DE2047209A1

DE2047209A1 - Schaufel fur Kompressoren und Geblase sowie Verfahren zur Schaufelherstellung

Info

Publication number: DE2047209A1
Application number: DE19702047209
Authority: DE
Inventors: David Franklin South Windsor Doughty Charles Elnwood Guilford Pinney Frank Batchelder East Granby Conn Gray (V St A)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1969-10-06
Filing date: 1970-09-25
Publication date: 1971-04-15
Also published as: GB1269172A; JPS4924923B1; FR2065431A5; US3600103A

Description

UNITED AIRCRAFT CORPORATION in East Hartford, Connecticut (V.St.A.)·

Schaufel für Kompressoren und Gebläse sowie Verfahren zur Schaufelherstellung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufel für Kompressoren und Gebläse sowie ein Verfahren zur Schaufelherstellung.

Mit dem Aufkommen von Strahlantrieben mit grosser Schubkraft für Plugzeuge hat sich das Bedürfnis nach Kompressor- und Gebläseschaufeln mit einem grossen Elastizitätsmodul verstärkt. Der grössere Modul ergibt eine steifere Schaufel, was die Schwingungsprobleme verringert und in Verbindung mit einem geringeren Gewicht ein leichteres Traggestell unter wesentlicher Herabsetzung des Maschinengewichts zulässt.

Ein Merkmal der Erfindung ist eine zusammengeschichtete bzw. in Verbundbauweise hergestellte Schaufel, welche aus verschiedenen Lagen von Pasern mit grossem Elastizitätsmodul hergestellt ist, welche alle in eine Metallmasse eingebettet sind, wobei die verschiedenen Lagen in den Bemessungen wechseln, so dass nach dem Aufeinanderschichten und Einbetten in dem Metall die fertige Schaufelform gebildet ist. Ein anderes Merkmal ist ein Verfahren zur Herstellung solcher zusammengeschichteter Schaufeln.

Mach der Erfindung besLeht die Schaufel aus einer Mehrheit von aus Fasern mit hohem ElastizL-

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tätsmodul gebildeten Lagen, von denen jede Lage sich in einer metallischen Umbettung befindet, wobei die verschiedenen Lagen in den Abmessungen so geformt sind, dass nach dem Stapeln und Zusammenpressen in einem Gesenk bzw. in einer Pressform der verdichtete Stapel die Form der fertigen Schaufel hat. Die Schichten befinden sich in der Schaufel in einer im wesentlichen parallelen Lage und sind alle mit» einander in einer metallischen Einbettung verbunden.

Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist die Endansicht einer fertigen Schaufel an einem Teil einer Tragscheibe.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht der Schaufel.

Fig. 5 zeigt eine Mehrheit von Schnitten nach den Linien 3a - 3a, 3b - 3b und 3c - 3c in Fig. 1.

Fig. 4 gibt eine abgewickelte Draufsicht auf die Schaufel unter Verdeutlichung der Form der verschiedenen Lagen in der Schaufel wieder.

Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine Pressform mit zugeordneter Einrichtung zur Herstellung der Schaufel.

Flg. 6 lässt einen vergrösserten Schnitt durch eine der Faserlagen erkennen.

Fig. 7 zeigt schematisch das Lagenpaket bei der Bildung der Schaufel.

Fig. 8 ist eine Teilansicht des Endes eines Schaufelfusses in einer Abwandlung.

Flg. 9 ist eine Stirnansicht des Schaufelfusses Ln Fig. 8.

Die ErfLndung Lst an einer Kompressoroder Gebläseschaufel 2 gezeigt, welche Insbesondere zur Verwendung bei Strahlantrieben bestimmt ist. Die Schaufel 1st mit; einem schwalbenschwarriförmlgen D¹USSteLl h Ln eLner entsprechenden Ausnehmung 6 eines Trag te Hur·;; U angebracht. Die Schaufel int ein

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gebildet ist. Die Metalleinbettung füllt weitgehendst alle leerenstellen aus, um eine hohlraumfreie Schaufel zu bilden. Die Pasern reichen durch die Fussbefestigung, wie es beschrieben werden wird. Die Schaufel besitzt eine Grundfläche 10 an ihrem inneren Ende, welche von vorne nach hinten geneigt ist, wie es Fig. 2 zeigt. Diese Grundfläche ist die Innenwand des Luftweges über den Flügelteil der Schaufel.

