EP1939402A2

EP1939402A2 - Fanschaufel aus Verbundwerkstoff für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: EP1939402A2
Application number: EP07024380A
Authority: EP
Inventors: Karl Schreiber
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2008-07-02
Also published as: US8251664B2; EP1939402A3; DE102006061916A1; US20080152506A1

Abstract

Eine Fanschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die eine Tragstruktur (2) aus Faserverbundmaterial aufweist, ist nur im Bereich des Schaufelblattes (3) von einer metallischen Hüllstruktur (4) aus Blech umgeben, so dass die am Schaufelfuß (11) wirkenden Kräfte und Spannungen und die Delaminationsgefahr durch hohe Biegebelastung im Übergangsbereich zwischen Schaufelblatt und Schaufelfuß minimiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fanschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur und eine metallische Hüllstruktur umfasst.
Die Fanschaufeln eines Fan-Gasturbinentriebwerks sind durch Fliehkräfte, Gasdruck und von dem strömenden Medium angeregte Schwingungen des Schaufelblattes, aber auch durch auftreffende Fremdkörper, erheblichen Belastungen ausgesetzt, die auch auf den in Ausnehmungen der Rotorscheibe gehaltenen Schaufelfuß übertragen werden.
Es sind aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Fanschaufeln bekannt, die zum einen ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweisen und zudem über eine hohe spezifische Festigkeit und eine hohe Eigendämpfung zur Vermeidung von Schwingungen verfügen. Zur Erzielung einer ausreichenden Erosionsbeständigkeit und Schlagfestigkeit gegenüber auf die Schaufeln auftreffenden Fremdkörpern ist die aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur von einer metallischen Hüllstruktur umgeben.
Aufgrund der komplizierten Formgestalt des Schaufelfußes ist die Herstellung von mit einer Hüllstruktur ausgebildeten Schaufeln aus einem Faserverbundmaterial arbeits- und kostenaufwändig. Die an der Blechumhüllung wirkenden Zugkräfte werden auch auf den Schaufelfuß übertragen, der somit hoch belastet ist und die Spannung und Reibung am Schaufelfuß erhöht und die Lebensdauer der Schaufel verringert. Aufgrund der Krafteinleitung in den Schaufelfuß und der hohen Schubspannungen kann es zu Delaminationserscheinungen zwischen Hüllstruktur und Tragstruktur kommen, zumal die Tragstruktur aus Faserverbundmaterial und die metallische Umhüllung nur über den Infiltrationswerkstoff, der in das in der Umhüllung befindliche Fasermaterial infiltriert wird, verbunden sind und somit eine optimale Haftung zwischen der Trag- und der Hüllstruktur nicht gewährleistet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einer Tragstruktur und einer Hüllstruktur bestehende Fanschaufeln zu entwickeln, die mit geringem Aufwand hergestellt werden können und eine lange Lebensdauer aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Fanschaufel gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsvariante.
Kern der Erfindung ist die Ummantelung der aus Faserverbundmaterial bestehende Tragstruktur mit der aus Blech bestehenden Hüllstruktur nur im Bereich des Schaufelblattes, während der Schaufelfuß nur aus Faserverbundwerkstoff besteht. Die Hüllstruktur schließt kurz unterhalb des Anulusfillers bündig an die Faserverbundstruktur des Schaufelfußes an. Dabei ist es wichtig, dass der Rand der Hüllstruktur zur Spannungsminderung im Übergangsbereich zum Schaufelfuß geschäftet ist und/oder in regelmäßigem Abstand Ausnehmungen aufweist. Mit der auf das Schaufelblatt beschränkten Umhüllung werden die an dieser wirkenden Zugkräfte nicht auf den Schaufelfuß übertragen. Die hohe Biegebelastung am Übergang zwischen Schaufelfuß und Schaufelblatt kann nicht zum Ablösen der Hüllstruktur von der Tragstruktur führen. Schließlich sorgt die erhöhte Reibung zwischen dem aus weichem Material bestehenden Schaufelfuß und der aus Metall bestehenden Scheibe, in der die Fanschaufeln gehalten sind, für verminderten Verschleiß und eine verbesserte Befestigung. Bei der Ummantelung einer bereits vorgefertigten Tragstruktur kann ein duktiler Spezialkleber eingesetzt werden, der eine verbesserte Haftung gewährleistet und der Delaminationsgefahr weiter entgegenwirkt. Die Lebensdauer einer so ausgebildeten und mit vermindertem Aufwand hergestellten Fanschaufel kann daher deutlich erhöht werden.
Die Herstellung der Schaufel erfolgt auf der Basis einer vorgefertigten Tragstruktur aus Faserverbundmaterial, die im Schaufelblattbereich mit der Hüllstruktur ummantelt wird, indem an einem Führungskanten-Formstück ein erstes Deckblech angeschweißt und darauf anschließend die Tragstruktur verklebt wird. Danach wird das zweite Deckblech mit der noch freien Fläche der Tragstruktur verklebt und durch Schweißen mit dem Führungskanten-Formstück und der Hinterkante des ersten Deckblechs verbunden. Das zweite Deckblech wird an einer von der Tragstruktur entfernten Stelle mit dem Führungskanten-Formstück verschweißt, so dass das Faserverbundmaterial nicht durch die Schweißwärme zerstört werden kann.
Es ist jedoch auch denkbar, die Hüllstruktur vorzufertigen und anschließend mit in ein Formwerkzeug eingelegter Hüllstruktur die Tragstruktur integral mit der Hüllstruktur herzustellen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Seitenansicht einer aus Faserverbundmaterial bestehenden Fanschaufel mit einer das Schaufelblatt umgebenden metallischen Hüllstruktur;
Fig. 2: eine Schnittansicht des Übergangs zwischen Hüllstruktur und Tragstruktur gemäß der Linie AA nach Fig. 1; und
Fig. 3: eine Schnittansicht im Bereich der Vorderkante der Fanschaufel nach Fig. 1.

