DE2240970A1

DE2240970A1 - Rotor mit verbundschaufeln oder -blaetter

Info

Publication number: DE2240970A1
Application number: DE2240970A
Authority: DE
Inventors: David Street; Thomas Charles Walsh
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-12-09
Filing date: 1972-08-21
Publication date: 1973-06-14
Also published as: FR2164134A5; AU456333B2; GB1355751A; AU4592872A; US3752600A; SE385038B; DE2240970C2; CA959034A; IT971617B

Description

Vfettnttstvilt ¹ Bernd Bedker

United Aircraft Corporation β830 Bingen - 17

I KSmKstr. 10 - T«L 06721/8BU

United States of America

Rotor mit Verbundschaufeln oder-Bla'tter.

Die Erfindung bezieht sich auf faserverstärkte Verbundrotorb 16'ttor und insbesondere auf Mittel zur Verbesserung der Blattfestigkeit im Bereich der Blattwurzel.

Faserverstärkte Verbundrotorblätter", mit einem Flügelprofil- und einem Wurzelabschnitt waren in den letzten Jahren einer wesentlichen Forschung und Entwickelung unterworfen und dies insbesondere da sie ein sehr hohes Festigkeit/Gewicht Verhältnis aufweisen. Diese Rotorblatter bestehen z_oB. aus Kohlenfasern in einer Epoxyraatrix, Boifesern in einer Polyamidmatrix, Borfasern in einer Aluminiummatrix, oder andere nicht metallische Fasern hoher Festigkeit in einer geeigneten Matrixmasse.

Ein übliches Problem bei der Herstellung und Verwendung von bestimmten Verbundbauteilen und insbesondere Verbundrotorblätter liegt darin, dass die Fasern neben ihrer sehr hohen Zugfestigkeit für viele Anwendungsgebiete keine ausreichende Festigkeit gegen Druckbeanspruchungen und Scherbeanspruchungen aufweisen. Es ist deshalb schwierig die Belastung von einem Verbundbauteil wie z.B. ein Rotorblatt auf ein metallisches Bauteil wie z.B. eine Rotorscheibe weiterzuleiten ohne dabei die Fasern zu beschädigen.

Bei der Herstellung von Verbundrotorblätter ist es bekannt das Verbundflügelprofil des Blattes radial in die Blattwurzel hinein zu verlängern und beidseitig des Verbundwerkstoffes einen metallischen Ansatz anzukleben um die Blattwurzel zu bilden, die z.B. eine Schwalbenschwanzform aufweisen kann« Die sehr wesentlichen Scherbeanspruchungen zwischen dem Ansatz und dem Verbundwerkstoff ist ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Ausführung, Ausserdem werden die Fasern durch die grossen Druckbelastungen des Verbundwerkstoffes beschädigt.

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Einige dieser Nachteile können durch Aufspreizen des^erbunduerketoffes an der Basis dee FlögelprofllabschniLtes zur Bildung des Wurzelabschnittes vermieden werden. Ein oder mehrere keilförmige Einsatzstücke werden dann in den aufgespreizten Werstoff eingesetzt und zur Auffüllung der Zwischenräume mit demselben verbunden um der Blattwurzel die erforderliche Festigkeit gegen Druck und Scherbelas tungen zu verleihen, ti ie Scherbe leitungen werden über die Oberflächen der Einsatzstücke veiteilt. Das Aufspreizen des Verbundwerkstoffes in der Blattwurzel hat den Nachteil, dass die an den Fasern angreifende Zentrifugalkraft das Bestreben hat diese Fasern aus dem Blatt heraus zu ziehen, wodurch eine resultierende Reaktionskraft gegen die Nut zur Aufnahme der Rotorblätter in der Rotorscheibe auftritt. Diese resultierende Reaktionskraft ist parallel zu der am Blatt angreifenden Zentrifugalkraft gerichtet während ihr Angriffpunkt jedoch inbezug zu dieser Kraft versetzt ist, so dass in den Übergangsbereich zwischen dem Flügelprofil- und dem Blattwurzelabschnitt ein Moment entsteht, welches das Bestreben hat die Fasern von dem Verbundwerkstoff zu lösen. Tie Blattwurzel ist sehr anfällig in diesem Bereich da dort die Aufspreizung der einzelnen Faserbündel beginnt, so dass das Lösen der Fasern an dieser Stelle beginnen kann. Der Matrixwerkstoff welcher zur Zusamraenhaltung der Fasern dient ist oft nicht fest genug um das Lösen der Fasern zu vermeiden.

