DE2307565A1

DE2307565A1 - Verbundschaufel

Info

Publication number: DE2307565A1
Application number: DE19732307565
Authority: DE
Inventors: Alf Stuart Alver; Walter Pilpel
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1972-03-15
Filing date: 1973-02-16
Publication date: 1973-09-27
Also published as: AU5303973A; IT981376B; CA974174A; SE382245B; JPS491909A; AU462587B2; FR2175769A1; GB1408492A; US3756745A; FR2175769B1

Description

Bernd Π - ^

United Aircraft Corporation 6530Pi: · . -"

East Hartford,Connecticut 06103 «nirstr. w . >_t(iL -, -_;n

Vereinigte Staaten von Amerika 2307565

Verbun&rcha uf e 1 <

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbundschaufel und insbesondere auf einen verbesserten Aufbau für eine derartige Schaufel.

Es ist bekannt, dass die Vervendung von durch Fasern hoher Festigkeit verstSrkte Verbundwerkstoffe in I'lugzeugmotoren in den letzten Jahren eine wesentliche Forschung und Entwicklung durchgemacht hat« Der Hauptgrund für diese Forschung und Entwicklung liegt in dem sehr hohen Fcstigkeit-Gewichtvarhiiltnis dieser Werkstoffe. Eine Hauptschwierigkeit dieser Werkstoffe ist jedoch darin zu sehen, dass sie nur in einer Richtung belastbar rind da die: Fasern nur. eine sehr hohe Zugfestigkeit aufweisen. Diese hohe Festigkeit für nur eine Belastungsrichtung ist jedoch für Rotorschaufeln besonders geeignet, wie z.B. für Gebläse,Verdichter oder Turbinen, worin die meisten Kraft durch Zentrifugalbelastung erzeugt werden und radial gerichtet sind. Die Fasern hoher Festigkeit in einer Verbundschaufel sind demnach im wesentlichen in Blattlä'ngsrichtung angeordnet und verlaufen von der Blattspitze zu der Grundfläche des Blattes und anschliessend in die Wurzel.

Falls man von der hohen Festigkeit der Verbundwerkstoffe für nur eine Belastungsrichtung spricht so soll das nicht bedeuten, dass die Fasern an und für sich eine geringe Scherfestigkeit haben. Das Problem liegt in der Tatsache, dass der Matrixwerkstoff oft eine geringe Scherfestigkeit aufweist, und somit eine Bewegung zwischen den nebeneinander liegenden Fasern nicht verhindern kann wodurch natürlich eine Beschädigung der Schaufel während dem Betrieb hervorgerufen werden kann. Zur Verbesserung dieser geringen Scherfestigkeit müssen öfters besondere Vorkehrungen getroffen werden um die Fasern fest in der Wurzel zurückzuhalten. Die Krümmung der Tarierenden innerhalb der Wurzel ist eine Möglichkeit um diesen

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_ 2 Nachteil zu beseitigen. 2307565

In einer schwalbenschwanz form igen Wurzel werden die von der Belastung herrührenden Scherkräfte von den Ansätzen aufgenommsn, die sich von jeder Seite der Wurzel erstrecken. Diese Ansätze bestehen manchmal aus dem Matrixwerkstoff, welcher zur Herstellung der Verbundschaufel verwendet wird, z.B. können sie aus Aluminium bei einer Schaufel mit Borfasern in einer Aluminiummatrix bestehen. FaILs dieses Material an un,d für sich nicht die erforderliche Festigkeit aufweist, um die Scherkräfte von den Ansätzen aufzunehmen, so muss es in irgendeiner Weise verstärkt werden oder die Spannungen müssen verringert werden. Eine Möglichkeit zum Verringern der Spannungen ist die Verwendung von zusätzlichen AnsStzen um die Kräfte über einen grösceren Matcri.alquerschiiitt zu verteilen. Zum Beispiel kann ein weiteres Annatapaar an der Wurzel hinzugefügt v/erden und inbezug zu der Ro tor scheibe radial innerhalb dem ersten Ansatzpaar angeordnet sein. Eine Wurzel dieser Bauart ist als Doppel.-Sclivjalhenschwanzv/urzel bekannt. Dar? zweite Ansatzpaar ist oft etwas kleiner als dar, erste Paar, so dass die v?urzel eine Keil form erhält. Die bekannte Tannenbaumwurzel ist in gewissem Sinne die Erweiterung den Grundgedankens zusätzliche Ansätze zu vermeiden bis zu seiner logischen Schlussfolgerung.

