SE424215B - Rotorbladkonstruktion - Google Patents

Description

7714726-2 Sammansatta material som bildas av trådar eller fibrer med hög hållfasthet och hög elasticitetsmodul, vilka är inbäddade i ett matrismaterial, har under det senaste decenniet givit stora löf- ten för framtida dramatiska ökningar i förhållandena mellan hållfasthet och vikt. Samansatta blad har emellertid olyckligt- vis hittills haft en erkänt låg tolerans för skador från främ- mande föremål. Utvecklade system, såsom de som beskrivs inom den kända tekniken i form av amerikanska patenten 3 098 723 med rubriken "Novel structural composite Material", 3 572 971 med rubriken “Light weight Turbo-Machinery Blading", 3 649 425 med rubriken "Arcuate Shaped Composites of Refractory Tapes Embedded in a Metal Matrix", 3 699 623 med rubriken “Method for Fabricat- ing Corrosion Resistant Composítes" och 3 762 835 med rubriken "Foreign Object Damage Protection for Compressor Blades and Other Structures and Related Methods", innesluter det sammansatta kärn- materialet i en mera formbar eller tänjbar, fullständigt metal- lisk skida eller hölje för att förbättra motstândskraften hos den sammansatta konstruktionen gentemot skador från främmande föremål.

Ytterligare förbättringar som ökar livslängden på de sammansatta bladen och ökar möjligheterna för framställningen av de samman- satta bladen, erfordras innan fullt utnyttjande i turbomaskiner kan förverkligas.

Ett primärt ändamål med föreliggande uppfinning är att tillämpa teknologin för samansatta material på kompressorrotorblad i ett utförande som har adekvat motståndskraft mot skador från främ- mande föremål. Förbättrade energiabsorberande förmågor är önsk- värda och vid åtminstone en utföringsform är syftet att åstad- komma en hel sammansatt bärytasektion.

Enligt föreliggande uppfinning framställes ett rotorblad av en kärna av trådar eller fibrer med hög hållfasthet och hög elasti- citetsmodul, vilka är inbäddade i ett första matrismaterial, och en skida eller hölje av fibrer med hög hållfasthet och hög elas- 7714726-2 ticitetsmodul, vilka sistnämnda trådar är inbäddade i ett andra matrismaterial, där nämnda första matrismaterial har en lägre draghållfasthet eller sträckgräns och större tänjbarhet än nämnda andra matrismaterial.

En primär egenskap hos föreliggande uppfinning är kärnan med trådar eller fibrer som sträcker sig över spännvidden och som är inbäddade i det första matrismaterialet. En annan egenskap är skidan eller höljet med snedorienterade trådar vilka är inbäddade i ett andra matrismaterial. Det första matrismaterialet har en lägre draghållfasthet än det andra matrismaterialet och är mer formbart eller tänjbart. Vid en utföringsform sträcker sig kär- nan med över spännvidden utbredda trådar och skidan med sned- orienterade trådar in i basområdet hos bladet och är inneslutna och belägna mellan ett par basblock av metall. Vid åtminstone en utföringsform sträcker sig skidan från basen endast delvis tvärs- över spännvidden av bladet.

En principiell fördel med föreliggande uppfinning är de ökade förhållandena mellan hållfasthet och vikt som möjliggöres genom användningen av sammansatta material med låg vikt. Förbättrad motståndskraft mot skador från främmande föremål och minskad känslighet för katastrofala fel är egenskaper som utvecklas av den kombinerade sammansatta konstruktionen. Vridhållfasthet och hållfasthet vid basfästet hos den sammansatta konstruktionen bi- behålles medan bladets energiabsorberande egenskaper förbättras.

Tillverkningen förbättras genom undvikandet av metallskidor eller metallhöljen i de helt sammansatta utföringsformerna av bärytan enligt föreliggande uppfinning.

Ovanstående och andra ändamål, egenskaper och fördelar med före- liggande uppfinning kommer att framgå av följande beskrivning av en föredragen utföringsform som visas på ritningen.

Fig. l är en förenklad bild av ett rotorblad till en kompressor. 7714726-2 Fig. 2 är en genomskärningsvy längs linjen 2 ~ 2 i fig. l.

Fig. 3 är en genomskärningsvy längs linjen 3 - 3 i fig. l.

Fig. 4, är en genomskärningsvy längs linjen 4 - 4 i fig. l.

Fig. 5 är en grafisk framställning som visar energiabsorptions- egenskaperna hos material som har avvikande draghåll- fastheter eller sträckgränser.

