DE2240970C2

DE2240970C2 - Vorrichtung zum Festlegen von Verdichterschaufeln

Info

Publication number: DE2240970C2
Application number: DE2240970A
Authority: DE
Inventors: David East Granby Conn. Street; Thomas Charles New Britain Conn. Walsh
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-12-09
Filing date: 1972-08-21
Publication date: 1983-01-13
Also published as: GB1355751A; CA959034A; AU4592872A; FR2164134A5; US3752600A; SE385038B; AU456333B2; DE2240970A1; IT971617B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art to zum Festlegen von Verdichterschaufeln aus faserverstärktem Verbundmaterial im Bereich der aufgespreizten und Rotorschlitze eingesetzte ■ Schaufelwurzeln auf beiden einander gegenüberliegenden Wurzelseiten.

Verdichterschaufeln aus faserve' Märktem Verbund- ü material werden immer häufiger eingesetzt, weil sie ein sehr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen. Bei dein faserverstärkten Verbundmaterial handelt es sich beispielsweise um Kohlenstoffasern in einer Epoxidharzmatrix. Borfasern in einer Polyimid- «o matrix, Borfasern in einer Aluminiummatrix oder um andere nichtmetallische Fasern hoher Festigkeit. Ein Problem bei solchen Verdichterschaufeln besteht darir_N daß die Fasern zwar eine sehr hohe Zugfestigkeit, jedoch keine ausreichende Druck- und Scherfestigkeit aufweisen. Es ist deshalb schwierig, die Belastung von einer Verdichterschaufel aus faserverstärktem Verbundmaterial zu der Rotorscheibe weiterzuleiten, ohne dabei die Fasern zu beschädigen. Wenn Verdichterschaufeln aus faserverstärktem Verbundmaterial an den Schaufelwurzeln die herkömmliche Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfcrm aufweisen würden, so bestünde die Tendenz, daß es an der Übergangsstelle zwischen Flügelprofil- und Wurzelabschnitl zum Abscheren kommt, wodurch die Schaufel bei extrem hohen Drehzahlen nach außen wegfliegen würde.

Zur Beseitigung dieser Gefahr ist bekannt. Verdichterschaufeln aus faserverstärktem Verbundmaterial im Bereich der Schaufelwurzein aufzuspreizen und die Schaufelwurzeln in eine komplementäre Ausnehmung einer als gesondertes Fußteil hergestellten Vorrichtung einzusetzen (US-PS 29 50 083). Die Vorrichtung hat außen die herkömmliche Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzkonfiguration, so daß die Schaufel zusammen mit dieser Vorrichtung in herkömmliche Tannen- ^h'< baum- oder Schwalbenschwanzkonfiguration, so daß die Schaufel zusammen mit dieser Vorrichtung in herkömmliche Tannenbaum- oder Schwalbenschwanz- Schlitze in dem Rotor eingesetzt werden kann. Diese bekannte Vorrichtung ist ein massives und wuchtiges Bauteil, und bei ihr greift die resultierende seitliche Kraft im wesentlichen im Bereich des unteren Wurzelendes an. Das ist nachteilig, weil dadurch die Tendenz vorhanden ist, die aufgespreizte Wurzel zu verschmälern. Außerdem ist gerade im Übergangsbereich, in dem die fliehkraftbelasteten Schichten des Verbundmaterials sich zu strecken versuchen, keine dem entgegenwirkende seitliche Kraft vorhanden. Eine solche entgegenwirkende seitliche Kraft kann bei der bekannten Vorrichtung nicht entstehen, weil bei ihr die beiden Flächen, die mit der Schaufel in dem Übergangsbereich beziehungsweise mit dem betreffenden Rotorschlitz in Berührung sind, in Richtung von dem i-1ügelprofilabschnitt weg divergieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der vorgenannten Art im Aufbau zu vereinfachen und so auszubilden, daß der im Betrieb vorhandenen Tendenz zum Lösen von Schichten stärker entgegengewirkt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung statt aus einem einzigen wuchtigen Bauteil aus zwei Anpreßgliedern, bei denen beide Flächen in Richtung von dem Flügelprofilabschnitt weg konvergieren. Die Vorrichtung nach der Erfindung hat damit einen einfacheren Aufbau und bewirkt, daß die resultierende seitliche Kraft im Übergangsbereich zwischen Flügelprofil- und Wurzelabschnitt statt am unteren Wurzelende angreift. Dadurch werden die Schichten des Verbundmaterials am Delaminieren gehindert.

