DE2631856A1

DE2631856A1 - Vorderkantenschutz fuer zusammengesetzte schaufeln

Info

Publication number: DE2631856A1
Application number: DE19762631856
Authority: DE
Inventors: James William Brantley; Thomas Patrick Irwin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-07-17
Filing date: 1976-07-15
Publication date: 1977-02-10
Also published as: FR2318312A1; IT1062505B; DE2631856C2; JPS6037284B2; CA1040539A; US4006999A; JPS5221512A; GB1556181A

Description

Vorderkantenschutz für zusammengesetzte Schaufeln

Die Erfindung, bezieht sich auf zusammengesetzte bzw. Verbundschaufeln für Gasturbinentriebwerke und im einzelnen auf einen hierbei verwendbaren verbesserten Vorderkantenschutz gegenüber einer Beschädigung durch Fremdkörper.

Während vieler Jahre wurden Versuche zum Ersetzen der relativ schweren, homogenen Metallschaufeln und Flügel von Gasturbinentriebwerk-Kompressoren durch leichtere zusammengesetzte bzw. Verbundmaterialien angestellt. Die in diese Richtung gehende Hauptbemühung bezieht sich auf das Verwenden von hochfesten, länglichen Fasern, die in einem gewichtsleichten Gefüge eingebettet bzw. mit diesem zusammengesetzt sind. Frühere Arbeiten befaßten sich mit Glasfasern, und neuere Bemühungen bezogen sich auf die Verwendung von Bor-, Graphit- und anderen synthetischen Fasern. Diese letztgenannten Materialien haben extrem große Festigkeitseigenschaften wie auch große Elastizitätsmodule, die zu der notwendigen Steifheit bzw. Festigkeit der Kompressorschaufeln und Flügel beitragen.

Die Bemühungen zum Verwenden dieser Fasern waren mit vielen Problemen verbunden, was insbesondere bezüglich der Anpassung

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ihrer einseitig gerichteten Festigkeitseigenschaften an ein vielseitig gerichtetes Belastungsfeld gilt. Diese Probleme wurden in großem Ausmaß überwunden, und es wurden zusammengesetzte bzw. Verbundschaufeln mit Leistungseigenschaften geschaffen, die zusätzlich zu den erwarteten und beträchtlichen Gewichtsverminderungen in vielen Bereichen denjenigen der homogenen metallischen Gegenstücke gleichen oder überlegen sind.

Zusammengesetzte bzw. Verbundschaufeln wurden jedoch noch nicht in einem großen Ausmaß in Betrieb genommen, und zwar wegen ihrer Verletzbarkeit, was als Fremdkörperbeschädigung (FOD) bezeichnet wird. Viele Arten von Fremdkörpern können im Einlaß eines Flugzeug-Gasturbinentriebwerks mitgerissen werden, und diese Fremdkörper reichen von großen Vögeln, wie Seemöwen, zu Hagelkörnern, Sand und Regen. Die Beschädigung oder Zerstörung durch Fremdkörper erfolgt in zwei Arten. Kleinere Objekte können das Schaufelmaterial· erodieren bzw. anfressen und die Leistungsfähigkeit des Kompressors herabsetzen. Ein Aufprägen von größeren Objekten kann zu einem Zerbrechen oder Durchdringen der Schaufein führen. Teile einer stoßbeaufschlagten Schaufel können losgerissen werden und eine ausgedehnte sekundäre Beschädigung von stromabwärts gelegenen Schaufeln und anderen Triebwerkskomponenten begründen .

In dieser Beziehung sind die Folgen einer Fremdkörperbeschädigung am größten in den Niederdruckkompressoren oder Gebläsen von Gasturbinentriebwerken mit großem Bypassverhältnis. Diese Komponenten bieten jedoch die größte Möglichkeit einer Gewichtsverminderung infolge ihrer großen Spitzendurchmesser von beispielsweise 2,50 m (8 feet) und Spannweiten in der Größenordnung von 1m (3 feet) oder mehr.

Die Verletzbarkeit der zusammengesetzten bzw. Verbundschaufeln durch eine Fremdkörperbeschädigung beruht auf zwei Faktoren. Zum einen ist das angewendete gewichtsleichte Gefügematerial, allgemein Polymerharze oder Meta^e wie Aiuminium, relativ weich. Zum anderen sind die hochfesten Fasern relativ hart und spröde.