Wie vorerwähnt sind die Fasern Hochmodulfasern 12, Fig. 6. Eine Art von diesen ist eine mit Silikonkarbid überzogene Bo^irfaser, gegebenenfalls mit einem Wolframkern. Diese Fasern sind an ei em dünnen Blech 14 aus einer Aluminiumlegierung dicht und gleichmässig parallel zueinander angebracht. Die Fasern sind an der dünnen Blechunterlage'14 mit Hilfe eines Überzuges 16 befestigt, welcher auf die der Blechschicht gegenüberliegenden Seite der Fasern aufgebracht ist. Der überzug kann mit einem Plasmabrenner aufgebracht werden, welcher eine Aluminiumlegierung auf die Fasern aufträgt. Die Vereinigung bildet Bänder, welche bei der Schaufelherstellung verwandt werden.

Das Faserband mit der Blechschicht und der Überzugsschicht wird in geformte Lagen 18 geschnitten, welche in der Länge und Breite voneinander abweichen, wie es Fig. 4 zeigt. Die Lagen werden aufeinander geschichtet, vorzugsweise mit den Lagen 20 kleinster Abmessung zentral im Schaufelblock, so dass die äusserste Lage 22, welche die Gestalt der Schaufel bildet, eine durchgehende Oberfläche über eine Seite der Schaufel bildet. Auch wenn diese Lagen unmittelbar von der Mittenlinie der Schaufel aus aufeinander geschichtet werden können, so ist es dennoch wünschenswert, einen Aluminiumkern 24 vorzusehen, welcher mit den einzelnen auf sich gegenüberliegenden Seiten des Kernes aufeinander geschichteten

Lagen die Form der Schaufel hat. Der Kern ist vorzugsweise verhältnisraässig dünn, beispielsweise 127/^, und besteht aus Aluminium oder der gleichen Aluminiumlegierung wie die Unterleg^flache für die Bänder.

Die Gestalt der verschiedenen Lagen ist so gewählt, dass nach dem Zusammenpressen bei der Formung der Schaufel der sich ergebende Umriss dem gewünschten Umriss der fertigen Schaufel entspricht. Ebenso 1st vorzugsweise die gleiche Zahl von Lagen auf Jeder Seite des Kernes vorgesehen und bildet die äussere Lage nach der Formung die Oberfläche der fertigen Schaufel.

Wenn die Lagen einzeln in Form geschnitten sind, dann werden sie aufeinander geschichtet, wie es Fig. 9 zeigt. Jede Lage 1st gewünschtenfalIs an der Unterfläche punktgeschweisst, so dass jede Lage in genauer Lage zu den anderen Lagen während des Aufbaues der Lagen zu beiden Seiten der Mittenlinie der Schaufel verbleibt. Wie es Fig. 4 zeigt, steht jede Lage über den Flügelteil 26 des Lagenpakets in den Wurzelteil 28 vor, um eine sichere Befestigung der Schaufel in dem Tragteller zu bilden.. Die Bildung des schwalbenschwanzförmigen Teils ist kein Teil der Erfindung. Für die Erfindung kann das Lagenpaket in dem Fuss- oder Wurzelteil schwalbenschwanzförmig sein und können Basis- bzw. Grundflächen bildende Elemente auf sich gegenüberliegenden Seiten der Lagen angeordnet sein, wie es Fig. 3 zeigt. Diese Elemente können entweder während der Formung der Schaufel in der Pressform angebracht oder diffusionsverbunden sein oder in anderer Weise angebracht sein.