Wie die Zeichnung zeigt, besteht die Fanschaufel 1 aus einer im Detail nicht dargestellten Tragstruktur 2 aus einem Faserverbundmaterial, hier einer Vielzahl übereinander liegender Kohlenstofffaserlagen mit in das Fasergelege infiltriertem Kunststoff, und einer die Tragstruktur 2 im Bereich des Schaufelblattes 3 umgebenden Hüllstruktur 4. Die Hüllstruktur 4 umfasst ein metallisches Führungskanten-Formstück 5 sowie ein druckseitiges Deckblech 6 und ein saugseitiges Deckblech 7, die in der vorliegenden Ausführungsform aus einer Titanlegierung bestehen. Die beiden Deckbleche 6, 7 sind über Schweißnähte 8, 9 mit dem Führungskanten-Formstück 5 und an den gegenüber liegenden Enden (nicht dargestellt) miteinander verbunden.
Die nur das Schaufelblatt 3 umschließende Hüllstruktur 4 endet unterhalb des sogenannten Anulusfillers 10, einem zur Luftführung und Dämpfung dienenden Schaufelteil. Das freie, zum Schaufelfuß 11 der Fanschaufel 1 weisende Ende der Deckbleche 6, 7 ist geschäftet ausgebildet, das heißt, es weist eine zur Außenfläche der Deckbleche 6, 7 hin abgeschrägte Kante 12 auf, wobei die Außenfläche der Hüllstruktur 4 in einer Flucht mit der Oberfläche der Tragstruktur 2 im Bereich des Schaufelfußes 11 liegt.
Durch die auf das Schaufelblatt begrenzte Hüllstruktur 4 werden die an dieser wirkenden Zugkräfte nicht auf den Schaufelfuß 11 übertragen. Am Schaufelfuß 11 wirken somit nur geringe Schubspannungen, so dass die Gefahr des Auftretens von Delaminationen deutlich verringert wird. Gerade im Übergangsbereich zwischen Schaufelblatt 3 und Schaufelfuß 11 werden durch die dort auftretende Biegebelastung große Kräfte aufgebracht, die bei vollständig umhüllter Tragstruktur zu einer Delamination zwischen der Blechumhüllung und dem Faserverbundmaterial führen können. In diesem Zusammenhang ist auch die geschäftete Ausbildung der Hüllstruktur 4 (abgeschrägte Kante 12) am Übergang zum Schaufelfuß 11 wichtig, weil dadurch an dieser Stelle nur eine geringe Spannungsüberhöhung auftreten wird. Um die Spannungen an der Übergangsstelle weiter einzuschränken, können in die freie Kante der Hüllstruktur 4 am Umfang in regelmäßigem Abstand - beispielsweise dreieckige Ausnehmungen (nicht dargestellt) eingeschnitten sein.
Aufgrund der auf das Schaufelblatt 3 begrenzten Hüllstruktur 4 kann die Tragstruktur 2 aus Faserverbundmaterial separat in einem Werkzeug hergestellt werden und die Hüllstruktur anschließend unter Verwendung eines ausgewählten - duktilen - Klebers mit der Tragstruktur 2 verbunden werden. Die Möglichkeit der Auswahl eines von dem Infiltrationsmaterial unabhängigen, besonders geeigneten Klebers trägt zusätzlich zur Vermeidung von Delaminationen bei.
Für die zuvor erwähnte Herstellung der Fanschaufel 1 mit nur das Schaufelblatt 3 umgebender Hüllstruktur 4 unter Verwendung eines besonders geeigneten Klebers ist es erforderlich, dass das Faserverbundmaterial beim Verschweißen der Deckbleche 7, 8 mit dem Führungskanten-Formstück 5 nicht durch die dabei auftretenden hohen Schweißtemperaturen beschädigt wird. Daher wird das Führungskanten-Formstück 5 zunächst über die Schweißnaht 8 mit dem druckseitigen Deckblech 6 verbunden und anschließend die in einem Werkzeug vorgefertigte Tragstruktur 2 mittels eines Spezialklebers mit dem druckseitigen Deckblech 6 und dem Führungskanten-Formstück 5 verbunden. Das Führungskanten-Formstück 5 weist eine radial verlaufende Ausnehmung 13 auf, in die der vordere Rand des saugseitigen Deckblechs 7 bündig eingelegt und an seiner Vorderkante mit dem Führungskanten-Formstück 5, und zwar entfernt von dem Faserverbundmaterial, verschweißt wird (Schweißnaht 9). Das saugseitige Deckblech 7 wurde zuvor mit dem Faserverbundmaterial der Tragstruktur 2 mittels eines duktilen Spezialklebers verklebt. Die gegenüberliegenden Enden (nicht dargestellt) der beiden Deckbleche 7, 8 können an den vom Faserverbundmaterial entfernten Kanten so verschweißt werden, dass die Schweißwärme nicht auf das Faserverbundmaterial wirkt.
Prinzipiell ist es aber auch möglich, die Hüllstruktur 4 für das Schaufelblatt 3 bereits vorzufertigen und in ein Formwerkzeug einzubringen und nach Einlegen des Fasermaterials die Infiltration des Kunstharzes durchzuführen. Das Schweißen der Tragstruktur kann in diesem Fall ohne Rücksicht auf das erst später eingebrachte Faserverbundmaterial erfolgen. Andererseits ist die Verbindung zwischen Tragstruktur und Hüllstruktur mit einem besonders geeigneten Kleber nicht möglich. Hierbei wird die Klebeverbindung durch das infiltrierte Kunstharz bewirkt.
Eine weitere vorteilhafte Wirkung der vorgeschlagenen Fanschaufelausbildung besteht schließlich in der Erhöhung der Reibwirkung zwischen dem Schaufelfuß und der Rotorscheibe, und zwar wegen der Kombination des harten - metallischen - Rotorscheibenmaterials mit dem weichen Faserverbundwerkstoff des Schaufelfußes. Dadurch wird der Verschleiß des Schaufelfußes verringert und somit die Lebensdauer der Fanschaufel in Kombination mit den Wirkungen der oben erwähnten Merkmale insgesamt weiter erhöht.

