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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke
und im Speziellen auf darin vorgesehene Bläserlaufschaufeln mit großer Sehnenlänge.
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Ein
Turbofangasturbinentriebwerk enthält eine Reihe von Bläserlaufschaufeln,
die von einer Niederdruckturbine (Low Pressure Turbine, LPT) angetrieben
sind. Luft strömt
zunächst
in das Triebwerk durch den Bläser
hinein und ihr innerer Anteil tritt in einen Kompressor ein, der
die Luft zur Durchmischung mit einem Treibstoff in einer Brennkammer unter
Druck setzt, wobei das Gemisch gezündet wird, um heiße Verbrennungsgase
zu erzeugen, die stromab durch eine Hochdruckturbine (High Pressure
Turbine, HPT) strömen,
die ihnen zusätzliche
Energie für den
Antrieb des Bläsers
entnimmt. Der verbleibende Anteil der durch den Bläaser strömenden Luft
wird aus dem Triebwerk ausgestoßen,
um einen Schub zu erzeugen, um ein Flugzeug während des Flugs anzutreiben.
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Eine
Bläserlaufschaufel
enthält
an ihrem radial inneren Ende einen Schwalbenschwanz, der in einem
am Umfang einer Rotorscheibe sich befindenden komplementären Schwalbenschwanzschlitz
aufgenommen ist. Ein Schaufelblatt ist mittels eines strukturellen
Schafts mit dem Schwalbenschwanz verbunden. Plattformen können mit
dem Schaufelblatt integral verbunden oder getrennt zwischen benachbarten
Schaufeln angebracht sein, um für
die Gebläseluft
eine radial innere Strömungspfadbegrenzung
zu schaffen, wobei sich die Plattform radial oben auf dem Schaft
an einem radial inneren Fuß des
Schaufelblatts befindet.
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Das
Schaufelblatt erstreckt sich radial nach außen zu einer gegenüberliegenden
Spitze und weist eine Vorder- oder Eintrittskante und eine axial
gegenüberliegende
Hinter- oder Austrittskante auf, die zusammen den Umfang des Schaufelblatts
definieren. Das Schaufelblatt weist eine im Allgemeinen konkave
erste Druckseite und eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende
im Allgemeinen konvexe zweite Saugseite auf. Das Schaufelblatt weist
eine Spannweite oder Längsachse,
die sich in der radialen Richtung von der Mittellinie der Rotorscheibe
aus erstreckt, an die es angebracht ist, und verschiedene Sehnen
auf, die sich im Allgemeinen axial zwischen der Vorder- und der
Hinterkante erstrecken. Zur Maximierung seiner aerodynamischen Eigenschaften weist
das Schaufelblatt typischerweise von seinem Fuß bis zu seiner Spitze eine
Verbindung auf.
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Eine
Bläserlaufschaufel
mit großer
Sehnenlänge
weist ein relativ niedriges Seitenverhältnis auf, das durch ihr Spannweite-Sehne-Verhältnis gebildet ist,
und sie ist relativ schwer, wenn sie als massives Metallteil ausgebildet
ist. Eine Gewichtsreduktion wird typischerweise dadurch erzielt,
dass hochfeste Superlegierungsmaterialien, wie solche, die Titan enthalten,
verwendet werden. Mit zunehmender Größe der Triebwerke erhöht sich
jedoch, die Größe und das
Gewicht der entsprechenden Bläserlaufschaufeln,
und die Schwierigkeit, eine geeignete Lebensdauer für sie angesichts
der hohen zentrifugalen Kräfte,
die im laufenden Betrieb erzeugt werden, zu erzielen, steigt.
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In
einzelnen Entwicklungen wurden zur Gewichtsreduktion bei gleichzeitiger
Gewährleistung
akzeptabler Leistungsfähigkeit
im Umfeld der Gasturbinentriebwerke Bläserlaufschaufeln gänzlich aus
Verbundwerkstoffen geschaffen. Eine typische Verbundschaufel enthält einige
Schichten von Strukturfasern, wie z.B. Graphitfasern, die zur Anpassung
der Schaufelstärke
in einer Leichtgewichtskonstruktion in einer passenden Matrix, wie
z.B. aus Epoxid, eingebettet sind. Verbundschaufeln erfordern die
Verwendung eines komplexen Herstellungsprozesses und sind teuer
in der Herstellung.
