DE60318814T2

DE60318814T2 - Hybride Mehrkomponententurbinenschaufel

Info

Publication number: DE60318814T2
Application number: DE2003618814
Authority: DE
Inventors: Scott Roger Niskayuna Finn; Jan Christopher Middletown Schilling; Wendy Wen-Ling Niskayuna Lin; Mustafa Loveland Dindar; Robert Paul Harrison Tyler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: DE60318814D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf sowohl Gasturbinen als auch Dampfturbinen und, mehr im Besonderen, auf eine Turbinenschaufel, die aus mehreren Komponenten zusammengesetzt ist, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sind.
Dampfturbinen schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Ausrüstung für Dampfturbinen-Energieerzeugung und Dampfturbinen-Schiffsantrieb ein. Gasturbinen schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Ausrüstung für Gasturbinen-Energieerzeugung und Gasturbinen-Flugzeugtriebwerke ein. Eine bespielhafte Dampfturbine enthält typischerweise einen Hochdruck-Turbinenabschnitt, einen Niederdruck-Turbinenabschnitt oder eine Kombination beider, die durch die Dampfströmung rotiert. Eine bespielhafte Gasturbine schließt typischerweise ein Kerntriebwerk, das einen Hochdruck-Verdichter zur Komprimieren der in das Kerntriebwerk eintretenden Luftströmung, einen Brenner, in dem eine Mischung aus Treibstoff und der komprimierten Luft zur Erzeugung einer Triebgasströmung verbrannt wird und eine Hochdruck-Turbine ein, die durch die Triebgas-Strömung rotiert und die durch eine Welle größeren Durchmessers zum Antrieb des Hochdruck-Verdichters mit diesem verbunden ist. Ein typisches Frontbläser-Gasturbinen-Flugzeugtriebwerk fügt eine Niederdruck-Turbine hinzu (angeordnet nach der Hochdruck-Turbine), verbunden durch eine koaxiale Welle geringeren Durchmessers zum Antrieb des Frontbläsers (vor dem Hochdruck-Verdichter angeordnet) und zum Antrieb eines wahlweisen Niederdruck-Verdichters (zwischen Frontbläser und Hochdruck-Verdichter angeordnet). Der Niederdruck-Verdichter wird manchmal als Zusatzverdichter bzw. Nachschaltverdichter bezeichnet.
In der beispielhaften Gasturbine haben typischerweise der Bläser und der Hochdruck- und Niederdruck-Verdichter und -Turbinen Gasturbinen-Schaufeln, die jeweils einen Schaufelblattabschnitt einschließen, der an einem Schaftabschnitt angebracht ist. In der beispielhaften Dampfturbine haben typischerweise der Hochdruck- und Niederdruck-Turbinenabschnitt Dampfturbinen-Schaufeln, die jeweils einen Schaufelblattabschnitt einschließen, der an einem Schaftabschnitt angebracht ist. Rotorschaufeln sind Gas- oder Dampf-Turbinenschaufeln, die an einer rotierenden Gasturbinen- bzw. Dampfturbinen-Rotorscheibe angebracht sind. Statorschaufeln sind Gasturbinen-Schaufeln oder Dampfturbinen-Schaufeln, die an einem nicht rotierenden Gasturbinen- bzw. Dampfturbinen-Statorgehäuse angebracht sind. Typischerweise gibt es abwechselnde Umfangsreihen sich radial nach außen erstreckender Rotorschaufeln und sich radial nach innen erstreckender Statorschaufeln. Wenn in einer Gasturbinen-Konfiguration vorhanden, kann eine erste und/oder letzte Reihe von Statorschaufeln (auch als Einlass- und Auslass-Leitschaufeln bezeichnet) ihre radial nach innen gerichteten Enden auch an einem nicht rotierenden Gasturbinen-Statorgehäuse angebracht haben. In Gasturbinen-Designs sind auch gegenläufig rotierende „Stator"-Schaufeln bekannt. Konventionelle Gasturbinen- und Dampfturbinen-Schaufeldesigns haben typischerweise Schaufelblattabschnitte, die gänzlich aus Metall, wie Titan, oder gänzlich aus einem Verbundmaterial hergestellt sind. Die vollständig aus Metall bestehenden Schaufeln, die teure Hohlschaufeln großer Tiefe einschließen, sind schwerer im Gewicht, führen zu geringerer Treibstoff-Leistungsfähigkeit und erfordern stabilere Schaufelbefestigungen.
Bei einer Gasturbinen-Flugzeuganwendung sind die leichteren, vollständig aus Verbundmaterial bestehenden Schaufeln ohne eine Metall-Vorderkante empfindlicher für Beschädigung aufgrund des Ansaugens von Vögeln. Bekannte Hybridschaufeln schließen eine Verbundschaufel ein, deren Vorderkante wegen Erosion und Aufprall von Vögeln durch Metall geschützt ist (wobei der Rest der Schaufel von einem nicht metallischen Überzug bedeckt ist). Die Gasturbinen-Bläserschaufeln sind typischerweise die größten (und daher die schwersten) Schaufeln in einem Gasturbinen-Flugzeugtriebwerk und die Frontbläser-Schaufeln sind die ersten, auf die ein Vogel auftrifft. Verbundschaufeln wurden typischerweise bei Anwendungen eingesetzt, bei denen das Gewicht am wichtigsten ist. Der Wunsch nach verringertem Kollateralschaden während des Verlustes von Schaufeln zusätzlich zu höheren Betriebsgeschwindigkeiten hat jedoch den Wunsch erzeugt, das Gewicht dieser Schaufeln noch weiter zu vermindern. Beispiele von Verbundschaufeln sind in EP 0 786 580 , US 51278052 und US 5308228 gezeigt.
Es gibt daher einen Bedarf an einer verbesserten Turbinenschaufel, spezifisch wird eine Gasturbinen-Schaufel und besonders eine Gasturbinen-Bläserschaufel benötigt, die ein geringeres Gewicht hat als entweder traditionelle Verbund- oder Hybridschaufeln. Gebraucht wird auch einen Dampfturbinen-Schaufel, die leichter ist als entweder eine traditionelle Verbund- oder Hybridschaufel.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß der Erfindung wird eine Mehrkomponenten-Hybrid-Turbinenschaufel geschaffen, umfassend einen Schaufelblattabschnitt mit einem Verbundabschnitt mit einer ersten Dichte und einer Ausnehmung, wobei der Schaufelblattabschnitt weiter einen Einsatzabschnitt mit einer zweiten Massendich te umfasst, die geringer ist als die erste Massendichte, wobei der Einsatzabschnitt in der Ausnehmung angeordnet und an den Verbundabschnitt gebunden ist und worin der Verbundabschnitt und der Einsatzabschnitt zusammen eine Strömungsflächenform definieren, bei der der Verbundabschnitt mehrere Verbundmaterialschichten umfasst, die Faserfilamente umfassen, die in einen Matrixbinder eingebettet sind und worin der Matrixbinder ein zäh machendes Material aus einer Vielzahl von Kautschukteilchen umfasst.
Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine schematische Seitenaufrissansicht der Druckseite einer Ausführungsform der Hybrid-Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Querschnittsansicht des Schaufelblattabschnittes einer Ausführungsform der Hybrid-Turbinenschaufel von 1 entlang der Linie 2-2 von 1 ist;
3 eine schematische Querschnittsansicht des Schaufelblattabschnittes einer Ausführungsform der Hybrid-Turbinenschaufel von 4 entlang der Linie 3-3 von 4 ist;
4 eine schematische Seitenaufrissansicht der Druckseite einer anderen Ausführungsform der Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine schematische Seitenaufrissansicht der Druckseite einer anderen Ausführungsform der Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine schematische Seitenaufrissansicht der Druckseite einer alternativen Ausführungsform der Turbinenschaufel der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine schematische Druckseiten-Frontansicht, eine schematische Vorderkanten-Seitenansicht, eine schematische Rückkanten-Seitenansicht, eine schematische Draufsicht und eine schematische Bodenansicht des Einsatzabschnittes einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 eine schematische Querschnittsansicht des Schaufelblattabschnittes einer Ausführungsform der Hybrid-Turbinenschaufel von 1 längs der Linie 2-2 von 1 ist, und
9 eine schematische Querschnittsansicht des Schaufelblattabschnittes einer Ausführungsform der Hybrid-Turbinenschaufel von 1 längs der Linie 2-2 von 1 ist.
Die Mehrkomponenten-Hybrid-Turbinenschaufel 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt einen Schaftabschnitt 12 und einen Schaufelblattabschnitt 14, wie in den 1–6 gezeigt, ein. Der Schaufelblattabschnitt 14 hat eine vorgesehene Betriebstemperatur, eine Schaufelwurzel 16, die an dem Schaftabschnitt 12 angebracht ist, eine Schaufelspitze 18 und eine radiale Achse 20, die sich nach außen zur Schaufelspitze 18 hin und nach innen zur Schaufelwurzel 16 hin erstreckt. Der Begriff „radiale Achse" 20, wie er hierin benutzt wird, bezieht sich auf eine Bezugsachse und nicht einen physischen Teil der Hybrid-Turbinenschaufel 10. Bei einer Gasturbinen-Anwendung ist die vorgesehene Betriebstemperatur die maximale Temperatur, der der Schaufelblattabschnitt 14 während des Normalbetrie bes der (nicht gezeigten) Gasturbine erwartungsgemäß ausgesetzt ist. Ein Beispiel einer typischen Gasturbinen- und einer typischen vorgesehenen Dampfturbinen-Betriebstemperatur liegt, ohne Einschränkung, zwischen allgemein 18°C und allgemein mehreren 100°C. Die Pfeile 26 der Richtung des Mediums in 1 zeigen allgemein die Mediumrichtung an. Das Medium umfasst typischerweise Luft bei einer Gasturbinen-Anwendung und es umfasst typischerweise gesättigten Dampf oder überhitzten Dampf bei einer Dampfturbinen-Anwendung.
Bei einer Gasturbinen-Anwendung der Hybrid-Turbinenschaufel 10 schließt der Schaftabschnitt 12 typischerweise einen Schwalbenschwanz 22 zur Befestigung der Hybrid-Turbinenschaufel 10 an einer (nicht gezeigten) Rotorscheibe und eine Schaufelplattform 24 ein, um bei der radialen Aufnahme der Luftströmung zu helfen. Der Schaufelblattabschnitt 14 hat eine Vorderkante 30 und eine Hinterkante 32, wobei die Richtung 26 des Mediums allgemein von der Vorderkante 30 zur Hinterkante 32 verläuft. Der Schaufelblattabschnitt 14 hat auch eine Druckseite 34 und eine Saugseite 36, wie in 2 gezeigt, wobei der Abstand von einer Vorderkante 30 zur Hinterkante 32 über die Saugseite 36 typischerweise länger ist als der Abstand von der Vorderkante 30 zur Hinterkante 32 über die Druckseite 34. Bei einer Gasturbinen-Verdichteranwendung rotiert die Hybrid-Turbinenschaufel 10 typischerweise in einer solchen Richtung, dass die Druckseite 34 an einem Bezugspunkt vorbeigeht, bevor die Saugseite 36 an dem gleichen Bezugspunkt vorbeigeht. Bei einer Dampfturbinen-Anwendung rotiert die Hybrid-Turbinenschaufel 10 typischerweise in einer solchen Richtung, dass die Saugseite 36 an einem Bezugspunkt vorbeigeht, bevor die Druckseite 34 am gleichen Bezugspunkt vorbeigeht.
Der Schaufelblattabschnitt 14 schließt auch einen Verbundabschnitt 28 ein, wie in den 2 und 3 abgebildet. Der Begriff „Verbundabschnitt", wie er hierin benutzt wird, ist als ein Abschnitt aus einem Verbundmaterial definiert. Der Begriff „Verbundmaterial" ist als ein Material definiert, bei dem irgendein (Metall- oder Nichtmetall-) Faserfilament in irgendeinem (Metall- oder Nichtmetall-) Matrixbinder eingebettet ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Verbundabschnitt 28 aus aufeinander gelegten diskreten Verbundlaminierungen. Das Verbundmaterial ist aus Faserfilaments, eingebettet in einen Matrixbinder, zusammengesetzt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Verbundmaterial aus Graphit-Faserfilaments, eingebettet in einem Epoxy (d. h. Epoxyharz)-Matrixbinder, zusammengesetzt. Andere Auswahlen für die Faserfilaments im Verbundmaterial schließen, ohne Einschränkung, Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern und Borfasern und Kombinationen davon ein. Andere Auswahlen für das Matrixharz schließen, ohne Einschränkung, Bismaleimid, Polyimid, Polyetherimid, Polyetheretherketon, Poly(arylsulfon), Polyethersulfon und Cyanatester und deren Kombinationen ein. Der Matrixbinder schließt zäh machende Materialien, wie Kautschukteilchen, ein. Der Verbundabschnitt 28 hat eine erste Massendichte und erstreckt sich radial von allgemein der Schaufelwurzel 16 zu allgemein der Schaufelspitze 18. Die erste Massendichte des Verbundabschnittes 28 liegt typischerweise in einem Bereich von etwa 1,4 g/cm³ bis etwa 2,0 g/cm³. Der Verbundabschnitt 28 erstreckt sich spannartig entlang der gesamten Vorderkante 30 und der gesamten Hinterkante 32 zwischen einer Schaufelplattform 24 und einer Schaufelspitze 18. Der Verbundabschnitt 28 erstreckt sich in der Tiefe zwischen der Vorder- und Hinterkante 30 und 32. In einer beispielhaften Konstruktion hat der Verbundabschnitt 28 keine durch die Oberfläche gehenden Löcher und keine anderen Ausnehmungen als solche, die einen (was mindestens einen bedeutet) Einsatzabschnitt 38 enthalten und keine internen Hohlräume. Verbundabschnitt 28 hat eine (was mindestens eine bedeutet) Ausnehmung 40 und die Ausnehmung 40 umfasst eine innere Vorderkante 42, eine innere Hinterkante 44, eine innere Schaufelspitzenkante 60 und eine innere Schaufelwurzelkante 62.
