DE102021203942A1

DE102021203942A1 - Flügel mit geformter Massenreduktionstasche

Info

Publication number: DE102021203942A1
Application number: DE102021203942.1A
Authority: DE
Inventors: Dennes Kyle Burney; Jared J. Schneider; Matthew J. Kappes; Daniel E. Molnar; Justin Mckendry; Daniel Stratton; Matthew Jordan
Original assignee: Rolls Royce Corp
Current assignee: Rolls Royce Corp
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2021-11-25
Also published as: US20210363889A1; US11255199B2

Abstract

Ein Flügel enthält eine Basis, eine Spitze, eine saugseitige Fläche und eine druckseitige Fläche. Die druckseitige Fläche enthält eine äußere Oberfläche, eine zwischen der äußeren Oberfläche und der saugseitigen Fläche befindliche innere Oberfläche und eine Übergangsoberfläche, die sich zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche erstreckt und diese miteinander verbindet, um eine Tasche in dem Flügel zu bilden.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Gasturbinenmaschinen und im Speziellen Flügel zur Verwendung mit Gasturbinenmaschinen.
HINTERGRUND
Gasturbinenmaschinen werden zum Antrieb von Flugzeugen, Wasserfahrzeugen, Stromgeneratoren und dergleichen verwendet. Gasturbinenmaschinen enthalten typischerweise einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter verdichtet in die Maschine gesaugte Luft und führt der Brennkammer Hochdruckluft zu. In der Brennkammer wird Brennstoff mit der Hochdruckluft vermischt und gezündet. Produkte der Verbrennungsreaktion in der Brennkammer werden in die Turbine geleitet, wo Arbeit zum Antrieb des Verdichters und manchmal auch einer Abtriebswelle entnommen wird. Restprodukte der Verbrennung werden aus der Turbine ausgestoßen und können in einigen Anwendungen Schub bereitstellen.
Gasturbinenmaschinen, die für den Einsatz in bestimmten Flugzeugen geeignet sind, wie z. B. Mantelstrom-Triebwerke, enthalten typischerweise einen rotierenden Fan (Gebläse) oder Rotor, der Umgebungsluft in die Maschine ansaugt und einen Teil der Luft weiter in den Verdichter drückt. Ein anderer Teil der Luft umgeht den Verdichter und den verbleibenden Kern der Maschine, um zusätzlichen Schub bereitzustellen. Der Fan kann eine Vielzahl von Schaufeln enthalten, die nicht nur in der Lage sind, den Kräften der einströmenden Luft standzuhalten, sondern auch so konstruiert sind, dass sie hohen Belastungen durch das Eindringen von Fremdkörpern, wie z. B. Vögeln, während des Fluges standhalten, die potentiell katastrophale Schäden an den Schaufeln und anschließend an der Maschine verursachen könnten.
Die Schaufeln eines Fans unterliegen auch natürlichen Schwingungen, die durch die Wechselwirkung der Schaufeln mit den Gasen verursacht werden, wie z. B. von Umgebungsluft, die durch die Gasturbinenmaschine strömen. Die spezifische Anfälligkeit einer Schaufel für Schwingungen kann erhöht werden, wenn alle Schaufeln eines Rotors in Bezug auf ihre Schwingungsfrequenzen identisch sind. Manchmal werden während der Herstellung absichtlich Variationen in die Schaufeln eingebracht, um eine bauliche Verstimmung eines Rotors zu erzeugen und eine Schwingungsresistenz bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale und Kombinationen davon umfassen.
Ein Flügel, der zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine geeignet ist, kann eine Basis, eine von der Basis radial in Bezug zu einer Achse beabstandete Spitze, eine saugseitige Fläche, die sich zwischen der Basis und der Spitze erstreckt, und eine druckseitige Fläche enthalten. Die Spitze kann sich in einer Sehnenrichtung zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Flügels erstrecken. Die druckseitige Fläche kann sich zwischen der Basis und der Spitze gegenüber der saugseitigen Fläche erstrecken. Die druckseitige Fläche kann eine äußere Oberfläche, eine zwischen der äußeren Oberfläche und der saugseitigen Fläche angeordnete innere Oberfläche und eine Übergangsoberfläche enthalten, die sich zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche der druckseitigen Fläche erstreckt und diese miteinander verbindet, um eine Tasche in dem Flügel zu bilden, die in die Spitze des Flügels mündet.
In einigen Ausführungsformen kann die Übergangsoberfläche ein vorderes Segment, ein hinteres Segment und ein Verbindungssegment enthalten. Das vordere Segment kann sich von der Spitze des Flügels in Bezug zu der Achse im Wesentlichen radial nach innen erstrecken und kann sich in Sehnenrichtung vollständig hinter einer Stoßgrenze des Flügels befinden. Das hintere Segment kann sich von der Spitze des Flügels im Wesentlichen radial nach innen erstrecken und kann sich in Sehnenrichtung in einem ersten Abstand vor der Hinterkante des Flügels befinden, der gleich einem Bereich von dreißig bis vierzig Prozent einer Ausdehnung der Spitze des Flügels in Sehnenrichtung sein kann. Das Verbindungssegment kann das vordere Segment und das hintere Segment miteinander verbinden.
In einigen Ausführungsformen kann das Verbindungssegment einen ersten Abschnitt, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach hinten weg von dem vorderen Segment erstreckt, und einen zweiten Abschnitt enthalten, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach vorne weg von dem hinteren Segment in Richtung des ersten Abschnitts erstreckt, so dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt ineinander konvergieren, so dass das vordere Segment. Das hintere Segment und das Verbindungssegment können die innere Oberfläche in der Sehnenrichtung und in der radialen Richtung weg von der Spitze des Flügels begrenzen.
In einigen Ausführungsformen kann die Übergangsoberfläche ferner ein erstes Anschlusssegment, das sich zwischen dem vorderen Segment und dem ersten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet, ein zweites Anschlusssegment, das sich zwischen dem hinteren Segment und dem zweiten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet, und ein drittes Anschlusssegment enthalten, das sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet.
In einigen Ausführungsformen können das vordere Segment, das hintere Segment, der erste Abschnitt des Verbindungssegments und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments im Wesentlichen linear sein Das erste Anschlusssegment kann so gekrümmt sein, dass das vordere Segment, das erste Anschlusssegment und der erste Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden. Das zweite Anschlusssegment kann so gekrümmt sein, dass das hintere Segment, das zweite Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden. Das dritte Anschlusssegment kann so gekrümmt sein, dass der erste Abschnitt des Verbindungssegments, das dritte Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden.
In einigen Ausführungsformen kann die Vorderkante des Flügels einen oberen Abschnitt definieren, der sich von der Spitze des Flügels über eine Strecke erstreckt, die gleich einer Länge des vorderen Segments ist. Das vordere Segment kann im Wesentlichen parallel zu dem oberen Abschnitt der Vorderkante sein.
In einigen Ausführungsformen können das vordere Segment, das hintere Segment, der erste Abschnitt des Verbindungssegments und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments im Wesentlichen linear sein. Das erste Anschlusssegment kann linear sein, so dass das vordere Segment, das erste Anschlusssegment und der erste Abschnitt des Verbindungssegments eine im Wesentlichen gerade Linie bilden. Das zweite Anschlusssegment kann gebogen sein, so dass das hintere Segment, das zweite Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden. Das dritte Anschlusssegment kann gebogen sein, so dass der erste Abschnitt des Verbindungssegments, das dritte Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden.
In einigen Ausführungsformen kann die Vorderkante des Flügels gekrümmt sein und einen oberen Abschnitt definieren, der eine radiale Erstreckung von einem an der Spitze des Flügels befindlichen äußeren Ende des oberen Abschnitts, zu einem inneren Ende des oberen Abschnitts aufweist, die gleich einer radialen Erstreckung des vorderen Segments und des ersten Abschnitts des Verbindungssegments ist. Das vordere Segment und der erste Abschnitt des Verbindungssegments können im Wesentlichen parallel zu einer Sekantenlinie der Krümmung der Vorderkante sein, die von dem äußeren Ende des oberen Abschnitts zu dem inneren Ende des oberen Abschnitts verläuft.
In einigen Ausführungsformen kann ein Volumen der zwischen der äußeren Oberfläche, der inneren Oberfläche und der Übergangsoberfläche definierten Tasche so bemessen sein, dass eine vorbestimmte Flügel-Schwingungsfrequenz erreicht wird.
In einigen Ausführungsformen kann die Tasche so geformt sein, dass die Gasturbinenmaschine, zur Verwendung mit der der Flügel geeignet ist, in 14 C.F.R. Sec. 33.76 festgelegte Vorschriften bezüglich Vogelschlag erfüllt.
In einigen Ausführungsformen kann die Tasche so geformt sein, dass die Gasturbinenmaschine, zur Verwendung mit der der Flügel geeignet ist, in 14 C.F.R. Sec. 33.94 festgelegte Vorschriften bezüglich Schaufelablösung erfüllt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Flügel der zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine geeignet ist, eine Basis, eine von der Basis radial in Bezug zu einer Achse beabstandete Spitze, wobei sich die Spitze in einer Sehnenrichtung zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Flügels erstreckt, und eine erste Fläche enthalten. Die erste Fläche kann sich zwischen der Basis und der Spitze erstrecken und eine äußere Oberfläche, eine vertiefte innere Oberfläche und eine Übergangsoberfläche enthalten, die sich zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche der ersten Fläche erstreckt und diese miteinander verbindet, um eine Tasche in dem Flügel zu bilden.
In einigen Ausführungsformen kann die Übergangsoberfläche ein vorderes Segment, ein hinteres Segment und ein Verbindungssegment enthalten. Das vordere Segment kann sich von der Spitze des Flügels in Bezug zu der Achse radial nach innen erstrecken und kann sich in Sehnenrichtung vollständig hinter einer Stoßgrenze des Flügels befinden. Das hintere Segment kann sich von der Spitze des Flügels radial nach innen erstrecken, und das Verbindungssegment kann das das vordere Segment und das hintere Segment miteinander verbinden.
