DE102019001830A1

DE102019001830A1 - Verbundschaufel und verfahren zur herstellung einer verbundschaufel

Info

Publication number: DE102019001830A1
Application number: DE102019001830.3A
Authority: DE
Inventors: Masami Kamiya; Ryoji OKABE; Kentaro Shindo; Yoshinori Nonaka
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2019-10-02
Also published as: JP6745832B2; CN110315770A; US20190301290A1; JP2019173732A

Abstract

Eine Verbundschaufel (100) wird durch Überlagern von Verbundmaterialschichten (20) ausgebildet, in welchen Verstärkungsfasern mit Harz in einer X-Richtung (Schaufeldickenrichtung) imprägniert sind, und umfasst: einen Schaufelfuß (11), der an einer Seite einer Basis vorgesehen ist; ein Strömungsprofil bzw. einen Flügel (10), das bzw. der sich von einer Seite eines entfernten Endes des Schaufelfußes (11) erstreckt; ein Metallelement (30), das an dem Schaufelfuß (11) vorgesehen ist; und einen Bolzen bzw. Schraube (40), der bzw. die dazu ausgestaltet ist, den Schaufelfuß (11) und das Metallelement (30) zu befestigen. Der Schaufelfuß (11) umfasst einen Hauptkörperabschnitt (111); einen gekrümmten Abschnitt (112), der in einer X-Richtung von dem Hauptkörperabschnitt (111) nach außen gekrümmt ist; und einen Befestigungsabschnitt (113), der sich in der X-Richtung von dem gekrümmten Abschnitt (12) nach außen erstreckt. Das Metallelement (30) weist eine Innenoberfläche (31), die einer Oberflächenschicht (20a) des Schaufelfußes (11) entspricht, auf; und eine Außenoberfläche (32) die in einer Richtung, die sich in der X-Richtung (Schaufeldickenrichtung) ausbreitet, geneigt ist, und an dem Befestigungsabschnitt (113) mit dem Bolzen (40) befestigt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundschaufel und ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundschaufel.
Hintergrund
Als eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine ist eine Technologie bekannt, die eine Verbundschaufel betrifft, die durch Überlagern bzw. Schichten von Verbundmaterialschichten, in welchen eine Verstärkungsfaser mit Harz bzw. Kunstharz imprägniert ist, gebildet ist. Beispielsweise offenbart Patentschrift 1 eine Verbundschaufel, die einen Flügel bzw. ein Strömungsprofil und einen Schaufelfuß, der an einem Ende des Strömungsprofils vorgesehen ist, umfasst. Bei der Verbundschaufel ist ein Teil der Verbundmaterialschicht, die sich von dem Strömungsprofil erstreckt, an dem Schaufelfuß so ausgebildet, dass sie von dem Schaufelfuß separiert bzw. getrennt ist, sodass der Schaufelfuß eine Form aufweist, die sich von dem Strömungsprofil nach außen aufweitet bzw. ausbreitet, d.h. eine Schwalbenschwanzform aufweist. Eine andere Verbundmaterialschicht ist zusätzlich an der Position, an welcher ein Teil der Verbundmaterialschicht separiert bzw. getrennt ist, überlagert, und ein Bereich, in dem keine Verstärkungsfaser vorhanden ist (ein Bereich, in dem nur Harz vorhanden ist), ist verringert, um eine Verringerung der Festigkeit des Schaufelfußes zu vermeiden.
Zitationsliste
Patentschrift
Patentschrift 1: US Patent Nr. 8100662
Zusammenfassung
Technisches Problem
Bei der in Patentschrift 1 offenbarten Verbundschaufel ist die zusätzlich überlagerte Verbundmaterialschicht so ausgebildet, dass sich die Sohle bzw. der Nahtübergang der Verbundmaterialschicht in einem Übergangsbereich befindet, wo Zugspannungen und Druckspannungen in der Verbundschaufel wechseln. Folglich ist eine Belastung, die in Gewebelagensenken („ply-drops“), in denen keine Verstärkungsfaser, sondern nur Harz vorhanden ist, an der Sohle der Verbundmaterialschicht verringert. Jedoch wird eine interlaminare Schub- oder Scherbelastung auf die Verbundmaterialschichten nicht berücksichtigt. Somit besteht eine Gefahr, dass Gewebelagensenken in einem Bereich beschädigt werden können, in dem eine interlaminare Scherbelastung hoch ist, und daher wird nach einer Verbundschaufel gesucht, die eine Verringerung der Festigkeit des Schaufelfußes vermeiden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht solcher Umstände gemacht und es ist eine Aufgabe, eine Verbundschaufel und ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundschaufel bereitzustellen, die eine Verringerung der Festigkeit eines Schaufelfußes vermeiden können.
Lösung für das Problem
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und die Aufgabe zu erreichen, ist die vorliegende Erfindung eine Verbundschaufel, die durch Überlagern von Verbundmaterialschichten, in welchen Verstärkungsfasern mit Harz in einer Schaufeldickenrichtung imprägniert sind, gebildet ist. Die Verbundschaufel umfasst einen Schaufelfuß, der an einer Seite einer Basis vorgesehen ist, einen Flügel bzw. ein Strömungsprofil, der bzw. das sich von einer Außenendseite des Schaufelfußes erstreckt, ein Metallelement, das an dem Schaufelfuß vorgesehen ist und einen Befestiger, der dazu ausgestaltet ist, den Schaufelfuß und das Metallelement zu befestigen. Der Schaufelfuß umfasst einen Hauptkörperabschnitt, einen gekrümmten Abschnitt, der von dem Hauptkörperabschnitt in der Schaufeldickenrichtung nach außen gekrümmt ist, und einen Erstreckungsabschnitt, der sich von dem gekrümmten Abschnitt in der Schaufeldickenrichtung nach außen erstreckt. Das Metallelement ist mit dem Hauptkörperabschnitt, dem gekrümmten Abschnitt und dem Erstreckungsabschnitt des Schaufelfußes in Kontakt und ist mit dem Befestiger an dem Erstreckungsabschnitt befestigt.
Mit dieser Ausgestaltung ist das Metallelement, das die Außenoberfläche in der Richtung, die sich in der Schaufeldickenrichtung nach außen ausbreitet, geneigt hat, an der Oberflächenschicht des Schaufelfußes angebracht, und daher ist es nicht nötig, den Schaufelfuß so auszubilden, dass er eine Schwalbenschwanzform hat, die sich von dem Strömungsprofil nach außen ausbreitet. Mit anderen Worten erfüllt die Außenoberfläche des Metallelements die Funktion der Schwalbenschwanzform. Somit ist es nicht nötig, den Schaufelfuß in der Schaufeldickenrichtung nach außen aufzuweiten bzw. auszubreiten und zusätzlich eine Verbundmaterialschicht zu überlagern, die dem Aufweitungsbetrag entspricht. Auf diese Weise kann der Schaufelfuß ausgebildet sein, ohne durch zusätzliches Überlagern einen Gewebelagensenken-Bereich zu erzeugen. Folglich kann die vorliegende Erfindung eine Verbundschaufel bereitstellen, die eine Verringerung der Festigkeit des Schaufelfußes vermeiden kann.
Ferner ist es zu bevorzugen, dass das Metallelement und der Erstreckungsabschnitt Befestigungslöcher aufweisen, in welche der Befestiger eingesetzt ist, und dass das Metallelement und der Erstreckungsabschnitt mit dem in die Befestigungslöcher eingesetzten Befestiger befestigt sind.
Ferner ist es zu bevorzugen, dass sich die Verbundmaterialschicht, die den Schaufelfuß bildet, kontinuierlich von dem Strömungsprofil erstreckt.
Mit dieser Ausgestaltung ist der Schaufelfuß ohne zusätzliches Überlagern einer Verbundmaterialschicht ausgebildet und daher kann eine Verringerung der Festigkeit des Schaufelfußes durch Vermeiden der Erzeugung eines Gewebelagensenken-Bereichs durch zusätzliches Überlagern vermieden werden.
