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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere
auf eine breite Sehne aufweisende Fanschaufeln darin.
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Ein
Turbofan-Gasturbinentriebwerk enthält eine Reihe von Fan- bzw.
Bläserschaufeln,
die durch eine Niederdruck-Turbine (NDT) angetrieben werden. Luft
tritt zunächst
in das Triebwerk durch den Fan bzw. Bläser ein, und ein innerer Teil
davon tritt in einen Verdichter ein, der die Luft verdichtet zum
Mischen mit Brennstoff in einem Brenner, und das Gemisch wird gezündet zum
Erzeugen heißer
Verbrennungsgase, die stromabwärts
durch eine Hochdruck-Turbine (HDT) strömen, die Energie entzieht zum
Antreiben des Verdichters. Die Verbrennungsgase strömen dann
durch die NDT, die zusätzliche Energie
daraus entzieht zum Antreiben des Fan. Der verbleibende äußere Teil
von der durch den Fan strömenden
Luft wird aus dem Triebwerk ausgestoßen zum Erzeugen von Schub
zum Antreiben eines Flugzeuges im Fluge.
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Eine
Fanschaufel enthält
einen Schwalbenschwanz an seinem radial inneren Ende, der in einer komplementären schwalbensschwanzförmigen Nut in
dem Umfang von einer Rotorscheibe eingeschlossen ist. Ein stromlinienförmiger Abschnitt
ist an dem Schwalbenschwanz durch einen tragenden Schaft befestigt.
Plattformen können
einstückig
mit der Schaufel verbunden sein oder getrennt zwischen benachbarten
Schaufeln befestigt sein zum Ausbilden einer radial inneren Strömungsbahn-Begrenzung für die Fanluft,
wobei die Plattform radial auf dem Schaft an einem radial inneren
Fuß von
dem stromlinienförmigen
Abschnitt angeordnet ist.
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Der
stromlinienförmige
Abschnitt erstreckt sich radial nach außen zu einer gegenüber liegenden Spitze
und hat eine Vorderkante und eine axial gegenüber liegende Hinterkante, die
zusammen den Umfang des stromlinienförmigen Abschnittes bilden. Der
stromlinienförmige
Abschnitt hat eine im allgemeinen konkave oder erste Druckseite
und eine in Umfangsrichtung gegenüber liegende konvexe oder zweite
Saugseite. Der stromlinienförmige
Abschnitt hat eine Spanne oder Längsachse,
die in der radialen Richtung von der Mittellinie der Rotorscheibe
ausgeht, an der er befestigt ist, und verschiedene Sehnen, die sich
im allgemeinen axial zwischen den Vorder- und Hinterkanten erstrecken.
Der stromlinienförmige
Abschnitt ist üblicherweise
von seinem Fuß bis zu
seiner Spitze verdreht zum Maximieren der aerodynamischen Leistungsfähigkeit.
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Eine
breite Sehne aufweisende Fanschaufeln haben ein relativ kleines
Seitenverhältnis,
was ihr Spannen-zu-Sehnenverhältnis
ist, und sie sind relativ schwer, wenn sie aus massiven Metallteilen
gebildet sind. Eine Gewichtsreduktion wird üblicherweise erhalten, wenn
hochfeste Superlegierungsmaterialien, wie beispielsweise diejenigen,
die Titan enthalten, verwendet wird. Wenn jedoch Triebwerke in ihrer Größe wachsen,
vergrößern die
entsprechenden Fanschaufeln Größe und Gewicht
und sie vergrößern die
Schwierigkeit, eine geeignete Lebensdauer dafür unter den hohen Zentrifugalbelastungen
zu erzielen, die während
des Betriebs erzeugt werden.
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In
getrennten Entwicklungen sind Vollverbund-Fanschaufeln ausgestaltet
worden, um das Gewicht zu reduzieren, während für eine akzeptable Leistungsfähigkeit
in der Gasturbinen-Triebwerksumgebung gesorgt wird. Eine typische
Verbundschaufel enthält
mehrere Schichten aus Strukturfasern, wie beispielsweise Graphit,
die in einer geeigneten Matrix, wie beispielsweise Epoxid, eingebettet
sind, um für
eine Maßschneiderung
der Schaufelfestigkeit in einer leichtgewichtigen Struktur zu sorgen.
Verbundschaufeln erfordern einen komplexen Fertigungsprozeß und sind
teuer zu produzieren.
