DE2642126A1

DE2642126A1 - Schlagfeste schaufel

Info

Publication number: DE2642126A1
Application number: DE19762642126
Authority: DE
Inventors: Robert Gustav Carlson; Robert Wayne Harrison
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1976-09-18
Publication date: 1977-06-23
Also published as: GB1549888A; FR2336577B1; DE2642126C2; JPS6014884B2; US4071184A; FR2336577A1; JPS5277912A; IT1070712B; US4000956A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf zusammengesetzte bzw. Verbundschaufeln für eine Verwendung in Fluidströmungsmaschinen und insbesondere auf eine Vergrößerung ihrer Verträglichkeit gegenüber einer Schlag- bzw. Stoßbeaufschlagung durch Fremdkörper.

Während vieler Jahre wurden Versuche unternommen, um die relativ schweren, homogenen Metallschaufeln und Flügel von Fluidströmungsmaschinen, wie von Gasturbinentriebwerkskompressoren, durch leichtere Verbundmaterialien zu ersetzen. Die Hauptbemühung in dieser Richtung bezog sich auf die Verwendung hochfester, länglicher Fasern in einem Verbund mit einem gewichtsleichten Gefüge bzw. Grundmaterial. Frühere Arbeiten befaßten sich mit Glasfasern, und neuere Bemühungen sind auf die Verwendung von Bor-, Graphit- und anderen synthetischen Fasern gerichtet. Diese letztgenannten Materialien haben extrem große Festigkeitseigenschaften wie auch große Elastizitätsmodulwerte, die zu der ,notwendigen Steifheit der Kompressorschaufeln und -flügel beitragen.

Viele Probleme standen den Bemühungen bezüglich einer Anwendung dieser Fasern entgegen, insbesondere bezüglich der Anpassung ihrer einseitig gerichteten Festigkeitseigenschaften an ein mehrdimensionales Belastungsfelcl. Bis zu einem großen Ausmaß wur-

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den diese Probleme überwunden und zusammengesetzte bzw. Verbundschaufeln mit Leistungsfähigkeitseigenschaften geschaffen,, die in vielen Bereichen denjenigen der homogenen metallischen Gegenstücke gleichen oder überlegen sind, wobei sich zusätzlich die erwarteten Und beträchtlichen Gewichtsverminderungen ergeben.

Jedoch war bisher ein Haupthindernis bezüglich der vollständigen Realisierung der Möglichkeiten von Verbundmaterialien für Gasturbinentriebwerksanwendungen ihre relativ geringe Verträglichkeit gegenüber einer Schlag- oder Fremdkörperbeschädigung (FOD) infolge eines Ansaugens von Fremdkörpern. In typischer Weise wird eine zusammengesetzte bzw. Verbundschaufel durch Verbinden einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Faserschichtstoffen hergestellt. Jeder Schichtstoff besteht aus einer einzelnen Schicht aus allgemein langgestreckten und in einem gewichtsleichten Ge füge bzw. Grundmaterial verankerten Fasern. Wenn beispielsweise das Grundmaterial Aluminium aufweist und die Fasern aus Bor bestehen, werden Aluminiumfolienblätter bzw. -streifen an beiden Seiten der Borfaserschicht angeordnet und durch die bekannte Diffusionsbindungs- oder kontinuierliche Walzbindungstechnik (diffusion bonding or continuous-roll bonding technique) verbunden.

Unter gewissen Bearbeitungsbedingungen bei der Herstellung von zusammengesetzten bzw. Verbundschaufeln kann der Bin-, dungsgrad ausgedehnt bzw. groß sein und zu einem starren Gebilde führen, .das keine starken Schlag- oder Stoßbelastungen aushalten kann. Da das Gefüge- bzw. Grundmaterial nicht viel Energie durch Deformation absorbieren kann und da die Schichtstoffe bzw. Laminate eine starke Bindung aufweisen, wird weitgehend die gesamte Belastung von den relativ harten und brüchigen bzw. spröden Fasern getragen. Ein Brechen der Fasern führt allgemein zu einem Bruch der Schaufel. Andererseits besitzen Gefügematerialien mit einer höheren Schlagfestigkeit nicht die Bindungsfähigkeit der mehr duktilen Materialien. Wenn die Bindung zwischen den Faserschichtstoffen im wesentlichen lückenhaft bzw. unvollständig ist, neigen die Schichten unter Scherbelastungen zu einer gegenseitigen Verschiebung nach Art eines Kartenstapels. Wenn ein übermäßiges Gleiten bzw. Verschieben auftritt^ nimmt die Schlagenergieabsorptionsfähigkeit stark ab. Ein Vergrößern des Bindungsdrucks und der Tempe-

