DE2339468C3

DE2339468C3 - Schaufel für Stromungsmaschine

Info

Publication number: DE2339468C3
Application number: DE2339468A
Authority: DE
Inventors: Claude Paul Antony Baudier; Jean Georges Brunoy Bouiller; Pierre Michel Paris Teysseyre; Claude Brunoy Zabukovec
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1972-08-04
Filing date: 1973-08-03
Publication date: 1979-03-22
Also published as: DE2339468B2; US3883267A; FR2195255A5; DE2339468A1; GB1433519A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für Strömungsmaschinen mit einem Schaufelblatt welches einen metallischen Schaufelkern aufweist, der ausgehend von dem metallischen Schaufelfuß sich über einen Teil der Schaufelblattlänge erstreckt wobei der Schaufelkern von mehreren Schichten aus Fasermaterial umgeben ist, das in einer Matrix gebunden ist

Derartige Schaufeln sind aus der GB-PS 8 71066 bekannt Sie erbringen den Vorteil, daß sie gegenüber zur Gänze aus Metall gefertigten Schaufeln bei gleicher Festigkeit gegenüber Beanspruchungen aus Fliehkraft, Biegung. Torsion oder Vibrationen eine viel geringere Masse aufweisen. Dennoch kann die Schaufel, weil sie einen metallischen Schaufelfuß aufweist, auf herkömmliche Weise in einer Ausnehmung, beispielsweise der Nabe eines Laufrades oder des Ringes eines Leitrades, befestigt werden. Bei der bekannten Schaufel tritt jedoch eine Schwierigkeit aufgrund der Tatsache auf, daß der metallische Schaufelkern einen Elastizitätsmodul und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, die sich von denjenigen des Fasermaterials unterscheiden. Überdies sind diese Eigenschaften beim Fasermaterial sehr stark richtungsabhängig. So ergibt sich in Längsrichtung der Fasern ein maximaler Elastizitätsmodul und ein minimaler thermischer Ausdehnungskoeffizient, während senkrecht zur Längsrichtung der Fasern gerade umgekehrte Verhältnisse vorliegen.

Es wird also der Schaufelkern unter der Wirkung der mechanischen Beanspruchungen und der Temperaturschwankungen, denen die Schaufel im Betrieb ausgesetzt ist, andere Dehn- und Deformationsbewegungen ausführen als die ihm umgebende Hülse.
Dadurch ergeben sich an der Berührungsfläche des ..iietallischen Schaufelkerns mit dem Fasermaterial Scherbeanspruchungen. An dieser Berührungsfläche befindet sich normalerweise ein Bindemittel. Dabei kann es sich um einen Kleber oder das Material der Matrix selbst handeln. Das Bindemittel muß den Zusammenhalt zwischen dem Schaufelkern und den anschließenden Schichten sicherstellen. Erreichen die bei der bekannten Schaufel auftretenden Scherbeanspruchungen hohe Werte, so kann durch sie der Zusammenhalt zwischen den Teilen der Schaufel gefährdet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es. die eingangs genannte Schaufelkonstruktioii so auszug >ti>lien, daß zur Verbesserung des Zusammenhaltes zwischen den verschiedenen Teilen der Schaufel eine Anordnung der Teile und insbesondere der Schichten aus Fasermaterial vorgeschlagen wird, durch die Scherbeanspruchung des Bindemittels zwischen Schaufelkern und Fasermaterial bei Beibehaltung der guten Betriebseigenschaften des Schaufelblattes vermindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der Winkel der Faserrichtung bezüglich der Schaufelblattlängsachse der einzelnen Schichten vom Schaufelblattinneren zum Schaufelblattäußeren hin abnimmt So kann der Maximalwert des Winkels im Schaufelblattinneren zwischen 50° und 60° liegei.. Der Minimalwert des Winkels an der Oberfläche des Schaufelblattes kann zwischen 0° und 20° liegen.

