DE3040129A1

DE3040129A1 - Als einheit aufgebaute schaufen/naben-baugruppe

Info

Publication number: DE3040129A1
Application number: DE19803040129
Authority: DE
Inventors: Jack Reid Bedford Mass. Martin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-02-27
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1981-09-03
Also published as: FR2476766B1; CA1140053A; GB2070144A; JPH0116321B2; DE3040129C2; GB2070144B; IT1133713B; JPS56126603A; IT8025429A0; US4363602A; FR2476766A1

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY
1 River Road

Schenectady, N.Y./U.S.A.

Als Einheit aufgebaute Schaufel/Naben-Baugruppe

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine als Einheit aufgebaute Schaufel/Naben-Baugruppe zur Verwendung in den Kompressor- oder Turbinenteilen solcher Maschinen.

Viele Jahre hat man versucht, die Leistung von rotierenden Schaufelrädern innerhalb von Gasturbinen zu verbessern. Ein Lösungsweg sah dazu vor, im Aufbau der Schaufelräder zusammengesetzte Materialien zu verwenden. Für diesen Lösungsweg war typisch der Gebrauch von langen Fasern, eingebettet in einem leichten Grund- oder Füllmaterial. Neuere Bemühungen haben zur Einführung von Bor/ Graphit- und anderen synthetischen Fasern geführt, die sowohl eine
extrem hohe Festigkeit als auch eine hohe Elasti-

zität haben, wie sie den Anforderungen an die Steifigkeit

130036/0482

der Schaufelräder entsprechen. Schaufeln aus zusammengesetztem Material, das fortan als Verbundmaterial bezeichnet wird, haben Laufeigenschaften gezeigt, die gleich oder besser waren, als diejenigen von Schaufeln aus homogenem Metall. Dariiberhinaus haben die Schaufeln aus Verbundmaterial ein bedeutend geringeres Gewicht, als die herkömmlichen Schaufeln.

Jedoch waren die Bemühungen nach dem Stand der Technik, Verbundmaterial zu verwenden, vornehmlich, wenn nicht

IG gar ausschließlich, darauf gerichtet, lediglich die einzelnen Schaufeln aus solchem Verbundmaterial herzustellen. Insbesondere wurde die als Einzelteil hergestellte Schaufel mittels einer herkömmlichen Schwalbenschwanz-Nut/Feder-Verbindung auf dem Umfang einer metallenen Kompressor- oder Turbinenscheibe befestigt.

Wenn auch diese Baueinheiten für viele An wendungszwecke durchaus brauchbar sind, so sind sie doch dort nicht zur Zufriedenheit verwendbar, wo die Herstellungskosten eine bedeutende Rolle spielen, oder wo innerhalb zulässiger Gewichtsgrenzen strenge Anforderungen an die Leistung gestellt werden. Für die letztgenannten Anwendungszwecke sind offenbar Schaufel/Naben-Baugruppen, die vollständig aus Verbundmaterial hergestellt sind, besonders brauchbar. Zusätzliche Vorteile werden dann erzielt, wenn die aus Verbundmaterial bestehenden Schaufeln und Naben oder Scheiben als integrale Einheit hergestellt sind.

Die Konstruktion und Herstellung einer integralen Schaufel/ Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial bietet eine Anzahl schwieriger Probleme. Insbesondere liegt ein größeres Problem darin, die lineare Festigkeit von Fasern aus Verbundmatorial mit den innerhalb der Schaufel/Naben-

130036/0482

Baugruppe in vielen Richtungen verlaufenden Spannungen bzw. Zugkräften in Einklang zu bringen. Gewöhnlich ist das Grund- oder Füllmaterial, das sich zwischen den Fasern befindet, viel schwächer, als die zusammengesetzten Fasern selbst. Folglich ist bei der Konstruktion der integralen Baugruppe aus Verbundmaterini die Orientierung der Fasern in Richtung der Zugkräfte, wie diese in der Baugruppe tatsächlich verlaufen, von ausschlaggebender Bedeutung. Es ist jedoch eine schwierige Aufgabe, die Faser-Orientierung in den entsprechenden Zugkräfte-Richtungen zu erreichen. Wenn die Fasern z.13. in Richtung der Beanspruchung der Schaufel ausgerichtet sind, dann verlaufen sie gewöhnlich nicht in Richtung der in der Nabe der Baugruppe auftretenden Kräfte ferner jede Schaufel zu jeder anderen Schaufel der Baugruppe unter einem anderen Winkel steht, verlaufen bei Ausrichtung der Fasern entsprechend der Kräfte. Da in einer Schaufel diese Fasern nicht in Richtung der Kräfte in den anderen Schaufeln der Baugruppe. Daher ist die Ausrichtung der Fasern in Richtung der Beanspruchung in der Nabe und in jeder Schaufel das hauptsächlichste Ziel der Konstruktion.

