EP2189625A1 - Hybrides Bauteil für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

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EP2189625A1
EP2189625A1 EP20090176082 EP09176082A EP2189625A1 EP 2189625 A1 EP2189625 A1 EP 2189625A1 EP 20090176082 EP20090176082 EP 20090176082 EP 09176082 A EP09176082 A EP 09176082A EP 2189625 A1 EP2189625 A1 EP 2189625A1
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support structure
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Definitions

  • the invention relates to a hybrid component, in particular a fan or guide vane for a gas turbine engine, comprising a support structure consisting of a fiber composite material and a metal structure fixedly connected thereto.
  • the fan blades of a fan gas turbine engine are exposed to considerable loads by centrifugal forces, gas pressure and vibrations excited by the flowing medium.
  • a particular problem in this case is the impact of foreign bodies, such as birds, impacting on the blades.
  • the supporting structure consisting of the fiber composite material is connected to a metal structure or surrounded by a metallic enveloping structure.
  • the intimate connection between the support structure and the enveloping structure is effected by a bias of the pressure and the suction side cover plate and by gluing the support structure with the inner surfaces of the cover plates.
  • the invention has for its object to develop hybrid components such as fan blades or vanes with high damage tolerance and long life for a gas turbine engine,
  • the basic idea of the invention resides in a hybrid component, in particular used as a fan or guide vane for a gas turbine engine, with a support structure consisting of a fiber composite material and a metal structure connected to it, in that the support structure is intimately connected to the metal structure via a thin intermediate layer of highly elastic material is. Due to the high elasticity of the intermediate layer on the one hand a secure adhesion to the support and metal structure and their fixed connection with each other via the intermediate layer is ensured. The different expansion behavior of the fiber composite material and of the metal under the influence of temperature is compensated by the highly elastic material of the intermediate layer and vibrations of the component occurring in the operating state are absorbed by the elastic material and thus damped. The detachment of the metal structure from the support structure is therefore prevented.
  • Another life-enhancing effect of the elastic intermediate layer is that a point load acting on the component caused by an impacting foreign matter is not transferred to the support structure in a punctiform and high intensity, but the point load is converted into a surface load by the highly elastic intermediate layer and thereby the risk of damage to the support structure is significantly reduced by cracking.
  • the intermediate layer consists of a thermoplastic polyurethane, which is characterized by its rubber-elastic properties, good adhesion and a good vibration behavior.
  • thermoplastic polyurethane is firmly bonded to the inner surface of the metal structure by injection molding or coating with a mold.
  • the connection of the support structure with the intermediate layer takes place by means of an adhesive or during the production of the support structure directly with the freshly infiltrated into the fiber layers plastic.
  • the exposed to high heat load areas of parts to be welded together of the metal structure are not covered with the elastic intermediate layer, so as to prevent damage to the weld by the exposed at welding a very high temperature thermoplastic polyurethane.
  • the thickness of the intermediate layer is preferably in the range between 0.1 and 1.5 mm.
  • the fan blade 1 shown by way of example in the drawing comprises a fibrous composite supporting structure 2 and a metal structure 3, in this case a metallic shell structure consisting of a blade leading edge forming molding 4 made of solid material and a suction-side cover plate 5 and a pressure-side cover plate 6.
  • the two cover plates 5, 6 are connected to each other via welds 6 with the fitting 4 and at the trailing edge of the fan blade 1.
  • the inner surfaces of the two cover sheets 5, 6 are coated with a - in the present embodiment 1mm thick - highly elastic intermediate layer 7 made of thermoplastic polyurethane. Except for the area lying in the immediate vicinity of the welds 8 area the inner surface of the metal structure 3 is fully coated with the thermoplastic polyurethane.
  • thermoplastic polyurethane By releasing the welding seam near In areas such as weld quality is impaired by highly heated thermoplastic polyurethane.
  • the fiber composite supporting structure 2 of the fan blade is fixedly connected to the coated inner surfaces of the metal structure 3 by means of an adhesive or plastic infiltrated into the fiber material.
  • the application of the intermediate layer 7 on the cover plates 5, 6 takes place either by injection molding or by pressing and distributing the present as a plastic mass thermoplastic polyurethane with a mold whose contour with the contour of the inner surface of the cover plate 5, 6 is identical.
  • the intermediate layer 7 of the highly elastic thermoplastic polyurethane Due to its high elasticity, the intermediate layer 7 of the highly elastic thermoplastic polyurethane on the one hand ensures an intimate and firm connection between the metal structure 3 and the support structure 2 made of fiber composite material, so that delamination phenomena are largely prevented. A release of the connection between the metal structure 3 and support structure 2 due to vibrations of the fan blade (or the relevant component) in operation is prevented by the vibration-damping effect of the highly elastic intermediate layer 7.
  • the differential expansion of the metal structure 3 and of the fiber composite material support structure 2 is compensated by the intermediate layer 7 of thermoplastic polyurethane.
  • the point load is converted according to arrow 9 in the intermediate layer 7 due to the elastic properties of the thermoplastic urethane in a surface load 10, so that the risk of cracking in the support structure 2 can be reduced.