Der Schaufelblattabschnitt 14 schließt zusätzlich einen (bedeutet mindestens einen) Einsatzabschnitt 38 (in 1–6 sichtbar). In einer Gasturbinen-Anwendung ist der Einsatzabschnitt 38 in der Hybrid-Turbinenschaufel 10 derart angeordnet ist, dass weder die Beständigkeit gegen Vogelaufschlag noch das Frequenz-Ansprechen der Hybrid-Turbinenschaufel 10 beeinträchtigt ist. Der Einsatzabschnitt 38 ist in das Standard-Aufeinanderleg- und Härtungs-Verfahren der Hybrid-Turbinenschaufel 10 eingebaut und erfordert keine speziellen Werkzeuge außer denen, die zum Herstellen des Einsatzabschnittes 38 selbst erforderlich sind. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Einsatzabschnitt 38 einen ersten Einsatzabschnitt 138 und einen zweiten Einsatzabschnitt 238, die nicht in physischem Kontakt miteinander stehen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat „Einsatzabschnitt" 38 eine zweite Massendichte, die geringer ist als die erste Massendichte des Verbundabschnittes 28. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Einsatzabschnitt 38 aus einem elastomeren Material zusammengesetzt. In einer alternativen Ausführungsform ist der Einsatzabschnitt 38 aus einem thermoplastischen Grundelastomer und leichten Füllstoffteilchen zusammengesetzt. Die leichten Füllstoffteilchen sind im Allgemeinen von identischer Größe, wobei die leichten Füllstoffteilchen eine Vielzahl lufthaltiger Hohlräume umfassen. Jeder Hohlraum in jedem leichten Füllstoffteilchen hat typischerweise ein Volumen von etwa 10^–16 mm³. Der Begriff „leicht", wie er hierin benutzt wird, ist als ein Material mit einer Dichte in einem typischen Bereich von etwa 0,001 g/cm³ bis etwa 1,2 g/cm³ definiert. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die leichten Füllstoffteilchen aus Polymerteilchen zusammengesetzt, wobei jedes Polymerteilchen typischerweise den Luft enthaltenden Hohlraum umfasst und jedes Polymerteilchen eine zellulare Struktur (ungeachtet der Größe, Ge-stalt, Gleichförmigkeit oder des Gehaltes) hat. Diese leichten Füllstoffteilchen sind allgemein gleichmäßig im Grundelastomer im Einsatzabschnitt 38 dispergiert. In einer Ausführungsform wird das leichte Elastomermaterial im Einsatzabschnitt 38 durch Einführen der leichten Füllstoffteilchen in das Grundelastomer vor dem Härten hergestellt. Die resultierende Dichte des Elastomermaterials im Einsatzabschnitt 38 ist geringer als die des faserverstärkten Verbundabschnittes 28.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Einsatzabschnitt 38 einen hohlen Abschnitt 95, wie in 6 gezeigt. Der Einsatzabschnitt 38 ist typischerweise aus einem thermoplastischen Material oder alternativ einem wärmegehärteten Material hergestellt. Andere Materialauswahlen, aus denen der Einsatzabschnitt 38 einschließlich des hohlen Abschnittes 95 zu konstruieren ist, schließen, darauf jedoch nicht beschränkt, thermoplastische Materialien und wärmegehärtete Materialien, Metalle, Honigwaben-Keramiken oder Silikone und Kombinationen davon ein. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Einsatzabaschnitt 38 einschließlich des hohlen Abschnittes 95 durch ein Einspritzverfahren zur Produktion einer spritzgeformten Version des Einsatzabschnittes 38 hergestellt. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst der Einsatzabschnitt 38 einschließlich des hohlen Abschnittes 95 weiter interne Rippen, um die gesamte Bruchsteifheit und Festigkeit des Einsatzabschnittes 38 zu fördern. Der Fachmann wählt die Anzahl und Orientierung der internen Rippen im Einsatzabschnitt 38 aus.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Einsatzabschnitt 38 mit dem hohlen Abschnitt 95 hergestellt, wobei der Einsatzabschnitt 38 weiter eine (nicht gezeigte) Öffnung und ein (nicht gezeigtes) internes Rohr umfasst. Das interne Rohr ist von der Öffnung zum hohlen Abschnitt 95 gekoppelt, was gestattet, dass Strömungsmittel entweder hinzugegeben, unter Druck gesetzt oder aus dem hohlen Abschnitt 95 des Einsatzabschnittes 38 entfernt wird. In der Ausführungsform, bei der der Einsatzabschnitt 38 den hohlen Abschnitt 95 umfasst und der hohle Abschnitt 95 des Einsatzabschnittes 38 gefüllt und unter Druck gesetzt werden kann, ist das Einsatzabschnitts-Material, das typischerweise benutzt wird, ein flexibles Membranmaterial. In einer alternativen Ausführungsform hat das flexible Membranmaterial interne Verstärkungen, während in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das flexible Membranmaterial externe Verstärkungen aufweist. Die Anzahl und Orientierung der internen Rippen oder externen Rippen in dem Einsatzabschnitt 38 ist dem Fachmann überlassen. Während einer Herstellungs-Ausführungsform der Mehrkomponenten-Hybrid-Turbinenschaufel 10, die den Einsatzabschnitt 38 mit dem hohlen Abschnitt 95, Öffnung und internem Rohr benutzt, umfasst der Verbundabschnitt 28 weiter einen Strömungsmittelpfad, der mit der Öffnung des Einsatzabschnittes 38 auf einem Ende und mit einer äußeren Oberfläche des Verbundabschnittes 28 auf dem anderen Ende gekoppelt ist. In dieser Ausführungsform wird der Einsatzabschnitt 38, nachdem ein Teil der Verbundschichten übereinander gelegt ist, in der Ausnehmung 40 angeordnet. Der hohle Abschnitt 95 des Einsatzabschnittes 38 wird mit Strömungsmittel gefüllt und unter Druck gesetzt, sodass der Einsatzabschnitt 38 die erwünschte Gestalt annimmt. Zusätz liche Verbundschichten werden angeordnet, bedecken den Einsatzabschnitt 38, um eine fertige Version des Verbundabschnittes 28 herzustellen, während der Strömungsmittelpfad aufrechterhalten wird. In einer anderen Ausführungsform wird der hohle Abschnitt 95 des Einsatzabschnittes 38 mit Strömungsmittel gefüllt und unter Druck gesetzt, sodass der Einsatzabschnitt 38 die erwünschte Gestalt annimmt, woraufhin die weiteren Verbundschichten angeordnet werden, um den Einsatzabschnitt 38 zu bedecken und die fertige Version des Verbundabschnittes 28 herzustellen. Typischerweise wird das Strömungsmittel aus dem hohlen Abschnitt 95 des Einsatzabschnittes 38 durch den Abzugspfad abgezogen, nachdem die fertige Version des Verbundabschnittes 28 gebunden und konsolidiert ist.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die resultierende zweite Massendichte des Einsatzabschnittes 38, der nach der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, allgemein in einem typischen Bereich von 0,01 g/cm³ bis etwa 0,9 g/cm³. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Dichte des Einsatzabschnittes 38, umfassend den hohlen Abschnitt 95, aus dem Strömungsmittel entfernt wurde, nachdem die Herstellung der Hybrid-Turbinenschaufel 10 abgeschlossen war, allgemein in einem typischen Bereich von etwa 0,01 g/cm³ bis etwa 0,9 g/cm³. Die zweite Massendichte des Einsatzabschnittes 38 ist geringer als die erste Massendichte des Verbundabschnittes 28. Der Einsatzabschnitt 38 umfasst weiter eine Einsatz-Vorderkante 43, eine Einsatz-Hinterkante 45, eine Einsatz-Schaufelspitzenkante 61 und eine Einsatz-Schaufelwurzelkante 63.
