DE1576980A1

DE1576980A1 - Schaufel fuer stroemungsmaschinen

Info

Publication number: DE1576980A1
Application number: DE19671576980
Authority: DE
Inventors: Henry Edward Middleton; Jack Palfreyman
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1966-11-29
Filing date: 1967-11-28
Publication date: 1973-10-11
Also published as: FR1551258A; CH492869A; GB1170592A; US3532438A; BE707062A

Description

8 MÜNCHEN 2, 28.November 1967

UNSER ZEiCHEN: Hill -

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England

Schaufel für Strömungsmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf stromlinienförmig gestaltete Schaufeln und Schaufelanordnungen für Strömungsmaschinen, z.B. für den Kompressor oder die Turbine eines Gasturbinenstrahltriebwerks.

Die Schaufeln können entweder Statorschaufeln oder Rotorschaufeln sein.

Gemäß der Erfindung ist eine faserverstärkte,stromlinienförmig gestaltete Schaufel für eine Strömungsmaschine mit einem Schaufelfuß versehen, der eine Mehrzahl von Schlitzen mit dazwischen befindlichen Zapfen aufweist. Die Schaufel kann z.B. aus synthetischem Kunstharzmaterial hergestellt sein,das mit den Fasern verstärkt ist.

Das synthetische Kunstharzmaterial ist vorzugsweise mit kohlenstoffhaltigen Fasern verstärkt, jedoch kann es auch mit anderen Fasern,z.B. Siliziumfasern, verstärkt sein, die mit Aluminium oder einem Epoxydharz überzogen sind.

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Das synthetische Kunstharzmaterial kann ein Epoxydharz, ein Polyimid-,ein Polyquinoxalin-, ein Polythiazol- oder ein Polybezi- «midazol-Kunstharz sein oder ein Kettenpolymer. Die Schaufeln könnten jedoch auch durch Verfahren hergestellt werden,, für die nicht alle dieser Kunstharze geeignet sind.

So können z.B. thermoplastische Kunstharze, z.B. Ploikymethylmethacrylat zur Herstellung der Schaufeln und der drehbaren Träger hierfür benutzt werden, wobei die Herstellung nach irgendeinem

der nachstehend beschriebenen Verfahren bewerkstelligt wird, voraus gesetzt daß die Schaufeln und Träger nur für Teile benutzt werden, die relativ niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind, z.B. Gebläseechaufeln und die Schaufeln der ersten Kompressorstufe.

In gleicher Weise können duroplastische Kunstharze, z.B. Epoxydharze, Polyester-Harze, Melamin- und Polymethan-Harze zur Herstellung der Schaufeln und der Träger unter Anwendung eines der nachstehend beschriebenen Verfahren benutzt werden, vorausgesetzt, daß sie entweder flüssig sind im kalten ungehärteten Zustand oder daß sie durch Erwärmung flüssig gemacht werden können, wobei die Temperatur niedriger liegt als die zur Vollendung der Aushärtung erforderliche Temperatur.

Derartige duroplastische Kunstharze, wie z.B. Polystyren, die im ungehärteten Zustand fest,aber in gewissen Lösungsmitteln löslich sind und im gelösten Zustand zur Benetzung individueller

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Pasern, von Gespinsten oder aus Fasern bestehendem Flaehmaterial benutzt werden können, sind jedoch nicht geeignet für die unten beschriebenen Kunstharzeinspritzverfahren und hierfür sind auch nicht Polyimide oder Kettenpplymere verwendbar.

Bei Turbinen und anderen Anwendungen, bei denen hohe Temperaturen auftreten, kann das Material, das durch die Fasern verstärkt wird, ein Metall oder eine Legierung sein. So können die Fasern z.B. durch elektrolytische Ablagerung, durch Besprühen oder durch Molekularablagerung mit einem Metall oder einer Legierung überzogen werden. Die Schaufel kann aus mehreren blattförmigen Einzelteilen hergestellt werden, wobei die einzelnen Blätter so gestaltet sind, daß die Zusammenstellung das erforderliche Schaufelprofil besitzt und mit den Schlitzen bzw. Zapfen versehen ist.

Jedes Einzelblatt kann aus einem faserverstärkten synthetischen Kunstharzmaterial bestehen und die Blätter werden miteinander kompakt verbunden, um die fertige Schaufel zu erhalten. Stattdessen kann jedes Einzelblatt aus Fasern bestehen und die aus Fasern bestehenden Blätter werden unter Druck in einer schaufeiförmig gestalteten Form eingebracht und es wird dann synthetisches Kunstharzmaterial eingespritzt.

Falls erforderlich, kann der oder jeder Schlitz im Schaufelfuß durch maschinelle Bearbeitung hergestellt werden, nachdem die Schaufel fertiggestellt ist.

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Die Schaufel kann hohl ausgebildet werden, um eine Kühlung zu ermöglichen und sie kann für eine Transpirationskühlung ausgestattet sein. Die Schaufeln können dadurch hohl gestaltet werden, daß der Guß in mit einem entfernbaren Mittel überzogenen Drähten erfolgt, das nach- der Aushärtung entfernt wird.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Schaufelzusammenstellung für eine Strömungsmaschine, die einen drehbaren Träger aufweist, an dem mehrere, im Winkelabstand zueinander angeordnete Schaufeln festgelegt sind.

Wenigstens Jene Abschnitte des drehbaren Trägers, an denen die Schaufeln unmittelbar ansetzen, bestehen vorzugsweise aus faserverstärktem Material.

So können diese Teile des drehbaren Trägers aus dem gleichen faserverstärkten Material wie die Schaufeln hergestellt werden.

Die Schaufeln und die drehbaren Träger können aus mehreren Schichten faserverstärkten Materials hergestellt werden, die miteinander verbunden bzw. verschmolzen werden.

Der drehbare Träger kann mehrere, im axialen Abstand zueinander liegende, aufeinander ausgerichtete, kreisringförmige oder scheibenförmige Abschnitte aufweisen und die Zapfen der Schaufelfüße sind in den Zwischenräumen zwischen den benachbarten ringförmigen bzw. scheibenförmigen Abschnitten oder in Schlitzen

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in dem ringförmigen oder scheibenförmigen Abschnitt festgelegt.

Es können Mittel vorgesehen sein, um wenigstens die radial äußersten Abschnitte der Zwischenräume auszufüllen oder zu bedecken, die zwischen benachbarten Schaufeln liegen.

Wenigstens die radial äußersten Abschnitte der Zwischenräume können mit einem synthetischen Kunstharzmaterial ausgefüllt werden, das in diese Zwischenräume eingespritzt und sowohl mit den Ringabschnitten als auch mit den Schaufeln verschmolzen wird.

Die Ringabschnitte bzw. die Scheiben können durch Gießen faserverstärkten synthetischen Kunstharzmaterials hergestellt v/erden oder auch stattdessen dadurch, daß mehrere Einzelblätter oder Windungen faserverstärkten synthetischen Kunstharzmaterials fei zusammengedrückt werden.

Jeder Schaufelfuß kann mit jeder seiner in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Seiten mit einem im wesentlichen L-förmigen Füllorgan verbunden sein, das Fasern aufweist, die radial verlaufende Abschnitte besitzen, die mit Fasern im Schaufelfuß verbunden sind und die weiter in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitte besitzen, die mit Fasern des drehbaren Körpers verbunden sind. Die Füllorgane statten die Schaufeln mit zusätzlichem Widerstand gegenüber Torsionsbeanspruchungen und Vibrationsbeanspruchungen aus. Die Schaufelflanken können mit Fasern geformt werden, die sich in einem Winkel gegenüber der Schaufellängs-

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achse erstrecken, um eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Torsionsbeanspruchungen zu bewirken.