Ett rotorblad, såsom ett propellerblad 10 till en gasturbinmotor, visas i fig. 1. Bladet uppvisar en bärytasektion l2, som inne- fattar en yttre ände 14, och en bassektion 16. Bärytasektionen består av en över spännvidden sig sträckande kärna 18 av konti- nuerliga trådar eller fibrer 20, vilka är inbäddade i ett första matrismaterial 22, och en skida eller baljliknande hölje 24 med snedorienterade trådar eller fibrer 26, vilka är inbäddade i ett andra matrismaterial 28. Trådarna hos kärnan och trådarna hos skidan sträcker sig enligt en utföringsform, som visas i fig. 2, in i bassektionen l6 hos bladet. Ett par basblock 30 av metall håller fast och innesluter mellan sig trådarna hos kärnan 7 och skidan i basområdet. En metallkil 32 förskjuter trådarna mot basblocken för att hålla kärnan och skidan i det fortsatta .skicket.

Vid utföringsformen enligt fig. l sträcker sig skidan 24 med de snedorienterade trådarna 26 från bassektionen endast delvis över 'bladets spännvidd. Vid en alternativ utföringsform sträcker sig skidan från bassektionen 16 över bladets hela spännvidd.

Trådförstärkta sammansatta konstruktioner är särskilt önskvärda för rotorblad beroende på ingående egenskaper ifråga om hög spe- cifik hållfasthet och hög specifik elasticitetsmodul. Trådarna hos den över spännvidden sig sträckande kärnan 18 löper i huvud- sak parallellt med de centrifugalt alstrade krafter som verkar på bladet. Ett utmärkt förhållande mellan spännviddshållfasthet och vikt erhålles och den totala vikten på bladsystemet reduce- ras. Såsom visas är trådarna hos skidan 24 snedorienterade med 7714726-2 avseende på trådarna hos kärnan 18. Snedställning av trådarna för- bättrar vridningsstyvheten hos konstruktionen och föredrages vid de flesta utföringsformer.

Trådarna hos kärnan och trådarna hos skidan sträcker sig in i bladets bassektion. Trådarna hålls mellan basblocken 30 och kilen 32. Skidan med trådar sträcker sig enligt en utföringsform från bassektionen över endast en del av bladets spännvidd. Den procen- tuella andelen av spännvidden som är täckt vid varje utförings- form beror till övervägande del på graden av vridningsstyvhet som erfordras och det ställe för och den storlek av påverkan från främmande föremål som kan förutses.

Matrismaterialet, i vilket de över spännvidden sig sträckande trådarna är inbäddade, har jämförelsevis låg draghållfasthet och den resulterande sammansatta konstruktionen har hög tänjbarhet.

Denna kombination hos den sammansatta konstruktionen ger god to- _ lerans för påverkan från främmande föremål. Vid påverkan eller slag inträffar materialdeformation med endast en begränsad san- nolikhet till katastrofartad sprickbildning. Energin från sla- gen eller stötarna absorberas genom plastisk deformation av det sammansatta materialet och bladet förblir intakt.

En serie laboratorieprovningar indikerar de relativa absorp- tionsegenskaperna hos liknande sammansatta konstruktioner som har andra matrismaterial av aluminiumlegering. De provstycken som undersöktes var bortrådförstärkta stänger med identiskt lika tvärsnitt. Provstyckena underkastades slag vid provningar med trepunktsbryning, varvid slagriktningen var vinkelrät mot tråd- orienteringen. Provningen simulerar slaget eller stöten från ett främmande föremål mot den över spännvidden sig sträckande kärnan hos rotorbladet. Den maximala belastningen som provstycken tålde vid slag (PMAX) och den totala energiförlusten före sprickbild- ningen (ETOTAL) uppmättes med följande värden som resultat. 7714726-2 6 . . P E Matrislegering MAX TOTAL (kg) (m/kg) 2024 (matris med hög draghåll- fasthet) 1130 6,7 1100 (matris med låg draghåll- fasthet) 816 16 (inget brott) Provstycket med låg draghållfasthet deformerades ut från tre- punktsstödet utan att brista och därför utan att nå sin energi- absorptionsgräns.

Energiabsorptionen kan förstås bättre genom studium av fig. 5.

Den mängd energi som absorberas av ett provstycke representeras av arean under den tillämpliga kurvan, kurva A för ett material med hög draghållfasthet och kurva B för ett material med låg drag- hållfasthet. Enligt kurva A har provbiten brustit och ingen ytter- ligare energi kan absorberas. Enligt kurva B fortsätter provstyc- ket att deformeras och fortsätter att absorbera energi.