Die hohe Dehnungsfähigkeit und der geringe Elastizitätsmodul des Elastomermaterials im Einsatzabschnitt 38 gestattet das effiziente Übertragen mechanischer Belastun gen um den Einsatzabschnitt 38 herum statt durch den Einsatzabschnitt 38 hindurch. In einer Ausführungsform hat das elastomere Material des Einsatzabschnittes 38 eine Dehnungsfähigkeit von mindestens etwa 20% und einen Bereich des Elastizitätsmoduls von etwa 3500 kPa bis etwa 350000 kPa. Der Elastizitätsmodul und die Dehnungsfähigkeit des Materials des Einsatzabschnittes ist derart ausgewählt, dass das Material des Einsatzabschnittes während der Herstellung des Einsatzabschnittes 38 eine geringe Verformung aufweist und die Festigkeit hat, einem Reißen während der Fabrikation zu widerstehen. Zusätzlich ist das Material des Einsatzabschnittes derart ausgewählt, dass das Material des Einsatzabschnittes in der Lage ist, Kurzzeit- und Langzeitermüdung zu widerstehen. Kurzzeitermüdung wird typischerweise durch etwa 30.000 Start- und Beendigungszyklen repräsentiert, während die Langzeitermüdung typischerweise durch mehr als 1.000.000 Rotationszyklen repräsentiert wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Einsatzabschnitt 38 so gebildet, dass er genügend Steifheit und Abmessungsstabilität aufweist, um die Schaufelblattgestalt während der Fabrikation des Verbundabschnittes 28 aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Einsatzabschnitt 38 so geformt, dass er genügend Nachgiebigkeit und Flexibilität beibehält, sodass sich der Einsatzabschnitt 38 an die Ausnehmung 40 anpasst. Der Fachmann wählt die Anzahl und den Ort der Einsatzabschnitte 38.
Der Einsatzabschnitt 38 ist an den Verbundabschnitt 28 gebunden. Das Verbinden erfolgt durch Adhäsion zwischen dem Material des Einsatzabschnittes und dem Material des Verbundabschnittes. Andere Beispiele des Verbindens schließen, ohne Einschränkung, Autoklavenzyklus-Härten, Klebstoffverbinden und Fusionsverbinden (Klebefilm oder -paste) ein.
Der Einsatzabschnitt 38 hat ein zweites Volumen und in einer alternativen Ausführungsform ist das zweite Volumen allgemein mindestens gleich 10% eines ersten Volumens des Verbundabschnittes 28. Der Verbundabschnitt 28 und der Einsatzabschnitt 38 (der in einer Ausführungsform zwei oder mehr Einsatzabschnitte umfasst, wie in den 3, 4 und 5 durch einen ersten Einsatzabschnitt 138, einen zweiten Einsatzabschnitt 238 und einen dritten Einsatzabschnitt 338 gezeigt) zusammen definieren typischerweise eine Schaufelblattgestalt.
Der Verbundabschnitt 28 umfasst eine Ausnehmung 40, wie in den 1 und 2 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet, wobei eine Hauptachse 80 der Ausnehmung 40 parallel der Radialachse 20 verläuft. Die Ausnehmung 40 hat eine innere Vorderkante 42, eine innere Hinterkante 44, eine innere Schaufelspitzenkante 60 und eine innere Schaufelwurzelkante 62. Der Einsatzabschnitt 38 ist in der Ausnehmung 40 so angeordnet, dass die Vorderkante 43 des Einsatzes auf der inneren Vorderkante 42 angeordnet ist, die Hinterkante 45 des Einsatzes ist auf der inneren Hinterkante 44 angeordnet ist, die Einsatz-Schaufelspitzenkante 61 auf der inneren Schaufelspitzenkante 60 angeordnet ist und die Einsatz-Schaufelwurzelkante 63 auf der inneren Schaufelwurzelkante 62 angeordnet ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform schließt der Verbundabschnitt 28, wie in den 3 und 4 abgebildet, eine erste Ausnehmung 140, eine zweite Ausnehmung 240 und eine dritte Ausnehmung 340 ein. Eine erste Ausnehmungs-Hauptachse 180, eine zweite Ausnehmungs-Hauptachse 280 und eine dritte Ausnehmungs-Hauptachse 380 der Ausnehmungen 140, 240 bzw. 340 liegen parallel zur radialen Achse 20. Die Hauptachsen 180, 280 und 380 der Ausnehmungen 140, 240 bzw. 340 sind von typischerweise der Schaufelplattform 24 zur Schaufelspitze 18 entlang der Spanne des Schaufelblattabschnittes 14 orientiert. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Einsatzabschnitte 138, 238 und 338 benutzt und sind in jeder der entsprechenden ersten, zweiten bzw. dritten Ausnehmung 140, 240 bzw. 340 angeordnet. Die erste, zweite und dritte Ausnehmung 140, 240 und 340 haben eine erste innere Vorderkante 142, eine zweite innere Vorderkante 242 und eine dritte innere Vorderkante 342, eine erste innere Hinterkante 144, eine zweite innere Hinterkante 244 und eine dritte innere Hinterkante 344, eine erste innere Schaufelspitzenkante 160, eine zweite innere Schaufelspitzenkante 260 und eine dritte innere Schaufelspitzenkante 360 und eine erste innere Schaufelwurzelkante 162, eine zweite innere Schaufelwurzelkante 262 und eine dritte innere Schaufelwurzelkante 362. Der erste Einsatzabschnitt 138, zweite Einsatzabschnitt 238 und dritte Einsatzabschnitt 338 hat eine erste Einsatz-Vorderkante 143, eine zweite Einsatz-Vorderkante 243 und eine dritte Vorderkante 343, eine erste Einsatz-Hinterkante 145, eine zweite Einsatz-Hinterkante 245 und eine dritte Hinterkante 345, eine erste Einsatz-Schaufelspitzenkante 161, eine zweite Schaufelspitzenkante 261 und eine dritte Schaufelspitzenkante 361 und eine erste Einsatz-Schaufelwurzelkante 163, eine zweite Schaufelwurzelkante 263 und eine dritte Schaufelwurzelkante 363. Die Einsatzabschnitte 138, 238 und 338 sind auf den Ausnehmungen 140, 240 bzw. 340 so angeordnet, dass die erste Einsatz-Vorderkante 143, die zweite Einsatz-Vorderkante und dritte Einsatz-Vorderkante 343 auf der ersten inneren Vorderkante 142, zweiten inneren Vorderkante 242 und dritten inneren Vorderkante 342 angeordnet sind, die erste Einsatz-Hinterkante 145, zweite Einsatz-Hinterkante 245 und dritte Einsatz-Hinterkante 345 sind auf der ersten inneren Hinterkante 144, zweiten inneren Hinterkante 244 und dritten inneren Hinterkante 344 angeordnet, die erste Einsatz-Schaufelspitzenkante 161, zweite Einsatz- Schaufelspitzenkante 261 und dritte Einsatz-Schaufelspitzenkante 361 sind auf der ersten inneren Schaufelspitzenkante 160, zweiten inneren Schaufelspitzenkante 260 und dritten inneren Schaufelspitzenkante 360 angeordnet und die erste Einsatz-Schaufelwurzelkante 163, zweite Einsatz-Schaufelwurzelkante 263 und dritte Einsatz-Schaufelwurzelkante 363 sind auf der ersten inneren Schaufelwurzelkante 162, zweiten inneren Schaufelwurzelkante 262 bzw. dritten inneren Schaufelwurzelkante 362 angeordnet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt, wenn der erste Einsatzabschnitt 138 und der zweite Einsatzabschnitt 238 (in anderen Worten, mindestens zwei Einsatzabschnitte) benutzt werden, der Verbundabschnitt 28 eine Rippe 46 ein, die typischerweise aus dem gleichen Verbundmaterial wie der Verbundabschnitt zusammengesetzt ist. Die Rippe 46 ist zwischen dem ersten und zweiten Einsatzabschnitt 138 und 238 angeordnet und mit diesen verbunden. Die Rippe 46 erstreckt sich zwischen der ersten inneren Hinterkante 144 und der zweiten inneren Vorderkante 242, wie in 4 abgebildet. Ein erwünschter Ort für den ersten Einsatzabschnitt 138 und den zweiten Einsatzabschnitt 238 ist dichter bei der Schaufelwurzel 16 als der Schaufelspitze 18. Wird der dritte Einsatzabschnitt 338 benutzt, dann wird eine zusätzliche Rippe (wie zusätzliche Rippe 48, wie in den 3 und 4 abgebildet) benutzt, um sich zwischen der zweiten inneren Hinterkante 244 und dritten inneren Vorderkante 342 des Schaufelblattabschnittes 14 zu erstrecken. Alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung benutzen zusätzliche Zahlen von Einsatzabschnitten und zusätzliche Rippen, um die Festigkeit der Hybrid-Turbinenschaufel 10 zu bewahren. Zusätzliche Rippen sorgen für verbesserte Steifheit und wirken bei der Begrenzung des Risswachstums und der Schichtentrennung. Zusätzliche Rippen sind auch typischerweise aus dem gleichen Verbundmaterial wie der Verbundabschnitt 28 und die Rippe 46 zusammengesetzt. Die Orientierung der Rippen bleibt dem Fachmann überlassen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der erste Einsatzabschnitt 138 einen ersten hohlen Einsatzabschnitt 195 und der zweite Einsatzabschnitt 238 umfasst einen zweiten hohlen Einsatzabschnitt 295. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der erste Einsatzabschnitt 138 den ersten hohlen Einsatzabschnitt 195, der zweite Einsatzabschnitt 238 umfasst den zweiten hohlen Einsatzabschnitt 295 und der dritte Einsatzabschnitt 338 umfasst einen dritten Einsatzabschnitt 338. Die Struktur für den ersten Einsatzabschnitt 138, umfassend den ersten hohlen Einsatzabschnitt 195, den zweiten Einsatzabschnitt 238, umfassend den zweiten hohlen Einsatzabschnitt 295 und den dritten Einsatzabschnitt 338, umfassend den dritten Einsatzabschnitt 338, ist ähnlich der, die oben für den Einsatzabschnitt 38 beschrieben ist, der den hohlen Abschnitt 95 umfasst.
In einer alternativen Ausführungsform schließt der Verbundabschnitt 28, wie in 5 abgebildet, die erste Ausnehmung 140, zweite Ausnehmung 240 und dritte Ausnehmung 340 ein. Die Hauptachse 180 der ersten Ausnehmung, Hauptachse 280 der zweiten Ausnehmung und Hauptachse 380 der dritten Ausnehmung jeder der Ausnehmungen 140, 240 bzw. 340 steht senkrecht zur Radialachse 20 (d. h., die Hauptachse 180, 280 und 380 von Ausnehmung 140, 240 bzw. 340 ist von der Vorderkante 30 zur Hinterkante 32 entlang der Tiefe des Schaufelblattabschnittes 14 orientiert). Die erste Ausnehmung 140, zweite Ausnehmung 240 und dritte Ausnehmung 340 ist ähnlich solchen Elementen, die oben für 3 und 4 beschrieben wurden. Die Orientierungen des ersten Einsatzabschnittes 138, des zweiten Einsatzabschnittes 238 und des dritten Einsatzabschnittes 338 sind ähnlich solchen Elementen, die oben für 3 und 4 beschrieben wurden. Wer den mehr als ein Einsatzabschnitt 38 von 5 benutzt, dann schließt der Verbundabschnitt 28 typischerweise eine Rippe 46 des gleichen Verbundmaterials wie dem Verbundabschnitt 28 ein. Die Rippe 46 ist zwischen dem ersten Einsatzabschnitt 138 und dem zweiten Einsatzabschnitt 238 angeordnet und mit diesen verbunden, wobei sich die Rippe 46 zwischen einer ersten inneren Schaufelwurzelkante 162 und einer zweiten inneren Schaufelspitzenkante 260 erstreckt. In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die den dritten Einsatzabschnitt 338 benutzt, kann eine zusätzliche Rippe, wie die zusätzliche Rippe 48, die sich zwischen der zweiten inneren Schaufelwurzelkante 262 und der dritten inneren Schaufelspitzenkante 360 in dem Schaufelblattabschnitt 14 erstreckt, benutzt werden. Wie oben erläutert, benutzen alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zusätzliche Anzahlen von Einsatzabschnitten und zusätzliche Rippen, um die Festigkeit der Hybrid-Turbinenschaufel 10 zu bewahren. Die zusätzlichen Rippen werden benutzt, um Steifheit zu verbessern und Risse/Schichtentrennung zu stoppen. Die Orientierung der Rippen bleibt dem Fachmann überlassen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat ein einzelner Einsatzabschnitt 38 Grenzflächen mit dem Verbundabschnitt 28, wie in 1 und 6 gezeigt. In einer spezifischeren Ausführungsform, wie in 7 gezeigt, ist eine abgeschrägte Vorderkante 81 der Druckseite zwischen der Druckseite 34 des Einsatzabschnittes 38 und der Einsatz-Vorderkante 43 angeordnet, um einen ersten inneren Druckseitenwinkel 100 zu bilden, wobei der erste innere Druckseitenwinkel 100 typischerweise in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 179° liegt. Der erste innere Druckseitenwinkel 100 wird zwischen der abgeschrägten Vorderkante 81 der Druckseite und der Druckseite 34 des Einsatzabschnittes 38 gemessen. Eine abgeschrägte Vorderkante 91 der Saugseite ist zwischen der Saugseite 36 des Einsatzabschnittes 38 und der Einsatz-Vorderkante 43 angeordnet, um einen ersten inneren Saugseitenwinkel 102 zu bilden, wobei der erste innere Saugseitenwinkel 102 typischerweise in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 179° liegt. Der erste innere Saugseitenwinkel 102 wird zwischen der abgeschrägten Vorderkante 91 der Saugseite und der Saugseite 36 des Einsatzabschnittes 38 gemessen. Eine abgeschrägte Hinterkante 82 der Druckseite ist zwischen der Druckseite 34 des Einsatzabschnittes 38 und der Einsatz-Hinterkante 45 angeordnet, um einen zweiten inneren Druckseitenwinkel 104 zu bilden, wobei der zweite innere Druckseitenwinkel 104 typischerweise in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 179° liegt. Der zweite innere Druckseitenwinkel 104 wird zwischen der abgeschrägten Hinterkante 82 der Druckseite und der Druckseite 34 des Einsatzabschnittes 38 gemessen. Eine abgeschrägte Hinterkante 92 der Saugseite ist zwischen der Saugseite 36 des Einsatzabschnittes 38 und der Einsatz-Hinterkante 45 angeordnet, um einen zweiten inneren Saugseitenwinkel 106 zu bilden, wobei der zweite innere Saugseitenwinkel 106 typischerweise in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 179° liegt. Der zweite innere Saugseitenwinkel 106 wird zwischen der abgeschrägten Hinterkante 92 der Saugseite und der Saugseite 36 des Einsatzabschnittes 38 gemessen. Eine abgeschrägte Schaufelspitzenkante 83 der Druckseite ist zwischen der Druckseite 34 des Einsatzabschnittes 38 und der Einsatz-Schaufelspitzenkante 61 angeordnet, um einen dritten inneren Druckseitenwinkel 108 zu bilden, wobei der dritte innere Druckseitenwinkel 108 typischerweise in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 179° liegt. Der dritte innere Druckseitenwinkel 108 wird zwischen der abgeschrägten Schaufelspitzenkante 83 der Druckseite und der Druckseite 34 des Einsatzabschnittes 38 gemessen. Eine abgeschrägte Schaufelspitzenkante 93 der Saugseite ist zwischen der Saugseite 36 des Einsatzabschnittes 38 und der Einsatz- Schaufelspitzenkante 61 angeordnet, um einen dritten inneren Saugseitenwinkel 110 zu bilden, wobei der dritte innere Saugseitenwinkel 110 typischerweise in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 179° liegt. Der dritte innere Saugseitenwinkel 110 wird zwischen der abgeschrägten Schaufelspitzenkante 93 der Saugseite und der Saugseite 36 des Einsatzabschnittes 38 gemessen. Eine abgeschrägte Schaufelwurzelkante 84 der Druckseite ist zwischen der Druckseite 34 des Einsatzabschnittes 38 und der Einsatz-Schaufelwurzelkante 63 angeordnet, um einen vierten inneren Druckseitenwinkel 112 zu bilden, wobei der vierte innere Druckseitenwinkel 112 typischerweise in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 179° liegt. Der vierte innere Druckseitenwinkel 112 wird zwischen der abgeschrägten Schaufelwurzelkante 84 der Druckseite und der Druckseite 34 des Einsatzabschnittes 38 gemessen. Eine abgeschrägte Schaufelwurzelkante 94 der Saugseite ist zwischen der Saugseite 36 des Einsatzabschnittes 38 und der Einsatz-Schaufelwurzelkante 63 angeordnet, um einen vierten inneren Saugseitenwinkel 114 zu bilden, wobei der vierte innere Saugseitenwinkel 114 typischerweise in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 179° liegt. Der vierte innere Saugseitenwinkel 114 wird zwischen der abgeschrägten Schaufelwurzelkante 94 der Saugseite und der Saugseite 36 des Einsatzabschnittes 38 gemessen.