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ratur, was bezüglich einer Bindungssteigerung wirksam ist, kann zu einem Brechen bzw. Zertrümmern der Fasern und zu großen thermischen Restspannungen infolge der unterschiedlichen Expansionskoeffizienten der verschiedenen Bestandteile führen. Beide Faktoren tragen zu einer verminderten Schlagfestigkeit und somit zu einer reduzierten Verträglichkeit bezüglich einer Schlag- bzw. Stoßbeschädigung durch Fremdkörper bei.

Somit ist es erwünscht, für eine Verwendung in einer Strömungsmaschine eine zusammengesetzte bzw. Verbundschaufel zu ■schaffen, die hochfeste Materialien und verbesserte Bindungsfähigkeitseigenschaften aufweist.

Dementsprechend besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer zusammengesetzten bzw. Verbundschaufel mit einer verbesserten Verträglichkeit gegenüber einer Fremdkörper-Stoßbeaufschlagung, was insbesondere für ausgewählte Bereiche der Schaufel gilt. Ferner soll ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Schichtstoffes bzw. -Laminats mit einer verbesserten Sphlagverträglichkeit für eine Verwendung in einem zusammengesetzten bzw. Verbundgegenstand geschaffen werden.

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

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Schaufel vorgeschlagen, die aus länglichen, durchgehenden Fasern gebildet ist, welche eine große Festigkeit sowie einen großen Elastizitätsmodul haben und in einem gewichtsleichten Gefüge bzw. Grundmaterial zusammengesetzt sind bzw. hiermit einen Verbund bilden. Viele solcher Faserschichten bzw. -laminate sind in einer im wesentlichen parallelen Beziehung miteinander verbunden, um den Hauptverbundaufbau der Schaufel zu bilden. Beim Herstellen einer solchen Schaufel ist es erwünscht, daß die Schlagverträglichkeit der Schaufelspitze verbessert wird. Nach der vorliegenden Erfindung sind die kontinuierlichen bzw. durchgehenden Fasern in zwei verschiedenen Gefügen bzw. GrundmateriaIien eingebettet, die sich durch verschiedene relative Schlagfestigkeiten auszeichnen, wobei

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diejenige des Spitzen-Grundmaterials allgemein größer als diejenige der Nabe ist. Bei einer Ausführungsform weist das Gefüge bzw. Grundmaterial der Schaufelspitze zwei Materialien mit verschiedenen Eigenschaften auf, wobei diese Materialien die durchgehenden parallelen Fasern beidseitig bedecken. Das an der Schaufelsaugoberfläche angeordnete Material zeichnet sich durch eine größere Schlagfestigkeit als dasjenige an der Schaufeldruckoberfläche aus. Eine solche Schaufel kann hergestellt werden, indem die parallelen Fasern zwischen zwei Blättern bzw. Streifen aus einem spezifischen metallischen Material zum Bilden eines Schichtstoffs in der bekannten Weise gebunden werden. Ein Teil eines Blatts bzw. Streifens wird dann in dem zu verbessernden Bereich abgestreift und durch ein zweites Material ersetzt, das eine höhere Schlagfestigkeit als das ursprünglich aufgebrachte Material hat. Der Schichtstoff wird dann neu gebunden bzw. verbunden, um den Aufbau zu vereinigen. Schlagtests haben ein anisotropes Verhalten einer Schaufel gezeigt, die aus solchen Monobändern oder Schichtstoffen bzw. Laminaten hergestellt sind. Bei einer Beaufschlagung der Schaufeldruckoberfläche zeigt eine solche Schaufel Schlagfestigkeiten, die nahezu doppelt so groß wie diejenigen sind, die erzielt werden, wenn eine Beaufschlagung auf der Schaufelsaugoberfläche erfolgt.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 — in einer perspektivischen Ansicht eine nach der vorliegenden Erfindung ausgebildete zusammengesetzte bzw. Verbundschaufel eines Gasturbinentriebwerkskompressors, Figur 2 - in einer Querschnittsansicht einen einzelnen zusammengesetzten bzw. Verbundschichtstoff,