Ferner ist es zu bevorzugen, dass das Metallelement mit den Befestiger zusammen mit einem zweiten Metallelement, das mit einer Oberfläche des Erstreckungsabschnitts an der Seite der Basis in Kontakt ist, befestigt ist.
Mit dieser Ausgestaltung ist der Schaufelfuß zwischen das Metallelement und das zweiten Metallelement eingefügt und daher kann der Schaufelfuß besser vor Verformungen bewahrt werden, wenn eine Zentrifugalkraft auf die Verbundschaufel wirkt. Das zweite Metallelement ist an dem Erstreckungsabschnitt mit dem Befestiger zusammen mit dem Metallelement befestigt und daher kann die Anzahl von Befestigungslöchern für die Befestigungen, die in dem Erstreckungsabschnitt ausgebildet sind, reduziert sein, um eine Verringerung der Festigkeit des Schaufelfußes zu vermeiden.
Ferner ist es zu bevorzugen, dass eine weitere Überlagerungsschicht, die durch Überlagern einer Vielzahl der Verbundmaterialschichten gebildet ist und zwischen dem zweiten Metallelement und dem gekrümmten Abschnitt vorgesehen ist, zusätzlich vorgesehen ist.
Mit dieser Ausgestaltung kann die Größe des zweiten Metallelements reduziert sein, um das Gewicht der Verbundschaufel zu reduzieren.
Ferner ist es zu bevorzugen, dass sich in der zusätzlichen Überlagerungsschicht Verstärkungsfasern entlang einer Richtung, die rechtwinklig zu einer Längsrichtung und der Schaufeldickenrichtung ist, erstrecken.
Mit dieser Ausgestaltung kann die Verbundmaterialschicht der zusätzlichen Überlagerungsschicht zwischen dem gekrümmten Abschnitt und dem zweiten Metallelement ohne einen Zwischenraum bzw. Spalt verfüllt bzw. eingefüllt sein.
Ferner ist es zu bevorzugen, dass ein Sensor, der an dem gekrümmten Abschnitt vorgesehen ist, um eine Beschädigung in der Verbundmaterialschicht zu erfassen, zusätzlich vorgesehen ist.
Mit dieser Ausgestaltung kann, wenn eine Zentrifugalkraft auf die Verbundschaufel wirkt, eine Beschädigung in der Nähe des gekrümmten Abschnitts des Schaufelfußes, wo eine Belastung besonders leicht zunimmt und eine Beschädigung aufgrund einer Wirkung von übermäßiger Belastung oder Langzeitbetrieb auftritt, in Echtzeit erfasst werden.
Ferner ist es zu bevorzugen, dass ein Sensor, der an dem zweiten Metallelement unter dem gekrümmten Abschnitt vorgesehen ist, um eine Beschädigung in der Verbundmaterialschicht zu erfassen, zusätzlich vorgesehen ist.
Mit dieser Ausgestaltung kann, selbst wenn das zweite Metallelement vorgesehen ist, eine Beschädigung in der Nähe des gekrümmten Abschnitts des Schaufelfußes, wo eine Belastung besonders leicht zunimmt, schnell erfasst werden.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und die Aufgabe zu erreichen, ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundschaufel, die durch Überlagern von Verbundmaterialschichten, in welchen Verstärkungsfasern mit Harz in einer Schaufeldickenrichtung imprägniert sind, gebildet ist, und die einen Schaufelfuß, der an einer Seite einer Basis vorgesehen ist, und einen Flügel bzw. ein Strömungsprofil, der bzw. das sich von einer Außenendseite des Schaufelfußes erstreckt, aufweist. Das Verfahren umfasst einen Überlagerungs-Schritt des Überlagerns einer Vielzahl der Verbundmaterialschichten, die als der Schaufelfuß dienen, einen Aushärte-Schritt des Ausbildens des Schaufelfußes, und einen Zusammenbau-Schritt des Befestigens eines Metallelements an dem Schaufelfuß. Der Schaufelfuß umfasst einen Hauptkörperabschnitt, einen gekrümmten Abschnitt, der von dem Hauptkörperabschnitt in der Schaufeldickenrichtung nach außen gekrümmt ist, und einen Erstreckungsabschnitt, der sich von dem gekrümmten Abschnitt in der Schaufeldickenrichtung nach außen erstreckt. Der Zusammenbau-Schritt umfasst ein Anbringen des Metallelements an dem Befestigungsabschnitt mit einem Befestiger mit dem Metallelement, das mit dem Hauptkörperabschnitt, dem gekrümmten Abschnitt und dem Erstreckungsabschnitt des Schaufelfußes in Kontakt ist.
Mit dieser Ausgestaltung ist das Metallelement, das die Außenoberfläche in der Richtung, die sich in der Schaufeldickenrichtung nach außen ausbreitet, geneigt hat, an der Oberflächenschicht des Schaufelfußes angebracht und daher ist es nicht nötig, den Schaufelfuß so auszubilden, dass er eine Schwalbenschwanzform hat, die sich von dem Strömungsprofil nach außen aufweitet bzw. ausbreitet. Mit anderen Worten erfüllt die Außenoberfläche des Metallelements die Funktion der Schwalbenschwanzform. Somit ist es nicht nötig, den Schaufelfuß in der Schaufeldickenrichtung nach außen aufzuweiten und zusätzlich eine Verbundmaterialschicht, die dem Aufweitungsbetrag entspricht, zu überlagern. Auf diese Weise kann der Schaufelfuß ausgebildet sein, ohne durch zusätzliches Überlagern einen Geweblagenesenken-Bereich zu erzeugen. Folglich kann die vorliegende Erfindung ein Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel bereitstellen, die eine Verringerung der Festigkeit des Schaufelfußes vermeiden kann.
Ferner ist es zu bevorzugen, dass das Metallelement und der Erstreckungsabschnitt Befestigungslöcher aufweisen, in welche der Befestiger eingesetzt ist, und das Metallelement und der Erstreckungsabschnitt mit dem in die Befestigungslöcher eingesetzten Befestiger befestigt sind.
Ferner ist es zu bevorzugen, dass der Zusammenbau-Schritt das Anbringen des Metallelements und eines zweiten Metallelements an dem Erstreckungsabschnitt mit dem Befestiger mit dem zweiten Metallelement, das mit einer Oberfläche des Erstreckungsabschnitts an der Seite der Basis in Kontakt ist, aufweist.
Mit dieser Ausgestaltung ist der Schaufelfuß zwischen das Metallelement und das zweite Metallelement eingefügt, und daher kann der Schaufelfuß besser vor Verformungen bewahrt werden, wenn eine Zentrifugalkraft auf die Verbundschaufel wirkt. Das zweite Metallelement ist an dem Erstreckungsabschnitt mit dem Befestiger zusammen mit dem Metallelement befestigt und daher kann die Anzahl von Befestigungslöchern für den Befestiger, die in dem Erstreckungsabschnitt ausgebildet sind, reduziert sein, um eine Verringerung der Festigkeit des Schaufelfußes zu vermeiden.
Ferner ist es zu bevorzugen, dass nach dem Überlagerungs-Schritt und vor dem Aushärte-Schritt ein zusätzlicher Überlagerungs-Schritt des Anordnens eines plattenförmigen Elements, das einer Oberflächenform des zweiten Metallelements entspricht, an einem unteren Abschnitt des gekrümmten Abschnitts des Schaufelfußes und Ausbilden einer zusätzlichen Überlagerungsschicht, die durch Überlagern einer Vielzahl der Verbundmaterialschichten erlangt ist, an dem plattenförmigen Element zusätzlich vorgesehen ist.
Mit dieser Ausgestaltung kann die Größe des zweiten Metallelements reduziert sein, um das Gewicht der Verbundschaufel zu reduzieren. Unter Verwendung des plattenförmigen Elements, das der Oberflächenform des zweiten Metallelements entspricht, kann die Form der zusätzlichen Überlagerungsschicht einfach auf die Oberflächenform des zweiten Metallelements eingestellt sein.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht, die den Umriss einer Verbundschaufel gemäß einer ersten Ausführung darstellt.