Bs sind verschiedene. Ausführungen der Blattwurzeln bekannt, die wenigstens an einigen Stellen der Blattwurzel eine Kömpressionskraft erzeugen, leider erzeugen diese Ausführungen die Kompressionskraft jedoch nicht an der Stelle wo sie am nötigsten erfordert ist, d.h. an der Basis des Flügelprofilabschhlttes wo die Fasern noch radial verlaufen und in dem Obergangebereich wo die Aufspreizung der Fasern zur Bildung der Blattwurzel beginnt. In einigen der bekannten Ausführungen wird durch die Blattwurzelbefes tigungsvorrichtung eine resultierende Kraft erzeugt, die das Moment, welches das Bestreben hat die Fasern loszulösen, noch verstärkt.

Ein weiteres wesentliches Problem der faserverstärkten Verbundblätter mit einer aufgespreizten Wurzel ist darin zu sehen, dass

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OWGfNAL INSPECTED

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die lceiiföxmigen Einsatzstücke der Wurzel aus ihrer Stelle zwischen den Bündeln der aufgespreizten Fasern infolge der Zentrifuga!belastung herausgequetscht werden können. Dieser Nachteil ist stärker ausgeprägt wenn nur ein oder zwei Einsatzstücke verwendet werden, da dann diese EinsatzstCicke notwendiger Weise einen grösseren Keilwinlcel aufweisen müssen und somit grösserer Scherkräfte auftreten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin die Festigkeit eines faserverstärkten Verbundrotorblattes in der Nähe der Wurzel zu erhöhen und das Loslösen der Fasern in dem Bereich der aufgespreizten Blattwurzel zuverhindern, und vorzugsweise soll dabei noch die Aufgabe gelöst werden, dass in der augespreizten Wurzel und zwischen den Faserbündeln eingelagerte keilförmige Einsatz-

nicht stücke unter der Wirkung der Blattzentrifugalbelastung/neraus-

gequetscht werden können.

In ÜbeidLnstimmung mit der Erfindung wird dies bei einem Rotormit einer Rotorscheibe, welche mehrere an ihren Umfang verteilte zur Aufnahme der Rotorblätter dienende Blattaufnahmeschlitze aufweist, dadurch erreicht dass an jeder Seite der Blattwurzel ein Anpressglied vorgesehen ist, welches einerseits eine zur Berührung der Blattwurzel geformte Fläche und andererseits eine zur Berührung des Blattaufnahmeschlitzes geformte Fläche aufweist und wobei beide Flächen jedes Zwischengliedes in Richtung von dem Flügelprofilabschnitt des Blattes weg konvergieren. Insbesondere ist jedes Zwischenglied in Berührung mit der Blattwurzel an dem tJbergangsbereich zwischen der Wurzel und dem Flügelprofil des Blattes und kann anijeder Seite für eine bestimmte Strecke über den Übergangsbereich hinaus verlängert sein. Der aufgespreizte Bereich der Blattwurzel ragt unter jedes Anpressglied, so dass das Glied zwischen der Wurzel und der Scheibe während der Rotation des Rotors eingespannt ist. Infolge dieser Einspannung müssen die Anpressglieder nicht mit der Wurzel verklebt werden, jedoch ist eine Klebeverbindung erwünscht um-die Zwischenstücke leicht einbauen zu können damit sis die richtige Lage einnehmen, ausserdem verhindert eine Klebeverbindung jede Reibung zwischen dem MetaLl und dem Verbundwerkstoff wodurch eine Beschädigung der Fasern des

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- 4 Verbundwerkstoffes auftreten könnte.