In einigen Ausführungsformen kann der Flügel ferner eine saugseitige Fläche enthalten, die sich zwischen der Basis und der Spitze des Flügels erstreckt und gegenüber der ersten Fläche angeordnet ist, wobei die erste Fläche eine druckseitige Fläche des Flügels ist.
In einigen Ausführungsformen kann das hintere Segment in Sehnenrichtung nach vorne von der Hinterkante des Flügels um einen Abstand beabstandet sein, der etwa dreißig bis vierzig Prozent einer Länge der Spitze des Flügels entspricht.
In einigen Ausführungsformen kann das Verbindungssegment einen ersten Abschnitt, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach hinten weg von dem vorderen Segment erstreckt, und einen zweiten Abschnitt enthalten, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach vorne weg von dem hinteren Segment in Richtung des ersten Abschnitts erstreckt, so dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt ineinander konvergieren.
In einigen Ausführungsformen kann die Übergangsoberfläche ferner ein erstes Anschlusssegment, das sich zwischen dem vorderen Segment und dem ersten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet, ein zweites Anschlusssegment, das sich zwischen dem hinteren Segment und dem zweiten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet, und ein drittes Anschlusssegment enthalten, das sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet.
In einigen Ausführungsformen können das vordere Segment, das hintere Segment, der erste Abschnitt des Verbindungssegments und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments im Wesentlichen linear sein. Das erste Anschlusssegment kann so gekrümmt sein, dass das vordere Segment, das erste Anschlusssegment und der erste Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden. Das zweite Anschlusssegment kann so gekrümmt sein, dass das hintere Segment, das zweite Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden. Das dritte Anschlusssegment kann so gekrümmt sein, dass der erste Abschnitt des Verbindungssegments, das dritte Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden.
In einigen Ausführungsformen kann die Vorderkante des Flügels einen oberen Abschnitt definieren, der sich von der Spitze des Flügels über eine Strecke erstreckt, die gleich einer Länge des vorderen Segments ist. Das vordere Segment kann im Wesentlichen parallel zu dem oberen Abschnitt der Vorderkante sein.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Verfahren Bereitstellen eines Flügels, enthaltend eine Basis, eine von der Basis radial in Bezug zu einer Achse beabstandete Spitze, wobei sich die Spitze in einer Sehnenrichtung zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Flügels erstreckt, eine saugseitige Fläche, die sich zwischen der Basis und der Spitze erstreckt, und eine druckseitige Fläche, die sich zwischen der Basis und der Spitze gegenüber der saugseitigen Fläche erstreckt, enthalten. Das Verfahren kann ferner Bestimmen einer Position einer Stoßgrenze des Flügels enthalten.
Das Verfahren kann ferner Entfernen eines Abschnitts der druckseitigen Fläche des Flügels, um eine äußere Oberfläche der druckseitigen Fläche, eine zwischen der äußeren Oberfläche und der saugseitigen Fläche angeordnete innere Oberfläche der druckseitigen Fläche und eine Übergangsoberfläche zu bilden, die sich zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche der druckseitigen Fläche erstreckt und diese miteinander verbindet, so dass die äußere Oberfläche, die innere Oberfläche und die Übergangsoberfläche eine Tasche in dem Flügel bilden, die in die Spitze des Flügels mündet, wobei die Übergangsoberfläche ein vorderes Segment enthält, das sich von der Spitze des Flügels in Bezug zu der Achse im Wesentlichen radial nach innen erstreckt und das sich in Sehnenrichtung vollständig hinter der Stoßgrenze befindet, enthalten.
In einigen Ausführungsformen kann die Übergangsoberfläche ferner ein hinteres Segment und ein Verbindungssegment enthalten. Das hintere Segment kann sich von der Spitze des Flügels radial nach innen erstrecken und kann sich in Sehnenrichtung in einem ersten Abstand vor der Hinterkante des Flügels befinden, der gleich einem Bereich von dreißig bis vierzig Prozent einer Ausdehnung der Spitze des Flügels in Sehnenrichtung sein kann. Das Verbindungssegment kann das vordere Segment und das hintere Segment miteinander verbinden, das Verbindungssegment kann einen ersten Abschnitt, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach hinten weg von dem vorderen Segment erstrecken kann, und einen zweiten Abschnitt enthalten, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach vorne weg von dem hinteren Segment in Richtung des ersten Abschnitts erstrecken kann, so dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt ineinander konvergieren.
In einigen Ausführungsformen kann das Entfernen Entfernen eines Abschnitts der druckseitigen Fläche enthalten, um das vordere Segment, das hintere Segment und das Verbindungssegment der Tasche des Flügels so zu bilden, dass Aufprallfähigkeiten, Gewichtsreduktion und aerodynamische Verluste des Flügels optimiert werden.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen deutlicher hervorgehen.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht einer Gasturbinenmaschine, die einen Fan, einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine enthält, wobei der Fan einen Rotor, der ein Rad enthält, das um eine Achse der Maschine herum angeordnet ist, und eine Vielzahl von Flügeln aufweist, die um das Rad herum angeordnet sind und sich jeweils radial nach außen von dem Rad erstrecken, um mit Gasen zusammenzuwirken, die durch die Maschine strömen, die andeutet, dass einige der Flügel des Fans Verstimmungstaschen enthalten, die dazu eingerichtet sind, die Resonanzfrequenzen der Flügel zu verändern;
2 ist eine Ansicht von hinten auf die Vielzahl von Flügeln, die im Fan von 1 enthalten sind, die zeigt, dass der Fan Flügel mit einer ausgehöhlten Tasche, um ihre Resonanzfrequenz zu variieren, sowie andere Flügel ohne Tasche enthält, die andere Resonanzfrequenzen haben als die Flügel mit Taschen;
3 ist eine Ansicht eines einzelnen Flügels des Fans der 1 und 2 von hinten, die zeigt, dass der Flügel eine Basis, eine Spitze, eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine in der Nähe der Spitze gebildete Tasche enthält, die sich in die Spitze des Flügels öffnet und sich radial nach innen in Richtung der Basis erstreckt, um die Resonanzfrequenz des Flügels zu verändern;
4 ist eine vergrößerte Ansicht der Tasche des Flügels aus den 1-3, die zeigt, dass der Flügel ferner eine äußere Oberfläche, eine innere Oberfläche und eine Übergangsoberfläche enthält, die sich auf einer druckseitigen Oberfläche des Flügels befinden, wobei die Tasche so geformt ist, dass sie die Resonanzfrequenz variiert, während sie es dem Flügel gleichzeitig ermöglicht, behördliche Vorschriften zu erfüllen, wie z. B. Vorschriften in Bezug auf Vogelschlag und Schaufelablösungszenarien;
5 ist eine Vorderansicht eines Abschnitts der Vielzahl von Flügeln aus den 1-4, die die beiden Flügel, die die Tasche aus den 1-4 enthalten, nebeneinander angeordnet zeigt;
6 ist eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Linie 6 des Flügels aus 5, die die druckseitige Oberfläche, die so geformt ist, dass sie die Tasche enthält, eine saugseitige Oberfläche des Flügels, die Spitze und einen schrägen Abschnitt der Übergangsoberfläche zeigt;
7 ist eine andere Ausführungsform eines Flügels zur Verwendung in der Gasturbinenmaschine aus 1, die zeigt, dass der Flügel eine Basis, eine Spitze, eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine in der Nähe der Spitze ausgebildete Tasche enthält, die sich radial nach innen in Richtung der Basis erstreckt, und andeutet, dass die Tasche eine im Allgemeinen dreieckige Form hat;
8A ist eine andere Ausführungsform eines Flügels zur Verwendung in der Gasturbinenmaschine aus 1, die zeigt, dass der Flügel eine Basis, eine Spitze, eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine in der Nähe der Spitze ausgebildete Tasche enthält, die sich radial nach innen in Richtung der Basis erstreckt, und die zeigt, dass die Tasche im Allgemeinen eine rechteckige Form mit einem abgeschrägten vorderen Segment hat;
8B ist eine andere Ausführungsform eines Flügels zur Verwendung in der Gasturbinenmaschine aus 1, die zeigt, dass der Flügel eine Basis, eine Spitze, eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine in der Nähe der Spitze ausgebildete Tasche enthält, die sich radial nach innen in Richtung der Basis erstreckt, und die zeigt, dass die Tasche im Allgemeinen eine rechteckige Form hat, die sich nicht in die Spitze des Flügels öffnet;
8C ist eine andere Ausführungsform eines Flügels zur Verwendung in der Gasturbinenmaschine aus 1, die zeigt, dass der Flügel eine Basis, eine Spitze, eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine in der Nähe der Spitze ausgebildete Tasche enthält, die sich radial nach innen in Richtung der Basis erstreckt, und die zeigt, dass die Tasche im Allgemeinen eine rechteckige Form hat, die eine abgeschrägte untere Ecke enthält;
8D ist eine andere Ausführungsform eines Flügels zur Verwendung in der Gasturbinenmaschine aus 1, die zeigt, dass der Flügel eine Basis, eine Spitze, eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine in der Nähe der Spitze ausgebildete Tasche enthält, die sich radial nach innen in Richtung der Basis erstreckt, und die zeigt, dass die Tasche im Allgemeinen eine rechteckige Form hat;
8E ist eine andere Ausführungsform eines Flügels zur Verwendung in der Gasturbinenmaschine aus 1, die zeigt, dass der Flügel eine Basis, eine Spitze, eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine in der Nähe der Spitze ausgebildete Tasche enthält, die sich radial nach innen in Richtung der Basis erstreckt, und die zeigt, dass die Tasche im Allgemeinen eine schmale rechteckige Form aufweist; und
9 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines hier offenbarten Verfahrens zeigt.

DETAILLERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um das Verständnis der Grundsätze der Offenbarung zu fördern, wird nun auf eine Anzahl beispielhafter Ausführungsformen Bezug genommen, die in den Zeichnungen illustriert sind, und diese werden in einer spezifischen Sprache beschrieben.