2 ist eine Querschnittsansicht der Verbundschaufel aus einer Y-Richtung betrachtet.
3 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausgestaltung einer Verbundmaterialschicht darstellt.
4 ist ein Erklärungsschaubild, das einen Prozess eines Verfahrens des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
5 ist eine Querschnittsansicht einer Verbundschaufel gemäß einer zweiten Ausführungsform aus der Y-Richtung betrachtet.
6 ist ein Erklärungsschaubild, das einen Zusammenbau-Schritt bei einem Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
7 ist eine Querschnittsansicht einer Verbundschaufel gemäß einer dritten Ausführungsform aus der Y-Richtung betrachtet.
8 ist ein Erklärungsschaubild, das einen zusätzlichen Überlagerungs-Schritt bei einem Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der dritten Ausführungsform darstellt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Eine Verbundschaufel und ein Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht durch die Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform
1 ist ein schematisches Diagramm, das den Umriss einer Verbundschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt. Eine Verbundschaufel 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine. Beispielsweise wird eine Gasturbine, die die Verbundschaufel 100 verwendet, für eine Luftfahrzeugantriebsmaschine verwendet, aber kann für andere Zwecke wie beispielsweise bei einer energieerzeugenden Gasturbine verwendet werden.
Wie in 1 dargestellt erstreckt sich die Verbundschaufel 100 von einem Außenende 100a zu einer Basis 100b. Die Verbundschaufel 100 ist an einer Turbinenscheibe 2 an der Seite der Basis 100b angebracht. Die in 1 dargestellte Z-Richtung ist eine Richtung, in der sich die Verbundschaufel 100 erstreckt, d.h. eine Richtung entlang dem Außenende 100a zu der Basis 100b. Die Z-Richtung ist eine Längsrichtung bzw. Longitudinalrichtung der Verbundschaufel 100. Die Z-Richtung entspricht einer Radialrichtung (Drehrichtung) der Turbinenscheibe 2. Die Y-Richtung ist eine Richtung, die rechtwinklig zu der Z-Richtung ist, und ist eine Richtung entlang der Axialrichtung der Turbinenscheibe 2. Die X-Richtung ist eine Richtung, die rechtwinklig zu der Y-Richtung und der Z-Richtung ist, und ist eine Richtung entlang der Tangente des Umfangs der Turbinenscheibe 2.
Die Verbundschaufel 100 umfasst einen Flügel bzw. ein Strömungsprofil 10 und einen Schaufelfuß 11. Das Strömungsprofil 10 ist eine Schaufel bzw. Laufschaufel zum Verdichten von in der Gasturbine strömendem Gas, wenn sich die Turbinenscheibe 2 dreht. Das Strömungsprofil 10 erstreckt sich von dem Außenende 100a zu dem Strömungsprofilende 10a entlang der Z-Richtung (Längsrichtung) der Verbundschaufel 100, während sie verdreht ist. Der Schaufelfuß 11 ist an dem Strömungsprofilende 10a vorgesehen, der das Ende des Strömungsprofils 10 ist. Mit anderen Worten erstreckt sich das Strömungsprofil 10 entlang der Z-Richtung von dem Schaufelfuß 11 an der Seite des Außenendes 100a.
2 ist eine Querschnittsansicht der Verbundschaufel aus der Y-Richtung betrachtet. Bei der Verbundschaufel 100 sind das Strömungsprofil 10 und der Schaufelfuß 11 durch Überlagern ausgestaltet, in denen eine Vielzahl von Verbundmaterialschichten 20 entlang der Schaufeldickenrichtung geschichtet bzw. überlagert sind. Die „Schaufeldickenrichtung“ ist eine Schaufeldickenrichtung der Verbundschaufel 100 an dem Strömungsprofilende 10a, welcher ein Fußteil des Strömungsprofils 10 hinsichtlich des Schaufelfußes 11 ist, und bedeutet die X-Richtung (Horizontalrichtung in 2). In der folgenden Beschreibung wird die Schaufeldickenrichtung als X-Richtung bezeichnet. In der folgenden Beschreibung wird die Oberflächenseite der Verbundschaufel 100 in der X-Richtung als eine Außenseite bezeichnet.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausgestaltung der Verbundmaterialschicht darstellt. Die Verbundmaterialschicht 20 ist eine Verbundschicht, in welcher eine Verstärkungsfaser bzw. verstärkte Faser 21 mit Harz bzw. Kunstharz 22 imprägniert ist. In jeder Verbundmaterialschicht 20 sind wie in 3 dargestellt eine Vielzahl von Verstärkungsfasern 21 entlang der Z-Richtung vorgesehen und das Harz 22 ist um die Verstärkungsfasern 21 herum verfüllt bzw. eingefüllt. Die Harze 22 einer Verbundmaterialschicht 20 und ihrer angrenzenden (überlagerten) Verbundmaterialschichten 20 sind so miteinander verbunden, dass das Harz 22 einer Verbundmaterialschicht 20 mit dem Harz 22 der anderen Verbundmaterialschicht 20 integriert ist. Somit ist die Verbundmaterialschicht 20 eine Überlagerungsschicht bzw. eine Lage, in der die Verstärkungsfaser 21 und das Harz 22 um die Verstärkungsfaser 21 herum vorhanden sind. Die Verbundmaterialschicht 20 kann eine weitere Verstärkungsfaser aufweisen, die sich in der Richtung, die sich von der der in 3 dargestellten Verstärkungsfaser 21 unterscheidet, erstreckt. In diesem Fall kann die weitere Verstärkungsfaser mit der Verstärkungsfaser 21 verwoben sein. In 2 sind vier Verbundmaterialschichten 20 auf jeder Seite der Mittellinie L1 schematisch dargestellt.
Bei der ersten Ausführungsform ist die Verstärkungsfaser 21 ein kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFRP, „carbon fiber reinforced plastic“), der eine Kohlefaser bzw. Karbonfaser verwendet. Die Verstärkungsfaser 21 ist nicht auf eine Karbonfaser beschränkt und kann einen anderen Typ von Faser wie beispielsweise Kunststofffasern, Glasfasern oder Metallfasern sein. Beispielsweise ist das Harz 22 ein duroplastisches Harz oder thermoplastisches Harz. Als duroplastisches Harz kann beispielsweise Epoxidharz verwendet werden. Als thermoplastisches Harz kann beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK, „polyetheretherketone“), Polyetherketonketon (PEKK, „polyetherketoneketone“) oder Polyphenylensulfid (PPS, „polyphenylenesulfide“) verwendet werden. Das Harz 22 ist nicht darauf beschränkt und andere Harze können verwendet werden.
Wie in 1 dargestellt weist die Turbinenscheibe 2 eine Vielzahl von Vertiefungen bzw. Nuten 2a auf, die entlang der Umfangsrichtung mit Zwischenräumen dazwischen ausgebildet sind. Die Verbundschaufel 100 ist an dem Schaufelfuß 11 in der Nut 2a angebracht und ist dadurch an der Turbinenscheibe 2 angebracht und befestigt. Wie in 2 dargestellt weist, wenn die Verbundschaufel 100 an der Nut 2a der Turbinenscheibe 2 angebracht ist, die Verbundschaufel 100 ein Metallelement 30, das zwischen dem Schaufelfuß 11 und der Nut 2a zwischengefügt ist, und Schrauben bzw. Bolzen 40 (Befestiger), die dazu ausgestaltet sind, das Metallelement 30 an dem Schaufelfuß 11 zu befestigen, auf. Ausgestaltungen des Schaufelfußes 11 und des Metallelements 30 zum Anbringen der Verbundschaufel 11 an der Nut 2a werden im Folgenden im Detail mit Bezug auf 2 beschrieben.