Ein weiteres Problem, das bei der Konstruktion einer integralen Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial beachtet werden muß, betrifft die Scherkräfte, die zwischen zusammengesetzten Lagen von Stoff oder anderen Geweben auftreten. Bei der Herstellung von Bauteilen aus Verbundmaterial werden zuerst Fasern hoher Festigkeit in Bündeln von ca. 1.000-10.000 Fasern zusammengefaßt. Eine erste Gruppe von gebündelten Fasern wird in einer ersten oder Kette-Richtung angeordnet (die Richtung, die parallel zur Längsausdehnung des Stoffes verläuft), und danach

130036/0482

werden sie mit einer zweiten Gruppe von gebündelten Fasern verwoben, die in einer zweiten Richtung, der Schuß-Richtung, verlaufen, die im allgemeinen senkrecht zur ersten Richtung verläuft. Das daraus entstehende Gewebe wird normalerweise als Stoff, Gewebe oder Lage bezeichnet. Das Bauteil aus Verbundmaterial wird dann dadurch hergestellt, daß eine Lage auf die andere Lage gelegt, wird, bis die zur Formung des Artikels erforderliche Dicke erreicht ist. Danach wird ein Füllmaterial zwischen die angehäuften Lagen infiltriert, und das ganze wird einer Wärmebehandlung und einem Druck ausgesetzt, um ein festes Bauteil aus Verbundmaterial zu formen. Das resultierende Bauteil besteht, aus

von

Schichten / Fasern, zwischen denen das Füllmaterial eingelagert ist. Belastungen, denen das Bauteil in seiner Funktionsstellung ausgesetzt ist, werden vornehmlich von den Fasern aufgenommen. Jedoch verursachen diese Belastungen auch Scherkräfte zwischen den denen das Füllmaterial auf Abscherung widerstehen muß. Deshalb ist eine Übereinstimmung der Scher- und Bruchcharakteristiken des Füllmaterials mit denjenigen der Fasern ein wichtiges Ziel der Konstruktion.

Die vorliegende Erfindung offenbart eine einstückige Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial, die ein Schaufeiteil umfaßt, das aus einer Vielzahl von in Achsrichtung nebeneinander angeordneten Faserlagen besteht, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, und die einen innen von dem Schaufelteil angeordnetes Nebenteil umfaßt, das aus mindestens einer zweiten Faser besteht, die sich in einer zweiten Richtung erstreckt. Ein Füll- oder Matrixmaterial ist zwischen den ersten Faserlagen und der zweiten Faser eingebracht. Es kann ferner mindestens einen Spalt im Bereich des Nabenloches zwischen axial benachbarten ersten Fa-

130036/0482

sern vorgesehen sein, und die zweite Faserlage, die auch mehrere zweite Faserlagen sein können, kann in diesem Spalt untergebracht sein.

Fig. 1 zeigt schematisch eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht der Schaufel/Nnben-

Baugruppe, welche die vorliegende Erfindung beinhaltet_t

Fig. 2 stellt eine schematische, vergrößerte Ansicht einer Lage des verwobenen Fasermaterials dar, ■ wie es für die Herstellung der in Fig.1 gezeigten Baugruppe verwendet wird,

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Richtungs-Orientierung benachbarter Lagen in der in Fig.i gezeigten Baugruppe,
Fig. k zeigt eine schematische, vergrößerte Ansicht

eines Teiles der in Fig.1 dargestellten Baugruppe,

Fig. 5 zeigt schematisch eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht der Einlagen, die in der in Fig.1 gezeigten Baugruppe enthalten sind, Fig. 6 zeigt eine schematische, vergrößerte Ansicht

der Grenzflächen zwischen den Fasern und stellt einen Ausschnitt aus der in Fig.k gezeigten Anordnung dar,

Fig. 7 zeigt eine die vorliegende Erfindung enthaltende Baugruppe in ihrer Anordnung in dem Tur

binenteil einer typischen Gasturbine, und

Fig. 8 zeigt die in Fig.5 dargestellte Einlage in einem Stadium ihrer Herstellung.

