobei der erste
Schaufelblattabschnitt 24 aus Titan gefertigt wurde und der
zweite Schaufelblattabschnitt 26 aus einem Faserverbundwerk
stoff, wurde eine ca. 16%ige Masseneinsparung erreicht,
wodurch wiederum die Blattenergie im Betriebspunkt um 22%
erniedrigt wurde und weiterhin die mittlere Schaufelfuß
belastung um ca. 19% reduziert wurde.
Der Übergang an der schäftigen (einschnittigen) Übergangs
fläche 38 ist in erster Näherung bezüglich eines Profilquer
schnitts der Rotorschaufel 14 linear (siehe Fig. 3), wobei
die Übergangsfläche 38 eine glatte Fläche darstellt (stetig
differenzierbare Mannigfaltigkeit auf einer makroskopischen
Skala). Es darf sich dabei kein zweischnittiger Übergang aus
bilden, bei dem eine hohe Materialbelastung aufgrund hervor
gerufener hydrostatischer Spannungszustände auftreten kann.
Als Kriterium für die Ausbildung einer schäftigen Fügefläche
38 (einschnittige Übergangsfläche 38) kann beispielsweise
angesehen werden, daß ein mittlerer Krümmungsradius der Füge
fläche 38 erheblich größer ist als eine laterale Ausdehnung
der Fügefläche 38 zwischen der konkaven Seite 34 und der
konvexen Seite 36. Erheblich größer bedeutet dabei mindestens
fünffach und insbesondere mindestens zehnfach größer. (Bei
einer ebenen Fläche ist der Krümmungsradius unendlich.) Als
alternatives oder zusätzliches Kriterium kann angesetzt
werden, daß die Winkelabweichung von Normalenvektoren der
Übergangsfläche 38 gegenüber einem mittleren Normalenvektor
höchstens 20° ist und insbesondere kleiner als 10° und vor
teilhafterweise kleiner als 5° ist. Dadurch läßt sich ein
gradueller Materialübergang über der Fügefläche 38 erreichen.
Ein besonders geeignetes quantitatives Kriterium bezüglich
des Vorliegens einer einschnittigen/schäftigen Verbindung ist
es, wie in Fig. 4 gezeigt, wenn eine Kurve 102, welche die
Schnittkurve einer Fügefläche mit einem Profilschnitt 104
durch die Rotorschaufel 14 ist, in einer eineindeutigen
Beziehung (bijektiven Beziehung) mit einer Skelettlinie 106
des Profilschnitts 104 steht. Diese Beziehung, welche in
Fig. 4 beispielhaft anhand eines ausgewählten Profilschnitts
104 gezeigt ist, muß dabei über die gesamte Fügefläche 38
gelten, d. h. für sämtliche Profilschnitte, welche eine
Schnittkurve 102 mit der Fügefläche 38 enthalten.
Die Skelettlinie 106 ist definiert als diejenige Kurve, die
durch die Mittelpunkte 108 der Kreise 110 gebildet ist, wobei
die Kreise im Profil 112 entsprechend des Profilschnitts 104
eingeschrieben sind bzw. dieses an zwei Punkten 114, 116
berühren.
Die Bijektivität der Beziehung zwischen der Schnittkurve 102
und der Skelettlinie 106 bedeutet dabei, daß sich jedem Punkt
118 der Schnittkurve 102 eindeutig ein einziger Punkt 120 auf
der Skelettlinie 106 zuordnen läßt und umgekehrt sich jedem
Punkt auf der Skelettlinie 106 mindestens in einem bestimmten
Bogenlängenbereich, vorgegeben durch einen Anfangspunkt 122
und einem Endpunkt 124 der Schnittkurve 102, eindeutig ein
einziger Punkt auf eben der Schnittkurve 102 zuordnen läßt.
Eine solche Beziehung läßt sich über eine streng monotone
Funktionsabhängigkeit zwischen jedem Punkt der Schnittkurve
102 und der Skelettlinie 106 beschreiben bzw. umgekehrt.
Beispielsweise wird dazu, ausgehend von der Schnittkurve 102,
ein Funktionswert dadurch gebildet, daß die Normale 126 in
Richtung der Skelettlinie 106 gefällt wird und der
Funktionswert durch den Abstand zwischen der Schnittkurve 102
und der Skelettlinie 106 ermittelt wird und beispielsweise
noch auf eine Dicke des Profils 112 normiert wird, wobei die
Dicke senkrecht zur Skelettlinie 106 an der Schnittkurve 102
oder der Skelettlinie 106 ermittelt wird.