In jedem Fall wird das Paket der einzelnen Lagen, wie Fig. 7 zeigt, in eine zweiteilige Pressform 32, Flg. 5» eingebracht, in welcher das Paket zusammengepresst und durch Erhitzen verblockt wird. Wenngleich lediglich wenige Lagen in den Figuren wiedergegeben sind, so ist es dennoch klar, dass

dies nur beispielsweise erfolgt ist; denn die ge-109P1R / 1 R 1 7

bildeten Lagen sind nur wenige Tausendstel stark. Normalerweise muss eine grosse Zahl von Lagen zur Herstellung einer Schaufel der gewünschten Stärke verwandt werden. Die Zahl der Lagen und die Form der einzelnen Lagen lässt sich gut durch einen Komputer bestimmen, nachdem die zusammengepresste Stärke jeder Lage bekannt und die gewünschte Gestaltung der fertigen Schaufel festgelegt ist. Die Teile der Pressform 32 nehmen zwischen sich den Stapel von Lagen in einer Ausnehmung 34 auf, welche die Gestaltung der fertigen Schaufel hat. Hitze und Druck werden zugeführt, um das Lagenpaket zu verdichten und ein Pliessen der Aluminiumlegierung zur Füllung der Leerstellen zu veranlassen. Die Pressform 30 kann zwischen in einem Gehäuse 38 verschiebbaren Druckplatten 34 und 36 angeordnet werden. Das Gehäuse weist Heizmittel, so Induktionsspulen 40, auf. In dem besonderen, gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein Pressdruck von etwa 246 kg/cm der Pressform zugeführt. Die Temperatur der Pressform wird bis auf eine Höhe von etwa 25°C unter dem Schmelzpunkt der Aluminiumlegierung gesteigert. Bei dieser Temperatur fliesst die Legierung um die Fasern und füllt alle Leerstellen zwischen den Fasern aus. Das Erhitzen und Pressen wird vorzugsweise in einem hohen Vakuum vorgenommen. Der Pressdruck wird vorzugsweise erst dann ausgeübt, wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist. Bei der besonderen Legierung, die verwandt wird, beträgt die Temperatur zwischen 549°C und 566⁰C.

Die Temperatur und der Druck werden für etwa 1 1/2 Stunden aufrechterhalten. Hiernach können die Pressform und die Schaufel kühlen. Während dieser Zeit wird der Pressdruck aufrechterhalten. Beim Pressen der Schaufel in die fertige Form entweicht Aluminiumlegierung 42 zwischen den beiden Formhälften, wie es aus Fig. 5 hervorgeht. Die Bewegung der Pressplatten 3% und 36 gegeneinander kann

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durch geeignete Anschläge 44 an einem Ende des Gehäuses 38 begrenzt sein. Hierbei wird der Abstand der Formjiälften genau festgelegt und damit die fertige Bemessung der Schaufel.

Die Stärke des Aluminiumrückenbleches für die Pasern ist so gewählt, dass das Paservolumen in der fertigen Schaufel etwa ^0% beträgt, so dass das Paservolumen und das Volumen der Umbettungsmasse ungefähr einander gleich sind.

Nach dem Kühlen der Schaufel und ihrer Entnahme aus der Pressform wird der Überschuss an Aluminium an den Schaufelkanten entfernt. Der Rand der Schaufel wird auf Form geschnitten und werden die Ansatzelemente 30 im Falle keiner späteren Anbringung auf gegenüberliegenden Seiten des Wurzelteils befestigt. Beim Anbringen dieser Elemente ist es erwünscht, den aufeinanderliegenden Flächen 45 und 46 dieser Elemente eine verbindende Kurvenform oder Kurvenkrümmung zwecks sicheren Festlegens der Schaufel in diesen Elementen zu geben. Der Wurzelteil ist, wie es Fig. 8 zeigt, von einem Ende zum anderen Ende längsgekrümmt und, wie es Fig. 9 zeigt, zwischen gegenüberliegenden Enden ebenso in Querrichtung gekrümmt. Dies kann während des Pressens der Schaufel und Formung der aufeinanderliegenden Fläche \er Elemente 30 vorgenommen sein, um diese Verbindungskrümmung anzubringen.