In den Zeichnungen stellt Fig.1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial dar, die insgesamt mit 30 bezeichnet ist. Die Baugruppe 30 ist im wesentlichen

130036/0482

axialsymmetrisch um eine Achse X-X angeordnet und umfaßt eine sich in Umfangsrichtung und in Achsrichtung erstreckende Nabe 32, die in radialer Richtung innerhalb eines Schaufelteiles J>h angeordnet ist. Die Nabe 32 und das sich in gleicher Weise in Bezug auf die Achse X-X in Umfangs- und in Achsrichtung erstreckende Schaufelteil 3k bilden zusammen als Einheit die Baugruppe 30, d.h. die Baugruppe 30 ist von einteiligem/ integralem Aufbau. Wie hier verwendet,' bedeutet die Bezeichnung "Radialrichtung¹¹ oder dgl. diejenigen Richtungen, die von der Achse X-X ausgehen und radial von dieser hinweg verlaufen. Die Bezeichnung "Achsrichtung", axiale Richtung" oder dgl. bedeutet die Richtung, die im wesentlichen parallel zur X-X-Achse verläuft. Die Bezeichnung "Umfangsrichtung" oder dgl. bedeutet die Richtung, die entlang einer kreisbogenförmig gekrümmten Linie konzentrisch zur X-X-Achse verläuft.

Das Schaufelteil J>k besteht aus einer ringförmigen Basis 36, die sich von der Nabe 32 radial nach außen erstreckt, sowie aus einer Vielzahl von in radialer und axialer Richtung verlaufenden, auf dem Umfang verteilt angeordneter Schaufeln kO. Jede Schaufel kO erstreckt sich von der Hasis 36 radial nach außen und endet in einer Schaufelspitze 42. Jede Schaufel 40 besitzt in Achsrichtung auf der einen Seite eine radial verlaufende Vorderkante 44 und in Achsrichtung auf der entgegengesetzten Seite eine radial verlaufende Hinterkante 46. Die Schaufeln 40 haben je ein Paar einander gegenüberstehende, in Umfangsrichtung blickende Flächen, nämlich eine Unterdruck- oder Saugfläche 48 und eine Druckfläche 50. Jede dieser Flächen verläuft zwischen der Vorderkante 44 und der Hinterkante 46. Sie bewirken die bekannten aerodynamischen Eigenschaften der Schaufeln 4o.

130036/0482

304012?

Die Basis 36 wird von zwei Kreisringflächen 52 und 54 begrenzt, die in Achsrichtung entgegengesetzten Seiten zugewandt sind. Sie reichen von den Schaufeln 40 bis zur Nabe 32. Die Nabe 32 wird durch eine in ümfangsrichtung verlaufende Fläche 56 an dem einen axialen Ende und eine zweite ümfangsflache 58 an ihrem anderen axialen Ende begrenzt. Die Fläche 58 kann mit einer Anzahl von Vorsprüngen 60 besetzt sein, die in Achsrichtung aus der Fläche hervortreten, um als Mittel für eine formschlüssige Verbindung zwischen der Baugruppe 30 und anderen Bauteilen der Turbomaschine zu dienen. Die Nabe 32 wird außerdem an ihrer Innenseite von einer in ümfangsrichtung verlaufenden, sich in Achsrichtung erstreckenden Innenfläche 61 begrenzt.

Anhand der Fig. 2 und 3 werden nunmehr die Einzelheiten des Aufbaues der Baugruppe 30 beschrieben. Die Baugruppe 30 besteht aus einer ersten Anzahl von Faserlagen 62, von denen eine in Fig. 2 gezeigt ist und von denen jede eine Anzahl erster Längsfasern 64 besitzt, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Die Fasern 64 sind zu Bündeln zusammengefaßt, von denen jedes bis zu ca. 10.000 Einzelfasern 64 enthalten kann. Die Bündel erstrecken sich in einer Kette-Richtung R-R, im wesentlichen in Längsrichtung der. Faserlage 62. Mit den Längsfasern 64 sind Bündel von Querfasern 66 verwoben, die in der Schuß-Richtung, d. h. im wesentlichen senkrecht zur Kette-Richtung R-R verlaufen.

Fig. 3 zeigt schematisch drei benachbarte Lagen der vorerwähnten Faserlagen 62, von denen jede die X-X-Achse im wesentlichen senkrecht schneidet (die in Fig. 3 in die Zeichenebene hineingeht). Die Umrisse der Baugruppe 30 sind In Fig. 3 in gestrichelten Linien eingezeichnet, um die Ausrichtung der Faserlagen 62 zu verdeutlichen. Eine der Lagen 62, in Flg. 3 mit A bezeichnet, ist derart