Energiabsorptionen vid slag utan katastrofartad sprickbildning är önskvärd vid ett bladsystem och därför väljes ett tänjbart matrismaterial med låg- eller sträckhâllfasthet, såsom aluminium-i legering 1100, som stöd för de över spännvidden sig sträckande trådarna hos kärnan 18. Matrisens låga sträckhållfasthet erbju- der olyckligtvis litet vridmotstånd mot deformation och låg to- lerans för alstrade centrifugalkrafter vid basen. Bladen tende- rar att tvinna upp sig efter fortsatt användning vid driftstem- peraturer och systemets aerodynamiska duglighet påverkas menligt.

Ett matrismaterial med högre sträckhållfasthet och jämförelsevis lägre tänjbarhet väljes till stödet för trådarna 26 i skidan el- ler höljet 24. Matrismaterialet med högre sträckhållfasthet i kombination med snedorienterade trådar, såsom beskrivits häri, ger god motståndskraft mot vridningsdeformation och god hållfasthet vid bladets bas. 7714726-2 Hela den sammansatta bärytan enligt föreliggande uppfinning und- viker de tidigare använda konstruktionerna med skida eller hölje av metall och undviker de tillverkningsproblem som är förknippa- de med sådana konstruktioner. Bladet enligt föreliggande uppfin- ning kan formas av ett flertal bandlager som orienterats såsom beskrivits häri och sammanpressats i ett enda steg för bildande av både kärna och skida eller hölje. Användningen av dessa lik- artade och i hög grad kompatibla material, som beskrivits, er- bjuder en betydande enkelhet vid framställningen.

Fastän system med aluminiumlegeringmatris och bortrådar beskri- vits häri, är principen med kombinerade matrissystem för för- bättrad energiabsorption och förbättrade hållfasthetsegenskaper enligt vad som angivits ovan lika väl applicerbar på andra matrismaterial som uppvisar liknande eller avvikande hög håll- fasthet och trådar med hög elasticitetsmodul. Även om uppfinningen har visats och beskrivits med avseende på föredragna utföringsformer därav, skall det förstås att fackman- nen inom området kan göra olika ändringar och uteslutningar i utformningen av uppfinningen utan att frångå omfattningen av uppfinningen.

Claims (11)

7714726-2 P a t e n t k r a v

1. Rotorbladkonstruktion som omfattar en bassektion och en utsträckt bärytasektion, k ä n n e t'e c k n a d av att den utsträckta bärytasektionen (12) är utformad med en kärna (18) av trådar (20) med hög hållfasthet och hög elasticitetsmodul, vilka trådar är inbäddade i ett första) matrismaterial (22), och en skida eller hölje (24) av trådar (26) med hög hållfasthet och hög elasticitetsmodul, vilka sistnämnda trådar är inbäddade i ett andra matris- material (28), och att nämnda första matrismaterial (22) har en lägre draghållfasthet än nämnda andra matrismaterial (28) .

2. Rotorbladkonstruktion enligt krav 1, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda hög hållfasthet och hög elas- ticitetsmodul uppvisande trådarna (20,26) utgöres i huvud- sak av bor.

3. Rotorbladkonstruktion enligt krav 2, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda första matrismaterial (22) i huvudsak utgöres av aluminium.

4. Rotorbladkonstruktion enligt krav 3, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda första matrismaterial (22) är aluminiumlegering 1100.

5. Rotorbladkonstruktion enligt kraven 1 - 4, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda andra matrismaterial (28) i huvudsak utgöres av aluminium.

6. .Rotorbladkonstruktion enligt krav 5, k ä n n e- t e c k nza d -av att nämnda andra matrismaterial (28) är aluminiumlegering 2024. 7714726-2

7. Rotorbladkonstruktion enligt krav 1, k ä n n e- t e c k n a d av att trådarna (20) hos nämnda kärna sträcker sig i spännvidds riktning genom bladet (10).

8. Rotorbladkonstruktion enligt krav 7, k ä n n e- t e c k n a d av att trådarna (26) has nämnda skida (24) är snett orienterade i förhållande till trådarna (20) hos kärnan (18).

9. Rotorbladkonstruktion enligt krav 8, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda skida eller hölje (24) är utformad med ett flertal snedorienterade lager.

10. Rotorbladkonstruktion enligt krav 9, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda kärna (18) med överspänn- vidden sig sträckande trådar (26) utbreder sig in i nämnda bassektion (16).

11. Rotorbladkonstruktion enligt krav 10, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda skida (24) med fibrer (26) sträcker sig in i nämnda bassektion (16). ANFURDÅ PUBLIKATIONER: