DE2756684C2

DE2756684C2 - Verfahren zum Fertigen einer Turbomaschinenschaufel und Strömungsturbomaschine mit derartigen Schaufeln

Info

Publication number: DE2756684C2
Application number: DE2756684A
Authority: DE
Inventors: Delmar Howard West Chester Ohio Ellis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-12-20
Publication date: 1986-11-06
Also published as: US4118147A; CA1075161A; DE2756684A1; IT1088799B; FR2384943A1; FR2384943B1; GB1540989A; JPS5395304A; JPS6232359B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fertigen einer Turbomaschinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs i und auf eine Strömungsturbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6. Ein derartiger Stand der Technik ist in der US-PS 37 96 513 beschrieben.

Die Streifenresonanz kann ein bedeutendes Problem bei der Konstruktion und Entwicklung von Laufschaufeln für das Gebläse und den Verdichter von Gasturbinentriebwerken darstellen. Die Streifenresonanz ist eine Plattenschwingung, eine hochfrequente Erscheinung in Zusammenhang mit aerodynamischen Wirbelschlcppen, wie sie durch Reihen von Tragflügelprofilen stromaufwärts von der Laufschaufelreihe erzeugt wird, an welcher die Streifenvesonanz auftritt. Die Spannung und die Verformung sind dabei sehr eng örtlich begrenzt und befinden sich hauptsächlich in der äußersten Spitze der Laufschaufel, an der vorwiegend eine Verbiegung in Richtung der Schaufelsehnen auftritt. Im Gegensatz hierzu erstrecken sich die niederfrequenten Eliegeschwingungen und Torsionsschwingungen über einen großen Teil der Laufschaufel und erzeugen wesentliche Spannungen im unteren Teil des Tragflügelprofils. In der ersten Biegeschwingungsart wirkt die Spannung hauptsächlich in einer Verbiegung entlang der Spannweite und in der ersten Drehschwingungsart wirkt die Belastung vorwiegend als Sehubspannung. Daher ist das Problem der Streifenresonanz vollständig verschieden in seiner Art, dem Ort seines Auftretens und der Schwingungsform von den vorgenannten niederl'rcquenten Schwingungen, welche auch als Flatterschwingungen bezeichnet werden.

Die zur Zeit üblichen Laufschaufelkonstruktionen für Verdichter und Gebläse von Gasturbinentriebwerken

enthalten Tragflugeiprofikeile mit hoher Stufenbelastung und kleinem Seitenverhältnis, die von Natur aus zur Streifenresonanz neigen, die ein wesentliches Problem darstellen kann, wenn die Schwingungen auf Frequenzen treffen, die mit hoher Geschwindigkeit und großer Energie über das Tragflügelprofil iaufen. Die durchlaufenden Frequenzen sind dabei die Drehwellenfrequenzen, weiche durch die Wirbelschleppe der siromaufwärtigen Laufschaufel erzeugt werden und das Produkt der Relativgeschwindigkeit des Tragflügelprofils mit der Anzahl der Wirbelschleppen sind Der Resonanzzustand erzeugt oft eine starke Wechselbelastungsermüdung mit entsprechendem Bruch des Tragflügelprofilteils, welcher gewöhnlich an den Laufschaufelekken an der Schaufelspitze auftritL