Die Ringabschnitte bzw. die Scheiben können eine Grugce aufweisen, deren Endorgane radial zu den inneren Teilen der Gruppe verlaufen, um damit einen Ringraum zu bilden, in dem die Füllorgane angeordnet werden können.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist jede Schaufel mit wenigstens einer weiteren Schaufel über Fasern verbunden, deren Endabschnitte innerhalb der Schlitze der Schaufelfüße festgelegt sind. So können die Fasern einen Teil eines faserverstärkten synthetischen Kunstharzbandes'bilden.

Die sich drehenden Träger können mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Fasern ausgestattet sein.

Jedes Band kann zwischen den Schaufelfüßen derart gekrümmt sein, daß das Zusammenwirken der Fasern der Endbelastungen infolge der Schaufeln und der Zentrifugalkräfte einen minimalen Zug in den Fasern bei der jeweiligen Drehzahl erzeugen.

Die Zapfen können aus einzelnen Schichten faserverstärkten Materials hergestellt sein, wobei sich die Breite der Anordnung im Querschnitt radial so ändert, daß die Bildung von Punkten hoher Spannungskonzentration vermindert wird.

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Die Zwischenräume zwischen den Ringen bzw. Scheiben können mit Kühlluftkanälen innerhalb der Schaufeln in Verbindung stehen und es werden dann Mittel vorgesehen, die diese Kühlluft durch die Zwischenräume nach den Kühlluftkanälen treten lassen. Außerdem können radial vorstehende Schaufeln in diesen Zwischenräumen gelagert sein, wobei diese Schaufeln den Druck der im Betrieb durch diese Zivis chenraume tretenden Kühlluft erhöhen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besitzt der drehbare Träger Fasern, die sich in den Richtungen der Hauptzugbeanspruchungen im drehbaren Träger erstrecken, wobei diese Beanspruchungen von der Torsionsbelastung während der Drehung herrühren. So kann der drehbare Träger dadurch hergestellt werden, daß eine Faser oder ein Faserbündel axial bezüglich des Trägers querverlaufend geführt wird und gleichzeitig der Träger gedreht wird, so daß eine schraubenförmige Wicklung entsteht. Der drehbare Träger kann auch dadurch hergestellt v/erden, daß ein axialer Verschiebemechanismus benutzt wird, der am Ende Jedes axialen Weges für ein kurzes Zeitintervall stationär gehalten wird, so daß die Fasern oder das Faserbündel wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Windung besitzen. Die Geschwindigkeit der axialen Verschiebung und der Drehung können derart sein, daß in einer Richtung die Fasern oder die Faserbündel zwischen den Schaufelstellungen hindurchlaufen und in der entgegengesetzten Richtung die Fasern oder Faserbündel zwischen den Zapfen der Schaufelfüße hindurchgeführt werden.

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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anliand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

E¹Ig. 1 eine perspektivische Ansicht einer faserverstärkten

stromlinienförmig gestalteten Schaufel nach der Erfindung Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht einer Sehaufelzusammen-

steilung mit der nach Fig.l gebildeten Schaufel, Flg. j5 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Schaufel-

zusaiiiTien^slIong nach B¹Ig ,2,
Fig. 4 'and " sehematische perspektivische Ansichten von unterse'iiedlioli gestalteten Hingen, wie bei der Schaufelzu-

£.?imnenstellung nach Fig.'t₃
Pig« ö und 7 aiifge'orochene perspektivische Ansichten einer

&;:gesandelte:: Form einer' Sehaufelzusammenstellung, ' FrLg, b eine psrspektiviBche Darstellung einer Form zur Herstellung Ton Teilen der erfindiingsgeir/äFen. Schaufelzusammens te J -.v

F?'g. 9 eine c/oge"or-ccher.e perspektivische Ansieht einer weiteren Ausfu'imngaform einer 5c^aufelsusamrnensteilung nach der Erfindung,

Fig. 10 eine sjhsnai-Isone Ansicht _} die d.i.3 Herstellung eines ■S cris."^"^r'äXt-^r" -*-"'"1⁵S '/iii'an»? c - * ί i. ■ '·"' 'ⁱ eilt ύ.¹---^' βϊΓ'ί.ιι T'eJ 1 del' Schaufelzus^cnienstellucg däcIi cle.^ Erfindung bildet,

I'j.g.il e^"e i--3heni:,i.ί.ί?ca.e Ans:^:.c-.v> oincr V.ohavfeX nach der L'-rf.-.n-

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ORJGlNAL INSPHCTED

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Pig.13 bis 16 schematische Ansichten verschiedener Möglichkeiten der Verbindung der Schaufeln durch faserverstärktes synthetisches Kunstharzmaterial,

Fig.17 bis 20 schematisehe Darstellungen weiterer Schaufelzusammenstellungen, nach der Erfindung,

Fig.21 eine schematisehe Ansicht eines Teils einer weiteren Ausgestaltung einer Schaufelzusammenstellung nach der Erfindung,

Fig.22 eine schematisehe Ansicht einer weiteren Ausgestaltung der Schaufelzusammenstellung nach der Erfindung,

Fig.23 in größerem Maßstab eine schematisehe Ansicht eines Kompressors, der einen Teil der Schaufelzusammenstellung nach Fig.22 bildet,

Fig.24 bis 27 weitere erfindungsgemäß ausgebildete Schaufelzusammenstellungen.

Die Erfindung bezieht sich in erster Linie auf Schaufeln, z.B. auf Schaufeln eines Kompressors für Gasturbinenstrahltriebwerke, wobei diese Schaufeln aus faserverstärktem, synthetischem Kunstharzmaterial bestehen. Das synthetische Kunstharzmaterial kann ein Epoxydharz sein, es können jedoch auch andere Harze z.B. Polyimid-, Polyquinoxalin- und Polythiazol-Harze bei gewissen Konstruktionen von Schaufeln und Schaufelzusammenstellungen nach der Erfindung benutzt werden. Die Fasern, die zur Verstärkung dieser Kunstharze benutzt werden, sind vorzugsweise kohlenstoff-

halve" Fasern, z.B. solche Pasern, wie sie in den deutsehen Patentanmeldungen R 43 023 llb/bOb und R 44 657 VIb/öOb beschrieben sind. Die Erfindung ist jedoch nicht nur in Verbindung mit kohlenstoffhaltigen Fasern anwendbar, sondern kann auch in Ver-

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bindung mit anderen Pasern, z.B. Siliziumfasern, benutzt werden, die mit Aluminium Überzogen sind.

Fig.l zeigt eine Rotorschaufel 20 für den Kompressor eines GasturbinenstrahltriebwBrks. Die Schaufel 20 besteht aus einzelnen Schichten 21 bis 26, von denen jede so geformt ist, daß sie in ihrer Gesamtheit das erforderliche Schaufelprofil bilden.

Jede der Schichten 21 bis 26 kann aus einem Blatt faserverstärkteö synthetischen Kunstharzmaterials bestehen und die Schichten 21 bis 26 werden aufeinander gepreßt, um die fertige Schaufel 20 zu bilden,

Stattdessen können die Schichten 21 bis 26 ursprünglich auch von Faserblättern gebildet werden, die unter Druck in einer Schaufeiförmig gestalteten Form (nicht dargestellt) eingebracht werden, wonach ein synthetisches Kunstharzmaterial eingespritzt wird.

Die Schaufel 20 ist mit einem Schaufelfuß 30 versehen, der mehrere (z.B. fünf) Zapfen 31 besitzt, wobei jeweils ein Schlitz 52 zwischen einem benachbarten Zapfenpaar 31 vorhanden ist. Der Schaufelfuß 30 ist mit möglichst vielen Zapfen 31 versehen und diese können so dünn als möglich ausgebildet werden und zwar aus Gründen, die weiter unten erörtert sind.

Die Zapfen 31 können dadurch hergestellt werden, daß die einzelnen Schichten 21 bis 26 vorher entsprechend gestaltet werden. Stattdessen können sie nach Herstellung der Schaufel durch Binsägen

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BAD ORIGINAL

oder andere maschinelle Bearbeitung des Sehaufelfusses 30 erzeugt werden. Die Länge der Zapfen J>1 wird durch verschiedene Bedingungen bestimmt, wie Temperatur, Drehzahl und Drehradius.