Bei einer solchen Orientierung der Faserrichtung wird zunächst im Bereich des Schaufelkerns erreicht, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der dem Schaufelkern benachbarten Schichten von Fasermate rial dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Materials des Schaufelkerns so nahe wie möglich kommt Der Winkel zwischen Faserrichtung und Schaufelblattlängsachse weist deshalb hier seinen Maximalwert auf. Dieser Maximalwert darf nicht zu groß gewählt werden, weil sonst der Ausdehnungskocf fizient des Fasermaterials in Richtung der Schauf elblatt ■ längsachse größer wird als derjenige des metallische τ Schaufelkerns. Wird andererseits der Winkel zu klein gewählt so wird der Elastizitätsmodul des Fasermate rials größer als derjenige des metallischen Werkstoffes des Schaufelkerns. Der angegebene Wertbereich für den Maximalwert des Winkeis im Schaufelblattinneren stellt deshalb einen optimalen Kompromiss für Ausdc nungskoeffizient und Elastizitätsmodul dar und stellt eine möglichst geringe Scherbeanspruchung des Bindemittels zwischen Schaufelkern und benachbarten Schichten des Fasermaterials sicher. Läßt man nun in den vom Schaufelblattinneren zum Schaufelblattäußeren hin folgenden Schichten den Winkel der Faserrich* tüng allmählich abnehmen, so wird für einen graduellen Übergang und ein durchgehendes Kleinhalten der

Scherbeanspruchungen zwischen den Schichten gesorgt Schließlich endet man an den Oberflächenschichten in einem Minimalwert des Winkels der Faserrichtung, durch den sich ein möglichst großer Elastizitätsmodul ergibt. Dieser wird bei Schaufeln, die vor allem Torsionsbeanspruchungen unterworfen sind, in der Größenordnung von ±20° liegen, bei Schaufeln, die vor allem Biegebeanspruchungen unterworfen sind, bei 0°. Bei den Oberflä^henschichten, die mit dem Schaufelkern keinen oder nur kleinflächigen Kontakt haben, sind diese Werte für die Betriebsbeanspruchung günstig, ohne daß der mit ihnen einhergehende kleine Ausdehnungskoeffizient in Richtung der Schaufelblattlängsachse noch einen nachteiligen Einfluß auf den Zusammenhalt der Teile der Schaufel haben könnte.

Unter Beibehaltung des Prinzips, daß der Winkel der Faserrichtung bezüglich der Schaufelblattlängsachse vom Schaufelblattinneren zum Schaufelblattäußeren hin abnimmt, kann gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung so vorgegangen werden, daß der Winkel der Faserrichiiing in zwei vom Sehaufeibiaitinneren zum Schaufelblattäußeren unmittelbar aufeinander folgenden Schichten zur Schaufelblattlängsachse in der einen Schicht den positiven, in der folgenden den negativen Wert des absoluten Winkelwertes aufweist Die Auswirkungen auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und den Elastizitätsmodul werden davon nicht betroffen. Die sich ergebende Überkreuzanordnung der Fasern in den benachbarten Schichten führt aber zu einer besseren Festigkeit des Schaufelblattes unter den Betriebsbeanspruchungen.

Besonders zweckmäßig ist es auch, die einzelnen Schichten in einer Stufenanordnung übereinander zu legen, wobei jede Schicht relativ zur benachbarten, tiefer im Schaufelblattinneren liegenden Schicht einen in Richtung auf den Schaufelfuß vorgeschobenen Befestigungsabschnitt am Schaufelkern hat Diese Stufenanordnung trägt ebenso wie die Änderung des Winkels der Faserrichtung dazu bei, einen regelmäßigen Übergang von Beanspruchungen mechanischen oder thermischen Ursprungs sicherzustellen, ohne daß dadurch der Zusammenhalt der Teile der Schaufei beeinträchtigt würde. Zweckmäßig weist dabei der Schaufelkern am Schaufelfuß seine maximale Dicke auf, die mit dem Abstand vom Schaufelfuß in Richtung der Schaufelblaulängsachse abnimmt Auf diese Weise bleibt die gesamte Dicke der Schaufel trotz der vorteilhaften Stufenanordnung zumindest über einen Teil ihrer Längsrichtung konstant.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Weitere Einzelheiten können dabei dem Text und/oder der Zeichnung entnommen werden. Es zeigt

F i g. 1 teilweise aufgerissen eine perspektivische Aussicht einer Ausführungsform einer Schaufel, und

Fig. 2 einen Schnitt bei Linie 11-11 von Fig. 1.

