DE3539091A1

DE3539091A1 - Stromlinien-rotorschaufel

Info

Publication number: DE3539091A1
Application number: DE19853539091
Authority: DE
Inventors: Derick Alfred Derby Perry
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1984-12-08
Filing date: 1985-11-04
Publication date: 1986-06-19
Also published as: US4643647A; FR2574472A1; JPS61139596A; JPH0635279B2; GB2168111A; FR2574472B1; GB2168111B

Description

Strom 1 inien-Rotorschaufel

Die Erfindung bezieht sich auf Stromlinien-Rotorschaufeln und insbesondere auf das Auffangen von Stromlinien-Rotorschaufeln im Falle eines Bruchs dieser Schaufeln.

Rotorschaufeln, beispielsweise Fanschaufeln für Mantelstrom-Gasturbinentriebwerke und Propellerschaufeln für Kolbentriebwerke und Turboprop-Gasturbinentriebwerke haben üblicherweise einen massiven Aufbau. Dies ergibt Vorteile im Hinblick auf eine Integrität der Schaufel und im Hinblick auf Kosten, aber sie sind im Hinblick auf eine Gewichtsverminderung und eine daraus resultierende Verbesserung des Wirkungsgrades von Nachteil. Die Forderung nach einer Gewichtsverminderung hat zum Aufbau von Hohlschaufeln geführt. Insbesondere besteht Interesse an hohlen Fanschaufeln und sogenannten Propfanschaufein zur Benutzung bei Mantelstromtriebwerken und Gasturbinentriebwerken mit nicht ummanteltem Fan. Die hohlen Stromlinienschaufeln bringen die gewünschte Gewichtsverminderung, aber sie ergeben Probleme im Hinblick auf Festigkeit und Zusammenhalt. Wenn eine Hohlschaufel abbricht, weil beispielsweise ein Vogel oder ein anderer Fremdkörper aufgetroffen ist, besteht eine große Gefahr, daß ein Teil der Schaufeln oder alle Schaufeln von ihrem Lageraufbau abbrechen und eine Beschädigung der umgebenden Aufbauten bewirken. Wenn die Stromlinienschaufel die Gestalt einer Fanschaufel für ein Mantelstromgasturbinentriebwerk hat, dann können die abgeschleuderten

Schaufelteile durch das Gehäuse aufgefangen werden, welches den Fan umschließt. Das Gehäuse muß jedoch genügend stark sein, um diesen Zweck erfüllen zu können und es ist daher im allgemeinen schwerer ausgebildet, als es erforderlich wäre, wenn es nicht zum Auffangen ausgebildet sein müßte. Außerdem schützt ein solches Gehäuse nicht das Triebwerk selbst gegen die Wirkungen einer abgeschleuderten Schaufel, die durch das Triebwerk hindurchtritt. Bei Propellerschaufeln und Propfanschaufein ist die Situation noch gefährlicher im Hinblick auf das Fehlen eines umgebenden Fangaufbaus.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromlinien-Rotorschaufel zu schaffen, die eine verbesserte Integrität besitzt und deshalb eine geringere Gefahr für den umgebenden Aufbau besitzt, wenn sie oder ein Teil von ihr nach einem Bruch abgeschleudert werden.

Die Erfindung geht aus von einer Stromlinien-Rotorschaufel mit einem stromlinienförmigen Querschnitt, der konkave und konvexe Flanken, einen Spitzenteil und einen Schaufelfuß an gegenüberliegenden Enden aufweist, wobei der Schaufelfuß in einer drehbaren Nabe verankert ist. Hierbei wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß der stromlinienförmige Teil der Schaufel wenigstens eine Nut in seiner konkaven und konvexen Flanke aufweist, wobei die Nuten zwischen Schaufelfuß und Schaufel· spitze verlaufen und eine Mehrzahl von Fasern enthalten, von denen jede im Schaufelfuß und der Schaufelspitze verankert ist, und daß die Fasern innerhalb eines Matrix-Materials eingeschlossen sind und eine ausreichende