Ein Flügel 12, der eine an einer Spitze 18 des Flügels 12 ausgebildete Tasche 14 aufweist und zur Verwendung in einer Schaufelrotoranordnung 10 geeignet ist, ist in den 2 und 3 gezeigt und ferner in verschiedenen Ausführungsformen in den 4-8E angedeutet. Die Schaufelrotoranordnung 10 enthält eine Vielzahl der Flügel 12, die die Tasche 14 enthalten, und eine Vielzahl von Flügeln 15 ohne die Tasche 14, die ummlaufend um ein zentrales Rad 13 angeordnet sind.
Die Tasche 14 ist in jedem Flügel 12 gebildet, um das Gewicht des Flügels 12 zu reduzieren und gleichzeitig den Verlust an aerodynamischer Leistung aufgrund des Entfernens von Material aus dem Flügel zu verringern und die Aufprallfähigkeiten des Flügels 12 zu maximieren, wenn er von Fremdkörpern getroffen wird, wie z. B. Vogelschlag. Insbesondere ist der Flügel 12 so konstruiert, dass er baulich und funktionell tolerant ist, um zumindest die behördlichen Vorschriften in Bezug auf das Eindringen von Fremdkörpern und/oder Vogelschlag zu erfüllen, während er immer noch die Massenreduktion und die die Schwingungen verändernde Tasche 14 enthält.
Die Tasche 14 verbessert auch das Schwingungsverhalten des Flügels 12, insbesondere durch Einstellen der Schwingungsfrequenzen des Flügels 12, so dass die Schwingung der Vielzahl von Flügeln 12, 15 der Rotoranordnung 10 fein gesteuert werden kann. Beispielsweise enthält die Rotoranordnung 10, wie in 2 gezeigt, ein abwechselndes Muster von Flügeln. Insbesondere enthält die Rotoranordnung 10 zwei Flügel 12 mit einer ersten Flügelfrequenz, die benachbart zueinander angeordnet sind, wie in 2 und 5 gezeigt, gefolgt von vier Flügeln 15 mit einer zweiten Flügelfrequenz, die den Flügeln 12 in Umfangsrichtung folgen, wie in 2 gezeigt. Diese Anordnung veranschaulicht eines der Verfahren, bei dem eine vorbestimmte Schaufelrotor-Schwingungsfrequenz bzw. ein Verstimmen der Flügel 12, 15 der Rotoranordnung 10 erreicht werden kann. Viele andere Musteranordnungen von verstimmten Flügeln sind möglich.
Der Flügel 12, wie er in der beispielhaften Schaufelrotoranordnung 10 enthalten ist, ist zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine 100 geeignet, die in 1 gezeigt ist. Die Gasturbinenmaschine 100 enthält einen Fan 112, einen Verdichter 114, eine Brennkammer 116, eine Turbine 118 und ein Turbinengehäuse 119, wie in 1 gezeigt. Der Verdichter 114, die Brennkammer 116 und die Turbine 118 können einen Maschinenkern 113 definieren. Der Fan 112 wird von der Turbine 118 angetrieben und stellt Schub für den Antrieb eines Flugzeugs bereit. Der Verdichter 114 verdichtet die Luft und führt sie der Brennkammer 116 zu. Die Brennkammer 116 mischt Brennstoff mit der vom Verdichter 114 empfangenen verdichteten Luft und zündet den Brennstoff. Die heißen, unter hohem Druck stehenden Produkte der Verbrennungsreaktion in der Brennkammer 116 werden in die Turbine 118 geleitet, um die Turbine 118 zu veranlassen, sich um eine zentrale Achse 111 der Gasturbinenmaschine 100 zu drehen und den Verdichter 114 und den Fan 112 anzutreiben.
Die Turbine 118 enthält ein Turbinengehäuse 119, eine Vielzahl von rotierenden Turbinenradbaugruppen 120 und eine Vielzahl von Statorleitschaufel-Baugruppen 130, die in Bezug zur Mittelachse 111 befestigt sind, wie in 1 angedeutet. Die heißen Gase werden durch einen Gaspfad 117 geleitet und wirken mit den Turbinenradbaugruppen 120 zusammen, um die Turbinenradbaugruppen 120 zu veranlassen, sich um die Mittelachse 111 zu drehen. Die Vielzahl von Statorleitschaufel-Baugruppen 130 sind so positioniert, dass sie die Gase in einem gewünschten Winkel in Richtung der Turbinenrad-Baugruppen 120 leiten.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Flügel 12 zur Verwendung in dem Fan 112 der Gasturbinenmaschine 100 geeignet. Insbesondere enthält der Fan 112 die Schaufelrotoranordnung 10 mit einem abwechselnden Muster von Flügeln 12 mit einer Tasche 14 und Flügeln 15 ohne Taschen, um eine vorbestimmte Schaufelrotor-Schwingungsfrequenz zu erreichen und gleichzeitig aerodynamische Verluste zu minimieren und die Aufprallfähigkeiten zu maximieren, um behördliche Vorschriften in Bezug auf Fremdkörper-Eindringen zu erfüllen, insbesondere in Bezug auf Schaufelablösung und/oder Vogelschlag. In anderen Ausführungsformen ist der Flügel 12 für die Verwendung in anderen Komponenten der Gasturbinenmaschine 100 geeignet, z. B. in Abschnitten des Verdichters 114 und der Turbine 118.
Wie in 3 gezeigt und ferner in den 4-6 detailliert dargestellt, enthält der Flügel 12 eine Basis 16, die radial nach innen in Richtung der Achse 111 angeordnet ist, und eine Spitze 18, die radial auswärts von der Basis 16 angeordnet und von dieser beabstandet ist. Die Basis 16 und die Spitze 18 erstrecken sich in einer Sehnenrichtung des Flügels 12 zwischen einer Vorderkante 20 des Flügels 12 und einer Hinterkante 22 des Flügels 12. Die Basis 16 ist mit einer Wurzel 17 zur Befestigung des Flügels 12 am Rad 13 der Schaufelrotoranordnung 10 verbunden. Insbesondere ist die Wurzel 17 so geformt, dass sie in einem entsprechenden Schlitz im Rad 13 empfangen werden kann, um den Flügel 12 mit dem Rad 13 zu koppeln. In anderen Ausführungsformen ist die Rotoranordnung 10 ein Blisk („Blade Integrated Disk“) und die Flügel 12 sind einstückig mit dem Rad 13 ausgebildet.
Der Flügel 12 hat eine aerodynamische Außenform zur Beschleunigung der Luft durch die Gasturbinenmaschine 100, wie in den 2, 3, 5 und 6 angedeutet. Insbesondere enthält der Flügel 12 eine saugseitige Oberfläche 24 und eine druckseitige Oberfläche 26 mit einer äußeren Oberfläche 28, die die vorgenannte aerodynamische Außenform bilden und sich jeweils zwischen der Basis 16 und der Spitze 18 des Flügels 12 erstrecken. Die saugseitige Oberfläche 24 befindet sich am Flügel 12 gegenüber der druckseitigen Oberfläche 24.
In einigen Ausführungsformen enthält der Flügel 12 hochfeste Kunststoffe oder Polymere, wie z. B. kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff. In einigen Ausführungsformen kann der Flügel 12 Metalle umfassen, wie z. B. Titan, Aluminium, Edelstahl oder eine Kombination aus Metallen und Kunststoffen/Polymeren. Es ist auch denkbar, dass der Flügel 12 Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe enthält, die die Leistung des Flügels 12 in anderen ähnlichen Anwendungen optimieren.
Wie in 3 und 4 im Detail zu sehen ist, enthält der Flügel 12 ferner eine innere Oberfläche 30 und eine Übergangsoberfläche 32, die sich auf der Druckseite des Flügels 12 befinden und zusammen die ausgehöhlte Tasche 14 bilden. Die innere Oberfläche 30 befindet sich zwischen der äußeren Oberfläche 28 der druckseitigen Oberfläche 26 und der saugseitigen Oberfläche 24. Die Übergangsoberfläche 32 erstreckt sich zwischen der äußeren Oberfläche 28 und der inneren Oberfläche 30 und verbindet diese miteinander. Die Übergangsoberfläche 32 erstreckt sich auch um den Umfang der inneren Oberfläche 30, so dass sie die innere Oberfläche 30 begrenzt und die Tasche 14 bildet. In der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in den 1-6 gezeigt ist, erstreckt sich die Übergangsoberfläche 32 um den Umfang der inneren Oberfläche 30 mit Ausnahme des Randes der inneren Oberfläche, der auf der Spitze 18 des Flügels 12 liegt, so dass die Tasche 14 in die Spitze 18 des Flügels 12 mündet. In anderen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 8B gezeigt, erstreckt sich die Übergangsoberfläche 32 vollständig um den gesamten Umfang der inneren Oberfläche 30, so dass die Tasche 14 nicht in die Spitze 18 des Flügels 12 mündet.
Wie oben beschrieben, ist die Tasche 14 des Flügels 12 so bemessen, dass das Gewicht des Flügels 12 reduziert wird, während gleichzeitig der Verlust an aerodynamischer Leistung aufgrund des Entfernens von Material des Flügels 12 verringert und die Aufprallfähigkeiten des Flügels 12 maximiert werden, wenn er von Fremdkörpern getroffen wird, wie z. B. Vogelschlag. Die Form der Tasche 14 beeinflusst auch Schwingungsfrequenzen des Flügels 12, so dass eine Schaufelrotoranordnung 10, die den Flügel 12 enthält, genau auf ein gewünschtes Maß verstimmt werden kann.
Die Tasche 14 ist ferner so geformt, dass der Flügel 12 und der Maschine 100 die behördlichen Schaufelablösungsnormen (manchmal auch „blade off“ genannt) erfüllen. Das heißt, in Situationen, in denen eine der Schaufeln 14 vom Rad 13 getrennt wird, muss die Schaufel 14 zufriedenstellend in der Maschine 100 gehalten werden. Es wurden Taschen mit bestimmten Formen und Größen gezeigt, die dazu führen, dass die Schaufel auseinanderbricht oder sich so bewegt, dass sie in Computersimulationen nicht der Norm für die Schaufelablösung entspricht. Die Taschen 14 der vorliegenden Offenbarung sind so bemessen, geformt und angeordnet, dass die Schaufeln 12 die Schaufelablösungsnormen erfüllen.