Obwohl die Streifenresonanz nicht so auffallend als Schwingung ist und auch nicht so bekannt ist wie die Flattcrschwingung des Profilteils, hat sie doch während der Enlwicklungsphase vieler oder nahezu aller moderner Verdichter eine Neukonstruktion erforderlich gemacht Infolge der hohen Frequenz kann die Streifenresonanz mit Hilfe der zur Zeit möglichen konstruktiven Berechnung nicht genau vorausgesagt werden. Weiterhin treten viele dieser Schwingungen in den im Triebwerksbetrieb vorübergehend vorhandenen Frequenzspektren auf, und die Beseitigung aller dieser Resonanzen durch konstruktive Maßnahmen ist daher unpraktisch. Daher werden normalerweise während der Optimierung des Triebwerkes konstruktive Änderungen vorgenommen zur Beseitigung der wenigen Resonanzen, welche sich während der Entwicklung als gefährlich erweisen, anstelle einer Beseitigung der Resonanzen durch eine entsprechende Ausgangskonstruktion. In anderen Fällen erforderte die Beseitigung der Streifenresonanz die Einfügung einer neuen Einlaßleitschaufelreihe mit einer verringerten Anzahl von Profilteilen zur Beseitigung der Frequenzen im Betriebsbereich des Triebwerkes. In den Läuferlaufschaufeln wurde auch eine Vergrößerung der Profildicke vorgenommen zur Erhöhung -1er Laufschaufelfrequenz, um auf diese Weise den Resonanzpunkt zu einer Triebwerksdrehzahl oberhalb des Betriebsbereichs des Triebwerkes zu verlagern. Ferner ist es aus der eingangs genannten US-PS 37 96 513 bekannt, entlang der konkaven Seite der Schaufel vom Fuß bis zur Spitze eine Vertiefung vorzusehen Ktid darin ein dämpfendes Material anzuordnen, um eine hochfeste Schaufel mit guten Dämpfungseigenschaften zu erzeugen. Obwohl solche konstruktiven Änderungen wirksam sind, sind sie sehr kostspielig und können die Entwicklung eines Triebwerkes verzögern, wenn keine sofort anwendbaren zeitweiligen Maßnahmen verfügbar sind. Daher wird für die Konstruktion von Gasturbinentriebwerken ein wirksameres Verfahren zur Beseitigung der Probleme der Streifenschwingung benötigt.

Es wurde auch erkannt, daß Verbundmaterialien eine Möglichkeit zur Konstruktionsverbesserung in Gasturbinentriebwerken darstellen, und seit mehreren Jahren wurde ihr Einsatz in verschiedenen Bauteilen des Triebswerkes aktiv verfolgt. Besonders wurden zahlreiche Versuche unternommen, um die relativ schweren Laufschaufeln aus Metall durch solche Laufschaufeln zu ersetzen, die praktisch vollständig aus Verbundmaterialien hergestellt sind, besonders in solchen Anwendungen für Triebwerke von Luftfahrzeugen, bei denen das Triebwerksgewicht ein bedeutendes Konstruktionskritcrium bildet. Seit d<v> ersten Anfängen unter Verwendung von Glasfasern wurden die Verfahren für Verbundmaterialien in starkem Maße entwickelt. Kürzliche Bemühungen waren dabei gerichtet auf die Benutzung von synthetischen Fasern hoher Festigkeit aus Bor Graphit und anderen Materialien, welche in einer Matrix 5 oder einem Träger aus einem leichten Material eingebettet sind. Die Tatsache, daß Verbund-Tragflügeiprofi-Ie für Gasturbinentriebwerke nicht allgemein angewendet werden, beweist jedoch die Schwierigkeit der An passung des Verbundmaterials an diese fortgeschrittene

ίο Technologie. Es ist daher erwünscht, die potentiell verfügbaren Verbundmaterialien für die Konstruktion von verbesserten Laufschaufeln für Gebläse und Verdichter auszunutzen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Strömungsturbomaschine der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß auf einfache Weise die Streifenresonanz wesentlich vermindert oder ganz beseitigt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 bzw. 6 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbareü Vorteile bestehen insbesondere darin, daß zunächst mit bekannten Verfahren ermittelt wird, ob unter Betriebsbedingungen Streifenresonanzschwingungen auftreten. Wenn dies der Fall ist, dann werden diejenigen Resonanzpunkte ausgewählt, welche von einem erfahrenen Aero-Mechanik-Konstrukteur als unzulässig betrachtet werden. Die Laufschaufel wird dann spanabhebend bearbeitet oder geätzt, um einen Teil der Tragflügelflächen aus Metall an der Spitze zu entfernen, wobei der entfernte Teildie zuvor ermittelten Knotenpunkte enthält. Bei den anschließend gefertigten Laufschaufeln wird der erforder- !iche Teil bereits während des ursprünglichen Schmiedens oder Fornigebens beseitigt. Die durch solche Verfahren gebildeten Taschen werden dann mit Stücken aus Verbundmateriaiien ausgefüllt, weiche untereinander ausgerichtete Fasern hoher Festigkeit eingebettet in einer Matrix enthalten, die vorzugsweise eine metallisehe Matrix ist Die Fasern werden dabei allgemein in Richtung der Sehne des Tragfiügelprofils orientiert zur Vergrößerung der Sehnensteifigkeit und daher zur Beseitigung der unzulässigen Streifenschwingung. Zur leichteren Herstellung können die Taschen bis an das Laufschaufelende geführt werden. Weiterhin können die eingesetzten Stücke vorübergehend verwendete, radial ausgerichtete Verlängerungen enthalten, welche ein mechanisches Einspannen während der Verbindung der Stücke mit den Laufschaufeln gestatten. Diese Verlängerungen können nach der Herstellung der Verbindung durch spanabgebende Beaxbeitung entfernt werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert
Die F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Laufschaufel für ein Gasturbinentriebwerk als Ausführungsform der Erfindung.

