DE4122652A1 - Verbundfluegel mit verbesserter scherfaehigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Schaufeln für Strömungsmaschinen, und sie betrifft mehr im besonderen eine Schaufel aus nicht-metallischen Verbundmateriallaminaten, die in eine Harzmatrix eingebettet sind und eine verbesserte Fähigkeit haben, den Aufprall von Fremdgegenständen zu tolerieren.

Propeller- und Gasturbinentriebwerk-Gebläseschaufeln aus Verbundmaterialien, wie Graphit oder Fiberglas, stellen einen erwünschten Ersatz für Metallschaufeln dar. Diese Verbundmaterialien haben eine hohe Festigkeit und ein merklich geringeres Gewicht als ihre metallischen Entsprechungen. Ein Bereich, auf dem die Verbundmaterialien jedoch nicht so befriedigend sind wie Metallschaufeln, ist ihre Beständigkeit gegenüber dem Aufprall von Fremdgegenständen. Die Verbundschaufel neigt beim Aufprall solcher Gegenstände zur Schichttrennung hauptsächlich an der Grenzfläche von Laminat zu Harz.

Üblicherweise wird eine Verbundschaufel durch Verbinden einer Vielzahl im wesentlichen paralleler Faserlaminate miteinander hergestellt. Auf Schaufeln anwendbare Standardverfahren benutzen Fasern mit hoher Dehnung und zähe Harze. Während diese Verfahren die Beständigkeit der Schaufel gegen Beschädigung durch Fremdgegenstände erhöhen, verbessern sie nicht die Fähigkeit der Schaufeln, eine Schichttrennung zu verhindern. Jedes Laminat besteht aus einer einzelnen Schicht allgemein longitudinaler Faserelemente. Die Laminate sind mittels einer Harzmatrix miteinander verbunden. Wird die Struktur senkrecht zur Laminatrichtung belastet, dann muß die Last durch Scherkräfte durch das Harzsystem durch die Dicke der Struktur übertragen werden. Das Harz ist hinsichtlich der Scherfestigkeit schwächer als die Faser und damit das schwache Glied in der Struktur, wenn Querbelastungen angewendet werden. Auch ist das Harz der Natur nach spröde und dehnt sich nicht, sondern bricht. Aufprall-Belastungen, die durch Vögel, Eis oder andere Fremdgegenstände verursacht werden, führen zu einer sehr hohen Querbelastung der Faserschichten der Schaufel, was zu einem Bruch der Schaufel führt. Die Schaufelkonstruktion und -bearbeitung führt auch Bereiche ein, die bei Aufprall-Belastung einer Schichttrennung unterliegen. Diese Bereiche finden sich üblicherweise zwischen Laminaten oder zwischen Laminaten und Fasern, Spanten und Holmen bzw. Sparren, wo eine beträchtliche Festigkeitsänderung oder Änderung der Scherfähigkeit auftritt. Fig. 1 veranschaulicht einen typischen Übergangsbereich, in dem zwei darüber liegende einseitig gerichtete hochfeste Laminatschichten 8 und 9 zu einem Gewebe 7 überleiten und eine Grenzfläche hoher Lastübertragung schaffen.

Eine vorgeschlagene Lösung hinsichtlich der Schlagbelastung besteht darin, die Schaufel aus Matrixmaterialien höherer Schlagfestigkeit (Zähigkeit) zu konstruieren. Diese Materialien erhöhen die Schwelle der Einleitung der Schichttrennung stark, doch verhindern sie nicht die Fortpflanzung der Schichttrennung. Die Materialien selbst sind aufgrund der die Zähigkeit erhöhenden Zusätze schwerer zu bearbeiten.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtung zu schaffen, die die Nachteile der Ausbreitung der Schichttrennung von Verbundschaufeln aufgrund eines Aufpralls verhindern.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer größeren Fähigkeit für eine Gebläse- (Propeller-)Schaufel, den hohen Aufprallenergien von Fremdgegenständen zu widerstehen (Schichttrennungsschwelle, d. h. höhere Zähigkeit) und weiter eine Schaufelintegrität zu schaffen, nach dem die Schichttrennung begonnen hat (Verhindern der Schichttrennungsausbreitung).