Festigkeit besitzen, um im Falle eines Bruchs der Schaufel diese oder einen abgebrochenen Schaufelteil auffangen zu können.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen :

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines

Propfans mit einer Anzahl von Rotorschaufeln, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Rotorschaufel des Propfan nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 2;

Fig. 4 in größerem Maßstab einen Teilschnitt gemäß Fig . 3;

Fig. 5 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des Schaufelspitzenteils der Rotorschaufel gemäß Fig. 2;

Fig. 6 eine Schnittansicht eines Teils des

Schaufelfußes der Rotorschaufel gemäß Fig. 2 und eines Teils der drehbaren Nabe, an der die Schaufel festgelegt ist;

Fig. 7 eine teilweise geschnittene Ansicht einer abgewandelten Form einer Rotorschaufel gemäß der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen Propfan 10, der dazu bestimmt ist, hinten an einem nicht dargestellten Gasturbinentriebwerk festgelegt zu werden. Die Erfindung ist aber auch für Frontfans anwendbar. Der Propfan 10 umfaßt eine drehbare Nabe 11, die mehrere, radial verlaufende, im gleichen Winkelabstand angeordnete Rotorschaufeln 12 trägt. Jede Rotorschaufel 12 ist, wie deutlicher aus Figur 2 ersichtlich, gestaltet und besitzt einen stromlinienförmigen Arbeitsteil 13 und am radial inneren Ende einen herkömmlich gestalteten Schaufelfuß 14, mit dem die Schaufel an der Nabe 11 festgelegt wird. Obgleich die Rotorschaufel 12 die Form einer Propfanschaufei besitzt ist klar, daß die Erfindung nicht auf Propfanschaufein beschränkt ist, sondern in gleicher Weise auch für andere Stromlinien-Rotorschaufeln anwendbar ist, beispielsweise Fanschaufeln und Propellerschaufeln.

Der stromlinienförmige Schaufeltei1.13 der Schaufel ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich, hohl. Eine Vielzahl von Stegen 15 verbindet die inneren Oberflächen der konvexen und konkaven Flanken 16 und 17 des stromlinienförmigen Schaufelteils, um der Schaufel 12 die notwendige Festigkeit zu verleihen.

Die konvexen bzw. konkaven Flanken 16 bzw. 17 sind jeweils mit zwei bzw. einer allgemein radial verlaufenden Nut 18 in ihren äußeren Oberflächen versehen. Die Nuten 18 erstrecken sich vom Spitzenteil

19 der Schaufel 12 bis zu ihrem Schaufelfuß 14. Jede Nut 18 nimmt ein Bündel von Aramidfasern 20 auf, die unter der Bezeichnung "Kevlar" von Du Pont erhältlich sind. Jedes Faserbündel 20 ist in einer Epoxyd-Kunstharzmatrix eingeschlossen, wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich, und zwar derart, daß die Kunstharzoberfläche mit den Schaufelflanken-Oberflächen 16 bzw. 17 fluchtet. Jede der Fasern 20 erstreckt sich von der Schaufelspitze 19 nach dem Schaufelfuß 14. Der Schaufelspitzenabschnitt 19, der deutlicher aus Fig. 5 ersichtlich ist, wird durch eine Epoxyd-Kunstharzkappe 21 abgeschlossen, die daran festgelegt ist. Die Aramidfasern

20 im Bereich der Schaufelspitze 19 sind ausgefächert und innerhalb der Epoxyd-Kunstharzkappe 21 derart eingebettet, daß die Kappe 21 einen Verankerungspunkt für die Fasern 20 im Schaufelspitzenteil 19 bildet. Die anderen Enden der Fasern 20, die aus Fig. 6 ersichtlich sind, erstrecken sich über einen erweiterten Haltefuß 22 im Schaufelfußteil 12, so daß sie zwischen den Schaufelfuß 22 und den radial inneren Laufring 23 eines Lagers 24 gelangen, das einen Teil der drehbaren Nabe 11 bildet. Ein Ring 25 wirkt als Lastübertragungsglied zwischen den Fasern 20 und dem inneren Laufring 23. Es ist daher ersichtlich, daß die drehbare Nabe 11 nicht nur den Schaufelfuß 14 hält, sondern auch noch die Fasern 20 auf dem Schaufelfuß 14 einklemmt, wodurch die Fasern

20 am Schaufelfuß 14 verankert werden.

