DE3822080A1 - Verfahren zur herstellung eines axialstroemungskompressoraufbaus - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Statoraufbaus für einen Axialströmungskompres­ sor und insbesondere auf die Herstellung eines derartigen Aufbaus, der wenigstens teilweise aus Verbundwerkstoffen hergestellt ist.

Die vergleichweise niedrigen Temperaturen, unter denen wenigstens der stromaufwärtige Bereich der Kompressoren eines Gasturbinentriebwerks arbeitet, ermöglichen die Be­ nutzung von Verbundmaterialien, beispielsweise faserver­ stärkten Kunststoffen, bei der Konstruktion. Es hat sich jedoch bei gewissen Kompressorstatoraufbauten gezeigt, daß in hochbeanspruchten Teilen Fehlstellen auftreten. Es wird angenommen, daß diese Fehlstellen durch mangelnde Starrheit im Aufbau verursacht wurden und eine Abhängig­ keit in den hochbeanspruchten Teilen von der Scherfestig­ keit der Klebeverbindungen besteht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Herstellung eines Kompressorstatoraufbaus mit verbesserter Starrheit zu schaffen, bei dem derartige Klebeverbindungen in baulich kritischen Bereichen im we­ sentlichen vermieden sind.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstel­ lung eines Statoraufbaus, geeignet für einen Axialströ­ mungskompressor, der mehrere radial verlaufende strom­ linienförmige Statorschaufeln aufweist, wobei durch geeignete Fixierungsmittel mehrere vorgeformte, im Quer­ schnitt stromlinienförmig gestaltete Statorschaufeln in der gleichen Beziehung angeordnet werden, die sie später im Kompressor relativ zueinander einnehmen, und wobei je­ der innere radiale und äußere Fortsatz der Statorschau­ feln divergierend ausgebildet ist. Gelöst wird die ge­ stellte Aufgabe dadurch, daß ein Verbundmaterial um die divergierenden radial inneren und äußeren Fortsätze ge­ formt wird, um erste und zweite bogenförmige Überbrüc­ kungsglieder zu schaffen, die die radial äußeren und in­ neren Fortsätze benachbarter Statorschaufeln verbinden, und daß ein Versteifungsglied auf die äußere Oberfläche des Überbrückungsgliedes aufgebracht wird, das die radial äußeren Fortsätze der Statorschaufeln verbindet und die Fixierungsmittel freigibt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht der oberen Hälfte eines Mantelstromgasturbinentriebwerks mit Kompres­ sorteilen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind,

Fig. 2 einen Schnitt eines Teils des Zwischendruck­ kompressors des Mantelstrom-Fan-Gasturbinen­ triebwerks nach Fig. 1,

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Dar­ stellung des Zwischendruckkompressors und des Mantelstromgasturbinentriebwerks nach Fig. 1, woraus die Kompressorkonstruktion ersichtlich wird.

In Fig. 1 ist ein Fan-Gasturbinentriebwerk allgemein mit dem Bezugszeichen (10) bezeichnet. Es ist von herkömmli­ cher Konstruktion und umfaßt in axialer Strömungsrichtung hintereinander einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan (11), einen Zwischendruckkompressor (12), einen Hoch­ druckkompressor (13), eine Verbrennungseinrichtung (14), eine Hochruckturbine (15), die betriebsmäßig mit dem Hochdruckkompressor (13) verbunden ist, eine Zwischen­ druckturbine (16), die den Zwischendruckkompressor (12) antreibt, eine Niederdruckturbine (17), die antriebsmäßig mit dem Fan (11) verbunden ist, und eine Schubdüse (18).

Das Triebwerk (10) arbeitet in herkömmlicher Weise, wobei der Fan (11) sowohl einen Vortriebsschub liefert als auch komprimierte Luft dem Zwischendruckkompressor (12) zu­ führt. Der Zwischendruckkompressor (12) verdichtet die Luft weiter, bevor er sie in den Hochdruckkompressor (13) fördert, wo die Luft weiter komprimiert wird. Dann wird die komprimierte Luft in die Verbrennungseinrichtung (14) geleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt und die Mi­ schung verbrannt wird. Die sich hieraus ergebenden heißen Gase werden dann über die Hochdruckturbine (15), dieZwi­ schendruckturbine (16) und die Niederdruckturbine (17) entspannt, bevor sie durch die Düse (18) ausgestoßen wer­ den, um einen Vorwärtsschub zu erzeugen.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich in erster Linie mit dem Verfahren der Herstellung von Statorteilen des Zwischendruckkompressors (12), von dem Einzelheiten deut­ licher aus Fig. 2 erkennbar sind.