Im allgemeinen werden die obigen und andere Aufgaben in einer Verbundschaufel gelöst, die eine Vielzahl von Schichten aus einem Verbundlaminat umfaßt, das ausgewählte Bereiche abwechselnder Schichten eines elastischen Bindematerials einschließt. In einer Ausführungsform kann man durch die alternierenden Schichtbereiche mit einem hochfesten elastischen Faden heften, um die Schichten vor dem Formen der Schaufel miteinander zu verbinden. In einer anderen Form können die Laminate in einer dreidimensionalen Matrix ge- oder umflochten und ein Harz durch Spritzpressen in die Matrix injiziert werden. Das Flechten oder Umflechten der Laminate trägt durch die Dicke zur Lastfähigkeit unter Verwendung der Grundfaserelemente bei. Einige Faserlaminate haben beträchtlich unterschiedliche Eigenschaften, verglichen mit ihren benachbarten Laminaten, für diese Abschnitte ist eine nachgiebigere Klebmittelschicht zwischen Laminaten angeordnet, um die Last zu übertragen/verteilen.

Um die vorliegende Erfindung besser zu verstehen, wird in der folgenden detaillierten Beschreibung auf die Zeichnung Bezug genommen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Paar Deckschichten aus Verbundmaterial in einem alternierenden Muster und eine Zwischengewebeschicht für den Übergang von den Verbundschichten zu einem Schaufeleinsatz;

Fig. 2 eine Draufsicht einer Form einer Schaufel, bei der die vorliegende Erfindung benutzt werden kann;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 der Fig. 2, die die Schaufelkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht des Bereiches 28 der Fig. 3;

Fig. 5 eine andere Ausführungsform der Schaufel nach Fig. 2, die das Steppen bzw. Heften veranschaulicht, um die Schichttrennung der Schaufelschichten zu verhindern;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht der Fig. 5 längs der Linie 6-6;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht der Fig. 5 längs der Linie 7-7 und

Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht des Bereiches 36 der Fig. 7.

Eine Ausführungsform einer Gebläseschaufel 10, bei der die vorliegende Erfindung benutzt werden kann, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Bezugnahme in der vorliegenden Anmeldung auf "Gebläseschaufel" soll synonym austauschbar sein mit den Begriffen "Gebläse" oder "Propeller". Darüber hinaus ist die Erfindung, obwohl in ihrer Anwendung auf einen Propeller oder eine Gebläseschaufel beschrieben, auch auf andere Arten von Flügelschaufeln anwendbar, wie ummantelte und nicht ummantelte (im englischen "unducted") Gebläseschaufeln und Kompressorschaufeln in Gasturbinentriebwerken. Die Schaufel 10 hat einen Flügelabschnitt 12, der ein spitzes Ende 14 und einen Wurzelabschnitt 16 einschließt. Der Flügelabschnitt 12 hat eine vordere Oberfläche 22 und eine rückwärtige Oberfläche 20. Die Schaufel besteht aus einer Vielzahl im Winkel schichtförmig angeordneter Verbundlaminate aus kontinuierlichen Fasern, die in ein Matrixmaterial eingebettet sind. In der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die kontinuierlichen Fasern der Verbundlaminate über den gesamten Flügel von der vorderen Oberfläche 22 zur rückwärtigen Oberfläche 20, die sich radial vom Wurzelabschnitt 16 zum Spitzenabschnitt 14 erstrecken und bilden eine zurückgebogene Konfiguration für eine Propellergebläseschaufel. Die Oberflächen, die durch die Kanten 22, 20, 14 und 16 gebildet sind, sind die Druckseitenoberfläche 18 des Flügels und die Ansaugoberfläche 24 des Flügels. In einigen Ausführungsformen bilden die Oberflächen 18 und 24 eine Verbundhülse, in die ein Schaufelholm 26 aus Schaum/Metall eingeführt und mit den inneren Laminaten verbunden werden kann, um der Schaufel die Gestalt zu geben oder für eine strukturelle Befestigung für eine Schaufelnabe zu sorgen.

Üblicherweise liegen die Fasern eines Verbundlaminats gerichtet, Seite-an-Seite, parallel und in einem halbduktilen, eine geringe Festigkeit und einen geringen Modul aufweisenden Matrixmaterial eingeschlossen vor, das die Wirkung des Versagens einer einzelnen Faser durch Verteilen der Last nahe der beeinträchtigten Faser auf benachbarte Fasern überträgt. Die Fasern haben einen Elastizitätsmodul von etwa 70 kN/mm² im Falle von Glas bis etwa 308 kN/mm² im Falle von modernem Graphit. Übliche Fasern bestehen aus Graphit, Bor oder S-Glas. Graphitfasern mit einem Elastizitätsmodul von etwa 308 kN/mm² sind bevorzugt. Ein höherer Modul und somit eine Faser, die eine höhere Festigkeit aufweist, gestattet größere geometrische Anpassungen, wie eine starke Krümmung oder eine geringe Kantendicke. Das Matrixmaterial ist üblicherweise ein gehärtetes Harz, doch könnte es auch thermoplastisch sein.