Hieraus scheint es klar zu sein, daß ein Schutzsystem mit einer harten Oberflächenbeschichtung für diese zusammengesetzten

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Schaufeln und Flügel geschaffen werden sollte. Dies ist noch klarer aus der frühen Erkenntnis in der Flugzeugindustrie, daß solche Schutzsysteme für hölzerne Propellerschaufeln und für solche Propellerschaufeln zweckmäßig sind, die aus frühen Verbundmaterialien hergestellt sind, wie aus einem Gewebestoff in einem Phenolharzgefüge. Viele derartige Systeme wurden vorgeschlagen. Sie enthalten Armierungen bzw. Verkleidungen aus verschiedenen Zusammensetzungen, die auf den Vorderkantenabschnitt oder auf die gesamte Oberfläche eines Propellers aufgebracht werden.

Ein besonderes vielversprechendes System zum Schützen der Vorderkante von zusammengesetzten Schaufeln und Flügeln ist im US-Patent 3 762 835 offenbart,, das sich auf einen Fremdkörperzerstörungsschutz für Kompressorschaufeln sowie andere Gebilde wie auch auf entsprechende Verfahren bezieht und auf das hiermit Bezug genommen wird. Hiernach ist eine Faserverbund-Kompressorschaufel vorgesehen, bei der eine unter der Oberfläche liegende Schicht aus Feindrahtnetz bzw. -geflecht um die Vorderkante gelegt ist. Diese unter der Oberfläche liegende Schicht ist mit Nickel überzogen und bildet einen Schutz gegen eine Aufprallbeschädigung durch große und kleine Fremdkörper, wie Steine und Sand. Wenn die unter der Oberfläche liegende Netz- bzw. Geflechtschicht durch ein nicht leitendes Klebmittel festgelegt wird, werden der Klebstoff in den Zwischenräumen des Netzes bzw. Geflechtes mit Silber beschichtet und das Nickel durch Atombindung mit den Knötchen des einen metallischen Streifen bildenden Netzes bzw. Geflechts verbunden.

Es wurde jedoch festgestellt, daß in einigen Fällen, bei denen der Fremdkörper-Vorderkantenschutz (FOD) einen derartigen um die Vorderkante der Gebläseschaufel: geschlungenen metallischen Streifen aufweist, dieser Schutz während des Aufpraliens von mittelgroßen Vögeln verloren gehen kann, und zwar infolge einer teilweisen Abblätterung bzw. Ablösung von den Schaufeln. Dies wiederum kann zu einer sekundären Triebwerksbeschädigung führen, wenn der FOD-Schutζstreifen durch das Triebwerk gesaugt wird. Zusätzlich kann eine Triebwerksunwucht bei hohen Drehzahlen eine weitere Beschädigung begründen.

Eine Betrachtung von Hochgeschwindigkeitsfilmen, die während eines solchen Aufprallvorgangs von einer sich drehenden, ge- ■/

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schichteten bzw. lameliierten, zusammengesetzten Gebläseschaufel aufgenommen wurden, zeigen, daß nacheinander der FOD-Schutzstreifen an der Aufprallstelle bricht, ein starkes Biegen der Vorderkante rechtwinklig zur Schaufeltiefe auftritt und der gesamte FOD-Streifen an der Vorderkante nach Beendigung des Aufprallvorgangs verloren geht, und zwar infolge eines Abblätterns bzw. Lösens innerhalb der ersten wenigen Faserschichten (oder Einlagen) unterhalb des FOD-Streifens. Die äußersten Faserschichten lösen sich vom übrigen Teil der Schaufel unter Mitnahme des FOD-Vorderkantenstreifens, da diese Faserschichten nicht selbst die (nunmehr abgelöste) Vorderkante tragen können und nahe dem Schaufelfuß brechen. Daher geht der gesamte FOD-Vorderkantenstreifen verloren.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung esteht deshalb in der Schaffung von Faserverbundschaufeln für Gasturbinentriebwerke mit einer verbesserten Vorderkanten-Fremdkörperschutzvorrichtung, die ohne ein Ablösen bzw. Abblättern von der Schaufel starken Aufprallbelastungen widerstehen kann. Es soll ferner eine neue Methode zum Ausrichten der zusammengesetzten bzw. Verbundfaserschichten geschaffen werden, um den Ausfall bzw. Verlust der Vorderkanten-Fremdkörperschutzvorrichtung infolge einer Ablösung bzw. Abblätterung zu vermindern. Ferner soll die Beschädigung infolge eines Aufprallvorgangs lokalisiert werden, um hierdurch den Ausfall der gesamten Vorderkantenschutzvorrichtung zu vermeiden.

