DE4411679C1 - Schaufelblatt in Faserverbundbauweise mit Schutzprofil - Google Patents
Schaufelblatt in Faserverbundbauweise mit SchutzprofilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Propeller- oder Gebläseschaufel nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aufgrund ihrer günstigen werkstofftechnischen Eigenschaften werden
Schaufelblätter von Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Gebläse
schaufeln von Turbotriebwerken, Propeller und Rotorblätter von Hub
schraubern und Windkraftanlagen zunehmend aus faserverstärkten Werk
stoffen gefertigt. Diese Werkstoffe haben den Vorteil hoher Festigkeit
und geringen Gewichts, andererseits ist ihnen jedoch der Nachteil zu
eigen, daß sie sich Betrieb erosionsempfindlich zeigen. Je nach Einsatz
bedingungen unterliegen sie der Regen- und Partikelerosion (z. B. In
sekten und Sand). Insbesondere reagieren sie empfindlich beim Auftreffen
größerer Fremdkörper, wie beispielsweise Eisbrocken, Steine, Vögel u. a.
Dieser Nachteil gilt verschärft für die schmalen Eintrittskanten von
Gebläseschaufeln, und zwar um so mehr, je höher die Relativgeschwindig
keit zwischen dem Schaufelblatt und dem auftreffenden Partikel ist. Eine
Profilveränderung aufgrund der Erosion kann jedoch im Hinblick auf die
Erhaltung einer hoher aerodynamischen Güte keinesfalls toleriert werden.
Zum Schutz von Rotorschaufelblättern ist es aus dem Hubschrauberbau
bekannt, die Blattvorderkante mit einem aufgeklebten Blechprofil zu
versehen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei starken Schlagbelastungen,
beispielsweise durch Fremdkörpereinfluß, die Klebestelle aufgrund star
ker Verformung des Blechprofils versagt und sich dann meist das Blech
profil vom übrigen Schaufelblatt komplett abschält und ablöst.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schutz gegen
Erosion und Fremdkörpereinwirkung für Propeller- und Gebläseschaufeln
in Faserverbundbauweise anzugeben, welcher auch bei lokaler Schädi
gung einen zuverlässigen Verbund mit dem Schaufelblatt bildet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des
Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß aufgrund der Vernäh
ung des Schutzprofils mit dem Schaufelblatt sich ein formschlüssiger
Verbund zwischen diesen ergibt, welcher die Haftfestigkeit des Schutz
profils am Schaufelblatt, insbesondere nach einer schlagartigen Fremd
körpereinwirkung auf das Schutzprofil gegenüber einer Klebeverbindung
erheblich erhöht. Ein wesentlicher Vorzug ist darin zu sehen, daß selbst
bei lokaler Zerstörung oder Beschädigung der Vernähung, also bei ge
rissenem Faden sich die Vernähung über den Schadensbereich hinaus nicht
weiter löst, da die quer durch Faserschichten laufenden Fäden infolge
Haftung einen festen Verbund mit den Faserschichten bilden und somit ein
Auffädeln der Vernähung sicher unterbunden wird.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist das Schutzprofil im Be
reich der Schaufelvorder- bzw. -hinterkanten konturgebend U- oder V-för
mig ausgebildet. Womit ein zuverlässiger Schutz auch bei quer auf
treffenden Fremdkörpern gewährleistet wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich
durch die Merkmale der Patentansprüche 3 bis 16.
Zur Vermeidung von widerstandsbildenden Stufen auf der Oberfläche des
Schaufelblattes sind zur oberflächenplanen Aufnahme der Fäden in den
Bohrungen Einsenkungen und zwischen den Bohrungen Vertiefungen vorge
sehen. Aufgrund der augenfälligen Lage der Einsenkungen und Vertiefungen
auf der Profiloberfläche sind die Nahtstellen ohne weiteren apparativen
Aufwand einer Sichtinspektion zugänglich, da lose Fäden auf eine schad
hafte Vernähung hinweisen. Weitere Ausbildungen zur Erhöhung der Stand
festigkeit der Vernähung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentan
sprüche 10 bis 13.