Die Faserverstärkung in der Schaufel 20 ist zweekmäßigerweise so verwebt, daß die Festigkeit der Fasern die Schaufeln in maximaler Weise verstärkt. So können die Fasern benutzt werden, um Vorder- und Hinterrand zu verstärken und sie können in einem Winkel angeordnet werden, um eine verbesserte Torsionsfestigkeit zu liefern.

Fig.2 zeigt eine Schaufelzusammenstellung, die einen Teil eines Gasturbinentriebwerkskompressors bilden kann, wobei Schaufeln 20 der in Fig.l dargestellten Bauart benut :.t· -erden.

Die Sehaufelzusammenstellung weist eineii ϊίο':·ον auf,, der an -seln^ra Umfang mehrere aufeinander in Achsriehtur g ausgerichtete, ins Abstand zueinander liegende Ringe 33 besitzt, die jeweils ä,u^:eh einen Zwischenraum 34 distanziert sind, In den die Zapfen 31 tor Schaufeln 20 einstehen. Die Ringe 33* die an den Zapfen yi festge legt werden, bestehen aus dem gleichen fa^orvorstärkten synthetischen Kunstharzmaterial wie die Schaufel!) ?;0.

Die Verbindung zwischen den Schaufeln 20 und uen Ringen 33 ist; derart, daß die Schaufeln 20 die Zentrifugaltalastung, der sIq ausgesetzt sind, auf die Ringe 33 übertrafen. Je größer d&T; Saxil 4er dünnen Zapfen 31*desto größer wird ate Seiierflache

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Zapfen 31 und Ringen 3.5, so daß dann die Tiefe der Zapfen 31 vermindert werden kann.

Die radial äußersten Abschnitte der Zwischenräume 34, die zwischen benachbarten Schaufeln 20 liegen, sind durch Platten 35 abgedeckt. Diese Platten 35 verhindern, daß das durch das Triebwerk hindurchströmende Arbeitsmittel in die Zwischenräume 34 eindringt, was aus aerodynamischen Gründen unzweckmäßig wäre. Die Platten 35 können, wie aus Figo ersichtlich, radial nach innen stehende Ansätze 36 aufweisen, die dann unmittelbar benachbart zu den Zapfen J>1 der Schaufelfüße zu liegen kommen. Derartige Ansätze unterstützen die Übertragung der Belastung, denen die Schaufeln 20 ausgesetzt sind, auf die Ringe 33· In gewissen Fällen kann jedoch auf diese Ansätze 36 der Platten 35 verzichtet werden.

Die Platten 35 können aus faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial hergestellt sein, das am Umfang der Ringe 33 und den Schaufeln 20 festgelegt ist. Wenn Platten mit Ansätzen 36 benutzt werden, dann werden diese auch mit den Zapfen 31 verbunden.

Stattdessen könnten die Platten 35 entweder mit oder ohne Ansätze 30 auch aus geschäumtem synthetischem Kunstharzmaterial,aus geschäumtem Keramikmaterial oder anderem Material geringer Dichte hergestellt werden.

Anstelle der Benutzung von Platten 35 kann synthetisches Kunstharzmaterial in die Zwischenräume 34 eingespritzt werden, um ent-

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weder den. gesamten. Zwischenraum zwischen benachbarten Schaufeln 20 auszufüllen oder wenigstens die radial äußeren Abschnitte. Dieses synthetische Kunstharzmaterial wird sowohl mit den Ringen 33 als auch mit den Schaufeln 20 verschmolzen. Dieses eingespritzte synthetische Kunstharzmateriai kann ebenso wie die Platten 35 radiale Ansätze bilden, die unmittelbar benachbart zu den Zapfen der Schaufelfüße liegen und mit diesen verbunden sind.

Derartiges eingespritztes synthetisches Kunstharzmaterial versteift die Ringe 33 und bindet die Zapfen 31 derart, daß die Übertragung von Zentrifugalkräften zwischen Schaufeln und Ringen 33 verbessert wird und es wird eine Abdeckung geschaffen., die eine gleiche Funktion wie die Platten 35 hat. Derartiges eingespritztes synthetisches Kunstharzmaterial unterstützt auch die Gegenwirkung des Drehmomentes, das auf die Schaufeln 20 durch die hierauf wirkende Gasbelastung ausgeübt wird.

Es ist vorteilhaft, daß das synthetische Kunstharzmaterial, das die raidial äußersten Abschnitte der Zwischenräume 3^ und auch die radialen Abschnitte der Zwischenräume unmittelbar benachbart zu den Zapfen 31 ausfüllt, jedoch nicht den übrigen Teil des Zwischenraumes, wodurch.sich eine Gewichtsersparnis ergibt. Eine solche begrenzte Einspritzung von synthetischem Kunstharzmaterial kann dadurch erlangt werden, daß nicht-dargestellte Formteile, die mit lösbaren Stoffen überzogen sind, in jene Abschnitte der Zwischenräume 3^ eingefügt werden, die nicht mit synthetischem Kunstharzmaterial ausgefüllt werden sollen.

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Die Ringe 33 könnten anstatt radial innerhalb der von ihnen getragenen Schaufeln auch alsStatorschaufelträger ausgebildet sein, die radial außerhalb der von ihnen getragenen Schaufeln 1* sgen, wobei radial innerhalb der Schaufeln ein weiterer solcher Träger oder kein Träger vorgesehen sein können.

Die Ringe 33 können durch Gießen faserverstärkten synthetischen Kunstharzmaterials in einer geeignet gestalteten Form (weiter unten unter Bezugnahme auf Fig.ö beschrieben) hergestellt werden. Stattdessen könnten sie, wie schematisch aus Fig.4 ersichtlich, auch dadurch hergestellt werden, daß eine Zahl von Schichten 37 bestehend aus faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial zusammengepreßt wird.

Wie in Fig.5 dargestellt, kann jeder Ring 33 dadurch hergestellt werden, daß mehrere Windungen 40 eines faserverstärkten synthetischen Kunstharzbandes 41 zusammengepreßt werden.

Die Windungen 40 oder die Schichten 37 brauchen nicht notwendigerweise fortlaufend ausgebildet zu sein, sondern sowohl Band 41 als auch die Schichten 37 könnten von mehreren Abschnitten gebildet werden, deren Enden einander in geeigneter Weise überlappen, wobei die Festigkeit kontinuierlich verlaufender Fasern erhalten wird.

Die nach Fig.4 oder 5 hergestellten Ringe erfordern eine Endaushärtung in der Form und die Ringe 33 werden gehaltert, um vor der Aushärtung jede Formungenauigkeit auszuschalten.

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Die Schaufeln 20 und die Ringe 33 werden,nachdem sie auf irgendeine der vorbeschriebenen Arten hergestellt sind, in einer Form zusammengestellt, wie dies z.B, weiter unten in Verbindung rait Pig.8 beschrieben wird, und es wird ein Kunstharz eingespritzt und ausgehärtet. Wenn Füllmaterial, nicht dargestellt, benutzt wird, braucht es nicht vor dieser Verfahrensstufe eingefügt zu werden.

Dies bedeutet, daß wenigstens ein Teil des Kunstharzes mehr als ein Mal erhitzt werden muß, aber dies ist nicht wichtig.

Wenn eine der Schaufeln 20 in einer solchen Zusammenstellung ausgetauscht werden muß, dann können die Zapfen 31 der zu entfernenden Schaufel z.B. mit einer Kreissäge abgeschnitten werden. Es kann eine neue Schaufel eingefügt und in ihrer Stellung durch Einspritzen von Kunstharz und durch Aushärtung desselben festgelegt werden.

Wenn die Schaufeln 20 dicht in Umfangsrichtung angestellt sind,

"Zahn"-Verbohrung kann außerdem eine feine X&ßttUHe&KEHttBil benutzt werden, um die

Zapfen der entsprechenden Schaufeln zu entfernen.