Bei Wurzeln dieser Ausführungsform und insbesondexa bei Doppel-Schwalbencchwanzwurzeln besteht das Problem, dass jeder der AnsStze seinen Teil der Scherbe Ir, stung überträgt. Die Hauptschwierigkeit liegt in der Bearbeitung der Tragflächen der Ansätze und der zugeordneten Tragflächen an der Rotorscheibe, so dass während dem Betrieb des Rotors alle Tragflächen zur gleichmässigen Verteilung der Scherbelastung in Berührung kommen. Bei den heute üblichen Doppel-Schwalbent chwa.azwurzeln kommen meistens die radial äusseren Tragflächen mit der Scheibe in Berührung bevor die radial inneren Tragflächen sich gegen die Rotorscheibe anlegen. Die äusseren Ansätze sind oft unbiegsam infolge der Versteifungswirkung der in die Ansätze hineinragenden Fasern wodurch die äusseren Ansätze einen ungleichen Anteil der Scherbelastung übertragen. Falls jedoch die Ansätze nicht mit den Fasern vorstärkt werden,

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wSre .es möglich dass sie der Scherbe leistung nicht widerstehen können. Diese Schwierigkeiten können die Auswahl des Werkstoffes für die Wurzel einschränken oder sie können eine überdimensionierte Wurzel erfordern im Vergleich zu der Wurzel, welche normalerweise erfordert ist falls die Belastung gleicbfliSssig auf alle AnsStze verteilt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin einen verbesserten Aufbau für eine faserverstärkte Verbundschaufel mit einer mehrere AnsStze aufweisenden Wurzel zu schaffen, wobei wä'hrend dem Betrieb die Belastung in vorteilhafter Weise gleichraSssig auf alle ÄnsStze verteilt sein soll.

Entsprechend der Erfindung ragen bei einer Verbundschsufel mit einem aerodynamischen Abschnitt und einer rnit mehreren Ansätzen versehenen Wurzel in Längsrichtung des aerodynamischen Profiles verlaufende Fasern aus diesem aerodynamischen Abschnitt in die Wurzel· und sind in dieser Uv.rzel zura Erreichen einer bestimmten Biegsamkeit der Ansätze c. no e ordnet.

Die Fanern, welche senkrecht zu der Richtung der SchcrkrSfte in einen Anrntz hineinragen (d.h. im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des aerodynamischen Abschnittes; sind) bedingen die gröcstc Zunahme der Biegefestigkeit des Ansatzes. Falls das Fasermaterial fester ist aln das Wurzelmaterial so wird die Biegefestigkeit des Ansatzes uiti so grosser je. grosser das Faservoluraen in einem Ansatz ist. Bei der vorliegenden Erfindung werden diese und andere Merkmale der Fasern innerhalb der Würz ed. verwendet um die Belastung gleichlegen ig auf die WurzelansStze zu übertragen, wie im folgenden beschrieben wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Blattwurzel aus Aluminium und hat eine Doppe1-Schwalbe η schv-'enrfbrm, der aerodynamische Abschnitt besteht aus Borfasern in einer Aluminiummatrix. Die Wurzel ist in eine Nut am Umfang der Rotor-. scheibe eingesetzt. Faserbündel rogen aus dem aerodynamischen /abschnitt in die Wurzel und sind in die vier AnaStze Oer Doppe 1:- Schwalbenschwanzform gekrümmt. Die Anordnung der Fasern innerhalb jedem Ansatz int wie .folgt; erstens, die Eindringtiefe und

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der Eindringwinkel der Fasern in das radial ä'ussere Ansatzpaor d.h. das Ansatzpaar in der NShe des aerodynamischen Abschnittes, ist verhältnisniässig klein bzw. verhältnismässig flach , so dass diese Susseren Ansätze etwas biegsam in radialer Richtung bleiben. Die Biegsamkeit in radialer Richtung gewährleistet, dass die Tragflächen des radial inneren Ansatzpaares in Berührung mit den zugeordneten Tragflächen an der Rotorscheibe gelangen, wenn der Rotor in Betrieb ist. Zweitens die Fasern sind scharf in das radial innere Ansatzpaar gekrömmt und dringen tief in diese Ansätze ein, dh.die Achsen der Fasern verlaufen steiler inbezug zu der Richtung der Scherkräfte als die Fasern in den äusseren. Ansätzen. Auf diese Weise sind die inneren Ansätze weniger biegsam als die Susseren Ansätze, so dass die inneren Ansätze in Berührung mit der Rotorscheibe bleiben. Drittens ein verhältnismassig kleiner Biegeradius der in das radial innere Ansatzpaar eindringenden Fasern gewährleistet, dass die Fasern in den Ansätzen fest zurückgehalten, werden um eine Verformung des Einbettungsverkstoffes infolge einer Verschiebung zwischen den Fasern zu vermeiden wodurch die Scherbelastung wieder von den inneren Ansätzen auf die äussore Ansätze zurückgelangen würde.

