DE3040129C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine als Einheit aufgebaute Schaufel/Naben-Baugruppe zur Verwendung in den Kompressor- oder Turbinenteilen solcher Maschinen.

Viele Jahre hat man versucht, die Leistung von rotierenden Schaufelrädern innerhalb von Gasturbinen zu verbessern. Ein Lösungsweg sah dazu vor, im Aufbau der Schaufelräder zusammengesetzte Materialien zu verwenden. Für diesen Lösungsweg war typisch der Gebrauch von langen Fasern, eingebettet in einem leichten Grund- oder Füllmaterial. Neuere Bemühungen haben zur Einführung von Bor, Graphit- und anderen synthetischen Fasern geführt, die sowohl eine extrem hohe Festigkeit als auch eine hohe Elastizität haben, wie sie den Anforderungen an die Steifigkeit der Schaufelräder entsprechen. Schaufeln aus zusammengesetztem Material, das fortan als Verbundmaterial bezeichnet wird, haben Laufeigenschaften gezeigt, die gleich oder besser waren, als diejenigen von Schaufeln aus homogenem Metall. Darüber hinaus haben die Schaufeln aus Verbundmaterial ein bedeutend geringeres Gewicht als die herkömmlichen Schaufeln.

Jedoch waren die Bemühungen nach dem Stand der Technik, Verbundmaterial zu verwenden, vornehmlich, wenn nicht gar ausschließlich, darauf gerichtet, lediglich die einzelnen Schaufeln aus solchem Verbundmaterial herzustellen. Insbesondere wurde die als Einzelteil hergestellte Schaufel mittels einer herkömmlichen Schwalbenschwanz-Nut/Feder- Verbindung auf dem Umfang einer metallenen Kompressor- oder Turbinenscheibe befestigt.

Wenn auch diese Baueinheiten für viele Anwendungszwecke durchaus brauchbar sind, so sind sie doch dort nicht zur Zufriedenheit verwendbar, wo die Herstellungskosten eine bedeutende Rolle spielen, oder wo innerhalb zulässiger Gewichtsgrenzen strenge Anforderungen an die Leistung gestellt werden. Für die letztgenannten Anwendungszwecke sind offenbar Schaufel/Naben-Baugruppen, die vollständig aus Verbundmaterial hergestellt sind, besonders brauchbar. Zusätzliche Vorteile werden dann erzielt, wenn die aus Verbundmaterial bestehenden Schaufeln und Naben oder Scheiben als integrale Einheit hergestellt sind.

Die Konstruktion und Herstellung einer integralen Schaufel/ Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial bietet eine Anzahl schwieriger Probleme. Insbesondere liegt ein größeres Problem darin, die lineare Festigkeit von Fasern aus Verbundmaterial mit den innerhalb der Schaufel/Naben- Baugruppe in vielen Richtungen verlaufenden Spannungen bzw. Zugkräften in Einklang zu bringen. Gewöhnlich ist das Grund- oder Füllmaterial, das sich zwischen den Fasern befindet, viel schwächer, als die zusammengesetzten Fasern selbst. Folglich ist bei der Konstruktion der integralen Baugruppe aus Verbundmaterial die Orientierung der Fasern in Richtung der Zugkräfte, wie diese in der Baugruppe tatsächlich verlaufen, von ausschlaggebender Bedeutung. Es ist jedoch eine schwierige Aufgabe, die Faser-Orientierung in den entsprechenden Zugkräfte- Richtungen zu erreichen. Wenn die Fasern z. B. in Richtung der Beanspruchung der Schaufel ausgerichtet sind, dann verlaufen sie gewöhnlich nicht in Richtung der in der Nabe der Baugruppe auftretenden Kräfte. Da ferner jede Schaufel zu jeder anderen Schaufel der Baugruppe unter einem anderen Winkel steht, ist die Ausrichtung aller Fasern in einer Richtung kompatibel mit den Kräften in einer Schaufel, nicht kompatibel mit den Kräften in den anderen Schaufeln der Baugruppe. Daher ist die Ausrichtung der Fasern in Richtung der Beanspruchung in der Nabe und in jeder Schaufel das hauptsächlichste Ziel der Konstruktion.

