DE69203444T2

DE69203444T2 - Leichtes Blatt eines Luftschrauben-Vortriebsmittels.

Info

Publication number: DE69203444T2
Application number: DE69203444T
Authority: DE
Inventors: Eugene Delgrosso; John Violette
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1991-02-13
Filing date: 1992-02-07
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2012-02-08
Also published as: US5129787A; EP0570527B1; WO1992014646A1; JPH06505682A; DE69203444D1; EP0570527A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich generell auf Schaufeln zur Verwendung bei Maschinen mit Drehteilen und insbesondere auf Vortriebsschaufeln zur Verwendung bei Turboprob- und Turbobläsertriebwerken für Flugzeuge einschließlich am Heck montierter gegenläufiger Turbobläsertriebwerken ohne Führung.

Stand der Technik

Bei Anwendungen in Verbindung mit Flugzeugen ist es äußerst erwünscht, das Gewicht der Flugzeugkomponenten zu minimieren, da jedes beim Flugzeuggewicht gesparte Pfund sich in Treibstoffeinsparung und/oder größerer Nutzlast ausdrückt. Hinsichtlich Turboprop- oder Turbobläsertriebwerkskomponenten ist es anerkannt, daß die Vortriebsschaufeln die aussichtsreichsten Kandidaten für eine Gewichtsverringerung sind, da das Gewicht der anderen betroffenen Komponenten, z. B. Schaufelhalteeinrichtungen, Schaufelsteigungs-Änderungsvorrichtungen, Nabenscheiben, Wellen und Lager, typischerweise direkt von der Größe der von diesen Komponenten getragenen Zentrifugalbelastung der Schaufel abhängig ist. Die Vortriebsschaufeln per se kann man jedoch bezüglich des Gewichts leichter machen, so lange die zentrifugale Zugkraft, die Biegemomente, die Torsionsbelastungen und die Schwingungsbelastungen, die beim Betrieb auf die Schaufel aufgebracht werden, effektiv zu der Schaufelhalteeinrichtung übertragen werden, um auf die oben genannten Belastung-tragenden Komponenten verteilt zu werden.
Es ist in dem Technikgebiet bekannt, leichtergewichtige Vortriebsschaufeln mit einem zusammengesetzten Aufbau herzustellen, bei dem eine Schaufel aus einer äußeren Schale aus leichtem Kompositmaterial und einem inneren Belastung-tragenden Holm gebildet ist, der mit der Innenfläche der Schale verbunden ist und sich von innerhalb des Schalenhohlraums erstreckt, um außerhalb der Schale in einem Wurzelende zu enden, das an einer geeigneten Schaufelhalteeinrichtung montiert werden kann. Beispiele solcher zusammengesetzter Schaufeln sind in den U.S. Patenten 3,799,701, 4,784,575 und 4,810,167 gezeigt.
Die in dem U.S. Patent 3,799,701 beschriebene zusammengesetzte Bläserschaufel ist aus zwei vorgeformten komplimentären äußeren Schalenhälften mit Flügelprofil-Umriß, die an ihren äußeren Spitzen, Vorderkanten und Hinterkanten miteinander verbunden sind, um einen soliden Belastung-tragenden Holm herum gebildet, um eine äußere Schale zu bilden, die den ganzen Belastung-tragenden Holm außer dessen Wurzelbereich einschließt, der aus der Schale ragt. Die Schalenhälften werden aus einem Kompositmaterial mit einem relativ hohen Elastizitätsmodul gebildet, wie z. B. Borepoxy, Bor-Aluminium oder Karbon, und sind an ihrer Innenfläche mit der Außenfläche des dazwischen sandwichartig eingepaßten Holms verbunden. Der solide Belastung-tragende Holm, der aus Titan hergestellt ist, hat ein integrales schwalbenschwanzförmiges Wurzelende, das zur Befestigung in einer Schaufelhaltescheibe oder -Nabe angepaßt ist, um von der von dem Holm getragenen Schaufelschale zu der Haltescheibe oder/-Nabe Belastung zu übertragen.