In verwandten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gibt es mindestens zwei Einsatzabschnitte (gezeigt in den 4 und 5 als erster Einsatzabschnitt 138, zweiter Einsatzabschnitt 238 und dritter Einsatzabschnitt 338) und diese haben Grenzflächen mit Verbundabschnitt 28, und die Einsatzabschnitte 138, 238 und 338 umfassen die gleichen internen Winkelkonfiguration, die oben für den Einsatzabschnitt 38 beschrieben und in 7 abgebildet ist.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließt der Schaufelblattabschnitt 14 der 2 und 6 einen Erosionsüberzug 52 ein, wie in 1–3, 5–6 und 8–9 gezeigt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 von 2 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 angeordnet und der Erosionsüberzug 52 ist auf mindestens einem Teil der Saugseite 36 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 von 2 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 angeordnet und damit verbunden und der Erosionsüberzug 52 ist auf mindestens einem Teil der Saugseite 36 angeordnet und damit verbunden. In einer Ausführungsform wurde Polyurethan als das Material für den Erosionsüberzug 52 von 6 ausgewählt, da das Polyurethan eine größere Erosionsbeständigkeit bietet als der Verbundabschnitt 28.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein schützender Vorderkantenüberzug 70 auf der Vorderkante 30, mindestens einem Teil der Druckseite 34 und mindestens einem Teil der Saugseite 36 angeordnet. In einer beispielhaften Ausführungsform wurde Titan als ein Material für den Schutzüberzug 70 der Vorderkante ausgewählt, da Titan eine größere Erosionsbeständigkeit als der Verbundabschnitt 28 bietet. Wird Titan als der Schutzüberzug 70 der Vorderkante benutzt, dann ergibt Titan ein hohes Festigkeits-zu-Gewichts-Verhältnis. Benutzt man Titan als den Schutzüberzug 70 der Vorderkante, dann bietet das Titan auch eine verbesserte Stabilität, verglichen mit dem Verbundabschnitt 28 hinsichtlich der Aufnahme von Fremdgegenständen oder des Auftreffens von Vögeln, die bei Flugzeugtriebwerks-Bläserschaufeln wahrscheinlich sind. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Schutzüberzug 72 auf der Hinterkante 32, mindestens einem Teil der Druckseite 34 und mindestens einem Teil der Saug seite 36 angeordnet. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Schutzüberzug 53 von 5 auf der Schaufelspitzenkante 18 von 2, mindestens einem Teil der Druckseite 34 und mindestens einem Teil der Saugseite 36 (nicht gezeigt in 5) angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde Titan als das Material für den Schutzüberzug 53 der Schaufelspitze von 5 benutzt. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurden sowohl der Schutzüberzug 70 der Vorderkante von 2 und der Schutzüberzug 72 der Hinterkante, wie oben beschrieben, angeordnet. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde Titan als das Material für den Schutzüberzug 72 der Hinterkante von 6 benutzt. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde der Schutzüberzug 70 der Vorderkante, der Schutzüberzug 72 der Hinterkante und der Schutzüberzug 53 der Schaufelspitzenkante von 5, wie oben beschrieben, angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 von 2 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34, der nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante, den Schutzüberzug 72 der Hinterkante und den Schutzüberzug 63 der Schaufelspitzenkante bedeckt ist und einem Teil der Saugseite 36 angeordnet und damit verbunden, der nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante, den Schutzüberzug 72 der Hinterkante und den Schutzüberzug 63 der Schaufelspitzenkante bedeckt ist, während der Schutzüberzug 70 der Vorderkante, der Schutzüberzug 72 der Hinterkante und der Schutzüberzug 53 der Schaufelspitzenkante von 5, wie oben beschrieben, angeordnet sind.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 von 3 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 angeordnet und mit diesem verbunden und auf mindestens einem Teil der Saugseite 36 angeordnet und mit diesem verbunden und der Schutzüberzug 70 der Vorderkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 entlang der Vorderkante 30 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 und auf mindestens einem Teil der Saugseite 36 angeordnet und mit diesem verbunden und der Schutzüberzug 72 der Hinterkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 entlang der Hinterkante 32 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 und mindestens einem Teil der Saugseite 36 angeordnet und damit verbunden und der Schutzüberzug 53 der Schaufelspitzenkante von 5 ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 von 3 entlang der Schaufelspitzenkante 18 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 und mindestens einem T eil der Saugseite 36 angeordnet und damit verbunden, der Schutzüberzug 70 der Vorderkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 entlang der Vorderkante 30 angeordnet und der Schutzüberzug 72 der Hinterkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 entlang der Hinterkante 32 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 und mindestens einem Teil der Saugseite 36 angeordnet und damit verbunden, der Schutzüberzug 70 der Vorderkante ist auf mindestens einem Teil des Ersionsüberzuges 52 entlang der Vorderkante 30 angeordnet, der Schutzüberzug 72 der Hinterkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 entlang der Hinterkante 32 angeordnet und der Schutzüberzug 53 der Schaufelspitzenkante von 5 ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 32 von 3 entlang der Schaufelspitzenkante 18 angeordnet.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 von 8 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 angeordnet und damit verbunden. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 angeordnet und damit verbunden und der Schutzüberzug 70 der Vorderkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 und mindestens einem Teil der Saugseite 36 entlang der Vorderkante 30 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 angeordnet und damit verbunden und der Schutzüberzug 72 der Hinterkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 und auf mindestens einem Teil der Saugseite 36 entlang der Hinterkante 32 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 angeordnet und damit verbunden und der Schutzüberzug 53 der Schaufelspitzenkante von 5 ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 von 8 und auf mindestens einem Teil der Saugseite 36 entlang der Schaufelspitzenkante 52 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 angeordnet und damit verbunden, der Schutzüberzug 70 der Vorderkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 und mindestens einem Teil der Saugseite 36 entlang der Vorderkante 30 angeordnet und der Schutzüberzug 72 der Hinterkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 und auf mindestens einem Teil der Saugseite 36, die nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante abgedeckt ist, entlang der Hinterkante 32 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Erosionsüberzug 52 auf mindestens einem Teil der Druckseite 34 angeordnet und damit verbunden, der Schutzüberzug 70 der Vorderkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüber zuges 52 und mindestens einem Teil der Saugseite 36 entlang der Vorderkante 30 angeordnet und der Schutzüberzug 72 der Hinterkante ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52, der nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante abgedeckt ist, und auf mindestens einem Teil der Saugseite 36 entlang der Hinterkante 32, der nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante abgedeckt ist, angeordnet und der Schutzüberzug 53 der Schaufelspitzenkante von 5 ist auf mindestens einem Teil des Erosionsüberzuges 52 von 8, der nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante abgedeckt ist, und dem Schutzüberzug 72 der Vorderkante und mindestens einem Teil der Saugseite 36 entlang der Schaufelspitzenkante 52, die nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante und den Schutzüberzug 72 der Vorderkante abgedeckt ist, angeordnet.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Schutzüberzug 70 der Vorderkante von 9 auf einem Teil der Druckseite 34 und einem Teil der Saugseite 36, wie oben beschrieben, angeordnet. Der Erosionsüberzug 52 ist über einem Teil der Druckseite 34, die nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante abgedeckt ist, angeordnet und der Erosionsüberzug 52 ist über einem Teil der Saugseite 36, die nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante abgedeckt ist, angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Schutzüberzug 70 der Vorderkante und der Schutzüberzug 72 der Hinterkante auf einem Teil der Druckseite 34 und einem Teil der Saugseite 36, wie oben beschrieben, angeordnet. Der Erosionsüberzug 52 ist über einem Teil der Druckseite 34, die nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante und den Schutzüberzug 72 der Hinterkante abgedeckt ist, angeordnet und der Erosionsüberzug 52 ist über einem Teil der Saugseite 36, die nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante und den Schutzüberzug 72 der Hinterkante abgedeckt ist, angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Schutzüberzug 70 der Vorderkante, der Schutzüberzug 72 der Hinterkante und der Schutzüberzug 53 der Schaufelspitzenkante von 5 auf einem Teil der Druckseite 34 von 9 und einem Teil der Saugseite 36, wie oben beschrieben, angeordnet. Der Erosionsüberzug 52 ist über einem Teil der Druckseite 34, die nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante, den Schutzüberzug 72 der Hinterkante und den Schutzüberzug 53 der Schaufelspitzenkante von 5 abgedeckt ist, angeordnet und der Erosionsüberzug 52 von 9 ist über einem Teil der Saugseite 36, die nicht durch den Schutzüberzug 70 der Vorderkante, den Schutzüberzug 72 der Hinterkante und den Schutzüberzug 53 der Schaufelspitzenkante von 5 abgedeckt ist, angeordnet.
Der Schaftabschnitt 12 ist typischerweise ein Verbund-Schaftabschnitt, der in geeigneter Weise an den Schaufelblattabschnitt gebunden oder in anderer Weise daran befestigt ist. Ein Metallschaftabschnitt (geeigneterweise an den Verbund-Schaufelblattabschnitt gebunden oder in anderer Weise daran befestigt) kann in speziellen Schaufeldesigns benutzt werden. Der Schwalbenschwanz 22 des Schaftteiles 12 kann teilweise Verbundmaterial (nicht gezeigt) auf der (konkaven) Druckseite sein. Alternativ kann der Schwalbenschwanz 22 ein (auch nicht gezeigtes) Metallteilsystem aufweisen, um positiv den Einsatzabschnitt festzulegen und eine metallische Schwalbenschwanz-Abriebsoberfläche bereitzustellen.
Bei einer Gasturbinen-Anwendung der vorliegenden Erfindung liegt der Vogelaufprall in erster Linie über dem Bereich der Druckseite 34 entlang der Vorderkante 30 der Hybrid-Turbinenschaufel 10. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bieten die beeinflussten Bereiche des Verbundabschnittes 28, des Einsatzabschnittes 38 und des Schutzüberzuges 70 der Vorderkante Verbiegungs- und Bruchbeständigkeit. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die verringerte Masse der Hybrid-Turbinenschaufel 10, verglichen mit einer ähnlich konfigurierten Nichthybrid-Turbinenschaufel, die allgemeine Wirkung der Verringerung der Aufschlagkraft der gebrochenen Schaufel auf die Behälterstruktur und die (nicht gezeigten) hinteren Schaufeln für eine gegebene Schaufel-Rotationsgeschwindigkeit.
Bei einer anderen Gasturbinen-Anwendung der vorliegenden Erfindung ist der Einsatzabschnitt 38 mechanisch oder thermisch vom Verbundabschnitt 28 bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Verbundmaterials entfernbar. Dies gestattet es, dass der Schaufelblattabschnitt 14 leicht reparierbar ist, sollte er aufgrund des Auftreffens von Vögeln oder Fremdgegen-ständen beschädigt werden. Ist der Schaufelblattabschnitt im Verbundabschnitt 28 und dem Einsatzabschnitt 38 beschädigt, dann würde der beschädigte Einsatzabschnitt 38 thermisch entfernt, der Verbundabschnitt 28 repariert und ein neuer Einsatzabschnitt 38 und Verbundmaterial wieder aufgebracht werden. Da der größte Teil einer solchen Schaufelbeschädigung an der vorderen Reihe der Hybrid-Turbinenschaufeln 10 auftritt, ist der Schaufelblattabschnitt 14 typischerweise ein Schaufelblattabschnitt einer Hybrid-Turbinenschaufel 10 in einem Gasturbinen-Flugzeugtriebwerk (oder Gasturbinen-Flugzeugtriebwerksverdichter, wenn das Gasturbinen-Triebwerk keinen Bläser hat).