Ein weiteres Problem, das bei der Konstruktion einer integralen Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial beachtet werden muß, betrifft die Scherkräfte, die zwischen zusammengesetzten Lagen von Stoff oder anderen Geweben auftreten. Bei der Herstellung von Bauteilen aus Verbundmaterial werden zuerst Fasern hoher Festigkeit in Bündeln von ca. 1000-10 000 Fasern zusammengefaßt. Eine erste Gruppe von gebündelten Fasern wird in einer ersten oder Kette-Richtung angeordnet (die Richtung, die parallel zur Längsausdehnung des Stoffes verläuft), und danach werden sie mit einer zweiten Gruppe von gebündelten Fasern verwoben, die in einer zweiten Richtung, der Schuß-Richtung, verlaufen, die im allgemeinen senkrecht zur ersten Richtung verläuft. Das daraus entstehende Gewebe wird normalerweise als Stoff, Gewebe oder Lage bezeichnet. Das Bauteil aus Verbundmaterial wird dann dadurch hergestellt, daß eine Lage auf die andere Lage gelegt wird, bis die zur Formung des Artikels erforderliche Dicke erreicht ist. Danach wird ein Füllmaterial zwischen die angehäuften Lagen infiltriert, und das Ganze wird einer Wärmebehandlung und einem Druck ausgesetzt, um ein festes Bauteil aus Verbundmaterial zu formen. Das resultierende Bauteil besteht aus Schichten von Fasern, zwischen denen das Füllmaterial eingelagert ist. Belastungen, denen das Bauteil in seiner Funktionsstellung ausgesetzt ist, werden vornehmlich von den Fasern aufgenommen. Jedoch verursachen diese Belastungen auch Scherkräfte zwischen den Gewebeschichten, denen das Füllmaterial auf Abscherung widerstehen muß. Deshalb ist eine Übereinstimmung der Scher- und Bruchcharakteristiken des Füllmaterials mit denjenigen der Fasern ein wichtiges Ziel der Konstruktion.

Aus der DE-OS 2 24 070 ist ein Rotor bekannt, in dessen Rotorscheibe getrennte Rotorblätter mit schwalbenschwanzförmig verbreitertem Wurzelabschnitt eingesetzt sind. Das Rotorblatt besteht jeweils aus mehreren Schichten aus einseitig gerichteten Fasern, die in dem Wurzelabschnitt axiale Spalte bilden, in die metallische keilförmige Einsatzstücke eingeklebt sind.

Aus der US-PS 36 32 460 ist eine Schaufel/Naben-Baugruppe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, wobei hier in einer einzigen Richtung verlaufende Fasern vorgesehen sind, die saitenähnlich angeordnet sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine als Baueinheit ausgebildete Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial anzugeben, die bessere Festigkeitseigenschaften und eine größere Belastungsfähigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung offenbart eine einstückige Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial, die ein Schaufelteil umfaßt, das aus einer Vielzahl von in Achsrichtung nebeneinander angeordneten Faserlagen besteht, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, und die ein innen von dem Schaufelteil angeordnetes Nabenteil umfaßt, das aus mindestens einer zweiten Faser besteht, die sich in einer zweiten Richtung erstreckt. Ein Matrixmaterial ist zwischen den ersten Faserlagen und der zweiten Faser eingebracht. Es kann ferner mindestens einen Spalt im Bereich des Nabenteils zwischen axial benachbarten ersten Fasern vorgesehen sein, und die zweite Faserlage, die auch mehrere zweite Faserlagen sein können, kann in diesem Spalt untergebracht sein.

Fig. 1 zeigt schematisch eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht der Schaufel/Naben- Baugruppe, welche die vorliegende Erfindung beinhaltet;

Fig. 2 stellt eine schematische, vergrößerte Ansicht einer Lage des verwobenen Fasermaterials dar, wie es für die Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Baugruppe verwendet wird;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Richtungs- Orientierung benachbarter Lagen in der in Fig. 1 gezeigten Baugruppe;

Fig. 4 zeigt eine schematische, vergrößerte Ansicht eines Teiles der in Fig. 1 dargestellten Baugruppe;

Fig. 5 zeigt schematisch eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht der Einlagen, die in der in Fig. 1 gezeigten Baugruppe enthalten sind;

Fig. 6 zeigt eine schematische, vergrößerte Ansicht der Grenzflächen zwischen den Fasern und stellt einen Ausschnitt aus der in Fig. 4 gezeigten Anordnung dar;

Fig. 7 zeigt eine die vorliegende Erfindung enthaltende Baugruppe in ihrer Anordnung in dem Turbinenteil einer typischen Gasturbine; und

Fig. 8 zeigt die in Fig. 5 dargestellte Einlage in einem Stadium ihrer Herstellung.

In den Zeichnungen stellt Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial dar, die insgesamt mit 30 bezeichnet ist. Die Baugruppe 30 ist im wesentlichen axialsymmetrisch um eine Achse X-X angeordnet und umfaßt einen sich in Umfangsrichtung und in Achsrichtung erstreckenden Nabenabschnitt 32, der in radialer Richtung innerhalb eines Schaufelteiles 34 angeordnet ist. Der Nabenabschnitt 32 und das sich in gleicher Weise in bezug auf die Achse X-X in Umfangs- und in Achsrichtung erstreckende Schaufelteil 34 bilden zusammen als Einheit die Baugruppe 30, d. h. die Baugruppe 30 ist von einteiligem, integralem Aufbau. Wie hier verwendet, bedeutet die Bezeichnung "Radialrichtung" od. dgl. diejenigen Richtungen, die von der Achse X-X ausgehen und radial von dieser hinweg verlaufen. Die Bezeichnung "Achsrichtung", "axiale Richtung" od. dgl. bedeutet die Richtung, die im wesentlichen parallel zur X-X-Achse verläuft. Die Bezeichnung "Umfangsrichtung" od. dgl. bedeutet die Richtung, die entlang einer kreisbogenförmig gekrümmten Linie konzentrisch zur X-X-Achse verläuft.

Das Schaufelteil 34 besteht aus einer ringförmigen Basis 36, die sich von dem Nabenabschnitt 32 radial nach außen erstreckt, sowie aus einer Vielzahl von in radialer und axialer Richtung verlaufenden, auf dem Umfang verteilt angeordneter Schaufeln 40. Jede Schaufel 40 erstreckt sich von der Basis 36 radial nach außen und endet in einer Schaufelspitze 42. Jede Schaufel 40 besitzt in Achsrichtung auf der einen Seite eine radial verlaufende Vorderkante 44 und in Achsrichtung auf der entgegengesetzten Seite eine radial verlaufende Hinterkante 46. Die Schaufeln 40 haben je ein Paar einander gegenüberstehende, in Umfangsrichtung blickende Flächen, nämlich eine Unterdruck- oder Saugfläche 48 und eine Druckflasche 50. Jede dieser Flächen verläuft zwischen der Vorderkante 44 und der Hinterkante 46. Sie bewirken die bekannten aerodynamischen Eigenschaften der Schaufeln 40.

Die Basis 36 wird von zwei Kreisringflächen 52 und 54 begrenzt, die in Achsrichtung entgegengesetzten Seiten zugewandt sind. Sie reichen von den Schaufeln 40 bis zum Nabenabschnitt 32. Der Nabenabschnitt 32 wird durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Fläche 56 an dem einen axialen Ende und eine zweite Umfangsfläche 58 an ihrem anderen axialen Ende begrenzt. Die Fläche 58 kann mit einer Anzahl von Vorsprüngen 60 besetzt sein, die in Achsrichtung aus der Fläche hervortreten, um als Mittel für eine formschlüssige Verbindung zwischen der Baugruppe 30 und anderen Bauteilen der Turbomaschine zu dienen. Der Nabenabschnitt 32 wird außerdem an seiner Innenseite von einer in Umfangsrichtung verlaufenden, sich in Achsrichtung erstreckenden Innenfläche 61 begrenzt.