Diese und andere Ziele sowie Vorteile sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und spezifischen Ausführungsformen klar ersichtlich, die sämtlich nur beispielhaften Charakter haben und die vorliegende Erfindung in keiner Weise beschränken sollen.

Zusammengefaßt wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit einer Schaufel gelöst, die aus länglichen, dünnen Fasern hergestellt ist, welche eine große Festigkeit sowie einen großen Elastizitätsmodul haben, in einer gewichtsleichten Matrix eingelagert bzw. mit dieser zusammengesetzt sind und das hauptsächliche Verbundgebilde der Schaufel bilden. Zumindest eine Schicht aus einem Feindrahtgeflecht bzw. -netz ist innerhalb des zusammengesetzten Gebildes längs der neutralen Biegeachse der Schaufel teilweise verankert

Verbundstruktur verbunden,
und mit der / Ein Teil der Drahtgeflechtschicht erstreckt sich

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über die neutrale Biegeachse hinaus und ist teilweise um die Vorderkante der Schaufel geschlungen, wo dieser Teil in bekannter Weise mit dem Außenumfang des primären zusammengesetzten Gebildes verbunden ist. Das Drahtgeflecht bzw. -netz ist wiederum in einer bekannten Weise mit einem Metall überzogen, um eine verbesserte Vorderkantenschutzvorrichtung zu bilden, die fest innerhalb des zusammengesetzten Gebildes verankert ist. Die Verankerung an der neutralen Biegeachse führt dazu, daß die Vorrichtung auch nach einem Ablösen bzw. Abblättern der äußeren Laminate bzw. Schichten des zusammengesetzten Gebildes intakt bleibt.

Bei einer Ausführungsform ist eine Vielzahl von Schichten aus Feindrahtgeflecht bzw. -netz längs der neutralen Achse der Schaufel verankert, wobei sich zumindest eine der Schichten über die neutrale Achse hinaus erstreckt, um auch innerhalb der harten Metallarmierung bzw. -verkleidung verankert zu werden. Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine metallische Verankerung bzw. ein Metallanker innerhalb des primären Verbundaufbaues der Schaufel im wesentlichen längs der neutralen Biegeachse angeordnet, und das Drehtgeflecht bzw. -netz ist an der Verankerung bzw. dem Anker festgelegt.

Entsprechend einem Ziel der vorliegenden Erfindung sind die zusammengesetzten Faserschichten in der Nähe der neutralen Biegeachse der Schaufel im wesentlichen radial ausgerichtet, um die zentrifugalen (radialen) Belastungen aufzunehmen, während eine minimale Beanspruchung bei den durch den Aufprallvorgang hervorgerufenen starken Biegebedingungen auftritt. Die Faserschichten an der äußeren Oberfläche des primären Gefüges bzw. Hauptaufbaues unterhalb der Metallarmierung sind in einer von der radialen abweichenden Richtung ausgerichtet, um der Schaufel die entsprechende Steifheit zu geben, ohne einem derart starken Biegezustand unterworfen zu werden, wie er auftreten würde, wenn die Fasern radial ausgerichtet wären.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Vorderkanten-Metallarmierung in Längsrichtung eingekerbt, um ein örtliches Knicken bzw. Verformen bei starken Biegezuständen zu induzieren und hierdurch ein Abtrennen weiter zu vermindern.

