DE1905971A1 - Schaufel fuer Gasturbinen und Verfahren zur Herstellung einer solchen - Google Patents

Description

DIPL-ING. CURT WALLACH DIPL-ING. GONTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

8 München 2, 6. Februar 1969

- K/vM

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England.

Schaufel für Gasturbinen und Verfahren zur Herstellung einer solchen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschaufelung für Gasturbinentriebwerke und auf ein Verfahren zur Herstellung der Schaufeln. . (|

In jüngster Zeit besteht ein beträchtliches Interesse, bei der Herstellung von Schaufeln für Gasturbinentriebwerke zusammengesetzte Materialien zu benutzen, insbesondere faserverstärkte Materialien. Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung von Schaufeln aus faserverstärktem Material vor, wobei die hohe Zugfestigkeit der PaserverStärkung in besonders vorteilhafter Weise ausgenutzt wird.

Gemäß der Erfindung wird das Verfahren zur Herstellung von Schaufeln für Gasturbinentriebwerke aus faserverstärktem Material in der Weise durchgeführt, daß zunächst mehrere Stücke · ύ aus faserverstärktem Material hergestellt werden, wobei jedes Stück eine aerodynamisch gestaltete Planke einer Schaufel, einen Verbindungsabschnitt und eine gegenüberliegende aerodynamische Planke der benachbarten Schaufel aufweist, und daß die Stücke zusammen in Ringanordnung derart festgelegt werden, daß die Schaufelflanke an eine entsprechende Planke eines benachbarten Stückes anstößt, um eine Schaufel zu vervollständigen.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein zur führung des Verfahrens geeignetes Stück vorgesehen, das aus; faserverstärktem Material besteht und eine aerodynamische Flanke der Schaufel, einen Zwischenabschnitt und wenigstens einen Teil der gegenüberliegenden aerodynamischen Planke einer benachbar-,,-% ten Schaufel bildet.

Vorzugsweise sind die Stücke so geformt, daß die Mehrzahl der Faserverstärkung in den Schaufelflanken in einer Richtung ausgerichtet ist, die im wesentlichen radial bezüglich der zusammengestellten Ringanordnung liegt. .

Wenn die Stücke zusammengefügt werden., kann der Verbindungsabschnitt auf einer Schaufelträgerscheibe mittels eines axial- ". verlaufenden Trägerstückes gehalten werden, das durch den Verbindungsabschnitt hindurch und radial nach außen tritt. Das Trägerstück kann durch eine axiale Klemme zwischen zwei mit Lippen versehenen Scheibenabschnitten gehalten werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht jedes Stück aus einem Schachtelquerschnitt, bei welchem die gegenüberliegenden Flächen den Flankenabschnitt bildenj während die übrigen Flächen innere und äußere Abschirmungen bilden. In diesem Falle können die Abschnitte dadurch verbunden werden, daß die Flankenabsohnitte - aneinander'geklebt werden, um einen vollständigen Ring zu bilden, der an einer Scheibe festlegbar ist. . ' .

Im letzteren Fall werden die Abschnitte vorzugsweise durch eine Faserwicklung um einen Formkern herum hergestellt, deaaen Äußengestalt der Zwischenschäufelgestalt entspricht. ,

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: ' Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks mit Schaufeln gemäß der Erfindung^

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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform von nach der Erfindung hergestellten Schaufeln, an einer Scheibe festgelegt,

Fig. 3 einen Radialschnitt zwischen zwei Schaufeln bei einer Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Scheibe mit einer Beschaufelung gemäß Fig.4.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Kompressor 10, einer Verbrennungseinrichtung 11, einer Turbine 12 und einer Schubdüse 13· Das Gehäuse des Kompressors 10 ist auf der linken Seite abgebrochen dargestellt, um die Kompressorrotorschaufeln und die Statorschaufeln 15 erkennbar zu machen.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht die Kompressorschaufeln 14 zusammen mit ihrer Lageranordnung auf der Komptressorscheibe 16, von der nur ein Stück dargestellt ist. Die Schaufeln 14 bestehen aus mehreren U-förmig gestalteten Stücken aus faserverstärktem Kunstharzmaterial und weisen einen aerodynamischen Flankenabschnitt konkaven Querschnitts^ einen U-förmigen Verbindungsabschnitt 18 und einen aerodynamischen Flankenabschnitt 19 konvexen Querschnitts auf. Es ist ersichtlich, daß die Stücke allgemein U-förmig gestaltet sind, wobei die Schenkel des U die aerodynamischen Flankenabschnitte 17 und 19 bilden, während der übrige Teil den Verbindungsteil 18 bildet. Jeder Abschnitt ist mit dem Abschnitt 19 des nächstfolgenden Stückes verklebt, so daß eine vollständige Schaufel 14 entsteht und die U-förmigen Stücke bilden somit zusammen eine vollständige Ringanordnung von Schaufeln 14.