F i g. I zeigt eine Schaufel 1 aus einem Schaufelblatt 2 und einem Schaufelkern 3 mit Schaufelfuß 3a Die Schaufelblattlängsachse χ χ' fällt mit der Schnittlinie II-Il für F ig. 2 zusammen.

Derartige Schaufeln sind für Lauf- oder Leiträder von Strömungsmitteln durchströmten Maschinen, wie Kompressoren, Gas- oder Dampfturbinen, Pumpen oder anderen Maschinen dieser Art, bestimmt In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die Schaufel 1 Teil des Laufrades eines Kompressors ist

Das stromlinienförmigf Schaufelblatt 2 entsteht durch um den Schaufelkern 3 übereinander gelegte Schichten A, B₁ C aus Fasermaterial. Dieses Material ist beispielsweise in einer Matrix aus synthetischem Harz gebunden. Die Fasern selbst können gegebenenfalls verwebte Fasern oder Fäden aus Kohlenstoff oder Bor S sein.

Der Schaufelkern 3 besteht aus einem Metall, das unter dem Gesichtspunkt ausgewählt wird, daß seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften dem Material des Schaufelblattes 2 so gut wie möglich

ίο nahekommen. Im Falle der oben angegebenen Materialien für das Schaufelblatt 2 besteht der Schaufelkern vorteilhaft aus Titan. Der Schaufelfuß 3a dient der Befestigung der Schaufel 1. Seine in F i g. 2 besonders klar zu erkennende Form dient beispielsweise zum Einschieben in eine Schwalbenschwanznut, die am Umfang einer Scheibe oder Trommel des Kompressors ausgebildet ist

Bei der Fertigung der Schaufel 1 aus Schaufelblatt 2 und Schaufe'kern 3 wird wie folgt vorgegangen:

Das Fasermaterial liegt in blatt-od'.. plattenförmigen Abschniüen vor. Diese werden zu einer geometrischen Form zugeschnitten, die beim Übereinanderlegen der Schichten das gewünschte Profil der Schaufel 1 ergibt Beim Zuschneiden wird überdies, wie unten noch näher erklärt '.'er Ausrichtung der Fasern in den verschiedenen Schichten bezüglich der Schaufelblattlängsachse χ jr'der Schaufel 1 Rechnung getragen.

An der Berührungsfläche zwischen Schaufelkern 3 und Schaufeiblatt 2 ist ein Bindemittel 4 angeordnet, bei dem es sich um einen Klebstoff oder ein Material der Zusammensetzung des Bindemittels in der Matrix handein kann. Die aus Schaufelkern 3, Bindemittel 4 und korrekt übereinandergelegten Schichten A... Fgebildete 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 Schaufelkern fest verbunden. Um die Verankerung der Schichten aus Fasermaterial mit dem Schaufelkern 3 weiter zu verbessern, kann letzterer Durchbrechungen 3b aufweisen, durch die das Bindemittel 4 hindurchtreten und Schichten auf beiden Seiten des Schaufelkerns 3 miteinander verbinden kann.

Der Winkel der Faserrichtung bezüglich der Schaufelblattlängsachse χ χ' sei α. Da die Fasern ihre ausgezeichnete mechanische Beanspruchbarkeit nur in Faserlängsrichtung aufweisen, soll bei Schaufeln, die Zugbeanspruchungen (aufgrund der Fliehkraft) und Biegebeanspruchungen sowie Torsionsbeanspruchungen (aufgrund der aerodynamischen Belastung der Schaufel) ausgesetzt sind, die Faserrichtung in den Oberflächenschichten zunindest nahezu mit der SchaufelblaKäigsachse * x' zusammenfallen bzw. parallel zu dieser liegen.

