DE1751490A1

DE1751490A1 - Light blading for turbo machines

Info

Publication number: DE1751490A1
Application number: DE19681751490
Authority: DE
Inventors: Seiwert David Leo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-09-08
Filing date: 1968-06-07
Publication date: 1971-07-08
Also published as: BE716302A; GB1231077A; CH478333A; FR1568546A; NL6808005A

Description

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General Electric Company S ch e η e et ad y ,N₀Y₀ (USA)General Electric Company S ch e η e et ad y, N ₀ Y ₀ (USA)

Leichtbeschaufelung für TurbomaschinenLight blading for turbo machines

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit aerodynamischem Strömungsprofil, und zwar eine Leichtschaufel, insbesondere für Kompressoren mit axialer Strömung, wie sie in Turbinen verwendet werden.The invention relates to a turbine blade with aerodynamic Flow profile, namely a lightweight blade, in particular for axial flow compressors such as those used in turbines.

Spätestens seit der ersten Verwendung von Gasturbinen für den Antrieb von Flugzeugen hat sich in steigendem Masse die Forderung ergeben, das Gewicht der Antriebsmaschine herabzusetzen. Intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind ausgeführt worden, um das Verhältnis vom Schub zum Gewicht, d_eh» den spezifischen Schub darartiger Maschinen zu erhöhen, wobei es zu vielen Neuerungen und technologischen Fortschritten gekommen ist« In neuerer Zeit ist dieAt least since the first use of gas turbines to drive aircraft, there has been an increasing demand to reduce the weight of the prime mover. Intensive research and development work has been done to the ratio of thrust to weight d to increase _e h "the specific thrust darartiger machines, there have been many innovations and technological advances" More recently, the

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Forderung zur stärkeren Erhöhung des spezifischen Schubs verstärkt worden durch das Bestreben, Flugzeuge zu schaffen, die senkrecht starten und landen können bzw<> nur kurze Start» und Landebahnen benötigen} derartige Flugzeuge werden als sogenannte V/STOL-Flugzeuge bezeichnet.Demand for a greater increase in the specific thrust has been reinforced by the effort to create aircraft that can take off and land vertically or <> only require short take-off and landing runways} such aircraft are referred to as so-called V / ST OL aircraft.

Bei der Ausdehnung des V/STOL-Programmes ist vorgeschlagen worden, sogenannte direkte Auftriebetriebwerke zu verwenden, die ausschliesslich einen senkrecht gerichteten Schub beim Starten bzw₀ Landen erzeugen, während die Vorwärtsbewegung durch andere Triebwerke bewirkt wird« Für den technischen Erfolg derartiger direkten Auftriebstriebwerke ist es von äusserster Wichtigkeit, extrem hohe spezifische Schubleistungen zu erreichen, da diese Maschinen während der Vorwärtsbewegung des Flugzeuges unbenutzt bleiben und daher während dieser Zeit ein Totgewicht innerhalb des " Flugzeugs darstellen.With the expansion of the V / STOL program has been proposed to use so-called direct Auftriebetriebwerke that "is exclusively a vertically directed thrust when starting or produce ₀ lands, while the forward movement is caused by other engines for the technical success of such direct lift engine sources of the utmost importance to achieve extremely high specific thrust performance, since these machines remain unused during the forward movement of the aircraft and therefore represent a dead weight within the "aircraft" during this time.

Um das angestrebte Ziel vorspezifischer Schubleistungen zu erreichen, wurde vorgeschlagen, anstelle metallischer Bauteile zusammengesetzte Bauteile, d.h. sogenannte Verbundbauteile zu benutzen, für deren Einsatz bereits erhebliche Aufwendungen gemacht worden sind. Wegen ihrer hohen Festigkeit, bezogen auf das Gewicht und ihrer umfangreiohen Verwendung auf anderen technischen Gebieten ist in extensivem Ausmass vorgeschlagen worden, gebundene Glasfasern als V©r~In order to achieve the desired goal of pre-specific thrust performance It has been proposed to use composite components instead of metallic components, i.e. so-called composite components to use, for the use of which considerable expenditures have already been made. Because of their high strength, based on weight and their extensive use in other technical fields is extensive Extent has been proposed to use bonded glass fibers as V © r ~

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bundmat«rial zum Gebrauch in kühleren Bereichen von Gasturbinentriebwerken zu verwenden« Weiterhin sind Vorschläge und Arbeiten bekanntgeworden, Verbundmaterialien aus Bor-
bzwc Boronfasern sowie Graphit und anderen Materialien herzustellen, um extrem hohe Festigkeitswerte, bezogen auf das Gewicht, zu erreichen, da auf diesem Wege das Gesamtgewicht einer Arbeite- bzw« Antriebsmaschine vorgegebener Grosse
und Type entsprechend vermindert »erden kann.bund material to be used in cooler areas of gas turbine engines. Furthermore, proposals and work have become known to use composite materials made of boron
or to produce boron fibers as well as graphite and other materials in order to achieve extremely high strength values, based on weight, since in this way the total weight of a work or drive machine of a given size
and type can be reduced accordingly.