Figur 3 - in einer graphischen Darstellung die Stoßenergieabsorption eines zusammengesetzten bzw. Verbundgegenstands als Funktion seiner Scherfestigkeit, Figur 4 - die Scherspannung von zusammengesetzten bzw. Verbundgegenständen als Funktion der Scherdehnung,

Figur 5 - in einer auseinandergezogenen Ansicht mehrere entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellte Schaufelschichtstoffe bzw. -laminate und Figur 6 - die überlagerten Schichtstoffe bzw. Laminate aus Figur

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Unter Bezug auf die Zeichnungen, bei denen ähnliche Hinweiszahlen einander entsprechende Elemente bezeichnen, wird zunächst auf Figur 1 verwiesen, in der eine nach der vorliegenden Erfindung ausgebildete zusammengesetzte bzw. Verbundschaufel 1o für eine Verwendung in einer Fluidströmungsmaschine dargestellt ist. Die Schaufel 1o eignet sich für eine Verwendung in Kompressoren und Gebläsen von Axialstrom-Gasturbinentriebwerken, obwohl sie nicht hierauf beschränkt ist. Dem Fachmann ist es klar, daß die vorliegende Erfindung eine Verbesserung für viele Schaufelgebilde ist und daß die Rotorschaufel 1o als lediglich beispielhaft für eine solche Anwendung anzusehen ist. Die Rotorschaufel 1o weist einen Flügelabschnitt 12, allgemein mit radial verschiedener Wölbung und Staffelung (variant camber and stagger), und einen Schwalbenschwanzmitnehmer 14 auf, der es ermöglicht, daß die Schaufel in einer herkömmlichen Weise an einer drehbaren Scheibe oder Nabe bzw. an einem Rotor befestigt und gehalten wird. Eine nicht dargestellte typische sowie den Strömungspfad begrenzende Plattform könnte zwischen den Flügel- und Schwalbenschwanzabschnitten 12, 14 der Schaufel befestigt sein.

Der Hauptteil oder Hauptaufbau der Schaufel weist Laminate bzw. Schichtstoffe aus langgestreckten, durchgehenden bzw. kontinuierlichen Fasern auf, die eine große Festigkeit sowie einen großen Elastizitätsmodul haben und in einer gewichtsleichten Matrix bzw. einem entsprechenden Gefüge eingebettet sind. Die Faserschichtstoffe sind im wesentlichen parallel zueinander verlegt und miteinander verbunden, um den Flügelabschnitt 12 der Schaufel 1o zu bilden. Bei einer Ausführungsform mit hauptsächlich metallischem Material würdedie.Schaufel verbundene bzw. gebundene Borfaserschichtstoffe in einem Aluminiumgefüge aufweisen. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß der Aufbau auch ein nichtmetallisches System aufweisen könnte, einschließlich Graphitfasern und einem Epoxydharz. Ferner ist festzustellen, daß die vorliegende Erfindung für den Aufbau die Verwendung irgendeiner Faser beinhaltet, die in irgendeinem Bindemittel eingebettet ist, wie einem organischen Harz.

Bezüglich einer einzelnen Faserverbundschicht oder eines entsprechenden Verbundstoffs bzw. Laminats wird nunmehr auf die

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Querschnittsansicht aus Figur 2 verwiesen. Dort ist eine einzelne Schicht aus parallelen, länglichen Borfasern 16 zwischen zwei AIuminiumfolienschiehten 18a, 18b aus später zu erläuternden Metallen/Legierungen eingelegt. Diese Bestandteile wurden einer Diffusionsbindung in der bekannten Weise unterworfen, um die dargestellte vereinigte Schicht 2o zu bilden. Es ist festzustellen, daß zwar ein Bor/Aluminium-Verbundsystem aus Einfachheitsgründen erörtert wird, daß jedoch hierdurch die vorliegende Erfindung nicht beschränkt werden soll.