In Fig.6 ist ein Teil eines Kompressors eines Gasturbinenstrahltriebwerks dargestellt, der Schaufeln 20 und einen Ring 33 aufweist und nach irgendeinem der obenbeschriebenen Verfahren herstellbar ist. Die Ringe 33 der Konstruktion nach Fig.6 werden so zusammengestellt, daß sie eine Kompressorwelle 33 bilden, die sich in Strömungsrichtung nach vorn etwas verjüngt.

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Wenigstens ein Teil der Ringe 33 weist in Umfangsrichtung verlaufende Pasern 44 auf, die aussen mit Pasern 45 verbunden sind, welche in einen Winkel von ungefähr 45° gegenüber ersterem angestellt sind. Die Pasern 44 unterstützen die Aufnahme von Zentrifugalbelastungen, während die Pasern 45 dazu beitragen, die Spannung aufzunehmen, die eine Folge der Torsionsbelastung in der Welle 43 ist.

Die in der Welle 43 benutzten Pasern können nach Art eines elektrischen Ankers gewickelt sein oder sie können sich unter 45° zur Achse der Welle 43 erstrecken.

Die Welle 43 weist einen kegelstumpfförmigen Teil 46 am stromunterseitigen Ende auf, wo sie mit einer unter dem Warenzeichen ^MCurvic^tt bekannten Kupplung verbunden ist.

Pig.7 zeigt eine Zusammenstellung, die im wesentlichen jener nach Pig·6 gleicht und die deshalb nicht im einzelnen beschrieben zu werden braucht. Bei der Anordnung nach Fig.7 sind jedoch die Ringe 33*die radial verlaufende Pasern besitzen, auf einer getrennten Welle 47 festgelegt. In Fig.8 ist eine Form 50 dargestellt, deren Umfang 51 durch Schlitze 52 in mehrere axial im Abstand zueinander liegende, aufeinander ausgerichtete Ringabschnitte 53 ausgestattet ist. Wenn Schaufeln 54 mit vier Zapfen 55 im Schaufelfuß benutzt werden sollen, sind in gleicher Weise vier Ringabschnitte 53 vorgesehen.

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Jeder der Ringabschnitte 53 ist mit mehreren im Winkelabstand zueinander verlaufenden Schlitzen 56 zur Aufnahme der JJapfen 55 ausgestattet.

Die Schlitze 22 zwischen den Schaufeln 54 werden dann mit faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial ausgefüllt und die Schaufeln 54 werden mit den durch die Schlitze 52 geformten Ringen befestigt. Das synthetische Kunstharzmaterial in den Zwischenräumen 52 kann stattdessen auch ein geschäumtes Material sein.

In Fig.9 ist eine Schaufelzusammensteilung, bestehend aus einem Rotor 60 mit mehreren, im Winkelabstand zueinander angeordneten Schaufeln 61,dargestellt, wobei nur eine einzige Schaufel sichtbar ist. Jede der Schaufeln besteht aus mehreren, im Abstand zueinander liegenden Schichten 62 aus faserverstärktem, synthetischem Kunstharzmaterial, wobei die Schichten 62 im Schaufelfuß Zapfen mit dazwischenliegenden Schlitzen bilden. Der Rotor 60 besteht aus mehreren, im axialen Abstand zueinander angeordneten ringförmigen Schichten 63 aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, die mit den Schichten 62 verbunden sind.

Die Zwischenräume zwischen den Schichten 62 können, wie dargestellt, mit Schichten 64 aus faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial oder mit anderem Füllmaterial ausgefüllt werden. In gleicher Weise können die Zwischenräume zwischen den Schichten 63 mit einem derartigen Füllmaterial ausgefüllt werden oder mit teilringförmigen Schichten 65 aus faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial, das zwischen benachbarten Schichten 62 der Schaufeln 61 verläuft.

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Die gesamte Zusammenstellung nach Fig.9 kann dadurch hergestellt werden, daß die Schichten 62 bis 65 in entsprechender Weise angeordnet werden und daß dann die Aushärtung in einer Form erfolgt.

Fig.10 zeigt eine Rotorscheibe 66 mit Zapfen Jl am Schaufelfuß, die in der Rotorscheibe festgelegt sind. Der obere Teil der Fig.10 zeigt einen Schnitt durch den unteren Teil einer Schaufel, woraus erkennbar ist, daß die Schaufel einen hohlen mittleren Abschnitt 6b mit einer Wandstärke 69 auf beiden Seiten aufweist.

Die Zapfen ¹Jl passen in entsprechend gestaltete Ausnehmungen im äußeren Umfang der Rotorscheibe 66, die in Fig. 10 schematisch dargestellt ist. Es sind nur zwei Zapfen 71 dargestellt; es können aber auch mehrere Zapfen über die Länge der Schaufel

radialen

verteilt angeordnet sein. Die Rotorscheibe 66 weist einen/Innenabschnitt 67 auf, der aus synthetischem Kunstharzmaterial besteht und eine zentral angeordnete Ausnehmung 70 besitzt. Hierdurch kann Kühlluft zugeführt werden.

Die Zapfen 71 bestehen aus Schichten faserverstärktem synthetische» Kunstharzmaterials, die einander in der Weise überlappen, daß ihre Querschnittsfläche sich radial so verändert, daß die Bildung von Spannungskonzentrationen vermieden wird. Die Dicke der verschiedenen Schichten beträgt etwa 0,005 Zoll, um die Herstellung zu erleichtern.

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In Fig.11 ist schematisch eine Schaufel 72 dargestellt, die aus mehreren chichten 73 aus faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial besteht. Die Schaufel 72 ist an einem Rotor aus faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial festgelegt. Die Schichten 73 überlappen einander in der Weise, daß die Schaufel 72 mit einer Anzahl sich verjüngender Zapfen 75 ausgestattet ist, von denen nur einer sichtbar ist. Zwischen den Zapfen sind Schlitze vorgesehen.

In Pig.12 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, wobei Schaufeln 74 benutzt werden, deren Schaufelfüße 95 aus mehreren Zapfen 96 mit dazwischenbefindlichen Schlitzten 97 bestehen.

Jede der Schaufeln ist an der anderen Schaufel 94 mittels faserverstärkter synthetischer Kunstharzbänder 100 verbunden. Jedes der Bänder 100 weist einen Endabschnitt auf, der innerhalb des Schlitzes 97 der Schaufelfüße der Schaufeln 94 liegt und hierdurch festgelegt ist. Die Zusammenstellung der verschiedenen Bänder 100, die sich über verschiedene Wurzelabschnitte erstrekken, bilden eine dünne Rotorscheibe 101. Infolge der Überlappung der verschiedenen Bänder 100 wird die Scheibe 101 in der Mitte dicker als am Umfang und die Schlitze 97 werden daher entsprechend gestaltet. Gemäß einer anderen Ausführungsform könnten die Schaufeln 94 auch durch Pasern verbunden sein, die danach in synthetischem Kunstharzmaterial eingebettet werden.

Sämtliche Zwischenräume zwischen den Pasern der Scheibe 101 müssen ausgefüllt werden, um Druckdifferenzen Über die Scheibe zu vermeiden. 309841/0001

Die Rotorscheibe 101 ist mit einem Mittelloch (nicht dargestellt) ausgestattet, um Stabilisierungsmittel einführen zu können, die die Stellung der Pasern der Scheibe stabilisieren können. Der Durchmesser des Lochs wird durch die Zahl der Schaufeln 94, die Drehzahl der Zuaammensteilung,die Zentrifugalkraft, der die Schaufeln 94 ausgesetzt sind, und der Dicke der Pasern usw. bestimmt.

Die in Fig.12 dargestellte Auiührungsform kann dadurch hergestellt werden, daß Kunstharz in eine Form eingespritzt und ausgehärtet wird, gegebenenfalls unter Verwendung von in der Zeichnung nicht-dargestellten Teilen, die mit einem Lösemittel überzogen sind, um Hohlräume zu schaffen, die später durch Füllmaterial mit geringer Dichte ausgefüllt werden können, um eine Dämpfung zu erhalten, falls dies erforderlich ist.