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Es
sind auch hauptsächlich
aus Metall, bspw. Titan, hergestellte Hybridschaufeln entwickelt
worden, die innen liegende geeignete Taschen enthalten, die zur
Vervollständigung
des erforderlichen aerodynamischen Profils des Schaufelblatts mit
einem geeigneten elastomeren Füllstoff
gefüllt
sind. Die Taschen sind durch entsprechende integrale Metallrippen
definiert, die zur Maximierung der verbleibenden Steifheit und des
Biegeträgheitsmoments
des Schaufelblatts ein quer durch die volle Dicke des Schaufelblatts
verlaufendes Metall aufweisen.
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Die
gewichtsreduzierenden Taschen unterbrechen jedoch notwendigerweise
die Strukturkontinuität
des Schaufelblatts, wobei die freigelegten Kanten der Taschen strukturelle
Unstetigkeiten in der dem Füllstoff
benachbarten Schaufelblattoberfläche verursachen.
Die Rippen sind deshalb im Betrieb lokalen Spannungskonzentrationen
unterworfen.
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Im
laufenden Betrieb drehen sich die Schaufeln und sind zentrifugalen
Lasten ausgesetzt, die von dem Metallanteil der Schaufelblätter, einschließlich der
Rippen, aufgefangen werden, wobei der Füllstoff lediglich sein Eigengewicht
beiträgt,
das wiederum von dem Metallanteil des Schaufelblatts aufgefangen
wird. Das Schaufelblatt ist ei ner schwingenden Biege- und Drehbeanspruchung
ausgesetzt, die wiederum die Lasten und die resultierende Spannung
erhöhen,
die von dem Metallschaufelblatt, einschließlich seiner Rippen, aufgenommen
werden. Und die Bläserlaufschaufel
ist Fremdkörperbeschädigungen,
z.B. durch Aufprall aufgrund eines Vogelschlags, ausgesetzt. Ein
Vogelschlag setzt die Schaufel zusätzlicher Stoßbelastung
aus, die die Spannung des metallischen Schaufelblatts, einschließlich der
Rippen, weiter erhöht.
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Um
einen starken Verbund zwischen dem Füllstoff und dem zugrunde liegenden
Metall des Schaufelblatts sicherzustellen, kann eine Grundbeschichtung
in den Taschen angewendet werden, bevor diese mit Füllstoff
aufgefüllt
werden. Wenn der Füllstoff
ausgehärtet
und mit dem Metallschaufelblatt verbunden ist, ist seine Oberfläche direkt
der Umgebungsluft ausgesetzt und mit dem verbleibenden Metallrand
flächengleich
oder bündig,
um die entsprechend aerodynamisch konfigurierte Seite des Schaufelblatts
zu definieren.
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Die
zugrunde liegende Grundbeschichtung ist jedoch entlang der Grenzstelle
zwischen dem Füllstoff
und dem Metallrand offen gelegt und ist somit einer Beeinträchtigung
aufgrund von Feuchtigkeit, chemischen Lösungsmitteln und Beschädigung durch Gebrauch
unterworfen. Die Beeinträchtigung
der Grundbeschichtung kann dann zur Ablösung des Füllstoffs von dem Metallschaufelblatt
und einer entsprechenden Reduktion der nutzbaren Lebensdauer der
Bläserlaufschaufel
führen.
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US 6,039,542 beschreibt
einen Typ von Gasturbinentriebwerksbläserschaufeln mit einem Metallschaufelblatt.
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Entsprechend
besteht der Wunsch nach Schaffung einer verbesserten Hybridbläserlaufschaufel,
die reduzierte Spannungskonzentrationen und eine reduzierte Freilegung
der Grenzstelle zwischen dem Füllstoff
und dem Metallschaufelblatt aufweist.
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Eine
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in dem unabhängigen Anspruch 1 definiert,
der hier beigefügt
ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält eine
Gasturbinentriebwerksbläserlaufschaufel
ein Metallschaufelblatt mit einer Tasche, die zu einer ersten Seite
von diesem angeordnet ist, wobei die Tasche einen mit ihr verbundenen
Füllstoff
aufweist. Die Tasche enthält
mehrere Zellen, die durch entsprechende Rippen voneinander getrennt
sind, die in dem Füllstoff
untergetaucht sind.