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Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Gasturbinentriebwerk-Kompressorschaufel,

Figur 2 - in einem vergrößerten Teilschnitt die Vorderkantenschutzvorrichtung der Schaufel aus Figur 1, Figur 3 - in einem Figur 2 ähnelnden Teilschnitt eine alternative

Ausführungsform der Vorderkantenschutzvorrichtung, Figur 4 - in einer Figur 2 ähnelnden Schnittdarstellung eine bekannte Vorderkantenschutzvorrichtung, Figur 5 - in einer vergrößerten perspektivischen Darstellung

einen Teil der Vorderkante der Schaufel aus Figur 1, Figur 6 - in einem Teilschnitt längs der Linie 6-6 aus Figur 5

die längsgerichtete Einkerbung der Vorderkantenschutzvorrichtung der Schaufel,
Figur 7 - in einem Figur 6 ähnelnden Teilschnitt eine alternative Ausführungsform der Vorderkanteneinkerbung,

Figur 8 - in einem Figur 6 ähnelnden Teilschnitt eine weitere alternative Ausführungsform der Vorderkanteneinkerbung und Figur 9 - in einer schematischen Darstellung einen Mechanismus zum Verhindern eines Abblätterns der Schaufelvorderkante.

Es wird zunächst auf Figur 1 der Zeichnungen verwiesen, in denen ähnliche Hinweiszahlen einander entsprechende Elemente bezeichnen. In Figur 1 ist eine nach der vorliegenden Erfindung aufgebaute zusammengesetzte Rotorschaufel 12 dargestellt, die für eine Verwendung in einem Axialstrom-Gasturbinenkompressor oder Gebläse geeignet und aber nicht hierauf beschränkt ist. Dem Fachmann ist es ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung eine Verbesserung für viele Gebilde beinhaltet, die einer Stoßbeaufschlagung und Biegung durch Fremdkörper unterworfen sind, und die Rotorschaufel 12 ist lediglich als beispielhaft für eine solche Anwendung anzusehen. Dementsprechend ist die Rotorschaufel 12 so dargestellt, daß sie einen Flügelabschnitt 14 mit radial veränderlicher Wölbung und Staffelung (camber and stagger), einen Schwalbenschwanzmitnehmer 16, der in einer herkömmlichen Weise ein Befestigen der Schaufel an einer drehbaren Scheibe bzw. an einem Läufer

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ermöglicht, und eine dazwischen befindliche sowie den Strömungspfad begrenzende Plattform 17 aufweist.

Der Hauptteil oder -aufbau dieses Blattes weist längliche Fasern auf, die einen kleinen Durchmesser, eine große Festigkeit sowie einen großen Elastizitätsmodul haben und in einem gewichtsleichten Gefüge bzw. Bindemittel eingebettet sind. Bei einer Ausführungsform mit vorwiegend nichtmetallischen Materialien weist der Hauptaufbau Graphitfaserlaminate in einem Epoxyharz auf. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung für den Hauptaufbau die Verwendung irgendeiner Faser beinhaltet, die in irgendeinem Bindemittel, wie einem organischen Harz, eingebettet ist. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß der Aufbau irgendein metallisches System aufweisen .könnte, wie Borfasern in einem Aluminiumgefüge. Ein solcher Hauptaufbau ist im zuvor genannten US-Patent 3 762 835 beschrieben.

Gemäß den Figuren 1 und 2 ist die Vorderkante der Schaufel 12 mit einer Fremdkörperzerstörung-Schutzvorrichtung 18 versehen, um einen Schutz für den Faserverbundaufbau zu bilden. Die Schutzvorrichtung erstreckt sich von der Spitze der Schaufel zur Nabe und endet kurz vor der Plattform 17. Wenn die Schaufel nicht mit einer Plattform ausgebildet ist, erstreckt sich die Schutzvorrichtung von der Spitze bis kurz vor dem Schwalbenschwanzmitnehmer 16. Mit anderen Worten verkleidet bzw. armiert die Schutzvorrichtung den sich in einen Strömungspfad eines sich bewegenden Fluids erstreckenden Teil des Flügels, der somit einer Stoßbeeinflussung durch in dem bewegten Fluid enthaltene Fremdpartikel unterworfen ist.