Die konvergenter« Flächen jedes Anpressgliedes wandeln die an jedem Blatt angreifende, radial nach aussen gerichtete Zentrifugalkraft in eine resultierende Kraft um, welche zu der Oberfläche des Bittes an dessen Berührungsstelle mit dem Anpressglied gerichtet ist.Eine gleichgroSse, jedoch entgegengesetzt gerichtete Kraft wird an der gleichen Stelle auf der anderen Seite der Blattwurzel durch das andere Anpressglied erzeugt. Als Folge erhält man eine resultierende Kompressionskisft an der Blattober flache in dem Übergangsbereich der Wurzel. Diese Kompressionskraft wirkt dem Moment entgegen, welches das Bestreben hat die Fasern aus dem Verbundwerkstoff zu lösen. Die Kompressicnskraft kann auch die Dichte und die Gleichförmigkeit des Verbundwerkstoffes in dem Obergangsbereich des Blattes erhöhen wodurch gleichmässig die Zugfestigkeit des Blattes verbessert wird.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Anpressglied auf einer Seite der Blattwurzel Über ein Band mit dem Anpressglied auf der anderen Seite der Blattwurzel verbunden sein und dieses Band kann mit den Anpressgliedern aus einem Stuck bestehen und ist genau um die untere Seite der Blattwurzel herumgeführt. Das Band muss die erforderliche Flexibilität aufweisen, damit die Anpressglieder während der Rotation des Rotors in den Obergangsbereich hineingepresst werden können. Das Band verhindert, dass die keilförmigen Einsatzstücke aus der Blattwurzel herausgequetscht werden. Die Herausguetschung eines Einsatzstflckes kann schwerwiegende Folgen nach sich ziehen, da in diesem Falle die aufgespreizte Blattwurzel wahrscheinlich zusammengepresst wird und durch das Fehlen der zurückhaltenden Einsatzstücke unter der Wirkung der Blattzentrifugalbelastung sich aus dem Schlitz in der Rotorscheibe hinausbewegen kann. Entsprechend dieser AusfUhrungsform sind das Band und die Anpressglieder nicht mit dem Blatt verklebt.

Aueführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und wsrden nun näher beschrieben, es zeigen:

Figur 1 eine Schnittdarstellung eines nach der Lehre der Erfindung in den Schlitz einer Rotorscheibe eingesetzten Rotorblattes. Figur 2 eine nche.rMi.«3ehe Darstellung der an dem Anpressglied nach

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der Erfindung angreifenden Kräfte.

Figur 3 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung.

In Figur 1 ist ein Rotorblatt 10 mit einem Flügelprofilabschnitt 12 und einem Wurzelabschnitt 14 dargestellt. Das Blatt besteht aus mehreren Schichten 16, 18, welche miteinander verklebt sind. Jede der Scheiben 16 und 18 besteht aus einseitig gerichteten Fasern, die in einem Matrixwerkstoff eingebettet sind wie z.B. Borfasern in einer Polyamidharzmatrix» Die Fasern sind überlicherweise parallel zur Längsachse 17 des Flügelprofilabschnities 12 gerichtet. Es können jedoch einige der Susseren Schichten derart angeordnet sein, dass die Fasern in einem Winkel zur Längsachse 17 liegen um die Torsionsfestigkeit des Blattes zu erhöhen. Wie in Figur 1 ersichtlich ist sind die Schichten 16,18 an der Basis des Flögelprofilabschnittes 12 zur Bildung einer schwalbenschwanzförinigen Wurzel 14 aufgespreizt. Metallische keilförmige Einsatzstücke 2o sind zwischen den Schichten angeordnet und mit denselben verklebt um diese Schichten in ihren gewünschtem Lagen zu halten und um der Blattwurzel zusätzliche Festigkeit zu verleihen. Bei dem dargestellten Blatt ist je ein Einsatzstück 20 zwischen jeweils zwei Schichten 16,18 angeordnet, jedoch können mehrere oder weniger Einsatzstücke verwendet werden. Eine grössere Anzahl von Einsatzstücken ist bevorzugt da dadurch die Scherbelastungen während der Rotation gleichmässiger zwischen den vielen Schichten aufgeteiltverden. „

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung liegt je ein Anpressglied 22 an jeder Seite der Blattwurzel in dem Übergangsbereich 23 zwischen dem Flügelprofilabschnitt 12 und dem Wurzelabschnitt 14. Die äussere Oberfläche 24 des Anpressgliedes und die restliche freiliegende Fläche 25 der Blattwurzel 14 bilden eine Schwalbenschwanzform , welche zur Einführung im die schwalbenschwanzförmige Nut 26 in der Scheibe 26 bemessen ist. während der Rotation der Scheibe wird das Blatt 10 durch die Zentrifugalbelastung nach aussen gezogen und dabei kommen die Oberflächen der Anpressglieder 22 in Berührung mit dem Scheibenschlitz 26. Bei der dargestellten Ausführung werden die Belastungen des Blattes