In einigen Fällen ist der Austausch bekannter Elemente durch leichtgewichtige Verbundmaterialien bis zu einem gewissen
Grade eine Routineangelegenheit geworden. Das trifft jedoch bei weitem nicht für alle Fälle zu, insbesondere haben sich infolge der bei Turbinenschaufeln auftretenden Spannungs-
bzw»· Belastungskräften teilweise sehr schwierige Prob"eme
im Hinblick auf eine Verwendung von leichtgewichtigen Verbundmaterialien ergeben. Die kräftemässige Belastung, denen diese Turbinenschaufeln ausgesetzt sind, sind dreidimensional., d«h. in Längsrichtung, nämlich eine Achsbelastung oder im Falle von Rotorschaufeln eine zentrifugale Belastung;
in Querrichtung, nämlich von der Anström- zur Abatrömkante
und schliesslich Korrosionsspannungen, d,h₀ eine durch die
unsymmetrischen Gaskräfte auf die Schaufel ausgeübte Verdrillungskraft, Ausgehend von der Tatsache, dass die Fasern oder Fäden von lameliiertem Material im wesentlichen nur inIn some cases, the replacement of known elements with lightweight composite materials is up to a certain point
Just become a routine matter. However, this is by far not the case in all cases, in particular as a result of the stresses that occur in turbine blades.
and / or loading forces sometimes very difficult problems
with a view to using lightweight composite materials. The force loads to which these turbine blades are exposed are three-dimensional. in the longitudinal direction, namely an axial load or, in the case of rotor blades, a centrifugal load;
in the transverse direction, namely from the leading edge to the leading edge
and finally corrosion stresses, d, h ₀ one through the
unsymmetrical gas forces exerted on the blade, based on the fact that the fibers or threads of laminated material are essentially only in

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einer Richtung starke Spannungen aufnehmen können» sind viele Vorschläge gemacht worden, die Fasern in der verschiedensten Art und Weise zu orientieren» um in befriedigender Weise die drei primären Krafttypen» welche auf die Turbinenschauiein einwirken» aufnehmen zu können» Jedoch ist keiner dieser Vorschläge in vollem Umfang brauchbar, insbesondere ist es nicht möglich_f damit den hohen Anforderungen zu genügen ι die bei derartigen Maschinen an die Material- bzw« Arbei tskenngrb'ssen gestellt werden«can absorb strong tensions in one direction », many suggestions have been made to orient the fibers in the most varied of ways» in order to be able to absorb the three primary types of force »which act on the turbine viewing in a satisfactory manner». However, none of these suggestions is fully extent useful, especially, it is not possible _for so the high demands ι to satisfy placed on the material or "elaboration tskenngrb'ssen in such machines"

Ein weiteres Problem, das von besonderer Wichtigkeit bei Kompressors ch'auf ein ad_βdgl« ist_t ergibt sich aus der Forderung einer entsprechenden Biegefestigkeit bzw«, Steifheit» Biegefestigkeit bzw» Steifheit ist deswegen erforderlich, damit die Beschaufelung die vorgegebene aerodynamische Gestalt während des Betriebes der Turbine od.dgl« beibehält sowie zu dem Zweck» dass während des Betriebes der Turbine odtdglo keine natürlichen Resonanzfrequenzen in der Beschaufelung induziert werden, da derartige Resonanzfrequenzen eine Eigenzerstörung bewirken würden selbst in dem Fall_# dass die aerodynamischen Belastungen auf die Schaufeln innerhalb zulässiger Belastungsgrenzen bliiben.Another problem which is of particular importance in compressor ch'auf an ad _β like "is _t arises from the requirement of a corresponding flexural strength or" stiffness "flexural strength or" stiffness is therefore necessary for the blades the predetermined aerodynamic shape during operation of the turbine or the like, "maintains and to the objective" that during operation of the turbine odtdglo no natural resonance frequencies in the blades are induced because such resonance frequencies would cause self-destruction even in the case _# that the aerodynamic loads on the blades within permissible Load limits remain.