Jedes der U-förmigen Stücke wird auf der Scheibe dadurch gehalten, daß ein halbzylindrischer Träger 20 mit dem Verbindungsabschnitt 18 in Eingriff gelangt. Wie am besten aus Fig.3 ersichtlich,

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erstreckt sich der Träger 20 axial zwischen zwei benachbarten Schaufelträgerscheibenabschnitten 21 und 22. Es ist ersichtlich, daß die Schaufeln so gegen die Zentrifugalbelastungen unter Zugbeanspruchungen im Abschnitt 18 gehalten werden, wobei diese Zugbeanspruchungen auf den Träger 20 und damit auf die Scheibe 22 übertragen werden, während Biegemomente in den Träger 20 dadurch übertragen werden können, daß diese Trägerabschnitte 20 in die Verbindungsabschnitte 18 eingeklebt werden. Falls erforderlich, können die Verbindungsabschnitte 18 auch an der Hauptscheibe 16 verklebt werden, um eine weitere Festigkeit gegen Biegung zu erlangen.

Um die Schaufelfußverbindungsabschnitte der Schaufeln 14 zu glätten, ist der Mittelkanal in jedem der Träger 20 mit einem leichten geschäumten Plastikfüllstoff 23 ausgefüllt, der eine glatte äußere Oberfläche ergibt. --'.--_.--

In Jedem der U-förmigen Abschnitte,- die durch die Flanken YJ und 19 und den Verbindungsabschnitt 18 gebildet werden, sind die Verstärkungsfasern so angeordnet, daß sie radial bezüglich der Scheibe 16 in den Flanken 17 und 19 verlaufen und der Achse des Verbindungsabschnittes 18 folgen, so daß sie in diesem Verbindungsabschnitt etwa in Umfangsrichtung verlaufend angeordnet sind. Durch diese Konstruktion wird bewirkt, daß die Fasern infolge der auf den Schaufeln lastenden Zentrifugalkräfte auf Zug beansprucht werden. Da nun aber diese Verstärkungsfasern gerade bezüglich der Zugfestigkeit ihre höchsten Werte besitzen, ist es einleuchtend, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung und Lagerung von Schaufeln bietet. Die bei dem obigen Ausführungsbeispiel ersichtlichen Fasern können zweckmäßigerweise in Gestalt eines U als kontinuierlich verlaufende Fäden gewickelt sein und zwar durch irgendein Fadenwickelverfahren.

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Pig. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine weitere Möglichkeit der Herstellung von Schaufeln gemäß der Erfindung. Ein Formkörper 25 ist vorgesehen, von dem Teile seiner Oberflächen so gestaltet sind, daß sie die Gestalt des Raumes einschließen, der zwischen zwei Schaufeln 14 erforderlich ist und sie sind, 'falls erforderlich, mit einem Trennmittel überzogen. Über diese Oberflächen werden Verstärkungsfasern in Gestalt kontinuierlicher Fäden gewickelt, die einen Überzug aus Kunstharz besitzen, der anhaften kann,und diese Fäden werden, wie bei 26 und 27 dargestellt, gewickelt. Die Wicklung kann zweckmäßigerweise dadurch hergestellt werden, daß der Formkörper um eine Mittelachse A-A gedreht wird, während der Faden in der richtigen Stellung zugeführt wird. Es ist dabei notwendig, daß der Faden an- ^ haftet, damit er auch an den Stellen hoher Neigung an seiner M Stelle verbleibt. Nachdem der Faden um diese Oberflächen herumgewickelt ist, wird er weiter mit Kunstharz imprägniert und die Gesamtanordnung wird erhitzt, um das Kunstharz auszuhärten. Der

Formkörper 25 ist bei 28 und 29 in drei Stücke geteilt, von deeines

nen/keilförmig gestaltet und leicht aus der Innenseite des ausgehärteten Teiles JO entfernt werden kann.