Figur 4 zeigt die Vorderkanten-Schutzvorrichtung einer bekannten Schaufel, wobei ein metallischer überzug 2o um die Vorderkante des Faserverbund-Hauptaufbaues 22 geschlungen und hiermit mittels irgendeiner einer Vielzahl bekannter Techniken verbunden ist. Gemäß der vorherigen Erörterung wurde festgestellt, daß Figur 4 entsprechende Vorderkanten-Schutzvorrichtungen in einigen Fällen während des Aufprallens von Fremdkörpern so weit zerstört wurden, daß die Vorrichtung vollständig von der Schaufel abblätterte.

Es wird beispielsweise angenommen, daß die Schaufel aus Figur 4 im Bereich der Schaufeldruckoberfläche 3o durch einen

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Fremdkörper stoßbeaufschlagt wird, der sich längs eines durch einen Vektor 26 repräsentierten Pfades bewegt. Bei dem Aufschlag biegt sich die Schaufel in der Umfangsrichtung um ihre neutrale Biegeachse 28. (Vorliegend wird die neutrale Biegeachse als die Ortspunkte definiert, die eine Ebene der Schaufel bestimmen, welche bei einem Biegevorgang einer Nullfaserbelastung unterliegt.) Ein starkes Biegen führt zu einem Nachgeben der relativ duktilen Metallarmierung 2o und zu einem Brechen bzw. Reißen unter der Materialspannung der brüchigen Graphitfasern nahe der Druckoberfläche 3o, wodurch sich ein das Abblättern begünstigender Zustand ergibt. Beim Zurückbiegen oder Zurückführen in den anfänglichen 'geraden' Zustand muß die nachgegebene Metallarmierung entweder bis zu ihrer Anfangslänge zurückgedrückt oder bis zu einer anderen stabilen Position umgebogen bzw. abgelenkt werden. Da die wirksame Länge der um die Saugoberfläche geschlungenen Metallarmierung 2o (die als ein Flansch bzw. Rand zur Erhöhung der Steifigkeit dient) klein und bereits eine teilweise Abblätterung von der Druckoberfläche aufgetreten sind, ist die Metallarmierung an der Druckoberfläche ungehalten bzw. ungestützt. Ein Wölben bzw. Krümmen und weiteres Abblättern an oder nahe der Saugoberfläche 24 beim Rückwärtsbiegen führt dann zu einem vollständigen Abtrennen der Metallarmierung von der Vorderkante der Schaufel. Die Zentrifugalbelastung beendet das Ablösen der Metallarmierung durch Brechen bzw. Reißen der wenigen verbliebenen Fasern an dem Schaufelfuß.

Bei der verbesserten Vorderkanten-Schutzvorrichtung 18 aus Figur 2 ist eine Vielzahl von Schichten aus Feindrahtnetz 38 längs der neutralen Achse 34 der Schaufel teilweise in dem Gefügematerial des Hauptaufbaues 32 eingebettet. Bei vielen fortgeschrittenen Blättern, bei denen die Vorderkante relativ gerade (ohne Wölbung) ist, ist die neutrale Achse der Schaufel der Schaufelmittellinie angenähert, wenn ein 'pseudo-isotropischer' Aufbau der Faserlaminate angenommen wird. Wenn der Aufbau orthotropisch ist, kann die neutrale Achse von der Schaufelmittellinie abweichen, wobei sie jedoch durch bekannte Verfahren bestimmbar ist.

Das Einbetten des Drahtnetzes in das Hauptgefü e bzw. in den Hauptaufbau hat den Zweck einer Verankerung der die Vorderkante schützenden Metallarmierung, und es erfolgt kein Abtrennen oder

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Abblättern der Drahtnetze von den angrenzenden Faserlaminaten, da sie bei einer Biegung definitionsgemäß eine Nullbelastung aufweisen. Diese verschiedenen Schichten aus Drahtnetz 38 sind zum Verhindern einer gegenseitigen Bewegung wie bei 36 durch Heftschweissung behandelt oder zusammengelötet, wobei die Anzahl der Drahtnetzschichten von der erforderlichen Größe und Festigkeit der Verankerung abhängt.