Ein Ausführungs;boispiel der Erfindung ist den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden na'her beschrieben. Eg zeigen:

Figur 1 eine Ansicht in Perspektive einer Verdichterschaufel nach der Erfindung.

Figur 2 eine teilweise Seitenansicht der Kompressorschaufel nach Figur 1.

Figur 3 eine Schnittansicht der Schaufel nach Figur 2 entlang der Linie 3-3 in Figur 2.

Figur 4 eine Schnittansicht der Schaufelwurzel entlang der Linie 4-4 in Figur 2.

Figur 5 eine Schnittansicht der Schaufelwurzel entlang der Linie 5-5 in Figur 2.

Eine Schaufel mit dan Merkmalen der vorliegenden Erfindung ist in Figur 1 dargestellt. Diese Schaufel kann in einem Gasturbinen-

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triebwerk verwendet werden und umfasst einen Abschnitt 4, eine Plattform 5 und eine Wurzel 6. Die Wurzel 6 hat ein radial äusseres Ansatzpaar und ein radial inneres Ansatzpaar 8 und eine solche Wurzel ist als Doppel-Schwalbenschwanzwurzel bekannt. Die Wurzel 6 kann in eine Nut 9 (siehe Figur 4) in dem Susseren Umfang der Rotorscheibe 10 eingesetzt werden. Die Nut 9 hat äussere und innere Tragflächen 12 und 14. Die Doppeln Schwalbenschwanzwurzel hat zwei Paar Tragflächen d.h. ein äusseres Paar 20 und ein inneres Paar 22, die den ä'usseren bzw. den inneren Tragflächen 12 und 14 der Nut 9 zugeordnet sind.

Der aerodynamische /ibschnitt nach dieser Aus fähr ungs form hat Borfacern hoher Festigkeit in einer Aluminiummatrix und diese Fasern sind im v;3sentlichen in Längsrichtung angeordnet, d.h. sie sind etwa parallel zu der Längsachse 23 (siehe Figuren 2, 4 und 5) dos aerodynamischen Abschnittes. Die äussere Oberfläche des aerodynctmischen Abschnittes kann jedoch Fasern umfassen, die in einem Winkel zur Längsachse angeordnet sind, um dem aerodynamischen Abschnitt zusätzliche Torsionrfcstigkeit zu verleihen. Die Wurzel 6 besteht bei dieser Au^führunggform ebenfalls aus Aluminium was vom Standpunkt der Herstellungskosten, der Fertigungstechnik so wie des Gewichtes sehr wünschenswert ist aber bei verschiedenen Schaufeln infolge der Pestigkeitsanforderungen nicht durchführbar ist. Die Doppel-ScIiwalbenschwanzform dient zur Beseitigung dieses Nachteiles durch Anordnen von zwei Ansatzpaaren 7, 8 zur Übertragung der Scherbelastung. Die Fasern in dem aerodynamischen Profil 4 verlaufen in die Viurzel 6 und sind in mehrere Faserbündel 24, 26„ 32 und 33 aufgeteilt und in die vier Ansätze (Figuren 4 und 5) auseinandergespreizt zur Erhöhung der Scherfestigkeit dieser Ansätze, ohne diese Verstärkung wären die Aluminiumansätze nicht in der Lage; der Scherbelastung zu widerstehen und zwar sogar bei einer Doppclv-Schwalbenschwanzwurzel nach der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung.

Wie schon oben beschrieben wurde kommt das äussere Paar der Tragflächen 20 normalerweise in Berührung mit den zugeordneten Tragflächen 12 o'er Rotorcclioibe bevor die inneren Tragflächen 22 in Berührung mit den Tragflächen 14 der Rotorscheibe gelangen. Es wird

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e nur ein kleiner Teil der Gosamtbelastung auf ~d"as innere Ansatzpc-ar 8 übertragen. Dieser Nachteil der Doppe 1-Schwalben schwanzwurzel kann verringert oder sogar ausgeschaltet wsrden falls das Sussere Ansatzpaar 7 biegsam oder nachgiebig ist, so da&s die inneren Tragfli'chen 22 in Berührung mit den Tragflächen 14 der Rotorricheibe kommen.