Die F i g. 2 zeigt eine Darstellung einer Laufschaufel eines Läufers eines Gasturbinentriebwerkes, an der eine Streifenresonenz auftritt, und zeigt die Lage verschiedener Knotenlinien.

Die F i g. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der Fig.2 und zeigt in Übertriebevier Form die Lageänderung der mittleren Profillinie der Laufschaufel bei einer Schwingung.

Die F i g. 4 zeig«, eine Campbell-Kurve für eine Laufschaufel gemäß Fig.2 und 3 und zeigt die Resonanzpunkte bei verschiedenen Streifenschwingungen.
Die F i g. 5 zeigt eir;e vergrößerte auseinandergezo-

gene Ansicht des Laufschaufelendes nach Fig. 1 und zeigt die erfindungsgemäße Anordnung mit weiteren Einzelheiten.

Die Fig.6 ist eine perspektivische Ansicht des Spitzenteils der Laufschaufel nach Fig. 1 und zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 7 ist eine Ansicht ähnlich Fig.6 und zeigt eine weitere Ausfiihrungsform der Erfindung.

In den Abbildungen sind gleiche Elemente durchweg mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und es wird zunächst auf die F i g. 1 Bezug genommen, in der eine Laufschaufel für ein Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist. Obwohl die Anwendung der Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt ist, ist die hier gezeigte Laufschaufel 10 zur Verwendung in Gasturbinentriebwerken und Gebläsen mit Axialstrom geeignet Für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß die Erfindung eine Verbesserung verschiedenartigster Strukturen gssisüst und die Laufschaufel 10 lediglich ein Beispiel zur Veranschaulichung eines solchen Anwendungsfalles darstellt. Die gezeigte Laufschaufel 10 umfaßt einen Profilteil 12 mit einer allgemein entlang des Radius veränderlichen Wölbung und einen Schwalbenschwanzfußteil 14 zur Befestigung der Laufschaufel an einer rotierenden Scheibe oder Nabe in der bei dem Verdichter oder Gebläse eines Gasturbinentriebwerkes üblichen Weise. Eine Plattform 16 zur Begrenzung des Strömungsweges erstreckt sich seitwärts von dem Profilteil und liegt zwischen dem Profilteil und dem Fußteil oder Schwalbenschwanzteil der Schaufel. Die Schaufel kann mit Hilfe von bekannten Schmiedeverfahren oder Gießverfahren ursprünglich aus Metall hergestellt werden, beispielsweise aus Titan oder Stahl.

Laufschaufeln mit relativ niedrigem Aspekt-Verhältnis (Verhältnis der Laufschaufelspannweite oder -länge zur Laufschaufelsehne oder Tiefe) gemäß der Abbildung nach F i g. I besitzen eine Neigung zur Plattenschwingung oder Streifenschwingung.

Die F i g. 2 veranschaulicht die Streifenschwingung und zeigt in übertriebener Form die Streifenschwingung an einer Rotorlaufschaufel 18 mit einem Profilteil 20, wie sie durch die Durchgangsfrequenz eines stromaufwärts gelegenen Stators (nicht gezeigt) erregt wird. Im wesentlichen wird in der Hochfrequenz-Streifenschwingung eine Schwingung der Laufschaufel erregt mit örtlich erzeugten Spannungen und Verformungen, die an dem Spitzenende der Schaufel liegen, wobei die charakteristische Form vorwiegend eine Verbiegung in Richtung der Sehne ist F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch das Schaufelende des Profilteils 20 und die gestrichelte Linie 22 stellt den Verlauf der mittleren Profillinie der Schaufel zu einem bestimmten Zeitpunkt dar. Die Linie 24 entspricht der unverformten Profillinie und ihre Schnittpunkte 26,28 und 30 mit der verformten Profillinie 22 werden als Knotenpunkte bezeichnet Praktisch sind dies die Punkte im Laufschaufelquerschnitt, welche bei der Schwingung keine Lageverschiebung besitzen. Der Ort dieser Knotenpunkte entlang der Spannweite erscheint in Form der Knotenlinien 26, 28 und 30 in F i g. 2. Es ist daher ersichtlich, daß die Verformung und damit die Belastung vorwiegend auf den äußeren Teil der Schaufel beschränkt ist und besonders auf die Ecken des Laufschaufelendes, wie dies durch die Knotenlinien 26 und 30 dargestellt ist Weiterhin kann das Beispiel nach den F i g. 2 und 3 als eine Dreistreifen-Schwingung bezeichnet werden wegen des Vorhandenseins von 3 ausgeprägten Knotenlinien. Es ist zu beachten, daß bei Änderung der Drehzahl der Laufschaufel eine Veränderung der Knotenlinien erfolgt und an einer typischen Laufschaufel für ein Gebläse oder ein Verdichter eine Anzahl von Knotenlinienmustern über den Betriebsbereich auftritt. Die F i g. 2 und 3 sind daher lediglich repräsentativ für ein mögliches Verteilungsmuster bei einer möglichen Drehzahl.

