DE2642038C2

DE2642038C2 - Schaufel für Strömungsmaschinen

Info

Publication number: DE2642038C2
Application number: DE2642038A
Authority: DE
Inventors: Robert Gustav Greenhills Ohio Carlson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1976-09-18
Publication date: 1985-10-31
Also published as: IL50333A0; JPS6011240B2; GB1561297A; CA1042350A; BE846435A; US4040770A; FR2336244B1; FR2336244A1; IL50333A; JPS5280510A; DE2642038A1; IT1068593B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaufeln für Strömungsmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Schaufel ist in der US-PS 36 79 324 beschrieben.

Während vieler Jahre wurde Versuche unternommen, um die relativ schweren, homogenen Schaufeln von Strömungsmaschinen, wie Gasturbinentriebwerkskompressoren, durch leichtere zusammengesetzte bzw. Verbundmaterialien zu ersetzen. Die Hauptbemühung in dieser Richtung bezog sich auf die Verwendung hochfester, langgestreckter und in einem Verbund mit einer gewichtsleichten Matrix bzw. einem entsprechenden Gefüge stehender Fasern. Frühere Arbeiten befaßten sich mit Glasfasern, und neuere Bemühungen wurden auf die Verwendung von Bor-, Graphit- und anderen synthetischen Fasern gerichtet Diese letzteren Materialien haben extrem große Festigkeitseigenschaften wie auch große Elastizitätsmodulwerte, die zu der erforderlichen Steifheit der Kompressorschaufeln beitragen.

Jedoch muß zumindest noch ein schwieriges Problem gelöst werden, das in der Ausbildung einer geeigneten Verbindung besteht, die die Gas-, Zentrifugal- und Stoßbelastungen der Schaufeln auf eine drehbare Nabe oder Scheibe übertragen kann. Schwalbenschwanzbefestigungen bilden zur Zeit die schnellste und zuverlässigste Methode zum Einbauen der Schaufel in eine drehbare Nabe. Für zusammengesetzte bzw. Verbundstoffe führt diese Halterung zu einer Schwierigkeit, da Verbundfasergebilde an Faserübergängen oder -rändern am wenigsten wirksam sind. Wegen der geometrischen Unterschiede zwischen dem stromlinienförmigen Abschnitt und dem Schwalbenschwanzabschnitt einer Schaufel ist es erforderlich, die einzelnen Faserschichtstoffe zum Formen des Schwalbenschwanzabschnitts aufzuspreizen und die dazwischen befindlichen Leerstellen mit etnem Füllmaterial auszufüllen, um einen festen tragen den Aufbau zu bilden. Gemäß der eingangs genannten US-PS 36 79 324 enthält das Füllmaterial feste metallische Einsätze, die beispielsweise aus Titanlegierungen geformt sind. Dieser Aufbau hat sich aus verschiedenen

ίο Gründen als unwirksam erwiesen, nicht zuletzt wegen der Schwierigkeit eine passende Bindung zwischen den metallischen Einsätzen und dem metallischen Verbundmaterial (d. h. den in einem Aluminiumgefüge angeordneten Borfasern) während des Diffusionsbindungsvor- gaLgs zu erzielen.

Das Wesen von zusammengesetzten bzw. Verbundmaterialien besteht in ihrer Anisotropie, so daß sich die Faserschichtstoffe bzw. -laminate während des Schaufelbildungs/Bindungsvorgangs nicht in Übereinstim- mung mit der Form der Einsätze befinden. Eine schlechte Übereinstimmung bzw. Anpassung führt zu einer schlechten Bindung. Bei einer Vergrößerung des Bindungsdruckes bewirkt die Unfähigkeit der metallischen Einsätze und der Borfasern, sich bei der Bindungstem peratur so leicht wie das metallische Gefügs bzw. die metallische Matrix zu deformieren, ein Fehlausrichten, Brechen und Reißen der Borfasern, wodurch der Schwalbenschwanz in seinem Kraftübertragungsvermögen geschwächt wird. Ferner erzeugt eine vergrö- Berte Bindungstemperatur große thermische Restspannungen wegen der unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten der Materialbestandteile.

Während sich die vorstehenden Nachteile auf zwischen den Schichtstoffen befindliche Einsätze beziehen, kann dasselbe für Schwalbenschwanzaußenglieder gesagt werden, nämlich diejenigen metallischen Hüllen bzw. Armierungen, die zumindest teilweise um den Schwalbenschwanzabschnitt herum angeordnet sind, um einen Schutz für den Faserscfiichtsk:ff bzw. das Fa serlaminat an der Schwalbenschwanz/Nabenschlitz- Grenzstelle zu bilden, wobei diese Schutzhüllen eine gleichförmigere Belastungsübertragung von der Scheibe auf die Schaufel bewirken. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaufel der ein gangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß ein gleichförmiger Übergang des Kraftübertragungsvermögens von den metallischen Einsätzen auf die Faserschichtkörper erhalten wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merk male des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen

insbesondere darin, daß bei einer Erwärmung das Übergangsmaterial weniger thermische Beanspruchung an den Grenzflächen des Übergangsmaterials entwickelt Das Übergangsmaterial gemäß de^r Erfindung weist auch eine bessere Biegsamkeit auf und gestattet eine bessere Schwalbenschwanzverbindung mit höchstens geringerer oder gar keiner Fehlausrichtung der Fasern. Durch die Ausbildung eines Gradienten oder eines Unterschiedes der Elastizitätsmoduln an der Grenzfläche der zwei verschiedenen, miteinander verbundenen Ma terialien wird eine gleichförmigere Kraftverteilung er zielt, wodurch zum Bruch führende Belastungsspitzen vermieden werden, so daß die gesamte Struktur eine größere Festigkeit erhält.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert Es saigt