Anhand der Fig. 2 und 3 werden nunmehr die Einzelheiten des Aufbaues der Baugruppe 30 beschrieben. Die Baugruppe 30 besteht aus einer ersten Anzahl von Faserlagen 62, von denen eine in Fig. 2 gezeigt ist und von denen jede eine Anzahl erster Kettfasern 64 besitzt, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Die Kettfasern 64 sind zu Bündeln zusammengefaßt, von denen jedes bis zu ca. 10 000 Einzelfasern 64 enthalten kann. Die Bündel erstrecken sich in einer Kett- Richtung R-R, im wesentlichen in Längsrichtung der Faserlage 62. Mit den Kettfasern 64 sind Bündel von Schußfasern 66 verwoben, die in der Schuß-Richtung, d. h. im wesentlichen senkrecht zur Kett-Richtung R-R verlaufen.

Fig. 3 zeigt schematisch drei benachbarte Lagen der vorerwähnten Faserlagen 62, von denen jede die X-X-Achse im wesentlichen senkrecht schneidet (die in Fig. 3 in die Zeichenebene hineingeht). Die Umrisse der Baugruppe 30 sind in Fig. 3 in gestrichelten Linien eingezeichnet, um die Ausrichtung der Faserlagen 62 zu verdeutlichen. Eine der Lagen 62, in Fig. 3 mit A bezeichnet, ist derart orientiert, daß ihre ersten Kettfasern 64 sich mit ihrer Kett-Richtung R_A-R_A in der gleichen Radialrichtung erstrecken, wie eine von der Achse X-X ausgehende und durch eine der Schaufeln 40 verlaufende Linie. Eine andere Lage 62, in Fig. 3 mit B bezeichnet und in Achsrichtung unmittelbar neben der mit A bezeichneten Lage 62 angeordnet, ist so orientiert, daß ihre ersten Kettfasern 64 sich mit ihrer Kett-Richtung R_B-R_B in der gleichen Radialrichtung erstrecken, wie eine von der Achse X-X ausgehende und durch die nächste benachbarte Schaufel 40 verlaufende Linie. Eine dritte Lage 62, in Fig. 3 mit C bezeichnet und in Achsrichtung unmittelbar neben der mit B bezeichneten Lage 62 angeordnet, ist so orientiert, daß ihre ersten Kettfasern 64 sich mit ihrer Kett-Richtung R_C-R_C in der gleichen Radialrichtung erstrecken, wie eine von der Achse X-X ausgehende und durch die nächste benachbarte Schaufel 40 verlaufende Linie. Obwohl in Fig. 3 nur drei Lagen 62 dargestellt sind, sollte verständlich sein, daß die Baugruppe 30 aus einer sehr großen Zahl von Lagen 62 besteht, von denen jede im Verhältnis zu den ihr benachbarten Lagen in der Weise ausgerichtet ist, wie dies vorstehend in bezug auf die mit A, B und C bezeichneten Lagen 62 erläutert ist.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Kett-Ausrichtung der einzelnen Lagen 62 zueinander jeweils um einen Winkel versetzt ist, dessen Größe sich aus der Teilung des Vollwinkels von 360° durch die Anzahl der in der Baugruppe 30 vorhandenen Schaufeln 40 ergibt. In dieser Weise orientiert, verläuft bei jeder Lage 62 die Richtung der Kettfasern 64 durch eine der verschiedenen Schaufeln 40 und damit in Richtung der Hauptkraft. Da zusammengesetzte bzw. verbundene Fasermaterialien ausgezeichnete Festigungseigenschaften vor allem in der Längsrichtung oder Ausrichtung der Fasern haben, besitzt daher jede Schaufel genau richtig ausgerichtete Fasern, die der Schaufel hervorragende Festigkeitseigenschaften und Belastungsfähigkeit in Richtung der in der Schaufel auftretenden Hauptbelastung verleihen. Außerdem gibt der Versatz der einzelnen Lagen 62 in der beschriebenen Weise jeder der Schaufeln 40 im wesentlichen die gleichen Festigkeits-/ Beanspruchungs-Eigenschaften, wie allen anderen Schaufeln 40. Es ist verständlich, daß dieses Ergebnis nicht erreicht würde, wenn alle Lagen 62 in derselben Kett-Richtung orientiert oder überhaupt willkürlich angeordnet wären.

