DE2339468A1 - Schaufelkonstruktion fuer von stroemungsmitteln durchstroemte maschinen - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE H. LEINWEBER dipl-ins. H. ZIMMERMANN

. A. Gf. v. WENGERSKY 2339468

8 München 2, Rosental 7,

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3. August 1973

Unser Zeichen

Wy/Sm 27381/1530/D.7994

SOCIETE UATIOIAIE D¹ETUDE ET DE CONSTRUCTION DE MOTEUES D¹AVIATIOI

Paris/Frankreich

Schaufelkonstruktion für von Strömungsmitteln durchströmte Maschinen

Die Erfindung befaßt sich mit einer Schaufelkonstruktion für von gasförmigen oder flüssigen Strömungsmitteln durchströmte Maschinen. Es handelt sich dabei um eine Schaufelkonstruktion eines Typs, bei dem die Schaufel aus einem Profilkörper besteht, der aus übereinandergelegten Schichten eines zusammengesetzten Faseraaterials besteht, die um einen Kern aus Metall herum angeordnet sind, der einen ebenfalls aus Metall bestehenden, aus dem Profilkörper vorstehenden Abschnitt aufweist, der einen Fuß für die Befestigung der Schaufel bildet.

Unter dem Begriff "Schaufelkonstruktion" soll im folgenden jede unter diesen Begriff fallende Bauart verstanden werden und insbesondere jede Art von Schaufeln, Flügeln od.dgl. Teile, wie sie in der Beschaufelung von Laufrädern oder stehenden Leiträdern

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von Maschinen Verwendung finden, die von gasförmigen oder flussi- ! gen Strömungsmitteln durchströmt sind, wie Kompressoren, Turbinen, I Pumpen usw.

Der Begriff "zusammengesetztes Fasermaterial¹¹ soll im fol* genden jedes Material mit umfassen, das mindestens die beiden folgenden Grundelemente als Bestandteile aufweist: Ein Grundge-I rüst, das aus Metall, Keramik oder Plastik (beispielsweise einem synthetischen Harz) bestehen kann, und eine faserige Verstärkung, die angehobene mechanische Eigenschaften (Festigkeit und Elastizitätsmodul) hat und beispielsweise aufgrund von Fasern oder Fäden aus Kohlenstoff, Bor,-Glas usw. eventuell in einem Webarbeitsgang hergestellt ist.

line Schaufel aus zusammengesetztem Fasermaterial mit ; einem Kern und Fuß aus Metall weist die beiden folgenden, gemeinsam auftretenden Vorteile auf: Bei gleicher Festigkeit gegenf über Beanspruchungen aufgrund der Fliehkraft, einer Biegung, einer Torsion oder aufgrund von Vibrationen ergibt sich eine viel geringere Masse gegenüber einer Schaufel, die zur Gänze aus Metall besteht. Dennoch kann die Schaufel mit Hilfe ihres aus Metall bestehenden Fußes auf herkömmliche Weise in einer Ausnehmung ebenfalls herkömmlicher Form in einer Stützkonstruktion befestigt werden, bei der es sich um eine Scheibe oder Trommel eines Laufrades oder einen Ring bzw. eine Zwinge des feststehenden Leitrades handeln kann. Es wurde nämlich festgestellt, daß in der Tat ein aus Metall bestehender Fuß einer Schaufel sehr viel besser als ein Fuß aus einem zusammengesetzten Faseraaterial wiederholten Stoßbeanspruchungen während des Arbeitens der Maschine und Reibungen in seiner Lagerung standzuhalten vermag.

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Dennoch tritt bei der genannten Schaufelkonstruktion eine Schwierigkeit aufgrund der Tatsache auf, daß das Metall des Kerns einen Elastizitätsmodul und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist-, die sich γοη denjenigen des zusaamengesetzten F&sermaterials unterscheiden. Überdies sind diese Eigenschaften beim zusammengesetzten Fasermaterial sehr stark richtungsabhängig und hängen von der jeweiligen Richtung bezüglich der Ri^tung der Fasern ab. In der allgemeinen Richtung der Fasern ergibt sich nämlich ein maximaler Elastizitätsmodul und : ein minimaler thermischer Ausdehnungskoeffizient, während in einer Richtung senkrecht zur allgemeinen Richtung der Fasern gerade die umgekehrten Verhältnisse vorliegen.