F i g. 1 in einer vergrößerten, schematischen Ansicht den Schwalbenschwanzabschnitt einer Schaufei mit einem Obergangsmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 2 in einer graphischen Darstellung den Einfluß, der sich ergibt, «renn das Obergangsmaterial gemäß der Erfindung in einen Verbundschwalbenschwanz eingebaut ist

F i g. t zeigt eine zusammengesetzte bzw. Verbundschaufel 10, die sich für Kompressoren und Gebläse von Axialstrom-Gasturbinentriebwerken eignet Die Schaufel tO weist einen stromlinienförmigen Abschnitt 12 mit allgemein radial veränderlicher Wölbung bzw. Krümmung und Staffelung sowie einen Schwalbenschwanzmitnehmer 14 auf, der es ermöglicht, daß die Schaufel in einer herkömmlichen Weise an einer drehbaren Scheibe oder Nabe befestigt werden kann. Eine den Strömungspfad begrenzende und nicht dargestellte typische Plattform könnte zwischen den Abschnitten 12 un<; 14 der Schaufel befestigt werden.

Der Hauptteil der Schaufel weist Schichtstoffe aus länglichen Fasern auf, die eine große Festigkeit sowie einen großen Elastizitätsmodul haben und in einem gewichtsleichten Gefüge eingebettet sind. Bei einer Ausführungsform aus hauptsächlich metallischem Material weist die Schaufel in einem Aluminium- oder Aluminiumlegierungsgefüge gebundene Borfaserschichtstoffe auf. Auch wird darauf hingewiesen, daß der Aufbau irgendein nichtmetallisches System, einschließlich Graphitfasern in einem Epoxidharz, aufweisen könnte. Es können beliebige Fasern, die in irgendeinem Bindemittel, wie einem organischen Harz, eingebettet sind, verwendet werden.

Gemäß F i g. 1 sind in einem Gefüge eingebettete Faserschichten, die einen Schichtkörper 16 bilden, im wesentlichen parallel zueinander ausgebreitet und miteinander verbunden, um den Flügelabschnitt 12 der Schaufei 10 zu bilden. Zum Ausbilden des Schwalbenschwanz-Verankerungsprofils sind vorbestimmte Faserschichten an ihrem radial inneren Ende ausgespreizt, um dazwischen keilförmige Leerstellen zu bilden, von denen in diesem Ausführungsbeispiel drei vorgesehen sind. In typischer Weise sind die Leerstellen mit einem dichten, homogenen Material, wie Titan oder Edelstahl, in Form von Keilen 18 gefüllt, um einen tragfähigen Aufbau zu bilden. Metallische Außenglieder 20, die aus demselben Material wie die Einsatzkeile 18 bestehen, können den Schwalbenschwanz an der Schwalbenschwanz/Drehnaben-Grenzstelle umgeben, um einen Schutz für den Faserschichtstoff zu bilden und eine gleichförmigere Belastungsübertragung von der Scheibe auf die Schaufel zu bewirken.

Wie in F i g. 1 gezeigt ist, ist zwischen den Faserschichten und den Einsätzen 18 das Übergangsmaterial 30 angeordnet, dessen Elastizitätsmodul größer als derjenige des Einsatzes und kleiner als derjenige der Schichten bzw, Schichtstoffe ist. In ähnlicher Weise ist μ Übergangsmateria! zwischen den Faserschichten des Schichtkörpers 16 und den Außengliedern 20 angeordnet.

Das Übergangsmaterial, das als weitere Eigenschaft einen Expansionskoeffizienten hat, der zwischen denje- es nigen der Faserschichten bzw. -laminate und der homogenen Einsätze liegt, führt zu einer Ausbildung kleinerer thermischer Belastungen an den Grenzflächen der zusammengesetzten Materialien. Somit erfolgt durch ein solches Material eine Vergrößerung der Schwalbenschwanz-Tragfähigkeit und eine Verlängerung der Lebensdauer. Dies wird anhand von F i g. 2 näher erläutert