Wie aus Pig.I^ dargestellt, können Bänder 104 benutzt werden, von denen jedes zwischen den Schlitzen 95 der Schaufel 94 und den nächsten eine Kettenlinienförmige oder eine andere Krümmung aufweist. Die Krümmung sollte im Idealfall so sein, daß die Zentrifugalkraft auf den Fasern des Bandes 104 durch die radial nach innen wirkende Belastung ausgeglichen wird.

Stattdessen können,wie aus Fig.l4 ersichtlich, Bänder 105 benutzt werden, die in ihrem zwischen der Schaufel 94 nach der nächsten verlaufenden Abschnitt gerade gestaltet sind. In diesem Falle ist die Rotorscheibe vorzugsweise mit mehreren Ringen 106 aus faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial ausgestattet,

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auf die ein Teil der von den Bändern 105 getragenen Zentrifugalbelastung übertragen wird, wobei die Ringe 105 in Ausnehmungen 106 der Schaufelfüße 95 festgelegt sind.

In Fig.15 ist eine Schaufelanordnung dargestellt, deren Schaufeln 110 aus faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial bestehen, wobei die Schaufeln von einem Rotor 111 getragen werden. Die Schaufeln 110 haben Schaufelfüße 112, die mit Schlitzen .113 ausgestattet sind, mit denen sie an Ringen 114 befestigt werden, die einen Teil des Rotors 111 bilden und aus faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial bestehen.

Eine ringförmige Nabe 115 aus mehreren Schichten faserverstärkten synthetischen Kunstharzmaterials ist in der Mitte des Rotors 111 angeordnet. Pasern 116, die in dem synthetischen Kunstharz (nicht dargestellt) eingebettet sind, sind an den Ringen

114 in der Nähe der Schaufelfüße 112 derart festgelegt, daß sie sich im wesentlichen radial von diesen erstrecken und sie sind außerdem an der ringförmigen Nabe 115 so festgelegt, daß sie tangential zu dieser Nabe verlaufen.

So ist jede Schaufel 110 mit einer anderen Schaufel über die Pasern 116 und den Nabenkörper II5 verbunden, wobei die Nabe

115 zur Stabilisierung der Lage dieser Pasern 116 dient. Die Nabe 115 macht es überflüssig, daß sich die Pasern 116 vollständig zwischen gegenüberliegenden Schaufeln erstrecken.

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Pig.16 zeigt eine Schaufelanordnung, die im wesentlichen jener nach Fig.15 entspricht. Bei der Ausbildung nach Fig.16 folgen die Fasern 116 jedoch einem geradlinigen Pfad, während nach Fig.15 die Fasern einem gekrümmten Pfad folgen.

Die vorbesehriebenen Konstruktionen sind in erster Linie zur Verwendung in Verbindung mit Kompressoren bestimmt; sie können jedoch auch bei Turbinen von Gasturbinenstrahltriebwerken angewendet werden, vorausgesetzt daß ein geeignetes Material gewählt wird.

Fig.17 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Schaufelanordnung mit faserverstärkten Schaufeln 11b, von denen nur eine dargestellt ist, deren Schaufelfuß II9 mehrere S_chlitze 120 aufweist, zwischen denen Zapfenl21 stehenbleiben. Die Schaufelanordnung weist einen Rotor 122 auf, der aus mehreren im Abstand zueinander liegenden Scheiben 123 besteht, deren äußerer Umfang in Schlitzen 121 der Schaufeln 118 eingelötet, eingeschweißt oder durch Kunstharz verbunden ist.

Wenn der Rotor 122 ein Kompressorrotor ist, dann können die Scheiben 123 als dünne Ringkörper ausgebildet werden, die eine relativ kleine radiale Tiefe d im Vergleich mit dem Durchmesser

Tief ρ

des Rotors 122 haben. Tatsächlich ist die radiale Mags d vorzugsweise die gleiche wie die Tiefe der Schlitze 120 in den Schaufelfußabschnitten. Wenn der Kompressor ein Mehrstufenaxialsfcrömungskompressor ist, dann kann jede der axialen Stufen eine Scheibe 123 aufweisen und die Stufen können miteinander dadurch verbunden

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werden, daß zwischen jeder Scheibe 123 ein ringförmiges Abstandselement (nicht dargestellt) eingefügt wird, an dem die entsprechendem Scheiben 123 befestigt werden, wodurch eine Trommelkonstruktion für den Kompressor geschaffen wird. Die Abstandshalter können aus Fasern gewickelt sein, wobei die Pasern ungefähr 45° gegenüber der Achse des Kompressors angestellt sind. Bei einer derartigen Anwendung auf Kompressoren können die Schaufeln und Scheiben wenigstens der ersten Stufe des Kompressors aus faserverstärkten duroplastischen Kunstharzen hergestellt werden und der Kompressor kann insgesamt aus solchem Material bestehen, vorausgesetzt, daß ein hochtemperaturwiderstandsfähiges Kunstharz benutzt wird.

Eine Schaufel llö für einen derartigen Kompressor braucht nicht mit Kuhlkanälen ausgestattet zu sein und es wird normalerweise eine massive Schaufel benutzt. Bei der Anwendung auf Turbinenschaufeln ist es jedoch wesentlich, Kühlkanäle zu schaffen, z*B. die in Fig.17 ersichtlichen XkfeüdüR Kühlkanäle 124.

Die Fig. Ib bis 21 zeigen die Beschaufelung und die Rotorausbildung für Anwendungen unter höheren Temperaturen,z.B. als Turbinenschaufel- und Rotoranordnung, für die Endstufe von Kompressoren.

Fig.18 zeigt einen Rotor 125, bestehend aus mehreren getrennten relativ dünnen Scheiben 126, die im axialen Abstand zueinander angeordnet sind. Mehrere der Schaufeln 130, deren Schaufelfüße 131 mit Schlitzen 132 ausgestattet sind, sind am äußeren Umfang der Scheiben 126 gelagert. Eine Scheibe wird dabei jeweils in

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BAD

einen der S_chlitze 1J2 eingeführt und darin befestigt, und zwar durch Verlötung, Verschweißung, durch Diffusionsbindung oder irgendein anderes Verfahren je nach dem benutzten Material. Bei einem Turbinenrotor können die Schaufeln und Läufer aus faserverstärkten Metallen z.B. Legferungen auf der Basis von Titan oder Nickel hergestellt werden. Es kann z.B. eine Niekel-Chrom-Matrix mit Nickel-Chrom-plattierten Kohlenstoffasern verstärkt werden. Jede Scheibe kann aus Paserstoffmaterial so gewebt werden, daß jede Schaufel 130 an wenigstens einer Schaufel 130 auf der Achse 133 dieser Scheibe gegenüberliegenden Seite befestigt ist.

Die Scheiben nach Fig.lö haben eine relativ große radiale Länge d, so daß nur eine relativ kleine öffnung 134 in der Mitte verbleibt. Die Breite jeder dieser Scheiben 126 nimmt nach dem radial inneren Ende hin zu, um den Träger für jene Teile der Schaufeln und Scheiben zu verstärken, die außerhalb des freien Hubradius liegen.

Wenn ein Zylinder um seine Längsachse mit sich vergrößernder Drehzahl gedreht wird, dann gibt es je nach Radius des Zylinders eine Drehzahl, bei der der Zylinder aufhört,selbsttragend zu sein und birst. Der Radius des Zylinders bei dieser Drehzahl ist bekannt als der freie Hubradius. Für jede Rotorscheibe, die bei einer gegebenen Drehzahl umläuft, existiert demnach ein freier Hubradius und sämtliches Metall der Scheibe außerhalb des freien Hubradius ist nicht selbsttragend und muß durch weiteres Metall innerhalb des freien Hubradius gehalten werden. Bei der Ausbildung nach Fig.18 liegt der freie Hubradius der Turbinenscheibe 126

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etwa zwischen den Dichtungen 137 und I.3Ö und deshalb wird das Metall, das radial außerhalb dieses Radius liegt und die Schaufeln einschließt, durch das Material am radial inneren Teil der Scheibe getragen, wo die Dicke vergrößert ist. Um die Verdickung so gering als möglich zu halten, wird die Tiefe des Metalls innerhalb des freien Hubradius vorzugsweise so groß als möglich gehalten und deshalb sollte das Loch 134 im Mittelteil der Scheibe so klein als möglieh gemacht werden.