Ein weiteres sich aus der Verwendung von Faserverbundmaterialien, insbesondere solcher niedrigen spezifischen Gewichts ergebendes Problem ist das des Abtriebswiderstandes« Denn es ist während des Betriebes der GasturbinenAnother result from the use of fiber composite materials, especially those low specific ones The weight-giving problem is that of the output resistance. “Because it is during the operation of the gas turbines

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unvermeidlich., dass Schmutz, Sand oder andere abrasive Materialien in die Turbine gelangen und mit der Turbinenbeschaufelung in Berührung kommen, insbesondere mit der Beschaufelung der Kompressoren derartiger Turbinen bzw» Turbinentriebwerke ο Die während des praktischen Betriebes auftretenden abrasiven Materialien führen dazu, dass die Lebensdauer konventioneller Faserverbundmaterialien in ganz erheblichem Masse verkürzt wird_e unavoidable that dirt, sand or other abrasive materials get into the turbine and come into contact with the turbine blades, in particular with the blades of the compressors of such turbines or »turbine engines ο The abrasive materials occurring during practical operation lead to the service life being more conventional Fiber composite materials are shortened to a very considerable extent _e

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, Metallblech für die Beschaufelung zu verwenden, um die Schwingungs- und Abriebschwierigkeiten zu überwinden_Q Jedoch konnten derartige Vorschläge wegen grundlegender Festigkeitsschwierigkeiten nicht in bemerkenswertem Ausmass verwirklicht werden,It has also been proposed, sheet metal for the blades to be used to overcome the vibration and abrasion difficulties _Q However, could not be realized to a remarkable extent such proposals because of fundamental strength difficulties

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend aufgezeigten Schwierigkeiten bei der Verwendung von Faserverbundmaterialien zu überwinden bzw. so weitgehend herabzusetzen, dass ihre praktische Anwendung ohne weiteres möglich ist„Insbesondere soll durch die Erfindung ein» Faserverbundschaufel geschaffen werden, mit der es möglich ist, das Gewicht von Turbomaschinen od_edgl_e, insbesondere von Kompressoren in Gasturbinen bzw· Gasturbinentriebwerken herabzusetzen, auf welche Welse ein erhöhter spezifischer Schub derartiger Maschinen erreicht werden soll«Object of the invention is to overcome the above-identified problems in the use of fiber composite materials or as far lower that its practical application is readily possible "Especially to a" fiber composite blade are provided by the invention with which it is possible to weight of turbomachinery od _e _e the like, in particular of compressors in gas turbine or gas turbine engines · reduce to which catfish a high specific thrust of such machines is to be achieved "

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Diese Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufel gelöst, die erfindungsgemäss einen zentralen Faserkern aufweist, der gebundene, sich in Längsrichtung erstreckende Fasern enthält mit einem metallischen Überzug umhüllt ist, der an den Faserkern gebunden bzw_o mit diesem verbunden ist, wobei die Fasern in der Hauptsache die im wesentlichen in Längsrichtung auftretenden grösseren Spannungen aufnehmen, während der metallische Überzug bzw« die metallische Hülle die erforderliche Quer- und Torsionsfestigkeit bewirkt_o Auf diese Weise wird gleichzeitig ein Schutz der Fasern gegen die Abriebswirkung von Sand- oder Schmutzteilchen, welche durch den Kompressor hindurchtreten, erreicht. Dies ist «on besonderer Bedeutung insoweit, als hierdurch die Brauchbarkeit von Glasfiberverbundkörpern auf die Herstellung von Turbinenschaufeln ausgedehnt wird, -wobei die Vorteile und Fortschritte der hochentwickelten Technologie zur Herstellung von Glasfasern und die Technik für die Behandlung und die Bindung von Glasfasern ausgenutzt werden.This object is solved with a turbine blade according to the invention comprises a central fiber core, the bound, extending in the longitudinal direction of fibers contains is coated with a metallic coating, is connected to the bound to the fiber core or _o with this, the fibers in the main, the take up substantially in the longitudinal direction occurring larger voltages, or while the metallic coating "the metallic shell the necessary transverse and torsional stiffness causes _o in this way, at the same time a protection of the fibers against the abrasive action of the sand or dirt particles that pass through the compressor, achieved. This is of particular importance insofar as this extends the usefulness of fiberglass composite bodies to the manufacture of turbine blades, whereby the advantages and advances of the highly developed technology for the manufacture of glass fibers and the technology for the treatment and bonding of glass fibers are exploited.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung liegt darin, dass Turbinenschaufeln hergestellt werden, deren Kern sich in Längsrichtung erstreckende aneinander gebundene Fasern enthält_s Dieser Kern ist weiterhin mit einem metallischen Überzug bzw, mit einer metallischen Umhüllung ver-39hen, die bzw„ der mit dem Kern verbunden bzw» an diesen gebunden ist, Um das Material in bester Weise auszunutzen,Another important aspect of the invention is that turbine blades are manufactured, whose core contains longitudinally extending bonded together fibers _s This core is continued or with a metallic coating, with a metallic sheath ver-39hen, the or "connected to the core connected or »bound to this, in order to make the best possible use of the material,