Fig. 4 zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht eines Teiles von Lagen 62, geschnitten in radialer Richtung, aus der sich ein besseres Verständnis der Orientierung der Lagen 62 in der Baugruppe 30 gewinnen läßt. Wie aus Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 1 erkennbar, erstrecken sich die Lagen 62 von der Spitze 42 der Schaufeln 40 bis zu der in radialer Richtung innenliegenden Innenfläche 61 des Nabenabschnitts 32. Daher erstrecken sich auch die Kettfasern 64 in jeder Lage 62 von der Innenfläche 61 bis zu den Spitzen 42.

Im Schaufelteil 34 liegt jede der Lagen 62, wie vorstehend beschrieben, in Achsrichtung unmittelbar neben einer anderen Lage 62. In dem Nabenabschnitt 32 öffnen sich jedoch axial nebeneinanderliegende Lagen 62 - und damit ausgewählte axial nebeneinanderliegende Kettfasern 64 - keilförmig und bilden somit in der Nabe zwischen den Lagen 62 in axialer Richtung nebeneinanderliegende, ringförmige Spalte 68. Die zwischen den ausgewählten Lagen angeordneten Spalte 68 sind im radialen Querschnitt keilförmig, so daß ihre Weite im Querschnitt in Radialrichtung nach innen zunimmt.

Wie bereits erwähnt, besteht die Belastung der Schaufeln 40 durch die in der Turbomaschine strömenden Gase hauptsächlich in von der X-X-Achse radial in Richtung zu den Schaufeln verlaufenden Zugkräften. In dem Nabenabschnitt 32 verursacht die Hauptbelastung Spannungen in der Umfangsrichtung. Diese Spannungen bzw. Zugkräfte, die im wesentlichen senkrecht zu den Kettfasern 64 verlaufen, werden im allgemeinen als Ring- oder Umfangsspannungen (hoop stresses) bezeichnet. Demzufolge sind die Kettfasern 64 nicht gut geeignet, die Belastung in dem Nabenabschnitt 32 aufzunehmen. Um diese Belastungs- und Spannungsverteilung aufzunehmen, ist eine Anzahl von ringförmigen, zusammengesetzten Einlagen 70 vorgesehen. Jede der Einlagen 70 ist in einem der Spalte 68 in dem Nabenabschnitt 32 angeordnet.

In den Fig. 5 und 6 sind eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht einer der Einlagen 70 sowie ein vergrößerter, schematischer Querschnitt der Grenzfläche zwischen den Kettfasern 64 und einer Einlage 70 dargestellt. Jede Einlage 70 umfaßt eine zweite Anzahl von Faserlagen 72. Jede einzelne Faserlage 72 ist unmittelbar neben und radial außen von einer nächst benachbarten Faserlage 72 angeordnet. Mit anderen Worten, die Lagen 72 sind in radialer Richtung übereinandergestapelt. Jede Faserlage 72 besteht aus mindestens einer weiteren Faser 74, die in Umfangsrichtung um die X-X-Achse verläuft. In einer bevorzugten Ausführungsform kann zur Bildung der Einlage 70 eine einzige weitere Faser 74 mehrfach um die X-X-Achse gewunden sein, es können aber auch mehrere einzelne weitere Fasern 74 verwendet werden, um die Einlage 70 zu bilden. Da aber in beiden Ausführungsformen die weiteren Fasern 74 in Umfangsrichtung verlaufen, sind die Einlagen 70 gut geeignet, die obenerwähnten Ringspannungen in dem Nabenabschnitt 32 der Baugruppe 30 aufzunehmen.