Das freie Ende einer solchen Drahtnetzschicht 38a ist um die Vorderkante geschlungen und mit der Schaufeldruckoberfläche in einer Weise verbunden, wie es im US-Patent 3 762 835 beschrieben ist. Eine zweite Drahtnetzschicht 38b ist auf die Schaufelsaugoberfläche 44 zurückgeschlagen und ebenfalls in der bekannten Weise mit dieser Oberfläche verbunden. Es erfolgt dann eine Atombindung einer Hartmetallarmierung 46 an dem Drahtnetz, und zwar wiederum in einer im US-Patent 3 762 835 beschriebenen Weise. Wenn eine zusätzliche Verankerung erforderlich ist, können ein oder mehrere der übrigen freien Enden 38c der Drahtnetzschichten während des Aufbauvorgangs der Metallarmierung 46 in dieser verankert werden. Somit wurde entsprechend eintsm Hauptziel der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahrenfzum Verankern einer Vorderkanten-Schutzvorrichtung an einer Faserverbundschaufel geschaffen. Eine derartige verbesserte sowie an der neutralen Achse verankerte Vorderkanten-Schutzvorrichtung bleibt sogar nach einem Abblättern der oberflächennahen Faserlaminate unversehrt und mit der Schaufel verbunden.

Figur 3 zeigt eine alternative Ausfuhrungsform bezüglich eines Festlegens einer Schutzvorrichtung an einem Blatt. Hierbei ist ein Metallanker 5o in dem Hauptaufbau bzw. -gefüge 32 längs der neutralen Achse eingebettet. Drahtnetzschichten 52 sind durch Heftschweißung, Lötung oder in anderer Weise wie bei 54 an dem Metallanker 5o befestigt. In allen anderen Beziehungen ähnelt diese Ausführungsform derjenigen aus Figur 2, und die Metallarmierung 46 ist in der bekannten Weise mit dem Drahtnetz bzw. -geflecht oder -gitter verbunden.

Zus ätzliche Vorteile können sich dadurch ergeben, daß die Faserlaminate bzw. -schichten während des Aufbauens des Hauptgebildes bzw. -gefüges in spezifischen Richtungen ausgerichtet wer-

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den. Wenn beispielsweise die Fasern an der Außenfläche des Hauptaufbaues und unmittelbar unter der Metallarmierung in einer von der radialen abweichenden Richtung ausgerichtet werden, lassen sich hierdurch ein Reißen bzw. Brechen der Fasern unter Zugbeanspruchung und die Abblätterungsneigung als Ergebnis einer starken Biegung vermeiden. Diese 'Vorspannungs'-Einlage nahe der Schaufeloberfläche führt zu einer Steifheit bzw. Festi^iceit der Schaufelvorderkante, ohne daß die Einlage einem derartig starken Biegui.gszustand unterworfen wird, wie er auftreten würde, wenn eine radiale Ausrichtung vorhanden wäre. Jedoch stellt dieser Aufbau einen Kompromiß bezüglich der radialen Belastungsfähigkeit dar. Dies wird dadurch kompensiert, daß radiale Fasern an oder nahe an der neutralen Achse angeordnet werden, wo sie die zentrifugale Belastung aufnehmen können und aber weniger unter dem starken Aufprallbiegungszustand belastet werden.

Eine zusätzliche Scherfestigkeit kann in dem Hauptaufbau dadurch erreicht werden, daß die Fasern eines jeden Laminats bzw. einer jeden Schicht oder Folie vor dem und während des Aufbauvorgangs ähnlich wie ein Mop ausgefranst werden. Dies neigt zu einer Verminderung der orthotropischen Natur eines jeden Laminats und, als ein Ergebnis, seiner Beanspruchungsfähigkeit und Steifheit. Jedoch verstärkt ein Vermischen der Fasern die Scherfestigkeit. Größere Ablenkungen sind als Ergebnis der leichten Abnahme in der Steifheit möglich, wodurch die Stoßdauer verlängert und hierdurch der Spitzenwert der Stoßbeaufschlagung vermindert werden. Bei einer teilweise zufälligen Ausrichtung der einzelnen Fasern werden ferner während der Stoßbeaufschlagung und Biegung nicht alle Fasern gleichzeitig bis zu einem Bruch bzw. Reißen belastet. Ein zusätzlicher Vorteil kann dadurch erzielt werden, daß zwischen die Faserschichten bzw. -laminate ein Brei aus mit Harz durchtränkten zerhackten Verbundfasern gebracht wird, wodurch angrenzende Schichten mit zufällig ausgerichteten zerhackten Fasern mechanisch blockiert und die Scherfestigkeit weiter verbessert werden.