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Die
Erfindung ist gemäß bevorzugter
und beispielhafter Ausführungsformen
gemeinsam mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen in größeren Einzelheiten
in der folgenden detaillierten Beschreibung beschrieben, die in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
angegeben ist:
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1 zeigt
eine Draufsicht auf eine beispielhafte Hybridbläserlaufschaufel eines Gasturbinentriebwerks,
der gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine mehrzellige Tasche mit einem Füllstoff
in ihrem Innern enthält.
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2 zeigt
eine radiale Querschnittsansicht durch einen mittleren Spanweitenabschnitt
des in 1 veran schaulichten Schaufelblatts, geschnitten im
Wesentlichen entlang der Linie 2-2.
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3 zeigt
eine vergrößerte radiale
Querschnittsansicht einer beispielhaften untergetauchten Rippe des
in 2 innerhalb des gestrichelten Kreises mit der
Kennzeichnung 3 veranschaulichten Schaufelblatts.
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4 zeigt
ist eine vergrößerte radiale Schnittansicht
der Tasche, die an den Metallrand in der Nähe der Vorderkante angrenzt,
wie in 2 innerhalb des mit 4 gekennzeichneten
gestrichelten Kreises veranschaulicht, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist
eine von mehreren beispielhaften Bläserlaufschaufeln 10 eines
Turbofan-Gasturbinentriebwerks veranschaulicht, die an dem Umfang
einer Rotorscheibe 12 befestigt ist, welche teilweise dargestellt
ist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Schaufel als eine Hybridschaufel gestaltet, die
ein Metallschaufelblatt 14 enthält, das eine erste oder Druckseite 16,
die im Wesentlichen konkav ausgebildet ist, und eine in Umfangsrichtung
gegenüberliegende
zweite oder Saugseite 18 enthält, die im Wesentlichen konvex
ausgebildet ist. Die erste und die zweite Seite oder Fläche 16, 18 erstrecken
sich in radialer Richtung entlang der Spannweite des Schaufelblatts
zwischen einem radial inneren Fuß 20 und einer entgegengesetzten
radial äußeren Spitze 22.
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Die
erste und die zweite Seite erstrecken sich auch axial entlang der
Sehnen des Schaufelblatts zwischen einer Vorder- oder Eintrittskante 24 und
einer axial gegenüber liegenden
Hinter- oder Austrittskante 26. Umgebungsluft 28 strömt im Betrieb über die
zwei Schaufelblattseiten hinweg von der Eintrittskante bis zu der
Austrittskante und wird von dem Schaufelblatt zur Schaffung eines
Antriebsschubs für
den Antrieb eines fliegenden Flugzeugs auf konventionelle Weise
unter Druck gesetzt.
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Obwohl
das Schaufelblatt 14 in einer einstückigen Anordnung, die als Blisk
bekannt ist, integral oder direkt auf der Rotorscheibe 12 montiert
sein kann, ist in der in 1 veranschaulichten beispielhaften
Ausführungsform
jedes der Schaufelblätter auf
herkömmliche
Weise lösbar
mit der Scheibe verbunden. Bspw. enthält die Laufschaufel ferner
einen Metallschaft 30, der im Ganzen, integral mit einem Schaufelblattfuß 20 zur
Halterung der Schaufel an der Rotorscheibe 12 verbunden
ist. Dies wird unter Verwendung eines konventionellen Metallschwalbenschwanzes 32 erzielt,
der im Ganzen, integral mit dem Schaft verbunden ist, um die Schaufel
in einem komplementären
Schwalbenschwanzschlitz 12a in der Rotorscheibe zu befestigen.
Das Schaufelblatt 14, der Schaft 30 und der Schwalbenschwanz 32 können zunächst bspw.
durch Schmieden in Form einer einstückigen oder einheitlichen Metallstruktur hergestellt
werden. Ein geeignetes Metall für
die Bläserlaufschaufel
ist z.B. Titan.