130036/0482

3040123

orientiert, daß ihre ersten Fasern 64 sich mit ihrer Kette-Richtung ^R«-^R _A in der gleichen Radialrichtung erstrecken, wie eine von der Achse X-X ausgehende und durch . eine der Schaufeln 40 verlaufende Linie. Eine andere Lage 62, in Fig.3 mit B bezeichnet und in Achsrichtung unmittelbar neben der mit A bezeichneten Lage 62 angeordnet, ist so orientiert, daß ihre ersten Fasern 64 sich mit ihrer Kette-Richtung Rg-Rg in der gleichen Radialrichtung erstrecken, wie eine von der Achse X-X ausgehende und durch die nächste benachbarte Schaufel 40 verlaufende Linie. Eine dritte Lage 62, in Fig.3 mit C bezeichnet und in Achsrichtung unmittelbar neben der mit B bezeichneten Lage 62 angeordnet, ist so orientiert, daß ihre ersten Fasern 64 sich mit ihrer Kette-Richtung R_-R in der gleichen Radialrichtung erstrecken, wie eine von der Achse X-X ausgehende und durch die nächste benachbarte Schaufel kO verlaufende Linie. Obwohl in Fig.3 nur drei Lagen 62 dargestellt sind, sollte verständlich sein, daß die Baugruppe 30 aus einer sehr großen Zahl von Lagen 62 besteht, von denen jede im Verhältnis zu den ihr benachbarten Lagen in der Weise ausgerichtet ist, wie dies vorstehend in Bezug auf die mit A, B und C bezeichneten Lagen 62 erläutert ist.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Kette-Ausrichtung der einzelnen Lagen 62 zueinander jeweils um einen Winkel versetzt ist, dessen Größe sich aus der Teilung des Vollwinkels von 360 durch die Anzahl der in der Baugruppe 30 vorhandenen Schaufeln 4o ergibt. In dieser Weise orientiert, verläuft bei Jeder Lage 62 die Richtung der Fasern 6k durch eine der verschiedenen Schaufeln kO und damit in Richtung der Hauptkraft. Da zusammengesetzte bzw. verbundene Fasermaterialien ausgezeichnete Festigungseigenschaften vor allem in der Längsrichtung

130036/0482

oder Ausrichtung der Fasern haben, besitzt daher jede Schaufel genau richtig ausgerichtete Fasern, die der Schaufel hervorragende Festigkeitseigenschaften und Belastungsfähigkeit in Richtung der in der Schaufel auftretenden Hauptbelastung verleihen. Außerdem gibt der Versatz der einzelnen Lagen 62 in der beschriebenen Weise jeder der Schaufeln 40 im wesentlichen die gleichen Festigkeits/ lägenscnaften, wie allen anderen Schaufeln Es ist verständlich, daß dieses Ergebnis nicht erreicht würde, wenn alle Lagen 62 in derselben Kette-Richtung orientiert oder überhaupt willkürlich angeordnet waren.

Fig.4 zeigt schetnatisch eine vergrößerte Ansicht eines Teiles von Lagen 62, geschnitten in radialer Richtung, aus der sich ein besseres Verständnis der Orientierung der Lagen 62 in der Baugruppe 30 gewinnen läßt. Wie aus Fig.4 in Verbindung mit Fig.1 erkennbar, erstrecken sich die Lagen 62 von der Spitze 42 der Schaufeln 40 bis zu der in radialer Richtung innenliegenden Innenfläche 6l der Nabe 32. Daher erstrecken sich auch die Fasern 64 in jeder Lage 62 von der Innenfläche 6l bis zu den Spitzen 42.

Im Schaufelteil 34 liegt jede der Lagen 62, wie vorstehend beschrieben, in Achsrichtung unmittelbar neben einer anderen Lage 62. In der Nabe 32 öffnen sich jedoch axial nebeneinander liegende Lagen 62 - und damit ausgewählte axial nebeneinander liegende Fasern 64 - keilförmig und bilden somit in der Nabe zwischen den Lagen 62 in axialer Richtung nebeneinander liegende, ringförmige Spalte Die zwischen den ausgewählten Lagen angeordneten Spalte sind im radialen Querschnitt keilförmig, so daß ihre Weite im Querschnitt in Radialrichtung nach innen zunimmt.

130036/OA82

Wie bereits erwähnt, besteht die Belastung der Schaufeln ko durch die in der Turbomaschine strömenden Gase hauptsächlich in von der X-X-Achse radial in Richtung zu den Schaufeln verlaufenden Zugkräften. In der Nabe 32 verursacht die Hauptbelastung Spannungen in der Umfangerichtung. Diese Spannungen bzw. Zugkräfte, die im wesentlichen senkrecht zu den Fasern Sk verlaufen, werden im allgemeinen als/Umfangsspannungen (hoop stresses) bezeichnet. Demzufolge sind die Fasern 64 nicht gut geeignet, die Belastung in der Nabe 32 aufzunehmen. Um diese Belastungsund Spannungsverteilung aufzunehmen, ist eine Anzahl von ringförmigen, zusammengesetzten Einlagen 70 vorgesehen. Jede der Einlagen 70 ist in einem der Spalte 63 in der Nabe 32 angeordnet.