Dieser Keilabschnitt kann entfernt werden und schafft dann Raum, so daß die übrigen Abschnitte des Formkörpers 25 entfernt werden können. Es verbleibt somit der Körper J50. Dieser Körper 50 hat die Gestalt einer hohlen Schachtel, die an gegenüberliegenden Seiten offen ist und eine Innengestalt besitzt, die der jj erforderlichen Gestalt des Zwischenschaufelabstandes entspricht. Der Abschnitt, der gegen die Wand 2β anlag, bildet die konvexe Flanke (äquivalent dem Abschnitt 19) und die gegenüberliegende Oberfläche ist äquivalent der konkaven Flanke 17. Der Abschnitt benachbart zur Oberfläche 27 und der Abschnitt benachbart zu der gegenüberliegenden Oberfläche kann dann als innerer und äußerer Schaufelring benutzt werden oder der Abschnitt kann erforderlichenfalls weggeschnitten werden.

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Pig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Scheibe 16, an der mehrere Schaufeln Ik festgelegt sind und aus dieser Figur /ist ---'■ ^:;e· ersichtlich, wie die kastenförmigen Bauteile 30 benutzt werden, um einen Schaufelring zu bilden. Im unteren Teil der Fig.5 ist ersichtlich, wie die Schaufeln Ik aus kastenförmigen Körpern 30 gemäß Fig.4 hergestellt sind und jeder kastenförmige Bauteil liegt dem benachbart en-kastenförmigen Bauteil' an, so daß zwei Flankenabschnitte aneinanderstoßen und hierdurch eine einzige Hohlschaufel Ik bilden. In diesem Fall wurden die äußeren Schaufelringabschnitte in ihrer Lage belassen und sie formen zusammen einen Schaufelring 31. Die inneren Schaufelringabsehnitte der kastenförmigen Querschnitte sind bei 32 mittels eines Kunstharzklebers auf der Scheibe 16 festgelegt. -.. ■

Wenn es erforderlich ist, eine Reihe von Statorschaufeln herzustellen, dann wäre es unnötig, die Kastenprofilabschnitte bei 32 zu befestigen> stattdessen könnte es jedoch erforderlich und zweckmäßig sein, z.B. die äußeren Abschnitte 31 am Triebwerksgehäuse festzulegen.

Der obere Teil von Fig.5 zeigt eine etwas andere Art und Weise '_ der Benutzung der Schachtelprofile 30. In diesem Fall wurden die äußeren Schaufelringabsehnitte abgeschnitten, so daß Abschnitte in Gestalt eines U verbleiben* Diese Abschnitte können in ähnlicher Weise wie jene nach,Fig.2 benutzt werden. Im Unterschied zu der Ausführung nach Fig.2 können sie einfach, wie bei.33 dargestellt, mit der Scheibe 16 verklebt werden. Wiedermim werden die Fasern, welche die Schaufel Ik formen, auf Zug beansprucht, wenn eine Zentrifugalbelastung auftritt. Auf Zug sind diese Fasern jedoch gerade am stärksten beanspruchbar. .

Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, ist es möglich, die inneren Schaufelringabsehnitte des Kastenprofils .30 abzusehneiden. Dies kann notwendig sein, wenn Statorsehaufeln hergestellt werden sollen, die an Ihrem inneren Umfang keinen Schaufelring besitzen sollen. In diesem Falle würden die äußeren Schaufelringabschnitte 31 am Triebwerksgehäuse festgeklebt.

