DE2339468B2

DE2339468B2 - Schaufel für Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE2339468B2
Application number: DE2339468A
Authority: DE
Inventors: Claude Paul Antony Baudier; Jean Georges Brunoy Bouiller; Pierre Michel Paris Teysseyre; Claude Brunoy Zabukovec
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1972-08-04
Filing date: 1973-08-03
Publication date: 1978-07-13
Also published as: DE2339468C3; FR2195255A5; DE2339468A1; US3883267A; GB1433519A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für Strömungsmaschinen mit einem Schaufelblatt, welches einen metallischen Schaufelkern aufweist, der ausgehend von dem metallischen Schaufelfuß sich über einen Teil der Schaufelblattlänge erstreckt, wobei der Schaufelkern von mehreren Schichten aus Fasermaterial umgeben ist, das in einer Matrix gebunden ist.

Derartige Schaufeln sind aus der GB-PS 8 71066 bekannt. Sie erbringen den Vorteil, daß sie gegenüber zur Gänze aus Metali gefertigten Schaufeln bei gleicher Festigkeit gegenüber Beanspruchungen aus Fliehkraft, Biegung, Torsion oder Vibrationen eine viel geringere Masse aufweisen. Dennoch kann die Schaufel, weil sie einen metallischen Schaufelfuß aufweist, auf herkömmliche Weise in einer Ausnehmung, beispielsweise der Nabe eines Laufrades oder des Ringes eines Leitrades, befestigt werden. Bei der bekannten Schaufel tritt jedoch eine Schwierigkeit aufgrund der Tatsache auf, daß der metallische Schaufelkern einen Elastizitätsmodul und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, die sich von denjenigen des Fasermateriuls unterscheiden. Überdies sind diese Eigenschaften beim Fasermaterial sehr stark richtungsabhängig. So ergibt sich in Längsrichtung der Fasern üin maximaler ß Elastizitätsmodul und ein minimaler thermischer Ausdehnungskoeffizient, während senkrecht zur Längsrichtung der Fasern gerade umgekehrte Verhältnisse vorliegen.
Es wird also der Schaufelkern unier der Wirkung der

H) mechanischen Beanspruchungen und der Temperaturschwankungen, denen die Schaufel im Betrieb ausgesetzt ist, andere Dehn- und Deformationsbewegungen ausführen als die ihm umgebende Hülse.

Dadurch ergeben sich an der Berührungsfläche des

Γ3 metallischen Schaufelkerns mit dem Fasermaterial Scherbeanspruchungen. An dieser Berührungsfläche befindet sich normalerweise ein Bindemittel. Dabei kann es sich um einen Kleber oder das Material der Matrix selbst handeln. Das Bindemittel muß den Zusammenhalt zwischen dem Schaufelkern und den anschließenden Schichten sicherstellen. Erreichen die bei der bekannten Schaufel auftretenden Scherbeanspruchungen hohe Werte, so kann durch sie der Zusammenhalt zwischen den Teilen der Schaufel gefährdet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte Schaufelkonstruktion so auszugestalten, daß zur Verbesserung des Zusammenhaltes zwischen den verschiedenen Teilen der Schaufel eine Anordnung der Teile und

ίο insbesondere der Schichten aus Fasermaterial vorgeschlagen wird, durch die Scherbeanspruchung des Bindemittels zwischen Schaufelkern und Fasermaterial bei Beibehaltung der guten Betriebseigenschaften des Schaufelblattes vermindert werden.

Jj Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Winkel der Faserrichtung bezüglich der Schaufelblattlängsachse der einzelnen Schichten vom Schaufelblattinneren zum Schaufelblattäußeren hin abnimmt. So kann der Maximalwert des Winkels im

•ίο Schaufelblattinneren zwischen 50° und 60° liegen. Der Minimalwert des Winkels an der Oberfläche des Schaufelblattes kann zwischen 0° und 20° liegen.