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sind die Fasern und das Metall dox* Umhülluiig -vorzugsweise so ausgewählt, dass der Elastizitätsmodul (E) des Metalls etwa'gleich gross oder kleiner als der Ε-Wert des Paserverbundkernss ist«, -Weiterhin ist in einez' bevorzugten AusführungeferiH der Erfindung die Stärke der metallischen Umhüllung so bemessen; wie maximal iiotTfendig ist» dass diese die auf die Schaufel .einwirkenden Quex'kräfte aufnehmen kaim und hierbei innerhalb brauchbarer Arbeitswerte.,. M bezogen auf deren Festi£dceit'sgreii&e mit Spannung beaufschlagt wird. Bevorzugte Matorialien sind Fasern aus pyrolytischem'Graph-it füi' den Kern und Titan für die metallische TJmhüllung „the fibers and the metal are preferably selected so that the modulus of elasticity (E) of the metal is about the same as or less than the Ε value of the composite core, - furthermore, in a preferred embodiment of the invention, the strength the metallic envelope so sized; How maximum is it "that these can absorb the Quex 'forces acting on the shovel and in doing so within useful work values.,. M with respect to the festivities of which a voltage is applied. Preferred materials are fibers made of pyrolytic graph-it for the core and titanium for the metallic cover.

Die Erfindung wird nachstehend anliand eines in den Figuren T bis 3 der Zeichnung dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläuterte 3Ds zeigernThe invention is illustrated below with one in the figures T to 3 of the drawing shown particularly preferred Show exemplary embodiment explained in more detail 3Ds

Fig« T eine perspektiirische Ansicht einer ox'findungsgemässen Turbinenschaufel, wobei aus der Schaufel Teile herausgebrochen sindjFig. 3 is a perspective view of an ox'findungsgemässen Turbine blade, being out of the blade Parts have broken out j

Fige 2 eine perspektivische Ansieht einer anderen erfindungsgemässen Turbinenschaufel, ebenfalls mit ausgebrochenen Teilen undFig. 2 is a perspective view of another according to the invention Turbine blade, also with broken parts and

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Figo 3 einen Schnitt entlang dor Linie III-III der Fig_o 2 j Ii gegenüber Figo 2 vergrössertem Massstab»Figo 3 shows a section along line III-III of dor Figure 2 _o j Ii relative to Figo 2 enlarged scale "

Die aerodynamisch ausgebildeten Schaufeln bzw. Flügel 10 und 11 der Figuren 1 bzw. 2 besitzen Einschnitte N an ihren in iüngsrichtung gegenüberliegenden Enden, die dazu dienen, ihre Befestigung mit nicht dargestellten Füssen zu oil eichtein; diese Fliege werden dann mit anderen Befestigungselement en zum Aufbau eines Kompressorstators verbundene Xn einem derartigen Statoraufbau strömt die Luft von der - Anströmkaiite 1 zur Abströmkante jeder Schaufel» Die Strömungsri olitimg der Luft ist generell durch die Pfeile A angedeuteteThe aerodynamically designed blades or blades 10 and 11 of Figures 1 and 2, respectively, have incisions N on their opposite ends in iüngsrichtung, the to serve, their attachment with feet, not shown to oil calibration; this fly will then be attached to another fastener The Xn connected to the construction of a compressor stator in such a stator construction flows Air from the - inflow quay 1 to the trailing edge of each blade » The flow direction of the air is generally indicated by the arrows A indicated

Die Luftst-x'ömung bewirkt eine kräftemässige Belastung_f die mehr oder weniger gleichmässig gegen die konkave Fläche der Schaufeln von deren oberen zum unteren Ende wirkt«The air flow causes a forceful load _f which acts more or less evenly against the concave surface of the blades from their upper to lower end «

In Längsrichtung wird die Schaufel auf Biegung beansprucht wie ein an den Enden festgelegter Balken, während die Beanspruchung in Querrichtung im allgemeinen an der Anström- und Abströmkante ein Minimum und im Mittelbereich ein Maximum aufweist. Weiterhin ergeben sich Toreions- bzw» Verdrillungskrafte, die durch die Ungleichmässigkeit der Luftströniungskräfte auf die Schaufel hervorgerufen werden»In the longitudinal direction, the blade is subjected to bending stress like a beam fixed at the ends, during the stress in the transverse direction generally a minimum at the leading and trailing edges and a minimum in the central area Has maximum. Furthermore, there are toreion or » Twisting forces caused by the unevenness of the Air flow forces are caused on the blade »