Eine alternative Möglichkeit zur Bestimmung der Funktion, die
in der Praxis bevorzugt wird, wäre es, von der Skelettlinie
106 aus eine Normale zur Schnittkurve 102 hin zu ziehen und
den Abstand zu einem Schnittpunkt dort normiert auf die Dicke
als Funktionswert anzusetzen. Hier erfolgt dann die
Normierung in einem besonders geeigneten weil profilbezogenen
Koordinatensystem.
Der konstruierte quantitative funktionelle Zusammenhang
zwischen Schnittkurve 102 und Skelettlinie 106 muß eine
strenge Monotonie aufweisen.
Vorzugsweise ist der graduelle Übergang von dem zweiten
Schaufelblattabschnitt 26 in den ersten Schaufelblatt
abschnitt 24 im Übergangsbereich 32 nur in erster Näherung
linear; bei einer Variante einer Ausführungsform nimmt, wie
in Fig. 5(a) gezeigt, der erste Schaufelblattabschnitt 24
erst unterproportional ab, d. h. der erste
Schaufelblattabschnitt 24 ist zuerst dicker, als es einer
linearen Abnahme entspricht und anschließend ist ein Bauch
150 insbesondere in Richtung einer konkaven Seite 34 des
zweiten Schaufelblattabschnitts 26 ausgebildet, so daß hier
der metallische Werkstoff dünner in Richtung der konkaven
Seite 34 ausläuft, als es einem linearen Übergang 152
entspräche. Es liegt also zuerst eine unterproportionale und
dann eine überproportionale Abnahme des metallischen
Werkstoffs, wie beispielsweise Titan, vor. Ein Bereich 154
der unterproportionalen Abnahme des metallischen Werkstoffs
liegt der Vorderkante 20 näher, ein Bereich 156 der
überproportionalen Abnahme liegt der Hinterkante 22 näher. Da
beispielsweise Titan eine geringe Schubverformbarkeit
aufweist (eine hohe Schubsteifigkeit aufweist), wird durch
einen Bauch 152 des Leichtbauwerkstoffs ins Titan hinein und
das somit erreichte dünnere Auslaufen des Titans eine höhere
Materialkompatibilität des Schaufelblatts 18 an einem Ende
158 des Übergangsbereichs 38 erzielt.
Durch das dünnere Auslaufen des Leichtbauwerkstoffs in dem
Bereich 144 am anderen Ende 160 des Übergangsbereichs wird
der Winkel, mit dem der erste Schaufelblattabschnitt 24 und
der zweite Schaufelblattabschnitt 26 aufeinander stoßen,
durch die entsprechende geometrische Ausgestaltung des
Übergangsbereichs 38 verringert. Dadurch wiederum lassen sich
Spannungsspitzen, die im Übergangsbereich 38 entstehen
können, verringern und die Anrißempfindlichkeit der
Rotorschaufel 14 läßt sich verringern.
Bei der in Fig. 5(a) gezeigten Ausführungsform weist eine
Schnittkurve 162 zwischen der Übergangsfläche 38 und einem
Profilschnitt aufgrund der Ausbildung der entgegengerichteten
Bäuche der Bereiche 154 und 156 einen Wendepunkt 164 auf,
welcher beispielsweise an oder in der Nähe des linearen
Übergangs 152 liegen kann.
Bei einer anderen Variante einer Ausführungsform, welche in
Fig. 5(b) gezeigt ist, bildet der Leichtbauwerkstoff bezogen
auf einen linearen Übergang 166 einen Bauch 168 in den
metallischen Werkstoff des ersten Schaufelblattabschnitts 24
hinein aus. Dadurch läßt sich ein dünneres Auslaufen des
metallischen Werkstoffs in Richtung der Hinterkante 22
bewirken. Dadurch läßt sich bezüglich der Schubverformbarkeit
die Materialkompatibilität zwischen dem Leichtbauwerkstoff
des zweiten Schaufelblattabschnitts und dem metallischen
Werkstoff des ersten Schaufelblattabschnitts an einem der
Hinterkante 22 zugewandten Endbereich 170 der Übergangsfläche
38 erzielen.