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Der
Schwalbenschwanz 32 ist typischerweise ein Schwalbenschwanz
mit axialer Einführung, der
in einem zugehörigen
Schwalbenschwanzschlitz 12a an dem Umfang der Rotorscheibe
aufgenommen ist. Der Schaft 30 schafft einen strukturellen Übergang
zwischen dem Schwalbenschwanz und dem aerodynamischen Schaufelblatt
und ist typischerweise selbst kein aerodynamisches Element. Der
Schaft ist typischerweise gegen über
von dem Schaufelblatt durch eine geeignete strömungsbegrenzende Plattform
(hier nicht dargestellt) versteckt, die an der Schaufelblattfuß 20 entweder
integral mit diesem verbunden oder in Form gesondert montierten
Plattformen zwischen benachbarten Laufschaufeln auf konventionelle
Weise angeordnet ist.
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Das
Schaufelblatt 14 enthält
eine Ausnehmung oder Tasche 34, die vorzugsweise ausschließlich in
der ersten oder Druckseite 16 des Schaufelblatts angeordnet
ist, wobei die Tasche einen vollständigen vierseitigen Umfang 34a aufweist,
der sich entlang einer Begrenzung 16a der ersten Seite
des Schaufelblatts um die Eintritts- und Austrittskante 24, 26,
den Fuß 20 und
die Spitze 22 herum erstreckt.
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Die
Tasche 34 enthält
mehrere Kammern oder Zellen 34b, die durch entsprechende
Rippen 36 voneinander getrennt sind. In der beispielhaften
Ausführungsform,
wie sie in 1 veranschaulicht ist, kreuzen
sich mehrere Sehnen- und
Radialrippen, um fünf
beispielhafte Taschenzellen 34b zu definieren.
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Die
gesamte Tasche, einschließlich
ihrer Zellen enthält
einen elastomeren Füllstoff 38,
der in der Tasche geeignet eingebunden ist, wobei die Rippen 36 in
dem Füllstoff
unter seine offen gelegte Oberfläche
versenkt oder untergetaucht sind.
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Das
Basisschaufelblatt 14, wie es in 1 veranschaulicht
ist, ist aus Metall, das eine strukturelle Integrität schafft,
um im laufenden Betrieb, wenn die Bläserlaufschaufel rotiert, um
durch Druckbeaufschlagung der Luft 28 einen Antriebsschub
zu erzeugen, aerodynamischen, zent rifugalen und Vibrationsbelastungen
zu widerstehen. In dem Schaufelblatt ist die Tasche, einschließlich ihrer
Zellen, geschaffen, um sein Gesamtgewicht wesentlich zu reduzieren und
um die im Betrieb hervorgerufenen zentrifugalen Belastungen zu reduzieren.
Der Füllstoff 38 ist
relativ leichtgewichtig und kann zum Verfüllen der Tasche jegliche passende
Form, wie z.B. eines elastomeren Gummis oder von Polyurethan, einnehmen,
um eine stetige Oberfläche über die
erste Schaufelblattseite hinweg zu schaffen, die der Luftströmung 28 ausgesetzt
ist, um diese unter Druck zu setzen.
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2 veranschaulicht
eine beispielhafte radiale Schnittansicht durch einen Teil des in 1 veranschaulichten
Schaufelblatts, wobei das Metallschaufelblatt und die Schaufel von
der Vorderkante 24 bis zu der Austrittskante 26 als
auch von dem Schwalbenschwanz 32 bis zu der Schaufelblattspitze 22 stetig
bzw. kontinuierlich verlaufen, wie sie in 1 veranschaulicht
ist. Wie in 2 veranschaulicht, sind die
Eintritts- und Austrittskante 24, 26 zur Maximierung
des aerodynamischen Wirkungsgrads relativ dünn und scharf und sind zwischen
der Saugseite 18 und dem Grenzabschnitt 16a der
Druckseite 16 vollständig
aus Metall ausgebildet, um ungeachtet der Einführung der Tasche 34,
einschließlich
ihrer verschiedenen Zellen, die Festigkeit und strukturelle Integrität des Schaufelblatts.
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Die
Zellen 34b sind um ihre Umfänge herum durch entsprechende
einzelne Rippen 36 und die entsprechenden Abschnitte der
Begrenzung 16a der ersten Seite gebildet. Das gesamte Profil
des Schaufelblatts 14, wie es in 2 veranschaulicht
ist, definiert zwischen seinen beiden gegenüberliegenden Seiten ein geeignetes
aerodynamisches Profil, das zur Maximierung der Effizienz der Druckbeaufschlagung der
Umgebungsluft im Betrieb speziell gestaltet ist. Das Metallschaufelblatt
ist an den einzelnen Zellen 34b relativ dünn, um unter
Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen strukturellen Lastpfads über dem
gesamten Schaufelblatt zur Aufrechterhaltung seiner strukturellen
Integrität
das Schaufelblattgewicht zu minimieren.