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Die Schaufel 10 umfasst einen zentralen Kern aus aneinandergabundenen Glasfasern» Die Auswahl der Glasfasern und das Verfahren zum Binden dieser Glasfasern liegt innerhalb des Fachwissens der Fachleute auf dem Gebiet der Verarbeitung von Glasfasern bzw. -lamella ten«» Auf jeden Fall werden die Fasern sowie das Verfahren zu ihrer Bindung aneinander so ausgewählt, dass sich eine maximale Fasarfastigkeit sowie eine maximale Bindungsfestigkeit ebenso wie ein höchstmöglicher Elastizitätsmodul (E) ergibt. Um diese Eigenschaften des Kernmaterials in bestmöglicher Weise auszunutzen, sind im wesentlichen alle Glasfasern parallel zueinander und in Längsrichtung bzw, longitudinal zur Schaufel ausgerichtet»The blade 10 comprises a central core of tied together Glass fibers »The selection of glass fibers and the method of binding these glass fibers lies within the Expertise of the experts in the field of processing glass fibers or glass lamellae «» In any case, the Fibers as well as the method of their bonding to one another are selected in such a way that they achieve maximum fiber fastness as well a maximum bond strength as well as a highest possible modulus of elasticity (E) results. To these properties of the core material in the best possible way, all glass fibers are essentially parallel to each other and in Longitudinal direction or aligned longitudinally to the shovel »

Die Schaufel 10 ist mit einer metallischen Umhüllung 1.6 umgeben} die relativ dünn und mit dem Kern14 verbunden bzw, an diesen gebunden ist₀ Die Umhüllung 16 kann auf verschiedenartige ta Welse hergestellt werden, Z₀B₀ dadurch,
dass eine Metallfolie um die Anströmkante eines vorgeformten Kernes herumgelegt wird» Die·« Anordnung kann anschliessand in eine Form eingebracht werden, um die Umhüllung mit dem Kern zu verbinden bzw* an diesen zu binden sowie weiter die Umhüllung entlang dar Abströrakante der
Schaufel miteinander zu verbinden bzw« aneinander zu binden.The blade 10 is surrounded by a metallic shell 1.6} or the relatively thin and connected to the Kern14, is bound to this ₀ The envelope 16 can be manufactured in various ta catfish, Z ₀ B ₀ by
that a metal foil is placed around the leading edge of a preformed core. »The ·« arrangement can then be placed in a mold in order to connect the covering to the core or to bind the covering further along the trailing edge of the
To connect the shovel with one another or to tie them to one another.

Die metallische Umhüllung hat eine Stärke, die ausreicht,
um den durch Längsbeanspruchung dor Schaufel 10 hervorgo-The metallic sheath has a thickness that is sufficient
around which the blade 10 is exposed to longitudinal stress

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rufenen Belastungen, die in der konkaven Fläche zu einer Druck- und in der konvexen Fläche zu einer Spannungsbeanspruchung führen, zu widerstehen. Wenn ein Kern von Glasfasern vorwendet wird, dann ist die Stärke des Überzuges ausreichend bemessen, damit dieser den Querbelastungen auf die Schaufel mehr als adäquat widerstehen kann und weiterhin so sich ein genügend hoher Torsionsmodul als Widerstand gegen VardrilLungsmomente auf die Schaufel ergibt, called loads that result in a in the concave surface Compression and tension in the convex surface lead to resist. If a core of fiberglass is used, then this is the thickness of the coating Sufficiently dimensioned so that this can withstand the transverse loads on the blade can withstand more than adequately and continues to have a sufficiently high torsional modulus as Resistance to Vardrilationsmoment on the blade results,

Weiterhin wird der Gesamtelastizitätsmodul der Schaufel beträchtlich erhöht. Dadurch ergeben sich eine Reihe von Vorteilen« Zunächst ist die Schaufel steifer und behält daher in höherem Masse ihre aerodynamische Gestalt bei. Sodann erhöht sich die natürliche Frequenz der Schaufel, wodurch diese weniger gegen Vibration empfindlich ist. Die Metallumhüllung kann relativ dünn sein, so dass durch eine nur geringe Gewichtserhöhung, bezogen auf eine nicht umhüllte Schaufel aus Glasfasern, eine beachtliche Verbesserung der Festigkeit und Starrheit erreicht wird, Z₉Bo erhöht sich bei Anwendung einer Titanumhiillung von 0,2 mm die Festigkeit und Steifheit in Querrichtung um den Faktor 8, ausserdem wird dar Schermodul um den Faktor k erhöht, während sich eine Gewichtszunahme von nur 3° % ergibt und gleichzeitig wird die Steifheit und Festigkeit in Längsrichtung um etwa 25 fi angehoben.Furthermore, the total modulus of elasticity of the blade is increased considerably. This results in a number of advantages «First of all, the blade is stiffer and therefore retains its aerodynamic shape to a greater extent. The natural frequency of the blade then increases, making it less sensitive to vibration. The metal sheath can be relatively thin, so that only a slight increase in weight compared to a non-sheathed blade made of glass fibers, a considerable improvement in strength and rigidity is achieved, Z ₉ Bo increases the strength when a titanium sheath of 0.2 mm is used and stiffness in the transverse direction by a factor of 8, and the shear modulus is increased by a factor of k , while there is a weight increase of only 3% and at the same time the stiffness and strength in the longitudinal direction is increased by about 25 fi .