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Abstract

Ein hybrides Bauteil für ein Gasturbinentriebwerk umfasst eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur (2)und eine mit dieser verbundene Metallstruktur (3),deren innige Verbindung über eine aus einem thermoplastischen Polyurethan bestehende dünne, hochelastische Zwischenschicht (7) erfolgt. Das hochelastische Materialgewährleistet nicht nur die feste Verbindung zwischen Metall- und Tragstruktur, sondern nimmt auch im Betrieb auftretende Schwingungen auf und gleicht unterschiedliche Ausdehnungsverhalten des Faserverbundmaterials und des Metalls aus. Zudem wird eine durch einen auftreffenden Fremdkörper auf das Bauteil wirkende Punktlast durch die hochelastische Zwischenschicht in eine Flächenlast umgewandelt wird und dadurch die Gefahr einer Schädigung der Tragstruktur durch Rissbildung deutlich verringert. ( Fig. 1 )

Description

  • Die Erfindung betrifft ein hybrides Bauteil, insbesondere eine Fan- oder Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, das eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur und eine mit dieser fest verbundene Metallstruktur umfasst.
  • Insbesondere die Fanschaufeln eines Fan-Gasturbinentriebwerks sind durch Fliehkräfte, Gasdruck und von dem strömenden Medium angeregte Schwingungen erheblichen Belastungen ausgesetzt. Ein besonderes Problem stellen dabei die durch auf die Schaufeln auftreffende Fremdkörper, beispielsweise Vögel, erzeugten Schlagwirkungen dar.
  • Beispielsweise aus der DE 10 2006 061 915 A1 sind bereits aus einem Faserverbundmaterial bestehenden Fanschaufeln bekannt, die zum einen ein geringes Gewicht aufweisen und zum anderen über eine hohe spezifische Festigkeit und eine hohe Eigendämpfung zur Vermeidung von Schwingungen verfügen. Zur Erzielung einer ausreichenden Erosionsbeständigkeit und einer hohen Schlagfestigkeit gegenüber auf die Schaufeln auftreffenden Fremdkörpern, beispielsweise Vögeln, ist die aus dem Faserverbundmaterial bestehende Tragstruktur mit einer Metallstruktur verbunden bzw. von einer metallischen Hüllstruktur umgeben. Die innige Verbindung zwischen der Tragstruktur und der Hüllstruktur erfolgt durch eine Vorspannung des druck- und des saugseitigen Deckblechs und durch Verkleben der Tragstruktur mit den Innenflächen der Deckbleche. Diese Art der Ausbildung der Fanschaufeln, die gleichermaßen auch bei den Fanschaufeln nachgeschalteten Leitschaufeln angewendet werden kann, soll für eine sichere Verbindung zwischen der Trag- und der Hüllstruktur sorgen und eine durch Delaminationserscheinungen bedingte Verringerung der Lebensdauer der Schaufeln verhindern. Dennoch kann es durch Schwingungen und das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten des Faserverbundwerkstoffs und des metallischen Materials zur Ablösung der Tragstruktur von der Hüllstruktur kommen. Zudem bewirken auf die metallische Hüllstruktur auftreffende Fremdkörper eine hohe Belastung der Tragstruktur, die zur Rissbildung und einer damit verbundenen Verringerung der Lebensdauer der Schaufeln führen kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hybride Bauteile wie Fanschaufeln oder Leitschaufeln mit hoher Schadenstoleranz und langer Lebensdauer für ein Gasturbinentriebwerk zu entwickeln,
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten hybriden Bauteil gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht bei einem hybriden, insbesondere als Fan- oder Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk eingesetzten Bauteil mit einer aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur und einer mit dieser verbundenen Metallstruktur darin, dass die Tragstruktur mit der Metallstruktur über eine dünne Zwischenschicht aus hochelastischen Material innig verbunden ist. Aufgrund der hohen Elastizität der Zwischenschicht ist zum einen eine sichere Haftung an der Trag- und Metallstruktur und deren miteinander feste Verbindung über die Zwischenschicht gewährleistet. Das unter Temperatureinfluss unterschiedliche Ausdehnungsverhalten des Faserverbundmaterials und des Metalls wird durch das hochelastische Material der Zwischenschicht ausgeglichen und im Betriebszustand auftretende Schwingungen des Bauteils werden von dem elastischen Material aufgenommen und somit gedämpft. Das Ablösen der Metallstruktur von der Tragstruktur wird daher verhindert. Eine weitere lebensdauererhöhende Wirkung der elastischen Zwischenschicht besteht darin, dass eine auf das Bauteil wirkende Punktlast, die durch einen auftreffenden Fremdkörper erzeugt wird, nicht punktförmig und mit hoher Intensität auf die Tragstruktur übertragen wird, sondern dass die Punktlast durch die hochelastische Zwischenschicht in eine Flächenlast umgewandelt wird und dadurch die Gefahr einer Schädigung der Tragstruktur durch Rissbildung deutlich verringert wird.
  • Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung besteht die Zwischenschicht aus einem thermoplastischen Polyurethan, das sich durch seine gummielastischen Eigenschaften, gute Haftung und ein gutes Schwingungsverhalten auszeichnet.