Zwischen die Kettfasern 64 in den Lagen 62, zwischen die weiteren Fasern 74 in den Einlagen 70 und zwischen die Einlagen 70 und die Lagen 62 wird Matrixmaterial 80 verteilt bzw. infiltriert. Das Matrixmaterial 80 dringt in die Hohlräume zwischen den vorgenannten Fasern und dient dazu, die Fasern zusammenzuhalten. Während die Kettfasern 64 und weiteren Fasern 74 im wesentlichen alle auf die Baugruppe einwirkenden Belastungen aufnehmen, gibt das Füllmaterial 80 der Baugruppe 30 den allgemeinen strukturellen Zusammenhalt.

In radialer Richtung sind die Einlagen 70 von verjüngtem, keilförmigem Querschnitt, wobei die Querschnittsfläche in radialer Richtung nach innen an Größe zunimmt. Die Einlagen 70 sind daher im Querschnitt zu demjenigen der Spalte 68 komplementär, in denen diese Einlagen 70 angeordnet sind. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die in Umfangsrichtung verlaufenden und in Achsrichtung blickenden Seitenflächen 76, 78, welche die Seitenflächen der Einlage 70 darstellen, sich nicht exakt in radialer Richtung erstrecken, sondern daß jede gegen die die X-X-Achse senkrecht schneidende Radialebene etwas geneigt ist. Daher ist für jede gegebene radiale Höhe der Einlage 70 die Oberfläche der Seitenfläche 76, 78 größer, als wenn die Einlage 70 nicht keilförmig wäre.

Die beschriebene keilförmige Ausbildung der Einlagen 70 schafft eine größere Oberfläche, entlang welcher Scherkräfte zwischen den Lagen 62 und den Einlagen 70 übertragen werden können. Das zwischen den Lagen 62 und den Einlagen 70 befindliche Matrixmaterial 80, das im Vergleich zu den Scherwiderständen der Kettfasern 64 und weiteren Fasern 74 bekanntermaßen nur eine geringe Scherfestigkeit hat, leitet Belastungen auf die Einlagen 70 und die Lagen 62 in Scherrichtung weiter. Die keilförmige Ausbildung der Einlagen 70 ergibt eine größere Zwischenfläche, über die die Scherkräfte weitergeleitet werden, und daher sind die Scherkräfte pro Flächeneinheit in dem Matrixmaterial 80 kleiner. Daher ist das Matrixmaterial 80 besser im Stande, Belastungen zwischen den Einlagen 70 und den Lagen 62 weiterzuleiten. Obwohl die Spalte 68 und die Einlagen 70 als im radialen Querschnitt keilförmig dargestellt sind, sind andere Querschnittsformen mit nichtkonstanter Breite gleichermaßen geeignet, im Matrixmaterial 80 eine verminderte Scherbeanspruchung zu bewirken. Die konkrete Form des Querschnittes, die für einen konkreten Anwendungsfall gewählt wird, hängt von den Belastungen ab, welche die Baugruppe 30 in ihrer Umgebung in der Turbomaschine aushalten muß, von den Dehnungs-Eigenschaften der Kettfasern 64 und weiteren Fasern 74 sowie den Dehnungseigenschaften des Matrixmaterials 80. Dabei ist wesentlich, daß es die Wahl einer nichtkonstanten Querschnittsfläche gestattet, die Dehnungs-Eigenschaften der Kettfasern 64 und weiteren Fasern 74 wirkungsvoll mit denjenigen des Matrixmaterials 80 in Übereinstimmung zu bringen.

