DE2145903A1 - Verdichter oder Geblaseschaufel fur ein Gasturbinenstrahltriebwerk - Google Patents

Description

PAeNTnNW

DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, 14. September 1971 : 13 ^29 - K/vM

Ministry pf Defence (Aviation Supply), London, England.

Verdichter- oder Gebläseschaufel für ein Gasturbinenstrahltriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf Schaufeln für Gasturbinenstrahltriebwerke .

Derartige S_chaufeln sollen so leicht als möglich ausgebildet sein, aber sie sollten auch in der Lage sein, hohen Beanspruchungen zu widerstehen, die unter gewissen Umständen, z.B. beim Einsaugen von Vögeln, auftreten. Bisher wurden Schaufeln aus kohlenstoffaserverstärkten Materialien hergestellt, aber da diese Pasern nicht genügend Energie absorbieren, te/or sie brechen, ist es sehr schwierig, eine Schaufel herzustellen, die in der Lage ist, sehr große Überbeanspruchungen auszuhalten, ohne zu brechen, was dann zu einer weiteren Beschädigung des Triebwerkes führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Schaufel zu schaffen, die beträchtliche Überlasten aushalten kann, ohne zu brechen.

Gemäß der Erfindung besteht die Schaufel aus einem kohlenstoffaserverstärkten Matrixmaterial und einer weiteren Verstärkung aus Klaviersaiten oder anderen Drähten aus festen dehnbarem Material mit einem vergleichbaren Modul, eingebettet in der Matrix und in Längsrichtung der Schaufel verlaufend.

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Der Anteil der Drahtverstärkung innerhalb der Schaufel ändert sich je nach den spezifischen Erfordernissen; vorzugsweise wird jedoch etwa 10 Gewichtsprozent Draht vorgesehen, um das spezifische Gewicht so niedrig als möglich zu halten.

Die Drähte brauchen nicht gleichmäßig über den Querschnitt der Schaufel verteilt zu werden und sie brauchen sich auch nicht über die volle Länge der Schaufel zu erstrecken. Die Drahtverstärkung kann in der Nähe der Schaufeloberfläche oder in der Nähe von Vorder- und Hinterrand der Schaufel konzentriert werden und die Drähte können sich von dem Schaufelfuß nur über den inneren Hauptteil der Schaufeln in Längsrichtung erstrecken. Die Drähte ) brauchen nicht den gleichen Durchmesser wie die Kohlenstoffasern zu haben und es hat sich gezeigt, daß eine aus Epoxydkunstharz bestehende Matrix insbesondere unter Hinzufügung von Polysulphon äußerst wirksam ist.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß hergestellten Schaufel.

Die Schaufel besteht aus einem stromlinienförmig verlaufenden Abschnitt 10 und einem Schaufelfuß 11. Die Klaviersaiten sind in . der Nähe der äußeren Oberfläche der Schaufel hauptsächlich konzentriert und sie können auch in der Nähe der Vorderkante und der Hinterkante verlaufend angeordnet sein und sich vom Schaufelfuß bis in etwa 3/4 Höhe der Schaufel erstrecken. Auf diese Weise werden die Drähte starr am Schaufelfuß befestigt und erstrecken sich über jenen Abschnitt der Schaufel, der aller Voraussicht nach durch Einsaugen von Vögeln beschädigt werden und abbrechen könnte. Das äußerste Viertel des Arbeitsteils der Schaufel bricht voraussichtlich nicht ab und wenn es abbrechen würde, dann wäre

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es nicht massiv genug, um eine schwerwiegende Beschädigung des übrigen Triebwerks oder Gleichgewichtsprobleme hervorzurufen. Daher kann etwas Gewicht gespart werden, wenn man die Drahts^ wie ersichtlich, auf Dreiviertelhöhe enden läßt. Es kann zweckmäßig sein, die Drähte am Schaufelfuß in Schleifen zu legen, so daß ein einziger Draht sich in der Schaufel nach unten erstreckt, am Schaufelfuß umkehrt und sich in der Schaufel zurückerstreckt. Dies ergibt eine zusätzliche Verankerung für den Draht.

Das Prinzip der Benutzung von Stahldrahtverstärkung kann wie folgt zusammengefaßt werden. Weil die Kohlehstoffasern bis zum Bruch linear elastisch sind, führen große Deformationen, z.B. während eines Aufpralls, zu einem Faserbruch. Metalldrähte sind jedoch nicht bis zum Bruch linear elastisch, weil eine plastische Verformung auftreten kann. Bei Stoßbeanspruchung sollte es möglich sein, einen großen Umfang von Restfestigkeit in der Schaufel zu behalten, weil die nicht gerissenen Metalldrähte vorhanden sind.