In den Fig. 5 und 6 sind eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht einer der Einlagen 70 sowie ein vergrößerter, schematischer Querschnitt der Grenzfläche zwischen den Fasern 64 und einer Einlage 70 dargestellt. Jede Einlage 70 umfaßt eine zweite Anzahl von Faserlagen 72.

Jede einzelne Faserlage 72 ist unmittelbar neben und radial außen von einer nächst benachbarten Faserlage 72 angeordnet. Mit anderen Worten, die Lagen 72 sind in radialer Richtung übereinandergestapelt. Jede Faserlage 72 besteht aus mindestens einer zweiten Faser 74, die in ümfangsrichtung um die X-X-Achse verläuft. In einer bevorzugten Ausführungsform kann zur Bildung der Einlage 70 eine einzige Faser 74 mehrfach um die X-X-Achse gewunden sein, es können aber auch mehrere einzelne Fasern 74 verwendet werden, um die Einlage 70 zu bilden. Da aber in beiden AusfUhrungsformen die Fasern 74 im Ümfangsrichtung verlaufen, sind die Einlagen 70 gut geeignet, die oben erwähnten Ringspannungen in der Nabe 32 der Baugruppe 30 aufzunehmen.

130036/0482

- 18 ■- '■·':' ■ -

Zwischen die Fasern 64 in den Lagen 62, zwischen die Fasern 7^t in den Einlagen 70 und zwischen die Einlagen 70 und die Lagen 62 wird Matrixmaterial 80 verteilt bzw. infiltriert. Das Matrixmaterial 80 dringt in die Hohlräume zwischen den vorgenannten Fasern und dient dazu, die Fasern zusammenzuhalten. Während die Fasern 64 und 74 im wesentlichen alle auf die Baugruppe einwirkenden Belastungen aufnehmen, gibt das Füllmaterial 80 der Baugruppe 30 den allgemeinen strukturellen Zusammenhalt.

In radialer Richtung sind die Einlagen 70 von verjüngtem, keilförmigen Querschnitt, wobei natüjptäreh die Querschnittsfläche in radialer Richtung nach innen an Größe zunimmt. Die Einlagen 70 sind daher im Querschnitt zu demjenigen der Spalte 68 komplementär, in denen diese Einlagen 70 angeordnet sind. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die in Umfangsrichtung verlaufenden und in Achsrichtung blickenden Seitenflächen 76, 78» welche die Seitenflächen der Einlage 70 darstellen, sich nicht exakt in radialer Richtung erstrecken, sondern daß jede gegen die die X-X-Achse senkrecht schneidende Radialebene etwas geneigt ist. Daher ist für jede gegebene radiale Höhe der Einlage 70 die Oberfläche der Seitenflächen 76, 78 größer, als wenn die Einlage 70 nicht keilförmig wäre.

Die beschriebene keilförmige Ausbildung der Einlagen 70 schafft eine größere Oberfläche, entlang welcher Scherkräfte zwischen den Lagen 62 und den Einlagen 70 übertragen werden können. Das zwischen den Lagen 62 und den Einlagen 70 befindliche Matrixmaterial 80, das im Vergleich zu den Scherwiderständen der Pasern 64 und 74 bekanntermaßen nur eine geringe Scherfestigkeit hat, leitet Belastungen auf die Einlagen 70 und die Lagen 62 in Scherrichtung weiter. Die keilförmige Ausbildung der Einlagen 70 ergibt eine größere Zwischenflache, über die die Scherkräfte weitergeleitet werden, und daher sind die Scherkräfte pro Flächeneinheit in dem

130036/0482

Matrixmaterial 80 kleiner. Daher ist das Matrixmaterial besser im Stande, Belastungen zwischen den Einlagen 70 und den Lagen 62 weiterzuleiten. Obwohl die Spalte 68 und die Einlagen 70 als im radialen Querschnitt keilförmig dargestellt sind, sind andere Querschnittsformen mit nichtkonstanter Breite gleichermaßen geeignet, im Matrixmaterial 80 eine verminderte Scherbeanspruchung zu bewirken. Die konkrete Form des Querschnittes, die für einen konkreten Anwendungsfall gewählt wird, hängt von den Belastungen ab, welche die Baugruppe 30 in ihrer Umgebung in der Turbomaschine aushalten muß, von den Dehnungs-Eigenschaften der Fasern 64 und 74 sowie den Dehnungseigenschaften des Matrixmaterials Dabei ist wesentlich, daß es die Wahl einer nichtkonstanten Querschnittsfläche gestattet, die Dehnungs-Eigenschaften der Fasern 64 und 74 wirkungsvoll mit denjenigen des Matrixmaterials 80 in Übereinstimmung zu bringen.