Das U.S. Patent 4,784,575 beschreibt eine Vortriebsschaufel für ein gegenläufiges, ungeführtes Prop-Bläsersystem, in der ein metallischer Holm sandwichartig zwischen zwei Schalenhälften aus Kompositmaterial eingepaßt und mit diesen verbunden ist, die, wenn sie um den zentralen Holm angeordnet sind, die Flügelprofil-Schale bilden und hohle vordere und hintere Flügelprofil-Hohlräume definieren. Diese Flügelprofil-Hohlräume, die mit einem leichten Schaummaterial gefüllt sind, führen zu einer Verringerung des Schaufelgewichtes. Die Komposit-Schalenhälften sind aus in eine warmhärtende Epoxyharz-Matrix eingebettete Graphit- Bor- oder S-Glas-Faserschichten aufgebaut. Der Holm, der aus einem hochfesten, leichtgewichtigen Metall oder Legierung wie Titan oder Aluminium hergestellt ist, hat ein integrales schwalbenschwanzförmiges Wurzelende, das zur Befestigung in einer Schaufelhaltescheibe oder -Nabe angepaßt ist, um von der Schaufelschale über den Holm zu der Haltescheibe oder -Nabe Belastung zu übertragen. Das Gewicht der Schaufel ist außerdem durch das Einarbeiten von Hohlräumen in den Holm verringert, wobei der ganze Oberflächenbereich des Holmsals Verbindungsfläche verfügbar gehalten wird, an der die Komposit- Schalenhälften befestigt werden, um die strukturelle Integrität der Schaufel herzustellen.
Die in dem U.S. Patent 4,810,167 beschriebene Komposit-Flugzeugvortriebsschaufel ist aus einer äußeren Schale aus Kompositmaterial, insbesondere einem mit Epoxyharz imprägnierten Gewebe aus Kohlefasern, gebildet, die eine auch aus Kompositmaterialen gebildete Tragestruktur umgibt. Diese innere Tragestruktur ist aus einem starren Basisbolzen an seiner Wurzel gebildet, der einen Hohlraum zum Abstützen eines Schaumkerns definiert, der sich von dem Basisbolzen nach außen erstreckt, um eine Baugruppe zu bilden, die in Schichten aus unidirektionalen miteinander durch Epoxyharz verbundenen Kohlefasern eingewickelt ist. Die äußeren Lagen dieser Kohlefasern sind im wesentlichen parallel zur Schaufellängsachse und erstrecken sich um den Basisbolzen. Das Ende des mit diesen Kohlefasern umwickelten Basisbolzen ist an die Befestigung in einem schwalbenschwanzförmigen Schlitz in der Schaufelhaltenabe oder -Scheibe angepaßt. Metalloberflächen sind auf der äußeren um den Basisbolzen herumgehenden Kohlefaserschicht angebracht, um die Schichten vor einer Beschädigung durch die Randflächen des Nabenhalteschlitzes zu schützen. Die den Schaumkern und den Basisbolzen umgebenden Kohlefasern bilden einen Belastung-tragenden Holm, der zentrifugal- und Biegebelastungen von der Schaufel zu der Haltenabe überträgt und Torsionssteifigkeit liefert. Die äußere Kompositschale schafft Oberflächenstabilität und zusätzliche Torsionssteifigkeit.
In der am 07. Oktober 1988 eingereichten gemeinsam gehaltenen ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Anmeldenummer 07/255,099 ist eine leichte Prop-Bläser-Vortriebsschaufel beschrieben, die daran angepaßt ist, mit einem Bolzen an einem Naben-Halteelement befestigt zu werden. Wie die genannten Schaufeln hat diese Schaufel einen holm- und schalenartigen Aufbau. Der Holm, der das Element der Schaufel bildet, das die Hauptbelastung trägt, ist aus einem aus Kohlenstoff-, Kevlar- oder Glasfaser-Kompositmaterial aufgebaut und ist an seiner Basis innerhalb einer Wurzelverkleidung aufgenommen, um eine Untergruppe zu bilden, die mit mehreren Schichten von Kohlefasern umwickelt ist die an ihren Enden mit gegenüberliegenden Seiten des Kerns verbunden sind und sich um den Boden der Wurzelverkleidung herumerstrecken. Dieser Holm ist sandwichartig zwischen der Innenfläche einer äußeren Kompositschale eingepaßt und mit dieser verbunden. Die äußere Kompositschale schließt den Holm ein und definiert einen vorderen und einen hinteren Hohlraum, die mit leichtem Schaum gefüllt sind. Die äußere Schale der Schaufel wird durch das Zusammenpassen von Schalenhälften aus mit einem warmhärtenden Epoxyharz imprägnierten Glasfasergewebe gebildet. Die Wurzelverkleidung definiert einen hohlen Kern, durch den sich eine zylinderförmige Metallbuchse erstreckt, um eine bolzenaufnehmende Muffe zu bilden, die das Anbringen der Schaufel mittels eines Bolzens an einem Halteelement erleichtert, das an der Haltenarbe drehbar befestigt ist und so durch Drehen des Halteelements eine Änderung der Schaufelsteigung zuläßt.