Bei einer solchen Orientierung der Faserrichtung wird zunächst im Bereich des Schaufelkerns erreicht,

■r> daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der dem Schaufelkern benachbarten Schichten von Fasermaterial dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Materials des Schaufelkerns so nahe wie möglich kommt. Der Winkel zwischen Faserrichtung

μ und Schaufelblattlängsachse weist deshalb hier seinen Maximalwert auf. Dieser Maximalwert darf nicht zu groß gewählt werden, weil sonst der Ausdehnungskoeffizient des Fasermaterials in Richtung der Schaufelblattlängsachse größer wird als derjenige des metallischen Schaufelkerns. Wird andererseits der Winkel zu klein gewählt, so wird der Elastizitätsmodul des Fasermaterials größer als derjenige des metallischen Werkstoffes des Schaufelkerns. Der angegebene Wertbereich für den Maximalwert des Winkels im Schaufelblattinneren stellt deshalb einen optimalen Kompromiss für Ausdehnungskoeffizient und Elastizitätsmodul dar und stellt eine möglichst geringe Scherbeanspruchung des Bindemittels zwischen Schaufelkern und benachbarten Schichten des Fasermaterials sicher. Läßt man nun in

6^r> den vom Schaufelblattinneren zum Schaufelblattäußeren hin folgenden Schichten den Winkel der Faserrichtung allmählich abnehmen, so wird für einen graduellen Übergang und ein durchgehendes Kleinhalten der

Scherbeanspruchungen zwischen den Schichten gesorgt. Schließlich endet man an den Oberflächenschichten in einem Minimalwert des Winkels der Faserrichtung, durch den sich ein möglichst großer Elastizitätsmodul ergibt. Dieser wird bei Schaufeln, die \or allem Torsionsbeanspruchungen unterworfen sind, in der Größenordnung von ±20° liegen, bei Schaufeln, die vor allem Biegebeanspruchungen unterworfen sind, bei 0". Bei den Oberflächenschichten, die mit dem Schauielkern keinen oder nur kleinflächigen Kontakt haben, sind diese Werte für die Betriebsbeanspruchung günstig, ohne daß der mit ihnen einhergehende kleine Ausdehnungskoeffizient in Richtung der Schaufelblattlängsachse noch einen nachteiligen Einfluß auf den Zusammenhalt der Teile der Schaufel haben könnte.

Unter Beibehaltung des Prinzips, daß der Winkel der Faserrichtung bezüglich der Schaufelblattlängsachse vom Schaufelblattinneren zum Schaufelblattäußeren hin abnimmt, kann gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung so vorgegangen werden, daß der Wirkel der Faserrichtung in zwei vom Schaufelblattinneren zum Schaufelblattäußeren unmittelbar aufeinander folgenden Schichten zur Schaufelblattlängsachse in der einen Schicht den positiven, in der folgenden den negativen Wert des absoluten Winkelwertes aufweist. Die Auswirkungen auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und den Elastizitätsmodul werden davon nicht betroffen. Die sich ergebende Überkreuzanordnung der Fasern in den benachbarten Schichten führt aber zu einer besseren Festigkeit des Schaufelblattes unter den Betriebsbeanspruchungen.

Besonders zweckmäßig ist es auch, die einzelnen Schichten in einer Stufenanordnung übereinander zu legen, wobei jede Schicht relativ zur benachbarten, tiefer im Schaufelblattinneren liegenden Schicht einen in Richtung auf den Schaufelfuß vorgeschobenen Befestigungsabschnitt am Schaufelkern hat. Diese Stufenanordnung trägt ebenso wie die Änderung des Winkels der Faserricntung dazu bei, einen regelmäßigen Übergang von Beanspruchungen mechanischen oder thermischen Ursprungs sicherzustellen, ohne daß dadurch der Zusammenhalt der Teile der Schaufel beeinträchtigt würde. Zweckmäßig weist dabei der Schaufelkern am Schaufelfuß seine maximale Dicke auf, die mit dem Abstand vom Schaufelfuß in Richtung der Schaufelblattlängsachse abnimmt. Auf diese Weise bleibt die gesamte Dicke der Schaufel trotz der vorteilhaften Stufenanordnung zumindest über einen Teil ihrer Längsrichtung konstant.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Weitere Einzelheiten können dabei dem Text und/oder der Zeichnung entnommen werden. Es zeigt

Fig. 1 teilweise aufgerissen eine perspektivische Aussicht einer Ausführungsform einer Schaufel, und

Fig. 2einen Schnitt bei Linie H-II von Fig. 1.