Eine Baugruppe 30 wird hergestellt, indem zunächst eine Anzahl von Lagen 62 in axialer Richtung gestapelt werden, wobei die Orientierung der Lagen relativ zuein ander wie oben beschrieben erfolgt. Während dieses Vor ganges werden die Einlagen 70 in die Spalte 68 eingebracht, die geformt werden, wenn ausgewählte Lagen 62 in der Nabe 32 auseinander gespreizt werden. Danach wird die Baugruppe 30 in der Weise mit Matrixmaterial getränkt, daß letzteres in die Hohlräume zwischen den Fasern 64 in den Lagen 62, in die Hohlräume zwischen den Fasern 74 in den Faserschichten 72, und in die Hohlräume zwischen den Fasern 64 und den Fasern 74 eindringt. Bei Anwendung von Hitze und Druck reagiert das Matrixmaterial 80 und bildet eine Verbindung zwischen den Fasern 64, zwischen den Fasern 74, und zwischen den Fasern 64 und 74. In diesem Stadium der Herstellung stellt die Baugruppe 30 einen festen zylindrischen Block dar. Der Block wird dann bearbeitet, um unter Entfernung

130036/0482

des überflüssigen Materials die Schaufeln 4o, die Innenfläche 6l der Nabe und die weiteren Flächen der Baugruppe 30 zu formen.

Turbomaschinen, wie z.B. Gasturbinen in Raketensystemen sind besondere geeignet, um darin die vorstehend beschriebene Schaufel/Naben-Baugruppe zu verwenden. Die Anforderungen an diese Raketensysteine gestatten die Verwendung von kleinen Gasturbinen, deren Einzelteile kurzlebig sind. Da diese Turbomaschinen klein sind, sind die Eintritts- ·temperaturen in der Turbine hoch, um die erforderliche Schubkraft zu erreichen. Turbinen, die aus herkömmlichen Metallegierungen bestehen, erfordern jedoch eine besondere Kühlung. Es ist aber offensichtlich unmöglich, in diesen Schaufeln Kühlgänge (oder Lamellen) vorzusehen, die ausreichend groß sind, um den Anforderungen an die Kühlung zu genügen. Schaufeln und Naben aus einem hochwiderstandsfähigen Verbundmaterial benötigen in einer heißen Umgebung dagegen keine Kühlung, um gegen Qualitätsverluste widerstandsfähig zu sein. Sie sind daher zur Verwendung in Turbinen dieser Art besonders geeignet. Ein besonders geeignetes Material wird als Kohlenstoff-Kohlenstoff-Material (carbon-carbon material) bezeichnet, in dem hochfeste Kohlenstoffasern mit einer typischen Faserfestigkeit von zwischen ca. 2867-3584 N/cm (400 000 -.500 000 psi) und mit im Vergleich zu herkömmlichen Turbinenlegierungen geringer Dichte in einem Matrixmaterial aus Kohlenstoff eingelagert sind. Die Verwendung von Fasern 64 und 74 aus diesen hochfesten Kohlenstoffasern und die Verwendung eines Matrixmaterials 80 aus Kohlenstoff ergibt eine Schaufel/Naben-Bau- gruppe 30, die für den Einsatz im Turbinenteil einer in einer Rakete benutzten Gasturbine bestens geeignet ist.

Fig. 7 zeigt die Baugruppe 30 im Zusammenbau mit anderen

130036/0482

Bauelementen im Turbinenteil einer Turbomaschine. Die Baugruppe 30 steht mit den Schaufeln kO im Strömungsbereich 90 zwischen einer ersten und einer zweiten Reihe von Leitschaufeln 92 bzw. 94. Vom Strömungsbereich 90 ausgehend erstreckt sich die Baugruppe 30 radial nach innen, wobei die Nabe'32 bis nahe an eine in Achsrichtung verlaufende Antriebswelle 96 reicht. Die Vorsprünge 60 auf der kreisringförmigen Fläche 58 greifen in komplementär angeordnete Vorsprünge eines Teiles 100 der Antriebswelle 96. Die Baugruppe 30 wird an der Antriebswelle 96' durch eine Hülse 102 gehalten, die einen Flansch 104 besitzt, der an der kreisringförmigen Fläche 58 der Nabe 32 anliegt. Die Hülse 102 wird gegen die Nabe 32 durch eine Mutter 106 gedruckt, die auf die Welle 96 aufgeschraubt ist. Das Anziehen der Mutter 106 auf der Welle 96 ergibt einen Anklemmdruck, der in Achsrichtung auf die Nabe 32 wirkt. Der Anklemmdruck erhöht die Belastbarkeit der Baugruppe 30, weil er den Scherwiderstand der Nabe 32 erhöht.

