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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere
auf die Fertigung eines stromlinienförmigen Abschnittes dafür.
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Ein
Turbofan-Gasturbinentriebwerk enthält einen Fan bzw. Bläser mit
einer Reihe von Fanschaufeln, die sich von einer tragenden Rotorscheibe
nach außen
erstrecken. Der Fan bzw. Bläser
wird durch eine Turbine angetrieben, die Energie aus heißen Verbrennungsgasen
zieht, die in einem Kerntriebwerk erzeugt sind, um Schub zum Antrieb
eines Flugzeuges im Fluge zu erzeugen.
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Die
Minimierung des Triebwerksgewichtes für eine Flugzeuganwendung ist
eine primäre
Konstruktionsaufgabe. Jedoch ist die Gewichtssenkung selbst durch
das Erfordernis begrenzt, die Festigkeit von Komponenten unter den
verschiedenen Belastungen beizubehalten, die während des Betriebs auftreten.
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Beispielsweise
sind die Fanschaufeln relativ lang und erzeugen eine signifikante
Zentrifugalkraft während
des Rotorbetriebs. Die Schaufeln müssen so ausgelegt sein, dass
sie sowohl zentrifugal verursachten Belastungen als auch Beanspruchungen und
auch aerodynamischen Belastungen widerstehen, wenn Umgebungsluft
verdichtet wird zum Erzeugen von Vortriebsschub.
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Die
maximale Fanschaufelgröße wird
begrenzt durch die hochfesten Materialien, die für ihre Fertigung zur Verfügung stehen,
und die damit verbundenen Fertigungskosten. Ganzmetall-Fanschaufeln,
wie beispielsweise Titan, haben hohe Festigkeit, sind aber teuer
in der Fertigung. Ganzmetall-Fanschaufeln sind auch relativ schwer,
was dementsprechend die Größen- und
Festigkeitsanforderungen für ihre
tragenden Schwalbenschwänze
und die Rotorscheibe vergrößert.
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Verbund-Fanschaufeln,
wie sie beispielsweise in
EP
0764763 gezeigt sind, die aus Graphitfasern hoher Festigkeit
in einer Kohlenstoffmatrix geformt sind, erfreuen sich hoher Festigkeit
bei vermindertem Gewicht gegenüber
Ganzmetall-Fanschaufeln.
Jedoch sind Verbund-Fanschaufeln teuer in der Fertigung und müs sen speziell
konfiguriert sein, um für die
gerichtete Festigkeit zu sorgen, um sich einer geeigneten nutzbaren
Lebensdauer zu erfreuen.
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Hybrid-Fanschaufeln
werden entwickelt, um Gewicht zu sparen, während für eine geeignete Festigkeit
gesorgt wird. Eine typische Hybridschaufel hat einen Metallkörper, wie
beispielsweise Titan, mit das Gewicht senkenden Taschen, die vorzugsweise
in der einen Seite davon ausgebildet sind. Die Taschen werden mit
einem geeigneten Elastomer gefüllt,
um die erforderliche aerodynamische Kontur von dem stromlinienförmigen Abschnitt
der Schaufel für
ein akzeptables aerodynamisches Leistungsvermögen zu vervollständigen.
Der Metallabschnitt von der Schaufel sorgt für die erforderliche Festigkeit,
wobei Metall in den Taschen entfernt wird, um Gewicht zu entfernen,
ohne die Gesamtfestigkeit der Schaufel zu beeinträchtigen.
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Eine
Art der Fertigung von Hybridschaufeln enthält, dass die gewünschten
Taschen in dem vorgeformten oder vorgeschmiedeten stromlinienförmigen Abschnitt
bearbeitet werden, wenn seine Konturen bearbeitet werden. In den
entsprechenden Taschen wird Elastomer in der Form von einer Paste oder
Kittmasse angeordnet. Weiterhin werden zwei konturierte Formwerkzeuge
oder Gesenke auf gegenüberliegenden
Seiten der Schaufel angeordnet, um das Elastomer in den Taschen
zusammenzupressen, um eine Aushärtung
zu durchlaufen. Dieses Fertigungsverfahren ist jedoch komplex und
teuer und ist nicht praktikabel zum Erzeugen von Hybridschaufeln in
großen
Mengen.