Bezugszeichenliste

1: Fanschaufel
2: Tragstruktur
3: Schaufelblatt
4: Hüllstruktur
5: Führungskanten-Formstück
6: Druckseitiges Deckblech
7: Saugseitiges Deckblech
8: Schweißnaht
9: Schweißnaht
10: Anulusfiller
11: Schaufelfuß
12: Abgeschrägte Kante, Schäftung
13: Radiale Ausnehmung

Claims

Fanschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur (2) und eine metallische Hüllstruktur (4) aus Blech aufweist und die aus einem Schaufelblatt (3), einem Schaufelfuß (11) und einem Anulusfiller (10) im Übergangsbereich zwischen Schaufelblatt und -fuß besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllstruktur (4) nur das Schaufelblatt (3) umgibt und unterhalb des Anulusfillers (10) mit einer an der Innenseite abgeschrägten Kante (12) und/oder einer mit Ausnehmungen versehenen Kante bündig an die Außenfläche des aus Faserverbundwerkstoff bestehenden Schaufelfußes (11) anschließt.
Fanschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllstruktur (4) ein Führungskanten-Formstück (5) sowie ein druck- und ein saugseitiges Deckblech (6, 7) umfasst.
Fanschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) vorgefertigt und an den Innenflächen der Hüllstruktur (4) mittels eines duktilen Spezialklebers verklebt ist, wobei zur Vermeidung eines direkten Wärmekontakts mit dem Faserverbundwerkstoff beim Verschweißen der Hüllstruktur (4) mindestens ein Deckblech (6, 7) in einer radial verlaufenden Ausnehmung (13) des Führungskanten-Formstücks (5) von dessen hinterer Stirnfläche und dem Faserverbundwerkstoff entfernt verschweißt ist.
Fanschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllstruktur (4) vorgefertigt ist und die Tragstruktur (2) aus Faserverbundwerkstoff innerhalb der Hüllstruktur gefertigt ist und durch in das Fasermaterial infiltriertes Kunstharz mit den Innenflächen der Hüllstruktur (4) verbunden ist.