Der Volumenanteil der Drähte muß innerhalb der Schaufel so gering als möglich gehalten werden, um das spezifische Gewicht so niedrig als möglich zu halten, denn die Quadratwurzel des Koeffizienten Modul/Spezifisches Gewicht bestimmt die Schaufelfraquenz. Diese muß wieder so groß als möglich sein und da die Stoßbelastung in eine Biegebelastung umgeformt wird, kann dies erreicht werden, indem die Drähte an der äußeren Schicht konzentriert werden (bei Anwendung der dargestellten Form und bei Stahldrähten mit einem Elastizitätsmodul von JO χ 10 p.s.i. wird im Vergleich mit Kohlenstoffasern,die einen etwas niedrigeren Elastizitätsmodul besitzen, die Frequenz nur sehr wenig geändert). Der Volumenanteil der Drähte muß jedoch ausreichen, um die Zentrifugalbelastungen in der Schaufel aufnehmen zu können, nachdem die Kohlenstoffasern gebrochen sind. Ein Richtwert für den Volumenanteil ist etwa 10$.

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Stahldrähte werden benutzt, weil sie einen ähnlichen Modul wie Kohlenstoffasern besitzen und daher einen gleichen Anteil der Last tragen und weil sie billig mit Festigkeiten über 400 χ 10^ p.s.i. herstellbar sind,

Bei Versuchen wurde festgestellt, daß die Klavierseitenverstärkung sowohl eine hohe Restfestigkeit liefert und eine überraschende Verbesserung der Stoßfestigkeit ergibt. Versuchsschaufeln wurden in der Weise hergestellt, daß aus Kohlenstoffasern bestehende Blätter, deren Pasern durch Pyrolyse von Polyacrylnitril hergestellt und mit einem Epoxydharz und einem latenten Härter vorimprägniert waren, geschichtet wurden. Die KontrollVersuchsstücke bestanden aus Kohlenstoffasern und Epoxydharz allein. Die Versuchsstücke für den Schaufelaufbau nach der Erfindung wurden hergestellt, indem gleichförmig etwa 10 Volumenprozent Klaviersaiten von 5 x 10™·^ Zoll Durchmesser mit den Kohlenstoffasern vermischt wurden, deren Durchmesser 0,3 χ 10"^ Zoll betrug, wobei wiederum eine Kunstharzmatrix vorgesehen wurde.

1. Versuchsstückherstellung

Die Versuchsstücke wurden dadurch hergestellt, daß durch Drehen Stahldrähte von 5 x 10"·^ Zoll Durchmesser auf Schichten aus kohlenstoffaserverstärkten Epoxydtilättern auf einer Stahlform aufgewickelt wurden. Wenn eine genügende Zahl von Schichten hergestellt war, dann wurde der Epoxyd/Stahlkörper durch Pressen in der Form bei 500 Pfund/Zoll und l60°C zusammengedrückt. Standardversuchsstücke zur überwachung von kohlenstoffaserverstärkten Epoxydharzkörpern werden in der gleichen Weise erzeugt.

Es wurden zwei Reihen von Versuchen ausgeführt, um die Wirkung von Schlagen auf eine sich drehende Schaufel nachzuahmen:

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a) Dreipunktbiegung bis zu konstantem Ausschlag

b) Längsschlag, d.h. die Fasern laufen in Längsrichtung des Musters, wobei ein Schlag unter 90° auftrifft.

Um die Restfestigkeit in jedem Versuchskörper zu messen, wurden diese anschließend einem Zugversuch unterworfen.

2. Typische Versuchsergebnisse
Dreipunktbiegung

Muster Biegefestigkeit Restbiege- Restzugfestigkeit χ 10* p.s.i. festigkeit χ 1(V p.s.i.

χ 103 p.s.i.

Kohlenstoff/ 2OJ 24 I8.3

Kunstharz ± ^ll'⁶ ± ⁸ ± ^l8

Kohlenstoff/ _oc-_o && _K-* -,

Kunstharz + ^{252 66 5}^'¹

Stahldrähte ±19.9 ±25 ±9 (ungefähr 10$)

Die angegebenen Grenzwerte beziehen sich auf 90#ige Konfidenz-Grenzwerte.