  • Das thermoplastische Polyurethan wird durch Spritzgießen oder Beschichten mit einem Formwerkzeug fest mit der Innenfläche der Metallstruktur verbunden. Die Verbindung der Tragstruktur mit der Zwischenschicht erfolgt durch ein Klebemittel oder während der Herstellung der Tragstruktur unmittelbar mit dem frisch in die Faserlagen infiltrierten Kunststoff.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die einer hohen Wärmebelastung ausgesetzten Bereiche von miteinander zu verschweißenden Teilen der Metallstruktur nicht mit der elastischen Zwischenschicht belegt, um so eine Schädigung der Schweißnaht durch das beim Schweißen einer sehr hohen Temperatur ausgesetzte thermoplastische Polyurethan zu verhindern.
  • In Ausgestaltung der Erfindung liegt die Dicke der Zwischenschicht vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 und 1,5 mm.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der
    • Fig. 1
    eine Schnittansicht des Schaufelblattes einer Fanschaufel;
    Fig. 2
    eine vergrößerte Darstellung des Übergangsbereichs zwischen der Hüll- und der Tragstruktur; und
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung der Lastverteilung beim Auftreffen eines Fremdkörpers auf die metallische Hüllstruktur einer Fanschaufel
    zeigt, näher erläutert.
  • Die in der Zeichnung beispielhaft dargestellte Fanschaufel 1 umfasst eine aus Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur 2 und eine Metallstruktur 3, hier eine metallische Hüllstruktur, die aus einem die Schaufelvorderkante bildenden Formstück 4 aus massivem Material sowie einem saugseitigen Deckblech 5 und einem druckseitigen Deckblech 6 besteht. Die beiden Deckbleche 5, 6 sind über Schweißnähte 6 mit dem Formstück 4 und an der Hinterkante der Fanschaufel 1 miteinander verbunden. Die Innenflächen der beiden Deckbleche 5, 6 sind mit einer - in der vorliegenden Ausführungsform 1mm dicken - hochelastischen Zwischenschicht 7 aus thermoplastischem Polyurethan beschichtet. Bis auf den in unmittelbarer Nähe der Schweißnähte 8 liegenden Bereich ist die Innenfläche der Metallstruktur 3 vollflächig mit dem thermoplastischen Polyurethan beschichtet. Durch das Freilassen der schweißnahtnahen Bereiche wird eine Beeinträchtigung der Schweißnahtqualität durch hocherhitztes thermoplastisches Polyurethan vermieden. Die aus Faserverbundmaterial bestehende Tragstruktur 2 der Fanschaufel ist mit den beschichteten Innenflächen der Metallstruktur 3 mittels eines Klebers oder dem in das Fasermaterial infiltrierten Kunststoff fest verbunden. Das Aufbringen der Zwischenschicht 7 auf die Deckbleche 5, 6 erfolgt entweder durch Spritzgießen oder durch Aufpressen und Verteilen des als plastische Masse vorliegenden thermoplastischen Polyurethans mit einem Formwerkzeug, dessen Kontur mit der Kontur der Innenfläche des betreffenden Deckblechs 5, 6 identisch ist.
  • Die Zwischenschicht 7 aus dem hochelastischen thermoplastischen Polyurethan sorgt aufgrund ihrer hohen Elastizität zum einen für eine innige und feste Verbindung zwischen der Metallstruktur 3 und der Tragstruktur 2 aus Faserverbundmaterial, so dass Delaminationserscheinungen weitestgehend verhindert werden. Ein Lösen der Verbindung zwischen Metallstruktur 3 und Tragstruktur 2 aufgrund von Schwingungen der Fanschaufel (bzw. des betreffenden Bauteils) im Betrieb wird durch die schwingungsdämpfende Wirkung der hochelastischen Zwischenschicht 7 verhindert.
  • Der mit der Schwingungsdämpfung einhergehende Energieabbau und die dadurch bedingte Temperaturerhöhung haben ein infolge Spannungsrelaxation des hochelastischen thermoplastischen Polyurethans bedingtes Absinken von Spannungen zur Folge.
  • Die unterschiedliche Ausdehnung der Metallstruktur 3 und der aus dem Faserverbundmaterial bestehenden Tragstruktur 2 wird durch die Zwischenschicht 7 aus thermoplastischem Polyurethan ausgeglichen. Bei einer gemäß Fig. 3 durch einen auf die Metallstruktur 3 bzw. ein Deckblech 6 auftreffenden Fremdkörper ausgeübten - lokal begrenzten - Schlagwirkung wird die Punktlast gemäß Pfeil 9 in der Zwischenschicht 7 aufgrund der elastischen Eigenschaften des thermoplastischen Urethans in eine Flächenlast 10 umgewandelt, so dass die Gefahr einer Rissbildung in der Tragstruktur 2 verringert werden kann.
  • Aufgrund des Zusammenspiels der vielfältigen Wirkungen der innig mit der Metallstruktur 3 und der Tragstruktur 2 verbundenen hochelastischen Zwischenschicht 7 werden letztlich die Schadenstoleranz und die Lebensdauer des hybriden Bauteils, hier der Fanschaufel 1, deutlich erhöht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fanschaufel
    2
    Tragstruktur
    3
    Metallstruktur, metallische Hüllstruktur
    4
    Formstück v. 3
    5
    Saugseitiges Deckblech v. 3
    6
    Druckseitiges Deckblech v. 3
    7
    Hochelastische Zwischenschicht (thermoplastische Polyurethan)
    8
    Schweißnaht
    9
    Punktlast
    10
    Flächenlast