Es ist zwar bereits bekannt (FR-PS 12 81 033). bei Gasturbinenschaufeln solche Anpreßglieder vorzusehen, es handelt sich in diesem FaI! jedoch um Anpreßglieder aus Kupfer für Schaufeln aus Keramik. Diese bekannten Anpreßglieder werden im Betrieb unter der Wirkung von Zentrifugalkräften dauerhaft plastisch verformt, um so die Schatfeln festzulegen. Einerseits könnten solche Anpreßglieder bei Verdichterschaufeln aus faserverstärktem Verbundmaterial nicht eingesetzt werden, und andererseits haben diese Anpreßglieder einen linsenförmigen Querschnitt, der die bei Verdichterschaufeln aus faserverstärktem Verbundmaterial im Übergangsbereich zwischen Flügelprofil- und Wurzelabschnitt erwünschte seitliche Kraft ebenfalls nicht entstehen lassen würde.

Die aufgespreiztp Schaufelwur/el ragt zwar unter jedes Anpreßglied, so daß dieses zwischen der Wurzel und dem Rotorschlitz eingespannt wird und m> ht mit der Wurzel verbunden zu sein braucht, .n der Ausgestaltung der Erfindung nach Fig. 2 erleichtert jedoch die Klebeverbindung das F.inbauen der Anpreßglieder und verhindert jede Reibung zwischen dem Metall und dem Verbundmaterial, die zu einer Beschädigung der Fasern desselben führen könnte

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 verhindert das die Anpreßglieder miteinander verbindende biegsame Band, daß in der Schaufelwurzel vorhandene keilförmige Einsatzstücke herausge quetscht werden. Das Herausquetschen von F.insatzstücken brächte die Gefahr mit sich, daß die aufgespreizte Schaufelwurzel zusammengedrückt und durch Zentrifugalkräfte aus dem Rotorschlitz hinausbewegt würde.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen

näher beschrieben. Ls ^igt

Fig. 1 im Schnitt eine Verdichterschaufel, die mit einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung in einen Rotorschlitz eingesetzt ist,

Fig.2 schematisch die an einem Anpreßglied der Vorrichtung nach der Erfindung angreifenden Kräfte und

Fig.3 im Schnitt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt "Ine Verdichterschaufel 10 mi' einem Flügelprofilabschnitt 12 und einem Wurzelabschnitt 14. Die Schaufel besteht aus miteinander verklebten Schichten 16, 18. Die Schichten 16, 18 bestehen jeweils aus einseitig gerichteten Fasern, die in ein Matrixmaterial eingebettet sind. Die Fasern sind üblicherweise parallel zur Längsachse 17 des Flügelprofilabschnittes 12 gerichtet. Einige äußere Schichten sind jedoch so angeordnet, daß die Fasern mit der Längsachse 17 einen Winkel bilden, um die Torsionsfestigkeit der Schaufel zu erhöhen. Gemäß Fig. 1 sind die Schichten 16, 18 am unteren Ende des Flügelprofilabschnittes 12 zur Bildung des schwalbenschwanzförmigen Wurrelabschnittes 14 aufgespreizt. Metallische keilförmige Einsatz-tücke 20 sind zwischen den Schichten angeordnet und mit diesen verklebt, um die Schichten in ihrer gewünschten Lage zu halten und der Schaufelwurzel zusätzliche Festigkeit zu verleihen. Bei der in F i g. I dargestellten Schaufel ist je ein Einsatzstück 20 zwischen jeweils zwei Schichten 16, 18 angeordnet, wodurch während der Drehung Scherkräfte gleichmäßiger auf die Schichten verteilt werden können.