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10 von demselben auf die Anpressglieder 22 und von diesen auf die Rotorscheibe 28 übertragen. Die Anpressglieder 22 können sich Ober die ganze axiale Länge der Blattwurzel 14 erstrecken um die Belastung ober eine möglichst grosse Fläche des Blattes zu verteilen und somit die Gefahr einer Beschädigung der Fasern zu vermeiden. Falls jedoch andere Gesichtspunkte ausschlaggebend sind, so können die Anpressglieder kürzer als die axiale Länge der Blattwurzel sein.

Die Anpressglieder 22 sind derart geformt um zwischen der Scheibe und dem Blatt gegen die Btettoberfläche in dem Obergangsbereich 23 gepresst zu werden und deshalb müssen die Zwischenglieder nicht mit dem Blatt verklebt werden. Obschon eine Klebeverbindung nicht erfordert ist, ist dieselbe bevorzugt um eine Beschädigung der äussersten Blattschicht infolge einer Reibung zwischen dem Anpressglied und der Blattoberfläche zu vermeiden. Alle wesentlichen Scherbelastungen zwischen dem Anpressglied 22 und dem Blatt 10 werden durch das Einklemmen der Anpressglieder zwischen dem Blatt und der Scheibe vermieden.

Jie Formgebung der Anpressglieder 22 ist am besten aus Figur 3 zu erkennen, welche eine vereinfachte Analyse der an den Anpressglieder angreifenden Kräfte darstellt, die im folgenden beschrieben werden. Die resultierende Krft 30 an.der Fläche 24 des Anpressgliedes 22 wird durch die Zentrifugalbelastung des Blattes erzeugt und ist die Reaktionskraft zwischen dem Zwischenglied 22 und dem Scheibenschlitz 26 (Figur 1). Da die Zentrifugalbelastung des Blattes auf jede Seite der Blattwurzel gleichmässig verteilt ist, ist die radiale Komponente 32 der Kraft 30 gleich der Hälfte der Zentrifugalbelastung des Blattes. Diese Radialkraft 32 wird durch die radiale Komponente 34 der resultierenden Kraft 36 an der unteren Oberfläche 38 des Anpressgliedes 22 ausgeglichen. Da durch die Erfindung einerseits das Lösen der Fasern des Verbundwerkstoffes vermieden werden soll, ist es erfordert eine zu dem Blatt gerichtete KBft an der Stelle zu erzeugen wo das Lösen der Fasern meistens auftritt, d.h. die an dem Blatt angreifende Kompressionskraft ist an dem Obergangsbereich 32 zwischen dem Flflgelprof!!abschnitt

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und dem Wurzelabschnitt erwünscht wo daa Aufspreizen der Schichten 16,18 beginnt. Andererseits ist diese Kompressionskraft auch noch an einer etwas radial ausserhalb des Übergangsbereiches 23 liegenden Stelle an der Basis des Fitigelprofilabschnittes 12 erfordert wo die Schichten noch im wesentlichen radial sind. Um dies zu erreichen ist eine senkrecht zu der Oberfläche 42 des Anpressgliedes 22 gerichtete resultierende Kraft 40 erfordert. Dies wird dadurch erreicht, dass der Winkel 44 zwischen der Oberfläche 24 und einer senkrecht zur Blattlängsachse 17 verlaufenden Linie 46 grosser ist als der Winkel 48 zwischen der Oberflache 38 und der Line 46, d.h. die Oberflächen 24 und 38 müssen in Richtung von dem Flügelprofil» abschnitt 12 weg konvergieren. Öbschon die an dem Anpressglied 22 angreifenden und in Figur 2 dargestellten Kräfte durch resultierende KrSfte 30,36 und 48 .dargestellt sind ist natürlich zu beachten, dass diese Kräfte im wesentlichen gleichm^ssig über die Oberflächen des Anpressgliedes verteilt sind. Diese gegen die Obcsf!Sehen des Anpressgliedes gerichteten Kräfte sind durch gleichgrdsse und entgegengesetzt gedichtete KrSffe an der Oberfläche des Blattes IO ausbalanziert. Das Anpr@ssgli©d auf der amdsrem Seite des ■Blattwurzel erzeugt .ähnlich®,,- am Blatt angreifend© KrSf t©„ U&n erhält eine resultierende Kompressionskraft in u®m übergasigsberoieh 23 und entlang der radialen Oberfläche 42 des Flttgelprofilabsefanittes. Umso grosser der Unterschied zwischen den Winkeln 44 und 48 desto grosser die resultierende Kraft 40 und desto grosser die gegen das Blatt gerichtete Kompressionskraft in diesem kritischen Bereich,, Die Winkel müssen derart ausgewählt"werden, dass die erzeugte Kompressionskraft zur Verhinderung der Ablösung der Fasern ausreicht, ohne dass die Fasern des Verbundwerkstoffes dabei beschädigt werden. Bei einem Blatt der beschriebenen Ausführungsform bestehend aus Kohlenstpffasern in einem Epoxyharz wobei das Volumenverhältnis der Kohle zum Epoxyharz etwa 1 zu 1 ist und die maximale am Blatt angreifende Zentrifugalkraft 34.5OOkp beträgt, soll der Winkel 44,60° und der Winkel 48, 45° betragen.