Um die optimale Form zur Realisierung der oben genannten Vorteile zu erreichen, ist die Tasche 14 so bemessen, dass sie eine optimierte Ausdehnung in Sehnenrichtung, eine optimale Flächenlage, eine optimierte radiale Ausdehnung, eine optimierte Tiefe und eine optimierte Spannungsverteilung enthält. Insbesondere ist die Sehnenausdehnung der Tasche 14 so bemessen, dass sie eine aerodynamische Stoßgrenze 19 des Flügels 12 nicht beeinträchtigt. Während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs der Gasturbinenmaschine 100 können in der Nähe oder an der Druckseite des Flügels schräge Stoßwellen auftreten, die zwischen dem Gehäuse und der Spitze des Flügels reflektiert werden. Die Grenze dieser Stoßwelle sollte nicht durch bauliche Veränderungen des Flügels beeinträchtigt werden, und dementsprechend ist die Tasche 14 in den beispielhaften Ausführungsformen so bemessen, dass sie sich in Sehnenrichtung hinter der Stoßgrenze 19 des Flügels 12 befindet, wie in 4 angedeutet.
Die Ausdehnung der Tasche 14 in Sehnenrichtung ist so gewählt, dass die Aufprallfähigkeiten des Flügels 12 nicht negativ beeinflusst werden, so dass der Flügel 12 zumindest in der Lage ist, die behördlichen Vorschriften in Bezug auf das Eindringen von Fremdkörpern, insbesondere Vogelschlag und Schaufelablösung zu erfüllen. Zum Beispiel unterhält die Federal Aviation Administration (FAA) der Vereinigten Staaten von Amerika Vorschriften, die verlangen, dass vor der Montage eines neuen Maschinenmodells an Flugzeuge in einer Testeinrichtung nachgewiesen werden muss, dass es so konstruiert und gebaut ist, dass es baulich und betrieblich in dem angegebenen Maße tolerant ist nach dem Eindringen von künstlichen Vögeln oder Vorrichtungen, die die Masse, Form, Dichte und Aufprallwirkung von Vögeln mit einem Gewicht von 0,77 bis 8,03 Ibs. (0,35 bis 3,65 kg) simulieren (14 C.F.R. Sec. 33.76.). Darüber hinaus werden Tests durchgeführt, bei denen Szenarien nachgestellt werden, in denen Verdichter- oder Fan-Schaufeln innerhalb der Maschine abbrechen, um zu bestimmen, ob die Maschine ein solches Ereignis überleben kann (14 C.F.R Sec. 33.94.). Andere Behörden auf der ganzen Welt stellen ähnliche Normen für Flugzeuggasturbinenmaschinen bereit. Die Tasche 14 kann so bemessen sein, dass sie solche behördlichen Normen bezüglich Schaufelaufprall durch Fremdkörper nicht nur erfüllt, sondern übertrifft, wobei die Aufprallfähigkeiten maximiert, die Gewichtsreduktion maximiert und die aerodynamischen Verluste minimiert werden.
Die Fläche des Flügels 12, auf der die Tasche 14 gebildet ist, ist für die spezifischen Bedürfnisse des Flügels 12 und der Gasturbinenmaschine 100, in der der Flügel 12 verwendet wird, optimiert. Beispielsweise ist die Tasche 14 in bestimmten Anwendungen, wie den in den 2-8E gezeigten Ausführungsformen, auf der druckseitigen Oberfläche des Flügels positioniert. Die Positionierung der Tasche 14 auf der Druckseite für diese speziellen Anwendungen minimiert aerodynamische Störungen im Vergleich zur saugseitigen Fläche des Flügels. In anderen Anwendungen ist die Tasche auf der saugseitigen Oberfläche des Flügels positioniert.
Eine radiale Erstreckung 56 der Tasche 14 kann auf die Aufprallfähigkeiten des Flügels 12 optimiert sein. Insbesondere wird die radiale Erstreckung 56 der Tasche 14 so bemessen, dass die Gewichtsreduktion des Flügels 12 maximiert wird, während gleichzeitig Verluste der Aufprallfähigkeit des Flügels 12 minimiert werden. So kann die radiale Erstreckung 56 der Tasche 14 in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung, in der der Flügel 12 eingesetzt wird, bemessen werden. In der in den 1-6 gezeigten Ausführungsform ist die radiale Erstreckung 56 der Tasche 14 beispielsweise so bemessen, dass sie an einer plastischen Verformungsgrenze des Flügelmaterials liegt.
In ähnlicher Weise kann die Tiefe der Tasche 14, die sich im Allgemeinen auf die Breite der Übergangsoberfläche 32 bezieht, so bemessen werden, dass die Gewichtsreduktion maximiert wird und gleichzeitig die Aufprallfähigkeitsverluste des Flügels minimiert werden. So kann die Tiefe der Tasche 14 auf die bestimmte Anwendung, in der der Flügel 12 verwendet wird, abgestimmt werden. Außerdem ist die Geometrie der Tasche 14 so konstruiert, dass die maximale Gewichtsreduktion in Richtung der Spitze 18 des Flügels 12 liegt. Da die Aufprallfähigkeiten des Flügels 12 mit zunehmender radialer Erstreckung 56, insbesondere nach unten in Richtung der Basis 16, abnehmen, kann näher an der Spitze 16 ein größerer Prozentsatz des Materials des Flügels 12 entfernt werden, um die Tasche 14 zu bilden, als weiter radial innen. Zum Beispiel enthält die Tasche 14 in mindestens einer Ausführungsform, die weiter unten beschrieben wird, einen größeren oberen rechteckigen Abschnitt und einen kleineren radial inneren dreieckigen Abschnitt, um ein Trapez zu bilden und so die Gewichtsreduktion zu maximieren und gleichzeitig Verluste der Aufprallfähigkeit zu minimieren.
Die Tasche 14 ist für eine optimale Spannungsverteilung bemessen. In der im vorhergehenden Absatz besprochenen Ausführungsform dient die Trapezform beispielsweise der weiteren Optimierung der Gewichtsreduktion in Richtung der größtmöglichen radialen Erstreckung bei gleichzeitiger Minimierung von Spannungskonzentrationsmerkmalen, die sich bei mittlerer Vogellast negativ auf die Aufprallfähigkeit des Flügels auswirken können.
Die oben diskutierten Optimierungsparameter werden in Bezug auf die im Folgenden detailliert beschriebenen Ausführungsformen erörtert. Diese Parameter sind nicht erschöpfend, da weitere Parameter bei der Dimensionierung der Tasche 14 berücksichtigt werden können. Zumindest einige der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen optimieren die oben besprochenen Parameter, während andere Ausführungsformen möglicherweise nicht jeden Parameter optimieren, aber für bestimmte Anwendungen des beschriebenen Flügels notwendig sein können.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Tasche 14 eine im Allgemeinen optimale Form und Größe, die die oben erörterten Vorteile realisiert, insbesondere eine Trapezform, wie in den 2-5 gezeigt. Die Trapezform ist definiert durch die Form der inneren Oberfläche 30 und der Übergangsoberfläche 32. Wie in 4 im Detail gezeigt, erstreckt sich die Übergangsoberfläche 32 um den Umfang der inneren Oberfläche 30 mit Ausnahme des oberen Randes der inneren Oberfläche 30, der auf der Spitze 18 des Flügels 12 liegt. In anderen Ausführungsformen enthalten nur Abschnitte des Umfangs der inneren Oberfläche 30 die Übergangsoberfläche 32.
Wie in 6 gezeigt, hat die Übergangsoberfläche 32 eine Breite, die zu einer konstanten Dicke des verbleibenden Materials des Flügels 12 führt, nachdem das Material der Tasche 14 entfernt worden ist. In der beispielhaften Ausführungsform hat der größte Teil der Übergangsoberfläche 32 eine konstante Dicke. Die Breite eines abgeschrägten Abschnitts 60 der Übergangsoberfläche 32 kann größer sein, um die sich zwischen den äußeren und inneren Oberflächen 28, 30 erstreckende Schräge auszugleichen, um eine konstante Dicke der Tasche 14 zu erhalten. Der Abschnitt des Flügels 12, der sich zwischen der inneren Oberfläche 30 und der saugseitigen Oberfläche 24 befindet, ist massiv, wie in 6 gezeigt. Ferner kann die Gesamtdicke der Tasche 14 im Hinblick auf die oben diskutierten Faktoren optimiert sein, die behördliche Vorschriften, Aufprallfähigkeiten und Gewichtsreduktion enthalten.
Bezug nehmend auf 4 enthält die Übergangsoberfläche 32 ein vorderes Segment 34, ein hinteres Segment 36 und ein Verbindungssegment 38. Das vordere Segment 34 erstreckt sich im Wesentlichen radial nach innen von der Spitze 18 des Flügels 12 in Richtung der Basis 16. In der beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich das vordere Segment 34 im Wesentlichen radial, aber leicht nach innen geneigt, so dass es einen Winkel 58 in Bezug zu einer vertikalen Achse 115 bildet, die sich senkrecht von der Achse 111 der Maschine 100 weg erstreckt. In anderen Ausführungsformen, in denen der Flügel 12 für unterschiedliche Anwendungen verwendet werden kann, erstreckt sich das vordere Segment 34 parallel zur vertikalen Achse 115.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Vorderkante 20 des Flügels 12 einen oberen Abschnitt, der an der Oberseite der Vorderkante 20 ausgebildet ist und sich von der Spitze 18 weg erstreckt. Der obere Abschnitt ist im Allgemeinen linear und hat ungefähr die gleiche Länge wie der vordere Abschnitt 34. Das vordere Segment 34 ist von der vertikalen Achse 115 abgewinkelt, so dass der Winkel 58, der zwischen dem vorderen Segment 34 und der vertikalen Achse 115 gebildet ist, ungefähr gleich einem Winkel 68 ist, der zwischen der Längserstreckung des oberen Abschnitts und der vertikalen Achse 115 gebildet ist. In anderen Ausführungsformen sind die beiden Winkel 58, 68 nicht gleich, wie z.B. in der Ausführungsform, in der das vordere Segment 34 parallel zur vertikalen Achse 115 ist.