Würde diese Bed; igung auch im Schaufeibis'.tinneren angewendet so ergäbe sich für die Schichten des Fasermaterials ein Elastizitätsmodul, der erheblich größer als derjenige des metallischen Werkstoffs des Schaufelkerns 3 ist. Da andererseits der thermische Ausdehnungskoeffizient in Faserlängsrichtung seinen minimalen Wert aufweist würde sich bei gisicher Anordnung für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein erheblich kleinerer Wert als der des metallischen Werkstoffs des Schaufelkerns ergeben.

Würde demnach das gesamte Schaufelblatt 2 von seinen Oberflächenschichten E, F bis zu den im Schaufelinneren liegenden Schichten A₁ B auf die oben beschriebene Weise ausgebildet so könnten die Scherbeanspruchun-

gen die Dauerfestigkeit des Bindemittels 4 überschreiten und schließlich ein Zerfallen der Schaufel 1 in ihre Teile zur Folge haben.

Es werden deshalb die sechs übereinander gelegten und aufeinander folgenden Schichten A₁B₁ C, D₁E₁ Faus Fasermaterial, die das Schaufelblatt 2 bilden und von denen die Schicht .4 am tiefsten im Schaufelblattinneren liegt, während die Schicht Fdie Oberflächenschicht ist, so angeordnet, daß der Winkel « Zwischen der Längsrichtung der Fasern in jeder Schicht und der Schaufelblattlängsachse χ χ' in seinem absoluten Wert ausgehend von einem maximalen Wert für die am tiefsten im Schaufelblattinneren liegenden Schichten A, B bis zu einem Minimalwert für die Oberflächenschichten JS Fabnimmt.

Die Wahl des Winkels ä für jede der aufeinanderfolgenden Schichten beruht auf einem Kompromiss, bei dem folgendes in Rechnung gestellt wird: Die verschiedenen mechanischen Beanspruchungen (Zug, Biegung, Torsion), die die gesamte Schaufel 1 aushalten soll; die Eigenfrequenz, die die Schaufel 1 im Betrieb aufweisen soll; der Elastizitätsmodul des metallischen Werkstoffs des Schaufelkerns 3 einerseits und der Elastizitätsmodul des Fasermaterials im Schaufelblatt 2 andererseits, wobei bezüglich des letzteren der Winkel ä der Ausrichtung der Fasern in jeder der Schichten in Rechnung gestellt wird; schließlicr; der thermische Ausdehnungskoeffizient des metallischen Werkstoffs des Schaufelkerns 3 einerseits und des Fasermaterials im Schaufelblatt 2 andererseits, wobei wiederum der Winkel et der Faserlängsrichtung in den einzelnen Schichten in Rechnung gestellt wird. Man beginnt damit, die Schichten A, B, die am tiefsten im Schaufelblattinneren liegen, nur in Stellung zu bringen und zu orientieren, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient dieser beiden Schichten in die Richtung der Schaufelblattlängsachse χ χ' demjenigen des Schaufelkerns 3 so nahe wie möglich kommt Der Winkel« muß daher hier einen Maximalwert aufweisen. Er kann beispielsweise absolut genommen zwischen 50" und 60° liegen. Dabei wird für die Schicht A ein Winkel von + 50°, für die Schicht E ein Winkel von — 50° gelten. Die Festlegung dieser Winkelgrenzen stellt die folgenden Überlegungen in Rechnung: Für einen Winkel unter 45° steigt der Elastizitätsmodul sehr rasch an und hat dann die Tendenz, größer als derjenige des metallischen Werkstoffs des Schaufelkerns 3 zu werden. Nähert sich andererseits der Winkel 90°, so nimmt der Ausdehnungskoeffizient des Fascrmaterials einen zu großen Wert an. Die angegebenen Winkelgrenzen stellen somit einen Zwischenwert dar, der sowohl bezüglich des Elastizitätsmoduls als auch bezüglich des Ausdehnungskoeffizienten befriedigt