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Hybridschaufeln
sind ebenfalls entwickelt worden, die primär aus Metall, wie beispielsweise
Titan, sind und geeignete Taschen darin aufweisen zum Reduzieren
des Gewichtes, wobei die Taschen mit einem geeigneten Füllmaterial
gefüllt
sind, um das erforderliche aerodynamische Profil des stromlinienförmigen Abschnittes
zu vervollständigen.
Jedoch verkleinern Taschen in einem ansonsten tragenden stromlinienförmigen Abschnitt
dessen Steifigkeit oder die entsprechenden Trägheitsmomente und erzeugen
so ein zusätzliches
Problem im Schwingungsverhalten und der Widerstandfähigkeit gegenüber Fremdobjektbeschädigung (FOD
von Foreign Object Damage).
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Genauer
gesagt, wird eine Fanschaufel während
des Betriebs Zentrifugalkraft, aerodynamischer Kraft und Schwingungsanstössen ausgesetzt
aufgrund der Rotation der Fanschaufeln über den verschiedenen Betriebsdrehzahlen
des Triebwerkes. Eine Fanschaufel hat verschiedene Resonanzschwingungsmodi
aufgrund der verschiedenen Anregungskräfte, die während des Betriebs des Triebwerks
auftreten. Eine Fanschaufel ist grundsätzlich von ihrer Rotorscheibe
auskragend und kann sich deshalb im allgemeinen in der Umfangsrichtung
in Biegemodi der fundamentalen oder höheren Ordnung biegen. Der stromlinienförmige Abschnitt
ist auch Torsionsschwingungsmodie der fundamentalen oder höheren Ordnung
ausgesetzt, die durch Verdrehen um die Spannenachse des stromlinienförmigen Abschnittes
herum auftreten. Die Biege- und Torsionsschwingungsmodi können auch
miteinander gekoppelt sein, wodurch um die Schwierigkeit des Schaufeldesigns
noch weiter vergrößert wird.
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Hybridschaufeln,
die leichtgewichtige Taschen darin enthalten, können auch örtlichen Platten-Schwingungsmodi
ausgesetzt sein aufgrund des verbleibenden dünnen Metalls an der Basis der
Taschen, die getrennt schwingen können. Zusätzlich zu diesen verschiedenen
Schwingungsmodi der einzelnen Schaufeln kann die volle Schaufelreihe
auf der Rotorscheibe gemeinsam in Gruppenmodi schwingen.
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Obwohl
Hybridschaufeln, die entwickelt worden sind, eine wesentliche Reduktion
im Schaufelgewicht erlauben, verkleinern die an den Enden offenen Taschen
darin notwendigerweise sowohl die Biege- als auch Torsionssteifigkeiten
oder Trägheitsmomente
des stromlinienförmigen
Abschnittes, was die verschiedenen Schwingungsmodi nachteilig beeinflußt. Beispielsweise
verkleinern die Taschen die Biegesteifigkeit und können die
Resonanzfrequenz des Grundschwingungsmodus entsprechend verkleinern. Dies
verkleinert wiederum die Frequenzgrenze zwischen dem fundamentalen
oder Grundschwingungsmodus der Schaufel und der üblichen 1/U Grundanregungsfrequenz
des Triebwerks. Je kleiner die Frequenzgrenze, desto größer ist
die Anregungsantwort und die entstehende Schwingungsverschiebung
und Beanspruchung, die durch geeignete Dämpfung verkleinert werden kann.
Die Taschen verkleinern auch die Torsionsbiegesteifigkeit der Schaufel,
was zu einer Verringerung in der Frequenzgrenze beispielsweise zwischen
Torsionsmodi und benachbarten Biegemodi führt. Dies kann ebenfalls zu
einer unerwünschten
Schaufelanregung während
des Betriebs aus aerodynamischen Anregungskräften führen.
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Da
die Fanschaufeln die erste rotierende Struktur in einem Gasturbinentriebwerk
sind, die Einströmungsluft
empfangen, sind sie auch Fremdobjektbeschä digung (FOD) aufgrund von beispielsweise
Vogelaufprall ausgesetzt. Übliche
Fanschaufeln sind deshalb so ausgestaltet, daß sie geeignete FOD Festigkeit
haben mit Flexibilität
an dem Vorderkantenbereich der Schaufel, um einem Vogelaufprall
mit geringer oder gar keiner permanenten Beschädigung daran zu widerstehen.