Eine Stirnplatte 135 ist an einer der radial äußeren Scheiben 125 befestigt und eine Kupplung (vorzugsweise eine Kupplung, die unter dem Warenzeichen "Curvic" vertrieben wird) ist auf diese Stirnplatte aufgesetzt, durch die die Antriebskräfte von dem Rotor nach einer nicht-dargestellten Welle übertragen werden können.

Dichtungen 137*130 sind an der Stirnplatte 135 bzw. der äußersten gegenüberliegenden Scheibe 126 befestigt und diese Dichtungen 137* 138 dichten in unterschiedlichen radialen Höhen auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors ab. Dies unterstützt den Ausgleich der S_chubbelastungen des Rotors, die durch verschiedene Gasdrücke verursacht werden, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors herrschen. Das heißt die Anordnung der Dichtungen 137,130 ist derart, daß diese unterschiedlichen Gasdrücke auf unterschiedliche Flächen in entgegengesetzten Richtungen des Rotors wirken.

Die Schaufeln 130 sind hohl und so kann Kühlluft durch die Zwischenfräume zwischen den dünnen Scheiben 126 und durch Löcher l4l

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in den Schaufelfußabschnitten nach dem Inneren der Schaufel gelangen, wodurch eine Kühlung sowohl der Schaufeln als auch des Rotors bewirkt wird.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung, die in Fig.19 dargestellt ist, besteht der Rotor 142 aus mehreren relativ dünnen Scheiben,von denen einige Scheiben l4j dicker sind als andere Scheiben 144.

Mehrere Schaufeln 145 sind am radial äußeren Umfang des Rotors mittels Zapfen festgelegt, von denen einige (146) dicker sind als andere (147). Die Anordnung ist derart, daß zwei der dünnen Scheiben 144 zwischen je zwei dickeren Scheiben l4j5 liegen. Jede der dickeren Scheiben l4^ ist radial überlappend bezüglich zweier Zapfen 147 angeordnet, wobei je einer an jeder Seite der Scheibe l4j5 ist. Die beiden dünneren Scheiben 144 zwischen den dickeren Scheiben sind in radial überlappender Anordnung auf jeder Seite der dickeren Zapfen 146 angeordnet. Hierdurch wird ein Kühlluftpfad innerhalb des Schaufelfußes selbst geschaffen, so daß eine wirksamere Kühlung des gesamten Rotors möglich wird.

Die übrige Ausbildung nach Fig.19 entspricht jener nach Fig.18 und braucht daher nicht gesondert beschrieben zu werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.20 dargestellt, wobei ein Rotor 150 zwei Scheiben 151 mit einer Mittelöffnung 152 und einem relativ dünnen Abschnitt 153 aufweist, wodurch die Dicke sowohl am radial inneren Ende 154 als auch *j».

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radial äußeren Ende 155 vergrößert wird. Am Ende 155 sind mehrere Vorsprünge 156 λπι radial äußeren Umfang jeder Scheibe vorgesehen und diese Vorsprünge greifen in entsprechend geformte Schlitze im Schaufelfuß 157 jeder Schaufel 158 ein. Die Scheibendicke am Ende 154 wird vergrößert, so daß jene Teile der Scheibe und Schaufeln, die außerhalb des freien Hubradius der Scheibe liegen, ausreichend getragen werden.

In Fig.21 ist eine Abänderung dargestellt, die bei jeder der Konstruktionen nach Fig.17 bis 20 Anwendung finden kann, wobei die radialen oder im wesentlichen radialen Schaufeln I60 zwischen Scheiben 161 angeordnet sind, so daß Kühlluft dazwischen htidurchtreten kann, die durch die Wirkung der Zentrifugalkraft komprimiert wird. So kaun die Kompression und damit die Kühlwirkung der Kühlluft, die ursprünglich auf niedriger Temperatur und niedrigem Druck steht, (z.B. abgezapft vom Niederdruckkompressor) durch die Wirkung der Radialschaufeln 16O erhöht werden. Die Schaufeln I60 bewirken auch eine axiale Abstützung der Scheiben 161.

In Fig.22 ist eine Schaufelanordnung dargestellt, bestehend aus einem Kompressortrommelrotor 162, der mit faserverstärkten Rotorschaufeln I63 versehen ist, deren Schaufelfüße, wie z.B. aus Fig.l ersichtlich, mit mehreren Schlitzen und Zapfen ausgestattet sind.

Der Rotor 162 ist kontinuierlich auf einem Formkörper aus Fasern oder einem Faserbündel aufgewickelt. Dies wird dadurch bewirkt, daß

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der Formkörper durch nicht-dargestellte Mittel gedreht und gleichzeitig die Fasern quer nach hinten und vorn in axialer Richtung' längs des Formkörpers verschoben werden, wodurch eine schrauben-* linienförmige Wicklung gebildet wird, deren Winkel so liegt, daß er in der Richtung der Hauptzugbeanspruehung^everläuft, die auf den Rotor bei Drehung infolge der Drehmomentbelastung übertragen werden.

Die Fasern des Rotors 162 werden während des Aufwickelvorganges mit einem Kunstharz oder einem Metall überzogen, je nach der Temperatur,unte?y der Rotor arbeiten muß. Kompressivbelastungen, die während der Drehung des Rotors auftreten, werden in dem Metall oder der Kunstharzmatrix aufgenommen,die so gebildet wird.

Die Enden des Rotors 162 sind mit rings umlaufenden Fasern lbk verstärkt und dies geschieht dadurch, daß die Aufwickelvorrichtung an beiden Enden atfonftftfrfrKta ein wenig verweilt und hierdurch wird eine Vorrichtung geschaffen, um die Fasern zu verankern, während die Wicklungsrichtung geändert wird.

Um das Gewebe des Rotors 162 herzustellen und den Formkörper nachträglich entfernen zu können, ist dieser Formkörper etwas verjüngt ausgebildet und mit einem später entfernbaren Überzug 3$x versehen, um eine Ablagerung von Material der Matrix auf den Oberflächen zu verhindern. Um Löcher für die mit Zapfen versehenen Schaufelfüße herzustellen, können Pflöcke 165 (Fig.23) in den Formkörper an den gewünschten Stellen eingefügt werden und

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diese Pflöcke 165 sind mit einem ausschmelzbaren Mittel ausgestattet, um eine Haftung an der Kunstharz- oder Metallmatrix zu

Pf
verhindern und um später diex&Löcke leicht entnehmen zu können.

Während des Webvorganges wird dafür Sorge getragen, daß Faserabschnitte 166, die in Strömungsrichtung von dem stromoberseitigen nach dem stromunterseitigen Ende des Rotors verlaufen,zwischen den Stellen, an denen die Schaufeln 163 festgelegt werden, hindurchlaufen, während Faserabschnitte I67, die vom stromunterseitigen Ende nach dem stromoberseitigen Ende des Rotors verlaufen, einen entgegengesetzten Schraubenanstiegswinkel haben. Die Faserabschnitte 167 verlaufen über mehrere Schaufelstellungen und liegen zwischen den Stopfen 165, so daß sie schließlich zwischen den Zapfen der Schaufelfuße zu liegen kommen.