F i g. 1 zeigt eine Schaufel 1 aus einem Schaufelblatt 2 und einem Schaufelkern 3 mit Schaufelfuß 3 a. Die Schaufelblattlängsachse χ χ' fällt mit der Schnittlinie II-II für Fig. 2 zusammen.

Derartige Schaufeln sind für Lauf- oder Leiträder von Strömungsmitteln durchströmten Maschinen, wie Kompressoren, Ga. - oder Dampfturbinen, Pumpen oder anderen Mascninen dieser Art, bestimmt. In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die Schaufel I Teil des Laufrades eines Kompressors ist.

Das stromlinienförmige Schaufelblatt 2 entsteht durch um den Schaufelkern 3 übereinander gelegte Schichten A, B. C'aus Fasermaterial. Dieses Material ist beispielsweise in einer Matrix aus synthetischem Harz gebunden. Die Fasern selbst können gegebenenfalls verwebte Fasern oder Fäden aus Kohlenstoff oder Bor sein.

Der Schaufelkern 3 besteht aus einem Metall, das unter dem Gesichtspunkt ausgewählt wird, daß seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften dem Material des Schaufelblattes 2 so gut wie möglich

in nahekommen. Im Falle der oben angegebenen Materialien für das Schaufelblatt 2 besteht der Schaufelkern vorteilhaft aus Titan. Der Schaufelfuß 3a dient der Befestigung der Schaufel 1. Seine in Fig. 2 besonders klar zu erkennende Form dient beispielsweise zum

ii Einschieben in eine Schwaibenschwanznut, die am Umfang einer Scheibe oder Trommel des Kompressors ausgebildet ist.

Bei der Fertigung der Schaufel 1 aus Schaufelblatt 2 und Schaufelkern 3 wird wie folgt vorgegangen.

_>o Das Fasermaterial liegt in blatt- oder plattenförmigen Abschnitten vor. Diese werden zu einer geometrischen Form zugeschnitten, die beim Übereinanderlegen der Schichten das gewünschte Profil der Schaufel 1 ergibt. Beim Zuschneiden wird überdies, wie unten noch näher erklärt, der Ausrichtung der Fasern in den verschiedenen Schichten bezüglich der Schaufelblattlängsachse χ x'der Schaufel 1 Rechnung getragen.

An der Berührungsfläche zwischen Schaufelkern 3 und Schaufelblatt 2 ist ein Bindemittel 4 angeordnet, bei

κι dem es sich um einen Klebstoff oder ein Material der Zusammensetzung des Bindemittels in der Matrix handeln kann. Die aus Schaufelkern 3, Bindemittel 4 und korrekt übereinandergelegten Schichten A... Fgebildete Einheit wird schließlich in eine Form eingebracht,

π in der die Einheit erhitzt und einem Druck ausgesetzt wird. Die verschiedenen Schichten werden auf diese Weise untereinander und mit dem Schaufelkern fest verbunden. Um die Verankerung der Schichten aus Fasermaterial mit dem Schaufelkern 3 weiter zu

κι verbessern, kann letzterer Durchbrechungen 3£> aufweisen, durch die das Bindemittel 4 hindurchtreten und Schichten auf beiden Seiten des Schaufelkerns 3 miteinander verbinden kann.
Der Winkel der Faserrichtung bezüglich der Schau-

-Γ) felblattlängsachse χ χ' sei λ. Da die Fasern ihre ausgezeichnete mechanische Beanspruchbarkeit nur in Faserlängsrichtung aufweisen, soll bei Schaufeln, die Zugbeanspruchungen (aufgrund der Fliehkraft) und Biegebeanspruchungen sowie Torsionsbeanspruchungen (aufgrund der aerodynamischen Belastung der Schaufel) ausgesetzt sind, die Faserrichtung in den Oberflächenschichten zumindest nahezu mit der Schaufelblattlängsachse χ χ' zusammenfallen bzw. parallel zu dieser liegen.