Die Fig.4 ist eine Campbell-Kurve für eine Laufschaufel gemäß den F i g. 2 und 3, wobei die Ordinate die Schwingungsfrequenz der Schaufel und die Abszisse die Drehzahl der Rotorlaufschaufel in Umdrehungen pro Minute darstellt. Die voll ausgezogenen horizontalen Linien entsprechen den angegebenen hohen Eigenfrequenzen, d. h. den Streifenschwingungen der Laufschaufel. Es ist zu beachten, daß beispielsweise mehr als eine Drei-Streifenschwingung vorliegen kann, da die Knotenlinien verschiedene charakteristische Verlaufwege in dem Tragflügelprofil besitzen können. Die F i g. 4 zeigt als Beispiel 3 solche Drei-Streifenschwingungen zusam-

Streifenschwingung. Die diagonale Linie 32 entspricht dem Ort der Punkte für eine gegebene Anzahl von Schaufelschwingungen pro Umdrehung (wie sie beispielsweise durch Schleppwellen von einer entsprechenden Anzahl von Leitschaufeln stromaufwärts von der Laufschaufel erzeugt werden) als Funktion der Drehzahl der Laufschaufel. Mit anderen Worten ist die Linie 32 gekennzeichnet durch die folgende Beziehung:

Frequenz (Schwingung pro Sekunde)

XN
60

Dabei bedeutet

X = die Anzahl der Erregungen pro Umdrehung, und

N = die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute.

Die Schwingungen können bedeutend werden an den Punkten, an denen die Linie 32 die horizontalen Hochfrequenz-Streifenschwingungslinien kreuzt, da die Schnittpunkte a—edie Resonanzpunkte der Laufschaufel darstellen. Obwohl jedoch die Campbell-Kurve für eine bestimmte Laufschaufel nach bekanntem Verfahren vor dem Betrieb der Schaufel als Teil eines vollständigen Triebwerkverdichters oder Gebläses erzeugt werden kann, gibt es keine konsistente Möglichkeit um festzustellen, welche der Resonanzpunkte bedeutende Laufschaufelspannungen erzeugen würden. Allgemein kann jedoch festgestellt werden, daß die ungünstigsten

so Verhältnisse scheinbar bei den höheren Drehzahlen auftreten. Wenn die Maschine unter Ausstattung der Laufschaufel mit entsprechenden Spannungsmeßeinrichtungen betrieben wird, dann können die Resonanzpunkte bestimmt werden, welche bedeutende Belastungen ergeben. Bisher bestand dann die Abhilfe darin, eine neue stromaufwärts gelegene Schaufelreihe mit einer anderen Schaufelzahl einzusetzen, um auf diese Weise die Anzahl der Schaufelschleppwellenerregungen pro Umdrehung zu verändern, oder in einer Vergrößerung der Dicke der beeinträchtigten Schaufeln zur Vergrößerung ihres Frequenzabstandes, oder in einer Beschneidung der Ecken des Schaufelendes an den beeinträchtigten Laufschaufeln, um auf diese Weise die Streifenschwingung zeitweilig zu mindern bis zur Einführung einer Dauer'.ösung. Solche an sich wirksamen Abänderungen waren jedoch kostspielig und verzögerten oft die Triebwerksentwicklung. Die nachstehend beschriebene erfiridungsgemäße Anordnung ergibt ein verbessertes billi-

gcs rasches Verfahren zur Beseitigung der Probleme durch Streifenschwingung an solchen Laufschaufeln.