Vorzugsweise ist das Schutzprofil mit nach innen weisenden Krallen
versehen, welche durch Eingreifen in die Faserschichten den form
schlüssigen Verbund zwischen Schaufelblatt und Schutzprofil ver
stärken. Weitere Maßnahmen zur Unterstützung der genähten Verbindung
sind in den Patentansprüchen 15 und 16 angegeben, wobei ein Über
zug des Schutzprofils mit einer Faserverbundschicht diesem eine
bessere Korrosionsbeständigkeit verleiht.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Grundriß einer Propfanschaufel mit Schutzprofilen,
Fig. 2 einen Querschnitt der Propfanschaufel gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung der Propfanschaufel im
Bereich einer vernähten Bohrung gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung der Propfanschaufel im Bereich
eines in der Bohrung verknoteten Fadens gemäß Fig. 2,
Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht im Bereich der Schaufel
vorderkante mit Schutzprofil und
Fig. 6 ein Diagramm zum Schälversuch einer FVK-2D und
3D-Schaufelblattprobe.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Gebläseschaufel 1 eines nicht weiter dar
gestellten Propfan-Strahltriebwerkes ist zum Schutz vor Erosion und
Fremdkörpereinwirkung die Schaufelvorderkante 2 und die -hinterkante
3 des Schaufelblattes 4 mit metallischen Schutzprofilen 5 versehen,
die sich von der Blattspitze 6 bis knapp an die Blattwurzel 7 er
strecken. Zur Verstärkung des geklebten Verbundes zwischen Schau
felblatt 4 und den Schutzprofilen 5 sind diese jeweils entlang ihres
zur Schaufelmittellinie M hin weisenden Profilrandes 8 mit dem Schau
felblatt 4 in mehreren Abschnitten vernäht. Die Fäden 9 der Nähte 10
verlaufen dabei abschnittsweise gerade, gekrümmt oder gezackt entlang
des Profilrandes 8 oder auch kreuzend mit Fäden 9′ einer anderen Naht
10′ über die Breite des Schutzprofils 5. Die Nähte 10 können also in
den verschiedensten Mustern je nach Breite und Länge des Schutz
profils 5 und Anforderung an den Verbund verlaufen. Zur Vernähung des
in Faserverbundbauweise erstellten Schaufelblattes 4 mit dem Schutz
profil 5 ist dieses mit Bohrungen 11 versehen, durch die die Fäden 9
hindurchgeführt sind.
Wie im Querschnitt der Fig. 2 näher ersichtlich durchdringen Fäden 9,
der in Blattiefenrichtung sich erstreckenden Nähte 10′ die in
Blattlängs- und Blattiefenrichtung sich erstreckenden Faserschichten
12 des Schaufelblattes 4 zickzackförmig. Zur Sicherung der Naht 10
gegen Auffädelung ist das Fadenende 13′ zwischen zwei Faserschichten
12′ einlaminiert, während in alternativer Fixierung ein anderes
Fadenende 13′′ mit einer Faserschicht 12′′ vernäht ist. Als zu
sätzliche Lagefixierung des Schutzprofils 5 am Schaufelblatt 4
weisen die Profilränder 8 ins Blattinnere weisende Krallen 14 auf,
die mit einer Anzahl oberflächlicher Faserschichten 12 in Ein
griff stehen.
Um der Gefahr des Auffädelns zu begegnen, wird für eine Anzahl dicht
beieinanderliegender quer- und längsverlaufender Nähte 10 ein einzel
ner ununterbrochener Faden 9 statt mehrerer separater kurzer Fäden 9
verwendet wie dies in Fig. 2 im Bereich der Schaufelhinterkante 2
gezeigt ist. Hierzu ist der Faden 9 an Kreuzungsstellen längs und
quer verlaufender Nähte 10 vermascht, wie in Fig. 3 gezeigt. Dort ist
ein Fadenstück innerhalb einer Bohrung 11 in einer Schlaufe 15 ge
legt, und umschlingt dabei ein quer verlaufendes Fadenstück. Oberflä
chenseitig in einer Bohrung 11 endende Fäden 9 sind in einer oberflä
chenseitigen Einsenkung 16 der Bohrung 11 verknotet (s. Fig. 4) und
somit gegen Lockern gesichert. Um ein Auftragen oberflächenseitig
verlaufender Nähte 10 zu vermeiden sind zwischen Bohrungen 11 auf der
Oberfläche 5 des Schutzprofils 5 nutartige Vertiefungen 17 vorge
sehen, deren Tiefe zur Aufnahme eines Fadens 9 auf dessen Dicke abge
stimmt ist (s. Fig. 5).
Um ein Aufschwingen der Gebläseschaufel 1 bei bestimmten Betriebs
drehzahlen zu vermeiden oder zu dämpfen weist das Schutzprofil 5
mehrere wellenartige Vorsprünge 18 entlang des Profilrandes 8 im
Blattspitzenbereich 6 auf. Die Vorsprünge 18 sind in Schaufellängs
richtung voneinander beabstandet und ragen zur Schaufelmitte M
hinein. Für eine sichere Verbindung sind die Vorsprünge 18 mit
dem Schaufelblatt 4 vernäht.