Die Biegsamkeit der Ansätze, wie z.B. der ä'unsoren Ansätze 7, wird durch die Anordnung der Faserbündel 24, 26 in diesen Ansätzen bestircmt. Die Biegsamkeit dor Ansätze ändert mit den V7inkeln 27, zwischen den Faserbündel 24, 26 und der LSngsachse 23. Fasern innerhalb do:-; Ansatzes, die int wesentlichen senkrecht zu der LSngsachse 23 (d.h. im Winkel von 90 ) angeordnet sind bewirken eine rasdmale Biege?tcifheit dos Ansatzes. Demnach müssen für genügend biegsame Ansätze 7 die Winkel 27, 25 zv/ischer, cu-r Leim f.'.; achse ?3 und den Faserbündel 24, 26 ausreichend klein gehalten v;erden. Es ist jedoch wichtig, dass die Faserbündel 24, 26 genügend v/^ir. in die /insiitza 7 hin eindringe η um die Scherfestigkeit der Aru;ätKe zu erhöhen, d. h. der Faserbündel 24 muss bis über die in Figur 4 angedeutete Scherebcrue 29 in den Ansatz hineinrngon. Ausserdo:?. ist das Volumen der Fnsern zu dem Aluminium des Ansatzes wesentlich zur Bostinu.vang seiner Biegsamkeit, denn je grosser das Volumonverhä'ltnis der Fasern y.u dem ISinbiittungcwerkstoff der Ansa'tze um so kleiner die Biegsamkeit dieser Ansätze. Aus diesem Grunde muss die Grosse des Faserbiindels und die Eindringtiefe desselben in die Ansätze ebenfalls sorgfältig ausgewählt werden.

Bei dieser Ausführungsform wird durch die Krümmung des Faserbündels der Winkel der Fasern inbozug zu der Längsachse 23, das Volumenverhältnis sowie die Eindringtiefe der Fasern bestimmt. Eingrosser Krüranrjnjsradius wie z.B. der Radius 3 0 und 31 bedingt einen kleinen Winkel 27 und 28 ein kleines Volumenverhiiltnis und nur eine- geringe¹ E indring tiefe der Fasern in die Susseren Ansa'tze 7.

Aus dem gleichen Grunde, dass die ä'ussoren /vrisätze 17 etwas biegsam sein, sollen, müssen die inneren Ansätze 0 verha'ltnisma'ssig steif sein, dn falls die inneren Ansa'tr,e sich nn"cr der Uirkung der auf die Tragflächen 22 ausgeübten Belastung durchbiegen der gro'spte Teil dieser Belastung wieder auf die ä'u.:soren An.sStze

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übertragen wird. Aus diesem Grunde sind die Faserbündel 32 und 33 verha'ltnisraSssig scharf in die inneren Ansätze 8 umgebogen. Diese Fasern sind deshalb nicht nur steiler zu der La'ngsachse 23 sondern sie erstrecken sich auch weiter in den Ansatz hinein. Auf diese Weise wird das Voluraerverha'ltnis der Fasern zum Aluminium in dem Ansatz erhöht. Ausserdera verringert die verhä'ltnismäissig starke Krümmung der Faserbündel 32 und 33 eine Verschiebung zwischen den aneinanderliegenden Fasern des Bündels, was wie oben beschrieben eine übertragung der Scherbelastung von dem inneren auf die Susseren Ansätze verhindert. Um so kleiner die Krümmung des Faserbündels desto grosser ist ihr Vermögen die Scherbelastung zwischen den aneinandcrliegenden Fasern aufzunehmen. Ein Keil 34 ist in die Wurzel 6 zwischen die Faserbündel 32, 33 eingesetzt und dient zum festen Zurückholten der Fasern innerhalb der inneren Ansätze um eine Verschiebung zwischen den aneinanderliegenden Fasern innerhalb eines Bündels weiter zu vermeiden. Wie bei den Susceren Ansätzen 7 mür.Rcn die Faserbündel sich weit genug in die inneren Ansätze hineinerstrecken so dass das Aluminium allein nicht die gesamte Scharbelastung übertragen muss.