Es wurde festgestellt, daß die Zähfestigkeit einer \pder eines_ anderen Gegenstandes,-Schaufel runter Stoßbeaufschlagung, das heißt die Verträglichkeit

gegenüber einer Stoßbelastung, auf der Aktivierung von zumindest fünf Stoß- bzw. Schlagenergie-Absorptionsmechanismen beruht. Hierbei handelt es sich (unter Bezug auf Figur 2} um: 1. Deformation eines die Aluminiumfolie 18a und 18b enthaltenden Gefüges; 2. Bruch der Faser (16) unter Zugbeanspruchung; 3. Aufhebung der Gefüge/Gefüge-Bindung an der Grenzstelle 22 zwischen angrenzenden Schichten;.4. Entfallen der Faser/Gefüge-Bindung (zwischen den Fasern 16 und dem Gefügematerial 18a und/oder 18b); und 5. Herausziehen der Fasern (16) aus der Schicht 2o unter Zugbeanspruchung. Die analytische Darstellung dieses Energieabsorptionsverhaltens ist wie folgt:

i_ff + .'I_n^ + i_fm + i_po

Hierin bedeuten I = Stoß- bzw. Schlagenergieabsorption, md = Matrixbzw. Gefügedeformation, ff = Faserbruch, mm = Entfallen der Gefüge/Gefüge-Bindung, fm =;Entfallen der Faser/Gefüge-Bindung und po = Ausziehvorgang.

Die Gefügedeformations- und Faserbruchenergien können für einen gegebenen Materialsatz als im wesentlichen konstant angesehen werden, obwohl ein synergistisches Verhalten auftreten kann. Durch Optimierei. der übrigen Parameter wird die gesamte Stoß- bzw., Schlagenergieabsorption des Gegenstands maximiert. Ein wesentlicher Gesichtspunkt dieser Stoß- bzw. Schlagabsorption ist die Reihenfolge, in der diese Energien ausgelöst werden. Wenn beispielsweise frühzeitig während des Schlagzyklus ein Faserbruch auftritt, wird hierdurch die durch den Faserausziehvorgang absorbierte Energie beschränkt.

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Ferner wurde festgestellt, daß bei steigendem Bindungsgrad für einen gegebenen Satz von Materialien das Energieabsorptionspotential der im wesentlichen nicht konstanten Energieabsorptionsmechanismen (I , I.p und I ) ansteigt, bis eine kritische Stufe erreicht ist. Wenn die Bindung noch weiter gesteigert wird, erfolgt eine Verminderung bzw. Abnahme der Energieabsorptionsmechanismen, bis ein 'Sprödbruch' auftritt. Ein Beispiel dieses Gesamtverhaltens ist schematisch in Figur 3 dargestellt/ in der die gesamte Stoßenergieabsorption eines in der zuvor beschriebenen Weise gebundenen Verbundgegenstands als Funktion der Scherfestigkeit (ein Maß des Bindungsgrades) aufgetragen ist. Die Kurve aus Figur 3 zeigt die Ortspunkte, die die Abhängigkeit der Stoßenergieabsorption von der Scherfestigkeit für irgendeinen bestimmten Satz von Materialien beschreiben. Es ist festzustellen, daß eine ähnliche Kurvenschar andere Faserverbund-Materialkombinationen darstellen würde.

An der Seite niedriger Scherfestigkeit (positive Steigung) aus Figur 3 (das heißt dem Punkt A) können sich die Fasern und einzelnen Laminate bzw. Schichten weitgehend nach Art eines Kartenstapels frei bewegen, weshalb sie keine ausgedehnte Energiemenge absorbieren können. Bei steigender Bindung (Scherfestigkeit) kommen mehr Energieabsorptionsmechanismen ins Spiel, und der zusammengesetzte bzw. Verbundgegenstand hat eine größere Schlagfestigkeit (Punkt B). Eine weitere Steigerung der Bindung (tatsächlich ein überhöhter Bindungszustand) vermindert die Absorptionsmechanismen der Abblätterung bzw. Schichtentrennung (I™ und I_fm) sowie des Faserausziehvorgangs (I ) und begründet einen im Deformationszyklus frühzeitigen Bruch der Fasern, wodurch das Material nur eine begrenzte Stoßenergiemenge absorbiert und sich wie ein brüchiger bzw. spröder Stoff verhält (Punkt C).