Offenbarung der Erfindung

Es ist ein generelles Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vortriebsschaufel mit leichtem Schalen- und Holmaufbau bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine leichte Vortriebsschaufel mit einem Aufbau mit hohler Schale und hohlem Holm bereitzustellen mit oder ohne einer leichten Schaumfüllung oder einem wabenförmigen Gitter in den Hohlräumen in der Schale und dem Holm.
Es ist außerdem ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine leichte Vortriebsschaufel bereitzustellen, die eine verbesserte Torsionssteifigkeit zeigt.
Es ist weiterhin ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine leichte Vortriebsschaufel mit einem hohlem Holm mit erhöhter Knickfestigkeit bereitzustellen.
Diese Ziele werden mit der erfindungsgemäßen Vortriebsschaufel und der Belastung-tragenden Baugruppe erzielt, die die in den unabhängigen Ansprüchen 1 bzw. 15 definierten Merkmale besitzen.
Der vordere Steg in Profilsehnenrichtung, der hintere Steg in Profilsehnenrichtung Richtung und der mittlere Steg in Profilsehnenrichtung können sich vollständig bis zu der Holmspitze erstrecken oder können allmählich übergehen, um eine solide Holmspitze zu bilden, wenn das Profil der Schaufel mit Annährung an die Blattspitze dünner wird. In manchen Fällen bei dünnen Schaufeln können die äußeren 50 % oder mehr des Holms solide sein und so die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße mit Fremdkörpern erhöhen.
Außerdem kann ein leichter Schaumfüller oder ein leichtes wabenförmiges Gitter in dem Hohlraum des kastenartigen Elements angeordnet sein, um den Bereich des Hohlraums über dem steifen Basiselement ganz oder teilweise zu füllen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Licht der detaillierten Beschreibung ihrer besten Ausführungsformen deutlicher, wie sie in den anliegenden Zeichnungen gezeigt sind, für die gilt:
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht zum Teil im Schnitt einer Vortriebsschaufel der vorliegenden Erfindung, die mit einer schwalbenschwanzförmigen Wurzel zum Befestigen der Schaufel an einem Halteelement versehen ist;
Fig. 2 ist eine perspektivische Schnittansicht, entlang der Linie 2-2 von Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Schnitt entlange der Linie 3-3 von Fig. 1 von oben;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht zum Teil im Schnitt einer Vortriebsschaufel der vorliegenden Erfindung, die mit einer Bolzen-Wurzel zum Befestigen der Schaufel an einem Halteelement versehen ist;
Fig. 5 ist eine entlang der Linie 5-5 von Fig. 4 herausgeschnittene perspektivische Ansicht; und
Fig. 6 entlang der Linie 6-6 von Fig. 4 von oben.