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Der
Füllstoff 38 ist
in die Zellen eingebracht, um das Metallvolumen zu ersetzen, das
anderenfalls durch die Einführung
der Zellen selbst verloren ginge, um das Schaufelblatt, einschließlich des
Füllstoffs 38 in
der ersten Seite 16, in das erforderliche aerodynamische
Profil zurückzuführen. Auf
diese Weise ist die erste Seite des Schaufelblatts 16 teilweise
durch die Begrenzung 16a, die direkt der Umgebungsluft
ausgesetzt ist, und im verbleibenden Teil durch die offen gelegte
Außenfläche des
Füllstoffs 38 definiert.
Der versteckte Anteil der ersten Seite des Schaufelblatts unterhalb
des Füllstoffs 38 definiert
die verschiedenen Zellen 34b und die dazwischen eingefügten Rippen 36.
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3 veranschaulicht
detaillierter eine beispielhafte Rippe der untergetauchten Rippen 36 und den
darüber
liegenden Füllstoff 38,
der der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Wie oben angedeutet, kann der
Füllstoff
beliebiges geeignetes Material, vorzugsweise ein elastomerisches
Material, sein, um die elastische Beanspruchung im Betrieb belastet
men zu können,
wenn das Metallschaufelblatt im Betrieb belastet wird. Der elastomere
Füllstoff 38,
wie z.B. Polyurethan, ist vorzugsweise mit einer Grundbeschichtung
bzw. Grundierung 40 haftschlüssig verbunden, mit der zunächst die
Tasche, einschließlich ihrer
Zellen 34b und Rippen 36, beschichtet oder von dieser
bedeckt werden. Eine geeignete Grundierung ist TyPly BN, die von
der Lord Corporation, Erie, Pennsylvania, erhältlich ist.
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Wie
in 4 veranschaulicht, ist der Füllstoff 38 vorzugsweise
bündig
oder auf gleicher Ebene mit der Schaufelblattbegrenzung 16a angeordnet
und definiert mit ihr eine stetige aerodynamische Fläche, die
der darüber
geleiteten Luft ausgesetzt ist. Der Füllstoff 38 grenzt
stößt auf diese
Weise um den vollen Umfang 34a der Tasche herum an die
Metallbegrenzung 16a an, die den Rand der darunter liegenden
Grundierung direkt der Umgebungsluft aussetzt.
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Ein
besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass
die verschiedenen Rippen 36, die in 1-3 veranschaulicht
sind, in dem Füllstoff 38 untergetaucht
sind und auf diese Weise keine zusätzlichen Stellen bilden, an
denen die Grundbeschichtung bis zu der Schaufelblattoberfläche freigelegt
ist. Eine Oberflächenfreilegung
der Grundierung ist auf diese Weise auf den Umfang 34a der
in 1 veranschaulichten Tasche beschränkt, wobei
die verschiedenen Rippen 36 innerhalb des Füllstoffs
untergetaucht sind. Auf diese Weise sind die Umfangsränder des
Füllstoffs
selbst in ihrer Ausdehnung beschränkt, was entsprechend die vorhandenen
Füllstoffsbereiche
begrenzt, die im Verlaufe des Schaufellebens eine Beeinträchtigung
erfahren.
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Das
Untertauchen der Rippen 36 unter den Füllstoff und unterhalb das durch
ihn definierte aerodynamische Profil reduziert entsprechend das
Biegeträgheitsmoment
des Metallschaufelblatts und seine zugehörige Festigkeit.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
sind die Rippen 36 in dem Füllstoff bis zu einer begrenzten Tiefe
im Bereich zwischen ungefähr
0,5 mm und 2,5 mm untergetaucht, um eine relativ dünne Bahn
oder ein relativ dünnes
Band des Füllstoffs 38 direkt über ihnen,
wie in 3 veranschaulicht, zu erhalten. Auf diese Weise
ist eine stetige Fläche
des Füllstoffs 38 der
Umgebungsluft ausgesetzt und definiert einen großen Teil der offen gelegten
ersten Seite des Schaufelblatts, die mit der Begrenzung 16a abschließt, wie
in 1 veranschaulicht.