Der Einsatzabschnitt 38 erleichtert das Aufeinanderlegen und Autoklavenhärten oder andere Herstellungsverfahren der Hybrid-Turbinenschaufel 10. In einer Ausführungsform ist der Einsatzabschnitt 38 von einer (bedeutet mindestens einer) Schicht 200 aus Verbundmaterial umwickelt. Die Schicht 200 aus Verbundmaterial von 9, die um den Einsatzabschnitt 38 gewickelt ist, gibt diesem Einsatzabschnitt 38 von 6 während der Herstellung zusätzliche Stabilität. Das Wickeln der Verbundmaterialschicht 200 von 9 um den Einsatzabschnitt 38 von 6 verringert typischerweise das Einleiten von Rissen innerhalb des Einsatzabschnittes 38. Die Verbundmaterialschicht 200 von 9, die um den Einsatzabschnitt 38 von 6 gewickelt ist, gestattet bei der Endanwendung eine effizientere Lastübertragung um die Ausnehmung 40 herum. Bei einer alternativen Ausführungsform überzieht eine Klebstoffschicht den Einsatzabschnitt 38. Die Klebstoffschicht kann auch dazu benutzt werden, die Bindung zwischen Verbundabschnitt 28 und dem Einsatzabschnitt 38 durch Verbessern der Haftung zwischen dem Einsatzabschnitt 38 und dem Verbundabschnitt 28 zu verbessern. Die Hybrid-Turbinenschaufel 10, in ihrem vollständig zusammengebauten Zustand, hat den Einsatzabschnitt 38 in der Ausnehmung 40 des Verbundabschnittes 28 angeordnet, sodass die umgebenden Verbundmaterialschichten 200 von 9 in dem Verbundabschnitt 28 von 6 in der Lage sind, alle mechanischen Anforderungen zu erfüllen, wobei keine Lastübertragung durch den Einsatzabschnitt 38 auftreten muss. Wird ein elastomeres Material benutzt, den Einsatzabschnitt 38 zu konstruieren, dann gestatten die höheren Nachgiebigkeits- und Dehnungsfähigkeiten des Elastomermaterials, dass sich der Verbundabschnitt 28 mit wenig Widerstand vom Einsatzabschnitt 38 selbst bei einer starken Schlagbelastung verformt, wie sie auftreten mag, wenn auf ein Gasturbinen-Triebwerk ein Fremdgegenstand auftrifft.
Ein typisches Verfahren zum Herstellen der Hybrid-Turbinenschaufel 10 der Erfindung schließt, ohne darauf beschränkt zu sein, das Herstellen des Verbundabschnittes 28 und des Einsatzabschnittes 38 separat oder als eine Einheit (gemeinsam gehärtet) unter Benutzung von Autoklauen- und Kompressionsform-Techniken ein. Bei einem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird der Einsatzabschnitt vorfabriziert. Die mehreren Verbundmaterialschichten 200 von 9 werden aufeinander gelegt, um einen Teil des Verbundabschnittes 28 von 6 zu erzeugen, wobei der Teil des Verbundabschnittes 28 die Ausnehmung 40 umfasst, Der Einsatzabschnitt 28 wird in der Ausnehmung 40 angeordnet und zusätzliche Verbundmaterialschichten 200 werden aufeinander gelegt, sodass die zusätzlichen Verbundmaterialschichten 200 den Einsatzabschnitt 38 bedecken und die erwünschte Enddicke des Verbundabschnittes 28 erreicht und eine vollständige Version des Verbundabschnittes 28 produziert wird. Die vollständige Version des Verbundabschnittes 28 wird dann einem Verfahren unterworfen, das die Verbundmaterialschichten 200 konsolidiert und miteinander verbindet und das Verfahren verbindet auch den Einsatzabschnitt 38 mit den benachbarten Verbundmaterialschichten 200. Das Konsolidierungs- und Bindeverfahren wird typischerweise nach einer Autoklaventechnik, alternativ der Kompressionsform-Technik und alternativ der Harzform-Technik ausgeführt. Die Autoklaventechnik, Kompressionsform-Technik und Harzform-Technik werden nur als Beispiele des Konsilidierungs- und Bindeverfahrens angegeben und stellen keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar.
In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mehrere Einsatzabschnitte (gezeigt als 138 und 238 in 4 und 138, 238 und 338 auch in 4, z. B.) in entsprechenden Ausnehmungen angeordnet. Werden mehrere Einsatzabschnitte beim Herstellungsverfahren benutzt, dann wird typischerweise eine Rippe 46 zwischen Ausnehmungen gebildet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die mehreren Verbundmaterialschichten 200 von 9 aufeinander gelegt, um einen Teil des Verbundabschnittes 28 von 1 zu erzeugen, wobei der Teil des Verbundabschnittes 28 die Ausnehmung 40 umfasst. Der Einsatzabschnitt 38 wird in der Ausnehmung 40 angeordnet und zusätzliche Verbundmaterialschichten 200 werden aufeinander gelegt, sodass die zusätzlichen Verbundmaterialschichten 200 den Einsatzabschnitt 38 bedecken und die erwünschte Enddicke des Verbundabschnittes 28 erreicht wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verbundsegment 28 typischerweise durch manuelles oder maschinellen Schichtenlegen oder durch Umflechten um den Verbundabschnitt 28 und den Einsatzabschnitt 38 herum aufgebaut. Wie bereits erwähnt, würden im Falle von Verbundmaterialien Faserfilament-Modul und -Orientierung ausgewählt, um die Gesamtschaufelblattabschnitt-Steifheit aufrechtzuerhalten, um ein strukturelles Verbiegen der Schaufel unter zentrifugaler und aerodynamischer Belastung zu verringern, wie dies der Kenntnis des Fachmanns entspricht.

Claims

Mehrkomponenten-Hybrid-Turbinenschaufel (10), worin die Schaufel umfasst: einen Schaufelblattabschnitt (14) mit einem Verbundabschnitt (28) mit einer ersten Dichte und einer Ausnehmung (40), wobei der Schaufelblattabschnitt weiter einen Einsatzabschnitt (38) mit einer zweiten Massendichte umfasst, die geringer ist als die erste Massendichte; worin der Einsatzabschnitt (38) in der Ausnehmung (40) angeordnet und an den Verbundabschnitt (28) gebunden ist und worin der Verbundabschnitt (28) und der Einsatzabschnitt (38) zusammen eine Strömungsflächenform definieren, worin der Verbundabschnitt mehrere Verbundmaterialschichten umfasst, die Faserfilamente umfassen, die in einen Matrixbinder eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixbinder ein zäh machendes Material aus einer Vielzahl von Kautschukteilchen umfasst.
Hybrid-Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Schaftabschnitt, worin der Einsatzabschnitt (38) genügend Steifheit und Formstabilität aufweist, um die Strömungsflächenform aufrechtzuerhalten und worin der Einsatzabschnitt (38) genügend Nachgiebigkeit und Flexibilität aufweist, um sich an die Ausnehmung (40) anzupassen.
Hybrid-Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, worin der Schaufelblattabschnitt (14) eine vorgesehene Betriebstemperatur hat und weiter eine Schaufelwurzel (16), die an einem Schaftabschnitt (12) befestigt ist, eine Schaufelspitze (18) und eine radiale Achse (20) umfasst, die sich außerhalb zu der Schaufelspitze (18) hin erstreckt und innerhalb zu der Schaufelwurzel (16) hin erstreckt und worin der Verbundabschnitt (28) sich von der Schaufelwurzel (16) bis zu der Schaufelspitze (18) erstreckt.
Hybrid-Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 3, worin der Einsatzabschnitt (38) Abmessungsstabilität bei der vorgesehenen Betriebstemperatur aufrechterhält.
Hybrid-Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Erosionsüberzug (52), der auf mindestens einem Teil einer Druckseite (34) und mindestens einem Teil einer Saugseite (36) des Verbundabschnittes (28) angeordnet und mit diesen verbunden ist.
Hybrid-Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend einen schützenden Vorderkantenüberzug (70), der auf einem Teil einer Druckseite (34) und einem Teil einer Saugseite (36) des Verbundabschnittes (28) entlang einer Vorderkante (30) des Schaufelblattabschnitts (14) angeordnet ist.
Hybrid-Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 6, weiter umfassend einen Erosionsüberzug (52), der auf einem Teil der Druckseite (34), die nicht durch den schützenden Vorderkantenüberzug (70) bedeckt ist, und einem Teil der Saugseite (36), der nicht durch den schützenden Vorderkantenüberzug (70) abgedeckt ist, angeordnet und mit diesen verbunden ist.