Im Normalbetrieb der Rotorschaufeln 12 sind die Fasern 20 im wesentlichen passiv, soweit es eine Lastübertragungsfunktion anbelangt. Die Hauptrolle der Fasern 20 kommt jedoch zum Tragen, wenn der stromlinienförmige Abschnitt 13 der Schaufel 12 an irgendeiner Stelle bricht. Ein solcher Bruch führt dazu, daß ein Schaufelteil oder mehrere Schaufelteile des stromlinienförmigen Abschnitts 13 von der restlichen Schaufel 12 abgetrennt werden, und nunmehr dienen die Fasern 20 dazu, das abgebrochene Stück oder die abgebrochenen Stücke zu fangen und dadurch eine Beschädigung des umgebenden Aufbaus zu verhindern. Damit dies geschehen kann, müssen die Fasern 20 so gewählt werden, daß sie eine genügende Festigkeit gewährleisten, um diese Funktion ausführen zu können .

Wie oben erwähnt, ist der Propfan 10 dazu bestimmt, am Hinterende eines Gasturbinentriebwerks festgelegt zu werden, und aus diesem Grunde kann der Propfan wenigstens zum Teil von den heißen Abgasen des Triebwerks getroffen werden. Die Temperatur dieser Gase erreicht in der Praxis einen so hohen Wert, daß eine thermische Beschädigung der Fasern 20 und der Kunstharz-Matrix erfolgen könnte, in denen die Fasern eingeschlossen sind. Unter diesen Umständen ist es zweckmäßig, jenen Bereich der Schaufei 12 abzuschirmen, der dabei solchen Hochtemperaturabgasen ausgesetzt ist. In Figur 7 ist eine Rotorschaufel 26 gemäß der Erfindung

dargestellt, die mit einer solchen Abschirmung versehen ist.

Die Rotorschaufel 26 ist ebenso wie die Rotorschaufel 12 mit einem Schaufelfuß 27 versehen, um die Schaufel 26 an der drehbaren Nabe 11 festzulegen. Im Unterschied zu der Schaufel 12 weist der Stromlinien-Abschnitt 28 der Schaufel 26 eine geeignet gestaltete metallische Abschirmung 29 auf. Die Abschirmung ist über den größten Teil im Abstand zur übrigen Schaufel 26 angeordnet, so daß ein Spalt 30 dazwischen gebildet wird. Der Spalt 30, der mit Kühlluft gespeist werden kann, wirkt als thermische Isolierschicht zwischen den heißen Abgasen des Triebwerks, auf dem die Schaufel 26 montiert ist und jenen Abschnitten der Schaufel 26, die der thermischen Beschädigung ausgesetzt sind. Die Schaufel 26 gleicht in ihrem übrigen Aufbau der vorher beschriebenen Schaufel 12, indem sie hohl ausgebildet und mit Auffangfasern 20 ausgerüstet ist, die im Betrieb im Schaufelfuß 27 und in der Schaufelspitze verankert sind. Jener Teil des Stromlinienabschnitts

28 der Schaufel, der von der metallischen Abschirmung

29 umschlossen ist, ist schmaler als der entsprechende Abschnitt der Stromlinienschaufel 12,um den Spalt 30 zu bilden, da dieser Abschnitt nicht direkt der Luftströmung ausgesetzt ist, die über die Schaufel 26 strömt.

Es kann in gewissen Fällen erforderlich sein, einen dünnen metallischen Mantel um den Schaufelfuß 14 und 17 herumzulegen. Ein solcher Metallmantel würde die Fasern 20 im Bereich der Schaufelfußabschnitte 14 und

27 gegen eine thermische Beschädigung schützen und außerdem einen verbesserten Lastübertragungsweg für die Fasern bilden, und schließlich würden dadurch die Schaufelfußabschnitte 14 und 27 gegen Beschädigung durch Fremdkörper geschützt.

Die Erfindung wurde vorstehend beschrieben unter Bezugnahme auf Stromlinien-Rotorschaufeln mit Aramid-Fasern 20. Jedoch können auch andere Fasern benutzt werden, oder es könnte sogar Draht Anwendung finden, wenn dies zweckmäßig erscheint. Es müssen jedoch Vorkehrungen getroffen werden, daß die genügende Zugfestig keit erhalten bleibt, um abgeschleuderte Schaufelteile aufzufangen, wenn andere Fasern Anwendung finden.

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- Leerseite

Claims

Patentanwälte ; : : Dip].-Ing. Curt Wallach

Europäische Patentvertreter D I pl.-l ng. 6 ü rrther Koch

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: ⁴- November 1985

RollS-ROyCe Limited Unser Zeichen: 18 213 - K/Ap

Buckingham Gate

London SVfIE 6AT

England 3539091

Strom linien-Rotorschaufel

Patentansprüche:

Stromlinien-Rotorschaufel mit einem Abschnitt mit stromlinienförmigem Querschnitt und konkaven, bzw. konvexen Flanken, mit einem Spitzenteil und einem Schaufelfuß an gegenüberliegenden Enden, wobei der Schaufelfuß zur Festlegung der Schaufel an einer drehbaren Nabe dient, dadurch gekennzeichnet, daß der im Querschnitt stromlinienförmige Abschnitt (13) wenigstens eine Nut (18) in seiner konkaven und konvexen Flanke (16, 17) aufweist, daß jede der Nuten (18) zwischen der Schaufelspitze (19) und dem Schaufelfuß (12) verläuft und eine Vielzahl von Fasern (20) aufnimmt, die jeweils im Spitzenteil (19) und im Schaufelfuß (12) verankert sind, und daß die Fasern (20) in einem Matrixmaterial eingeschlossen sind und eine genügende Festigkeit aufweisen, um jeden abgebrochenen Abschnitt des stromlinienförmigen Schaufelteils (13) bei einem Bruch dieses Teils aufzufangen.
2. Stromlinien-Rotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (20) betriebsmäßig am Schaufelfuß (12) dadurch verankert sind, daß ein Abschnitt dieser Fasern (20) über den Schaufelfuß (12) vorsteht, und daß diese überstehenden Fasern (20) zwischen den Schaufelfuß (12) und der drehbaren Nabe eingeklemmt sind, an der der Schaufelfuß (12) betriebsmäßig festgelegt ist.
3. Stromlinien-Rotorschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stromlinienförmige Schaufelteil (13) mit drei derartigen Nuten (18) versehen ist, von denen zwei in einer der Flanken (16) des stromlinienförmigen Abschnitts (13) liegen und die dritte in der anderen Flanke (17) dieses Schaufelteils (13).
4. Stromlinien-Rotorschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des stromlinienförmigen Teils (13) benachbart zum Schaufelfuß (12) mit einer metallischen Abschirmung (29) versehen ist, von der wenigstens ein Teil thermisch von der übrigen Schaufel (12) isoliert ist.
5. Stromlinien-Rotorschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der metallischen Abschirmung (29) thermisch von der übrigen Schaufel (12) durch Luft isoliert ist
6. Stromlinien-Rotorschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (20) aus Aramid bestehen. . ^x
7. Stromlinien-Rotorschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrix-Material, in dem die Fasern (20) eingeschlossen sind, ein Kunstharz ist.
8. Stromlinien-Rotorschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz ein Epoxydharz ist.
9. Stromlinien-Rotorschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelspitze (19) der Schaufel (12) von einer Kunstharzkappe (21) gebildet ist, und daß die Fasern innerhalb der Kunstharzkappe (21) zum Zwecke ihrer Verankerung eingebettet liegen.
10. Stromlinien-Rotorschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (12) hohl ausgebildet ist.
11. Stromlinien-Rotorschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (12) eine Propfan-Schaufel ist.