Die Taschen, die für
Hybridschaufeln entwickelt worden sind, verkleinern notwendigerweise
die Steifigkeit des stromlinienförmigen
Abschnittes hinter der Vorderkante und verkleinern somit die Fähigkeit
des stromlinienförmigen
Abschnittes, einer Fremdobjektbeschädigung zu widerstehen.
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Es
ist deshalb erwünscht,
eine verbesserte Hybrid-Fanschaufel bereitzustellen, die speziell
konfigurierte Taschen hat zur Frequenzabstimmung der Schaufel und
Aufrechterhaltung von FOD Widerstandsfähigkeit.
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Gasturbinen-Fanschaufeln,
die einen metallischen stromlinienförmigen Abschnitt mit leichtgewichtigen
Taschen haben, die mit einem Füllmaterial gefüllt sind,
sind in US-A-5,634,771 und US-A-5,407,326 beschrieben.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Gasturbinentriebwerks-Bläserschaufel bereitgestellt
enthaltend:
einen metallischen stromlinienförmigen Abschnitt mit ersten
und zweiten gegenüber
liegenden Seiten, die sich radial zwischen einem Fuß und einer
Spitze und axial zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante
erstrecken, zum Verdichten von darüber geleiteter Luft;
wobei
der stromlinienförmige
Abschnitt ferner mehrere Taschen aufweist, die in der ersten Seite
angeordnet und durch entsprechende Rippen getrennt sind, die radiale
und diagonale Rippen aufweisen; und
einen Füllstoff, der in den Taschen
gebunden ist und die gleiche Ausdehnung wie die erste Seite des stromlinienförmigen Abschnittes
hat, dadurch gekennzeichnet, daß
die
radialen und diagonalen Rippen nur Rippen des anderen Typs schneiden
zum selektiven Vergrößern von
Torsions- und Biegesteifigkeit, um die Frequenzgrenze zwischen benachbarten
Torsions- und Biege-Resonanzschwingungsarten zu vergrößern; und
wobei
sich jede diagonale Rippe von der Vorderkante zur Hinterkante erstreckt
und mit der radialen Rippe einstückig
verbunden ist.
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Die
Erfindung gemäß bevorzugten
und einfachen Ausführungsbeispielen
wird nun zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen in der
folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine
Seitenansicht von einer Hybrid-Fanschaufel für ein Gasturbinentriebwerk
ist, die speziell konfigurierte Taschen gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung enthält;
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2 eine
Draufsicht auf die in 1 dargestellte Fanschaufel ist,
die in ihrer Rotorscheibe angebracht ist, und zwar allgemein entlang
der Linie 2-2;
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3 eine
radiale Schnittansicht durch einen Mittelspannenabschnitt von dem
in 1 dargestellten stromlinienförmigen Abschnitt über einer
diagonalen Rippe darin ist und entlang der Linie 3-3 gemacht ist;
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4 eine
radiale Schnittansicht durch den stromlinienförmigen Abschnitt von der in 1 dargestellten
Schaufel nahe ihrem Fuß ist
und entlang der Linie 4-4 gemacht ist.
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In 1 ist
eine von mehreren beispielhaften Gasturbinentriebwerks-Fanrotorschaufeln 10 dargestellt,
die auf dem Umfang von einer Rotorscheibe 12 angebracht
sind, die zum Teil gezeigt ist. Gemäß der Erfindung ist die Schaufel 10 als
eine Hybridschaufel konfiguriert, die einen metallischen stromlinienförmigen Abschnitt 14 mit
einer ersten oder Druckseite 16, die im allgemeinen konkav
ist, und eine in Umfangsrichtung gegenüber liegende zweite oder Saugseite 18 aufweist,
die im allgemeinen konvex ist. Die ersten und zweiten Seiten oder
Flächen 16, 18 erstrecken sich
radial entlang der Spanne des stromlinienförmigen Abschnittes 14 zwischen
einem radial inneren Fuß 20 und
einer gegenüber
liegenden radial äußeren Spitze 22.
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Die
ersten und zweiten Seiten erstrecken sich auch axial entlang der
Sehne von dem stromlinienförmigen
Abschnitt zwischen einer Vorderkante 24 des stromlinienförmigen Abschnittes
und einer axial gegenüber
liegenden Hinterkante 26. Während des Betriebs strömt Umgebungsluft 28 über die
zwei Seiten des stromlinienförmigen
Abschnittes von der Vorderkante zur Hinterkante und wird durch den
stromlinienförmigen
Abschnitt in einer üblichen
Weise verdichtet, um Antriebsschub während des Betriebs zum Antreiben
eines Flugzeuges im Fluge zu erzeugen.