Aus der obigen Erläuterung ergibt sich, daß sich der · Kern unter der Wirkung der mechanischen Beanspruchungen und der TemperaturSchwankungen, denen die Schaufel im Betrieb ausgesetzt ist, andere Dehn- und Deformationsbewegungen ausführt, ; als der Rest der Schaufel. Dadurch ergeben sich an der Beruh- ; j rungsfläche des Metalls mit dem zusammengesetzten Fasenaaterial ■ ! Scherbeanspruchungen. An dieser Berührungsfläche liegt normaler- ; weise ein Bindemittel (wie ein Kleber oder ein Material gleicher Zusammensetzung wie das des Grundgerüstes) vor, das den 5k.-sammenhalt zwischen dem Kern und dem Rest der Schaufel sicherstellen soll. Erreichen nun die Scherbeanspruchungen genügend ; hohe Werte, so kann durch sie der Zusammenhalt zwischen den Teilen der Schaufel gefährdet werden.

Die Erfindung hat das Ziel, diese Nachteile allgemein zu vermindern und die Voraussetzungen für den Zusammenhalt der verschiedenen Teile der Schaufelkonstruktion zu verbessern.

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Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß die Schichten des zusammengesetzten Fasermaterials so angeordnet, daß der Winkel "ob" zwischen der allgemeinen Richtung der Fasern einer Schicht und der Achse der Schaufel in seinem absoluten Wert ausgehend von einem Maximalwert für die tief in der Schaufel liegende .; Schicht bzw. Schichten bis zu einem Minimalwert für die an der Oberfläche der Schaufel liegende Schicht bzw. Schichten abnimmt .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schichten in einer Stufenanordnung derart übereinandergelegt, daß jede Schicht relativ zu einer benachbarten, tiefer liegenden Schicht einen in Richtung auf den Fuß der Schaufel vorgeschobenen Abschnitt hat, der eine Stufe bildet, die zur Befestigung dieser Schicht am Kern der Schaufel dient.

Diese Ausbildung führt dazu, wie weiter unten noch erläutert werden wird, daß ein regelmäßiger und fortschsatender Übergang von.Beanspruchungen zwischen dem Körper und dem Kern der Schaufel siehergestellt ist.

Gemäß einer anderen Ausbildungsform der Erfindung ist der Kern der Schaufel Teil einer einstückigen Einheit aus Metall, die zusätzlich die Anströmkante und die Abströmkante der Schaufel bildet. Die Schaufel ist so gegen Abrieb und Erosion aufgrund des Auftreffens fester oder flüssiger Materia-. lien besser geschützt. \

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich j aus der folgenden Beschreibung. Die Einzelheiten der Erfindung können dabei dem Text und/oder den Zeichnungen entnommen werden. Es zeigen

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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaufel,

Fig. 2 teilweise aufgerissen die Schaufel gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt bei Linie III-III in Fig. 2, und

Fig. 4 eine Fig. 1 entsprechende perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 bis 3 zeigen eine Schaufel 1 mit einer Achse x-x¹ für von Strömungsmitteln durchströmte Maschinen. Die Schaufel kann Teil des Laufrades oder auch des Leitrades einer Maschine wie eines Kompressors, einer Gas- oder Dampfturbine, einer Pumpe oder einer anderen Maschine dieser Art sein. In der folgenden Beschreibung wird beispielsweise davon ausgegangen, daß die Schaufel 1 Teil des Laufrades eines Kompressors ist. ■

Die Schaufel 1 besteht im wesentlichen aus einem Profilkörper 2, der um einen Kern 3 herum angeordnet ist.

Der Profilkörper 2 ist durch um den Kern 3 herum vorgenommenes Übereinanderschichten von aufeinander-folgenden Schichten A, B, C, ... aus einem zusammengesetzten Fasermaterial gebildet. Dieses Material besteht beispielsweise aus einem Formstück aus synthetischem Harz, in das eine aus Fasern bestehende Verstärkung eingebettet ist, die angehobene mechanische Kennwerte aufweist und beispielsweise aus ggfs. verwebten Fasern oder Fäden aus Kohlenstoff oder Bor besteht.

Der Kern 3 besteht aus einem Metall, das unter dem Get wird, daß seine

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j sichtspunkt ausgewählt wird, daß seine mechanischen und

physikalischen Eigenschaften denen des zusammengesetzten Fasermaterials so gut wie möglich nahekommen. Im Falle des oben : erwähnten zusammengesetzten Fasermaterials (Kohle- oder Borfa- j sern und Formkörper aus synthetischem Harz), ist es vorteilhaft, den Kern aus Titan zu fertigen. An seinem unteren Teil weist der Kern 3 einen Abschnitt 3a auf, der einen Fuß für die Befestigung der Schaufel bildet. Der Abschnitt 3a ist dazu bestimmt, beispielsweise in einer Schwalbenschwanznut befestigt; zu werden, die am Umfang einer Scheibe oder Nabe des Korn- '■ pressors ausgebildet ist.

Die Schichten A ... F zusammgesetzten Fasermaterials werden ausgehend τοη blatt- oder plattenförmigen Abschnitten dieses Materials erhalten, die in einer solchen geometrischen Form zugeschnitten werden, daß nach dem übereinanderlegen der Schichten das gewünschte Schaufelprofil erzielt wird. Beim Zuschneiden der Schichten trägt man überdies, wie weiter unten noch erklärt werden wird, der Ausrichtung der Fasern in den verschiedenen Schichten bezüglich der Achse x-x^f der Schaufel Rechnung.

An der Berührungsfläche zwischen Kern 3 aus Metall und Profilkörper 2 ist ein Bindemittel 4 angeordnet, bei dem es sich um einen Klebstoff oder ein Material der gleichen Zusammensetzung wie das Grundgerüst handeln kann. Die aus dem Kern 3 und den korrekt übereinandergelegten Schichten A ... F gebildete Einheit wird schließlich in eine Form eingebracht, in der die Einheit erhitzt und einem Druck ausgesetzt wird. Die verschiedenen Schichten werden auf diese Weise untereinander und mit dem Kern fest verbunden. Um die gegenseitige Verankerung des zusannnengesetzten Fasermaterials und des Kerns

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j 3 zu verbessern, kann letzterer Durchbrechungen 3b aufweisen, idurch die das Bindemittel oder das Material des Grundgerüstes hindurchtreten kann.

Im folgenden wird mit oG der Winkel bezeichnet, der zwischen der allgemeinen Richtung der Fasern in einer Schicht und der Achse x-x^f der Schaufel gebildet wird.

Wie oben bereits erläutert wurde, weisen das Metall und das zusammengesetzte Faserraaterial unterschiedliche mechanische : und physikalische Eigenschaften auf und zwar trotz der von Anfang an zur Sicherstellung einer möglichst guten Verträglichkei zwischen den beiden Materialien getroffenen Vorkehrungen. Eine Quelle zusätzlicher Schwierigkeiten liegt in der Tatsache, daß das zusammengesetzte Fasermaterial von Natur aus sehr anisotrop ist, was insbesondere bezüglich seines Elastizitätsmoduls und seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten gilt.

An dieser Stelle soll nochmals darauf hingewiesen werden, daß der wesentliche Vorteil eines zusammengesetzten Fasermaterials mit hohen Kennwerten im geringen Gewicht des Materials besteht, das mit einem sehr hohen Wert der'Festigkeit und des Elastizitätsmoduls einhergeht. Dieser Vorteil kann jedoch nur dann ausgenutzt werden, wenn das Material in einer Richtung beansprucht wird, die von der allgemeinen Richtung der Fasern nicht zu stark abweicht. In der Tat nehmen nämlich die mechanischen Qualitäten erheblich ab, wenn die Beanspruchungen, denei das Material unterworfen wird, in Richtungen auftreten, die von der oben erwähnten Vorzugsrichtung sehr verschieden sind.

Es ist deshalb angezeigt, im Falle von' Schaufeln, die

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Zugbeanspruchungen (aufgrund der Fliehkraft) und Biegebeanspruchungen, sowie Torsionsbeanspruchungen (aufgrund der aerodynamischen Belastung der Schaufel) ausgesetzt sind, ein zusammengesetztes Fasermaterial zu verwenden, dessen Fasern zu- ; mindest nahezu parallel zur Achse x-x¹ der Schaufel liegen. i

Unter diesen Bedingungen wird aber der Elastizitäts- '■ modul des zusammengesetzten Fasermaterials erheblich größer als j derjenige des Metalls, aus dem der Kern 3 besteht. Der Profil- | körper 2 und der Kern 3 der Schaufel sind so im Betrieb unterschiedlichen Verformungen ausgesetzt. Scherbeanspruchungen im (klebenden) Bindemittel 4, das an der Verbindungsfläche zwischeiji dem Profilkörper 2 und dem Kern 3 der Schaufel vorliegt, sind die Folge. Diese Scherbeanspruchungen können, wenn sie die Dauerfestigkeit des Bindemittels überschreiten, äußerstenfalls sogar zu einem Zerfallen der Schaufel führen, indem sich der Profilkörper 2 vom Kern 3 trennt.

Ebenso wie der Elastizitätsmodul ist auch der thermische Ausdehnungskoeffizient des zusammengesetzten Fasermaterial in Abhängigkeit von der jeweils betrachteten Richtung und ihrem Bezug zur allgemeinen Faserrichtung in der jeweiligen Schicht stark unterschiedlich. In der Tat läßt sich feststellen, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient einen maximalen Wert in einer Richtung senkrecht zur allgemeinen Richtung der Fasern hat und einen minimalen Wert in der Richtung der Fasern. Für den oben ins luge gefaßten Fall eines zusammengesetzten Fasermaterials, dessen Fasern nahezu parallel zur Achse x-x¹ der Schaufel liegen, ist also der Ausdehnungskoeffizient des Fasermaterials kleiner als der des den Kern bildenden Metalls. Das kann auf analoge Weise zu dem, was oben für den Elastitzitätsmodul erläutert wurden, den Zusammenhalt der gesamten Schaufel gefährden.

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Die unten beschriebenen Vorkehrungen ermöglichen es, j

diese nachteiligen Auswirkungen allgemein zu vermindern. j

Io folgenden wird als Beispiel ein Fall zugrundegelegt, ; bei dem die Schaufel einen Profilkörper 2 aus zusammengesetztem : Fasermaterial hat, der aus sechs übereinander gelegten aufein- ^l ander folgenden Schichten A, B, C, D, E, F besteht, von·denen -· die Schicht A die dem Kern nächste tiefste Schicht und die ; Schicht F die Oberflächenschicht der Schaufel ist. ;

Die aufeinanderfolgenden Schichten A bis F sind mit einei solchen Ausrichtung angeordnet, daß der Winkel cb zwischen der allgemeinen Richtung der Fasern einer Schicht und der Achse x-x¹ der Schaufel in seinem absoluten Wert ausgehend von einem Maximalwert für die tiefen Schichten A, B bis zu einem minimalei. Wert für die Oberflächenschichten E, F abnimmt.