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Da
die Rippen 36 selbst jedoch integrale Teile des Metallschaufelblatts
bilden, stellen sie die strukturelle Integrität des Schaufelblatts selbst
sicher und nehmen im laufenden Betrieb wesentliche Lasten auf. Rippen,
die in früheren
Entwicklungen der Hybridschaufel benutzt wurden, wurden zur Beibehaltung
der Festigkeit an der Schaufelblattoberfläche freigelegt und würden auf
diese Weise einen weiteren Teil der Grundierung für die Umgebung
freilegen. Diese früheren
Rippen weisen typischerweise parallele Seiten und entsprechende
scharfe Ecken auf, die beachtliche Spannungskonzentrationen bewirken und
im Betrieb die Spannung lokal erhöhen.
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Um
die Spannungskonzentration zu reduzieren, weisen die verschiedenen
Rippen 36 jeweils einen bogenförmigen seitlichen Bereich oder
ein bogenförmiges
seitliches Profil auf, wie dies im Detail in 3 veranschaulicht
ist. Die Rippe 36 ist im Wesentlichen konvex oder nach
außen
ohne scharfe Ecken gerundet.
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Jede
Rippe 36 ist im Wesentlichen symmetrisch im Querschnitt
oder seitlichen Schnitt und enthält
gegenüberliegende
Seiten, die unter entsprechenden Seitenabschrägungswinkeln A, die relativ zu
der horizontalen oder im Allgemeinen flachen Oberfläche des
Füllstoffs 38 gemessen
werden, zugespitzt oder geneigt verlaufen. Die Rippenseiten laufen
mit einem seichten Übergang
von der abgerundeten Spitze der Rippe zu den relativ flachen Unterseiten
der benachbarten Zellen 34b sanft spitz zu.
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Das
Profil jeder Rippe 36 ist abgeschrägt und zu verschiedenen Zwecken
passend vermischt. Grundsätzlich
sind die Rippen geschaffen, um die einzelnen Zellen 34b bei
gleichzeitiger Beibehaltung der strukturellen Integrität des Metallschaufelblatts voneinander
zu trennen. Wenn der Winkel A der Rippenseitenwände zu flach oder klein ist,
wird das Volumen der benachbarten Taschen entsprechend klein und
die Gewichtsreduktion begrenzt sein. Wenn der Winkel A zu scharf
oder groß ist,
werden die entsprechenden Grenzstellenspannungen zwischen den Rippen
und dem Füllstoff
ansteigen. Und die Seitenabschrägungswinkel
können
gleich oder ungleich sein, wie dies zur Minimierung der Grenzstellenspannung
und des Schaufelblattgewichts erwünscht ist.
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Darüber hinaus
sind die Rippen 36 zur Aufrechterhaltung der Stetigkeit
des Füllstoffs
in Form einer aerodynamischen Oberfläche unterhalb der offen gelegten
Oberfläche
des Füllstoffs 38 untergetaucht, wobei
das Untertauchen der Rippe jedoch das innere Biegemoment des Schaufelblattbereichs
entsprechend reduziert und in ihm die Spannung erhöhen kann.
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Entsprechend
sind die Rippenspitzen im Betrieb einer hohen Spannung ausgesetzt,
die gemäß einem
Merkmal der vorliegenden Erfindung durch Abrundung der Spitzen mit
ent sprechenden Ausrundung oder Radien zur Eliminierung scharfer
Ecken reduziert ist.
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Wie
oben angezeigt, sind die Rippen 36 ferner unterhalb der
offen gelegten Fläche
des Füllstoffs in
dem relativ kleinen Bereich von ungefähr 0,5 bis 2,5 mm untergetaucht,
um bei gleichzeitiger Beibehaltung geeigneter Festigkeit und Stetigkeit
des auf der Oberseite der Rippen angebundenen Füllstoffbands die Stärke des
Schaufelblatts zu maximieren.