Eine weitere Darstellung dieses Verhaltens der genannten Mechanismen ergibt sich aus Figur 4, in der die Schubspannung bzw. Scherbelastung als Funktion der Scherdehnung dargestellt ist. Die Linie 26 zeigt die im wesentlichen lineare Spannung-Dehnung-Beziehung für langgestreckte bzw. längliche Einzelfasern 16 (Figur 2) bis zum Ausfallpunkt (endgültiger Bruchpunkt bzw. Streckgrenze) 28. Die Kurve 3o zeigt einen durch den Punkt A aus Figur 3 ver-

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sinnbildlichten Zustand schlechter Bindung sowie niedriger Scherfestigkeit. Wenn auf ein solches Material niedriger Bindungsfestigkeit eine Spannung bzw. Belastung ausgeübt wird, verhindert ein vorzeitiges Abblättern bzw. Trennen der Schichten das Absorbieren größerer Stoßenergiewerte. Das Abblättern erfolgt lange vor Erreichen des endgültigen Faserbruchpunkts. In der Kurve 32 aus Figur 4 weist das Gefüge eine ausreichende Bindung auf, so daß eine zwischen den Schichten erfolgende Abblätterung (I ) gerade vor dem Faserbruch bzw. -ausfall und nach der Einleitung der Aufhebung bzw. des Entfallens der Faser/Gefüge-Bindung (I^ und I ) beginnt. In diesem FaIlV der von dem Punkt B (Figur 3) wiedergegeben wird, erfolgt eine maximale Energieabsorption, da alle Stoßenergieabsorptionsmechanismen beteiligt sind. Somit ist dieses der festeste Gegenstand für den gegebenen Satz von benutzten Materialien. Die Kurve 34 zeigt den eine besonders große Bindung aufweisenden Gegenstand gemäß Punkt C (Figur 3), und hierbei erfolgt ein Bruch der Verbundfasern vor dem Beginn der Abblätterung bzw. Schichtentrennung (I- und I ), was zu einem brüchigen bzw. spröden Aufbau führt.

Somit ist. es in klarer Weise vorteilhaft, einen Gegenstand, wie eine Gasturbinenschaufel, mit einem optimierten Stoßenergieabsorptionspotential gemäß dem Punkt B aus Figur 3 und entsprechend der Kurve 32 aus Figur 4 herzustellen. Zu diesem Zweck werden Proben der gebundenen Faserlaminate bzw. -schichtstoff e aus dem Material zubereitet, das für den Gegenstand bestimmt ist und veränderliche Scherfestigkeitsgrade hat (das heißt veränderliche Bindungsgrade). Die Stoßenergieabsorption/Scherfestigkeit-Darstellung aus Figur 3 kann dann durch bekannte Versuche erzielt werden, wie den Charpy Stoß- Lzw. Schlagtest. Es kann dann eine Bindungs/Scherfestigkeits-Abstufung ausgewählt werden, die im Hinblick auf den endgültig herzustellenden Gegenstand für die erwünschte Stoßenergieabsorption erforderlich ist.

Bei einer Ausführungsform eines metallischen Verbundgegenstands., inbesondere einer Gasturbinentriebwerksschaufel, werden einbändige Laminate bzw. Schichten (monotape laminates) aufgelegt und zum Bilden des Gegenstandes miteinander verbunden. Wie es bereits erörtert wurde, wird jede Schicht oder jedes Laminat wie in Figur 2 hergestellt, indem an beiden Seiten der borschicht 16 Fo-

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lienblätter bzw. -streifen angeordnet und diese Materialien miteinander verbunden werden. In der Vergangenheit bestanden die ober- und unterseitigen Folienstreifen (18a, 18b) aus demselben Metall oder derselben Legierung. Es wurde jedoch festgestellt, daß verschiedene Legierungskombinationen in eine einzelne Schicht eingebaut werden können, um die Bindungsfähigkeit zwischen den Schichten zu vergrößern und unerwartete Schlagfestigkeitseigenschaften zu erzeugen. Beispielsweise verbindet sich 11oo Al (im wesentlichen unlegiertes Aluminium) nicht so gut mit 11oo Al wie 2o24 Al (nominell 4 Gewichtsprozent Kupfer, Rest Aluminiumlegierung) mit 2o24 Al. 11oo Al, ein im wesentlichen unlegiertes Aluminium, hat eine hohe Schlagfestigkeit und dürfte deshalb für Gasturbinentriebwerksanwendungen attraktiv sein. Jedoch können die hohen Bindungsdrücke und -temperaturen, die zum Verhindern eines vorzeitigen Abblätterns benötigt werden, eine brüchige bzw. spröde Schaufel erzeugen (oder ein Brechen der parallelen Fasern). Eine Legierung der 2o24 Al Type zeigt ein gutes Ermüdungsverhalten und ist aber weniger erwünscht, und zwar wegen ihrer Neigung zu einer Überbindung b?w. ihrer zu starken Bindungseigenschaft (overbond) wie auch ihrer niedrigeren Duktilität. Während beispielhaft nominell 4 Gewichtsprozent Kupfer, Rest Aluminiumlegierung (2o24 Al) gewählt wurden, ist festzustellen, daß andere Aluminiumlegierungen benutzt werden können, wie solche mit 1—4 Gewichtsprozent Kupfer oder 2 - 1o Gewichtsprozent Magnesium.