Das vordere Segment 34 befindet sich ebenfalls vollständig in Sehnenrichtung hinter der Stoßgrenze 19 des Flügels 12. Wie bereits erwähnt, sollte die Stoßgrenze 19 nicht durch bauliche Veränderungen des Flügels 12 beeinträchtigt werden, um den effizienten Betrieb der Gasturbinenmaschine 100 nicht zu beeinträchtigen. Dementsprechend ist das vordere Segment 34 und damit die gesamte Tasche 14 so positioniert, dass sie sich in Sehnenrichtung hinter der Stoßgrenze 19 befindet. In der beispielhaften Ausführungsform befindet sich die Stoßgrenze 19 ungefähr an der in 4 gezeigten vertikalen Achse 115, die in Sehnenrichtung hinter einem ersten Abstand 50 von dem Punkt liegt, an dem sich die Vorderkante 20 und die Spitze 18 des Flügels 12 treffen.
In ähnlicher Weise erstreckt sich das hintere Segment 36 im Wesentlichen radial nach innen von der Spitze 18 des Flügels 12. In der beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich das hintere Segment 36 nahezu parallel zur vertikalen Achse 115, kann sich aber in anderen Ausführungsformen mit einer größeren oder geringeren Neigung in Bezug zur vertikalen Achse 115 erstrecken. Das hintere Segment 36 befindet sich in Sehnenrichtung in einem zweiten Abstand 52 vor der Hinterkante 22 des Flügels 12. Wie in 4 gezeigt, entspricht der zweite Abstand 52 etwa 30 bis 40 Prozent der gesamten Ausdehnung 64 der Spitze 18 des Flügels 12 in Sehnenrichtung. Diese Positionierung des hinteren Segments 36 trägt, wie auch die oben diskutierte Positionierung des vorderen Segments 34, zur Gesamtleistungsoptimierung der Tasche 14 bei.
Das Verbindungssegment 38 befindet sich radial innerhalb des vorderen und hinteren Segments 34, 36 und verbindet das vordere Segment 34 und das hintere Segment 36 miteinander, wie in 4 gezeigt. Das Verbindungssegment 38 enthält einen ersten Abschnitt 40, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach hinten weg von dem vorderen Segment 34 erstreckt, und einen zweiten Abschnitt 42, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach vorne weg von dem hinteren Segment 36 in Richtung des ersten Abschnitts 40 erstreckt. Infolgedessen konvergieren der erste Abschnitt 40 und der zweite Abschnitt 42 ineinander, um den Winkel 62 zu definieren. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt der Winkel 62 etwa 120 Grad. Der Winkel 62 kann in anderen Ausführungsformen anders sein, um den Bedürfnissen und/oder Optimierungsparametern für andere Anwendungen gerecht zu werden.
Die Übergangsoberfläche 32 enthält ferner ein erstes Anschlusssegment 44, ein zweites Anschlusssegment 46 und ein drittes Anschlusssegment 48, wie in 4 gezeigt. Das erste Anschlusssegment 44 befindet sich zwischen dem vorderen Abschnitt 34 und dem ersten Abschnitt 40 des Verbindungssegments 38 und verbindet diese miteinander. Das zweite Anschlusssegment 46 befindet sich zwischen dem hinteren Segment 36 und dem zweiten Abschnitt 42 des Verbindungssegments 38 und verbindet diese miteinander. Das dritte Anschlusssegment 48 befindet sich zwischen dem ersten Abschnitt 40 und dem zweiten Abschnitt 42 des Verbindungssegments 38 und verbindet diese miteinander.
Jedes Anschlusssegment 44, 46, 48 ist gekrümmt, wie in 4 gezeigt. Infolgedessen bilden (i) das vordere Segment 34, das erste Anschlusssegment 44 und der erste Abschnitt 40 des Verbindungssegments 38 eine gerundete Form, (ii) das hintere Segment 36, das zweite Anschlusssegment 46 und der zweite Abschnitt 42 des Verbindungssegments 38 eine gerundete Form, und (iii) der erste Abschnitt 40 des Verbindungssegments 38, das dritte Anschlusssegment 48 und der zweite Abschnitt 42 des Verbindungssegments 38 eine gerundete Form. In anderen Ausführungsformen kann jedes Anschlusssegment 44, 46, 48 eine scharfe Ecke oder eine abgeschrägte Ecke sein. Es ist auch vorstellbar, dass eine Kombination von Anschlusssegmenten je nach Bedarf für einige Anwendungen verwendet werden kann, z. B. ein gekrümmter und zwei scharfkantige Anschlüsse.
Dementsprechend begrenzen das vordere Segment 34, das hintere Segment 36, das Verbindungssegment 38 und das erste, zweite und dritte Anschlusssegment 44, 46, 48 die innere Oberfläche 30 in der Sehnenrichtung und in der radialen Richtung weg von der Spitze des Flügels 12 und bilden insofern die Tasche 14. Wie oben beschrieben, sind die Abmessungen des vorderen Segments 34, des hinteren Segments 36, des Verbindungssegments 38 und des ersten, zweiten und dritten Anschlusssegments 44, 46, 48 so optimiert, dass der Flügel die behördlichen Vorschriften in Bezug auf das Eindringen von Fremdkörpern erfüllt, sowie die Aufprallfähigkeiten maximiert, die Gewichtsreduktion maximiert und die aerodynamischen Verluste minimiert werden.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die Länge des vorderen Segments 34 ungefähr gleich der Länge des hinteren Segments 36, wie in 4 gezeigt. Die Länge des ersten Abschnitts 40 des Verbindungssegments 38 ist etwas größer als die Länge des zweiten Abschnitts 42. Die radiale Erstreckung 56 der Tasche 14 ist etwa die Hälfte einer maximalen Ausdehnung der Tasche 14 in Sehnenrichtung 64. Jede dieser Abmessungen kann in anderen Ausführungsformen modifiziert sein, um anderen Anwendungen des Flügels 12 gerecht zu werden und gleichzeitig die behördlichen Vorschriften zu erfüllen, die Aufprallfähigkeiten zu maximieren, die Gewichtsreduktion zu maximieren und die aerodynamischen Verluste zu minimieren.
Die Abmessungen der Tasche 14 sind auch so bemessen, dass sie vorgegebene Werte für die Schwingungsfrequenz oder für ein Verstimmen der Flügel 12 erfüllen. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Tasche 14 aus den 1-6 beispielsweise so bemessen, dass sie einen gewünschten Frequenzwechsel zwischen Flügel 12 und Flügel 15, wie sie an der Schaufelrotoranordnung 10 angeordnet sind, erfüllt. Wie in 2 gezeigt, wird der gewünschte Frequenzwechsel mit einem Muster zweier Flügeln 12 mit der Tasche 14 gefolgt von vier Flügeln 15 ohne die Tasche 14 erreicht. Je nach Anwendung können auch andere Anordnungen oder Muster von Flügeln 12, 15 verwendet werden, um die gewünschte Schwingungsfrequenz oder Verstimmungseffekte zu erzielen, wie z. B. Abwechseln von Flügeln mit und ohne Tasche, Einbeziehen von vier Flügeln 12 mit der Tasche 14 symmetrisch um die Rotoranordnung 10 oder Einbeziehen von abwechselnd drei Flügeln 12 mit der Tasche 14 und drei Flügeln 15 ohne die Tasche 14 um die Rotoranordnung 10.
Eine andere Ausführungsform eines Flügels 212 zur Verwendung in der Rotoranordnung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 7 gezeigt. Der Flügel 212 ist dem in den 1-6 gezeigten und hier beschriebenen Flügel 12 im Wesentlichen ähnlich, enthält jedoch eine modifizierte Tasche 214. Dementsprechend weisen ähnliche Bezugszeichen in der 200er-Serie auf gemeinsame Merkmale zwischen dem Flügel 212 und dem Flügel 12 hin. Die Beschreibung des Flügels 12 wird durch Bezugnahme auf den Flügel 212 einbezogen, außer in den Fällen, in denen sie im Widerspruch zur spezifischen Beschreibung und den Zeichnungen des Flügels 212 steht.
Wie der Flügel 12 enthält der Flügel 212 eine Basis 216 (nicht gezeigt), die radial innen in Richtung der Achse 111 angeordnet ist, und eine Spitze 218, die von der Basis 216 radial nach außen beabstandet ist. Die Basis 216 und die Spitze 218 erstrecken sich in einer Sehnenrichtung des Flügels 212 zwischen einer Vorderkante 220 des Flügels 212 und einer Hinterkante 222 des Flügels 212. Der Flügel 212 enthält ferner eine saugseitige Oberfläche 224 und eine druckseitige Oberfläche 226 einschließlich einer äußeren Oberfläche 228, die sich jeweils zwischen der Basis 216 und der Spitze 218 des Flügels 212 erstrecken.
Der Flügel 212 enthält ferner eine innere Oberfläche 230 und eine Übergangsoberfläche 232, die sich auf der Druckseite 226 des Flügels 212 befinden und zusammen eine ausgehöhlte Tasche 214 bilden, wie in 7 gezeigt. Die Tasche 214 enthält eine andere im Allgemeinen optimale Form und Größe, die die oben beschriebenen Vorteile realisiert, insbesondere eine im Allgemeinen dreieckige Form. Diese Dreiecksform ist definiert durch die Form der inneren Oberfläche 230 und der Übergangsoberfläche 232. Wie in 7 im Detail gezeigt, erstreckt sich die Übergangsoberfläche 232 um den Umfang der inneren Oberfläche 230 mit Ausnahme der oberen Kante der inneren Oberfläche 230, die auf der Spitze 218 des Flügels 212 liegt.
Ähnlich wie bei dem Flügel 12 enthält die Übergangsoberfläche 232 des Flügels 212 ein vorderes Segment 234, ein hinteres Segment 236 und ein Verbindungssegment 238. Das vordere Segment 234 erstreckt sich im Wesentlichen radial nach innen von der Spitze 218 des Flügels 212 in Richtung der Basis 216 und befindet sich in Sehnenrichtung hinter der Stoßgrenze 219 an der Achse 115. In der beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich das vordere Segment 234 im Wesentlichen radial, aber leicht schräg nach innen, so dass es einen Winkel 258 in Bezug auf die vertikale Achse 115 bildet, wie weiter unten beschrieben wird. Das hintere Segment 36 befindet sich in einem zweiten Abstand 252 in Sehnenrichtung vor der Hinterkante 222 des Flügels 212, der etwa 30 bis 40 Prozent der gesamten Ausdehnung der Spitze 218 des Flügels 212 in Sehnenrichtung 264 entspricht.