Der Zwischendruckkompressor (12) umfaßt abwechselnd ring­ förmige Anordnungen von im Querschnitt stromlinienförmi­ gen Statorschaufeln (19) und Rotorschaufeln (20), wobei zwei Stufen hiervon aus Fig. 2 ersichtlich sind. Die Sta­ torschaufeln (19) und die Rotorschaufeln (20) sind von einem allgemein kegelstumpfförmigen Gehäuse (21) um­ schlossen, das dazu dient, die Luft zusammenzuhalten, die durch den Zwischendruckkompressor (12) hindurchtritt, und das außerdem die ringförmig angeordneten Statorschaufeln (19) trägt.

Der Statorschaufelaufbau (19) wird in Gruppen von zwei Stufen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und die Art und Weise, wie dies geschieht, kann deutli­ cher aus Fig. 3 entnommen werden.

Zunächst wird eine Gruppe von beispielsweise drei Stator­ schaufeln (19) in einer Legierung (22) mit niedrigem Schmelzpunkt (die durch die strichlierten Linien in Fig. 3 dargestellt ist) eingebettet, so daß sie relativ zuein­ ander in ihrer gleichen Beziehung festgelegt sind, die sie schließlich im Zwischendruckkompressor (12) einneh­ men. Die radial inneren und äußeren Fortsätze (23) bzw. (24) jeder Statorschaufel (19), die vorstehen und diver­ gierend ausgebildet sind, sind jedoch nicht eingebettet und bleiben frei. Außerdem wird die Legierung (22) wäh­ rend der Einbettung so ausgegossen, daß die sich ergeben­ den radial inneren und äußeren Oberflächen (25) bzw. (26) eine bogenförmige Gestalt erhalten.

Die Statorschaufeln (19) sind aus einem faserverstärkten Kunstharz hergestellt, beispielsweise aus ausgehärtetem Epoxydharz, das durch Siliziumcarbidfasern verstärkt ist. Es ist jedoch klar, daß die Statorschaufeln auch aus einem anderen geeigneten Material hergestellt sein könn­ ten, einschließlich aus Metall.

Die eingekapselten Schaufeln (19) werden dann spanabhebend so bearbeitet, daß ihre radial inneren und äußeren Fort­ sätze (24) und (23) mit mehreren in Umfangsrichtung ver­ laufenden Schlitzen (27) bzw. (28) versehen werden. Die Schlitze (27) in den radial inneren Fortsätzen (24) be­ sitzen rechteckigen Querschnitt. Die Schlitze (28) in den radial äußeren Fortsätzen (23) besitzen einen allgemein radial nach außen erweiterten U-förmigen Querschnitt.

Die so spanabhebend bearbeiteten und eingekapselten Schaufeln (19) werden dann in einem (nicht dargestellten) Gesenk angeordnet, das Oberflächen aufweist, die im Ab­ stand zu den radial inneren und äußeren Einkapselungs­ materialflächen (25) und (26) liegen. Die Fläche, die der äußeren Einkapselungsfläche (26) gegenüberliegt, ist mit in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten versehen, die in ihrer Form der Querschnittsgestalt der Schlitze (28) in den radial äußeren Schaufelfortsätzen (23) entsprechen.