Um die Bindungsfähigkeit zu verstärken, wurde 11oo Al mit der 2o24 Al Legierung verbunden. Dieser Aufbau, bei dem 11oo Al/2o24 Al um die parallelen Borfasern geschichtet ist, zeigt unerwartete anisotrope Schlageigenschaften insoweit, als er bei einer Stoßbeaufschlagung von der 2o24 Al Seite im Vergleich zu einer Stoßbeaufschlagung von der 11oo Al Seite eine nahezu zweifache bzw. doppelt so große und gegenüber einer nur 2o24 Al enthaltenden Schaufel eine mehr als vierfache Schlagfestigkeit aufweist. (Es muß daran erinnert werden, daß bei einer Stoßbeaufschlagung einer Schaufel an einer Seite es die entgegengesetzte Seite ist, die einer größeren Zugspannung unterworfen wird.) Metallographische und mit einem Abtastungselektronenmikroskop durchgeführte Beobachtungen haben gezeigt, daß der Grund für dieses

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Verhalten das leichte Lösen bzw. Aufheben der Bindung der Borfasern von dem 11oö Al ist. Ferner zeigte der Aufbau ein zum insgesamt 2o24 Al Verbundsystem äquivalentes axiales Ermüdungsverhalten. Somit sind der Bindungsgrad des Aufbaues wie auch die Duktilität (plastisches Verhalten) der Matrix- bzw. Gefügematerialien für die endgültigen Stoß- bzw. Schlageigenschaften ausschlaggebend.

Dementsprechend zeigt eine Verbundschaufel, die durch Verbinden einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Faserschichten der soeben beschriebenen Art die beste Schlag- bzw. Stoßverträglichkeit, wenn die 2o24 Al Seite einer jeden Schicht zur Schaufeldruckseite und die 11oo Al Seite einer jeden Schicht zur Ansaugseite der Schaufel ausgerichtet werden, da die Druckseite einer jeden Schaufel gegen ein Aufprallen von Fremdkörpern besonders empfindlich ist./ +) gebildet wurde,

Bei einer Äusführungsform ist es gerade der Spitzenabschnitt einer Schaufel, der nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. In einem Gasturbinentriebwerk ist es beispielsweise die. Schaufelspitze, die besonders anfällig bezüglich einer Zerstörung durch Stoß- bzw. Schlagbeeinflussung ist.,: und somit kann das Einarbeiten eines Materials mit großer Schlagbeständigkeit in die Spitze die überdauerung der Schaufel erheblich erhöhen. Andererseits sollten der Schaufelfuß und der Schwalbenschwanz der Schaufel große Ermüdungsfestigkeitseigenschaften insbesondere dann aufweisen, wenn die Schaufel vom auskragenden bzw. freitragenden (cantilevered) Typ gemäß der Darstellung in Figur 1 ist, wobei jedoch eine niedrigere Schlagfestigkeit zugelassen werden .kann. ; ^;

Dementsprechend wird eine Schaufel aus einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen, gebundenen Faserschichten 36 hergestellt, die in einer auseinandergezogenen Ansicht in Figur 5 dargestellt sind. Wie es zuvor erörtert wurde, weist jede Schicht eine Vielzahl von durchgehenden parallelen Fasern 38 auf, die in einem Gefüge' bzw. einer Matrix eingebettet sind (aus Klarheitsgründen sind nur die Fasern einer Schicht dargestellt). Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Fußbereiche 4o der Schichten mit einem Matrix- bzw. Gefügematerial ausgebildet, das eine im Vergleich zum Spitzenbereich 42 relativ große Ermüdungsfestig-

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keitseigenschaft hat, während das Matrix- bzw. Gefügematerial des Spitzenbereichs eine größere Schlag- bzw. Stoßverträglichkeit hat.