Eine Baugruppe 30 wird hergestellt, indem zunächst eine Anzahl von Lagen 62 in axialer Richtung gestapelt werden, wobei die Orientierung der Lagen relativ zueinander wie oben beschrieben erfolgt. Während dieses Vorganges werden die Einlagen 70 in die Spalte 68 eingebracht, die geformt werden, wenn ausgewählte Lagen 62 in der Nabe 32 auseinandergespreizt werden. Danach wird die Baugruppe 30 in der Weise mit Matrixmaterial getränkt, daß letzteres in die Hohlräume zwischen den Kettfasern 64 in den Lagen 62, in die Hohlräume zwischen den weiteren Fasern 74 in den Faserschichten 72, und in die Hohlräume zwischen den Kettfasern 64 und den weiteren Fasern 74 eindringt. Bei Anwendung von Hitze und Druck reagiert das Matrixmaterial 80 und bildet eine Verbindung zwischen den Kettfasern 64, zwischen den weiteren Fasern 74, und zwischen den Kettfasern 64 und weiteren Fasern 74. In diesem Stadium der Herstellung stellt die Baugruppe 30 einen festen zylindrischen Block dar. Der Block wird dann bearbeitet, um unter Entfernung des überflüssigen Materials die Schaufeln 40, die Innenfläche 61 des Nabenabschnitts und die weiteren Flächen der Baugruppe 30 zu formen.

Turbomaschinen, wie z. B. Gasturbinen in Raketensystemen, sind besonders geeignet, um darin die vorstehend beschriebene Schaufel/Naben-Baugruppe zu verwenden. Die Anforderungen an diese Raketensysteme gestattet die Verwendung von kleinen Gasturbinen, deren Einzelteile kurzlebig sind. Da diese Turbomaschinen klein sind, sind die Eintrittstemperaturen in der Turbine hoch, um die erforderliche Schubkraft zu erreichen. Turbinen, die aus herkömmlichen Metallegierungen bestehen, erfordern jedoch eine besondere Kühlung. Es ist aber offensichtlich unmöglich, in diesen Schaufeln Kühlgänge (oder Lamellen) vorzusehen, die ausreichend groß sind, um den Anforderungen an die Kühlung zu genügen. Schaufeln und Naben aus einem hochwiderstandsfähigen Verbundmaterial benötigen in einer heißen Umgebung dagegen keine Kühlung, um gegen Qualitätsverluste widerstandsfähig zu sein. Sie sind daher zur Verwendung in Turbinen dieser Art besonders geeignet. Ein besonders geeignetes Material wird als Kohlenstoff-Kohlenstoff-Material (carbon-carbon material) bezeichnet, in dem hochfeste Kohlenstoffasern mit einer typischen Faserfestigkeit von zwischen ca. 2867-3584 N/cm² (400 000-500 000 psi) und mit im Vergleich zu herkömmlichen Turbinenlegierungen geringer Dichte in einem Matrixmaterial aus Kohlenstoff eingelagert sind. Die Verwendung von Kettfasern 64 und weiteren Fasern 74 aus diesen hochfesten Kohlenstoffasern und die Verwendung eines Matrixmaterials 80 aus Kohlenstoff ergibt eine Schaufel/Naben-Baugruppe 30, die für den Einsatz im Turbinenteil einer in einer Rakete benutzten Gasturbine bestens geeignet ist.

Fig. 7 zeigt die Baugruppe 30 im Zusammenbau mit anderen Bauelementen im Turbinenteil einer Turbomaschine. Die Baugruppe 30 steht mit den Schaufeln 40 im Strömungsbereich 90 zwischen einer ersten und einer zweiten Reihe von Leitschaufeln 92 bzw. 94. Vom Strömungsbereich 90 ausgehend erstreckt sich die Baugruppe 30 radial nach innen, wobei der Nabenabschnitt 32 bis nahe an eine in Achsrichtung verlaufende Antriebswelle 96 reicht. Die Vorsprünge 60 auf der kreisringförmigen Fläche 58 greifen in komplementär angeordnete Vorsprünge eines Teiles 100 der Antriebswelle 96. Die Baugruppe 30 wird an der Antriebswelle 96 durch eine Hülse 102 gehalten, die einen Flansch 104 besitzt, der an der kreisringförmigen Fläche 58 der Nabe 32 anliegt. Die Hülse 102 wird gegen den Nabenabschnitt 32 durch eine Mutter 106 gedrückt, die auf die Welle 96 aufgeschraubt ist. Das Anziehen der Mutter 106 auf der Welle 96 ergibt einen Anklemmdruck, der in Achsrichtung auf den Nabenabschnitt 32 wirkt. Der Anklemmdruck erhöht die Belastbarkeit der Baugruppe 30, weil er den Scherwiderstand des Nabenabschnitts 32 erhöht.

