DE3718678C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fasertechnische Verdichterschaufel eines Turbotriebwerkes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Entwicklungen im Turbotriebwerksbau gehen einerseits dahin, die Triebwerksleistungen weiter zu erhöhen, andererseits die Wirtschaft­ lichkeit der Triebwerke zu verbessern. Zu letzterem Bereich zählen unter anderem die Bestrebungen, das Triebwerksgewicht so weit wie möglich zu reduzieren, z. B. durch Einsatz hochfester Leichtmetalle­ gierungen oder zunehmend von Faserwerkstoffen. Im Bereich der Verdich­ terschaufeln bieten sich diese als Werkstoff für die thermisch nicht belastete erste Stufe, also die Fan- bzw. Propan-Stufen moderner Bypasstriebwerke an.

Fasertechnische Verdichterschaufeln müssen jedoch an einem mit dem Turbinenrotor gekoppelten metallischen Schaufelfuß befestigt werden, was bisher durch Schlaufen, Anbolzen oder Vernieten geschieht, um Fliehkräfte, aerodynamische Lasten und durch Fremdkörpereinschlag verursachte Belastungen aufzunehmen. Eine derartige Befestigung ist in der AT-PS 2 49 847 offenbart. Voraussetzung für derartige Befestigun­ gen ist, daß die Querschnitte von fasertechnischer Schaufel und metal­ lischem Schaufelfuß weitgehend übereinstimmen. Bei Propfan-Schaufeln ist es jedoch aus aerodynamischen Gründen wünschenswert, daß der Querschnitt des metallischen Fußes wesentlich geringer ist als der des Schaufelprofils. Insbesondere bei Fremdkörpereinschlag führt dies jedoch bei den bekannten Befestigungen zu unzulässigen Beanspruchungen des Faserwerkstoffes in Schaufelfußnähe durch große Biegemomente, womit die Gefahr des Bruches der Schaufel besteht.

Aus der DE-PS 6 72 645 und der DE-PS 28 32 098 sind Befestigungen be­ kannt, bei denen Zugbolzen im Inneren des Schaufelblattes vorgesehen sind, wodurch sich eine günstigere Krafteinleitung erzielen läßt. Diese Befestigungen haben den Nachteil hohen Gewichtes und führenden der Verbindungsstelle Schaufel/Zugbolzen zu hohen Belastungen des Fasermaterials.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Befestigungsvor­ richtung für ein fasertechnisches Schaufelblatt, insbesondere ein Propfanblatt am metallischen Schaufelfuß zu schaffen, welche die aerodynamischen Forderungen stark unterschiedlicher Querschnitte beider Bauteile erfüllt und eine günstigere Einleitung der durch Zentrifugalwirkung und Fremdkörpereinschlag verursachten Kräfte bei Verminderung des Gewichts zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird der Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hierdurch läßt sich vorteilhafterweise eine Vereinfachung der Her­ stellung und eine Reduzierung des Gewichtes bei gleichbleibend hoher Kraftübertragung erzielen. Vorteilhafterweise wird bei der Herstellung der Verdichterschaufel der Schaft dabei durch ein Bündel verlängerter Fasern gebildet. Durch die Aufbringung der Spannkraft mittels des exzentrisch bewegbaren Querbolzens läßt sich bei geringem Platzbedarf eine große Spannung erzielen. Weiterhin ist eine exakte Krafteinstel­ lung durch einfaches Verdrehen der Lagerstifte möglich.

Dabei ist vorzugsweise jeder Lagerstift in einer Lagerscheibe angeord­ net und diese in einem Langloch des Rotorringflansches verschiebbar angeordnet. Die Lagerscheiben sind dabei erforderlich, um die Montage der Befestigungsvorrichtung zu ermöglichen.

Durch Verdrehen des Spannbolzens über ein an einem der Lagerstifte angeordneten Sechskantflansch erfolgt die Aufbringung einer Zugspan­ nung auf den Schaft. Die Langlöcher sind dabei aus kinematischen Gründen erforderlich.

Die Verdichterschaufel kann zusätzlich mit dem Rotorringflansch mit­ tels Schrauben oder Bolzen verbunden sein. Hierdurch wird erreicht, daß die Verdichterschaufel auf zweifache Art mit dem metallischen Rotorringflansch befestigt ist. Die aerodynamischen Fliehkraftlasten werden besser und unter geringerer Werkstoffbeanspruchung aufgenommen. Biegemomente, Torsionsmomente und Querkräfte werden hauptsächlich durch die Halteschrauben auf den Rotorringflansch übertragen, die einen Reib- und Formschluß zwischen Rotorblatt und Schaufelfuß gewähr­ leisten, während die Längskräfte (Fliehkräfte) bevorzugt durch den Schaft übertragen werden.

In einer alternativen Ausführungsform der Verspannvorrichtung besteht diese aus einem Spannbolzen, der den Schaft der Verdichterschaufel an einer Spannhülse befestigt. Dieser weist an einer seiner Stirnseiten zwei spiralig ansteigende Halbringstirnflächen auf, die an zwei gegen­ gleich geformten Flächen einer koaxialen Drehhülse anliegen, wobei sich die Drehhülse im Rotorringflansch abstützt. Vorzugsweise weist der Rotorringflansch in Höhe der Drehhülse ein oder mehrere Langlöcher auf, und die Drehhülse hat an gleicher Stelle Sachlöcher zur Anbrin­ gung von Spannmitteln. Hierdurch läßt sich die Spannkraft auf sichere und einfache Weise aufbringen, und über eine Arretierung der Drehhülse ist eine Lösung der Verspannung unter Betriebsbedingungen einfach zu verhindern.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Schaft U-för­ mig ausgeführt und eine Exzenter-Spannvorrichtung innerhalb der Schaftbiegung vorgesehen. Dies hat den Vorteil, daß die Vorspannkraft günstig eingeleitet werden kann und die Fasern nicht unterbrochen sind. Dadurch läßt sich eine bessere Materialausnutzung erreichen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen weiter er­ läutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Propfan-Turbotriebwerkes,

Fig. 2 einen Querschnitt der Verdichterschaufelbefestigung,

Fig. 3 diese Ausführungsform in Seitenansicht,

Fig. 4 eine weitere Ausführung der Verdichterschaufelbefestigung im Querschnitt,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Spannhülse,

Fig. 6 eine Ausführungsform mit U-förmigem Schaft.

In Fig. 1 ist ein Propfan-Turbotriebwerk dargestellt, welches aus einer nicht näher dargestellten Gasturbine 1 und einem an dieser über eine Welle 2 angeflanschten Propfan-Rotor 3 besteht. An diesem sind über dem Umfang verteilte fasertechnische Verdichterschaufeln 4 mit­ tels der erfindungsgemäßen Verspannvorrichtung 5 angebracht.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt einer Befestigungsvorrichtung 5 b, bei der ein Schaft 18, der zusammen mit der Verdichterschaufel 4 ein integra­ les Bauteil bildet, in einer entsprechenden Aussparung 19 eines Rotorringflansches 8 angeordnet ist. In einer Querbohrung 20 des Schaftes 18 ist ein Spannbolzen 21 vorgesehen, der beidendig ex­ zentrisch angeordnete Lagerstifte 22, 23 aufweist. An mindestens einem der Lagerstifte 23 ist ein sechskantförmiger Drehflansch 24 vorge­ sehen, wodurch sich mittels geeignetem Werkzeug der Spannbolzen 21 durch Drehen verspannen läßt. Die Lagerstifte 22, 23 sind in zwei Lagerscheiben 25, 26 gelagert, und diese sind wiederum in Langlöchern 27, 28 wie in Fig. 3 zu sehen - verschiebbar angeordnet. Bei Verdrehen des Spannbolzens 21 über den Drehflansch 24 rollen die Lagerscheiben 25, 26 in den Langlöchern 27, 28 ab, da dies aus kinematischen Gründen auf Grund der Exzentrizität der Lagerstifte 22, 23 in bezug auf die Mitte des Spannbolzens 21 erforderlich ist. Dabei wird auf den Schaft 18 eine Zugkraft aufgebracht und hierdurch die Verdichterschaufel 4 gegen den Rotorringflansch 8 gepreßt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, sind Halteschrauben 6 und Druckblech 9 vorhan­ den. Durch die Verspannung des im Inneren der Verdichterschaufel 4 verlaufenden Schaftes 18 wird auf die äußeren Faserlagen der Verdich­ terschaufel 4 in Nähe des Rotorringflansches 8 eine Druckspannung erzeugt, welche die Festigkeit der Verdichterschaufel 4 gegen Fremd­ körpereinschlag deutlich erhöht.

Eine alternative Verspannvorrichtung 5 c ist in Fig. 4 dargestellt. Hierbei ist in einer Querbohrung 31 des Schaftes 18 ein Haltebolzen 32 angeordnet, der in einer Durchgangsbohrung 34 a, 34 b einer Spannhülse 33 gelagert ist. Diese Spannhülse 33 weist - wie in Fig. 5 zu sehen ist - auf einer Stirnseite zwei spiralig ansteigende Halbring­ stirnflächen 35, 36 auf, welche einer entgegengesetzt gleichen und koaxial angeordneten Drehhülse 37 angepaßt ist. Spannhülse 33 und Drehhülse 37 sind übereinander im Rotorringflansch 8 axial verschieb­ bar angeordnet, wobei sich die Drehhülse 37 gegen den Rotorring­ flansch 8 abstützt. Der Rotorringflansch 8 weist an einer oder meh­ reren Stellen Langlöcher 38 a, b auf, welche den Durchgriff auf Stell­ bohrungen 39 a, b in der Drehhülse 37 zulassen. Mit geeigneten, in den Stellbohrungen 39 a, b angebrachten Werkzeugen läßt sich durch Verdre­ hen der Drehhülse 37 eine Verspannung des Schaftes 18 erzielen. Der Rotorringflansch 8 weist zwecks Montage des Haltebolzens 32 eine Montagebohrung 40 auf.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Verspannvorrichtung 5 d, bei der ein U-förmiger Schaft 18 einen Exzenter 42 umschließt. Durch Verdrehen des Exzenters 42 wird die Verdichterschaufel 4 gegen den Rotorring­ flansch 8 gezogen. Die Montage des U-förmigen Schaftes 18 erfolgt über nicht dargestellte Einführungsschlitze.

Claims (7)

1. Fasertechnische Verdichterschaufel eines Turbotriebwerkes, die über mindestens einen an der Verdichterschaufel angebrachten, auf Zug belasteten Schaft mittels einer Verspannvorrichtung an einem nabenseitigen Rotorringflansch befestigt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schaft (18) und die Verdichterschaufel (4) ein inte­ grales fasertechnisches Bauteil sind und die Verspannvorrich­ tung (5) aus einem in einer Querbohrung (20) des Schaftes (18) drehbar angeordneten Spannbolzen (21) besteht, der zwei exzentri­ sche Lagerstifte (22, 23) aufweist, die im Rotorringflansch (8) gelagert sind.

2. Fasertechnische Verdichterschaufel nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Lagerstift (22, 23) in einer Lagerscheibe (25, 26) sitzt und diese in einem Langloch (28, 29) des Rotor­ ringflansches (8) verschiebbar angeordnet ist.

3. Fasertechnische Verdichterschaufel eines Turbotriebwerkes, die über mindestens einen an der Verdichterschaufel angebrachten, auf Zug belasteten Schaft mittels einer Verspannvorrichtung an einem nabenseitigen Rotorringflansch befestigt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schaft (18) und die Verdichterschaufel (4) ein inte­ grales fasertechnisches Bauteil sind, und die Verspannvorrichtung (5) aus einem Haltebolzen (32) besteht, der den Schaft (18) an einer Spannhülse (33) befestigt, welche an einer Stirnseite zwei spiralig ansteigende Halbringstirnflächen (35, 36) aufweist und diese an zwei gegengleich geformte Flächen einer koaxialen Dreh­ hülse (37) anliegen und sich die Drehhülse (37) im Rotorring­ flansch (8) abstützt.

4. Fasertechnische Verdichterschaufel nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rotorringflansch (8) in Höhe der Drehhülse (37) ein oder mehrere Langlöcher (38) aufweist und die Drehhülse (37) an dieser Stellbohrungen (39) zur Anbringung von Spannmitteln hat.

5. Fasertechnische Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannvorrichtung (5) auf eine Spannkraft eingestellt wird, die 0,5-10mal so groß ist wie die maximale Fliehkraft der Verdichterschaufel (4).

6. Fasertechnische Verdichterschaufel nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaft (18) U-förmig ausgeführt ist und ein Exzenter (42) innerhalb der Schaftbiegung vorgesehen ist.

7. Fasertechnische Verdichterschaufel nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß diese mit dem Rotorringflansch (8) zusätzlich mittels Schrauben oder Bolzen verbunden ist.