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Obwohl
der stromlinienförmige
Abschnitt 14 integral oder direkt an der Rotorscheibe 12 in
einer einstückigen
Anordnung angebracht sein kann, die als eine Blisk bzw. mit Schaufeln
versehene Scheibe bekannt ist, ist in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
jeder der stromlinienförmigen
Abschnitte 14 in einer üblichen
Weise lösbar
an der Scheibe 12 befestigt. Genauer gesagt, die Schaufel 10 enthält ferner
einen integralen metallischen Schaft 30, der einstückig mit
dem Fuß 20 des
stromlinienförmigen
Abschnittes verbunden ist, um die Schaufel an der Rotorscheibe 12 zu
befestigen. Dies wird unter Verwendung eines üblichen metallischen Schwalbenschwanzes 32 herbeigeführt, der
einstückig
mit dem Schaft 30 verbunden ist zum Befestigen der Schaufel
in einer komplementären
schwalbensschwanzförmigen
Nut 12a in der Rotorscheibe. Der stromlinienförmige Abschnitt 14,
der Schaft 30 und der Schwalbenschwanz 32 können zunächst als
eine einstückige
oder einheitliche Metallstruktur gebildet sein, wie beispielsweise
durch Schmieden. Ein geeignetes Metall für die Fanschaufel 10 ist
beispielsweise Titan.
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Der
Schwalbenschwanz 32 ist üblicherweise ein Schwalbenschwanz
mit axialem Eintritt, der in einer komplementären axialen schwalbensschwanzförmigen Nut 12a im
Umfang der Rotorscheibe 12 aufgenommen ist. Der Schaft 30 sorgt
für einen
strukturellen Übergang
von dem Schwalbenschwanz 32 zu dem aerodynamischen Schaufelabschnitt 14 und ist üblicherweise
kein aerodynamisches Teil. Der Schaft 30 ist üblicherweise
gegenüber
der Luftströmung 28 abgedeckt
durch eine geeignete Strömungsbegrenzungs-Plattform 34,
die an dem Schaufelfuß 20 angeordnet
ist, der entweder einstückig
damit ausgebildet ist oder als getrennt angebrachte Plattformen
zwischen benachbarten Schaufeln 10 in einer üblichen
Art und Weise.
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Gemäß der Erfindung
enthält
der stromlinienförmige
Abschnitt 14 ferner mehrere Vertiefungen oder Taschen,
die durch das Präfix 36 bezeichnet sind
und die vorzugsweise allein in der ersten oder Druckseite 16 des
stromlinienförmigen
Ab schnittes angeordnet und durch entsprechende metallische Holme
oder Rippen getrennt sind, die mit dem Präfix 38 bezeichnet
sind. Die Rippen 38 sind einstückig in dem stromlinienförmigen Abschnitt 14 ausgebildet und
sind Teil seiner einheitlichen Metallstruktur. Es ist eine geeignete
Anzahl der Taschen 36 über
dem stromlinienförmigen
Abschnitt 14 vorgesehen, um sein Gewicht wesentlich zu
reduzieren, während
seine strukturelle Integrität
gemäß der Erfindung
beibehalten wird.
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Die
Taschen 36 können
in geeigneter Weise geformt sein, beispielsweise durch Bearbeiten
oder Gießen,
und sind an ihren unteren Enden geschlossen durch die verbleibenden,
relativ dünnen
Abschnitte der zweiten Seite 18 des stromlinienförmigen Abschnittes
und sie sind offen entlang der ersten Seite 16 des stromlinienförmigen Abschnittes.
Indem die Taschen 36 in der konkaven Seite 16 ausgebildet werden,
bleibt an der konvexen Seite massives Metall, um die Trägheitsmoment-Steifigkeit zu maximieren.
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Die
einzelnen Taschen 36 können
mit einem geeigneten leichtgewichtigen Füllstoff 40 gefüllt werden,
der in die Taschen 36 eingebunden wird. Der Füllstoff 40 füllt jede
Tasche 36 vollständig
aus und hat an seiner äußeren Oberfläche eine
gleiche Ausdehnung mit der ersten Seite 16 des stromlinienförmigen Abschnittes,
um eine aerodynamisch glatte und kontinuierliche Oberfläche zu bilden,
die das erforderliche aerodynamische Profil für die erste Seite 16 erfüllt. Der
Füllstoff 40 kann
jede geeignete Form annehmen, wie beispielsweise ein elastomerartiger Gummi,
der mit den Taschen verbunden ist. Der Füllstoff hat ein leichteres
Gewicht und Dichte als das Metall von dem stromlinienförmigen Abschnitt 14,
um das Gesamtgewicht der Schaufel 10 zu senken, während ein
geeignetes aerodynamisches Profil von ihr beibehalten wird. Der
Füllstoff 40 sorgt
vorzugsweise auch für
eine innere Dämpfung
zum Verringern der Schwingungsantwort des stromlinienförmigen Profils 14 während des
Betriebs.