Es sei ein Schichtstoff bzw. Laminat gemäß Figur 2 betrachtet, bei dem Folienschichten 18a und 18b ursprünglich dasselbe Material aufweisen, wie eine Aluminiumlegierung (beispielsweise 2o24 Al). Um die Stoß— bzw. Schlagcharakteristik einer aus solchen Schichten gebildeten Schaufel zu verbessern, wird vorgeschlagen, daß die Folie an der Spitze an einer Seite der parallelen Fasern zurückgestreift (abgeblättert) und bis zu einer mit 44 bezeichneten Stelle ohne Zerstörung der Fasern 38 abgetragen bzw. entfernt wird. An ihrer Stelle wird eine Folie aus einem schlagfesteren Material (wie 11jo Al) an den Fasern und dem verbliebenen Folienmatrix- bzw. -gefügematerial festgelegt bzw. mit diesen verbunden. Wenn diese Materialsubstitution an der Schaufelsaugflächenseite einer jeden Schicht erfolgt, wird die sich ergebende Schlagverträglichkext der Schaufelspitze bedeutend verbessert (sie nimmt einen bis zu vierfach höheren Wert an, wenn 11oo Al für 2o24 Al substituiert wird), wie es zuvor erörtert wurde.

Der übergarigsbereich 44 zwischen den bezeichneten Fußsowie Spitzenabschnitten kann zwischen 4o und 95 %VSpannweite von der Schaufelspitze und winkelförmig wie in Figur 5, diagonal schrägstrichartig oder dergleichen sein. Die Übergangszone kann auch gestaffelt bzw. versetzt sein, wie zwischen angrenzenden Elementen, um örtliche Schwachzonen zu vermeiden. In Figur 5 ist festzustellen, daß die Winkel in abwechselnden Schichten umgekehrt und die Lage der Schichten stufenweise radial durch die Schaufel verschoben sind, um jegliche mit einem solchen Übergang verbundene anhaftende Schwäche zu vermindern. In überlagertem Zustand erscheinen die Schichten wie in Figur 6. Da die Fasern in jeder Schicht durchgehend bleiben und da das 'Austausch¹ Gefüge- bzw. Matrixmaterial aus einer Gruppe ausgewählt ist, die eine günstige Bindungsfähigkeit bezüglich des 'ursprünglichen¹ Matrix- bzw. Gefügematerials hat, zeigt die sich ergebende Schaufel nach der Vereinigung und Bindung der Schichten wenn überhaupt nur wenig von dem Übergang an der Gefügegrenzstelle 44.

In einer ähnlichen Weise könnte irgendeine Schaufel individuell zugeschnitten bzw. bemessen und entsprechend vorgegebe-

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ner Umgebungserfordernisse verstärkt sein. Beispielsweise könnte das soeben beschriebene Doppeln...iterialgefüge den Fußabschnitt einer Schaufel aufweisen, wobei die Spitze vollständig aus einem besonders schlagfesten Gefüge (beispielsweise 11oo Al) besteht. Oder der Fußabschnitt könnte vollständig das dauerfeste Gefügematerial (wie 2o24 Al) aufweisen, während die Spitze ein insgesamt ΙΙ00 Al Gefüge aufweist. Es gibt zahlreiche Kombinations- bzw. Variationsmöglichkeiten bezüglich der Materialien und Legierungen.

Dem Fachmann ist es klar, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung gewisse Änderungen vorgenommen werden können. Beispielsweise ist das Prinzip von Mehrfachlegxerungsschichten auf von Aluminium abweichende Gefügematerialien anwendbar, bei denen eine Seite eine höhere Schlagfestigkeit und die andere Seite bessere Ermüdungs-/Bindungsfähigkeits-Eigenschaften haben. Dieselbe Lösung würde auch auf Harzmatrix- bzw. -gefügezusammensetzungen anwendbar sein. Diese und weitere Abwandlungen sollen von der vorliegenden Erfindung umfaßt sein.