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Da
die verschiedenen in 1 veranschaulichten Rippen 36 in
dem Füllstoff 38 untergetaucht sind,
ist eine einzige Tasche 34 an der Schaufelblattoberfläche offen
gelegt und weist den kontinuierlichen Umfang 34a auf. Die
einzelnen Taschenzellen 34b sind untergetaucht und, wenn
sie mit Füllstoff aufgefüllt sind,
außer
Sichtweite versteckt.
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Wie
oben angezeigt, veranschaulichen die 1 und 2 ein
typisches Schaufelblattprofil einer Bläserlaufschaufel, das von der
Vorder- zu der Hinterkante relativ dünn ist. Die Vorder- und Hinterkanten 24, 26 selbst
sind dünn
und scharf und sind lediglich zur Beibehaltung derer Festigkeit
aus dem metallenen Ausgangsmaterial ausgebildet. Die metallische
Schaufelblattbegrenzung 16a erstreckt sich zur Aufrechterhaltung
der Festigkeit der Schaufelblattränder vor dem Übergang
in die benachbarten Taschenzellen 34b von der Vorder- und
der Hinterkante nach innen.
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Wie
in 1 veranschaulicht, sind die verschiedenen Rippen 36 zur
Schaffung einer strukturellen Integrität des Schaufelblatts in der
gewünschten Weise
ausgerichtet, um typischen Lasten, wie sie im laufenden Betrieb
erfahren und radial, axial und in Verdrehrichtung aufgenommen werden,
zu widerstehen. Die Belastungen, die im laufenden Betrieb von der
Schaufel erfahren werden, können
auch durch Fremdkörperbeschädigungen,
wie z.B. aufgrund eines Vogelschlags, typischerweise an der Schaufelblattvorderkante 24,
verursacht werden.
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Um
die strukturelle Integrität
des Schaufelblatts mit der darin vorgesehenen gewichtsreduzierenden
Tasche weiter zu erhöhen,
enthält
die Tasche 34, wie ursprünglich in 1 veranschaulicht,
vorzugsweise einen untergetauchten Sockel 34c, der sich
kontinuierlich um den Taschenumfang 34a erstreckt, um die
Tasche mit der Metallbegrenzung 16a zu vermischen.
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Eine
Schnittansicht des Schafts 34c gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
ist detaillierter in 4 veranschaulicht. Der Schaft 34c ist
unter einem Abschrägungswinkel
B von der Oberfläche
der Schaufelblattbegrenzung 16a nach innen in die Taschen
gerichtet abgeschrägt.
Auf diese Weise definiert der Schaft eine ausgeprägte Schräge oder Rampe
von dem Taschenrand, der den Umfang 34a definiert, und
schafft einen seichten Übergang
zwischen der Schaufelblattbegrenzung 16a in die entsprechende
Taschenzellen 34b, in denen die Dicke des Metallschaufelblatts
abnimmt.
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Auf
diese Weise werden relativ scharfe Ecken oder abrupte Wechsel in
der Metallstetigkeit reduziert oder eliminiert, um eine entsprechende Spannungskonzentration
an der Verbindungsstelle des Füllstoffes
mit der Metallbegrenzung 16a zu reduzieren. Die verschiedenen
Belastungen, die im laufenden Betrieb der Bläserlaufschaufel hervorgerufen
wer den, einschließlich
Vogelschlagbelastungen, werden auf diese Weise durch das Metallschaufelblatt
zwischen den Vorder- und
Hinterkanten und von dem Fuß bis
zu der Spitze effizienter aufgenommen, ohne ausgesprochene Spannungskonzentrationen entweder
um den Umfang der Tasche herum oder um die Umfänge ihrer Zellen 34b herum
oder entlang der einzelnen untergetauchten Rippen 36 zu
bilden.
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Wie
in 1 veranschaulicht, ist der Schaft 34c von
dem Umfang 34a der Tasche entlang der verschiedenen Taschenzellen 34b sowie
entlang der untergetauchten Rippen 36, die den Taschenumfang kreuzen,
nach innen abgeschrägt.
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Auf
diese Weise ist ein ausgeprägter
Schaft 34c um den Taschenumfang 34a und die Metallbegrenzung 16a herum
in stetiger Weise geschaffen, um einen seichten Übergang von der Metallbegrenzung
in die entsprechenden Taschen und Rippen zu schaffen.