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Es
ist demzufolge wünschenswert,
ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von hybriden stromlinienförmigen Abschnitten
für ein
Gasturbinentriebwerk bei gesenkten Kosten bereitzustellen.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren bereitgestellt zum Herstellen eines hybriden
stromlinienförmigen
Abschnittes für
ein Gasturbinentriebwerk, enthaltend: Formen eines metallischen
stromlinienförmigen
Abschnittes mit einer Tasche in seiner ersten Seite, Überdecken
der Tasche mit einer Haube, Einspritzen eines elastomeren Fluids
in die Tasche und Aushärten
des Fluids in der Tasche für
eine Bindung damit.
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Die
erste Seite des stromlinienförmigen
Abschnittes kann eine veränderliche
Kontur haben, die Haube kann eine komplementäre Kontur haben und die Haube
kann mit dem stromlinienförmigen
Abschnitt in Übereinstimmung
gebracht werden, um ihre komplementären Konturen anzupassen.
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Das
Verfahren kann ferner enthalten, dass die Haube mit dem stromlinienförmigen Abschnitt über der
Tasche abgedichtet wird, das Fluid unter Druck in die Tasche gespritzt
wird und Luft aus der Tasche abgezapft wird, wenn das Fluid die
Luft in der Tasche verdrängt.
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Der
stromlinienförmige
Abschnitt kann mit mehreren Taschen in seiner ersten Seite versehen sein,
und das Fluid kann seinerseits in die Taschen gespritzt werden.
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Der
stromlinienförmige
Abschnitt kann mit versenkten Rippen zwischen benachbarten Taschen versehen
sein, die Haube kann geformt sein, um einen Spalt auf den Rippen
zu bilden, und das Fluid kann in eine der Taschen eingespritzt werden,
um durch den Spalt zu strömen
und angrenzende Taschen zu füllen.
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Das
Fluid kann durch die Haube an einem einzelnen Ort eingespritzt werden
und füllt
seinerseits alle Taschen.
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Der
Druck von dem Fluid kann beibehalten werden, nachdem die Tasche
damit gefüllt
ist, bis das Fluid ausgehärtet
ist.
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Der
Fluid kann an dem einen Ende von der Haube eingespritzt werden,
und die Luft wird an einem gegenüberliegenden
Ende der Haube abgezapft.
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Das
Verfahren kann weiterhin enthalten, dass der Rückdruck des Fluids in der Tasche
begrenzt wird, um eine Verformung der Haube zu begrenzen.
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Die
Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen zusammen mit
weiteren Aufgaben und Vorteilen davon in der folgenden detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine Seitenansicht von
einem stromlinienförmigen
Abschnitt eines Gasturbinentriebwerkes und einer komplementären Haube
ist, die bei seiner Fertigung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet wird;
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2 eine Fließbilddarstellung
von einem Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens zur Herstellung des stromlinienförmigen Abschnittes
ist, der in 1 dargestellt
ist, mit einer damit zusammenarbeitenden Haube;
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3 eine radiale Schnittansicht
durch den stromlinienförmigen
Abschnitt und die damit zusammenarbeitende Haube ist, wie sie in 2 dargestellt sind und entlang
der Linie 3-3;
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4 eine isometrische Ansicht
von dem fertigen stromlinienförmigen
Abschnitt mit dem ausgehärteten
Elastomer in seinen mehreren Taschen ist.
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In 1 ist ein Beispiel von einer
Fanschaufel 10 für
ein Gasturbinentriebwerk in einer Zwischenform der Fertigung dargestellt.
Die Schaufel 10 enthält
einen stromlinienförmigen
Abschnitt 12 und einen damit einstöckigen Schwalbenschwanz 14,
die irgendein übliches
Profil zur Verwendung in einem Turbofan-Gasturbinentriebwerk haben
können.
Der stromlinienförmige
Abschnitt und der Schwalbenschwanz werden zunächst als ein einheitliches Schmiedestück aus einem
geeigneten Metall hoher Festigkeit, wie beispielsweise Titan, geformt.
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In
dem stromlinienförmigen
Metallabschnitt 12 sind eine oder mehrere Vertiefungen
oder Taschen 16 ausgebildet, die sich in eine erste oder Druckseite 18 von
dem stromlinienförmigen
Abschnitt erstrecken. In diesem Ausführungsbeispiel sind sechs Taschen 16 gezeigt
und können
in dem zunächst
massiven stromlinienförmigen
Abschnitt auf konventionelle Weise bearbeitet werden. Die gegenüberliegende,
zweite Seite 20 von dem stromlinienförmigen Abschnitt ist durchgehendes
Metall und bildet eine aerodynamisch glatte Saugseite von dem stromlinienförmigen Abschnitt.