- Ansprüche -

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Claims

: Ansprüche

1. Schaufel für eine Verwendung in einer Fluxdströmungsmaschine, wobei die. Schaufel einen Spitzenabschnitt sowie einen Fußabschnitt hat und wobei diese/Abschnitte aus einer Vielzahl von verbundenen bzw. gebundenen Faserschichten hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten bzw. Laminate (2o) eine Vielzahl von durchgehenden parallelen Fasern (16) aufweisen,

.--."-..die am Schaufelfuß (4o) in einem ersten Gefüge und an der Schaufelspitze (4.2) in einem zweiten Gefüge eingebettet sind, daß die ersten und zweiten Gefüge an einer gemeinsamen Grenzstelle (44) miteinander verbunden sind, daß das zweite Gefüge zwei die Fasern (16) beidseitig bedeckende Materialien aufweist sowie sich durch eine größere Schlagfestigkeit als das erste Gefüge auszeichnet und daß das erste der Materialien relativ zum: zweiten Material eine größere Bindungsfähigkeit zu sich selbst und zu den Fasern hat. :

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge-/ füge metallisch sind.

3. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefüge aus der Gruppe Aluminium und Aluminiumlegierungen ausgewählte Materialien sind und die Fasern (16) im wesentlichen Bor aufweisen.

4. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gefüge zwei die Fasern beidseitig bedeckende Folienblätter (18a, 18b) aufweist und daß eines der Blätter des zweiten Gefüges vom selben Material wie das erste Gefüge ist.

5. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Grenzflächen angrenzender Schichten (2o) nicht wesentlich .überlappen. ,

6"i Schaufel mit einer Saugoberfläche, einer Druckoberfläche, einer Spitze und einem Fuß, wobei diese Schaufel aus einer Vielzahl

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gebundener bzw. verbundener Faserschichten hergestellt ist, von denen zumindest eine eine Vielzahl von durchgehenden parallelen Fasern aufweist, die an der Spitze zwischen zwei Materialien eingebettet und gebunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das erste dieser Materialien relativ zu dem zweiten der Materialien eine größere Bindungsfähigkeit zu sich selbst sowie den Fasern (16) hat und zur Schaufeldruckoberfläche verlagert ist und daß die Fasern (16) an dem Schaufelfuß (4o) zwischen zwei Schichten (18a, 18b) aus dem zweiten Material eingebettet und gebunden sind.

7. Schaufel mit einer Saugoberfläche, einer Druckoberfläche, einer Spitze und einem Fuß, wobei diese Schaufel aus einer Vielzahl von gebundenen bzw. verbundenen Faserschichten hergestellt ist, von denen zumindest eine eine Vielzahl von durchgehenden parallelen Fasern aufweist, die am Fuß zwischen zwei Materialien eingebettet und gebunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das erste der Materialien relativ zu dem zweiten Material eine größere Bindungsfähigkeit zu sich selbst sowie zu den Fasern (16) hat und zur Schaufeldruckoberfläche verlagert ist und daß die Fasern an der Schaufelspitze (42) zwischen zwei Schichten des ersten Materials eingebettet und gebunden sind.

8. Verfahren zum Herstellen einer Faserschicht für eine Verwendung in einem zusammengesetzten bzw. Verbundgegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von parallelen Fasern zwischen zwei Blättern bzw. Streifen eines ersten Materials gebunden wird, daß ein Teil von zumindest einem der Blätter bzw. Streifen von der Schicht entfernt wird, daß der entfernte Teil durch ein zweites Material ersetzt wird, welches eine von dem entfernten Teil abweichende Schlagfestigkeit hat, und daß das zweite Material mit dem ersten Material verbunden wird.

9. Verfahren zum Herstellen einer Faserschicht für eine Verwendung in einem zusammengesetzten bzw. Verbundgegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von parallelen Fasern zwischen zwei Materialblättern bzw.. -streifen gebunden wird, daß ein

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Teil von zumindest einem der Blätter bzw. Streifen von der Schicht entfernt wird, daß der entfernte Teil durch das gleiche Material wie dasjenige des anderen Blatts bzw. Streifens ersetzt wird und daß das ausgetauschte Material mit dem übrigen bzw. verbliebenen Material verbunden wird.

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