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Claims

Patentansprüche.

ί 1 .j Schaufel für Kompressoren und Gebläse, gekennzeichnet durch eine Vielzahl aufeinander geschichteter, unterschiedliche Breite und Länge aufweisender, aufeinandergeschichtet die Gestalt der Schaufel ergebender Lagen aus dicht an dicht einander parallelen Pasern hohen Moduls, welche in einem metallischen, die Leerstellen zwischen den Pasern ausfüllenden Einschluss eingebettet sind.

2. Schaufel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die geschichteten Lagen sich auf sich gegenüberliegenden Seiten eines Mittenkernes befinden.

3. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage geringster Grosse jeweils dem Schaufelkern derart am nächsten 1:egt, dass die äusserste Lage der fertigen Gestaltung der Schaufel entspricht uiid sich über die Sehaufeloberflache erstreckt.

4. Schaufel nach einem der Ansprüche

1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlage auf einem dünnen Metallblech angebracht ist, dessen Material die Umschliessung in der fertigen Schaufel bildet.

5. Schaufel nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel einen Profilteil bzw. Flügelteil und an dem einen Ende eine Wurzel aufweist, bei welchen die Fasern und das Einschliessungsmaterial den ganzen Profilteil (FlUgelteil) und einen vorstehenden Teil bilden, welcher sich in die Wurzel erstreckt und einen Teil der Wurzel bildet.

6. Schaufel nach einem der Ansprüche

1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, dass alle Fasern der Lagen der Schaufellängsachse parallel sind.

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7. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Kern aufeinander folgenden Paserlagen in Längsrichtung der Schaufel voneinander verschiedene Länge aufweisen.

8. Xchaufel nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Paseranteil 5O# des Volumens der fertigen S chaufel beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung einer Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Bändern aus dicht an dicht parallelen hochfesten Fasern auf einem metallischen Rückenblech gebildet, diese Bänder auf bestimmte Masse zur Bildung einzelner Lagen geschnitten, die Lagen aufeinander geschichtet und die aufeinander geschichteten Lagen unter Hitze und Druck zusammengepresst werden, um ein Ausfüllen der Leerstellen um die Pasern durch das metallische Rückenblech zu bewirken und die Schaufel zu formen.

10. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrückenblech das gleiche Volumen wie die Pasern aufweist zur Bildung einer fertigen Schaufel mit etwa 50# Faseranteil und 5O# Anteil an umschliessendem Metall von dem Rückenblech.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder auf voneinander verschiedene Längen und Breiten geschnitten werden, so dass die aufeinander geschichteten und zusammengepressten Lagen die gewünschte Schaufelform ergeben.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder in solcher Länge geschnitten sind, dass sie den Profilteil der Schaufel und einen vorstehenden Teil wenigstens von der Länge der Wurzelabmessung für die Schaufel bilden.

12« Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen

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auf sich gegenüberliegenden Seiten eines mittleren metallischen Kerns aufeinander geschichtet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen mit nach der Schaufelmittenebene zugewandten Fasern und mit ausserhalb der Pasern liegendem Rückenblech aufeinander geschichtet werden.

15· Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pasern an dem Rückenblech mit Hilfe eines metallischen Überzuges der Pasern auf die dem Rückenblech abgewandte Seite festgelegt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche

9 bis 15* dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen %

der Pasern und der Rückenbleche etwas grosser als die Abmessungen der fertigen Schaufel ist und die Verdichtung in der Form und den Abmessungen der fertigen Schaufel entsprechenden Pressformen vorgenommen wird und dass der Materialüberschuss am Umfang der Pressform während der Verdichtung heraustreten kann-bzw. herausgedrückt wird.

17· Verfahren nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, dass das herausgedrückte Material nachfolgend von der Schaufel entfernt wird.

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