Würde diese Bedingung auch im Schaufelblattinneren angewendet, so ergäbe sich für die Schichten des Fasermaterials ein Elastizitätsmodul, der erheblich größer als derjenige des metallischen Werkstoffs des Schaufelkerns 3 ist. Da andererseits der thermische

w) Ausdehnungskoeffizient in Faserlängsrichtung seinen minimalen Wert aufweist, würde sich bei gleicher Anordnung für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein erheblich kleinerer Wert als der des metalliscnen Werkstoffs des Schaufelkerns ergeben.

Würde demnach das gesamte Schaufelblatt 2 von seinen Oberflächenschichten E, F bis zu den im Schaufelinneren liegenden Schichten A, ßauf die oben beschriebene Weise ausgebildet, so könnten die Scherbeanspruchun-

gen die Dauerfesligkeil des Bindemittels 4 überschreiten und schließlich ein Zerfallen der Schaufel 1 in ihre Teile zur Folge haben.

Es werden deshalb die sechs übereinander gelegten und aufeinander folgenden Schichten A, B, C. D, IS, Faus Fasermaterial, die das Schaufelblatt 2 bilden und von denen die Schicht A am tiefsten im Schaufclblattinncrcn liegt, während die Schicht Fdie Oberflachenschicht ist, so angeordnet, daß der Winkel α zwischen der Längsrichtung der Fasern in jeder Schicht und der Schaufelblattlängsachse χ χ' in seinem absoluten Wert ausgehend von einem maximalen Wert für die am tiefsten im Schaufelblattinneren liegenden Schichten A. B bis zu einem Minimalwcrt für die Oberflächcnschichten E, Fabnimmt.

Die Wahl des Winkels « für jede der aufeinanderfolgenden Schichten beruht auf einem Kompromiss, bei dem folgendes in Rechnung gestellt wird: Die verschiedenen mechanischen Beanspruchungen (Zug, Biegung, Torsion), die die gesamte Schaufel 1 aushalten soll; die Eigenfrequenz, die die Schaufel 1 im Betrieb aufweisen soll; der Elastizitätsmodul des metallischen Werkstoffs des Schaufelkerns 3 einerseits und der Elastizitätsmodul des Fasermaterials im Schaufelblatt 2 andererseits, wobei bezüglich des letzteren der Winkel α der Ausrichtung der Fasern in jeder der Schichten in Rechnung gestellt wird; schließlich der thermische Ausdehnungskoeffizient des metallischen Werkstoffs des Schaufelkerns 3 einerseits und des Fasermaterials im Schaufelblatt 2 andererseits, wobei wiederum der Winkel α der Faserlängsrichtung in den einzelnen Schichten in Rechnung gestellt wird. Man beginnt damit, die Schichten A, B, die am tiefsten im Schaufelblattinneren liegen, nur in Stellung zu bringen und zu orientieren, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient dieser beiden Schichten in die Richtung der Schaufelblattlängsachse χ χ' demjenigen des Schaufelkerns 3 so nahe wie möglich kommt. Der Winkel λ muß daher hier einen Maximalwert aufweisen. Er kann beispielsweise absolut genommen zwischen 50" und 60° liegen. Dabei wird für die Schicht A ein Winkel von + 50°, für die Schicht fein Winkel von - 50° gelten. Die Festlegung dieser Winkelgrenzen stellt die folgenden Überlegungen in Rechnung: Für einen Winkel untei 45° steigt der Elastizitätsmodul sehr rasch an und hai dann die Tendenz, größer als derjenige des metallischer Werkstoffs des Schaufelkerns 3 zu werden. Nähert sich ^ri andererseits der Winkel 90°, so nimmt der Ausdehnungskoeffizient des Fasermaterials einen zu großer Wert an. Die angegebenen Winkelgrcnzen stellen somil einen Zwischenwert dar, der sowohl bezüglich de; Elastizitätsmoduls als auch bezüglich des Ausdchnungs-

in koeffizienten befriedigt.