In Fig. 8 ist eine mögliche Art gezeigt, die Einlage 70 herzustellen. Es wird ein ringförmiger Kanal 110 verwendet, der einen U-förmigen Querschnitt hat und eine ringförmige Nut 112 bildet. Durch fortlaufendes Aufwickeln einer Faser 74 wird die Nut 112 mit der aufgewickelten weiteren Faser 74 gefüllt, bis eine ausreichende Anzahl von Faserlagen 72 radial aufeinander gelagert ist, um die Nut 112 zu füllen. Danach wird Matrixmaterial 80 mindestens teilweise in die Hohlräume zwischen die weiteren Fasern 74 infiltriert und das ganze zusammen einer Wärmebehandlung und einer Druckbehandlung unterworfen, um ein selbsttragendes Bauteil zu gewinnen. Der Kanal 110 wird dann entfernt, und aus dem Bauteil wird eine Anzahl einzelner Einlagen 70 maschinell herausgearbeitet, von denen jede den keilförmigen Querschnitt hat, wie er in Fig. 8 in gestrichelten Linien gezeigt ist.

Claims (5)

1. Als Baueinheit ausgebildete, um eine Achse rotierende Schaufel/Naben-Baugruppe aus Verbundmaterial zur Verwendung in einer Turbine, wobei die Baugruppe ein in radialer Richtung außenliegendes, aus einer Vielzahl von im wesentlichen in radialer und in axialer Richtung sich erstreckender, in Umfangsrichtung beabstandeter Schaufeln bestehendes Schaufelteil und ein in bezug auf das Schaufelteil in radialer Richtung innenliegendes Nabenteil umfaßt und eine das Schaufelteil umfassende erste Anzahl von Faserlagen vorhanden ist, und die Lagen axial zueinander in dem Schaufelteil benachbart liegen, wobei die Faserlagen in einem Matrixmaterial eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Anzahl von Lagen (62) jeweils ein Faserbündel ist, das Kettfasern (64) und Schußfasern (66) enthält, die durch eine der Schaufeln (40) verlaufen, derart, daß diese Lagen sich allgemein parallel zu einer radialen Linie erstrecken, die senkrecht von der Achse (X-X) ausgeht,
daß wenigstens zwei benachbarte Lagen der ersten Lagen (62) in dem Nabenabschnitt in Achsrichtung voneinander weg verlaufen und so zwischen sich einen Spalt (68) in dem Nabenabschnitt (32) bilden,
und daß eine zweite Anzahl von Faserlagen (72) in dem Spalt (68) angeordnet ist und eine weitere Faser (74) aufweist, die so ausgerichtet ist, daß sie im wesentlichen in Umfangsrichtung um die Achse (X-X) verläuft.

2. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (68) zwischen den benachbarten Faserlagen (62) radial nach innen eine zunehmend größere axiale Breite aufweist und daß die zweite Anzahl von Faserlagen (72) eine Querschnittsfläche besitzt, die radial nach innen zunimmt.

3. Schaufel/Naben-Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kettfasern (64) in einer Faserlage (62) zu anderen Faserlagen unter einem Winkel verläuft, der im wesentlichen gleich ist einem ganzzahligen Vielfachen von 360° dividiert durch die Anzahl von Schaufeln im Schaufelteil.

4. Schaufel/Naben-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (104, 106) vorgesehen sind, um im Nabenbereich auf die Baugruppe (30) eine Klemmkraft in axialer Richtung auszuüben.

5. Schaufel/Naben-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (68) zwischen den Faserlagen (62) einen Querschnitt von keilförmiger Form haben und daß die Einlagen (70) ebenfalls einen Querschnitt von keilförmiger Form haben.