Es wurde bereits seit langem erkannt, daß Verbundmaterialien eine hohe Fesligkeil in einer Richtung besitzen und sie wurden zur Verstärkung von Strukturen benutzt, die nicht aus Verbundmaterialien bestehen. Der Ausdruck »Verbundmaterialien« soll dabei diejenigen Mti-'rialien umfassen, in denen längliche Fasern mit kleinem Durchmesser und hoher Festigkeit sowie einem hohen Elastizitätsmodul in eine Matrix aus Leichtgewichtmater'tal eingebettet sind. In einet Ausführungsform enthält die Grundstruktur Fasern aus Graphit oder Bor, welche in einer Matrix von Kohlenwasserstoffmaterial eingebettet ist, beispielsweise Epoxydharz. Der Ausdruck »Verbundmaterial« deutet jedoch die Verwendung irgendeiner Faser an, die in ein Bindemittel eingebettet ist, beispielsweise einem organischen Kunstharz. Weiterhin gestatten kürzlich entwickelte fvictaiimairixiiiaieriäiicM ciüc bessere Lastübertragung zwischen den verstärkenden Fasern und einer Metallgrundstruktur, da die Metallmatrixmaterialien (beispielsweise Titan oder Aluminium) durch Diffusion mit einem metallischem Grundmaterial verbunden werden können. Bei Verdichter-Laufschaufeln aus Metall kann das Grundmaterial Titan sein. Die Diffusionsverbindung ist ein Verfahren, bei dem benachbarte Materialien auf molekularer Basis unter gesteuerten Umgebungsbedingungen bei erhöhtem Druck und Temperatur miteinander kombiniert werden.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet den Ersatz eines Teils des Tragflügelteils 12 der Laufschaufel 10 aus Metall (Fig. 1) durch ein Stück Verbundmaterial 36, wobei dieser Austausch in einer ganz besonderen Weise ausgeführt wird, um das Streifenschwingungsproblem zu beseitigen. Durch den Austausch des allgemein metallischen Grundmaterials der Laufschaufel gegen ein Verbandmaterial ergibt sich bei richtigem Einsetzen des Verbundmaterials eine Vergrößerung der Eigenfrequenz des Tragflügelprofils. Dies wird dadurch erreicht, daß die Biegefestigkeit in Richtung der Sehne vergrößert wird, so daß die deformierte Form der Schaufel gemäß den F i g. 2 und 3 beeinflußt wird.

Die Schaufelfrequenz kann allgemein durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden:

Frequenz =/ ' —

E = Elastizitätsmodul

/ = Trägheitsmoment des Materialquerschnittes

ρ = Materialdichte.

Durch den Austausch der Metallgrundmaterialien gegen Verbundmaterialien wird der Ausdruck EI vergrößert wegen des äußerst hohen Elastizitätsmoduls der Verbundmaterialien (der Elastizitätsmodul für Verbundfasern liegt im Bereich von etwa 2,8 χ ΙΟ⁶ bis 42 x 10⁶ kg/cm² im Vergleich zu Titan mit 1,12 χ 10* kg/ cm²). Weiterhin wird die Frequenz noch vergrößert durch die Einfügung eines Materials mit geringerer Dichte anstelle des Grundmaterials. Dies ist der einzigartige Vorteil der Verbundmaterialien — der Elastizitätsmodul ist hoch und die Dichte ist gering und daher ergibt sich eine vielfache Frequenzerhöhung.

Der b'oße Austausch von Materialien allein ist jedoch nicht ausreichend zur Beseitigung des Problems der Streifenresonanzschwingung. Der Materialaustausch muß vielmehr in einer bestimmten Weise ausgeführt werden. Im Gegensatz zu der Biegeschwingung und der Torsionsschwingung kann eine Verbesserung der Streifenschwingung mil sehr begrenzten Mengen von ausgetauschtem Verbundmaterial erreicht werden in Folge des konzentrierten Bereichs, welcher durch die Streifenschwingung beeinträchtigt wird. Im besonderen umfaßt der Austausch ein Stück 36, welches nur an dem Spitzenteil des Tragflügelprofils 12 gemäß F i g. 1 angebracht ist, da gemäß der vorstehenden Erläuterung dies