Verbundmaterialien haben die Eigenschaft, daß sie anisotrop sind, d. h. sie haben unterschiedliche Eigenschaften in verschiedenen Richtungen. Um dieses anisotrope Verhalten zu überwinden, ist ein Übergang erforderlich, um von dem großen Modul des Verbundmaterials zu dein relativ kleineren Modul des homogenen Metalleinsatzes und des Außengliedmaterials, wie Titan, Edelstahl, Nickel und anderen bekannten Stoffen, überzuwechseln. Ein Gradient- oder Übergangsmaterial führt zu einer gleichförmigeren Verteilung von auftretenden Belastungen. In Fig.2 ist ein typisches BeIastungs (J)-Dehnungs (ε) -Koordinatensystem graphisch dargestellt Die durch eine Linie 22 dargestellten Ortspunkte zeigen die Beanspruchung eines typischen Verbundfaser-Schichtstoffgebildes, wie der Schichtstoffs 16 (F i g. 1). Die Neigung bzw. Steigung citr Kurve (drf/dc) wird als Elastizitätsmodul definiert In ähnlicher Weise zeigen die durch die Linie 24 dargestellten Ortspunkte die Beanspruchung des homogenen metallischen Einsatzmaterials. Es ist klar, daß bei jedem Dehnungswert ein relativ großer Belastungsunterschied zwischen dem Einsatzmaterial und dem Verbundmaterial besteht Um eine gleichförmigere Verteilung der Belastung zu bilden, und für einen Obergang von den Verbund- zu den homogenen metallischen Einsatzmaterialien zu sorgen, ist ein Obergangsmaterial mit abgestuften Eigenschaften vorgesehen. Das Übergangsmaterial hat jeweils Eigenschaften, die denjenigen des angrenzenden Materials ähneln. Mit anderen Worten hat das Übergangsmaterial einen durch die gestrichelte Linie 26 in Fig.2 wiedergegebenen Elastizitätsmodul, der demjenigen des Verbundstoffes nahekommt, und einen durch die gestrichelte Linie 28 wiedergegebenenen Clastizltätsmodul, der demjenigen des homogenen metallischen Materials nahekommt

Wenn das zusammengesetzte Material eine metallische Zusammensetzung aus Borfasern in einem Aluminiumgefüge und das homogene Einsatzmatcrial Edelstahl aufweisen, kann beispielsweise ein Übergangsmaterial mit einem Edelstahldrahtnetz bzw. -geflecht in einem Aluminiumgefüge angewendet werden. Das Netz würde geschichtet werden (zwei mit F i g. 2 übereinstimmende Schichten), wobei die an das zusammengesetzte bzw. Verbundfasermaterial angrenzende Schicht einen höheren Volumenprozentwert an Aluminiumgefüge als die an die Edelstahleinsätze angrenzende Schicht hat Dies würde den Bindungsvorgang erleichtern. D^:i Anzahl der Netz- bzw. Geflechtschichten kann dabei so klein wie möglich und so groß wie notwendig sein, um den erwünschten Gradienten zu erzielen. Somit kann die »Übergangszone« entweder bezüglich des Volumenprozentsatzes an Edelstahlnetz/Aluminium konstant sein oder von einem niedrigen Volumenprozentsatz (an die Bor/Aluminiumzusammensetzung angrenzend) auf einen hohen Volumenprozentsatz (an das harte, tragende, homogene sowie metallische Materal angrenzend) steigen.

Selbstverständlich sind noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise können nicht nur metallische zusammengesetzte Materialien, wie solche aus Bor/Aluminium, verwendet werden. Dieselbe Lösung könnte auch bei Einsätzen und Außengliedern einer Epoxy/Graphitverbundschaufel oder einer solchen

Schaufel verwirklicht werden, bei der für ihren Aufbau irgendeine Faser in irgendeinem Bindemittel, wie einem organischen Harz, eingebettet ist. Bei einer solchen Ausführungsform würde das Gefüge des Netz-Übergangsmaterials das Bindemittel der Verbundfaser- schichten bzw. -laminate aufweisen. Ferner ist die Erfindung nicht nur bei Turbomaschinenschaufeln anwendbar, sondern auch bei anderen Gegenständen, die einer hohen Betriebsbelastung unterworfen sind und zumindest zwei Materialien mit bedeutend unterschiedlichem Elastizitätsmodul aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Schaufel für Strömungsmaschinen mit einem stromlinienförmigen Abschnitt, einem Schwalbenschwanzfuß und mehreren verbundenen Faserschichikörpem, die in einem Matrixmaterial eingebettete, langgestreckte Fasern aufweisen, die an einer Stelle auf ihrer Länge ausgespreizt sind und dazwischen wenigstens einen metallischen Einsatz aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen entlang der gesamten Grenzfläche zwischen den Schichtkörpern (16) und dem wenigstens einen Einsatz (18) in ein Matrixmaterial ein Drahtgitter als Obergangsmaterial (30) eingebettet ist, dessen Elastizitätsmodul größer als derjenige des Einsatzes (18) und kleiner als derjenige der Schichtkörper (16) ist

Z Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ^s Obergangsmaterial (30) einen konstanten Drafaaitter-Volumenprozentgehalt aufweist

3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Obergangsmaterial (30) einen veränderlichen Drahtgitter-Voluraenprozentgehalt hat, wobei der größte Volumenprozentgehalt in der Nähe des metallischen Einsatzes (18) vorliegt

4. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Edelstahl-Drahtgitter in einer Aluminiummatrix angeordnet ist

5. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Edelstahl-Drahtgitter in einer Epoxidmatrix angeordnet ist