Weiterhin ist es vorgesehen, daß außerhalb eines Anschluß
bereichs 50 des zweiten Schaufelblattabschnitts 26 an dem
Schaufelfuß 16, d. h. insbesondere in einem oberen Bereich
des zweiten Schaufelblattabschnitts 26, der erste
Schaufelblattabschnitt lateral etwa 20% bis 45% und
insbesondere ca. 1/3 der konvexen Seite 36 des Schaufelblatts
18 einnimmt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der erste
Schaufelblattabschnitt 24 lateral ca. 50% bis 75% und
insbesondere ca. 2/3 der konkaven Seite 34 des Schaufelblatts
18 einnimmt. Außerhalb des Anschlußbereichs 50 nimmt dann der
Übergangsbereich 32 lateral einen Bereich von ca. 25% bis
40% ein und insbesondere ca. 1/3 des Schaufelblatts 18 ein.
Der zweite Schaufelblattabschnitt 26 ist mit dem ersten
Schaufelblattabschnitt 24 durch Klebung verbunden. Es kann
dabei eine separate Adhäsionsschicht vorgesehen sein. Ins
besondere ist aber die Klebung mittels dem Faserverbundwerk
stoff für den zweiten Schaufelblattabschnitt 26 bei der Her
stellung gebildet, ohne daß ein getrennter Klebstoff vorge
sehen werden muß.
Die Verbindung kann noch zusätzlich dadurch verstärkt sein,
daß der zweite Schaufelblattabschnitt 26 und der erste
Schaufelblattabschnitt 24 durch Vernähung oder Vernietung
zusätzlich aneinander fixiert werden (in der Zeichnung nicht
gezeigt).
Eine erfindungsgemäße Rotorschaufel 14 läßt sich nun wie
folgt herstellen:
Der erste Schaufelblattabschnitt 24 wird aus dem metallischen Werkstoff vollständig hergestellt. Die an ihm gebildete Übergangsfläche zur Verbindung mit dem zweiten Schaufelblatt abschnitt 26 wird insbesondere durch mechanische Bearbeitung wie Sandstrahlen oder durch Ultraschallbearbeitung aufgerauht, um die Verbindungsfähigkeit dieses Oberflächenabschnitts mit einem Faserverbundwerkstoff zu erhöhen. Die Oberfläche in diesem Bereich wird dann beispielsweise mittels Ultraschall gereinigt und insbesondere mittels Lösungsmitteln fettfrei gemacht. In einer Form, welche zur Bildung der Gesamtform des Schaufelblatts 18 dient, wird dann ein Faserverbundwerkstoff auf die Übergangsfläche 38 aufgelegt und mit dem ersten Schaufelblattabschnitt 24 verpreßt. Der erste Schaufelblattabschnitt 24 ist dann gewissermaßen selber ein Teil der Form.
Der erste Schaufelblattabschnitt 24 wird aus dem metallischen Werkstoff vollständig hergestellt. Die an ihm gebildete Übergangsfläche zur Verbindung mit dem zweiten Schaufelblatt abschnitt 26 wird insbesondere durch mechanische Bearbeitung wie Sandstrahlen oder durch Ultraschallbearbeitung aufgerauht, um die Verbindungsfähigkeit dieses Oberflächenabschnitts mit einem Faserverbundwerkstoff zu erhöhen. Die Oberfläche in diesem Bereich wird dann beispielsweise mittels Ultraschall gereinigt und insbesondere mittels Lösungsmitteln fettfrei gemacht. In einer Form, welche zur Bildung der Gesamtform des Schaufelblatts 18 dient, wird dann ein Faserverbundwerkstoff auf die Übergangsfläche 38 aufgelegt und mit dem ersten Schaufelblattabschnitt 24 verpreßt. Der erste Schaufelblattabschnitt 24 ist dann gewissermaßen selber ein Teil der Form.
Es kann auch vorgesehen sein, daß ein Fasergelege in der Form
ausgelegt wird und dann mit Kunstharz wie einem Epoxidharz
vergossen wird. Letzteres wird besonders dann angewandt, wenn
die Matrix des Faserverbundwerkstoffs durch ein Duromer
gebildet ist.