Der Rotor 162 kann mit in Umfangsrichtung verlaufenden Fasern 170 an Stellen verstärkt sein, wo Zentrifugalbelastung eine hohe Hubbeanspruchung bewirkt. Außerdem können Schichten axial angeordneter Fasern 171 auf den Rotor 162 gewickelt werden, damit sie den Biegebeanspruchungen standhalten, die während der Drehung auftreten. Durch sorgfältige Einschätzung von Größe und Richtung der betriebsmäßig auftretenden Belastungen des Motors 162 kann die Zahl und die Richtung entsprechender Schichten von Fasern kleingehalten werden, um einen Rotor mit maximaler Festigkeit und minimalem Gewicht zu schaffen.

Fig.2J zeigt im einzelnen die Auslegung der Fasern 166,167, 170,171 und veranschaulicht, wie die Faserabschnitte 166 miteinander gebündelt werden können.

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Falls erforderlich, kann die Drehzahl der Wickelvorrichtung und/ oder die Drehung des Formkörpers geändert werden, so daß die Fasern unter sich änderndem Winkel aufgewickelt werden.

Der Rotor kann eine konische Gestalt aufweisen, die durch Aufwickeln von Fasern in Schichten gebildet wird und die Axialverschiebung kann an verschiedenen Punkten längs der Achse des Abschnitts beendet werden. Da der Rotor 162 ein Kompressorrotor ist und deshalb relativ niedrigen Temperaturen unterworfen wird, können die Fasern 166,167» 170,171 mit Kunstharz, z.B. einem Epoxydharz, einem Polyamid-, einem Polyquinoxalin-, einem Polythiazol- oder einem Polybenzimidazol-Kunstharz oder Kettenpolymerisaten verstärkt werden.

Die in den Fig.22 und 23 dargestellte Konstruktion könnte für Turbinenläufer benutzt werden, die unter relativ hohen Temperaturen arbeiten und in diesem Fall können die Fasern mit einem Metall oner mit einer Metallegierung, z,B.Nickel, Chrom, Niob, Tantal oder einer aus Nickel und Chrom bestehenden Legierung überzogen werden. Kohlenstoffasern können sogar mit Kohlenstoff überzogen werden.

Die Fasern selbst können Kohlenstoffasern, Borfasern oder Siliziumfasern sein.

Wenn metallüberzogene Fasern benutzt werden, können diese gleichzeitig bei der Bewicklung in einem elektrolytischen Verfahren

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mit Metall überzogen werden oder das Metall kann in geschmolzenem Zustand aufgesprüht werden oder es kann eine Dampfablagerung stattfinden. Ein solches Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung R 46 964- V3b/48b beschrieben.

Bei der in Fig.24 dargestellten Schaufelanordnung werden die Ringe 172,173 der faserverstärkten Schaufeln, die wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig.l Sehaufeifüße mit mehreren Schlitzen und Zapfen dazwischen aufweisen können, durch faserverstärkte Ringkörper 174,175 getragen. Die Ringkörper 174,175 werden im axialen Abstand zueinander durch einen Abstandshalterring IJb gehalten, der aus faserverstärktem Metall oder einer Kunstharzmatrix besteht. Die Pasern des Abstandsringes 176 sind so orientiert, daß sie längs der Richtungen der Hauptbeanspruchungen liegen, wie oben beschrieben. Der Abstandshalterring 176 kann mit rings umlaufenden Pasern IbO und axialen Tasern 181 versehen sein, um den Hubbeanspruchungen und den Biegebeanspruchungen, wie oben, widerstehen zu können.

Bei dem·Ausführungsbeispiel nach Fig.25, das dem Ausführungsbeispiel nach Fig.24 gleicht und deshalb nicht im einzelnen beschrieben zu werden braucht, wurden gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung entsprechender Teile benutzt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 25 sind jedoch die Ringkörper 174,175 nicht durch einen Abstandhalterring 176 verbunden, sondern auf einem SE Rotor 182 festgelegt. Der Rotor 182 kann aus schraubenlinienförmig gewickelten Faserelementen bestehen, wobei auch hier eine Ver-

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Stärkung mittels umfänglichen und axialen Fasern vorgenommen werden kann.

Bei der in Fig.26 dargestellten Schaufelanordnung ist ein beschaufelt er Rotor Ib¹J vorgesehen, der, wie bei den Fig.22 und 25 oder 24 oder 25 von einer Turbine 184 über einen kegelstumpfförmigen Bauteil 185 angetrieben werden kann, der aus gewickelten Fasern besteht. Der kegelstumpf förmige Bauteil 1Ö5 treibt den Rotor I8j5 über eine Kupplung 186 an, die von einer Bauart sein kann, ä± wie jene, die unter dem Warenzeichen "Curvic" vertrieben wird.

In Fig.27 ist eine Schaufelanordnung dargestellt, bestehend aus einem beschaufelten Rotor I90, aus faserverstärktem, synthetischem Kunstharzmaterial und diese Ausführung kann als eine Modifikation der Ausführungen nach Fig.2 betrachtet werden und es ist daher eine Herstellung in gleicher Weise möglich.

Der beschaufelte Rotor IfK) weist am Umfang eine Gruppe von aufeinander ausgerichteten,im axialen Abstand zueinander liegenden Ringen 191,192 auf, von denen die Endringe 19I der Gruppe radial nach außen von dem inneren Teil 192 der Gruppe vorstehen, so daß dazwischen ein Ringraum 195 gebildet wird.

Die Schaufeln 194 weisen Schaufelfüße 196 auf, die in den Ringraum 193 einstehen und die mehrere Schlitze (nicht dargestellt) mit dazwischenliegenden Zapfen besitzen, die in den Zwischenräumen zwischen den Ringen 191,192 festlegbar sind. Jeder Schaufelfuß

Der beschaufelte Rotor 19O trägt mehrere im Winkelabstand zueinander angeordnete Schaufeln 194 aus faserverstärktem synthetischen Kunstharzmaterial. Die Schaufelflanken 195 sind aus Faserschichten zusammen- ·/· gesetzt, in denen die Fasern so angeordnet sind, daß sie einem Winkel gegenüber der Längserstreckung der Schaufel liegen, um einen erhöhten Widerstand gegenüber Torsionsbeanspruchungen zu gewährleisten.^-

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196 weist an den in Umfangsrichtung entgegengesetzten Seiten einen im wesentlichen L-förmig gestalteten Füllkörper 197 aus faserverstärktem synthetischem Kunstharzmaterial auf. Jeder L-förmig gestaltete Füllkörper 197 liegt innerhalb des Ringraumes 195* steht jedoch radial nach außen über diesen.vor.

Die Fasern in jedem L-förmig gestaltetem Füllkörper 197 laufen von dem radialen Schenkel 200, d.h. von jenem Teil in der Nähe des Schaufelfußes 196 nach dem im Umfangsrichtung verlaufenden Schenkel 201, d.h. jenen Teil in der Nähe des Ringes 192 in einem großen Radius. Die Fasern in dem radialen Schenkel 200 sind mit den Fasern des Schaufelfußes 196 verbunden und überlappen diese Fasern, während die Fasern in dem in Umfangsrichtung liegenden Schenkel 201 mit den Fasern am Umfang des Ringkörpers I92 verbunden sind und diese überlappen. So bildet der L-förmig gestaltete Füllkörper 197 Schaufeln mit zusätzlichem Widerstand am Schaufelfuß gegenüber Torsions- und Vibrationsbeanspruchungen.

Jeder Abschnitt des Ringraumes 195* der nicht durch die Schaufelfußabschnitte 196 und durch den L-förmig gestalteten Füllkörper 197 eingenommen wird, kann mit faserverstärktem Kunstharz 202 oder stattdessen mit zusätzlichen Blättern oder Bändern (nicht dargestellt) aus Fasern ausgefüllt werden, die in dem Kunstharz eingebettet werden. Die Fasern dieser zusätzlichen Blätter oder Bänder können sich entweder in Umfangsrichtung erstrecken oder in einem Winkel gegenüber der Umfangsrichtung angestellt sein, so daß ein zusätzlicher Widerstand gegenüber Torsionsbeanspruchungen und Vibrationsbeanspruchungen erhalten wird.