Auf beiden einander gegenüberliegenden Wurzelseilen ist jeweils ein Anpreßglied 22 in dem Übergangsbereich 23 zwischen dem Flügelprofilabschnitt 12 und dem Wurzelabschnitt 14 angeordnet. Die äußere Fläche 24 des Anpreßgliedes und die verbleibende freiliegende Fläche 25 des Wurzelabschnittes 14 bilden eine Schwalbenschwanzform, so daß die Schaufelwurzel in einen schwalbenschwanzförmigen Schlitz 26 einer Rotorscheibe 28 eingeführt werden kann. Während der Drehung dei Rotorscheibe 28 wird die Schaufel 10 durch Zentrifugalkraft nach außen gezogen, wobei die Flächen 24 der Anpreßglicder 22 mil dem Rotorschlitz 26 in Berührung kommen. In der dargestellten Ausführungsform werden die Belastungen der Schaufel 10 von dieser auf die Anpreßglieder 22 und von diesen auf die Roterscheibe 28 übertragen. Lie Anpreßglieder 22 können sich über die ganze axiale Länge des Wurzelabschniites 14 erstrecken, damit die Belastung über eine möglichst große Mäche der Schaufel verteilt und die Gefahr einer Beschädigung der Fasern vermieden wird.

Die Anp.eßglieder 22 ..ind so geformt, daß sie zwischen der Rotorscheibe 28 und der Schaufel 10 in dem Übfrgangsbereich 23 zwischen dem Flügelprofilabschnitt 12 und dem Wurzelabschnitt 14 gegen die Schau'eloberfläche gepreßt werden, weshalb die Anpreßglieder nicht mit dem Blatt verklebt zu werden brauchen. Fine Klebeverbindung ist also nicht erforderlich, sie wird aber bevorzugt, um eine Beschädigung der äußersten Schaiifelschicht durch Reibung zwischen dem Anpreßglied und der Schaufeloberflache zu vermeiden. Scherbehi'-Hingen zwischen dem Anpreßglied 22 und der Schaufel 10 werden durch das Einspannen des Anprcßgliedi'S /wischen der Schaufel und der Rotorschcibc 28 vermieden.

Die Form der Anpreßglicder 22 ist am besten in F i p. 2 zu erkennen, in Jr die an den Anpreßglicdern angreifenden Kräfte dargestellt sind. Eine resultierende Kraft 30 an der äußeren Fläche 24 des Anpreßgliedes 22 wird durch die Zentrifugalbelastung der Schaufel erzeugt und ist die Reaktionskraft zwischen dem Anpreßglied 22 und dem Rotorschlitz 26 (F i g. 1). Da die Zentrifugalbelastung der Schaufel auf jeder Seite der Schaufeln urzel gleichmäßig verteilt ist, ist die radiale Komponente 32 der resultierenden Kraft 30 gleich der Hälfte der Zentrifugalbelastung der Schaufel. Diese ίο radiale Komponente 32 wird durch die radiale Komponente 34 einer resultierenden Kraft 36 an der inneren Fläche 38 des Anpreßgliedes 22 aufgehoben. Da das Lösen der Fasern des Verbundmaterials vermieden werden soll, ist es erforderlich, daß eine zu der Schaufel is gerichtete Kraft an der Stelle erzeugt wird, wo das Delaminieren meistens auftritt, d. h. es ist eine an der Schaufel angreifende Druckkraft in dem Übergangsbereich 23 erwünscht, wo das Aufspreizen der Schichten 16,18 beginnt. Weiter ist diese Druckkraft auch noch an einer etwas radial außerhalb des Übergangsbereiches 23 befindlichen Stelle am unteren Ende d^s Flügelprofilabschnittes 12 erforderlich, wo die Schichten noch im wesentlichen radial sind. Um das zu errtichen, ist eine rechtwinkelig zu einer radialen Fläche 42 des Anpreßgliedes 22 gerichtete resultierende Kraft 40 erforderlich. Das wird dadurch erreicht, daß der Winke! 44 zwischen der äußeren Fläche 24 und einer rechtwinkelig zur Längsachse 17 verlaufenden Linie 46 größer gemacht wird als der Winkel 4* zwischen der inneren Fläche 38 und der Linie 46. d. h. die Flächen 24 und 38 müssen in Richtung von dem Flügelprofilabschnitt weg konvergieren Die an dem Anpreßglied 22 angreifenden Kräfte sind zwar in F i g. 2 als einzelne resultierende Kräfte 30, 36 und 40 dargestellt, in Wirklichkeit sind diese Kräfte jedoch im wesentlichen gleichmäßig über die Oberflächen des Anpreßgiiedes \erteilt. Diese gegen die Oberflächen des Anpreßgliedes gerichteten Kräfte werden durch gleichgroße und entgegengesetzt gerichtete Kräfte an der Oberfläche der Schaufel 10 ausgeglichen. Das Anpreßglied auf der anderen Wurzelseite erzeugt gleiche, an der Schaufel angreifende K^räftc. Es ergibt sich eine resultierende Druckkraft in dem Übergangsbereich 23 und entlang der radialen Fläche 42 des Flügelprofilabschnittes 12. Je größer der Unterschied zwischen den Winkeln 44 und 48 ist, um so größer ist die resultierende Kraft 40 und urn so größer ist die gegen die Schaufel gerichtete Druckkraft in diesem kritischen Bereich. Die Winkel werden so gewählt, daß die erzeugte Druckkraft ausreicht, um das Delaminieren des Verbundmaterials zu verhindern, ohne daß dabei dessen Fasern beschädigt werden. Bei einer Schaufel der vorstehend beschriebenen Art aus einem Verbundmaterial, das aus in Epoxidharz einge betteten Kohlenstoffasern besteht, wobei das Volumenve. hälinis von Kohlenstoffasern zu Epoxidharz etwa 1 : I und die an der Schaufel angreifende maximale Zentrifugalkraft etwa 338 kN beträgt, wird für den Winkel 44 ein Wert von 60^r und für den Winkel 48 ein Wert von 45' gewählt.