Claims (6)

  1. Hybrides Bauteil, insbesondere eine Fan- oder Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, das eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Tragstruktur und eine mit dieser fest verbundene Metallstruktur umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) mit der Metallstruktur (3) über eine dünne Zwischenschicht (7) aus hochelastischen Material innig verbunden ist.
  2. Hybrides Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (7) aus einem thermoplastischen Polyurethan besteht, das durch Spritzgießen oder Beschichten mit einem Formwerkzeug fest mit der der Tragstruktur (2) zugewandten Innenfläche der Metallstruktur (3) verbunden ist.
  3. Hybrides Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) mit der hochelastischen Zwischenschicht (7) durch eine Klebemittel verbunden ist.
  4. Hybrides Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Traggerüst (2) mit der Zwischenschicht (7) über den beim Herstellen des Faserverbundwerkstoffs frisch infiltrierten Kunststoff verbunden ist.
  5. Hybrides Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer hohen Wärmebelastung ausgesetzte Bereiche von miteinander zu verschweißenden Teilen der Metallstruktur (3) nicht mit der elastischen Zwischenschicht belegt sind.
  6. Hybrides Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenschicht (7) etwa 0,1 bis 1,5 mm beträgt.
EP20090176082 2008-11-24 2009-11-16 Hybrides Bauteil für ein Gasturbinentriebwerk Withdrawn EP2189625A1 (de)

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