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Patentansprüche ;

Claims

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Patentansprüche:

1. Stromlinienförmig gestaltete Schaufel.für Strömungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (20) eine Faserverstärkung aufweist und in ihrem Schaufelfuß (30) mehrere Schlitze (32) mit dazwischen, befindlichen Zapfen (31) besitzt.

2. Schaufel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Schaufel (20) aus synthetischem Kunstharzmaterial besteht, das mit diesen Fasern verstärkt ist.

3. Schaufel nach den Ansprüebsi 1 oder 2,
dadurch g ek ennz ei chnet , daß die Fasern kohlenstoffhaltige Fasern sind.

4. Schaufel nach den Ansprüchen 1 bis 3>
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaufel (20) aus übereinandergefügten Schichten (21 bis 26) besteht, die so gestaltet sind, daß die Schaufel das erforderliche Sohaufelprofil erhält und mit Schlitzen (32) und Zapfen (31) ausgestattet ist.

5. Schaufel nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (21 bis 26) Blätter aus faserverstärktem synthetischem Kunsbharzmaterial sind, die zwecks Erzeugung der fertigen Schaufel (20) zusammengepreßt werden.

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6. Schaufel nach Anspruch 4, I O / O 3 ö U dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht (21 bis 26) aus einem Paserblatt besteht, wobei die Faserblätter unter Druck in einer Schaufeiförmigen Form untergebracht werden und ein synthetisches Kunstharzmaterial eingespritzt wird.

7. Schaufel nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet , daß der oder jeder Schlitz (32) durch maschinelle Bearbeitung des Schaufelfußes nach Herstellung der letzteren erzeugt wird.

8. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaufel (90) hohl ausgebildet ist.

9. Schaufelzusammenstellung zur Verwendung in einer Strömungsmaschine mit Schaufeln nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehbarer Träger (33) vorgesehen ist, der im Winkelabstand zueinander Schaufeln (20) trägt.

10. Schaufelanordnung nach Anspruch 9»

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens jene Teile des drehbaren Trägers(33), die direkt mit den Schaufeln verbunden sind, aus faserverstärktem Material bestehen.

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11. Schaufelanordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet , daß jene Teile des drehbaren Trägers aus dem gleichen faserverstärkten Material wie die Schaufeln bestehen.

12. Schaufelanordnung nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaufeln des drehbaren Trägers aus mehreren Schichten faserverstärkten Materials bestehen, die miteinander verbunden sind.

13. Schaufelanordnung nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Träger mehrere aufeinander ausgerichtete, im axialen Abstand zueinander liegende Ringe oder Scheiben (33) aufweist, und daß die Zapfen (31) der Schaufelfüße in den Zwischenräumen (34) zwischen den Ringen oder Scheiben oder in Schlitzen (56) der Ringe oder Scheiben (33) festgelegt sind.

14. Schaufelanordnung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet ,

daß Mittel (z.B.35) vorgesehen sind, um wenigstens die rsüLal äußeren Abschnitte der Zwischenräume (34) auszufüllen, die zwischen benachbarten Schaufeln (20) verbleiben.

15. Schaufelanordnung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet ,

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daß wenigstens die radial äußersten Abschnitte der Zwischenräume (34) mit synthetischem Kunstharzmaterial ausgefüllt ^x- sind, das in diese eingespritzt und sowohl mit den Ringen als auch mit den Schaufeln verschmolzen wird.

16. Schaufelanordnung nach den Ansprüchen 13 bis 15,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe oder Scheiben durch Guß faserverstärkten synthetischen Kunstharzmaterials hergestellt sind.

17. Schaufelanordnung nach Anspruch IJ bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Ringe oder Scheiben dadurch hergestellt sind, daß mehrere Blätter (37) oder Wicklungen (41) faserverstärkten synthetischen Kunstharzmaterials zusammengepreßt werden.

lö. Schaufelanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (94) mit wenigstens einer anderen Schaufel über'Fasern (104) verbunden ist, deren Endabschnitte innerhalb der Schlitze der Schaufelfüße (95) festgelegt sind.

19· Schaufelanordnung nach Anspruch Ib, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen Teil faserverstärkter synthetischer Kunstharzbänder bilden.

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20. Schaufelanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Band (104) zwischen den Schaufelfüßen (95) gekrümmt verläuft.

21. Schaufelanordnung nach den Ansprüchen 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Träger mit rings umlaufenden Pasern ausgestattet ist.

22. Schaufelanordnung nach den Ansprüchen 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß die Zapfen (71) aus Schichten aus faserverstärktem Material bestehen und daß sich die Breite der Anordnung im Querschnitt radial so verändert, daß die Bildung von Spannungskonzentrationen verhindert wird.

23. Schaufelanordnung nach Anspruch 13* dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Ringen bzw. Scheiben mit Kühlkanälen (24) in den Schaufeln (lib) in Verbindung stehen und daß Mittel vorgesehen sind, um Kühlluft durch die Zwischenräume in die Kühlkanäle einzuleiten.

24. Schaufelanordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen radial verlaufendeSchaufeln (IbO) in den

■Zwischenräumen angeordnet sind und daß die Schaufeln im Be-309841/0001

trieb eine Erhöhung der Kompression der durch die Zwischenräume hindurchtretenden Kühlluft bewirken.

25· Schaufelanordnung nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennz ei chnet , daß der drehbare Träger Fasern aufweist, die sich in Richtung der Hauptspannungsbeanspruchung, die von dem Lastdrehmoment während der Drehung herrühren, in den drehbaren Träger erstrecken.

26. Schaufelanordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Träger (162) dadurch gebildet wird, daß ein Faserbündel axial zu dem Träger geleitet wird und daß gleichzeitig der Träger gedreht wird, so daß eine schraubenlinienförmige Wicklung entsteht.

27· Schaufelanordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß der drehbare Träger dadurch hergestellt wird, daß ein axial hin- und hergehender Wickelmechanismus benutzt wird, der am Ende der Axialbewegung für eine kurze Zeitdauer stationär gehalten wird, so daß die Faser oder das Faserbündel wenigstens eine umfängliche Windung bildet.

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2b. Schaufelanordnung nach den Ansprüchen 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet , daß die Geschwindigkeit der axialen Verschiebung und die Drehung derart aufeinander abgestimmt sind, daß in einer Richtung die Paser oder das Faserbündel zwischen den Schaufeln zuliegen kommt und in der entgegengesetzten Richtung jslax die Faser oder das Faserbündel zwischen den Zapfen der Schaufelfuße hindurchlaufen.

29. Schaufelanordnung nach den Ansprüchen 9bis 2Ö, dadurch gekennzeichnet , daßmjeder Schaufelfuß (196) jeder Schaufel (194) an jeder der in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Seiten mit einem im wesentlichen L-förmigen Füllorgan (197) ausgestattet ist, wobei jedes Füllorgan (197) Fasern aufweist, die radial verlaufende Abschnitte (200) besitzen, die mit den Fasern des entsprechenden Schaufelfußes (196) verbunden sind, und daß jeder Füllkörper außerdem in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitte (201) aufweist, die mit den Fasern in dem drehbaren Träger (190) verbunden sind, und daß die Füllkörper (197) Schaufeln (194) bilden, die eine zusätzliche Festigkeit gegenüber Torsions- und Vibrationsbeanspruchungen bilden.

30. Schaufelanordnung nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet , daß die Schaufelflanken (195) aus Fasern gebildet werden, die in einem Winkel gegenüber der Länge der Schaufel (194) angestellt sind, um einen erhöhten Widerstand gegenüber Torsionsbeanspruchungen zu bilden.

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51. Schaufelanordnimg nach den Ansprüchen 15 bis 17 und 29,50, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe oder Scheiben (191,192) gruppenweise angeordnet sind, wobei die Endglieder (191) der Gruppe radial nach außen über die inneren Teile (192) der Gruppe vorstehen, um einen Ringraum (195) Zu bilden, in dem die Füllkörper (197) angeordnet sind.

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