Schaufelfuß 11
Bei der ersten Ausführungsform teilen sich der Schaufelfuß 11 und das Strömungsprofil 10 die Verbundmaterialschichten 20. Insbesondere erstreckt sich jede Verbundmaterialschicht 20, die den Schaufelfuß 11 bildet, kontinuierlich bzw. fortlaufend von dem Strömungsprofil 10. Bei der ersten Ausführungsform ist wie in 2 dargestellt der Schaufelfuß 11 so ausgebildet, dass er eine im Wesentlichen symmetrische Form um die Mittellinie L1 in der X-Richtung herum aufweist. In der folgenden Beschreibung wird ein Teil des Schaufelfußes 11, der in den Figuren an der linken Seite der Mittellinie L1 angeordnet ist, entsprechend als ein „Schaufelfuß 11A“ bezeichnet und ein Teil des Schaufelfußes 11, der in den Figuren an der rechten Seite der Mittellinie L1 angeordnet ist, wird als ein „Schaufelfuß 11B“ bezeichnet.
Die Schaufelfüße 11A und 11B weisen einen Hauptkörperabschnitt 111, einen gekrümmten Abschnitt 112 und einen Befestigungsabschnitt (Erstreckungsabschnitt) 113 auf. Der Hauptkörperabschnitt 111 ist von dem Strömungsprofil 10 kontinuierlich bzw. fortlaufend und erstreckt sich in der Z-Richtung. Der gekrümmte Abschnitt 112 erstreckt sich von der Seite der Basis 100b des Hauptkörperabschnitts 111 und ist in der X-Richtung nach außen gekrümmt. Bei der ersten Ausführungsform ist der gekrümmte Abschnitts 112 so gekrümmt, dass er einen Winkel von ungefähr 90° in Bezug auf den Hauptkörperabschnitt 111 aufweist. Der Befestigungsabschnitt 113 ist ein Teil, der sich in der X-Richtung von der Seite des gekrümmten Abschnitts 112 entgegengesetzt zu dem Hauptkörperabschnitt 111 nach außen erstreckt. Somit weisen bei der ersten Ausführungsform die Schaufelfüße 11A und 11B jeweils eine im Wesentlichen L-förmige Form in einem Querschnitt aus der Y-Richtung betrachtet auf. Somit weist der Schaufelfuß 11, der durch Integrieren der Schaufelfüße 11A und 11B an der Mittellinie L1 erlangt ist, eine im Wesentliche T-förmige Form in einem Querschnitt aus der Y-Richtung betrachtet auf. In den Befestigungsabschnitten 113 der Schaufelfüße 11A und 11B sind Befestigungslöcher 113a, durch welche die später beschriebenen Bolzen 40 eingesetzt werden können, ausgebildet, um durch die Verbundmaterialschichten 20 zu durchdringen. Eine Vielzahl von Befestigungslöchern 113a sind in den Befestigungsabschnitten 113 mit Zwischenräumen dazwischen entlang der Y-Richtung ausgebildet.
Metallelement 30
Das Metallelement 30 ist aus einem Metallmaterial gebildet. Ein Metallelement 30 ist zwischen dem Schaufelfuß 11A und der Nut 2a vorgesehen und ein weiteres Metallelement 30 ist zwischen dem Schaufelfuß 11B und der Nut 2a vorgesehen. Eine Innenoberfläche 31 des Metallelements 30 weist eine Form auf, die der Oberflächenform der Oberflächenschicht 20a des Schaufelfußes 11 (11A, 11B) entspricht. Somit weist die Innenoberfläche 31 des Metallelements 30 eine im Wesentlichen L-förmige Form in einem Querschnitt aus der Y-Richtung betrachtet ähnlich dem Hauptkörperabschnitt 111, dem gekrümmten Abschnitt 112 und dem Befestigungsabschnitt 113 auf. Eine Außenoberfläche 32 des Metallelements 30 weist eine Form auf, die der Seitenoberflächenform der Nut 2a entspricht. Bei der ersten Ausführungsform weist wie in 2 dargestellt die Nut 2a eine Seitenoberfläche 2b, die sich in der Z-Richtung von der Außenumfangsoberfläche der Turbinenscheibe 2 erstreckt, und eine geneigte Oberfläche 2c, die sich von der Seitenoberfläche 2b in einer Richtung, die sich in der X-Richtung nach außen ausbreitet, auf. Somit weist die Außenoberfläche 32 des Metallelements 30 eine Seitenoberfläche 32a, die so ausgebildet ist, dass sie mit der Seitenoberfläche 2b in Kontakt kommen kann, und eine geneigte Oberfläche 32b, die sich in der Richtung, die sich in der X-Richtung nach außen ausbreitet, erstreckt, sodass sie mit der geneigten Oberfläche 2c in Kontakt kommen kann, auf. Bei den Metallelementen 30 sind eine Vielzahl von Befestigungslöchern 30a, durch welche die Bolzen 40 (die später beschrieben werden) befestigt werden können, an Positionen ausgebildet, die den Befestigungslöchern 130a, die in den Befestigungsabschnitten 113 der Schaufelfüße 11A und 11B ausgebildet sind, entsprechen.
Befestigung des Schaufelfußes 11 und des Metallelements 30
Der Schaufelfuß 11 und das Metallelement 30 sind mit den Bolzen 40, die als Befestiger dienen, befestigt bzw. fixiert. Wie oben beschrieben sind die Bolzen 40 an den Befestigungslöchern 113a, die in den Befestigungsabschnitten 113 der Schaufelfüße 11A und 11B ausgebildet sind, und den Befestigungslöchern 30a, die in den Metallelementen 30 ausgebildet sind, so befestigt, dass die Schaufelfüße 11A und 11B und die Metallelemente 30 befestigt sind.
Beschädigungserfassungssensor
Bei der ersten Ausführungsform sind Beschädigungserfassungssensoren 50 an den jeweiligen gekrümmten Abschnitten 112 der Schaufelfüße 11A und 11B angebracht. Beispielsweise ist der Beschädigungserfassungssensor 50 ein Dünnschicht-Ultraschallsensor (UT, „ultrasonic testing“), welcher ein Sensor ist, der das Vorhandensein oder das nichtVorhandensein einer Beschädigung in jeder Verbundmaterialschicht 20 in der Nähe des gekrümmten Abschnitts 112 erfassen kann. Der Beschädigungserfassungssensor 50 kann jeder Typ von Sensor sein, solange der Sensor das Vorhandensein oder das nichtVorhandensein einer Beschädigung in jeder Verbundmaterialschicht 20 erfassen und an dem gekrümmten Abschnitt 112 in der Nut 2a angebracht sein kann.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundschaufel gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. 4 ist ein Erklärungsschaubild, das einen Prozess des Verfahrens des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Das Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der ersten Ausführungsform umfasst einen Überlagerungs-Schritt S10, einen Formeinstell-Schritt S20, einen Aushärte-Schritt S30 und einen Zusammenbau-Schritt S40.
Der Überlagerungs-Schritt S10 ist ein Schritt des Überlagerns bzw. Schichtens einer Vielzahl von Verbundmaterialschichten 20, um den Schaufelfuß 11 zu bilden. Bei der ersten Ausführungsform erstreckt sich jede Verbundmaterialschicht 20 kontinuierlich bzw. fortlaufend von dem Strömungsprofil 10 zu dem Schaufelfuß 11 und daher kann der Überlagerungs-Schritt S10 als einen Schritt des Überlagerns einer Vielzahl von Verbundmaterialschichten 20, um das Strömungsprofil 10 und den Schaufelfuß 11 zu bilden, angesehen werden. Bei dem Überlagerungs-Schritt S10 ist die Verbundmaterialschicht 20 das, was „pre-preg“ genannt wird, bei welchem das Harz 20 ungehärtet bzw. nicht ausgehärtet ist.