Entsprechend einem anderen Ziel der vorliegenden Erfindung sind Mittel zum Lokalisieren jeglicher Beschädigung infolge eines Fremdkörperaufpralls und somit zum Verhindern eines Verlustes der gesamten Vorderkanten-Schutzvorrichtung vorhanden. Figur 5 zeigt

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in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht einen Abschnitt der Vorderkante des mit der verbesserten Verankerung versehenen Flügels aus Figur 1. Wie es bereits erörtert wurde, ist einer der Gründe für den vollständigen Verlust der schützenden Metallarmierung 46 das Ausbeulen derselben, wenn sie in einem nachgegebenen bzw. gedehnten Zustand mittels eines Kompressionsvorgangs zu ihrer anfänglichen Länge zurückgedrückt werden soll. Eine Lösung dieses Problems besteht in einem Einschneiden bzw. Einkerben der Metallarmierung bzw. -verkleidung gemäß Figur 5 in einer längsaxialen Richtung zum Induzieren eines örtlichen Ausbeulens. Wie es in den Figuren 6 bis 8 dargestellt ist, kann sich die Einkerbung (oder Riffelung) 56 teilweise durch die Metallarmierung 46 (Figur 6), ganz durch die Metallarmierung (Figur 7) oder durch die Armierung und das Drahtnetz bzw. -gitter 38 (Figur 8) erstrecken. Die Aufgabe dieser Einkerbung besteht darin, ein örtliches Knicken bzw. Verformen der Schutzvorrichtung bei einem starken Biegevorgang zu induzieren und die zum örtlichen Ausbeulen einer nachgegebenen Vorderkante erforderliche Belastung zu reduzieren, wodurch die Abblätterungsneigung reduziert wird.

Gemäß Figur 9 ist die Vorderkanten-Schutzvorrichtung 18 in eine Vielzahl von Plättchen 58 eingekerbt bzw. unterteilt. Es üei ferner angenommen, daß unter Biegebelastungen, die durch gestrichelte Biegemomente M dargestellt sind, die Plättchen 58' von dem Hauptaufbau 32 abgeblättert sind, wobei das Ausmaß des Abblätterungsvorgangs durch die Einkerbung 56 begrenzt wird. Bei einem Zurückbiegen durch die Momente M¹ üben die Plättchen 58" eine rechtwinklig zur Schaufeloberfläche gerichtete Kraft auf angrenzende Plättchen 58 aus, wodurch die Abblätterungsneigung der Vorderkanten-Schutzvorrichtung weiter vermindert wird. Somit führt ein Einkerben der Vorderkante dazu, daß eine Neigung zum Verlust bzw. Ausfallen der gesamten Vorderkanten-Schutzvorrichtung vermieden wird.

Dem Fachmann ist es klar, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung gewisse Änderungen der Ausführungsformen möglich sind. Beispielsweise beziehen sich die dargestellten Ausführungsbeispiele auf sich drehende Kompressorschaufeln, wobei jedoch die, vorliegende Erfindung in gleicher Weise auf irgendwelche stati-

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sehen oder sich drehenden Gebilde anwendbar ist, die einer Stoßbeaufschlagung und Biegung durch Fremdkörper unterworfen sind, wozu auch Hubschrauberflügel gehören.