Es kann weiterhin auch ein Prepreg-Werkstoff verwendet
werden, welcher ein vorgetränktes Material mit in eine Matrix
eingebetteten Fasern umfaßt. Bei der Matrix kann es sich
beispielsweise um ein Duromer oder ein Thermoplast handeln.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
Rotorschaufel wird in dem Übergangsbereich 32 eine Kleber-
Matrix-Einheit gebildet, welche das Fasergelege an die
Metalloberfläche des ersten Schaufelblattabschnitts 24
bindet.
Claims (38)
1. Rotorschaufel in Hybrid-Bauweise mit einem Schaufelblatt (18) und
einem Schaufelfuß (16), wobei das Schaufelblatt (18) einen ersten
Schaufelblattabschnitt (24) aus einem metallischen Werkstoff und einen
zweiten Schaufelblattabschnitt (26) aus einem Leichtbauwerkstoff um
faßt, und an dem zweiten Schaufelblattabschnitt (26) eine Hinterkante
(22) der Rotorschaufel (14) gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schaufelblatt
abschnitt (26) und der erste Schaufelblattabschnitt (24) in einer
Fügefläche (38) verbunden sind, welche an einem Teilbereich des ersten
Schaufelblattabschnitts (24) gebildet ist und an einem Teilbereich des
zweiten Schaufelblattabschnitts (26) gebildet ist, daß der erste
Schaufelblattabschnitt (24) über den zweiten Schaufelblattabschnitt (26)
in einem Vorderabschnitt (28) hinausragt, daß eine Vorderkante (20) der
Rotorschaufel (14) in dem Vorderabschnitt (28) gebildet ist und daß der
zweite Schaufelblattabschnitt (26) einschnittig mit dem ersten
Schaufelblattabschnitt (24) verbunden ist, so daß eine Kurve (102),
welche durch den Schnitt der Fügefläche (38) mit einem Profilschnitt
(104) gebildet ist, in einer eineindeutigen Beziehung zu der Skelettlinie
(106) des Profilschnitts (104) steht.
2. Rotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Schaufelblattabschnitt (26) schäftig mit dem ersten Schaufelblatt
abschnitt (24) verbunden ist.
3. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Schaufelblattabschnitt (26) über den
ersten Schaufelblattabschnitt (24) in einem Hinterabschnitt (30) hinaus
ragt.
4. Rotorschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem
Hinterabschnitt (30) die Hinterkante (22) der Rotorschaufel (14) gebildet
ist.
5. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Schaufelblattabschnitt (26) auf dem
ersten Schaufelblattabschnitt (24) angeordnet ist.
6. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Schaufelblattabschnitt (24) eine konkave
Seite (40) der Rotorschaufel (14) bei einer Vorderkante (20) der Rotor
schaufel (14) bildet.
7. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Schaufelblattabschnitt (24) eine konvexe
Seite (44) der Rotorschaufel (14) bei einer Vorderkante (20) der Rotor
schaufel (14) bildet.
8. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Schaufelblattabschnitt (26) eine
konkave Seite (42) der Rotorschaufel (14) bei einer Hinterkante (22) der
Rotorschaufel (14) bildet.
9. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Schaufelblattabschnitt (26) eine konvexe
Seite (46) der Rotorschaufel (14) bei einer Hinterkante (22) der
Rotorschaufel (14) bildet.
10. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Schaufelblattabschnitt (26) einen Bereich
der Rotorschaufel (14) bildet, welcher vorwiegend aerodynamische
Funktionen hat.
11. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fügefläche (38) so ausgebildet ist, daß ein
Krümmungsradius wesentlich größer ist als die laterale Ausdehnung der
Fügefläche (38).
12. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abweichung von Normalenvektoren der
Fügefläche (38) von einem mittleren Normalenvektor der Fügefläche (38)
höchstens 20° ist.
13. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (16) mit dem ersten Schaufel
blattabschnitt (24) verbunden ist.
14. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (16) einstückig an dem ersten
Schaufelblattabschnitt (24) gebildet ist.
15. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Schaufelblattabschnitt (26) außerhalb
eines Anschlußbereichs (48, 50) des Schaufelfußes (16) angeordnet ist.
16. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn
zeichnet durch einen ersten Bereich (28) zwischen einer konvexen Seite
(36) und einer konkaven Seite (34) der Rotorschaufel (14), welcher aus
dem metallischen Werkstoff hergestellt ist, einen zweiten Bereich (30)
zwischen der konvexen Seite (36) und der konkaven Seite (34) der
Rotorschaufel (14), welcher aus dem Leichtbauwerkstoff hergestellt ist,
und einen Übergangsbereich (32) zwischen der konvexen Seite (36) und
der konkaven Seite (34) der Rotorschaufel (14), welcher teilweise den
metallischen Werkstoff und teilweise den Leichtbauwerkstoff umfaßt.
17. Rotorschaufel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in dem
Übergangsbereich (32) ein gradueller Übergang des Werkstoffs bezogen
auf den Abstand zwischen konvexer Seite (36) und konkaver Seite (34)
der Rotorschaufel (14) stattfindet.
18. Rotorschaufel nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß
der Übergang im Übergangsbereich (32) in einer Querschnittsfläche der
Rotorschaufel (14) näherungsweise linear ist.
19. Rotorschaufel nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der
Übergang im Übergangsbereich (32) dahingehend von der Linearität
abweicht, daß zur konkaven Seite (34) der Rotorschaufel (14) zu der
zweite Schaufelblattabschnitt (26) vergrößert ist.
20. Rotorschaufel nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß
der Übergang im Übergangsbereich (32) dahingehend von der Linearität
abweicht, daß zur konvexen Seite (36) der Rotorschaufel (14) zu der
erste Schaufelblattabschnitt (24) vergrößert ist.
21. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest in einem vom Schaufelfuß (16) ent
fernten Bereich der erste Schaufelblattabschnitt (24) lateral etwa 20%
bis 45% einer konvexen Seite (36) der Rotorschaufel (14) einnimmt.
22. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest in einem vom Schaufelfuß (16) ent
fernten Bereich der erste Schaufelblattabschnitt (24) lateral 50% bis
75% einer konkaven Seite (34) der Rotorschaufel (14) einnimmt.
23. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Werkstoff für den ersten Schaufelblattabschnitt
(24) Titan oder eine Titanverbindung ist.
24. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Werkstoff für den zweiten Schaufelblatt
abschnitt (26) ein Faserverbundwerkstoff ist.
25. Rotorschaufel nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der
Werkstoff für den zweiten Schaufelblattabschnitt (26) ein Kohlefaser-
Verbundwerkstoff ist.
26. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Schaufelblattabschnitt (26) mit dem
ersten Schaufelblattabschnitt (24) verklebt ist.
27. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Schaufelblattabschnitt (26) durch ein auf
den ersten Schaufelblattabschnitt (24) gelegtes und anschließend
weiterverarbeitetes Fasergelege oder Prepreg-Material gebildet ist.
28. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Verbindung mit dem zweiten Schaufelblatt
abschnitt (26) der erste Schaufelblattabschnitt (24) in einem Über
lappungsbereich eine aufgerauhte Oberfläche aufweist.
29. Rotorschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen erstem Schaufelblatt
abschnitt (24) und zweitem Schaufelblattabschnitt (26) durch Vernähung
oder Vernietung verstärkt ist.
30. Verfahren zur Herstellung einer Rotorschaufel nach einem der voran
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaufel
blattabschnitt hergestellt wird, daß zur Vorbereitung des Aufbringens
eines Leichtbauwerkstoffs zur Bildung des zweiten Schaufelblatt
abschnitts ein Oberflächenbereich des ersten Schaufelblattabschnitts
bearbeitet wird und daß anschließend das Leichtbaumaterial aufgebracht
wird und ein zweiter Schaufelblattabschnitt geformt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Ober
flächenabschnitt gereinigt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß der
Oberflächenabschnitt aufgerauht wird.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Ober
flächenabschnitt sandgestrahlt wird.
34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß der
Oberflächenabschnitt mit Ultraschall gereinigt und/oder bearbeitet wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gelege auf den Oberflächenabschnitt aufgebracht und an
schließend weiterverarbeitet wird.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faser
gelege in einer Form aufgebracht und anschließend mit Harz imprägniert
wird.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Leicht
bauwerkstoff mittels eines Prepreg-Geleges aufgebracht wird.
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Prepreg-
Gelege nach dem Aufbringen konsolidiert wird.
Priority Applications (3)
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---|---|---|---|
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