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Wie
in 4 veranschaulicht, weist der Schaft 34c einen
Abschrägungswinkel
B auf, der sich vorzugsweise von dem Abschrägungswinkel C der benachbarten
Taschenzellen 34b an der Verbindungsstelle mit diesen unterscheidet.
Die Schaftabschrägung
B ist dort vorzugsweise geringer als die Zellenabschrägung C,
um einen deutlichen, im Allgemeinen flachen Schaft um den vollen
Umfang der Tasche und der benachbarten Metallbegrenzung herum zu
schaffen.
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Der
ausgeprägte
Schaft garantiert einen flachen Übergang
zwischen den Zellen und den Rippen an der Metallbegrenzung, um die
Spannungskonzentration zu reduzieren. Und der ausgeprägte Schaft lässt sich
in computergesteuer ten Maschinen ohne weiteres definieren, um genau
hergestellt zu werden.
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Wie
in 3 und 4 veranschaulicht, ist der Rippenabschrägungswinkel
A vorzugsweise von dem Schaftabschrägungswinkel B verschieden,
wobei der Rippenabschrägungswinkel
vorzugsweise größer als
der Schaftabschrägungswinkel
ist. Die Rippen- und Schaftabschrägungen erfüllen verschiedene Funktionen
und sind im Wert entsprechend verschieden. Eine flache Schaftabschrägung B wird
zur Verbesserung der strukturellen Integrität des Metallschaufelblatts
und der Stetigkeit der strukturellen Lastwege zwischen den Vorder-
und der Hinterkante, dem Fuß und
der Spitze des Schaufelblatts bevorzugt. Eine größere Rippenabschrägung wird
zur Maximierung des Volumens benachbarter Taschenzellen 34b zur
Reduktion des Schaufelblattgewichts bevorzugt, jedoch ohne unakzeptabel
große
Spannungskonzentrationen an den Rippen selbst zu generieren.
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Wie
in 1 veranschaulicht, sind alle der verschiedenen
Rippen 36 vorzugsweise im Wesentlichen gleich in dem Füllstoff 38 untergetaucht,
um, wie in 3 veranschaulicht, ähnlich dicke
Füllstoffbänder über den
Rippen zu schaffen. Die untergetauchten Rippen vermischen sich,
wie in 4 veranschaulicht, mit der Metallbegrenzung 16a an
dem Taschenschaft 34c.
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Der
Schaftabschrägungswinkel
B ist vorzugsweise flach und kleiner als oder gleich ungefähr 20 Grad
und beträgt
vorzugsweise z.B. 15 Grad. Der Zellenabschrägungswinkel C an dem Taschenschaft ist
geringfügiger
größer als
der Schaftabschrägungwinkel
B, und zwar in der bevorzugten Ausführungsform um ungefähr 2 bis
7 Grad.
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Entsprechend
ist der in 3 veranschaulichte Rippenabschrägungswinkel
A vorzugsweise geringer als oder gleich ungefähr 60 Grad und beträgt in der
bevorzugten Ausführungsform
ungefähr 20
Grad.
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Die
untergetauchten und abgeschrägten Rippen
schaffen eine wesentliche Verbesserung der strukturellen Integrität der vorstehend
beschriebenen Hybridbläserlaufschaufel
und erlauben eine wesentliche Gewichtsreduktion unter gleichzeitiger
Aufrechterhaltung der Schaufelblattfestigkeit. Spannungskonzentrationen
an den Rippen werden infolge ihrer bogenförmigen Profile wesentlich reduziert,
und die abgeschrägte
Grenzstelle zwischen den Taschen und den um diese herum sich befindenden
benachbarten Metallabgrenzungen reduziert weiter die Spannungskonzentration
und verstärkt
die strukturelle Integrität des
Schaufelblatts. Der in die mehrzellige Tasche eingebundene Füllstoff
weist eine der umgebenden Luft ausgesetzte stetige Oberfläche auf,
die einen großen
Teil der ersten Seite des Schaufelblatts bildet und auf gleicher
Höhe oder
bündig
mit der umgebenden Metallbegrenzung 16a liegt, die den
verbleibenden Teil der aerodynamischen Oberfläche bildet. Die freigelegte
Grundierung unter dem Füllstoff
ist vollständig
auf den Taschenumfang 34a begrenzt und reduziert wesentlich
die Stellen, an denen die Ränder des
Füllstoffs
beschädigt
werden können.