Figur 3 ist eine Schnittansicht durch das aerodynamische Profil 4 in der Nähe der Plattform 5. Die gestrichalten Linien 36 und 38 deuten an in welcher Weise die Fasern des aerodynamischen Profiles auf die Susseren und inneren Ansätze 7 und 8 aufgeteilt sind. Die Fasern über der gestrichelten Linie 36 sind in dem linken Faserbündel 26 zusammengefasst und die Fasern unterhalb der gestrichelten Linie 38 sind in dem rechten Faserbündel 24 (Figur 4) zusammengefasst. Die Fasern zwischen den gestrichelten Linien 36 und 38 ragen in die inneren Ansätze 8. Bei dieser Ausführung εform sind diese letztgenannten Fasern etwa gleichmSssig zv;ischen dem rechten und linken inneren Ansatz aufgeteilt.

Es sei noch erwiihnt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Anwendung in Schaufeln mit Doppel-Schwalbenschwanzform beschränkt ist und dass aurser den Borfasern und der Aluminiummatrix des aerodynamischen Profiles und der Wurzel noch andere Werkstoffe verwandet werden können. Bei jeder T.'urzel rait zwei oder mehr Ansetzen kann die Lehre dieser Erfindung vorteilhaft vorv:endet werden um die

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Aufteilung der Kräfte auf die verschiedenen Ansätze zu bestimmen. Die Art der Aufteilung der Fasern des aerodynamischen Abschnittes auf die verschiedenen Ansätze wird nach den jeweiligen Bedingungen ausgewählt und hSngt von verschiedenen Grossen ab. Zum Beispiel
kann dar Faserbündel zwischen den gestrichelten Linien 36 und 38
in Figur 3 keine Fasern umfassen, die sich an der Vorderkante und an der Hinterkante des aerodynamischen Abschnittes befinden,
das heisst, für verschieden Schaufeln ist es vorteilhaft wenn nur Fasern die sich in dem mittleren Bereich des aerodynamischen
Abschnittes befinden in die inneren Ansätze 8 verlaufen. Natürlich können die Merkmale der in der U.S. Anmeldung Nr. 234.755
beschriebenen Schaufel auch in Verbindung mit den Merkmalen einer Schaufel nach dieser Erfindung verwendet werden.

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Claims

PATENTA NS PRUECHE.

I 1. Verbundschaufel mit einem aerodynamischen Abschnitt und einer mehrere Ansätze aufweisenden Wurzel, wobei der aerodynamische Abschnitt Fasern aufweist, die im wesentlichen in Längsrichtung der Schaufel verlaufen und aus dem aerodynamischen Abschnittin die Wurzel hineinragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern innerhalb jedes Ansatzes der Wurzel zum Erreichen einer bestimmten Biegsamkeit der verschiedenen Ansätze inbezug zueinander angeordnet sind wobei diese Anordnung der Fasern entsprechend einem oder mehreren der folgenden Merkmale ausgebildet ist:

a.) die Fasern innerhalb jedes Ansatzes sind in einem Winkel inbezug zu der; Schaufellängsachse angeordnet, wobei dieser Winkel grosser ist für Ansätze mit geringerer Biegsamkeit als für Ansätze mit grösserer Biegsamkeit,

b.) das Volumenverhältnis der Fasern zu dem Einbettungsmaterial ist grosser in Ansätzen mit kleinerer Biegsamkeit als in Ansätzen mit grösserer Biegsamkeit, und

c.) die Eindringtiefe der Fasern ist grosser in Ansätzen mit geringerer Biegsamkeit als in Ansätzen mit grösserer Biegsamkeit.
2. Verbundschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wurzel in bekannter Weise radial innere und radial äussere Ansätze aufweist, und das Volumenverhältnis der Fasern zu dem Einbettungswerkstoff für dia radial inneren Ansätze grosser ist als für die radial äusseren Ansätze.
3. Verbunschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wurzel in bekannter weise radial innere und radial äussere Ansätze aufweist, und dass der winkel der Fasern inbezug in der Schaufellängsachse in den radial inneren Ansätzen grosser ist als in den radial äusseren Ansätzen.
4. Verbundschaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wurzel in bekannter Weise radial innere und radial äussere Ansätze aufweist und die Eindringtiefe der Fasern in die radial inneren Ansätze grosser ist als in die radial äusseren Ansätze.

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