•>ⁿ Fig. 3 zeigt eine ^vcrdichterschaufel 70 aus faserver stärktem Verbundmaterial, die im wesentlichen der Schaufel 10 von f i g. 1 entspricht, aber nur ein keilförmiges Einsatzstück 72 aufweist. Ein SeUih 74 ist um den Wurzelabschnitl 76 der Schaufel angeordnet. *·' Der Schuh 74 ist einstückig aufgebaut und weist auf jeder Wur vlscitc- eil Anproßglicd 78 auf. die .ihf-ich wie die Anpreßglicder 22 von F i g. 1 und 2 geformt und angeordnet sind. Die Anpreßglieder 78 sind über ein

biegsames Band 80 miteinander verbunden, das eng anliegend um das untere Finde 82 des Wiir/elabschnitics 76 herumgeführt ist. um /u verhindern, daß das Einsatzstück 72 aus dem Wurzelabschnitt herausgepreßt wird. Das Band 80 ist elastisch genug, damit die Anprcßglieder 78 während der Drehung der Rotorscheibe die Schaufel 70 berühren und so in gleicher Weise wie die AnprelJglieder 22 eine Druckkraft auf die Schaufel ausüben können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Festlegen von Verdichterschaufeln aus faserverstärktem Verbundmaterial im Bereich der aufgespreizten und in Rotorschlitze eingesetzten Schaufelwurzein auf beiden einander gegenüberliegenden Wurzelseiten, mit einer ersten Fläche, die mit der Schaufel in dem Übergangsbereich zwischen einem Flügelprofilabschnitt und einem Wurzelabschnitt in Berührung ist, und mit einer zweiten Fläche, die mit dem betreffenden Rotorschlitz in Berührung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flächen (24,38) jeweils an einem Anpreßglied (22) vorgesehen sind und in Richtung von dem Flügelprofilabschnitt (12) weg konvergieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Anpreßglied (22) mit der Oberfläche der Schaufel (10) verklebt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeivbaet, daß die beiden Anpreßglieder (78) jeder Schaufel (70) durch ein eng anliegend unten um den Wurzelabschnitt (76) herumgeführtes biegsames Band (80) miteinander verbunden sind.

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