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Die metall ische Unüiüllting. sollt e - εο atisge-tgäblt werden_f dass sie einen hohen Wert des Verlud tnisfc'er van I- lag ti ei tat biaodul zum: spezifischem Gewicht hat , Dar·- -11« tall muss darüber hinaus andere, sich aus den Ai'bei i i?T;ediiigmi£:oii des I"cmpi'essors c-Fgebeiide Eigens cha ft on lieFitscii,The metallic union. should e - εο atisge-tgäblt _f that it has a high value of the Verlud tnisfc'er van I- lag ti ei did b iaodul for: specific gravity , Dar · - -11 «tall must also other, from the Ai 'at i i? T; ediiigmi £: oii des I "cmpi'essors c-Fgebeiide Eigen cha ft on LieFitscii,

Ba nur eine gei-inge Gewicht,«erhöhung ii» Verhältnis hu einei" entsprechend en nielitixathüllteii (ilaei np ei" vciimnd schaufel aiiitrittf ist die eriiiidwii^sgemäBse Sahaui'<=.2 boachtXich leichter als jede andere Schaufel_E die durch konventionelle Hez> stGlltuifrstechnikeiit ausgehend von liGtalli>n_f erstellt werden kanu. Weiterhin weist^ die erfindun^sgemässe Schaufel Lei-'
etungswerte fitif» die es ei'inögliohoiii fsie im betriebsboJart eien Bereich eines Kqmprossors von 'einem Ga,"tui'bineiiti'ittbwerk anzuwenden_c Ba only a little weight, "increase ii" ratio hu ani "corresponding to en nielitixathüllteii (ilaei np ei" vciimnd shovel aiiitrittf is the eriiiidwii ^ sgemäBse Sahaui '<=. 2 boachtXich lighter than any other shovel _E made by conventional Hez> stGlltuifrstechnikeiit starting from liGtalli> n _f Kanu. Furthermore, ^ the inventive shovel Lei- '
ei'inögliohoiii fsie in the company boJart an area of a Kqmprossor of 'a Ga, "tui'bineiiti'ittbwerk _c

Die in Fig_e 2 dargestellte Schaufel .-vreist aagar noch stärkere Fortschritte hinsichtlich der II_orab8ctzunß des Geifichts bei gleichzeitig erhöhter.Steifheit und Festigkeit auf_t Die
Schaufel 12 umfasst einen Kern 18, der aus parallelen, in
Längsrichtung von einem zum anderen Ende sich erstreckenden Graphit- bzw· Kohlenstoff as era besteht, die ihz*erseits in
geeigneter Weise miteinander verbunden bzw_c aneinander gebunden sind* Der Kern t8 ist' mit einem mit diesem verbundenen TitanüberEug 20The blade shown in FIG _e. 2-vreist aagar even greater progress in terms of II _o rab8ctzunß of Geifichts at the same time erhöhter.Steifheit and strength to the _t
Blade 12 includes a core 18 made up of parallel, in
In the longitudinal direction from one graphite or carbon fiber extending to the other end, the ihz * erseits in
suitably connected to one another or _c are bound to one another * The core t8 is' with a titanium over Eug 20 connected to it