Die Wahl des Winkels et für jede der aufeinander folgenden Schichten beruht auf einem Kompromiss, bei dem folgendes in Rechnung gestellt wird: Die verschiedenen mechanischen Beanspruchungen (Zug, Biegung, Torsion) die die gesamte Schaufel aushalten soll; die Eigenfrequenz, die die Schaufel im Betrieb aufweisen soll; die Elastizitätsmodul des Metalls und des zusammengesetzten Fasermaterials, wobei bezüglich des letzteren der Winkel öl der Ausrichtung jeder der betrachteten Schichten in Rechnung gestellt wird; schließlich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metalls und des zusammengesetzten Fasermaterials, wobei bei letzterem wieder der Winkel (L der Ausrichtung der Schichten in Rechnung gestellt wird.

Hierfür beginnt man damit, die tiefsten Schichten A und

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B in Stellung zu bringen und so zu orientieren, daß der Ausdehnungskoeffizient dieser beiden Schichten in Richtung der Achse der Schaufel demjenigen des Kerns 3 so nahe wie möglich kommt. Der Winkel & weist daher seinen Maximalwert auf. Beispielsweise sei darauf hingewiesen, daß absolut genommen der Maximalwert zwischen 50° und 60° liegen kann. Die Schicht A wird beispielsweise gemäß einem Winkel von +50°, die Schicht B gemäß einem Winkel von -50° angeordnet.

Die Festlegung dieses G-abelwinkels stellt die folgenden Überlegungen in Rechnung: Für einen Winkel et unter 45° steigt der Elastizitätsmodul sehr rasch an und hat dann die Tendenz, größer als derjenige des Metalls zu werden. Nähert sich andererseits der Winkel <X 90°, so nimmt der Ausdehnungskoeffizient des zusammengesetzten Fasermaterials einen zu großen Wert an. Der angegebene Gabelwinkel entspricht demnach geeigneten Zwischenwerten und zwar sowohl bezüglich des Elastizitätsmoduls als auch bezüglich des Ausdehnungskoeffizienten des zusammengesetzten Fasermaterials.

Man fährt sodann mit den Schichten zusammengesetzten Fasermaterials fort, die eine Winkelorientierung gemäß einem Winkel CC aufweisen, der kleiner ist als der vorerwähnte maximale Winkel. Schließlich endet man mit einer oder mehreren Oberflächenschichten E und F, deren Winkel CU ihrer Faserausrichtung so gewählt wird, daß man einen möglichst großen Elastizitätsmodul erhält. Der Minimalwert des Winkels CL für die Oberflächenschichten liegt zwischen 0 und 20°. Für im wesentlichen Biegebeanspruchungen unterworfene Schaufeln wird man beispielsweise einen Winkel oU mit 0° wählen. Für mehr Torsionsbeanspruchungen unterworfene Schaufeln wird der Winkel ck> vorteilhaft bei - 20° liegen.

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Es dürfte verständlich sein, daß die fortschreitende Änderung des Winkels cL der Faserrichtung in aufeinanderfolgenden Schichten ausgehend von der tiefstliegenden Schicht bis I zur Oberflächenschicht eine weitgehende Harmonisierung der ver-j schiedenen Voraussetzungen oder Forderungen untereinander er- j möglicht, von denen oben gesprochen wurde. !

ι Die fortschreitende Änderung des Winkels trägt so dazu

bei, einen regelmäßigen Übergang γοη Beanspruchungen mechanischen oder thermischen Ursprungs zwischen Profilkörper 2 der Schaufel und Kern 3 sicherzustellen, ohne daß deshalb der Zusammenhalt der Schaufelkonstruktion unter der Wirkung unterschiedlicher Dehnungen beeinträchtigt würde.

Fig. 3 zeigt mehr im einzelnen die Art der Verankerung des Profilkörpers 2 aus zusammengesetztem Fasermaterial auf den Kern 3 der Schaufel. Wie das die Figur zeigt, sind die aufeinanderfolgenden Schichten A ... F des zusammengesetzten Fasermaterials derart angeordnet, daß beispielsweise eine Schicht C bezüglich einer tiefer liegenden benachbarten Schicht B einen in Richtung auf den Fuß der Schaufel versetzt vorstehenden Abschnitt hat. Dieser vorgeschobene Abschnitt bildet so eine Art großflächige Stufe, durch die die betreffende Schicht am Kern 3 befestigt ist.