Das Verbindungssegment 238 befindet sich radial innerhalb des vorderen und hinteren Segments 234, 236 und verbindet das vordere Segment 234 und das hintere Segment 236 miteinander, wie in 7 gezeigt. Das Verbindungssegment 238 enthält einen ersten Abschnitt 240, der sich im Wesentlichen radial nach innen weg vom vorderen Segment 234 erstreckt, und einen zweiten Abschnitt 242, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach vorne weg vom hinteren Segment 236 in Richtung des ersten Abschnitts 240 erstreckt. Infolgedessen konvergieren der erste Abschnitt 240 und der zweite Abschnitt 242 ineinander, um den Winkel 262 zu definieren. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt der Winkel 262 etwa 80 Grad.
Die Übergangsoberfläche 232 enthält ferner ein erstes Anschlusssegment 244, ein zweites Anschlusssegment 246 und ein drittes Anschlusssegment 248, wie in 7 gezeigt. Das erste Anschlusssegment 244 befindet sich zwischen dem vorderen Segment 234 und dem ersten Abschnitt 240 des Verbindungssegments 238 und verbindet diese miteinander. Das zweite Anschlusssegment 246 befindet sich zwischen dem hinteren Segment 236 und dem zweiten Abschnitt 242 des Verbindungssegments 238 und verbindet diese miteinander. Das dritte Anschlusssegment 248 befindet sich zwischen dem ersten Abschnitt 240 und dem zweiten Abschnitt 242 des Verbindungssegments 238 und verbindet diese miteinander.
Wie in 7 gezeigt, ist das erste Anschlusssegment 244 gerade und jedes der zweiten und dritten Anschlusssegmente 246, 248 ist gekrümmt. Infolgedessen bilden (i) das vordere Segment 234, das erste Anschlusssegment 244 und der erste Abschnitt 240 des Verbindungssegments 238 eine gerade Linie, (ii) das hintere Segment 236, das zweite Anschlusssegment 246 und der zweite Abschnitt 242 des Verbindungssegments 238 eine gerundete Form, und (iii) der erste Abschnitt 240 des Verbindungssegments 238, das dritte Anschlusssegment 248 und der zweite Abschnitt 242 des Verbindungssegments 238 eine gerundete Form. Wie in 7 zu sehen ist, ist das vollständig gerade Segment, der durch das vordere Segment 234, das erste Anschlusssegment 244 und den ersten Abschnitt 240 gebildet wird, im Wesentlichen parallel zu einer Sekantenlinie 270 der Kurve der Vorderkante 220, die vom äußeren Ende eines oberen Abschnitts der Vorderkante zum inneren Ende des oberen Abschnitts verläuft.
Dementsprechend begrenzen das vordere Segment 234, das hintere Segment 236, das Verbindungssegment 238 und das erste, zweite und dritte Anschlusssegment 244, 246, 248 die innere Oberfläche 230 in der Sehnenrichtung und in der radialen Richtung weg von der Spitze des Flügels 212 und bilden insofern die Tasche 214. Die Abmessungen des vorderen Segments 234, des hinteren Segments 236, des Verbindungssegments 238 und des ersten, zweiten und dritten Anschlusssegments 244, 246, 248 sind jeweils so optimiert, dass der Flügel die behördlichen Vorschriften in Bezug auf das Eindringen von Fremdkörpern erfüllt, sowie die Aufprallfähigkeiten maximiert, die Gewichtsreduktion maximiert und die aerodynamischen Verluste minimiert werden.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die Länge des vorderen Segments 234 etwa dreimal so lang wie die Länge des hinteren Segments 236, wie in 7 gezeigt. Die Länge des ersten Abschnitts 240 des Verbindungssegments 238 ist etwa ein Viertel der Länge des zweiten Abschnitts 242. Die radiale Erstreckung 256 der Tasche 214 beträgt etwa die Hälfte der Länge des zweiten Abschnitts 242.
Weitere Ausführungsformen des Flügels 12 sind in den 8A-8E gezeigt. 8A zeigt eine dritte Ausführungsform eines Flügels 312 zur Verwendung in der Rotoranordnung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Flügel 312 ist dem in 1-6 gezeigten und hier beschriebenen Flügel 12 im Wesentlichen ähnlich, enthält jedoch eine modifizierte Tasche 314. Wie in 8A zu sehen ist, ist die Tasche 314 der Tasche 14 ähnlich, enthält aber stattdessen eine im Allgemeinen rechteckige Form ohne den unteren dreieckigen Abschnitt der oben beschriebenen Tasche 14. Die Tasche 314 enthält jedoch ein abgeschrägtes vorderes Segment 334 einer Übergangsoberfläche 332 des Flügels 312, ähnlich dem oben beschriebenen vorderen Segment 34. Insofern hat die Konstruktion dieser Tasche 314 andere Eigenschaften als die Tasche 14 aus den 1-6, die sich auf die Optimierung der oben beschriebenen Parameter auswirken können. Nichtsdestotrotz hat die Tasche 314 die Parameter effektiv optimiert und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen der bestimmten Anwendungen, in denen dieser Flügel 312 und die Tasche 314 eingesetzt werden sollen.
8B zeigt eine vierte Ausführungsform eines Flügels 412 zur Verwendung in der Rotoranordnung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Flügel 412 ist dem in den 1-6 gezeigten und hier beschriebenen Flügel 12 Wesentlichen ähnlich, enthält aber eine modifizierte Tasche 414. Wie in 8B zu sehen ist, ist die Tasche 414 der Tasche 14 ähnlich, enthält aber stattdessen eine im Allgemeinen rechteckige Form ohne den unteren dreieckigen Abschnitt der Tasche 14. Darüber hinaus erstreckt sich die Tasche 414 nicht so, dass sie sich in die Spitze 418 öffnet. Stattdessen erstreckt sich eine Übergangsoberfläche 432 der Tasche 414 vollständig um den Umfang einer inneren Oberfläche 430 der Tasche 414. Insofern hat die Konstruktion dieser Tasche 414 andere Eigenschaften als die Tasche 14 aus den 1-6, die sich auf die Optimierung der oben beschriebenen Parameter auswirken können. Nichtsdestotrotz hat die Tasche 414 die Parameter effektiv optimiert und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen der bestimmten Anwendungen, in denen dieser Flügel 412 und die Tasche 414 eingesetzt werden sollen.
8C zeigt eine fünfte Ausführungsform eines Flügels 512 zur Verwendung in der Rotoranordnung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Flügel 512 ist dem in den 1-6 gezeigten und hier beschrieben Flügel 12 im Wesentlichen ähnlich, enthält aber eine modifizierte Tasche 514. Wie in 8C zu sehen ist, ist die Tasche 514 der Tasche 14 ähnlich, enthält aber nicht den unteren linken dreieckigen Abschnitt der oben beschriebenen Trapezform der Tasche 14. Außerdem enthält die Tasche 514 einen abgeschrägten Übergang von der Spitze zur inneren radialen Erstreckung der Tasche 514. Mit anderen Worten enthält die Tasche 514 zwei Übergangsoberflächen 532 an den sich radial erstreckenden Seiten der Tasche 514. Jede Übergangsoberfläche 532 ist an der Spitze des Flügels 512 am größten und verkleinert sich in radialer Richtung, so dass die Tasche 514 in Richtung der äußeren Oberfläche abgeschrägt ist und die innerste radiale Seite der Tasche 514 mit der äußeren Oberfläche des Flügels 512 bündig ist. Dementsprechend hat die Konstruktion dieser Tasche 514 andere Eigenschaften als die Tasche 14 aus den 1-6, die sich auf die Optimierung der oben beschriebenen Parameter auswirken können. Nichtsdestotrotz hat die Tasche 514 die Parameter effektiv optimiert und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen der bestimmten Anwendungen, in denen dieser Flügel 512 und die Tasche 514 eingesetzt werden sollen.
8D zeigt eine sechste Ausführungsform eines Flügels 612 zur Verwendung in der Rotoranordnung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Flügel 612 ist dem den 1-6 gezeigten und hierin beschriebenen Flügel 12i m Wesentlichen ähnlich, enthält aber eine modifizierte Tasche 614. Wie in 8D zu sehen ist, ähnelt die Tasche 614 der Tasche 14, enthält aber stattdessen eine im Allgemeinen rechteckige Form ohne den unteren dreieckigen Abschnitt der oben beschriebenen Tasche 14. Die Tasche 614 enthält auch kein abgeschrägtes vorderes Segment 634 einer Übergangsoberfläche 632 des Flügels 612, sondern enthält stattdessen ein gerades vorderes Segment 634 parallel zur vertikalen Achse 115. Insofern hat die Konstruktion dieser Tasche 614 andere Eigenschaften als die Tasche 14 aus den 1-6, die sich auf die Optimierung der oben besprochenen Parameter auswirken können. Nichtsdestotrotz hat die Tasche 614 die Parameter effektiv optimiert und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen der bestimmten Anwendungen, in denen dieser Flügel 612 und die Tasche 614 eingesetzt werden.
8E zeigt eine siebte Ausführungsform eines Flügels 712 zur Verwendung in der Rotoranordnung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Flügel 712 ist dem in 1-6 gezeigten Flügel 12 und dem in 8D gezeigten und hier beschriebenen Flügel 612 im Wesentlichen ähnlich, enthält jedoch eine modifizierte Tasche 714. Wie in 8E zu sehen ist, ähnelt die Tasche 714 der Tasche 614, enthält aber im Vergleich zu der oben beschriebenen Tasche 614 eine schmalere rechteckige Form. Insofern hat die Konstruktion dieser Tasche 714 andere Eigenschaften als die Tasche 14 aus den 1-6, die sich auf die Optimierung der oben besprochenen Parameter auswirken können. Nichtsdestotrotz hat die Tasche 714 die Parameter effektiv optimiert und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen der bestimmten Anwendungen, in denen dieser Flügel 712 und die Tasche 714 eingesetzt werden sollen.