- Ansprüche 609886/0330

Claims

- 13 Ansprüche

f 1 .y Schaufel für eine Verwendung in einer Umgebung, in der sie einer Stoßbeaufschlagung und Biegung durch Fremdkörper unterworfen ist/, wobei die Schaufel einen Hauptaufbau mit zumindest einer Kante und eine Kantenschutzvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Kantenschutzvorrichtung (18) in dem Hauptaufbau (32) längs seiner neutralen Biegeachse verankert ist.
2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptaufbau (32) mit kleinem Durchmesser ausgebildete längliche Fasern mit großer Festigkeit sowie großem Elastizitätsmodul und ein gewichtsleichtes Gefüge aufweist, in dem die Fasern eingelagert bzw. mit dem sie zusammengesetzt sind.
3. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenschutzvorrichtung (18) wenigstens eine Schicht aus dicht gewebtem Drahtgeflecht bzw. -netz (38, 38a, 38b, 52), das aus dünnem Draht besteht und mit dem Hauptaufbau (32) durch ein die Zwischenräume des Drahtgeflechtes bzw. -netzes füllendes Bindemittel verbunden ist, und eine mit dem Drahtgeflecht bzw. -netz (38, 38a, 38b, 52) verbundene harte Metallauflage (46) aufweist, wobei zumindest ein Teil des Drahtgeflechtes bzw. -netzes in dem Hauptaufbau (32) im wesentlichen längs seiner neutralen Biegeachse verankert ist.
4. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Schichten aus Drahtgeflecht bzw. -netz teilweise in dem Hauptaufbau (32) und im wesentlichen längs der neutralen Biegeachse verankert ist, wobei die eine Schicht (38a, 38b) sich über die neutrale Achse hinaus erstreckt und mit dem äußeren Umfang des Hauptaufbaues (32) verbunden ist.
5. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine weitere Drahtgeflecht- bzw. -netzschicht (38c) sich über die

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neutrale Biegeachse hinaus erstreckt und in der Hartmetallarmierung (46) verankert ist.
6. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus Drahtgeflecht bzw. -netz (38) an der neutralen Biegeachse metallisch miteinander verbunden sind.
7. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische Verankerung (5o) im wesentlichen längs der neutralen Biegeachse in dem Hauptaufbau (32) angeordnet und die eine Schicht (52) an der Verankerung (5o) befestigt sind.
8. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern unter der Metallarmierung (46) in einer von der radialen abweichenden Richtung ausgerichtet sind.
9. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in der Nähe der neutralen Biegeachse zum Aufnehmen radialer Belastungen im wesentlichen radial ausgerichtet sind.
10. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptaufbau (32) einen Verbundwerkstoff aus Faserschichten und Gefügematerial aufweist, daß die Faserschichten in der Nähe der neutralen Achse zum Aufnehmen radialer Belastungen im wesentlichen radial ausgerichtet sind und daß die Faserschichten unter der Metallarmierung (46) in einer von der radialen abweichenden Richtung ausgerichtet sind.
11. Schaufel nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Fasern vor dem Schichtungs- bzw. Verbundvorgang mit dem Gefügematerial ausgefranst (frayed) ist.
12. Schaufel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefügematerial mit Karzbrei getränkte Fasern bzw. Fäden enthält.
13. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallauflage (46) in Längsrichtung eingekerbt ist, um ein

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örtliches Knicken bzw. Verformen unter starken Biegebedingungen zu induzieren.
14. Schaufel nach Anspruch 13_f dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einkerbung (56) durch die Metallauflage - (46) erstreckt.
15. Schaufel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einkerbung (56) auch durch die Drahtgeflecht- bzw. -netzschicht (38, 38a, 38b, 52) erstreckt.
16. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptaufbau (32) Borfasern in einem Aluminiumgefüge aufweist.
17. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptaufbau (32) Graphitfasern in einem organischen Epoxygefüge aufweist.
18. Verfahren zum Herstellen einer Schaufel mit einem Flügelabschnitt, der einen Hauptaufbau hat, welcher längliche dünne Fasern mit großer Festigkeit sowie großem Elastizitätsmodul und ein gewichtsleichtes Gefüge aufweist, in dem die Fasern eingelagert sind, wobei der Flügelabschnitt ferner eine dicht gewebte Drahtgeflecht- bzw. -netzschicht aus dünnem Draht enthält, die mit dem Hauptaufbau durch ein die Zwischenräume des Drahtgeflechtes bzw. -netzes füllenden Bindungsmittel verbunden ist, und wobei eine harte Metallauflage mit dem Drahtgeflecht bzw. -netz verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,

■ daß zumindest ein Teil des Drahtgeflechtes bzw. -netzes in dem Hauptaufbau im wesentlichen längs seiner neutralen Biegeachse festgelegt bzw. gebunden wird.

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