DE102008058786A1

DE102008058786A1 - Hybrides Bauteil für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102008058786A1
Application number: DE200810058786
Authority: DE
Inventors: Karl Schreiber
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2010-05-27
Also published as: EP2189625A1; US20100129651A1

Abstract

Ein hybrides Bauteil für ein Gasturbinentriebwerk umfasst eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur (2) und eine mit dieser verbundene Metallstruktur (3), deren innige Verbindung über eine aus einem thermoplastischen Polyurethan bestehende dünne, hochelastische Zwischenschicht (7) erfolgt. Das hochelastische Material gewährleistet nicht nur die feste Verbindung zwischen Metall- und Tragstruktur, sondern nimmt auch im Betrieb auftretende Schwingungen auf und gleicht unterschiedliche Ausdehnungsverhalten des Faserverbundmaterials und des Metalls aus. Zudem wird eine durch einen auftreffenden Fremdkörper auf das Bauteil wirkende Punktlast durch die hochelastische Zwischenschicht in eine Flächenlast umgewandelt und dadurch die Gefahr einer Schädigung der Tragstruktur durch Rissbildung deutlich verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein hybrides Bauteil, insbesondere eine Fan- oder Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, das eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur und eine mit dieser fest verbundene Metallstruktur umfasst.
Insbesondere die Fanschaufeln eines Fan-Gasturbinentriebwerks sind durch Fliehkräfte, Gasdruck und von dem strömenden Medium angeregte Schwingungen erheblichen Belastungen ausgesetzt. Ein besonderes Problem stellen dabei die durch auf die Schaufeln auftreffende Fremdkörper, beispielsweise Vögel, erzeugten Schlagwirkungen dar.
Beispielsweise aus der DE 10 2006 061 915 A1 sind bereits aus einem Faserverbundmaterial bestehenden Fanschaufeln bekannt, die zum einen ein geringes Gewicht aufweisen und zum anderen über eine hohe spezifische Festigkeit und eine hohe Eigendämpfung zur Vermeidung von Schwingungen verfügen. Zur Erzielung einer ausreichenden Erosionsbeständigkeit und einer hohen Schlagfestigkeit gegenüber auf die Schaufeln auftreffenden Fremdkörpern, beispielsweise Vögeln, ist die aus dem Faserverbundmaterial bestehende Tragstruktur mit einer Metallstruktur verbunden bzw. von einer metallischen Hüllstruktur umgeben. Die innige Verbindung zwischen der Tragstruktur und der Hüllstruktur erfolgt durch eine Vorspannung des druck- und des saugseitigen Deckblechs und durch Verkleben der Tragstruktur mit den Innenflächen der Deckbleche. Diese Art der Ausbildung der Fanschaufeln, die gleichermaßen auch bei den Fanschaufeln nachgeschalteten Leitschaufeln angewendet werden kann, soll für eine sichere Verbindung zwischen der Trag- und der Hüllstruktur sorgen und eine durch Delaminationserscheinungen bedingte Verringerung der Lebensdauer der Schaufeln verhindern. Dennoch kann es durch Schwingungen und das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten des Faserverbundwerkstoffs und des metallischen Materials zur Ablösung der Tragstruktur von der Hüllstruktur kommen. Zudem bewirken auf die metallische Hüllstruktur auftreffende Fremdkörper eine hohe Belastung der Tragstruktur, die zur Rissbildung und einer damit verbundenen Verringerung der Lebensdauer der Schaufeln führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hybride Bauteile wie Fanschaufeln oder Leitschaufeln mit hoher Schadenstoleranz und langer Lebensdauer für ein Gasturbinentriebwerk zu entwickeln.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten hybriden Bauteil gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht bei einem hybriden, insbesondere als Fan- oder Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk eingesetzten Bauteil mit einer aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur und einer mit dieser verbundenen Metallstruktur darin, dass die Tragstruktur mit der Metallstruktur über eine dünne Zwischenschicht aus hochelastischen Material innig verbunden ist. Aufgrund der hohen Elastizität der Zwischenschicht ist zum einen eine sichere Haftung an der Trag- und Metallstruktur und deren miteinander feste Verbindung über die Zwischenschicht gewährleistet. Das unter Temperatureinfluss unterschiedliche Ausdehnungsverhalten des Faserverbundmaterials und des Metalls wird durch das hochelastische Material der Zwischenschicht ausgeglichen und im Betriebszustand auftretende Schwingungen des Bauteils werden von dem elastischen Material aufgenommen und somit gedämpft. Das Ablösen der Metallstruktur von der Tragstruktur wird daher verhindert. Eine weitere lebensdauererhöhende Wirkung der elastischen Zwischenschicht besteht darin, dass eine auf das Bauteil wirkende Punktlast, die durch einen auftreffenden Fremdkörper erzeugt wird, nicht punktförmig und mit hoher Intensität auf die Tragstruktur übertragen wird, sondern dass die Punktlast durch die hochelastische Zwischenschicht in eine Flächenlast umgewandelt wird und dadurch die Gefahr einer Schädigung der Tragstruktur durch Rissbildung deutlich verringert wird.
Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung besteht die Zwischenschicht aus einem thermoplastischen Polyurethan, das sich durch seine gummielastischen Eigenschaften, gute Haftung und ein gutes Schwingungsverhalten auszeichnet.
Das thermoplastische Polyurethan wird durch Spritzgießen oder Beschichten mit einem Formwerkzeug fest mit der Innenfläche der Metallstruktur verbunden. Die Verbindung der Tragstruktur mit der Zwischenschicht erfolgt durch ein Klebemittel oder während der Herstellung der Tragstruktur unmittelbar mit dem frisch in die Faserlagen infiltrierten Kunststoff.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die einer hohen Wärmebelastung ausgesetzten Bereiche von miteinander zu verschweißenden Teilen der Metallstruktur nicht mit der elastischen Zwischenschicht belegt, um so eine Schädigung der Schweißnaht durch das beim Schweißen einer sehr hohen Temperatur ausgesetzte thermoplastische Polyurethan zu verhindern.
In Ausgestaltung der Erfindung liegt die Dicke der Zwischenschicht vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 und 1,5 mm.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der
1 eine Schnittansicht des Schaufelblattes einer Fanschaufel;
2 eine vergrößerte Darstellung des Übergangsbereichs zwischen der Hüll- und der Tragstruktur; und
3 eine schematische Darstellung der Lastverteilung beim Auftreffen eines Fremdkörpers auf die metallische Hüllstruktur einer Fanschaufel zeigt, näher erläutert.
Die in der Zeichnung beispielhaft dargestellte Fanschaufel 1 umfasst eine aus Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur 2 und eine Metallstruktur 3, hier eine metallische Hüllstruktur, die aus einem die Schaufelvorderkante bildenden Formstück 4 aus massivem Material sowie einem saugseitigen Deckblech 5 und einem druckseitigen Deckblech 6 besteht. Die beiden Deckbleche 5, 6 sind über Schweißnähte 6 mit dem Formstück 4 und an der Hinterkante der Fanschaufel 1 miteinander verbunden. Die Innenflächen der beiden Deckbleche 5, 6 sind mit einer – in der vorliegenden Ausführungsform 1 mm dicken – hochelastischen Zwischenschicht 7 aus thermoplastischem Polyurethan beschichtet. Bis auf den in unmittelbarer Nähe der Schweißnähte 8 liegenden Bereich ist die Innenfläche der Metallstruktur 3 vollflächig mit dem thermoplastischen Polyurethan beschichtet. Durch das Freilassen der schweißnaht nahen Bereiche wird eine Beeinträchtigung der Schweißnahtqualität durch hocherhitztes thermoplastisches Polyurethan vermieden. Die aus Faserverbundmaterial bestehende Tragstruktur 2 der Fanschaufel ist mit den beschichteten Innenflächen der Metallstruktur 3 mittels eines Klebers oder dem in das Fasermaterial infiltrierten Kunststoff fest verbunden. Das Aufbringen der Zwischenschicht 7 auf die Deckbleche 5, 6 erfolgt entweder durch Spritzgießen oder durch Aufpressen und Verteilen des als plastische Masse vorliegenden thermoplastischen Polyurethans mit einem Formwerkzeug, dessen Kontur mit der Kontur der Innenfläche des betreffenden Deckblechs 5, 6 identisch ist.
Die Zwischenschicht 7 aus dem hochelastischen thermoplastischen Polyurethan sorgt aufgrund ihrer hohen Elastizität zum einen für eine innige und feste Verbindung zwischen der Metallstruktur 3 und der Tragstruktur 2 aus Faserverbundmaterial, so dass Delaminationserscheinungen weitestgehend verhindert werden. Ein Lösen der Verbindung zwischen Metallstruktur 3 und Tragstruktur 2 aufgrund von Schwingungen der Fanschaufel (bzw. des betreffenden Bauteils) im Betrieb wird durch die schwingungsdämpfende Wirkung der hochelastischen Zwischenschicht 7 verhindert.
Der mit der Schwingungsdämpfung einhergehende Energieabbau und die dadurch bedingte Temperaturerhöhung haben ein infolge Spannungsrelaxation des hochelastischen thermoplastischen Polyurethans bedingtes Absinken von Spannungen zur Folge.
Die unterschiedliche Ausdehnung der Metallstruktur 3 und der aus dem Faserverbundmaterial bestehenden Tragstruktur 2 wird durch die Zwischenschicht 7 aus thermoplastischem Polyurethan ausgeglichen. Bei einer gemäß 3 durch einen auf die Metallstruktur 3 bzw. ein Deckblech 6 auftreffenden Fremdkörper ausgeübten – lokal begrenzten – Schlagwirkung wird die Punktlast gemäß Pfeil 9 in der Zwischenschicht 7 aufgrund der elastischen Eigenschaften des thermoplastischen Urethans in eine Flächenlast 10 umgewandelt, so dass die Gefahr einer Rissbildung in der Tragstruktur 2 verringert werden kann.
Aufgrund des Zusammenspiels der vielfältigen Wirkungen der innig mit der Metallstruktur 3 und der Tragstruktur 2 verbundenen hochelastischen Zwischenschicht 7 werden letztlich die Schadenstoleranz und die Lebensdauer des hybriden Bauteils, hier der Fanschaufel 1, deutlich erhöht.