Beste Art zum Ausführen der Erfindung

Bezieht man sich nun auf die Zeichnungen, so ist dort eine Vortriebsschaufel 10 mit einem Aufbau mit Schale und Holm dargestellt, die durch die Verwendung einer hohlen Schale 20 und eines hohlen Holms 30 leicht gemacht wurde. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausführungsform der Schaufel 10 schließt einen Holm 30 ein, der eine Wurzel 40 mit einem schwalbenschwanzförmigen Endelement, das zum Einsetzen in einen ähnlich geformten schwalbenschwanzförmigen Aufnahmeschlitz in der Schaufelhaltenabe (nicht gezeigt) eines Prop- Bläser- oder Turbobläsertriebwerks geeignet ist, während die in den Figuren 4 und 5 gezeigte Ausführungsform der Schaufel 10 einen Holm 30 umfaßt, der eine Wurzel 40 besitzt, die eine Bolzen-Muffeneinrichtung beinhaltet, durch die die Schaufel wie in der Praxis üblich mit einem zylinderförmigen Bolzen an einem drehbaren Halteelement 100 in der Haltenabe (nicht gezeigt) eines Prop-Bläsertriebwerks befestigt werden kann. Es versteht sich von selbst, daß diese Ausführungsformen der Holmwurzel zur Darstellungszwecken und nicht zur Eingrenzung dargestellt sind und daß die Holmwurzel 40 der Schaufel 10 so konstruiert sein kann, daß sie an andere Haltetechniken angepaßt ist, wie z. B. der Halterung von Typ des Rocker-Bolzens, beschrieben in der gemeinsam gehaltenen, am 16. Oktober 1989 eingereichten, ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Anmeldenummer 422,190.
Unabhängig von der Holmwurzelkonstruktion weist die Schaufel der vorliegenden Erfindung einen hohlen, innenliegenden Holm 30 und eine äußere Flügelprofil-Schale 20 auf, die einen hohlen Innenraum 26 definiert und umgibt. Die äußere Schale 20 besitzt eine Vorderkante 23, eine Hinterkante 25, ein Spitzenende 27 und ein Wurzelende 29. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Schale 20 aus zwei Schalenhälften 22 und 24 aufgebaut ist, die entweder mit Klebstoff 77 miteinander verbunden sind oder einstückig geformt sind, wobei sie entlang ihrer korrespondierenden Vorder- und Hinterkanten und an ihren Spitzen zusammenpassen, um den hohlen Innenraum 26 zu definieren. Die Schalenhälften 22 und 24 definieren eine Flügelprofil-Fläche, die sowohl eine Druck- als auch eine Sogseite besitzt.
Der innenliegende Holm 30 ist zwischen den Schalenhälften 22 und 24 sandwichartig eingepaßt, wobei sein Spitzenbereich 32 in dem hohlen Innenraum 26 angeordnet ist und sich in Spannweitenrichtung nach innen von seinen Spitzenbereich durch den Hohlraum 26 erstreckt, um in einem Holmwurzelbereich 40 zu enden. Der Holmwurzelbereich 40 ist in dem Wurzelende 29 der Schale 20 angeordnet und kann sich darüberhinaus erstrecken, was von der Art der Schaufelhalterung abhängt, das beim Befestigen der Schaufel 10 an der Prop-Bläsernabe verwendet wird. Abhängig von der Schaufeldickenverteilung relativ zu der Wanddicke der Schalenhälften 22 und 24 kann die Spitze des Holms 30 von dem Spitzenende der Schale 20 nach innen verlagert sein. D. h., der Holm 30 kann verkürzt sein, statt sich zu dem Außenende der Blattspitze zu erstrecken, und die zwei Schalenhälften 22 und 24 können in einem geringeren oder größeren Maße über das Außenende der Schaufel 10 direkt miteinander verbunden werden. In jedem Fall sind der innenliegende Holm 30 und die äußere Schale 20 miteinander entlang ihrer Berührungsflächen, d. h. entlang der Stoßbereiche der Außenfläche des Holms 30 und der Innenfläche der hohlen Schale 20, miteinander mit konventionellem, hochfestem Klebstoff 71 verbunden.
Der Holm 30 wird in Profilsehnenrichtung typischerweise wesentlich schmaler sein als die Breite des hohlen Innenraums 26. Deshalb wird der Holm 30 nicht das ganze Volumen des von der Schale 20 umschlossenen Hohlraums 26 ausfüllen, vielmehr wird das zwischen der Vorderkante 23 der Schale 20 und dem Vorderrand des Holms 30 in dem Hohlraum 26 ein vorderes hohles Volumen geben und zwischen der Hinterkante 25 der Schale 20 und dem hinteren Rand des Holms 30 ein hohles hinteres Volumen geben. Ebenso wird es kleine hohle Volumen in Profilmitte zwischen den Stegen des innenliegenden Holms und den äußeren Schalenhälften 22 und 24 geben. Obwohl man diese Hohlräume leer lassen könnte, ist es bevorzugt eine leichte wabenförmige Verstärkungsstruktur innerhalb dieser Hohlräume vorzusehen und/oder diese Hohlräume mit einem leichten Schaummaterial 38 zu füllen.