Bei dem Überlagerungs-Schritt S10 werden Überlagerungsschichten 100A und 100B, die das Strömungsprofil 10 und den Schaufelfuß 11 bilden, separat bzw. getrennt ausgebildet. Bei dem Überlagerungs-Schritt S10 werden zuerst Verbundmaterialschichten 20 auf einer Basis 1 überlagert, um die Überlagerungsschicht 100A zu bilden. Durch vorheriges Ausbilden der Basis 1 mit einer im Wesentlichen L-förmigen Oberflächenform, können der Hauptkörperabschnitt 111, der gekrümmte Abschnitt 112 und der Befestigungsabschnitt 113 an einem Teil der Überlagerungsschicht 100A ausgebildet werden, um den Schaufelfuß 11 zu bilden. Bei jeder Verbundmaterialschicht 20 sind Lochabschnitte an entsprechenden Positionen so ausgebildet, dass eine Befestigungsloch 113a in dem Befestigungsabschnitt 113 in dem überlagerten Zustand ausgebildet ist. Das Befestigungsloch 113a kann durch Bearbeiten des Befestigungsabschnitts 113 nach dem Aushärte-Schritt S30, der später beschrieben wird, ausgebildet sein. Genauso werden Verbundmaterialschichten 20 auf der anderen Basis 1 überlagert, um die Überlagerungsschicht 100B (siehe Schritt S20), die den Schaufelfuß 11B aufweist, zu bilden.
Als nächstes werden bei dem Formeinstell-Schritt S20 die Überlagerungsschicht 100A und die Überlagerungsschicht 100B, die separat voneinander ausgebildet sind, miteinander ausgerichtet. Nachdem der Formeinstell-Schritt S20 beendet ist, wird der Aushärte-Schritt S30 durchgeführt. Der Aushärte-Schritt S30 ist ein Schritt des Ausbildens der Verbundschaufel 100 durch Aushärten des nicht gehärteten Harzes 22 in der gesenk-angepassten („die-matched“) Überlagerungsschicht 100A und der Überlagerungsschicht 100B. Bei dem Aushärte-Schritt S30 wird beispielsweise ein nicht gehärteter Körper der Verbundschaufel 100 mit einem Abschlagelement 150 zum Vakuumieren bzw. Evakuieren abgedeckt und wird dann unter Druck gesetzt und in einem Autoklavenofen erhitzt, um das Harz 22 auszuhärten. Auf diese Weise werden ausgehärtete Körper des Strömungsprofils 10 und des Schaufelfußes 11 ausgebildet. Das Ausbildungsverfahren bei dem Aushärte-Schritt S30 ist nicht darauf beschränkt, solange das Harz 22 ausgehärtet wird, um die ausgehärteten Körper des Strömungsprofils 10 und des Schaufelfußes 11 bilden.
Als nächstes wird der Zusammenbau-Schritt S40 durchgeführt. Der Zusammenbau-Schritt S40 ist ein Schritt des Anbringens des Metallelements 30 an dem Befestigungsabschnitt 113. Genauer gesagt wird wie durch durchgezogene Pfeile in 4 angezeigt die Innenoberfläche 31 des Metallelements 30 mit den Oberflächenschichten 20a der Schaufelfüße 11A und 11B, die bei dem Aushärte-Schritt S30 ausgehärtet sind, in Kontakt gebracht. Als nächstes werden wie durch gestrichelte Pfeile in 4 angezeigt die Bolzen 40 an jeweiligen Befestigungslöchern 113a in den Befestigungsabschnitten 113 und jeweiligen Befestigungslöchern 30a in den Metallelementen 30 befestigt. Auf diese Weise werden die Schaufelfüße 11A und 11B und das Metallelement 30 befestigt, um die Verbundschaufel 100 herzustellen. Der Beschädigungserfassungssensor 50 kann an dem gekrümmten Abschnitt 112 nach dem Zusammenbau-Schritt S40 angebracht werden oder kann an dem gekrümmten Abschnitt 112 nach dem Aushärte-Schritt S30 angebracht werden. Die Verbundschaufel 100, die auf diese Weise hergestellt ist, kann an der Turbinenscheibe 2 durch Einsetzen in die Nut 2a der Turbinenscheibe 2 entlang der Y-Richtung, die die Erstreckungsrichtung der Nut 2a ist, angebracht werden.
Wie oben beschrieben ist bei der Verbundschaufel 100 und dem Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der ersten Ausführungsform, das Metallelement 30, das die Außenoberfläche 32 in der Richtung, die sich in der X-Richtung (Schaufeldickenrichtung) nach außen ausbreitet, geneigt hat, an der Oberflächenschicht 20a des Schaufelfußes 11 angebracht und daher ist es nicht nötig, den Schaufelfuß 11 so auszubilden, dass er eine Schwalbenschwanzform aufweist, die sich von dem Strömungsprofil 10 nach außen ausbreitet. Mit anderen Worten erfüllt die Außenoberfläche 32 des Metallelements 30 die Funktion der Schwalbenschwanzform. In dem Zustand, bei dem die Verbundschaufel 100 an der Nut 2a der Turbinenscheibe 2 angebracht ist, ist das Metallelement 30 zwischen der Nut 2a und der Oberflächenschicht 20a des Schaufelfußes 11 eingefügt und die geneigte Oberfläche 32b des Metallelements 30 und die geneigte Oberfläche 2c der Nut 2a sind miteinander in Kontakt und daher ist bzw. wird verhindert, dass die Verbundschaufel 100 aus der Nut 2a herausfällt. Somit ist es nicht nötig, den Schaufelfuß 11 in der X-Richtung aufzuweiten bzw. auszubreiten und zusätzlich eine Verbundmaterialschicht 20 zu überlagern, die dem Aufweitungsbetrag entspricht. Auf diese Weise kann der Schaufelfuß 11 ausgebildet sein, ohne durch zusätzliches Überlagern einen Gewebelagensenken-Bereich (Bereich, in dem nur Harz 23 vorhanden ist) zu erzeugen. Folglich kann die Verbundschaufel 100 und das Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der ersten Ausführungsform eine Verbundschaufel 100 bereitstellen, die eine Verringerung der Festigkeit des Schaufelfußes 11 vermeiden kann.
Durch Befestigen des Metallelements 30 an den Befestigungsabschnitten 113 des Schaufelfußes 11 mit den Bolzen 40 (Befestiger), kann verhindert werden, dass der Schaufelfuß 11 aus der Nut 2a herausfällt.
Wenn eine Zentrifugalkraft F auf die Verbundschaufel 100 wirkt, wird der Schaufelfuß 100 in Richtung des Außenendes 100a gezogen (obere Seite in 2) und daher verformt sich der Schaufelfuß 11 eher in einer Richtung, in der der Winkel des gekrümmten Abschnitts 112 in Bezug auf den Hauptkörperabschnitt 111 stumpf wird (bewegt sich eher in einer Richtung, in welcher sich der gekrümmte Abschnitt 112 der Nut 2a annähert). Bei der Verbundschaufel 100 ist das Metallelement 30 zwischen der Oberflächenschicht 20a des Schaufelfußes 11 und der Nut 2a eingefügt und daher kann die Verformung des Schaufelfußes 11 vermieden werden. Zudem haben die Schaufelfüße 11A und 11B jeweils eine im Wesentlichen L-förmige Form und sind so angeordnet, dass sie über der Mittellinie L1 einander gegenüberliegen, und daher begrenzen die Schaufelfüße 11A und 11B die Bewegung davon, wenn die Zentrifugalkraft F auf die Verbundschaufel 100 wirkt. Auf diese Weise wird die Verformung des Schaufelfußes 11 vermieden.
Das Metallelement 30 ist zwischen der Oberflächenschicht 20a des Schaufelfußes 11 und der Nut 2a eingefügt und daher kann ähnlich zu dem Fall, bei dem eine Schaufel, die aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, an der Nut 2a der Turbinenscheibe 2 angebracht ist, die Verbundschaufel 100 stabil an der Turbinenscheibe 2 angebracht sein. Zudem ist, selbst wenn sich die Nut 2a und das Metallelement 30 gleitend bewegen, die Gleitoberfläche eine Metalloberfläche und daher kann mit diesem Fall genauso umgegangen werden wie bei einer Schaufel, die aus einem Metallmaterial ausgebildet ist.