Man fährt sodann mit den Schichten C₁ D fort, in denen der Winkel « kleiner als der oben angegebene Maximalwert gewählt wird. Schließlich endet man in einer oder mehreren Oberflächenschichten E, F, in denen der Winkel α so gewählt ist, daß man einen möglichst großen Elastizitätsmodul erhält. Der Minimalwert des Winkels « für die Oberflächenschichten L·, F liegt zwischen 0 und 20°. Er beträgt für im wesentlichen Biegebeanspruchungen unterworfene Schaufeln 1 beispielsweise 0°, für mehr Torsionsbeanspruchung unterworfene Schaufeln wird er vorteilhaft bei ±20% liegen.

Fig.2 läßt die Lage der einzelnen Schichten im Schaufelblattinneren noch klarer erkennen: Die Schichten A .. Fsind in einer Stufenanordnung übereinandergelegt so daß beispielsweise die Schicht Cbezügiich der tiefer im Schaufelblattinneren liegenden benachbarten Schicht B einen in Richtung auf den Schaufelfuß 3a vorstehenden Befestigungsabschnitt aufweist Dieser vorstehende Befestigungsabschnitt bildet eine Stufe, durch die die jeweilige Schicht am Schaufelkern 3 befestigt ist

Man erkennt aus Fig.2 weiter, daß die Dicke des Schaufelkerns 3 in der Nähe des Schaufelfußes 3a einen Maximalwert hat und in Richtung zum Scheitel der Schaufel 1 fortlaufend abnimmt Die Dicke der Schaufel ist zumindest über einen Teil ihrer Längserstreckung konstant Zwischen jeder der Stufen und dem Schaufelkern 3 ist Bindemittel 4 angeordnet Die Stufenanordnung trägt dazu bei, daß die Scherbeanspruchungen im Bindemittel 4 unter der Dauerfestigkeitsgrenze dieses Materials bleiben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaufel für Strömungsmaschinen, mit einem Schaufelblatt, welches einen metallischen Schaufelkern aufweist, der ausgehend von dem metallischen Schaufelfuß sich über einen Teil der Schaufelblattlänge erstreckt, wobei der Schaufelkern von mehreren Schichten aus Fasermaterial umgeben ist, das in einer Matrix gebunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel («) der Faserrichtung bezüglich der Schaufelblattlängsachse (χ χ') der einzelnen Schichten (A...F) vom Schaufelblattinneren zum Schaufelblattäußeren hin abnimmt

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert des Winkels (α) in den am tiefsten im Schaufelblattinneren liegenden Schichten (A, inzwischen 50° und 60° liegt

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Minimalwert des Winkels (ä) in den an der Oberfläche des Schaufelblattes (2) liegenden Oberflächenschichten (E, F) zwischen 0° und 20° liegt

4. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Faserrichtung in zwei vom Scheufeiblattinneren zum Schaufelblattäußeren unmittelbar aufeinander folgenden Schichten (z. B. A, B oder E, F) zur Schaufelblattlängsachse (x x') in der einen Schicht (A, F) + a. und in der benachbarten (B, E) — α beträgt

5. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die einzelnen Schichten (A ... F) in einer Stufenanord^.ung übereinandergelegt sind und daß dadurch jene Schicht (z. B. B) relativ zur benachbarten, tiefer im Schaufelblattinneren liegenden Schicht (A) einen in Richtung auf den Schaufelfuß (3a) vorgeschobenen Befestigungsabschnitt am Schaufelkern (3) hat

6. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß der Schaufelkern (3) am Schaufelfuß (Za) seine maximale Dicke hat die mit dem Abstanr* vom Schaufelfuß in Richtung der Schaufellängsachse (xx') abnimmt