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Der
stromlinienförmige
Abschnitt erstreckt sich entlang seiner Spanne von einem Fuß nahe dem Schwalbenschwanz
zu seiner radial äußeren Spitze und
in axialer Richtung zwischen gegenüberliegenden Vorder- und Hinterkanten
in einer üblichen
Konfiguration. Der stromlinienförmige
Abschnitt ist üblicherweise
um die Spannenachse von seinem Fuß bis zur Spitze verdreht und
hat dazwischen eine sich ändernde
Wölbung,
wie es zum Maximieren des aerodynamischen Wirkungsgrades erforderlich
ist.
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Dementsprechend
hat der stromlinienförmige
Abschnitt eine relativ komplexe dreidimensionale (3D) Kontur, die
sich vom Fuß bis
zur Spitze und zwischen den Vorder- und Hinterkanten ändert, wobei die
ersten und zweiten Schaufelseiten 18, 10 für ihre Druck-
und Sauguseitenfunktionen konfiguriert sind.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist
eine Haube 22 so konfiguriert, dass sie die erste Seite 18 des
stromlinienförmigen
Abschnittes überdeckt
und dadurch die mehreren Taschen 16 überdeckt. Die Haube 22 kann aus
einem Verbundmaterial geformt sein, wie beispielsweise Kohlenstofffaser
in einer Epoxidmatrix, um für
eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit zu sorgen mit einer
komplementären
Kontur auf der Innenfläche,
die an der ersten Seite 18 des stromlinienförmigen Abschnittes
angreift. Da die erste Seite 18 des stromlinienförmigen Abschnittes
eine veränderliche
Kontur vom Fuß bis
zur Spitze und zwischen den Vorder- und Hinterkanten aufweist, hat
die Haube 22 eine komplementäre Kontur, um an die erste
Seite 18 des stromlinienförmigen
Abschnittes eng angepasst zu sein und an dieser anzugreifen.
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Wie
in 2 gezeigt ist, wird
ein ungehärtetes
Elastomer 24 in der Form von einem viskosen Strömungsmittel
oder einer viskosen Flüssigkeit
in geeigneter Weise in die Taschen 16 eingespritzt, um diese
zu füllen.
Auf diese Weise sind die einzelnen Taschen mit dem elastomeren Strömungsmittel
bzw. Fluid 24 gefüllt,
das dann in geeigneter Weise in den Taschen 16 gehärtet werden
kann, um sich mit diesen zu verbinden. Die Haube 22 kann
dann entfernt werden, um die so geformte Hybridschaufel freizulegen.
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In
dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird das elastomere Strömungsmittel 24 in einer üblichen
Weise bereitgestellt, wie es von dem Hersteller für das spezielle
gewünschte
Elastomer spezifiziert ist. Beispielsweise kann das Elastomer in der
bevorzugten Form aus Polyurethan-Gummi sein, das in einer zunächst flüssigen Form
bereitgestellt wird, auf eine geeignete Temperatur erwärmt wird und eine
geeignete Entgasung durchläuft,
und mit einem entsprechenden Härtungsmittel,
das auf eine geeignete Temperatur erwärmt ist, in abgemessenen Verhältnissen
gemischt wird. Das elastomere Strömungsmittel und das Härtungsmittel
werden miteinander gemischt und dann in die Taschen eingespritzt, um
darin auszuhärten.
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Die
gesamte Hybridschaufel und die damit übereinstimmende Haube 22 werden
vor der Injektion des erwärmten
elastomeren Strömungsmittels 24 vorzugsweise
auf eine gemeinsame Temperatur erwärmt. Nach dem Füllen der
mehreren Taschen des stromlinienförmigen Abschnittes wird der
so gefüllte stromlinienförmige Abschnitt
auf der gemeinsamen Temperatur der Schaufel und der Haube für ein erstes
Härten
gehalten. Die Schaufel kann dann in üblicher Weise bei einer geeigneten
erhöhten
Temperatur nachgehärtet
werden, um den Härteprozess
abzuschließen,
wie es für
das jeweilige verwendete elastomere Material erforderlich ist.
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Da
sowohl der stromlinienförmige
Abschnitt 12 als auch die Haube 22 komplementäre, sich ändernde
3D Konturen haben, wird die Haube vorzugsweise mit dem stromlinienförmigen Abschnitt
in Übereinstimmung
gebracht oder ausgerichtet, um ihre komplementären Konturen aneinander anzupassen. Dies
kann dadurch herbeigeführt
werden, dass Justieransätze 26 vorgesehen
werden, die einstöckig
an gewählten
Stellen um den Umfang der Haube herum geformt sind, damit sie lateral
mit entsprechenden Rändern
des stromlinienförmigen
Abschnittes in Eingriff kommen, wie es beispielsweise in den 2 und 3 dargestellt ist.
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Zwei
der Justieransätze 26 können im
Abstand entlang der Vorderkante des stromlinienförmigen Abschnittes angeordnet
sein, wobei ein dritter Justieransatz an der Spitze von dem stromlinienförmigen Abschnitt
nahe seiner Hinterkante angeordnet ist. Auf diese Weise kann die
Haube schnell und genau auf dem stromlinienförmigen Abschnitt angebracht
werden, indem die entsprechenden Justieransätze entlang den entsprechenden
Kanten des stromlinienförmigen
Abschnittes zusammengefügt werden.
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Wie
in den 1 und 3 gezeigt ist, enthält die Haube 22 vorzugsweise
eine Umfangsdichtung 28 in der Form von beispielsweise
einem O-Ring, der in einer entsprechenden Vertiefung oder einem
Sitz in der Eingriffsfläche
der Haube ange bracht ist. Der Sitz folgt dem Umfang der Haube um
die eine oder mehrere Taschen herum, die mit Elastomer gefüllt sind.
Auf diese Weise kann die Haube 22 mit der ersten Seite 18 des
stromlinienförmigen
Abschnittes auf den entsprechenden Taschen 16 abgedichtet
werden.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt ist, enthält die Haube
vorzugsweise auch einen Umfangsrahmen 30, der eine getrennte
Komponente sein oder einstückig
mit der Haube selbst ausgeformt sein kann, der für eine lokale Versteifung oder
einen starren Bereich um die Haube herum sorgt, auf dem mehrere
geeignete Klemmen, die mit dem Buchstaben C bezeichnet sind, aufgebracht
sein können,
um die Haube an dem stromlinienförmigen
Abschnitt um seinen Umfang herum festzuklemmen. Auf diese Weise
wird die Haube an dem stromlinienförmigen Abschnitt festgeklemmt,
wobei die Dichtung 28 an der ersten Seite des stromlinienförmigen Abschnittes festgeklemmt
ist, um eine Dichtung damit beizubehalten.
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Das
elastomere Strömungsmittel
bzw. Fluid 24 kann dann unter einem geeigneten Druck in
die Taschen 16 eingespritzt werden. Da die Taschen 16 zunächst Luft
darin enthalten, wird die Haube 22 vorzugsweise so konfiguriert,
dass Luft aus den Taschen ausgeblasen wird, wenn das elastomere
Strömungsmittel
die Luft in den Taschen verdrängt.
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Dies
kann dadurch erreicht werden, daß mehrere Abzapf- oder Sickerlöcher 32 in
der Form von vertieften Schlitzen an der Spitze von der Haube vorgesehen
werden, wie es in den 1 und 2 dargestellt ist. Die Abzapflöcher 32 unterbrechen
die Umfangsdichtung 28 und gestatten den Austritt von Luft,
wenn das elastomere Strömungsmittel 24 in
die Taschen eingespritzt wird.
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Wie
oben angegeben ist, ist der stromlinienförmige Abschnitt 12 vorzugsweise
mit mehreren Taschen 16 in seiner ersten Seite geformt.
Weiterhin wird das elastomere Fluid 24 vorzugsweise seinerseits
in die Taschen eingespritzt, um den Austritt der gesamten Luft darin
sicherzustellen. Dies kann mit einem einzigen Einspritzort oder
vielen Einspritzorten erreicht werden.
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Wie
in den 1 und 3 gezeigt ist, ist der stromlinienförmige Abschnitt 12 vorzugsweise
mit vertieften Stegen oder Rippen 34 zwischen benachbarten
Taschen 16 versehen. Die Haube 22 ist vorzugsweise
so geformt, dass sie einen Spalt 36 auf den Rippen 34 bildet.