Man kann weiter feststellen, daß die Dicke des Kerns in der Nähe seines den Fuß der Schaufel bildenden Abschnittes 3a einen Maximalwert hat und in Richtung zum Scheitel der Schaufel fortlaufend abnimmt. Auf diese Weise bleibt die gesamte Stärke der Schaufel zumindest über einen Teil ihrer Höhe konstant. Zwischen jeder der großflächigen Stufen und dem

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Kern 3 ist Bindemittel 4 angeordnet (Klebemittel oder mit der ! Zusammensetzung des Grundgerüstes übereinstimmendes Material), j Diese abgestufte Anordnung führt dazu, daß die SeherbeanspruchuiJL· gen in dem Bindemittel 4 unter der DauerfestigkeitsgHize dieses Material bleiben.

Wie das Fig. 1 zeigt, kann die Schaufel mit Platten oder Leitblechen 5 versehen sein, die die innere Begrenzung der Strömungsmittelströmung im Kompressor bilden. Die Leitbleche können ebenfalls aus einem zusammengesetzten Fasermaterial bestehen, das beispielsweise aus kurzen Glasfasern gebildet ist, die mit Polvgtmidharz umkleidet sind.

nachträglich geändert

i^lig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der der

Kern der Schaufel Teil einer einstückigen Einheit aus Metall ist (Monoblock), die auch die Anströmkante 6 und die Abströmkante 7 der Schaufel umfaßt. Diese Ausbildung gibt der Schaufel-konstruktion eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Abrü) und Erosion beim Auftreffen von festen oder flüssigen Teilchen.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims (7)

1. Patentansprüche :

   U-JSchaufelkonstruktion für von Strömungsmitteln durchströmte Maschinen, wie Gasverdichter u.dgl., bei der die Schaufel (1) aus einem Profilkörper (2) besteht, der aus übereinander gelegten Schichten eines zusammengesetzten Fasermaterials besteht, die um einen Kern (3) aus Metall herum angeordnet sind der einen ebenfalls aus Metall bestehenden, aus dem Profilkörper vorstehenden Abschnitt (3a) aufweist, der einen Fuß für die Befestigung der Schaufel bildet, gekennzeichnet durch eine so orientierte Anordnung der Schichten des zusammengesetzten Fasermaterials, daß der Winkel OG zwischen der Faserrichtung in einer Schicht und der Achse (x-x¹) der Schaufel (1) in seinem absoluten Wert ausgehend von einem Maximalwert für die tief in der Schaufel liegende Schicht bzw. Schichten bis zu einem Minimalwert für die an der Oberfläche der Schaufel liegende Schicht bzw. Schichten abnimmt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Maximalwert des Winkels in seinem absoluten Wert zwischen 50° und 60° liegt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Minimalwert in seinem absoluten Wert zwischen 0° und 20° liegt.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurel· gekennzeichnet, daß zwei aufeinander folgende Schichten jeweils mit einer Orientierung eines Winkels +(X, und einer Orientierung eines Winkels -cL angeordnet sind.

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5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des zusammengesetzten Fasermaterials in einer Stufenanordnung übereinandergelegt sind und daß dadurch jede Schicht relativ zur benachbarten, tieferliegenden Schicht einen in Richtung auf den Fuß der Schaufel vorgeschobenen Abschnitt hat, der eine Stufe bildet, die zur Befestigung dieser Schicht am Kern dient.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Kerns in der Nachbarschaft des Fußes der Schaufel einen Maximalwert hat und in Richtung auf den Scheitel der Schaufel abnimmt.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, daddurch gekennzeichnet, daß der Kern Teil einer einstückigen Einheit aus Metall ist, die die Anströmkante (6) und die Abströmkante (7) der Schaufel bildet (Fig. 4).

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