Die Laminate können aufeinander geschichtet werden, wobei die Fasern jeder Schicht in einem alternierenden Muster ausgerichtet sein können, wie z. B. mit -45°, 0°, +45°, 0° im Hinblick auf eine Bezugsachse. Zwei aufeinanderfolgende Schichten können im gleichen Winkel aufeinander gelegt sein. Diese Art des Aufeinanderlegens ergibt eine aeroelastisch stabile Schaufel mit gut abgestimmten Vibrationsweisen. Fig. 1 veranschaulicht zwei benachbarte Schichten 8 und 9, die ein alternierendes Muster bilden. Die Fasern können in drei Dimensionen geflochten sein, so daß einige Fasern Zwischenschichten der Verbundstoffe durchdringen, um eine zusätzliche Beständigkeit gegenüber Schichttrennung zu ergeben.

Die Verbundschaufeln können als massive Verbundschaufeln ausgebildet werden oder sie können Schaum, oder hohle andere Einsätze einschließen, um das Gewicht zu vermindern und/oder Metalleinsätze, um die Festigkeit zu erhöhen oder ein Medium für die Verbindung einer Schaufelnabe zu schaffen. Das Gewebe 7 in Fig. 1 kann eine Übergangsschicht zu einem Schaumeinsatz oder zu einem Holm oder der Außenoberfläche der Schaufel sein.

In Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der Schaufel der Fig. 2 längs der Linie 3-3 gezeigt. Die Schaufel 10 umfaßt eine Vielzahl von Laminaten 30, die Laminatschichten wie die mit der Bezeichnung 8 und 9 in Fig. 1 sein können. Die Laminate 30 sind in einer Epoxymatrix 32 miteinander verbunden. In der erfindungsgemäßen Schaufel sind die Laminate 30 in ausgewählten Bereichen durch ein Klebstoffmaterial verbunden, das weniger als starr ist. Vorzugsweise ist das Material etwas elastisch. Geeignete Bindematerialien können thermoplastische oder wärmehärtende Bindemittel sein, wie Polyurethan oder ähnliche Materialien mit kautschukartigen Eigenschaften, d. h. ein Material, das ohne Bruch gedehnt werden kann. Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereiches 28 der Fig. 3 und veranschaulicht besser die dazwischenliegenden Matrixschichten 32 aus einem elastischen Material zwischen den Laminaten 30. Die Schichten 32 sind nicht dicker als die Laminate 30. Üblicherweise haben die Laminate eine Dicke von etwa 0,25 mm, obwohl sie zwischen etwa 0,125 und etwa 0,5 mm variieren können. Das elastische Material der Schichten 32 wird während des Verfahrens zum Aufeinanderlegen der Schaufel selektiv zwischen den Laminaten angeordnet. Diese ausgewählten Stellen können durch zerstörendes Testen der Schaufel bestimmt werden, indem man z. B. auf die Schaufel einen Gegenstand aufprallen läßt, oder durch analytische Techniken. Der Einsatz der elastischen Schichten 32 erhöht die Fähigkeit der Gebläseschaufel, höheren Aufprallasten ohne Schichttrennung zu widerstehen, verhindert jedoch nicht die Ausbreitung der Schichttrennung, nachdem diese einmal eingeleitet ist.

Ein Verfahren, das sich als erfolgreich erwiesen hat beim Verhindern der Ausbreitung der Schichttrennung besteht darin, die Laminatschichten zusammenzuheften. Fig. 5 veranschaulicht die Schaufel der Fig. 2, in der das Heften durch gestrichelte Linien 34 angedeutet ist. Es kann ein synthetischer Faden hoher Festigkeit benutzt werden, die Laminatschichten vor dem endgültigen Verbinden oder Formen der Schaufel an ausgewählten Stellen zusammen zu heften. Das Heften allein mag die Fähigkeit der Schaufel, den Beginn der Schichttrennung (lokal) zu verhindern, nicht erhöhen, doch wird es die Fähigkeit der Schaufel erhöhen, die Ausbreitung der Schichttrennung, die durch eine äußere Anregung, wie die Schaufelvibration, verursacht wird, zu verhindern. Das Heften vergrößert auch die Fähigkeit, einen stärkeren Aufprall als solche, die den Beginn der Schichttrennung verursachen, ohne weitere Schichttrennung zu absorbieren.