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Die
Rippen 38 enthalten allein radiale bzw. diagonale Rippen,
die allein einander schneiden, um selektiv die Torsions- und Biegesteifigkeit
zu vergrößern, um
die Frequenzgrenze (Frequenzmargin) zwischen benachbarten Torsions-
und Biege-Resonanzschwingungsmodi
zu vergrößern. Die
Rippen haben vorbestimmte Orientierungen in dem stromlinienförmigen Abschnitt 14,
um die Schwingungsantwort des stromlinienförmigen Abschnittes 14 speziell
abzustimmen, um ein unerwünschtes
Verhalten von ihm zu verkleinern.
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Wie
oben angegeben ist, haben Fanschaufeln, wie die in 1 dargestellte,
natürliche
Biege- und Torsions-Schwingungsmodi bei speziellen Resonanzfrequenzen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der erste Schwingungsmodus der erste Biegemodus, in dem sich
der stromlinienförmige
Abschnitt 14 im allgemeinen in Umfangsrichtung um den Schwalbenschwanz 32 wie
ein einfacher Kragarm biegt. Der zweite Schwingungsmodus ist der zweite
Biegungsmodus, bei dem der stromlinienförmige Abschnitt 14 einen
Knoten mit einer Biegeverschiebung von Null enthält, wobei sich eine entgegen gesetzte
Biegeverschiebung oberhalb und unterhalb des Knotens befindet.
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Der
dritte Schwingungsmodus ist der erste Torsionsmodus, wo der stromlinienförmige Abschnitt um
seine Spannenachse relativ zum Schwalbenschwanz 32 oszilliert
oder sich verdreht. Und ein vierter Schwingungsmodus ist der dritte
Biegemodus mit zwei Knotenlinien der Verschiebung von Null und einer
sich ändernden
Verschiebung über
den Knotenlinien. Die zugeordneten Resonanzfrequenzen für die ersten
vier Modi nehmen in ihrer Größe von dem
ersten bis zum vierten Modus zu, wobei jeder Modus an einer bestimmten
Resonanzfrequenz auftritt. Selbstverständlich sind zusätzliche
Schwingungsmodi höherer
Ordnung bekannt, die bei noch höheren
Resonanzfrequenzen auftreten, die aber eine höhere Energie zur Anregung erfordern.
Die ersten vier Modi in diesem Ausführungsbeispiel sind einer Anregung
in der Gasturbinentriebwerks-Fanschaufel aufgrund aerodynamischer
Anregungskräfte
oder der 1/U (1/Rev) Anregungskraft ausgesetzt.
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Eine
vollständig
massive Fanschaufel erfreut sich maximaler Biege- und Torsionssteifigkeit
oder Trägheitsmomente.
Eine relativ einfache hohle Fanschaufel mit einem vollständigen Metallumfang
hat eine entsprechende Verringerung in der Biege- und Torsionssteifigkeit
und indem Taschen in nur eine Seite von einer Fanschaufel eingefügt werden,
werden sowohl Biege- als auch Torsionssteifigkeit weiter verringert.
Die Änderungen
in der Biege- und Torsionssteifigkeit beeinflussen direkt die verschiedenen Resonanzfrequenzen
und die entsprechenden Modenformen, seien sie nun durch Biege- oder
Torsionsbeanspruchungen oder Kombinationen davon hervorgerufen.
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In
einer Hybridschaufel mit symmetrischen Taschen darin, die überwiegend
durch radiale Rippen oder axiale Rippen oder beides gebildet sind,
werden signifikante Verringerungen in sowohl der Biege- als auch
Torsionssteifigkeit gefunden, die eine unerwünschte Anregung von beispielsweise
dem ersten Schwingungsmodus bewirken. Der erste Schwingungsbiegemodus
kann eine relativ kleine Frequenzgrenze mit der 1/U Anregungskraft
haben. Und die Biege- und Torsionsmodi höherer Ordnung können relativ
nahe zusammen in der Frequenz liegen und auch einer übermäßigen Schwingungsantwort
während
des Betriebs ausgesetzt sein.