In Fig.8 ist eine mögliche Art gezeigt, die Einlage 70

herzustellen. Es wird ein ringförmiger Kanal 110 verwendet, der einen u-förmigen Querschnitt hat und eine ringförmige Nut 112 bildet. Durch fortlaufendes Aufwickeln einer Faser 7k wird die Nut 112 mit der aufgewickelten Faser 74 gefüllt, bis eine ausreichende Anzahl von Faserlagen 72 radial aufeinander gelagert ist, um die Nut 112 zu füllen. Danach wird Matrixmaterial 80 mindestens teilweise in die Hohlräume zwischen die Fasern 74 infiltriert und das ganze zusammen einer Wärmebehandlung und einer Druckbehandlung unterworfen, um ein selbsfc-tragendes Bauteil zu gewinnen.

Der Kanal 110 wird dann entfernt, und aus dem Bauteil wird ein· Anzahl einzelner Einlagen 70 maschinell herausgearbeitet, von denen jede den keilförmigen Querschnitt hat, wie er in Fig.8 in gestrichelten Linien gezeigt ist.

130036/0482

Claims

Ansprüche

Eine als Baueinheit ausgebildete, um eine Achse rotierende Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial zur Verwendung in einer Turbine,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Schaufelteil (3^) aus einer Vielzahl von in Achsrichtung nebeneinander angeordneter erster Fasern (Gk) besteht, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, daß das Nabenteil (32;36) in radialer Richtung innerhalb des Schaufelteiles angeordnet ist und mindestens eine zweite Faser (7*0 umfaßt, die eich in einer zweiten Richtung erstreckt, und

daß zwischen der Vielzahl der ersten Fasern (6k) und der zweiten Faser (7k) ein Matrixmaterial (80) verteilt ist.

130036/0482

Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß sich eine Vielzahl zweiter Fasern in der zweiten Richtung erstrecken.

Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß in der Nabe (32) zwischen den axial nebeneinander angeordneten ersten Fasern (64b) ein Spalt (68) vorhanden ist, und die Vielzahl von zweiten Fasern (7^) in diesem Spalt angeordnet ist.

Eine als Baueinheit ausgebildete, um eine Achse rotierende Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial zur Verwendung in einer Turbine,
dadurch gekennzeichnet,

daß ein Schaufelteil (3^0 vorhanden ist, das aus einer Vielzahl von sich im wesentlichen radial und axial erstreckender, in Umfangsrichtung mit Abstand voneinander angeordneter Schaufeln (kO) besteht, die eine Vielzahl in axialer Richtung nebeneinander liegender erste Fasern (6k) aufweist, die sich in Richtung von der Achse (X-X) zu den Schaufeln hin erstrecken, daß ein Nabenteil (32;36) vorgesehen ist, das in' radialer Richtung innerhalb des Schaufelteiles angeordnet ist und mindestens eine zweite Faser (7^) umfaßt, die relativ zur Achse in Umfangsrichtung verläuft, und daß zwischen der Vielzahl erster Fasern (6k) und der zweiten Faser (7k) ein Matrixmaterial (80) angeordnet ist.

130036/0482

Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vielzahl der ersten Fasern (64) auch das Nabenteil (32;36) bildet und die zweite Faser (74) zwischen einzelnen Fasern aus der Vielzahl der ersten Fasern (64) angeordnet ist.

Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Faser (7*0 in mehreren Windungen um die Achse (X-X) verläuft.

7. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 5« dadurch gekennzeichnet,

daß mehrere zweite Fasern (7^) vorgesehen sind, die in Umfangsrxchtung um die Achse (X-X) verlaufen und zwischen den ersten Fasern (64) angeordnet sind.

Eine als Baueinheit ausgebildete, um eine Achse rotierende Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial zur Verwendung in einer Turbine, wobei die Baugruppe ein in radialer Richtung außen liegendes, aus einer Vielzahl von sich im wesentlichen in radialer und in axialer Richtung erstreckender, auf dem Umfang verteilter Schaufeln bestehendes Schaufelteil und ein in Bezug auf das Schaufelteil in radialer Richtung innen liegendes Nabenteil umfaßt, dadurch gekennzeichnet,

daß eine das Schaufelteil (34) und das Nabenteil (32;36) umfassende erste Anzahl von Faserlagen (62) vorhanden ist, wobei diese Lagen (62) eine Anzahl erster Fasern (64) beinhalten, die durch eine der Schaufeln (40) verlaufen und sich im wesentlichen parallel zu einer rechtwinklig

130036/0482

von der Achse (X-X) ausgehenden radialen Linie erstrecken, und die Lagen (62) im Schaufelteil in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei im Nabenteil mindestens zwei benachbarte Lagen (62) in Achsrichtung voneinander weg verlaufen und so zwischen sich einen Spalt (68) bilden,

daß eine zweite Anzahl von Faserlagen (72) vorhanden ist, die in dem Spalt (68) angeordnet sind, wobei diese zweite Anzahl von Faserlagen (72) eine zweite Faser (7^) umfaßt, die derart orientiert ist, daß sie im wesentlichen in ümfangsrichtung um die Achse (X-X) verläuft, und

daß zwischen der ersten Anzahl von Faserlagen (62) und der zweiten Faser (7^) ein Matrixmaterial (80) angeordnet ist.

Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnEt,

daß der Spalt (68) zwischen den benachbarten Faserlagen (62) radial nach innen eine zunehmend größere axiale Breite aufweist und daß die zweite Anzahl von Faserlagen (72) eine Querschnittsfläche besitzt, die radial nach innen zunimmt.

10. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß jede der Schaufeln {kO) Faserlagen aus der ersten Anzahl von Faserlagen (62) umfaßt.

11. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß jede Faserlage in der ersten Anzahl von Faserlagen (62) mindestens eine Faser (6k) bzw. ein Faserbündel umfaßt, die bzw. das sich im wesentlichen radial in der gleichen Richtung erstreckt, wie eine der Schaufeln (40).

130036/0482

— 5 ■—*""* * -

3QA0129

12. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Anzahl der ersten Fasern (6k) in einer Faserlage (62) zu der Anzahl der ersten Fasern in anderen Faserlagen unter einem Winkel verläuft, der im wesentlichen gleich ist einem ganzzahligen Vielfachen von 36O⁰ dividiert durch die Anzahl von Schaufeln im Schaufelteil,

13. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß Mittel (1O4;1O6) vorgesehen sind, um im Nabenbereich auf die Baugruppe (30) eine Klemmkraft in axialer Richtung auszuüben.

l'l. Eine als Baueinheit ausgebildete, um eine Achse rotierende Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial zur Verwendung in einer Turbine, wobei die Baugruppe ein in radialer Kichtung außen liegendes, aus einer Vielzahl von sich im wesentlichen in radialer und in axialer Richtung erstreckender, auf dem Umfang verteilter Schaufeln bestehendes Schaufei teil und ein in Bezug auf das Schaufelteil in radialer Richtung innen liegendes Nabenteil umfaßt, dadurch gekennzeichnet,

daß eine das Schaufelteil (3^) und das Nabenteil (32;36) umfassende erste Anzahl von Faserlagen (62) vorhanden ist, und diese Lagen eine Anzahl erster Fasern (6k) beinhalten, die durch einen Teil einer der Schaufeln (kO) verlaufen, die sich im wesentlichen parallel zu einer Radiallinie erstrecken, welche rechtwinklig von der Achse (X-X) ausgeht, wobei die Faserlagen (62) im Schaufelteil in Achsrichtung nebeneinander angeordnet sind, daß in der Nabe (32) zwischen den Lagen der ersten Anzahl

130036/0482

von Faserlagen (62) eine Anzahl von in Achsrichtung aufgeweiteter, ringförmiger Spalte (68) vorhanden ist, daß in der Nabe (32) eine Anzahl von ringförmigen Einlagen (70) vorgesehen ist, die jede eine zweite Anzahl von Faserlagen (72) umfaßt, wobei jede dieser Einlagen (70) in einem der Spalte (68) angeordnet ist und jede Faserlage (72) eine Anzahl von zweiten Fasern (74) beinhaltet, die sich in Umfangsrichtung konzentrisch um die Achse (X-X) erstrecken.

15. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch lA, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (68) zwischen den Faserlagen (62) einen Querschnitt von keilförmiger Form haben, und die Einlagen (70) einen Querschnitt von keilförmiger Form haben.

16. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schaufeln (4O) Lagen der ersten Anzahl von Faserlagen (62) umfaßt.

17. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lage der ersten Anzahl von Faserlagen (62) mindestens eine Faser (64) bzw. ein Faserbündel umfaßt, die bzw. das sich im wesentlichen in derselben Radialrichtung erstreckt, wie eine der Schaufeln (4o).

130036/0482

18. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß die Anzahl der ersten Fasern (64) in einer der Faserlagen (62) zu der Anzahl der ersten Fasern in anderen Faserlagen unter einem Winkel verläuft, der im wesentlichen gleich ist einem ganzzahligen Vielfachen von 36O⁰ dividiert durch die Anzahl von Schaufeln im Schaufelteil.

19. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß Mittel (1O^;1O6) vorgesehen sind, um im Nabenbereich auf die Baugruppe (30) eine Klemmkraft in axialer Richtung auszuüben.

130036/0482