Wenn eine Zentrifugalkraft F auf die Verbundschaufel 100 wirkt, nimmt die geneigte Oberfläche 32b des Metallelements 30 Kraft von der geneigten Oberfläche 2c der Nut 2a auf und daher wirkt eine Druckkraft von den zwei Metallelementen 30 auf den Schaufelfuß 11, der zwischen die zwei Metallelemente 30 eingefügt ist. Folglich wird verglichen beispielsweise mit dem Fall, bei dem das Metallelement 30 die geneigte Oberfläche 32b nicht hat, der Oberflächendruck auf den Schaufelfuß 11 von dem Metallelement 30 größer und der Schaufelfuß 11 und die zwei Metallelemente 30 funktionieren als ein integrales Element (Schwalbenschwanzabschnitt) und nehmen die Zentrifugalkraft F auf. Auf diese Weise kann die Kraftkomponente der Zentrifugalkraft F, die auf das Metallelement 30 ausgeübt wird, erhöht sein, während die Kraftkomponente der Zentrifugalkraft F, die auf den Schaufelfuß 11 ausgeübt wird, verringert sein kann. Folglich kann die Verbundschaufel 11 eine größere Zentrifugalkraft F ertragen.
Es ist zu bevorzugen, dass die Verbundmaterialschichten 20, die den Schaufelfuß 11 bilden, sich kontinuierlich bzw. fortlaufend von dem Strömungsprofil 10 erstrecken.
Mit dieser Ausgestaltung ist der Schaufelfuß 11 ohne zusätzliches Überlagern einer Verbundmaterialschicht 20 ausgebildet und daher kann eine Verringerung der Festigkeit des Schaufelfußes 11 durch Vermeiden der Erzeugung eines Gewebelagensenken-Bereichs durch zusätzliches Überlagern vermieden sein.
Die Verbundschaufel 100 umfasst ferner den Beschädigungserfassungssensor 50, der an dem gekrümmten Abschnitt 112 vorgesehen ist und dazu ausgestaltet ist, eine Beschädigung in der Verbundmaterialschicht 20 zu erfassen.
Mit dieser Ausgestaltung kann, wenn eine Zentrifugalkraft F auf die Verbundschaufel 100 wirkt, eine Beschädigung in der Nähe des gekrümmten Abschnitts 112 des Schaufelfußes 11, wo eine Belastung besonders leicht zunimmt und eine Beschädigung leicht aufgrund einer übermäßigen Zugbelastung oder einem Langzeitbetrieb auftritt, in Echtzeit erfasst werden. Folglich kann die Lebensdauer der Verbundschaufel 100 bestimmt werden, während die Verbundschaufel 100 an der Turbinenscheibe 2 angebracht ist und daher kann ein Untersuchungs-Schritt weggelassen werden.
Zweite Ausführungsform
Als nächstes wird eine Verbundschaufel 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. 5 ist eine Querschnittsansicht der Verbundschaufel gemäß der zweiten Ausführungsform aus der Y-Richtung betrachtet. Die Verbundschaufel 200 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst ein zweites Metallelement 60 zusätzlich zu der Ausgestaltung der Verbundschaufel 100. Die anderen Ausgestaltungen bei der Verbundschaufel 200 sind dieselben wie die der Verbundschaufel 100 und sind daher durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und Beschreibungen davon sind weggelassen.
Das zweite Metallelement 60 ist mit einer Oberfläche des Schaufelfußes 11, die sich von der Oberflächenschicht 20a, die mit dem Metallelement 30 in Kontakt ist, unterscheidet, in Kontakt. Bei der zweiten Ausführungsform weist wie in 5 dargestellt das zweite Metallelement 60 eine obere Oberfläche 60a mit einer Form, die einer Bodenoberfläche 112b des gekrümmten Abschnitts 112 an der Seite der Basis 100b und einer Bodenoberfläche 113b des Befestigungsabschnitts 130 an der Seite der Basis 100b entspricht, auf. Die obere Oberfläche 60a des zweiten Metallelements 60 ist mit den Bodenoberflächen 112b und 113b in Kontakt. Bei dem zweiten Metallelement 60 sind eine Vielzahl von Befestigungslöchern 60c, die durch das zweite Metallelement 60 von der oberen Oberfläche 60a zu der Bodenoberfläche 60b durchdringen, ausgebildet. Die Befestigungslöcher 60c sind an Positionen ausgebildet, die den Befestigungslöchern 30a und den Befestigungslöchern 113a, die oben beschrieben sind, entsprechen. Mit anderen Worten werden in dem Zustand, bei dem das zweite Metallelement 60 mit den Bodenoberflächen 112b 113b den Kontakt ist, das Befestigungsloch 30a, das Befestigungsloch 113a und das Befestigungsloch 60c ein fortlaufend ausgebildetes Befestigungsloch.
Bei der zweiten Ausführungsform ist der oben erwähnte Beschädigungserfassungssensor 50 an der Bodenoberfläche 60b des zweiten Metallelements 60 angebracht. Wie in 5 dargestellt ist der Beschädigungserfassungssensor 50 unter dem gekrümmten Abschnitt 112 vorgesehen. Insbesondere ist der Beschädigungserfassungssensor 50 an einer Position vorgesehen, die sich mit dem gekrümmten Abschnitt 112 in der X-Richtung überlappt.
Als nächstes wird ein Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der zweiten Ausführungsform mit Bezug auf 6 beschrieben. 6 ist ein Erklärungsschaubild, das einen Zusammenbau-Schritt bei dem Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Das Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst einen Zusammenbau-Schritt S41 anstatt des Zusammenbau-Schritts S40 bei dem Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der ersten Ausführungsform. Bei der zweiten Ausführungsform sind der Überlagerungs-Schritt S10, der Formeinstell-Schritt S20 und der Aushärte-Schritt S30 dieselben wie die in 4 dargestellten und daher werden Beschreibungen davon weggelassen.
Bei der zweiten Ausführungsform werden bei dem Zusammenbau-Schritt S41 wie durch durchgehende Pfeile in 6 dargestellt die inneren Oberflächen 31 des Metallelements 30 mit den Oberflächenschichten 20a der Schauschaufelfüße 11A und 11B, die bei dem Aushärte-Schritt S30 ausgebildet sind, in Kontakt gebracht und das zweite Metallelements 60 wird mit den Bodenoberflächen 112b und 113b in Kontakt gebracht. Als nächstes werden wie durch gestrichelte Pfeile in 6 dargestellt Bolzen 40 an den Befestigungslöchern 30a, Befestigungslöchern 113a und Befestigungslöchern 60c befestigt. Auf diese Weise werden die Schaufelfüße 11A und 11B an dem Metallelement 30 und dem zweiten Metallelement 60 befestigt bzw. fixiert, um die Verbundschaufel 200 herzustellen.
Wie oben beschrieben umfasst die Verbundschaufel 200 gemäß der zweiten Ausführungsform ferner das zweite Metallelement 60, das an dem Schaufelfuß 11 mit den Bolzen 40 (Befestiger) angebracht ist und mit einer Oberfläche des Schaufelfußes 11 in Kontakt ist, die sich von der Oberfläche, die mit dem Metallelement 30 in Kontakt ist, unterscheidet.
Mit dieser Ausgestaltung kann zuverlässiger verhindert werden, dass der Schaufelfuß 11 verformt wird, wenn eine Zentrifugalkraft F auf die Verbundschaufel 200 wirkt.
Das zweite Metallelement 60 ist mit den Bodenoberflächen 113b der Befestigungsabschnitte 113 an der Seite der Basis 100b in Kontakt und ist mit den Bolzen 40 zusammen mit dem Metallelement 30 an den Befestigungsabschnitten 113 angebracht.