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Es
ist deshalb erwünscht,
die Taschen 36 und die Rippen 38 speziell zu konfigurieren,
um die Frequenzgrenzen zwischen den mehreren ersten Schwingungsmodi
zu vergrößern und
auch die Frequenzgrenze des Grundmodus relativ zu dem 1/U zu vergrößern.
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Dies
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung durch eine selektive Rippenverschiebung in dem stromlinienförmigen Abschnitt 14 herbeigeführt, um bevorzugte
Querschnitts-Steifigkeiten zu erhalten, um die Resonanzfrequenzen
und die Frequenzgrenzen dazwischen abzustimmen, um die Schaufelstabilität zu fördern, während eine
wesentliche Gewichtsreduktion erzielt wird. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist eine radiale Rippe 38a im allgemeinen an der Mittelsehne
zwischen den Vorder- und Hinterkanten des stromlinienförmigen Abschnittes
angeordnet, um die mehreren Taschen 36 zwischen dem Schaufelfuß 20 und
der Spitze 22 axial zu trennen. Zwei diagonale Rippen 38b,
c erstrecken sich einstückig
von der Vorderkante 24 zur Hinterkante 26, um
die Taschen 36 radial zu trennen, und sie sind mit der
radialen Rippe 38 dazwischen einstückig verbunden. Der Umfang
des stromlinienförmigen
Abschnittes 14 entlang seinen Vorder- und Hinterkanten und
dem Fuß und
der Spitze ist durchgehendes Metall, zwischen denen sich die verschiedenen
Metallrippen erstrecken, um für
eine gemeinsame Steifigkeit zu sorgen.
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Wie
in 2 gezeigt ist, ist der stromlinienförmige Abschnitt 14 vorzugsweise
von seinem Fuß 20 bis
zu seiner Spitze 22 aus üblichen aerodynamischen Gründen verdreht
und hat beispielsweise einen Verdrehungswinkel von etwa 60°. Die diagonalen
Rippen 38b, c folgen der Verdrehung des stromlinienförmigen Ab schnittes 14,
da sie sowohl axial als auch radial zwischen den Vorder- und Hinterkanten verlaufen
und deshalb eine entsprechende verdrehte oder wendelförmige Konfiguration
haben. Die diagonalen Rippen 38b, c sorgen deshalb für eine dreidimensionale
feste Verbindung zwischen den Vorder- und Hinterkanten, um primär die Torsionssteifigkeit oder
das polare Trägheitsmoment
zu vergrößern.
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Wie
in den 1 und 3 dargestellt ist, ist die erste
diagonale Rippe 38b die unterste diagonale Rippe, die im
allgemeinen unter der Mittelspanne des stromlinienförmigen Abschnitts 14 angeordnet
ist und die radiale Rippe 38a schneidet, um wenigstens
zwei Fußtaschen 36a zu
bilden. Die Fußtaschen 36a sind gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung vorzugsweise im Abstand radial außen von dem Schaufelfuß 20 angeordnet,
um sowohl die Biege- als auch Torsionssteifigkeit des stromlinienförmigen Abschnittes 14 unmittelbar
neben dem Schaufelfuß 20 zu
vergrößern, um
die Resonanzfrequenzen der Biege- und Torsions-Grundschwingungsmodi
zu erhöhen.
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Entsprechend
ist der radiale Abschnitt des Schaufelfußes 20 zwischen den
Vorder- und Hinterkanten und den ersten und zweiten Seiten vorzugsweise
eine geschlossene Kontur, wie es in 4 dargestellt
ist, um die Biege- und Torsionssteifigkeit des aerodynamischen Profils
des Fußes 20 zu
maximieren, ohne Taschen darin einzuführen, die die Torsionsfestigkeit
des Abschnittes in unerwünschter
Weise unterbrechen würden.
Der stromlinienförmige
Abschnitt 14 ist im Querschnitt vorzugsweise geschlossen über eine
vorbestimmte Spannenausdehnung zwischen dem Unterteil der Fußtaschen 36a und
dem Fuß 20 selbst,
um sowohl die Biege- als auch Torsionssteifigkeit selektiv zu erhöhen. Der
integrale Schaft 30 hat in ähnlicher Weise einen geschlossenen
Querschnitt zur Beibehaltung der Steifigkeit der Schaufel an der
Verbindungsstelle mit dem Schwalbenschwanz 32.