Die Zwischenräume zwischen der Form und den radial inne­ ren und den radial äußeren Einkapselungsmaterialoberflä­ chen (25) und (26) werden dann mit einer Mischung aus ge­ hackten Siliziumcarbidfasern gefüllt, die in einer Matrix aus ungehärtetem Epoxydharz dispergiert sind. Dann wird der Aufbau auf eine Zwischentemperatur erhitzt, um teilweise das Epoxydharz auszuhärten, worauf die Form entfernt wird. Hierdurch wird dann der Aufbau gemäß Fig. 3 definiert, bei welchem benachbarte Statorschaufeln (19) durch radial innere und radial äußere bogenförmige Über­ brückungsstücke (29) bzw. (30) verbunden sind. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist das radial innere Überbrückungs­ stück (29) von allgemein rechteckigem Querschnitt, wobei die Schlitze (27) in den radial inneren Statorschaufel­ fortsätzen (24) ein formschlüssiges Eingreifen der Fort­ sätze (24) im Überbrückungsstück (29) begünstigen. Das radial äußere Überbrückungsstück (30) ist jedoch mit um­ fänglichen Nuten (31) versehen, die in ihrer Gestalt den Schlitzen (28) in den radial äußeren Statorschaufelfort­ sätzen (23) entsprechen und in diese übergehen. So werden kontinuierlich in Umfangsrichtung verlaufende Nuten (31) im Überbrückungsstück (30) und den radial äußeren Schau­ felfortsätzen (23) geschaffen.

Es ist daher ersichtlich, daß die divergierende Form der radial äußeren und inneren Statorschaufelfortsätze be­ wirkt, daß eine feste mechanische formschlüssige Verbin­ dung zwischen jeder Statorschaufel (19) und den Überbrüc­ kungsstücken (29) bzw. (30) hergestellt wird.

Um die erforderliche Steifheit des Statorschaufelaufbaus (19) zu gewährleisten, wird ein Siliziumcarbidfaser­ gewebe (32), das mit einem Epoxydharz vorimprägniert ist, auf der radial äußeren Oberfläche des Überbrückungs­ stückes (30) festgelegt. Eine wirksame Befestigung wird zwischen dem imprägnierten Gewebe (32) und dem Überbrüc­ kungsstück (30) durch Verformung des imprägnierten Gewe­ bes (32) auf die entsprechende Gestalt gemäß Fig. 3 durch Benutzung einer geeigneten (nicht dargestellten) Form ge­ währleistet. Es kann mehr als eine Gewebeschicht (32) vorgesehen werden, wenn dies zweckmäßig ist.

Der gesamte Aufbau wird dann einer Kompressionsbelastung ausgesetzt und erhitzt, um die Epoxydharzmatrix in dem Aufbau voll auszuhärten.

Nach der Aushärtung werden die Stirnflächen (33) und (24) der radial inneren und äußeren Überbrückungsstücke (30) bzw. (29) spanabhebend flach bearbeitet und gebohrt, um Einsatzlöcher für Dübel (35) zu schaffen. Eine Zahl von Statorschaufelaufbauten (19), ähnlich den in Fig. 3 darge­ stellten, wird dann durch ein geeignetes Klebemittel mit­ einander verbunden, wobei die Dübel (35) in den (nicht dargestellten) Löchern benachbarter Überbrückungsstücke (29) und (30) verbleiben, bis ein vollständiger Stator­ schaufelring (19) hergestellt ist.

Wenn eine zusätzliche Versteifung des Statorschaufel­ ringes (19) erforderlich ist, kann eine kontinuierliche Faser (36) aus Siliziumcarbid in trockenem Zustand in das Gewebe (32) eingewickelt werden, das die Umfangsnuten (38) in den Überbrückungsstücken (30) bedeckt. Die aufge­ wickelte Faser wird darauf mit einem geeigneten Epoxyd­ kunstharz imprägniert.

Die radial äußeren Überbrückungsstücke (30) werden dann durch zwei gleiche halbkreisförmige äußere Mäntel (37) bedeckt und diese werden angeklebt, wobei ein Teil hier­ von aus Fig. 3 ersichtlich ist.

