DE60008980T2

DE60008980T2 - Durch Spritzgiessen geformte Hybridschaufel

Info

Publication number: DE60008980T2
Application number: DE60008980T
Authority: DE
Inventors: Charles Richard Cincinnati Evans; Jr. Joseph Thomas West Chester Begovich; Douglas Duane West Chester Ward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-08-16
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2020-08-05
Also published as: EP1077126A1; JP2001073997A; US6282786B1; JP5178971B2; EP1077126B1; DE60008980D1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf die Fertigung eines stromlinienförmigen Abschnittes dafür.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es ist demzufolge wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von hybriden stromlinienförmigen Abschnitten für ein Gasturbinentriebwerk bei gesenkten Kosten bereitzustellen.
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.
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.
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.
Der stromlinienförmige Abschnitt kann mit mehreren Taschen in seiner ersten Seite versehen sein, und das Fluid kann seinerseits in die Taschen gespritzt werden.
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.
Das Fluid kann durch die Haube an einem einzelnen Ort eingespritzt werden und füllt seinerseits alle Taschen.
Der Druck von dem Fluid kann beibehalten werden, nachdem die Tasche damit gefüllt ist, bis das Fluid ausgehärtet ist.
Der Fluid kann an dem einen Ende von der Haube eingespritzt werden, und die Luft wird an einem gegenüberliegenden Ende der Haube abgezapft.
Das Verfahren kann weiterhin enthalten, dass der Rückdruck des Fluids in der Tasche begrenzt wird, um eine Verformung der Haube zu begrenzen.
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:
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;
2 eine Fließbilddarstellung von einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung des stromlinienförmigen Abschnittes ist, der in 1 dargestellt ist, mit einer damit zusammenarbeitenden Haube;
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;
4 eine isometrische Ansicht von dem fertigen stromlinienförmigen Abschnitt mit dem ausgehärteten Elastomer in seinen mehreren Taschen ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines stromlinienförmigen Schaufelabschnittes von einem hybriden Gasturbinentriebwerk, enthaltend: Formen eines metallischen stromlinienförmigen Schaufelabschnittes (12) mit einer Tasche (16) in seiner ersten Seite (18), Überdecken der Tasche mit einer Haube (22), Einspritzen eines elastomeren Fluids (24) in die Tasche und Aushärten des Fluids in der Tasche für eine Bindung damit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die erste Seite (18) des stromlinienförmigen Schaufelabschnittes eine wechselnde Kontour hat, die Haube (22) eine komplementäre Kontour hat, und die Haube (22) mit dem stromlinienförmigen Schaufelabschnittes in Übereinstimmung gebracht wird, um ihre komplementäre Kontour anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner enthaltend: Abdichten der Haube (22) an dem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt über der Tasche, Einspritzen des Fluids (24) unter Druck in die Tasche und Abzapfen von Luft aus der Tasche(n), wenn das Fluid die Luft in der Tasche verdrängt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei: der stromlinienförmige Schaufelabschnitt (12) mit mehreren Taschen (16) in seiner ersten Seite (18) ausgebildet wird und das Fluid (24) der Reihe nach in die Taschen eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei: der stromlinienförmige Schaufelabschnitt (12) mit versenkten Rippen (34) zwischen benachbarten Taschen (16) versehen wird, die Haube (22) geformt wird, um einen Spalt (36) auf den Rippen (34) zu bilden, und das Fluid in eine der Taschen eingespritzt wird, um durch den Spalt zu strömen und angrenzende Taschen zu füllen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Fluid (24) durch die Haube (22) an einem einzelnen Ort an dem einen Ende von der Haube eingespritzt wird und der Reihe nach alle Taschen füllt, wenn Luft an einem gegenüberliegenden Ende der Haube abgezapft wird.