Man fährt sodann mit den Schichten C, D fort, ir denen der Winkel α kleiner als der oben angegebene Maximalwert gewählt wird. Schließlich endet man in einer oder mehreren Oberflächenschichten E, F, in

r. denen der Winkel α so gewählt ist, daß man einer möglichst großen Elastizitätsmodul erhält. Der Minimalwert des Winkels λ für die Oberflächenschichten E F liegt zwischen 0 und 20°. Er beträgt für irr wesentlichen Biegebeanspruchungen unterworfene Schaufeln 1 beispielsweise 0°, für mehr Torsionsbeanspruchung unterworfene Schaufeln wird er vorteilhafi bei ±20% liegen.

Fig. 2 läßt di° Lage der einzelnen Schichten irr Schaufelblattinneren noch klarer erkennen: Die Schich-

2") ten /4 ... Fsind in einer Stufenanordnung übereinandergelegt, so daß beispielsweise die Schicht Cbezüglich der tiefer im Schaufelblattinneren liegenden benachbarter Schicht B einen in Richtung auf den Schaufelfuß 3t vorstehenden Befestigungsabschnitt aufweist. Diesel

jo vorstehende Befestigungsabschnitt bildet eine Stufe durch die die jeweilige Schicht am Schaufelkern 1 befestigt ist.

Man erkennt aus Fig. 2 weiter, daß die Dicke de.· Schaufelkerns 3 in der Nähe des Schaufelfußes 3a einer

Γι Maximalwert hat und in Richtung zum Scheitel dei Schaufel 1 forllaufend abnimmt. Die Dicke der Schaufe ist zumindest über einen Teil ihrer Längserstreckunj konstant. Zwischen jeder der Stufen und den Schaufelkern 3 ist Bindemittel 4 angeordnet. Di<

■κι Stufenanordnung trägt dazu bei, daß die Scherbeanspru chungen im Bindemittel 4 unter der Dauerfestigkeits grenze dieses Materials bleiben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaufel für Strömungsmaschinen, mit einem Schaufelblatt, welches einen metallischen Schaufelkern aufweist, der ausgehend von dem metallischen Schaufelfuß sich über einen Teil der Schaufelblattlänge erstreckt, wobei der Schaufelkern von mehreren Schichten aus Fasermaterial umgeben ist, das in einer Matrix gebunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) der Faserrichtung bezüglich der Schaufelblattlängsachse (x x') der einzelnen Schichten (A... F) vom Schaufelblattinneren zum Schaufelblattäußeren hin abnimmt.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert des Winkels (α) in den am tiefsten im Schaufelblattinneren liegenden Schichten (A, B)zwischen 50° und 60" liegt.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Minimalwert des Winkels (λ) in den an der Oberfläche des Schaufelblattes (2) liegenden Oberflächenschichten (E, F) zwischen 0° und 20° liegt.

4. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Faserrichtung in zwei vom Schaufelblattinneren zum Schaufelblattäußeren unmittelbar aufeinander folgenden Schichten (z. B. A, B oder E, F) zur Schaufelblattlängsachse (x x') in der einen Schicht (A, F) + λ und in der benachbarten (B, E) — λ beträgt.

5. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichne!, daß die einzelnen Schichten (A ... F) in einer Stufenanordnung übereinandergelegt sind und daß dadurch jede Schicht (z. B. B) relativ zur benachbarten, tiefer im Schaufelblattinneren liegenden Schicht (/feinen in Richtung auf den Schaufelfuß (3a) vorgeschobenen Befestigungsabschnitt am Schaufelkern (3) hat.

6. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkern (3) am Schaufelfuß (3a) seine maximale Dicke hat, die mit dem Abstand vom Schaufelfuß in Richtung der Schaufellängsachse (x x') abnimmt.