Schließlich wird die Temperatur des gesamten Aufbaus ge­ nügend weit angehoben, um die Legierung (22) auszuschmel­ zen, die die Schaufeln (19) umschließt.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend unter Bezug­ nahme auf die Herstellung eines einzigen Statorschaufel­ rings (19) beschrieben, jedoch können auch mehrere Ringe auf diese Weise hergestellt werden. So ist aus Fig. 2 er­ sichtlich, daß bei Herstellung von zwei Statorschaufel­ ringen (19) ein gemeinsames imprägniertes Gewebe (32) und ein äußerer Mantel (37) mit einer Schicht (39) aus ge­ wickelten und kunststoffimprägnierten Fasern benutzt wer­ den, die dazwischengefügt sind. Der Vorteil dieser Anord­ nung besteht darin, daß das imprägnierte Gewebe (32) und die Außenhaut (37) zusammenwirken, um jenen Abschnitt des Gehäuses des Zwischendruckkompressors (12) zu definieren, der eine der ringförmigen Anordnungen von Rotorschaufeln umgibt. Tatsächlich könnten imprägniertes Gewebe (32) und Außenhaut (37) so ausgebildet sein, daß ein Hohlraum (38) für eine geeignete abriebfähige Auskleidung definiert wird.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf die Herstellung eines Aufbaus beschrieben, der allgemein aus einem Epoxydkunstharz besteht, das durch Siliziumcarbid­ fasern verstärkt ist. Es ist jedoch klar, daß auch andere Materialien benutzt werden können.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus, geeignet für einen Axialströmungskompressor, der mehrere radial vorstehende, im Querschnitt stromlinienförmige Statorschaufeln aufweist, wobei durch lösbare Fixierungsmittel mehrere vorgeformte, im Querschnitt stromlinienförmige Statorschaufeln in der gleichen Beziehung fixiert werden, die sie relativ zueinander im Kompressor einnehmen würden, und wobei jeder radial innere und äußere Fortsatz der Statorschaufeln divergent ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbundmaterial um die radial inneren (24) und radial äußeren (23) Fortsätze geformt wird, um erste (29) und zweite (30) bogenförmige Überbrüc­ kungsglieder zu schaffen, die jeweils die radial inneren (24) und äußeren (23) Fortsätze benachbar­ ter Statorschaufeln (19) verbinden, und daß dann ein Versteifungsglied (32) auf der äußeren Oberflä­ che des Überbrückungsgliedes (30) festgelegt wird, das die radial äußeren Fortsätze (23) der Stator­ schaufeln (19) verbindet und die Fixierungsmittel (22) freigibt.

2. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die radial inneren (24) und äußeren (23) Fortsätze jeder Statorschaufel (19) mit in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitzen (27, 28) versehen sind.

3. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das bogenförmige Überbrückungsglied (30) benachbarte radial äußere Statorschaufelfortsätze (23) verbindet und so ge­ formt ist, daß es ringsumlaufende Nuten (31) defi­ niert, die die gleiche Querschnittsgestalt wie die in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitze (28) in den radial äußeren Statorschaufelfortsätzen (23) haben und in diese übergehen.

4. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (28) in den radial äußeren Fortsätzen (23) jeder Statorschaufel (19) jeweils allgemein U-förmig im Querschnitt gestaltet sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorschaufeln (19) in einer ringförmigen An­ ordnung ausgebildet sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Faser (36) in den ringsumlaufenden Nuten (28) in den Überbrüc­ kungsgliedern (30) aufgewickelt wird, worauf die aufgewickelten Fasern (36) mit einem Matrixmaterial imprägniert werden.

7. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Außenhaut (37) an dem Versteifungsglied (32) festgelegt wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Versteifungs­ glied (32) und die Außenhaut (37) so ausgebildet sind, daß sie zwei axial benachbarten ringförmigen Statorschaufelreihen gemeinsam sind, und daß das Versteifungsglied zusätzlich einen Teil eines Kom­ pressorgehäuses definiert, um einen Ringaufbau von Rotorschaufeln (20) zu umschließen, die betriebs­ mäßig zwischen den benachbarten Statorschaufelreihen (19) liegen.

9. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial Fasern umfaßt, die in einer Kunst­ harzmatrix eingebettet sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fasern Silizium­ carbidfasern sind.

11. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz ein Epoxydkunstharz ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Statorschaufel (19) aus einem Material herge­ stellt ist, das Verstärkungsfasern in einer Kunst­ harzmatrix aufweist.

13. Verfahren zur Herstellung eines Statorschaufelauf­ baus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbaren Fixierungsmittel (22) aus einer Legie­ rung mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen.

14. Statorschaufelaufbau, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.