Die Eingriffsfläche
der Haube 32 ist deshalb so geformt, dass sie das endgültige Profil
oder Oberfläche
von der ersten Seite 18 des stromlinienförmigen Abschnittes
nach der letzten Einspritzung des Elastomers bildet. Wenn das elastomere
Strömungsmittel 24 in
eine der Taschen 16 eingespritzt wird, wie es in 3 dargestellt ist, kann
es durch die mehreren Spalte 36 strömen, um seinerseits die angrenzenden
Taschen zu füllen.
Wenn die Taschen gefüllt
sind, wird die darin enthaltene Luft durch die Abzapflöcher 32 ausgestoßen, wie
es in 2 gezeigt ist,
bis ein Teil von dem elastomeren Strömungsmittel selbst nach dem
vollständigen
Füllen
der mehreren Taschen austritt.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das
in 2 dargestellt ist,
wird das elastomere Strömungsmittel 24 durch
die Haube 22 hindurch an einem einzigen Ort an dem einen
Ende der Haube eingespritzt und füllt seinerseits alle Taschen 16.
Wenn das Strömungsmittel
von Tasche zu Tasche durch die entsprechenden Spalte wandert, wird
aus dem gegenüberliegenden
Ende der Haube Luft ausgestoßen,
um eine vollständige
Entleerung von Luft aus den mehreren Taschen und deren vollständige Füllung mit
dem elastomeren Strömungsmittel
sicherzustellen.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt ist, enthält die Haube
ein einstöckiges
Einlassrohr oder -öffnung 38,
die in geeigneter Weise an dem einen Ende von einer der zu füllenden
Taschen 16 angeordnet ist. Das Einlassrohr 38 ist
in geeigneter Weise mit der Einspritzeinrichtung verbunden, um das
elastomere Strömungsmittel
unter einem geeigneten Druck zu empfangen.
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Da
das elastomere Fluid 24 zunächst viskos beispielsweise
in der Konsistenz von Sirup ist, muss ein ausreichender Druck ausgeübt werden,
um das Strömungsmittel
durch die Haube und von Tasche zu Tasche durch die dazwischen befindlichen
kleinen Spalte hindurch einzuspritzen. Der Druck des elastomeren
Strömungsmittels
wird vorzugsweise beibehalten, nachdem alle Taschen gefüllt sind,
bis das Strömungsmittel
in geeigneter Weise ausgehärtet
ist, um eine vollständige
Fül lung
der mehreren Taschen sicherzustellen. Die Haube 22 selbst
sollte deshalb eine geeignete strukturelle Festigkeit haben, um
dem entwickelten Druck während
der Einspritzung von Strömungsmittel
ohne unakzeptable Verformung der Haube zu widerstehen, die die Profildicke
des Elastomers in den Taschen vergrößern würde.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Rückdruck,
der durch die Haube auf das injizierte Strömungsmittel ausgeübt wird,
vorzugsweise begrenzt, um seinerseits eine Verformung der Haube 22 selbst
zu begrenzen. Die Senkung des Rückdruckes kann
dadurch gesteuert werden, dass eine geeignete Anzahl von Abzapflöchern 32 mit
genügend
großen Strömungsflächen verwendet
wird und indem auch geeignet bemessene Spalte 36 ausgebildet
werden, um Druckverluste entlang der Strömungsbahn des eingespritzten
Strömungsmittels
durch die Verkleidung hindurch zu senken.
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Nach
der Entfernung der Haube 22 und dem endgültigen Aushärten des
Elastomers erfreut sich die entstehende Schaufel 10 eines
glatten aerodynamischen Profils, wie es in 4 dargestellt ist. Das ausgehärtete Elastomer 24 füllt alle
Taschen 16 und ist bündig
mit der ersten Seite 18 des stromlinienförmigen Abschnittes verbunden,
um ihre aerodynamische Kontur zu vervollständigen. Die Haube 22 kann erneut
verwendet werden, um weitere Fanschaufeln in Serienproduktion zu
fertigen.
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Hybride
stromlinienförmige
Abschnitte, die Metallkörper
mit elastomeren Taschen enthalten, können auf einfache Weise geformt
werden bei signifikant gesenkten Kosten unter Verwendung des Einspritzverfahrens
gemäß der Erfindung.
Das Verfahren kann auch für
andere Arten von hybriden stromlinienförmigen Abschnitten in einem
Gasturbinentriebwerk verwendet werden, wie beispielsweise Statorschaufeln
oder Auslassführungsschaufeln.