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Auf
diese Weise hält
der einen geschlossenen Querschnitt aufweisende Fußabschnitt
des stromlinienförmigen
Abschnittes 14 eine relativ hohe Biegemodus-Grundfrequenz bei
und sorgt für
eine geeignete Frequenzgrenze über
der 1/U. Ferner ist der Torsionsgrundmodus ebenfalls an einer relativ hohen
Frequenz. Da die erste Diagonalrippe 38b im allgemeinen
wendelförmig
ist und sich über
einen entsprechenden Abschnitt von der Schaufelspanne in dem unteren
Abschnitt des strom linienförmigen Abschnittes 14 erstreckt,
wird sie speziell zugeschnitten zum Vergrößern der Torsionssteifigkeit
des stromlinienförmigen
Abschnittes, ohne auf andere Weise unterschiedliche Schwingungsmodi
miteinander zu verbinden. Auf diese Weise kann eine Erhöhung in
der Frequenzgrenze zwischen dem ersten Torsionsmodus und dem nächsten unteren
Biegemodus erhalten werden. Dies verbessert das Schwingungsverhalten
der Schaufel im Betrieb, indem diese benachbarten Schwingungsmodi
weiter entkoppelt werden.
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Um
das Gewicht der Schaufel 14 weiter zu senken, kann der
geschlossene Querschnitt des Fußabschnittes
des stromlinienförmigen
Abschnittes unterhalb der Fußtaschen 36a mehrere
Bohrungen 42 enthalten, die sich radial durch den Schaft 30 und Schaufelfußabschnitte
bis unterhalb der Fußtaschen 36a erstrecken.
Die Bohrungen 42 verringern auf effektive Weise das Gewicht,
ohne entweder die Biege- oder Torsionssteifigkeit der Schaufel in
den Schaft- und Fußbereichen
wesentlich zu verringern.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist die zweite Diagonalrippe 38c radial
oberhalb der ersten Diagonalrippe 38b angeordnet und schneidet
die Schaufelspitze 22 neben den Vorder- und Hinterkanten 24 und 26.
In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die ersten
und zweiten Diagonalrippen 38b, c nicht-parallel und konvergieren
von der Vorderkante 24 in Richtung auf die Hinterkante 26.
In einem anderen Ausführungsbeispiel
(nicht gezeigt) könnten
die zwei Rippen 38b, c parallel zueinander sein, aber sie würden das
Schwingungsverhalten der Schaufel in signifikanter Weise beeinflussen.
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Wie
die erste Diagonalstrebe 38b schneidet die zweite Diagonalstrebe 38c allein
die gemeinsame Radialrippe 38a an ihrem radial äußeren Ende.
Die zweite Diagonalstrebe 38c bildet in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
mit der Schaufelspitze und der Hinterkante eine einzelne entsprechende Spitzentasche 38b,
wobei zusätzliche
Rippen, die hindurch führen,
zur Frequenzabstimmung nicht erforderlich sind.
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Es
ist erwünscht,
die Anzahl von Rippen zu begrenzen, die in dem stromlinienförmigen Abschnitt 14 gefunden
werden, um eine unerwünschte
Schwingungskopplung zwischen den verschiedenen Schwingungsmodi zu
verhindern und statt dessen den stromlinienförmigen Abschnitt 14 für gewünschte Frequenzgrenzen
speziell abzustimmen. Da der äußere Abschnitt
des stromlinienförmigen
Abschnittes 14, wie er in den 1 und 2 dargestellt
ist, relativ dünn
ist im Vergleich zu seinem radial äußeren Abschnitt, ist der äußere Abschnitt
relativ flexibel und Schwingungsmodi höherer Ordnung ausgesetzt. Indem
die zweite Diagonalrippe 38c über der äußeren Spanne des stromlinienförmigen Abschnittes 14 zwischen
der Ecke des stromlinienförmigen
Abschnittes an der Verbindungsstelle der Vorderkante und Spitze zu
einer unteren Spannenverbindung entlang der Hinterkante 26 eingeführt wird,
werden erhöhte
Biege- und Torsionssteifigkeiten des äußeren Abschnitts des stromlinienförmigen Abschnittes
geliefert. Die zweite Diagonalrippe 38c vergrößert auf
effektive Weise die Frequenzgrenze zwischen entsprechenden Biege-
und Torsions-Schwingungsmodi
auf dem äußeren Abschnitt
des stromlinienförmigen
Abschnittes, ohne daß ein
Kompromiß im
Schwingungsverhalten des unteren Abschnitts des stromlinienförmigen Abschnitts
entsteht.