Mit dieser Ausgestaltung ist der Schaufelfuß 11 zischen das Metallelement 30 und das zweite Metallelement 60 eingefügt und daher kann besser verhindert werden, dass der Schaufelfuß 11 verformt wird, wenn eine Zentrifugalkraft F auf die Verbundschaufel 200 wirkt. Das zweite Metallelement 60 ist durch die Bolzen 40 zusammen mit dem Metallelement 30 an dem Befestigungsabschnitt 113 befestigt und daher kann die Anzahl der in den Befestigungsabschnitten 113 ausgebildeten Befestigungslöcher 113a für die Bolzen 40 reduziert sein, um eine Verringerung der Festigkeit des Schaufelfußes 11 zu vermeiden.
Die Verbundschaufel 200 weist ferner den Beschädigungserfassungssensor 50 auf, der an dem zweiten Metallelement 60 unter dem gekrümmten Abschnitt 112 vorgesehen ist und dazu ausgestaltet ist, eine Beschädigung in der Verbundmaterialschicht 20 zu erfassen.
Mit dieser Ausgestaltung kann, selbst wenn das zweite Metallelement 60 vorgesehen ist, eine Beschädigung in der Nähe des gekrümmten Abschnitts 112 des Schaufelfußes 11, wo eine Belastung besonders leicht zunimmt, in Echtzeit erfasst werden.
Dritte Ausführungsform
Als nächstes wird eine Verbundschaufel 300 gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben. 7 ist eine Querschnittsansicht der Verbundschaufel gemäß der dritten Ausführungsform aus der Y-Richtung betrachtet. Die Verbundschaufel 300 gemäß der dritten Ausführungsform umfasst ein zweites Metallelement 70 anstatt des zweiten Metallelements 60 bei der Verbundschaufel 200 gemäß der zweiten Ausführungsform. Die Verbundschaufel 300 weist eine zusätzliche Überlagerungsschicht bzw. Lage 80 zusätzlich zu der Ausgestaltung der Verbundschaufel 200 gemäß der zweiten Ausführungsform auf. Die anderen Ausgestaltungen bei der Verbundschaufel 300 sind dieselben wie die der Verbundschaufel 200 und sind daher durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und Beschreibungen davon sind weggelassen.
Wie in 7 dargestellt weist das zweite Metallelement 70 obere Oberflächen 71a mit einer Form auf, die sich entlang der Bodenoberfläche 113b des Befestigungsabschnitts 113 an der Seite der Basis 100b erstrecken. Eine obere Oberfläche 72a, die sich zwischen den oberen Oberflächen 71a erstreckt, weist eine Form auf, die von den oberen Oberflächen 71a so vorsteht, dass sie mit einem Knick bzw. Winkel kleiner als die Bodenoberfläche 112b des gekrümmten Abschnitts 112 an der Seite der Basis 100b konvex bzw. gewölbt ist. Somit ist in dem Zustand, bei dem das zweite Metallelement 70 mit der oberen Oberfläche 113b des Befestigungsabschnitts 113 in Kontakt gebracht ist, ein Zwischenraum G1, der sich entlang der Y-Richtung erstreckt, zwischen der oberen Oberfläche 72a und der Bodenoberfläche 112b des gekrümmten Abschnitts 112 ausgebildet. Bei dem zweiten Metallelement 70 sind ähnlich zu dem zweiten Metallelement 60 eine Vielzahl von Befestigungslöchern 70c, die durch das zweite Metallelement 70 von der oberen Oberfläche 71a zu der Bodenoberfläche 70b durchdringen, ausgebildet.
Die zusätzliche Überlagerungsschicht 80 ist eine Schicht, die durch Überlagern einer Vielzahl von Verbundmaterialschichten 20 gebildet ist. Die zusätzliche Überlagerungsschicht 80 ist in einem Zwischenraum G1, der zwischen der oberen Oberfläche 72a des zweiten Metallelements 70 und der Bodenoberfläche 112b des gekrümmten Abschnitts 112 ausgebildet ist, vorgesehen. Bei der zweiten Ausführungsform erstrecken sich in der zusätzlichen Überlagerungsschicht 80 die Verstärkungsfasern 21 entlang der Y-Richtung, die rechtwinklig zu der Z-Richtung (Längsrichtung) und der X-Richtung (Schaufeldickenrichtung) ist.
Als nächstes wird ein Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der dritten Ausführungsform mit Bezug auf 8 beschrieben. 8 ist ein Erklärungsschaubild, das einen zusätzlichen Überlagerungs-Schritt bei dem Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der dritten Ausführungsform darstellt. Das Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der dritten Ausführungsform weist ferner einen zusätzlichen Überlagerungs-Schritt S25 zusätzlich zu den Schritten bei dem Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß der zweiten Ausführungsform auf.
Der zusätzliche Überlagerungs-Schritt S25 wird nach dem Überlagerungs-Schritt S10 und dem Formeinstell-Schritt S20 und vor dem Aushärte-Schritt S30 durchgeführt. Der zusätzliche Überlagerungs-Schritt S25 ist ein Schritt des zusätzlichen Überlagerns der oben erwähnten zusätzlichen Überlagerungsschicht 80 auf der Überlagerungsschicht 100A und der Überlagerungsschicht 100B, die bei dem Ausrichte-Schritt S20 ausgerichtet sind. Genauer gesagt wird bei dem zusätzlichen Überlagerungs-Schritt S25 wie durch den Schritt S251 in 8 dargestellt ein plattenförmiges Element 90 auf der unteren Seite des gekrümmten Abschnitts 112 und der Befestigungsabschnitte 113 der ausgerichteten Überlagerungsschicht 100A und Überlagerungsschicht 100B angeordnet. Das plattenförmige Element 90 weist eine Form auf, die den oberen Oberflächen 71a und 72a des oben erwähnten zweiten Metallelements 70 entspricht. Somit wird in dem Zustand, bei dem das plattenförmige Element 90 mit dem Befestigungsabschnitt 113 in Kontakt ist, ein Zwischenraum G2 mit derselben Form wie der oben erwähnte Zwischenraum G1 zwischen dem plattenförmigen Element 90 und dem gekrümmten Abschnitt 112 entlang der Y-Richtung ausgebildet. Wie durch den Schritt S252 in 8 dargestellt ist die zusätzliche Überlagerungsschicht 80 in dem Zwischenraum G2 überlagert. Gleichzeitig erstrecken sich die Verstärkungsfasern 21 in der zusätzlichen Überlagerungsschicht 80 wie oben beschrieben in einer Richtung entlang der Y-Richtung. Auf diese Weise kann unter Verwendung des plattenförmiges Elements 90, das der Oberflächenform des zweiten Metallelements 70 entspricht, die Form der zusätzlichen Überlagerungsschicht 80 einfach auf die Oberflächenform des zweiten Metallelements 70 eingestellt werden.
Danach werden die Überlagerungsschichten 100A und 100B und die zusätzliche Überlagerungsschicht 80 durch dasselbe Verfahren wie der in 4 dargestellte Aushärte-Schritt S30 ausgebildet und das Metallelement 30 und das zweite Metallelement 70 werden durch denselben Prozess wie der in 6 dargestellte Zusammenbau-Schritt S41 angebracht. Auf diese Weise wird die Verbundschaufel 300 gebildet.
Wie oben beschrieben weist die Verbundschaufel 300 gemäß der dritten Ausführungsform ferner die zusätzliche Überlagerungsschicht 80, die durch Überlagern der Verbundmaterialschichten 20 gebildet und zwischen dem zweiten Metallelement 70 und dem gekrümmten Abschnitt 112 vorgesehen ist, auf.
Diese Ausgestaltung kann die Größe des zweiten Metallelements 70 reduzieren, um das Gewicht der Verbundschaufel 300 zu verringern.
Bei der zusätzlichen Überlagerungsschicht 80 erstrecken sich die Verstärkungsfasern 21 entlang der Y-Richtung, die rechtwinklig zu der Z-Richtung (Längsrichtung) und der X-Richtung (Schaufeldickenrichtung) ist.
Mit dieser Ausgestaltung kann die Verbundmaterialschicht 20, die zusätzliche Überlagerungsschicht 80 zwischen dem gekrümmten Abschnitt 112 und dem zweiten Metallelement 70 ohne einen Zwischenraum verfüllt werden.