ίο der Hauptbereich für die erhöhte Spannung bei der Streifenschwingung ist. Dabei wird hier der Begriff des Spitzenbereichs oder Endbereichs in dem Sinne verwendet, das er die äußeren 20 bis 30% der Spannweite der Schaufel umfaßt. Die Orientierung der Fasern in den Verbundmaterialien verläuft dabei allgemein in Richtung der Profilsehne zur Erzielung einer optimalen Versteifung oder Festigkeit in Richtung der Sehne. Weiterhin muß die Ausdehnung des eingesetzten Stücks in der Sehncnrichtung groß genug sein, um die Knotenpunkte der bestimmten Knotenverteilung zu bedecken, welche hier Probleme ergibt. Mit anderen Worten sollte bei einer Laufschaufel nach den F i g. 2 und 3 die Abmessung X in Richtung der Sehne bei einer in Aussicht genommenen Verstärkung mit Verbundmaterial die Knotenlinien 26,28 und 30 des gezeigten Musters erfassen und in einigen Fällen kann sich dabei das Stück von der Eintrittskante zur Austrittskante der Laufschaufel erstrecken. In den meisten Fällen wird es jedoch nicht erwünscht sein, daß das Verbundmaterialstück von der Eintrittskante bis zur Austrittskante der Schaufel verläuft, da das Grundmaterial den Auswirkungen einer Erosion und des Aufpralls von Fremdobjekten besser widersteht als das Verbundmaterial. Weiterhin ist an den freien Kanten keine Spannungsbelastung in Richtung der Sehne vorhanden. Es besteht daher dort keine Notwendigkeit für eine Verstärkung. Ein solcher Aufbau steht daher in direktem Gegensatz zu einer beabsichtigten Verbundmaterialverstärkung für niedere Schwingungsfrequenzen, bei welcher ein umfangreicher Materialaustausch über großen Bereichen der Schaufel, besonders an dem Schaufelfuß, erforderlich ist, wobei dann die optimale Faserorientierung in Richtung der Spannweite oder angenähert in Richtung derselben verläuft.

Durch die Einfügung eines solchen Stückes oder einer solchen Auflage aus Verbundmaterial wird die Eigenfrequenz des Tragflügelprofils um einen Wert zwischen 10 bis 30% vergrößert in Abhängigkeit von der Menge des ausgetauschten Materials. In der Fig.4 ist die neue Eigenfrequenz für die höchste Drei-Streifenschwingung als horizontale gestrichelte Linie ausgeführt und der neue Resonanzpunkt ist mit d' bezeichnet. Offensichtlich liegt dieser neue Resonanzpunkt bei einer höheren Laufschaufeldrehzahl und dieser Punkt könnte auf einen Drehzahlwert außerhalb des Betriebsbereichs der Triebwerksdrehzahl verlegt werden. Daher wird das Belastungsproblem gelöst durch Verhinderung eines Auftretens einer Resonanz.

Die F i g. 5 zeigt eine vergrößerte auseinandergezogene Ansicht der Spitze oder des Endes eines Tragflügelprofils nach F i g. 1 und zeigt die Stücke 36 aus Verbundmaterial mit weiteren Einzelheiten. Nachdem das Vorhandensein eines Streifenschwingungsproblems und die Knotenverteilung ermittelt ist kann die Größe des

&5 Einsatzstückes bestimmt werden. Vorzugsweise wird der Tragflügelprofilteil mechanisch oder elektromechanisch spanabhebend bearbeitet zur Bildung einer Tasche 38 zur Aufnahme eines Stückes 36 mit entspre-

chender Form. In der Schaufel nach F i g. 5 wurde der Tragflügelprofilteil auf beiden Seiten spanabhebend bearbeitet zur Bildung eines Paars von Taschen, welche durch einen Steg 40 aus dem Grundmaterial voneinander getrennt sind. Dieser Steg dient zur Verbindung der Eintrittskante und Austrittskante 42 bzw. 44 der Schaufel. Die Stücke 36 können vorgefertigt werden, indem Lagen von Verbundmaterial aufeinandergelegt und miteinander verbunden werden, welche typischerweise aus dünnen Platten oder Folien aus parallelen Fasern bestehen, die zwischen Platten des Matrixmaterials eingefügt sind. Die aus einzelnen Schichten aufgebauten Stücke können dann bearbeitet werden zur Einpassung in die Tasche 38 und bei einem metallischen Matrixmaterial wird das Stück durch metallurgische Verfahren mit dem Grundmaterial des Tragflügelprofils verbunden. Dabei wird das an sich bekannte Verfahren der Verbindung durch Diffusion bevorzugt. Da sich die Stücke stets an der Spitze der Schaufel befinden, können zeitweilige Verlängerungen der Stücke vorgesehen werden, welche über die Spitze der Schaufel hinausragen und eine mechanische Festlegung und Verklammerung gestatten zur Erleichterung der unter Druck vorgenommenen Verbindung. Nach der Fertigstellung der Schaufel können diese Verlängerungen dann durch spanabhebende Bearbeitung ohne Beeinträchtigung der Integrität der Schau^rel entfernt werden. Hierdurch wird ein kostspieligeres und mit größerem Zeitaufwand verbundenes Verfahren vermieden, bei dem die einzelnen Lagen einzeln durch Schweißen angeheftet werden und aufeinandergestapelt durch Druck mit dem Grundmetall verbunden werden zum Aufbau eines Stücks mit geeigneter Dicke.