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Bei den obigen Ausführungsbeispielen wurden durch Kohlenstofffasern verstärkte Kunstharzmaterialien benutzt. Es ist jedoch auch möglich, andere Fasersysteme heranzuziehen, so könnten Kohlenstoffasern beispielsweise in einem anderen Matrixmaterial, z.B. in einer Nickel-Matrix, angeordnet werden, die bei hohen zu erwartenden Temperaturen zweckmäßig wäre. Stattdessen könnten auch andere Faserstoffmaterialien herangezogen werden, z.B. Borfasern oder Siliziumfasern, die beispielsweise in Matrix-Material, wie Aluminium, eingebettet werden können.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wird eine komplette Flanke auf jedem Schenkel des U-Abschnitts gebildet. Es ist jedoch auch möglich, nur einen Abschnitt der Flanke des einen Schenkels vorzusehen und den restlichen Teil der Flanke auf dem anliegenden Schenkel des nächstfolgenden Abschnitts vorzusehen.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurden hohle Schaufeln hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Herstellung hohler Schaufeln auf relativ einfache Weise. Die Vorteile hohler Schaufeln sind aber ganz allgemein bekannt.

Patentansprüche:

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Claims (9)

1. Patentansprüche:

   Verfahren zur Herstellung von Schaufeln für Gasturbinen-

   τΐebwerke aus faserverstärktem Material, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Stücken aus faserverstärktem Material geformt wird, wobei jedes Stück aus einer aerodynamischen Planke (17) der Schaufel, einem Verbindungsabschnitt (18) und einer gegenüberliegenden aerodynamischen Planke (19) einer benachbarten Schaufel besteht/ und daß diese Stücke miteinander in ringförmiger Anordnung derart verbunden werden, daß jede Schaufelflanke an eine entsprechende Flanke eines benachbarten Stückes anstößt, um so eine vollständige Schaufel zu bilden» '- -" - --^;
2. 2. Verfahren zur Herstellung von Schaufeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 5

   daß die Stücke so geformt sind, daß die Mehrzahl der Verstärkungsfasern in den Schaüfelflanken in eine Richtung ausgerichtet ist, die im wesentlichen radial bezüglich der zusammengestellten Ringanordnung verläuft. ^s
3. 3· Verfahren zur Herstellung von Schaufeln nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stücke durch Aufwicklung der Pasern, die die Faserverstärkung bilden, auf einem Formkern (25) hergestellt werden, wobei der Formkern die Gestalt des zwischen den Schaufeln liegenden Raumes der ringförmigen Anordnung aufweist, so daß ein konkaver und ein konvexer Schaufelflankenabschnitt (17*19) und innere und äußere Schaufelverbindungsringe geschaffen werden. ...-·*

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4. 4. Verfahren nach Anspruch 3,

   dadurch gekennzeichnet, daß einer der Schaufelringabschnitte von jedem Stück entfernt wird, so daß eine Ringanordnung geschaffen wird, bei der die Schaufeln an einem Ende keinen Schaufelring aufweisen.
5. 5- Verfahren nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff as em bestehen.
6. 6. Schaufelstück zur Benutzung in dem Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Teiles der Ringbeschaufelungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, ^ daß es aus faserverstärktem Material besteht, das eine aero- % dynamische Planke einer Schaufel ^17) bildet, weiter einen Verbindungsabschnitt (l8) und wenigstens einen Teil der gegenüberliegenden aerodynamischen Planke (19) einer benachbarten Schaufel.
7. 7. Durch das Verfahren nach Anspruch 1 hergestellte Schaufelanordnung,

   dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaufelscheibe (16) mit Vorsprüngen und Trägerstücken (20) vorgesehen ist, die die Vorsprünge erfassen,und daß die Träger sich radial außerhalb der Verbindungsabschnitte (l8) über dieselben erstrecken, um diese auf der Scheibe g festzulegen.
8. 8. Schaufelanordnung nach Anspruch 7,
   dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Scheiben (20,21) in Umfangsrichtung verlaufende Ränder aufweisen, die die Vorsprünge bilden, und daß die Träger (26) durcßiSSiale Klammer gegen die radial inneren Oberflächen der Ränder gehalten werden.

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9. 9. Schaufelanordnung nach Anspruch 7,

   dadurch g e k e η η ze i c h η e t , .

   daß jedes Stück auf der Schaufelscheibe (16) durch Verklebung

   befestigt ist. - ';■■ . ί .

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