Fig. 6 zeigt in einem Diagramm die erhöhte Schlagbeständigkeit
eines vernähten Faserverbundes gegenüber der eines unvernähten
Faserverbundes. Als Simultation für die Wirkung einer durch einen
senkrechten Fremdkörpereinschlag ausgelösten Schockwelle wird das
Ende der Faserproben aufschälend auseinandergezogen. Wie im
Diagramm ersichtlich ist zum Aufschälen der vernähten Faser
verbundprobe eine etwa 10fache Schälkraft F notwendig, die auf
eine erhöhte Beständigkeit der zuvor beschriebenen Gebläseschaufel
1 gegenüber Fremdkörpereinwirkung und Erosion hinweist. Die Zacken
im Kurvenverlauf machen dabei den festigkeitserhöhenden Einfluß
der Vernähung deutlich.
Claims (16)
1. Propeller- oder Gebläseschaufel für Strömungsmaschinen mit einem
Schaufelblatt in Faserverbundbauweise und mit längs der Schaufel
vorderkante und/oder -hinterkante angebrachten, separat vom Faser
verbund ausgebildetem Schutzprofil, wobei das Schutzprofil, die
Kante umfassend, wenigstens abschnittsweise sich auf der
Druck- und/oder -saugseite des Schaufelblattes zur Schaufelmittel
linie hin erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzprofil
(5) mittels eines oder mehrerer Fäden (9) zur Befestigung am
Schaufelblatt (4) mit diesem vernäht ist, wobei die Fäden (9) eine
Anzahl von Faserschichten (12) quer durchdringen.
2. Propeller- oder Gebläseschaufel nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Schutzprofil (5) im Bereich der
Schaufelvorder- bzw. -hinterkanten (2 bzw. 3) konturgebend,
U- oder V-förmig ausgebildet ist.
3. Propeller- oder Gebläseschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schutzprofil quer zur Blattfläche laufende
Bohrungen (11) aufweist, durch die zur Vernähung mit dem Schau
felblatt (4) Fäden (9) hindurchgeführt sind.
4. Propeller- oder Gebläseschaufel nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Bohrungen (11) druck- und saugseitig am
Schutzprofil (5) vorgesehen sind.
5. Propeller- oder Gebläseschaufel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bohrungen (11) abseits der Schaufelvor
der- bzw. -hinterkante (2 bzw. 3) im Randbereich des Schutzprofils
(5) vorgesehen sind.
6. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzprofil (5)
druck- und/oder saugseitig zur Schaufelmittellinie (M) hin sich
erstreckende, voneinander in Schaufellängsrichtung beabstandete
Vorsprünge aufweist, die zur Vernähung mit dem Schaufelblatt (4)
mit Bohrungen (11) versehen sind.
7. Propeller- oder Gebläseschaufel nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ausdehnung der Vorsprünge in Schaufeltiefe
und Schaufellänge sowie deren Beabstandung voneinander zur Schwin
gungsdämpfung der Propeller- bzw. Gebläseschaufel abgestimmt sind.
8. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (11) strömungsseitig
eine Einsenkung (16) zur oberflächenplanen Aufnahme der Fäden (9)
aufweisen.
9. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß im Schutzprofil (5) zwischen den Boh
rungen (11) strömungsseitig Vertiefungen (17) zur Aufnahme der
streckenweise strömungsseitig verlaufenden Fäden (9) ausgebildet
sind.
10. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (9) strömungsseitig zur
Fixierung in den Bohrungen (11) stellenweise verknotet sind.
11. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (9) in den Bohrungen (11)
strömungsseitig in Schlaufen (15) gelegt sind und mittels durch
die Schlaufen (15) laufende Querfäden fixiert sind.
12. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (4) zwischen
den saug- und druckseitigen, zur Schaufelmitte (M) sich erstrek
kenden Schenkeln des Schutzprofils (5) zick-zack-förmig vernäht
ist.
13. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (9), eine Anzahl
von Faserschichten (12) zick-zack-förmig vernähend, sich in Schau
feltiefe und/oder -länge erstrecken.
14. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gegekennzeichnet, daß das Schutzprofil (5) zur
zusätzlichen formschlüssigen Verbindung mit dem Schaufelblatt (4)
in Faserschichten eingreifende Krallen (14) aufweist.
15. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Fixierung
des Schutzprofils (5) am Schaufelblatt (4) dieses mit dem Schutz
profil (5) verklebt ist.
16. Propeller- oder Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzprofil (5) zur
zusätzlichen Fixierung strömungsseitig zumindest teilweise mit
einer Faserverbundschicht (12) überzogen ist.
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