Ein Verfahren 800, das die offenbaren Ausführungsformen betrifft, ist in 9 gezeigt. Das Verfahren 800 enthält einen ersten Schritt 802 des Bereitstellens eines Flügels. Der Flügel enthält eine Basis und eine von der Basis radial in Bezug zu einer Achse beabstandete Spitze. Die Spitze erstreckt sich in einer Sehnenrichtung zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Flügels. Eine saugseitige Fläche erstreckt sich zwischen der Basis und der Spitze, und eine druckseitige Fläche erstreckt sich zwischen der Basis und der Spitze gegenüber der saugseitigen Fläche.
Das Verfahren 800 enthält ferner einen zweiten Schritt 804 des Bestimmens einer Position einer Stoßgrenze des Flügels. Wie oben beschrieben, können schräge Stoßwellen in der Nähe oder an der Druckseite des Flügels auftreten und zwischen dem Gehäuse und der Spitze des Flügels während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs reflektiert werden. Die Stoßgrenzwelle sollte nicht durch bauliche Veränderungen des Flügels gestört werden, und dementsprechend ist die im Flügel gebildete Tasche, wie im Folgenden beschrieben wird, in Sehnenrichtung hinter der Stoßgrenze des Flügels bemessen.
Das Verfahren 800 enthält ferner einen dritten Schritt 806 des Entfernens eines Abschnitts der druckseitigen Fläche des Flügels um eine äußere Oberfläche der druckseitigen Fläche, eine zwischen der äußeren Oberfläche und der saugseitigen Fläche angeordnete innere Oberfläche der druckseitigen Fläche und eine Übergangsoberfläche zu bilden, die sich zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche der druckseitigen Fläche erstreckt und diese miteinander verbindet. Die äußere Oberfläche, die innere Oberfläche und die Übergangsoberfläche formen eine Tasche in dem Flügel, die in die Spitze des Flügels mündet. Die Übergangsoberfläche enthält ein vorderes Segment. Das vordere Segment erstreckt sich von der Spitze des Flügels in Bezug zu der Achse im Wesentlichen radial nach innen und, wie oben beschrieben, befindet sich in Sehnenrichtung vollständig hinter der Stoßgrenze.
Die Übergangsoberfläche enthält ferner ein hinteres Segment und ein Verbindungssegment. Das hintere Segment erstreckt sich von der Spitze des Flügels radial nach innen und befindet sich in einem ersten Abstand in Sehnenrichtung vor der Hinterkante des Flügels, der gleich einem Bereich von dreißig bis vierzig Prozent einer Ausdehnung der Spitze des Flügels in Sehnenrichtung ist. Das Verbindungssegment verbindet das vordere Segment und das hintere Segment miteinander. Das Verbindungssegment enthält einen ersten Abschnitt, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach hinten weg von dem vorderen Segment erstreckt, und einen zweiten Abschnitt, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach vorne weg von dem hinteren Segment in Richtung des ersten Abschnitts erstreckt. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt konvergieren ineinander, so dass das vordere Segment.
Der dritte Schritt 806 des Entfernens kann ferner das Entfernen eines Abschnitts der druckseitigen Fläche enthalten, um das vordere Segment, das hintere Segment und das Verbindungssegment der Tasche des Flügels so zu bilden, dass Aufprallfähigkeiten, Gewichtsreduktion und aerodynamische Verluste des Flügels optimiert werden.
Die vorliegende Offenbarung betrifft die bewusste Gestaltung der Form einer masseentfernten Tasche und umfasst Konstruktionsverfahren zur Minimierung der negativen Auswirkungen von Aufprall und/oder Einschließen und Aerodynamik mit spezifischen Merkmalen. Die Form der masseentfernten Tasche kann einem Rechteck in Richtung der Spitze des Flügels ähneln, wobei die Basis ein Dreieck bildet. Die Spitze der Dreiecksbasis kann die äußerste radiale Erstreckung der masseentfernten Tasche bilden und kann frei beweglich sein, um den Aufprall-, Aerodynamik- und mechanischen Anforderungen des betreffenden Flügels am besten gerecht zu werden. Die masseentfernte Tasche kann durch spanendes Bearbeiten der Druckfläche des Flügels hergestellt werden. Eine allgemeine Anordnung verschiedener Formen dieser Form sind hier offenbart.
Fan-Schaufeln können die vordersten rotierenden Komponenten einer Gasturbinenmaschine sein. Neben der einströmenden Luft können diese Schaufeln auch eingedrungenen Fremdkörpern, wie z. B. Vögeln, ausgesetzt sein. Diese Schaufeln können dazu eingerichtet sein, im Falle eines Vogelschlages extrem hohen Belastungen standzuhalten. Eine Gewichtsreduktion an der Spitze der Fan-Schaufel kann neben dem Aspekt der Gewichtseinsparung die Schwingungsamplituden und das Schwingungsverhalten verbessern und die Fliehkräfte reduzieren, was letztlich die mechanische Festigkeit der Fan-Schaufel oder des Blisk erhöht. Die Umsetzung einer Gewichtsreduktion, die den Außenflügel nicht verändert, wie z. B. interne Spitzenschlitze, ist aufwändig zu realisieren. Die vorliegende Offenbarung betrifft eine externe Tasche, die Gewicht von der Schaufel entfernt, so dass sie je nach Bedarf einfach in neue oder bestehende Flügel eingebaut werden kann. Die Form der Tasche kann aerodynamische Leistungsverluste mindern und Stoßbelastungen standhalten. Dieses Verfahren zum Entfernen von Masse kann auch zum Einstellen der Schaufelfrequenzen verwendet werden.
Die Geometrie der masseentfernten Tasche kann so positioniert sein, dass sie weder die aerodynamische Stoßgrenze des Flügels stört noch die Aufprallfähigkeiten negativ beeinflusst. Die Tasche beginnt hinten entlang der Sehne der Stoßgrenze, um die Störung zu minimieren. Die Sehnenlänge der Tasche endet an einer Position, die analytisch auf Aufprallfähigkeit optimiert wurde. Es besteht ein umgekehrtes Verhältnis zwischen der Sehnenlänge der Tasche und der Aufprallfähigkeit.
Die Geometrie der masseentfernten Tasche kann auf der Druckfläche des Flügels positioniert sein. Die Geometrie der masseentfernten Tasche kann so konstruiert sein, dass sie das Einschließen und die Aufprallfähigkeit der Schaufel nicht beeinträchtigt. Je geringer die radiale Ausdehnung der masseentfernten Tasche ist, desto geringer kann die Aufprallfähigkeit sein. Die radiale Ausdehnung kann bis zu den Grenzen der Aufprallfähigkeit konstruiert werden.
Die Geometrie der masseentfernten Tasche kann so konstruiert sein, dass die Gewichtsreduktion bei der größten radialen Erstreckung auf den Flügel maximiert wird. So kann die Geometrie mit einer rechteckigen Form in der Nähe der Spitze bis zu einer Tiefe konstruiert werden, die so bestimmt ist, dass sie die Aufprallfähigkeit bei Worst-Case-Fertigungstoleranzen nicht negativ beeinflusst.
Die Geometrie der masseentfernten Tasche kann so konstruiert sein, dass der radiale Boden der Tasche mit einem abgerundeten Dreieck gebildet ist, so dass die Seiten in Sehnenrichtung nach innen gewinkelt sind, weg von der Vorderkante und Hinterkante des Flügels. Diese absichtliche Form kann dazu dienen, die Gewichtsreduktion in Richtung der weitest möglichen radialen Erstreckung weiter zu optimieren und gleichzeitig Spannungskonzentrationsmerkmale zu minimieren, die sich negativ auf die Aufprallfähigkeit des Flügels bei mittlerer Vogellast auswirken können.
Die offenbaren Ausführungsformen ermöglichen es, dass eine Tasche durch spanende Bearbeitung in bestehende Flügel eingefügt oder von vornherein in die Form des Flügelabschnitts konstruiert werden kann. Die offenbarten Ausführungsformen maximieren die Gewichtsreduktion bei gleichzeitiger Beibehaltung der Schlag- und Einschlussfähigkeit des Flügels und minimieren potenzielle aerodynamische Leistungseinbußen. Das Entfernen der Masse kann auch zur Einstellung der Schaufelfrequenz genutzt werden. Die Verfahren der Konstruktionen und die Kardinalform können flexibel genug sein, um Unterschiede in der Flügelform zu berücksichtigen.
Obwohl die Offenbarung in den vorstehenden Zeichnungen und der Beschreibung illustriert und detailliert beschrieben ist, ist sie als beispielhaft und nicht einschränkend zu betrachten, wobei davon auszugehen ist, dass nur beispielhafte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurden und dass alle Änderungen und Modifikationen, die dem Geist der Offenbarung entsprechen, geschützt werden sollen.

Claims

Ein Flügel, der zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine geeignet ist, der Flügel umfassend eine Basis, eine von der Basis radial in Bezug zu einer Achse beabstandete Spitze, wobei sich die Spitze in einer Sehnenrichtung zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Flügels erstreckt, eine saugseitige Fläche, die sich zwischen der Basis und der Spitze erstreckt, und eine druckseitige Fläche, die sich zwischen der Basis und der Spitze gegenüber der saugseitigen Fläche erstreckt, wobei die druckseitige Fläche eine äußere Oberfläche, eine zwischen der äußeren Oberfläche und der saugseitigen Fläche angeordnete innere Oberfläche und eine Übergangsoberfläche aufweist, die sich zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche der druckseitigen Fläche erstreckt und diese miteinander verbindet, um eine Tasche in dem Flügel zu bilden, die in die Spitze des Flügels mündet, wobei die Übergangsoberfläche ein vorderes Segment, das sich von der Spitze des Flügels in Bezug zu der Achse im Wesentlichen radial nach innen erstreckt und das sich in Sehnenrichtung vollständig hinter einer Stoßgrenze des Flügels befindet, ein hinteres Segment, das sich von der Spitze des Flügels im Wesentlichen radial nach innen erstreckt und das sich in Sehnenrichtung in einem ersten Abstand vor der Hinterkante des Flügels befindet, der gleich einem Bereich von dreißig bis vierzig Prozent einer Ausdehnung der Spitze des Flügels in Sehnenrichtung ist, und ein Verbindungssegment enthält, das das vordere Segment und das hintere Segment miteinander verbindet.