BADBATH

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Wenn auch die Graphitfasertechnologie relativ neu ist, so sind derartige Fasern bzw, -Fäden doch auf kommerziellem Wege erhältlich und ihre Materialeigenschaften sind weitgehend bekannt« Zur Zeit sind Fasern bzw« Fäden von Durchmessern in der Grössenordnung von 0,008 mm erhältlich mit oberen Festigkeiten in der Grössenordnung von 12600 bis 19600 kg/cm und einem Elastizitätsmodul (E) von ungefähr 25 bis 50 χ 10 , Wenn derartige Fasern gebunden sind und so einen Verbundkern bilden, der aus 70 Vol.-5ε Fasern besteht, dann liegt der Gesamtelastizitätsmodul des Verbundkörpers in der Grössenordnung von 16 bis 35 ^x 1° und die Festigkeit liegt in 4.»r Grössenordnung von 9100 bis 14000 kg/cm « Selbst im unteren. Bereich des Elastizitätsmoduls ist der Modul des Kerns 18 etwa gleich dem von Titan, dessen Elastizitätsmodul 16,1 χ 10 beträgt. Bei Werten der Elastizitätsmodule Innerhalb der so festgelegten Grenzen kann die Dicke des Überzugs bzw« der Umhüllung so gewählt werden, wie es dem Minimum entspricht, das notwendig ist, um ausreichende Querfestigkeit der Schaufel zu gewährleisten, da die auf die Schaufel einwirkenden Längsbelastungen in erster Linie durch die Graphitfasern bzw« 'Fäden aufgenommen werden, ohne dass das Überzugsmaterial überdehnt wird« Alternativ hierzu kann es erforderlich sein, den Überzug bzw« die Umhüllung so zu bemessen,Even if graphite fiber technology is relatively new, such fibers or threads are commercially available and their material properties are largely known from 12600 to 19600 kg / cm and a modulus of elasticity (E) of approximately 25 to 50 χ 10, If such fibers are bonded and thus form a composite core which consists of 70 vol.-5ε fibers, then the total modulus of elasticity of the composite body is in Order of magnitude from 16 to 35 ^x 1 ° and the strength is in the 4th " order of magnitude from 9100 to 14000 kg / cm" Even in the lower. In the area of the modulus of elasticity, the modulus of the core 18 is approximately the same as that of titanium, the modulus of elasticity of which is 16.1 χ 10. With values of the modulus of elasticity within the limits established in this way, the thickness of the coating or the sheath can be selected as the minimum necessary to ensure sufficient transverse strength of the blade, since the longitudinal loads acting on the blade are primarily be absorbed by the graphite fibers or threads without the coating material being overstretched. Alternatively, it may be necessary to dimension the coating or the casing so that

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damit sich der erforderliche Schermodul ergibt« Wie dem auch sei, unter üblichen Bedingungen reicht eine Stärkeso that the required shear modulus is obtained «Be that as it may, under normal conditions one thickness is sufficient

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der Umhüllung bzw» de* Überzuges, mit der die erforderliche Querfestigkeit gewährleistet ist, gleichzeitig auch aus, um einen entsprechenden Scherungsmodul sicherzustellen.the wrapping or cover with which the required Transverse strength is guaranteed, at the same time also from to ensure a corresponding shear module.

Kennzeichnend für die Verwendung von Graphitfasern bzw. •Fäden anstelle von Glasfasern ist, dass dadurch die Stärke der Umhüllung um 50 $ herabgesetzt werden kann· Weiterhin ergibt die erfindungsgemäss bevorzugte Kombination von A A characteristic of the use of graphite fibers or threads instead of glass fibers is that the thickness of the sheath can be reduced by 50 $. Furthermore, the preferred combination of A according to the invention results

Graphitfasern bzw»-Fäden mit einer Titanumhüllung ein spezifisches Gewicht, das ungefähr gleich oder kleiner ist als dasjenige von Glasfaserverbundkörpem ohne Überzug und gleichzeitig eine grossere Steifheit und Festigkeit gewährleistet.Graphite fibers or »threads with a titanium coating specific weight which is approximately equal to or less than that of glass fiber composite bodies without a coating and at the same time ensures greater rigidity and strength.

Darüber hinaus können selbstverständlich auch andere Materialkombinationen von erheblicher Bedeutung sein· Wesentlich für die Erfindung ist es, dass die Menge des dichteren, schwereren Umhüllungematerials so minimal gewählt wird, damit sich noch dear, erforderliche Elastizitätsmodul in Querrichtung bzw· Scherungemodul ergibt, der notwendig ist, damit die Hülle unterhalb ihrer Bruch- bzw· Zerreisegrenze beansprucht wird« Dies wird am vorteilhaftesten daduroh erreicht, dass solche Materialien ausgewählt werden, bei denen der Elastizitätsmodul des Umhüllungsmaterials etwa gleich dem des Kernmaterials ist oder bei denen der Elastizitätsmodul des UmhUllungsmaterials kleiner als derjenige der Fasern bzw·In addition, other material combinations can of course also be of considerable importance.It is essential for the invention that the amount of the denser, heavier wrapping material is chosen to be so minimal that the required modulus of elasticity in the transverse direction or shear modulus that is necessary still results so that the sheath is stressed below its breakage or tear limit respectively·

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Fäden 1st, Anders ausgedruckt χ die leichteren Fasern bzw_a Fäden nehmen die höheren Kräfte in Längsrichtung auf, während der schwerere Überzug die auf die. Sohaufel einwirkenden Quer- und Verdrillungsbelastungen mit maximaler Effektivität aufnimmt„ Dadurch soll im Sinne der Erfindung insgesamt eine Schaufel minimalen Gewichts mit maximaler Festigkeit und Steifheit erreicht werden.1st threads, Anders printed χ the lighter fibers or yarns take _a the higher forces in the longitudinal direction, while the heavier coating on the. Sohaufel absorbs transverse and twisting loads with maximum effectiveness.