Die Restbiegefestigkeit basiert auf einer Belastung, die von dem Träger nach einem festen Ausschlag ausgehalten wurde.

Stoßbelastung (Kleiner Hounsfield) Muster von 0,1 Zoll χ 0,05 Zoll χ 1.75 Zoll. Tup 1/2 Pfund für Hyfil (Warenzeichen), 1 Pfund für Stahl/

Hyfil (Warenzeichen)

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-D-

Muster Nennlrapuls- Restfestigkeit Wirksame Festigkeit wert χ 1O^ p.s.i. %

( Fuß Pfund)

Kohlenstoff- 0,^4 +0,045 6 + 5

faser mit

Epoxydharz

°·⁵ i °'^{Ob 3}° ± ^{7 57}

und (Mittelwert)

Stahldrähten
(ungefähr

Die wirksame Festigkeit basiert auf einem Stahldrahtvolumenanteil und der Festigkeit des Stahldrahts.

Diese vorab durchgeführten Ergebnisse belegen, daß außer der Erlangung der beträchtlichen Erhöhung der Restfestigkeit,die erwartet wurde, die Stahldrahtverstärkung ein beträchtliches Ansteigen der Biege- si und Stoßeigenschaften ergibt. Eine noch bessere Ausnutzung der Stahlverstärkung könnte zweifellos dadurch getroffen werden,daß eine selektive Verstärkung vorgenommen wird, und zwar z.B. in der Nähe der Oberfläche der Schaufel, wobei die Drähte nur über einen Teil der Höhe der Schaufel geführt sind.

Es wurde erwartet, daß dann, wenn die Kohlenstoffasern brechen, die Klaviersaiten in der Lage sind, sich plastisch zu verformen, um Energie zu absorbieren und infolgedessen nicht brechen würden, sondern einen Aufbau bilden, der die Schaufel zusammenhält, wenn ein Vogel oder ein anderer Fremdkörper auftrifft. Die erwähnten Versuche zeigen aber, daß zusätzlich zu diesem Verhalten,das aus gebrochenen Teststücken ersichtlich war, die Klaviersaitenverstärkung auöi eine beträchtliche Verbesserung der Grundeigenschaften des Materials ergaben, bevor ein Bruch eintrat.

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Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Klaviersaiten in den Aufbau einzubringen. Ein solches Verfahren besteht darin, die Drähte in die Faserstoffschichten bzw. Blätter einzubringen, um Teilkörper zu bilden oder es könnten vollständige Blätter, bestehend aus Drähten, hergestellt und auf die Kohlenstoffaserblätter aufgelegt werden.

•A Patentansprüche:

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Claims (10)

1. 2U5903

   - 8 Patentansprüche:

   ,1. jVerdichter- oder Gebläseschaufel für ein Gasturbinenstrahl-V-'triebwerk, bestehend aus einer kohlenstoffaserverstärkten Matrix,

   dadurch gekennzei chnet, daß eine weitere Verstärkung aus festem dehnbarem Draht vorgesehen ist, dessen Elastizitätsmodul dem der Kohlenstofffasern ähnlich ist, und daß diese Metalldrähte in Längsrichtung der Schaufel in der Matrix eingebettet sind.
2. 2. Schaufel nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtverstärkung 10 Volumenprozent der S_chaufel ausmacht.
3. 3. Schaufel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte in der Nähe der Schaufeloberfläche konzentriert sind.
4. 4. Schaufel nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzei chnet, daß sich die Drähte vom Schaufelfuß nur über den Hauptteil der Längenerstreckung der Schaufel erstrecken.
5. 5. Schaufel nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzei chnet , daß die Drähte sich nach unten wenigstens über einen Teil der Schaufel erstrecken und im Schaufelfuß umkehren und wiederum über wenigstens einen Teil der Schaufel verlaufen.

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6. 6. Schaufel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzei chnet , daß die Drähte in der Nähe des Vorder- und Hinterrandes der Schaufel konzentriert sind.
7. 7. Schaufel nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial einen Hauptteil aus Epoxydharz aufweist,
8. 8. Schaufel nach Anspruch 7*

   dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial einen Anteil von Polysulphon enthält.
9. 9. Schaufel nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzei chnet , daß die PaserverStärkung aus Stahldrähten besteht.
10. 10. Schaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die S£ahldrähte Klaviersaiten sind.

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