Alternative Ausführungsformen der Erfindung sind in den Fig.6 und 7 abgebildet. In der Anordnung nach F i g. 6 erstreckt sich das Verbundmaterialstück 36 nicht vollständig bis zur Laufschaufelspitze, wobei ein Teil 46 der Rippe 40 verbleibt. Da der Querschnitt an der Spitze beträchtlich verringert ist, wird eine tangentiale Biegebelastung auf die Schaufel infolge des Reibens an einer umgebenden Hülle verringert. Die F i g. 7 zeigt die Flexibilität der erfindungsgemäßen Konzeption. Sie zeigt eine Ausführungsform, bei Welcher der rückwärtige Teil des Profils 12 durch eine Verbundmaterialkappe 50 ersetzt ist. Der Profilteil wird entlang der Linie 52 spanabhebend bearbeitet und wahlweise kann ein Ansatz oder Zapfen 54 des Grundmaterials belassen werden, welcher radial von dem übrigen Tragflügelprofilteil nach oben ragt und eine zusätzliche Oberfläche ergibt, mit welcher die Verbundmaterialkappe 50 verbunden werden kann. Alternativ hierzu kann die Einpassung zwischen Profilteil 12 und Kappe 50 umgekehrt vorgenommen werden, indem eine Vertiefung in dem Profilteil vorgesehen wird, in welcher ein Teil der Kappe 50 aufgenommen und mit dem Grundmaterial verbunden werden kann.

Es wurde daher ein verbessertes Verfahren zur Beseitigung des Streifenschwingungsproblems geschaffen. In der praktischen Durchführung enthäk das Verfahren die Konstruktion einer Laufschaufel aus Metall zur Verwendung in einer Turbomaschine und die Prüfung der Schaufel mit bekannten Verfahren, um festzustellen, ob schädliche Streifenresonanzschwingungen vorhanden sind. Wenn dies der Fall ist, dann werden die Knotenpunkte bestimmt und ein Teil des metallischen Profils an dem Schaufelende wird entfernt, wobei dieser weggenommene Teil stets die Lage der Knotenpunkte der unzulässigen Schwingung enthält. Ein Stück aus Verbundmaterial wird dann anstelle des entfernten Materials eingesetzt, wobei die Faserorientierung allgemein in der Richtung der i>ehne des Profils verläuft.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß bestimmte Änderungen an den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung vorgenommen werden können, ohne den weitergehenden Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise sind zahlreiche andere Verfahren zur Befestigung der Verstärkung aus Verbundmaterial an dem Grundmetall des Profilteils möglich,

ίο beispielsweise das Bohren eines Lochs durch den Rippenteil 40 (siehe F i g. 5) und anschließendes Verbinden der beiden Stücke durch das Loch hindurch, so daß die Rippe aus dem Grundmaterial zwischen den beiden Stücken eingefügt ist. Weiterhin könnte das Verbundmaterial durch eine Kombination von Schwalbenschwanznuten und Verbindungsverfahren befestig» werden. Weiterhin waren die vorstehenden Beschreibungen hauptsächlich auf rotierende Laufschaufeln gerichtet. Es ist jedoch offensichtlich, daß die Struktur und das Verfahren in gleichem Maße anwendbar sind auf nicht rotierende Teile, beispielsweise Statorschaufeln und Leitschaufeln. Weiterhin könnte das gesamte Profilteil mit einem Metallblech verkleidet werden, um das Stück aus Verbundmaterial vor der Einwirkung einer Erosion zu schützen und das Stück noch zusätzlich in dem jeweiligen Hohlraum zu befestigen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Fertigen einer Turbomaschinenschaufel, deren stromlinienförmiger Abschnitt und Fußabschnitt aus einem Grundmetall hergestellt sind und die auf einem Teil ihrer Oberfläche des stromlinienförmigen Abschnitts ein anderes Material als das Grundmetall aufweist für eine Verminderung von Schwingungsbeanspruchungen, die während des Betriebs der Turbomaschine auf die Schaufel ausgeübt werden, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebs der Turbomaschine die Spannungen in der Schaufel über dem Betriebsbereich der Drehzahlen der Turbomaschine gemessen werden,