Bei den ersten bis dritten Ausführungsformen kann der Beschädigungserfassungssensor 50 weggelassen sein. Der Beschädigungserfassungssensor 50 kann in der Nähe des Befestigungslochs 113a, das in dem Befestigungsabschnitt 113 ausgebildet ist, vorgesehen sein.
Bei der zweiten Ausführungsform kann beispielsweise das zweite Metallelement 60 an einer Seitenoberfläche des Schaufelfußes 11 in der Y-Richtung angebracht sein. In diesem Fall braucht das zweite Metallelement 60 nur an irgendeiner Position an dem Schaufelfuß 11 durch einen Befestiger befestigt sein. Solch eine Ausgestaltung kann die Verformung des Schaufelfußes 11 durch das zweite Metallelement 60 vermeiden.
Bezugszeichenliste

1: Basis
2: Turbinenscheibe
2a: Nut bzw. Vertiefung
2b: Seitenoberfläche
2c: geneigte Oberfläche
10: Strömungsprofil bzw. Flügel
10a: Strömungsprofilende
11, 11A, 11B: Schaufelfuß
111: Hauptkörperabschnitt
112b: Bodenoberfläche
112: gekrümmter Abschnitt
113: Befestigungsabschnitt
113a: Befestigungsloch
113b: Bodenoberfläche
20: Verbundmaterialschicht
20a: Oberflächenschicht
21: Verstärkung
22: Harz
30: Metallelement
30a: Befestigungsloch
31: Innenoberfläche
32: Außenoberfläche
32a: Seitenoberfläche
32b: geneigte Oberfläche
40: Bolzen bzw. Schraube
50: Beschädigungserfassungssensor
60, 70: zweites Metallelement
60a, 71a, 72a: obere Oberfläche
60b: Bodenoberfläche
60c: Befestigungsloch
80: zusätzliche Überlagerungsschicht
90: plattenförmiges Element
100, 200, 300: Verbundschaufel
100A, 100B: Überlagerungsschicht
100a: Außenende
100b: Basis
150: Absackelement
F: Zentrifugalkraft
L1: Mittellinie
G1: Zwischenraum
G2: Zwischenraum

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

US 8100662 [0003]

Claims

Eine Verbundschaufel, die durch Überlagern von Verbundmaterialschichten, in welchen Verstärkungsfasern mit Harz in einer Schaufeldickenrichtung imprägniert sind, gebildet ist, wobei die Verbundschaufel aufweist: einen Schaufelfuß, der an einer Seite einer Basis vorgesehen ist; ein Strömungsprofil bzw. ein Flügel, das bzw. der sich von einer Außenendseite des Schaufelfußes erstreckt; ein Metallelement, das an dem Schaufelfuß vorgesehen ist; und einen Befestiger, der dazu ausgestaltet ist, den Schaufelfuß und das Metallelement zu befestigen, wobei der Schaufelfuß einen Hauptkörperabschnitt, einen gekrümmten Abschnitt, der von dem Hauptkörperabschnitt in der Schaufeldickenrichtung nach außen, gekrümmt ist, und einen Erstreckungsabschnitt, der sich von dem gekrümmten Abschnitt in der Schaufeldickenrichtung nach außen erstreckt, aufweist, und das Metallelement mit dem Hauptkörperabschnitt, dem gekrümmten Abschnitt und dem Erstreckungsabschnitt des Schaufelfußes in Kontakt und mit dem Befestiger an dem Erstreckungsabschnitt befestigt ist.
Die Verbundschaufel gemäß Anspruch 1, wobei das Metallelement und der Erstreckungsabschnitt Befestigungslöcher aufweisen, in welche der Befestiger eingesetzt ist, und das Metallelement und der Erstreckungsabschnitt mit dem in die Befestigungslöcher eingesetzten Befestiger befestigt sind.
Die Verbundschaufel gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Verbundmaterialschicht, die den Schaufelfuß bildet, kontinuierlich von dem Strömungsprofil erstreckt.
Die Verbundschaufel gemäß Anspruch 3, wobei das Metallelement mit dem Befestiger zusammen mit einem zweiten Metallelement, das mit einer Oberfläche des Erstreckungsabschnitts an der Seite der Basis in Kontakt ist, befestigt ist.
Die Verbundschaufel gemäß Anspruch 4, ferner umfassend eine weitere Überlagerungsschicht, die durch Überlagern einer Vielzahl der Verbundmaterialschichten gebildet ist und zwischen dem zweiten Metallelement und dem gekrümmten Abschnitt vorgesehen ist.
Die Verbundschaufel gemäß Anspruch 5, wobei sich in der zusätzlichen Überlagerungsschicht Verstärkungsfasern entlang einer Richtung, die rechtwinklig zu einer Längsrichtung und der Schaufeldickenrichtung ist, erstrecken.
Die Verbundschaufel gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen Sensor, der an dem gekrümmten Abschnitt vorgesehen ist, um eine Beschädigung in der Verbundmaterialschicht zu erfassen.
Die Verbundschaufel gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner umfassend einen Sensor, der an dem zweiten Metallelement unter dem gekrümmten Abschnitt vorgesehen ist, um eine Beschädigung in der Verbundmaterialschicht zu erfassen.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundschaufel, die durch Überlagern von Verbundmaterialschichten, in welchen Verstärkungsfasern mit Harz in einer Schaufeldickenrichtung imprägniert sind, gebildet ist und die einen Schaufelfuß, der an einer Seite einer Basis vorgesehen ist, und ein Strömungsprofil bzw. einen Flügel, das bzw. der sich von einer Außenendseite des Schaufelfußes erstreckt, aufweist, wobei das Verfahren aufweist: einen Überlagerungs-Schritt des Überlagerns einer Vielzahl der Verbundmaterialschichten, die als der Schaufelfuß dienen; einen Aushärte-Schritt des Ausbildens des Schaufelfußes; und einen Zusammenbau-Schritt des Befestigens eines Metallelements an dem Schaufelfuß, wobei der Schaufelfuß einen Hauptkörperabschnitt, einen gekrümmten Abschnitt, der von dem Hauptkörperabschnitt in der Schaufeldickenrichtung nach außen gekrümmt ist, und einen Erstreckungsabschnitt, der sich von dem gekrümmten Abschnitt in der Schaufeldickenrichtung nach außen erstreckt, aufweist, und der Zusammenbau-Schritt ein Anbringen des Metallelements an dem Befestigungsabschnitt mit einem Befestiger mit dem Metallelement, das mit dem Hauptkörperabschnitt, dem gekrümmten Abschnitt und dem Erstreckungsabschnitt des Schaufelfußes in Kontakt ist, umfasst.
Das Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß Anspruch 9, wobei das Metallelement und der Erstreckungsabschnitt Befestigungslöcher aufweisen, in welche der Befestiger eingesetzt ist, und das Metallelement und der Erstreckungsabschnitt mit dem in die Befestigungslöcher eingesetzten Befestiger befestigt sind.
Das Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei der Zusammenbau-Schritt das Anbringen des Metallelements und eines zweiten Metallelements an dem Befestigungsabschnitt mit dem Befestiger mit dem zweiten Metallelement, das mit einer Oberfläche des Befestigungsabschnitts an der Basisendseite in Kontakt ist, aufweist.
Das Verfahren des Herstellens einer Verbundschaufel gemäß Anspruch 11, ferner umfassend, nach dem Überlagerungs-Schritt und vor dem Aushärte-Schritt einen zusätzlichen Überlagerungs-Schritt des Anordnens eines plattenförmigen Elements, das einer Oberflächenform des zweiten Metallelements entspricht, an einem unteren Abschnitt des gekrümmten Abschnitts des Schaufelfußes und Ausbilden einer zusätzlichen Überlagerungsschicht, die durch Überlagern einer Vielzahl der Verbundmaterialschichten erlangt ist, an dem plattenförmigen Element.