Der Flügel aus Anspruch 1, wobei das Verbindungssegment einen ersten Abschnitt, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach hinten weg von dem vorderen Segment erstreckt, und einen zweiten Abschnitt enthält, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach vorne weg von dem hinteren Segment in Richtung des ersten Abschnitts erstreckt, so dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt ineinander konvergieren, so dass das vordere Segment, das hintere Segment und das Verbindungssegment die innere Oberfläche in der Sehnenrichtung und in der radialen Richtung weg von der Spitze des Flügels begrenzen.
Der Flügel aus Anspruch 2, wobei die Übergangsoberfläche ferner enthält: ein erstes Anschlusssegment, das sich zwischen dem vorderen Segment und dem ersten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet, ein zweites Anschlusssegment, das sich zwischen dem hinteren Segment und dem zweiten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet, und ein drittes Anschlusssegment, das sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet.
Der Flügel aus Anspruch 3, wobei das vordere Segment, das hintere Segment, der erste Abschnitt des Verbindungssegments und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments im Wesentlichen linear sind, wobei das erste Anschlusssegment so gekrümmt ist, dass das vordere Segment, das erste Anschlusssegment und der erste Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden, wobei das zweite Anschlusssegment so gekrümmt ist, dass das hintere Segment, das zweite Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden, und wobei das dritte Anschlusssegment so gekrümmt ist, dass der erste Abschnitt des Verbindungssegments, das dritte Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden.
Der Flügel aus Anspruch 4, wobei die Vorderkante des Flügels einen oberen Abschnitt definiert, der sich von der Spitze des Flügels über eine Strecke erstreckt, die gleich einer Länge des vorderen Segments ist, und wobei das vordere Segment im Wesentlichen parallel zu dem oberen Abschnitt der Vorderkante ist.
Der Flügel aus Anspruch 3, wobei das vordere Segment, das hintere Segment, der erste Abschnitt des Verbindungssegments und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments im Wesentlichen linear sind, wobei das erste Anschlusssegment linear ist, so dass das vordere Segment, das erste Anschlusssegment und der erste Abschnitt des Verbindungssegments eine im Wesentlichen gerade Linie bilden, wobei das zweite Anschlusssegment gebogen ist, so dass das hintere Segment, das zweite Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden, und wobei das dritte Anschlusssegment gebogen ist, so dass der erste Abschnitt des Verbindungssegments, das dritte Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden.
Der Flügel aus Anspruch 6, wobei die Vorderkante des Flügels gekrümmt ist und einen oberen Abschnitt definiert, der eine radiale Erstreckung von einem an der Spitze des Flügels befindlichen äußeren Ende des oberen Abschnitts, zu einem inneren Ende des oberen Abschnitts aufweist, die gleich einer radialen Erstreckung des vorderen Segments und des ersten Abschnitts des Verbindungssegments ist, und wobei das vordere Segment und der erste Abschnitt des Verbindungssegments im Wesentlichen parallel zu einer Sekantenlinie der Krümmung der Vorderkante sind, die von dem äußeren Ende des oberen Abschnitts zu dem inneren Ende des oberen Abschnitts verläuft.
Der Flügel aus Anspruch 1, wobei ein Volumen der zwischen der äußeren Oberfläche, der inneren Oberfläche und der Übergangsoberfläche definierten Tasche so bemessen ist, dass eine vorbestimmte Flügel-Schwingungsfrequenz erreicht wird.
Der Flügel aus Anspruch 1, wobei die Tasche so geformt ist, dass die Gasturbinenmaschine, zur Verwendung mit der der Flügel geeignet ist, in 14 C.F.R. Sec. 33.76 festgelegte Vorschriften bezüglich Vogelschlag erfüllt.
Der Flügel aus Anspruch 1, wobei die Tasche so geformt ist, dass die Gasturbinenmaschine, zur Verwendung mit der der Flügel geeignet ist, in 14 C.F.R. Sec. 33.94 festgelegte Vorschriften bezüglich Schaufelablösung erfüllt.
Ein Flügel der zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine geeignet ist, der Flügel umfassend eine Basis, eine von der Basis radial in Bezug zu einer Achse beabstandete Spitze, wobei sich die Spitze in einer Sehnenrichtung zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Flügels erstreckt, eine erste Fläche, die sich zwischen der Basis und der Spitze erstreckt und eine äußere Oberfläche, eine vertiefte innere Oberfläche und eine Übergangsoberfläche enthält, die sich zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche der ersten Fläche erstreckt und diese miteinander verbindet, um eine Tasche in dem Flügel zu bilden, wobei die Übergangsoberfläche ein vorderes Segment, das sich von der Spitze des Flügels in Bezug zu der Achse radial nach innen erstreckt und das sich in Sehnenrichtung vollständig hinter einer Stoßgrenze des Flügels befindet, ein hinteres Segment, das sich von der Spitze des Flügels radial nach innen erstreckt, und ein Verbindungssegment enthält, das das vordere Segment und das hintere Segment miteinander verbindet.
Der Flügel aus Anspruch 11, ferner umfassend eine saugseitige Fläche, die sich zwischen der Basis und der Spitze des Flügels erstreckt und gegenüber der ersten Fläche angeordnet ist, wobei die erste Fläche eine druckseitige Fläche des Flügels ist.
Der Flügel aus Anspruch 12, wobei das hintere Segment in Sehnenrichtung nach vorne von der Hinterkante des Flügels um einen Abstand beabstandet ist, der etwa dreißig bis vierzig Prozent einer Länge der Spitze des Flügels entspricht.
Der Flügel aus Anspruch 13, wobei das Verbindungssegment einen ersten Abschnitt, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach hinten weg von dem vorderen Segment erstreckt, und einen zweiten Abschnitt enthält, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach vorne weg von dem hinteren Segment in Richtung des ersten Abschnitts erstreckt, so dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt ineinander konvergieren.
Der Flügel aus Anspruch 14, wobei die Übergangsoberfläche ferner enthält: ein erstes Anschlusssegment, das sich zwischen dem vorderen Segment und dem ersten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet, ein zweites Anschlusssegment, das sich zwischen dem hinteren Segment und dem zweiten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet, und ein drittes Anschlusssegment, das sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des Verbindungssegments befindet und diese miteinander verbindet.
Der Flügel aus Anspruch 15, wobei das vordere Segment, das hintere Segment, der erste Abschnitt des Verbindungssegments und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments im Wesentlichen linear sind, wobei das erste Anschlusssegment so gekrümmt ist, dass das vordere Segment, das erste Anschlusssegment und der erste Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden, wobei das zweite Anschlusssegment so gekrümmt ist, dass das hintere Segment, das zweite Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden, und wobei das dritte Anschlusssegment so gekrümmt ist, dass der erste Abschnitt des Verbindungssegments, das dritte Anschlusssegment und der zweite Abschnitt des Verbindungssegments eine gerundete Form bilden.
Der Flügel aus Anspruch 16, wobei die Vorderkante des Flügels einen oberen Abschnitt definiert, der sich von der Spitze des Flügels über eine Strecke erstreckt, die gleich einer Länge des vorderen Segments ist, und wobei das vordere Segment im Wesentlichen parallel zu dem oberen Abschnitt der Vorderkante ist.
Ein Verfahren umfassend Bereitstellen eines Flügels, enthaltend eine Basis, eine von der Basis radial in Bezug zu einer Achse beabstandete Spitze, wobei sich die Spitze in einer Sehnenrichtung zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Flügels erstreckt, eine saugseitige Fläche, die sich zwischen der Basis und der Spitze erstreckt, und eine druckseitige Fläche, die sich zwischen der Basis und der Spitze gegenüber der saugseitigen Fläche erstreckt, Bestimmen einer Position einer Stoßgrenze des Flügels, und Entfernen eines Abschnitts der druckseitigen Fläche des Flügels, um eine äußere Oberfläche der druckseitigen Fläche, eine zwischen der äußeren Oberfläche und der saugseitigen Fläche angeordnete innere Oberfläche der druckseitigen Fläche und eine Übergangsoberfläche zu bilden, die sich zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche der druckseitigen Fläche erstreckt und diese miteinander verbindet, so dass die äußere Oberfläche, die innere Oberfläche und die Übergangsoberfläche eine Tasche in dem Flügel bilden, die in die Spitze des Flügels mündet, wobei die Übergangsoberfläche ein vorderes Segment enthält, das sich von der Spitze des Flügels in Bezug zu der Achse im Wesentlichen radial nach innen erstreckt und das sich in Sehnenrichtung vollständig hinter der Stoßgrenze befindet.
Das Verfahren aus Anspruch 18, wobei die Übergangsoberfläche ferner ein hinteres Segment und ein Verbindungssegment enthält, wobei sich das hintere Segment von der Spitze des Flügels radial nach innen erstreckt und sich in Sehnenrichtung in einem ersten Abstand vor der Hinterkante des Flügels befindet, der gleich einem Bereich von dreißig bis vierzig Prozent einer Ausdehnung der Spitze des Flügels in Sehnenrichtung ist, und das Verbindungssegment das vordere Segment und das hintere Segment miteinander verbindet, wobei das Verbindungssegment einen ersten Abschnitt, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach hinten weg von dem vorderen Segment erstreckt, und einen zweiten Abschnitt enthält, der sich radial nach innen und in Sehnenrichtung nach vorne weg von dem hinteren Segment in Richtung des ersten Abschnitts erstreckt, so dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt ineinander konvergieren.
Das Verfahren aus Anspruch 19, wobei das Entfernen Entfernen eines Abschnitts der druckseitigen Fläche enthält, um das vordere Segment, das hintere Segment und das Verbindungssegment der Tasche des Flügels so zu bilden, dass Aufprallfähigkeiten, Gewichtsreduktion und aerodynamische Verluste des Flügels optimiert werden.