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Die
Radialrippe 38a und die ersten und zweiten Diagonalrippen 38b,
c bilden dazwischen mehrere Mittelspannentaschen 36c. In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine vierte
Diagonal- oder Brückenrippe 38d radial
im Abstand zwischen den ersten und zweiten Diagonalrippen 38b,
c angeordnet und erstreckt sich in axialer Richtung zwischen der
Vorderkante 24, nahe der Mittelspanne und der Radialrippe 38a und
der Mittelsehne, um speziell die Vorderkante 24 zu versteifen.
Da die Diagonalrippen 38b, c von der Vorderkante zur Hinterkante
divergieren, würde
anderenfalls ohne die überbrückende Rippe 38d eine
relativ hohe Tasche hinter der Vorderkante 24 gebildet.
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Die
Vorderkante 24 ist wesentlichen aerodynamischen Belastungen
während
des Betriebs und auch Stoßbelastungen
aufgrund von FOD, wie beispielsweise Vogelaufprall, ausgesetzt.
Die überbrückende Rippe 38d sorgt
für eine
strukturelle Verbindung zwischen der Vorderkante 24 und
der Radialrippe 38a, die die Steifigkeit der Vorderkante 24 lokal vergrößert und
Belastungen hinter der radialen Rippe 38a abführt. Die überbrückende Rippe 38d ist
vorzugsweise diagonal von der Vorderkante 24 und radial
nach außen
geneigt in Richtung auf die Hinterkante 26, um das Schwingungsverhalten
der Schaufel 10 weiter maßzuschneidern.
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Durch
die selektive Einfügung
der diagonalen und radialen Rippen in dem in 1 dargestellten stromlinienförmigen Abschnitt 14 kann
also die Schaufel 10 speziell abgestimmt werden für Resonanzfrequenzen
und Frequenzgrenzen, die eine Schwingungsantwort verkleinern. Zusätzliche
Rippen sind nicht bevorzugt, wenn sie nicht speziell abgestimmt
sind für
bestimmte Schwingungsmodi und nicht unterschiedliche Schwingungsmodi
in nachteiliger Weise koppeln. Eine zusätzliche Radialrippe kann verwendet
werden, um drei Säulen
von Taschen (nicht gezeigt) zu bilden, wobei sich die zwei Diagonalrippen 38b,
c über
diese hinweg erstrecken. Auch kann ein längerer stromlinienförmiger Abschnitt eine
weitere abstimmende Diagonalrippe für zusätzliche Torsionssteifigkeit
erfordern.
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Die
bevorzugte Anzahl von Taschen und die Anordnung der Rippen können für jedes
spezielle Design verändert
werden für
das Erfordernis, daß Resonanzfrequenzen
und die Frequenzgrenze die Schaufelstabilität während des Betriebs vergrößern. Dies
kann in einem systematischen Versuch und Fehler erfolgen oder durch
Analyse unter Verwendung geeigneter Computer-Algorithmen, die dafür speziell
ausgestaltet sind. Es können
mehrere Iterationen erforderlich sein, da die Konfiguration von
jeder Tasche und Rippe das gesamte Schwingungsverhalten beeinflußt.
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Die
bevorzugte Konfiguration der Taschen und Rippen gemäß der Erfindung
behält
die Vorteile der Gewichtssenkung der Taschen bei, während das Schwingungsverhalten
zugeschnitten wird, um unerwünschte
Schwingungsmodi während
des Betriebs in der Umgebung eines Gasturbinentriebwerks zu vermeiden,
die aerodynamischen und 1/U Anregungsfrequenzen ausgesetzt ist.
Der Füllstoff 40 in den
Taschen 36 bewahrt das aerodynamische Profil des stromlinienförmigen Abschnittes
und den aerodynamischen Wirkungsgrad, während das Schaufelgewicht gesenkt
und für
eine verbesserte Reparaturfähigkeit
gesorgt wird. Wenn der stromlinienförmige Abschnitt während des
Betriebs beschädigt
wird, kann der Füllstoff 40 in
geeigneter Weise aus den Taschen entfernt, die Schaufel repariert
und neuer Füllstoff 40 in
die Taschen 36 eingefüllt
werden, wobei die Schaufel dann in den Betrieb zurückgebracht wird.