Das Heften muß mit großer Urteilsfähigkeit bei Gebläse- oder Propellerschaufeln benutzt werden. Vom Standpunkt der Wartung müssen durchschnittliche Aufpralle (kleine bis mittlere Vögel von etwa 113 g bis etwa 1,13 kg) ohne Schaden oder ohne einen solchen Schaden verkraftet werden, der mit der Zeit ein Sekundärversagen verursacht. Für starke Aufpralle von etwa 1,8 bis etwa 3,6 kg ist die Sicherheit außerordentlich wichtig. Für offene Rotorsysteme dürfen starke Aufpralle nicht die Freisetzung des ganzen Teiles verursachen, was andere Schäden mit sich bringen würde. Die Schichttrennung bei der Schaufel ist unter diesen Umständen erwünscht. Während des Vorfalls wird die Energie durch Schichttrennung der Struktur absorbiert, verglichen mit einem potentiellen Reißen der Schaufel, was zu einer Freisetzung eines großen Schaufelsegmentes führen würde. Das Heften ist brauchbar beim Verhindern der Schichttrennung für tägliche Vorfälle, die potentiell nur die Vorderkante 22, die rückwärtige Kante 24 und den Spitzenbereich 14 beschädigen können. Das Heften ist nicht erwünscht über den Hauptkörper der Schaufel, so daß die vorerwähnte Schichttrennung in Situationen auftreten kann, in denen die Aufprallbelastung absorbiert werden muß, um die Freigabe der gesamten Schaufel oder Schaufeleinheit zu verhindern.

Fig. 6 gibt eine Querschnittsansicht längs der Linie 6-6 in Fig. 5 wieder und veranschaulicht die Anordnung der Heftungen oder Fäden 34 durch die Schaufel hindurch. Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 7-7 in Fig. 5 und veranschaulicht auch die Heftung in der Schaufel 10. Fig. 8 ist eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 7 mit 36 bezeichneten Gebietes, das die Laminatschichten 30, die halbduktilen Matrixschichten 32 und die Heftung 34 zeigt. Für Schaufeln 10, bei denen das Heften benutzt wird, die Ausbreitung der Schichttrennung zu verhindern, können die Schaufeln nach dem Heften unter Anwendung von Spritzguß oder Formpressen gebunden werden.

Das Formpressen oder Autoklavenverfahren und das Spritzgießen oder Harz-Spritzpressen kann dazu benutzt werden, die beschriebenen Verfahren auszuführen, obwohl das Harz-Spritzpressen bzw. -transferpressen das bevorzugte Verfahren zum Schaufelbinden bei Anwendung des Heftverfahrens ist.

Claims (11)

1. Schaufel umfassend:
eine Vielzahl übereinanderliegender Schichten aus einem nicht-metallischen Verbundmaterial und
mindestens eine Schicht aus weniger als starrem Material, die zwischen benachbarten Schichten aus Verbundlaminaten an vorausgewählten Bereichen der Schaufel angeordnet ist, so daß die Schaufel alternierende Schichten aus Verbundlaminaten und weniger als starrem Material in den ausgewählten Bereichen umfaßt.

2. Schaufel nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von Schichten aus weniger als starrem Bindematerial, das selektiv zwischen Schichten von Laminaten angeordnet ist.

3. Schaufel nach Anspruch 1, worin das Verbundmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Graphit- Verbundmaterial, Glas-Verbundmaterial und Bor- Verbundmaterial.

4. Schaufel nach Anspruch 1, worin das elastische Material eine thermoplastische oder wärmehärtende Bindeeinheit ist.

5. Schaufel nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von Reihen aus flexiblem Faden, der durch die Schaufel gestochen ist und die Vielzahl von Schichten miteinander verbindet.

6. Schaufel nach Anspruch 4, worin der Faden ein aromatisches Polyamid umfaßt.

7. Schaufel nach Anspruch 1, worin die Schichten aus Verbundmaterial Fasern umfassen, die in drei Dimensionen mit Fasern verflochten sind, die Zwischenschichten durchdringen.

8. Schaufel nach Anspruch 1, worin die elastischen Schichten ein Harzmaterial umfassen, das auf den Schichten auf Verbundmaterial abgeschieden ist, bevor die genannten Schichten auf den vorgenannten angeordnet sind.

9. Schaufel nach Anspruch 1, worin jede der Schichten aus Verbundmaterial eine Dicke zwischen etwa 0,125 mm und etwa 0,5 mm aufweist.

10. Schaufel nach Anspruch 8, worin die elastischen Schichten nicht dicker sind als die Schichten aus Verbundmaterial.

11. Verfahren zum Herstellen einer Schaufel umfassend die Stufen:
abwechselndes Übereinanderlegen einer Vielzahl von Schichten aus einem nicht-metallischen Verbundmaterial und mindestens einer Schicht aus einem elastischen Bindermaterial in vorausgewählten Bereichen und
Heften der Schichten aus Verbund- und elastischem Material, um eine vorgeformte Schaufel zu erzeugen.