eine Drehzahl ausgewählt wird, bei der eine unzulässige Spannung durch Streifenschwingung erzeugt wird,

das Knotenverteilungsmuster bei der gewählten Drehzahl enb»stelt wird und

an der Schaufelspitze das Grundmetall gegen ein Faserverbundmaterial ausgetauscht wird, wobei die Ausdehnung des Verbundmaterials entlang der Profilsehne die Knotenpunkte für die gewählte Drehzahl enthält und die Orientierung der Fasern des Verbundmaterials im wesentlichen entlang der Sehne verläuft

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schaufelspitze ein Teil einer Seite weggenommen wird zur Bildung einer Tasche, ein Verbundnidterialstück mit praktisch gleicher Form wie die Tasche heigestelk wird, das Stück in die Tasche eingesetzt und .mit dem Grundmetall fest verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schaufeispitze auf gegenüberliegenden Schaufelseiten Taschen gebildet werden, welche durch einen Steg aus Grundmetall getrennt sind, zwei Stücke aus Verbundmaterial hergestellt werden, die jeweils eine Form passend zu einer der Taschen besitzen, und die Stücke in ihre jeweilige Tasche eingesetzt und mit dem Grundmetall verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stück aus Verbundmaterial mit einer Verlängerung über den Grundmetallteil hinaus hergestellt wird, das Stück aus Verbundmaterial mit Hilfe dieser Verlängerung gegenüber dem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt aus Grundmetall fixiert wird und nach der Befestigung des Stücks aus Verbundmaterial an dem Grundmetall diese Verlängerung entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Ausdehnung der Stücke aus Vesbundmaterial kleiner ist als die radiale Abmessung der Taschen, wobei ein Teil des Steges an der Schaufelspitze freigelassen wird.

6. Strömungsturbomaschine mit einer ersten Schaufelireihe, welche aerodynamische Schwankungen in dem Strömungsmitlei erzeugt, die eine axial versetzte zweite Schaufelreihe beeinflussen, deren Schaufeln aus einem Grundmetall hergestellt sind und auf einem Teil der Schaufeloberfläche ein von dem Grundmetall unterschiedliches Material aufweisen zum Vermindern von Schwingungsbeanspruchungen, die in der zweiten Schaufelreihe durch die aerodynamischen Schwankungen hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß an den Spitzen der Schaufeln (12) in der zweiten Reihe ein Verbundmaterial (bei 36, 50) angeordnet ist das im einem Matrixmaterial eingebettete langgestreckte Fasern enthält und sich von einem Punkt hinter der Schaufelvorderkante (42) in Sehnenrichtung entlang den Schaufelseitenflächen bis zu einem Punkt vor der Schaufelhinterkante (44) erstreckt wobei :sich alle Fasern im wesentlichen in Sehnenrichtarg und ίο über unerwünschte Streifenknotenpunkte einer geometrisch identischen, aber vollständig aus dem Grundmetall hergestellten Schaufel erstrecken.

7. Strömungsturbomaschine nach Anspruch 6„ dadurch gekennzeichnet daß das Verbundmaterial als ein Stück (36) geformt und in einer Tasche (38) angeordnet ist die in einer der Schaufelseitenflächen ausgebildet ist

8. Strömungsturbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß jeweils ein Stück (36) aus Verbundmaterial in auf beiden gegenüberliegenden Schaufelseitenflächen ausgebildeten Taschen |[38) angeordnet ist, wobei die beiden Taschen (38) durch einen Steg (40) aus Grundmetall getrennt sind

9. Strömungsturbomaschine nach einem der An-Sprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß das Matrixmaterial ein Metall ist

10. Strömungstfirbomaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial das gleiche Metall ist wie das Grundmetall der Schaufein.