Die Figur 3 zeigt ein Blatt 70 aus einem Verbundwerkstoff, welches im wesentlichen dem Blatt 10 nach Figur 1 entspricht jedoch nur ein einziges keilförmiges Einsatzstück 72 aufweist. Ein Schuh 74 ist

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um die Wurzel 76 des Blattes herum angeordnet. Der Schuh 74 besteht aus einem einzigen Bauteil undweist Anpressglieder 78 auf, je eines an jeder Seite der Blattwurzel, die in ähnlicher Weise wie die Zwischenstücke 22 der Figur 1 geformt und angeordnet sind. Diese Anpressglieder sind über ein Band 80 miteinander verbunden, welches eng anliegend um die untere Site 82 der Blattwurzel herum angeordnet ist um zu verhindern, dass das Einsatzstück 72 aus der Wurzel herausgepresst wird. Das Band 80 ist elastisch genug damit die Zwischenglieder 78 während der Rotation das Blatt 70 berühren können und somit in gleicher Weise wie die Zwischengleider 22 eine Kompressionskraft auf das Blatt ausüben.

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Claims

P A T E N T A IJ S P R ü E C H E,

l.JRotor mit einer Rotorscheibe an deren Umfang mehrere axial Nferlaufende und in ümfangsrichtung verteilte Schlitze zur Aufnahme von mehreren Rotorblätter angeordnet sind, wobei jedes Rotorblatt in einem Matrixmaterial eingebettete niclit-metallische Fasern hoher Festigkeit aufweist, und einen Flügelprofilabschnitt sowie einen aufgespreizten Wurzelabschnitt umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Seite des Blattes je ein Anpressglied angeordnet ist, welches über eine erste Fläche mit dem Blatt in dessen Ubergangsbereich zwischen dem Flügelprofilabschnitt und dem Wurzelabschnitt über einen wesentlichen Teil der axialen Blattlänge in Berührung ist und über eine zweite Fläche mit einer zugeordneten Fläche des Blattaufnahmeschlitzes in der Rotorscheibe in. Berührung ist und wobei beide Flächen in Richtung von dem Flügelprofilabschnitt weg konvergieren, und die beiden Anpressglieder während der Rotation des Rotors einen Hauptbauteil des Belastungsübertragungsweges zwischen dem Blatt und der Rotorscheibe bilden.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche in Berührung mit einem Bereich der Oberfläche des Flügelprofilabschnittes radial ausserhalb des Obergangsbereiches ist.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Anpressglied mit der Oberfläche des Blattes verklebt ist.
4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt mehrere aneinander liegende Schichten aufweist, und die aufgespreizte Wurzel mindestens ein keilförmiges, metallisches Einsatzstück aufweist.
5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpressglied auf einer Seite des Blattes einstückig über ein biegsames Band mit dem Anpressglied auf der anderen Seite des" Blattes verbunden ist, wobei das Band eng anliegend um die untere Seite der Blattwurzel herungeführt ist.

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