Obwohl die vorbeschriebenen Materialien bevorzugt verwendet werden_t da festgestellt wurde,, dass diese ausgezeichnete Eigenschaften haben» ist es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich» auch ander· Materialien zu verwenden, insbesondere solche, nit denen die obigen Beziehungen zwischen den Elastizitätsmoduli erreicht werden· Beispielsweise können bei der Sohaufel nach Fig· 2 die Grafkhitfasern bzw· -Fäden durch Bor- bzw· Boronfasern bzw· -fäden ersetzt werden und anstelle der Titanushüllung kann eine Stahluehüllung vorgesehen sein«Although the above-described materials used preferably _t because it has been determined ,, that these excellent properties are "it is of course readily possible" and the other as part of the invention · Materials to be used, particularly those which nit the above relationships between the elastic moduli are achieved For example, in the case of the Sohaufel according to FIG. 2, the graphite fibers or threads can be replaced by boron or boron fibers or threads, and instead of the titanium casing, a steel casing can be provided «

Ein weiterer bemerkenswerter Gesichtspunkt ist der, dass Graphitfasem bzw« -Fäden stärker empfindlich sind gegen Zerstörung durch Abrasion, als dies bei Glasfasern der Fall ist, gerade unter diesem Gesichtspunkt ist es durch die Erfindung möglich geworden, Graphitfasern bzw, -Fäden bei der Herstellung von Turbinenschaufeln anzuwenden»Another noteworthy point of view is that graphite fibers or threads are more sensitive to Destruction by abrasion, as is the case with glass fibers, it is precisely from this point of view that the invention has made it possible to use graphite fibers or threads in the To apply the manufacture of turbine blades »

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Es ist darauf hinaweisen, dass der Faserkern nicht notwendigerweise massiv sein muss, sondern dass auch ein hohl ausgebildeter Faserkern angewandt werden kann, insbesondere dann, wenn die Schaufeln einen grossen Querschnitt aufweisen. Obwohl die Erfindung anhand von fest angeordneten Verdichterschaufeln, sogenannten Statorschaufeln näher beschrieben worden ist, erstreckt sie sich in gleicher Weise auf alle rotierenden und stationären Turbomaschinenschaufeln· Die Erfindung kann daher unter den hier gegebenen Richtlinien in vielfältigster Weise vom Fachmann abgewandelt und mit Erfolg zur Ausführung gebracht werden«It should be noted that the fiber core is not necessarily must be massive, but that a hollow fiber core can also be used, in particular when the blades have a large cross-section. Although the invention based on fixed Compressor blades, so-called stator blades, described in more detail it extends equally to all rotating and stationary turbomachine blades. The invention can therefore be understood under those given here Guidelines can be modified in a wide variety of ways by specialists and successfully implemented "

Zur Erfindunggahört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschliesslich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.Everything in the description belongs to the invention included and / or shown in the drawing is, including what deviates from the specific exemplary embodiments are obvious to the person skilled in the art.

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Claims

1, Turbinenschaufel mit aerodynamischem Strömungsprofil, gekennzeichnet durch einen zentralen Faserkern, dessen Fasern sich im wesentlichen alle in Längsrichtung der Turbinenschaufel und parallel zueinander erstrecken, sowie einen den Faserkern umhüllenden, an diesen gebundenen bzw« damit verbundenen metallischen Überzug, Umhüllung öd,dgl.1, turbine blade with aerodynamic flow profile, characterized by a central fiber core, whose Fibers essentially all extend in the longitudinal direction of the turbine blade and parallel to one another, as well as a metallic coating, covering, or the like, which envelops the fiber core and is bound to it or connected to it.

2* Turbinenschaufel nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, dass die den Kern bildenden Fasern Glasfasern sind.2 * turbine blade according to claim 1, characterized in that the fibers forming the core are glass fibers.

3, Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadureh gekennmeiohnet, dass die Stärke des Überzugs dem Mindestwert3, turbine blade according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness of the coating corresponds to the minimum value

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that is required to absorb longitudinal stresses acting on the turbine blade ₀

4, turbine blade according to one of claims 1 to 3, in particular according to claim 1, characterized in that the modulus of elasticity of the metallic coating is about the same as or less than that of the fiber composite core

β Turbine blade according to one of Claims 1 to 3, in particular according to Claim k, characterized in that the thickness of the metallic coating corresponds to the minimum value required to absorb the transverse loads acting on the turbine blade »

6. turbine blade according to one of claims 1 or 3 to 5, in particular according to claim 4, characterized in that the coating consists of titanium and the core fibers forming graphite «or * carbon fibers are»

7 «turbine blade according to one or more of the claims 1 to 6, ansonat as described and or »or shown.

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