1: Fanschaufel
2: Tragstruktur
3: Metallstruktur, metallische Hüllstruktur
4: Formstück v. 3
5: Saugseitiges Deckblech v. 3
6: Druckseitiges Deckblech v. 3
7: Hochelastische Zwischenschicht (thermoplastische Polyurethan)
8: Schweißnaht
9: Punktlast
10: Flächenlast

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006061915 A1 [0003]

Claims

Hybrides Bauteil, insbesondere eine Fan- oder Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, das eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur und eine mit dieser fest verbundene Metallstruktur umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) mit der Metallstruktur (3) über eine dünne Zwischenschicht (7) aus hochelastischen Material innig verbunden ist.
Hybrides Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (7) aus einem thermoplastischen Polyurethan besteht, das durch Spritzgießen oder Beschichten mit einem Formwerkzeug fest mit der der Tragstruktur (2) zugewandten Innenfläche der Metallstruktur (3) verbunden ist.
Hybrides Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) mit der hochelastischen Zwischenschicht (7) durch eine Klebemittel verbunden ist.
Hybrides Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Traggerüst (2) mit der Zwischenschicht (7) über den beim Herstellen des Faserverbundwerkstoffs frisch infiltrierten Kunststoff verbunden ist.
Hybrides Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer hohen Wärmebelastung ausgesetzte Bereiche von miteinander zu verschweißenden Teilen der Metallstruktur (3) nicht mit der elastischen Zwischenschicht belegt sind.
Hybrides Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenschicht (7) etwa 0,1 bis 1,5 mm beträgt.