Vorzugsweise sind die zwei Schalenhälften 22 und 24 aus einem leichten Kompositmaterial und sind durch bekannte Verfahren gebildet, z. B. durch Auflegen von mit warmhärtenden Harzen imprägnierten Glasfasermatten oder Harz-Spritzgießen von geschichteten Gewebevorformen. Man muß aber verstehen, daß die Schalenhälften 22 und 24 aus irgendeinem leichten Material gebildet sein können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, einschließlich ohne Einschränküng solcher leichten Kompositmaterialien wie Borepoxy, Kohlenstoffepoxy oder faserverstärkter Harze und sogar leichten Metallmaterialien, wie z. B. Aluminium, Titan, Bor-Aluminium oder eine faserverstärkte Aluminiummatrix. Außerdem kann die Vorderkante 23 der Außenschale 20 vorzugsweise mit einer Metallverkleidung 36, wie einer Titan- oder elektrogeformten Nickel-Abdeckung bedeckt sein, die mit der Vorderkante 23 der Schale 20 und nach hinten mit einem Bereich sowohl auf der Druck- als auch auf der Saugseite der Schaufel 10 verbunden ist, um den Vorderkantenbereich der Schaufel 10 vor Erosion und Beschädigung durch Fremdkörper zu schützen.
Der innenliegende Holm 30 der Schaufel 10 der vorliegenden Erfindung weist zwei seitliche Hälften 33 und 35 auf, von denen eine die Saugseite des Holms und die andere Druckseite des Holms bildet und die Rücken an Rücken miteinander verbunden werden, um den Holm 30 zu bilden.
Jede der Holmhälften 33 und 35 verjüngt sich in der Dicke von ihrem Wurzelende zu ihrem Spitzenende, wobei die Platten am Wurzelende am dicksten sind, wo die zentrifugale, die kontinuierliche und die zyklische Biege- und Verdrehbelastung konzentriert sind. Jede Holmhälfte 33 und 35 ist eine in Spannweitenrichtung sich erstreckende Platte mit mindestens zwei in Spannweitenrichtung verlaufenden, in Profilsehnenrichtung beabstandeten darin gebildeten Rippen 37. Die in Profilsehnenrichtung beabstandeten Rippen 37 verlaufen im wesentlichen parallel zur Schaufelachse 15 in Spannweitenrichtung und sind besonders vorteilhaft von der Vorderkante oder der Hinterkante der plattenartigen Elemente 33 und 35 innenliegend beabstandet, statt anzustoßen, sodaß es einen Streifen 43 an der Vorderkante gibt, der sich im wesentlichen in Profilsehnenrichtung nach außen in Richtung zu der Vorderkante der gerippten plattenartigen Elemente 33 und 35 erstreckt, und daß es einen Streifen 45 an der Hinterkante gibt, der sich im wesentlichen in Profilsehnenrichtung nach außen in Richtung zu der Hinterkante der gerippten plattenartigen Elemente 33 und 35 erstreckt, und daß es einen mittleren Streifen 47 gibt, der sich im wesentlichen in Profilsehnenrichtung zwischen einem Paar von benachbarten Rippen 37 erstreckt und diese verbindet.
Der Holm 30 wird durch miteinder Verbinden der zwei Holmhälften 33 und 35 Rücken an Rücken oder integrales Formen oder superplastisches Formen zusammengebaut, so daß korrespondierende Rippen und Stege zusammenpassen, um einen Holm zu bilden. Dieser Holm besitzt mindestens zwei in Spannweitenrichtung verlaufende, in Profilsehnenrichtung beabstandete Torsionskastenelemente 50, die hohle kastenartige Hohlräume 52 definieren, einschließlich eines vorderen Hohlraums 52 A, der sich um eine Achse 13 in Spannweitenrichtung erstreckt, die sich in Profilsehenrichtung vor der Achse 15 in Spannweitenrichtung der Schaufel 10 erstreckt, und eines hinteren Hohlraums 52 B, der sich um eine Achse 17 in Spannweitenrichtung erstreckt, die in Profilsehnenrichtung hinter der Achse 15 in Spannweitenrichtung der Schaufel 10 beabstandet ist, eines in Spannweitenrichtung verlaufender Vorderkanten- Scherstegs 53, der in Profilsehnenrichtung von der vorderen Oberfläche des vorderen Hohlraums 52 A nach vorne vorsteht, eines in Spannweitenrichtung verlaufender Hinterkanten-Scherstegs 55, der von der hinteren Oberfläche des hinteren Hohlraums 52 B in Profilsehnenrichtung nach hinten ragt, und eines mittleren Scherstegs 57 in Profilsehnenrichtung, der den Raum zwischen dem vorderen und dem hinteren kastenartigen Hohlraum 52 A und 52 B überspannt und diese verbindet. Es können einer oder mehrere mittlere kastenartige Hohlräume 52 C vorgesehen sein, indem, wie in den Fig. 4 bis 6 gezeigt, ein zusätzlicher Torsionskasten oder zusätzliche Torsionskästen in dem mittleren Schersteg 57 in Profilsehnenrichtung beabstandet zwischen dem vorderen und dem hinteren kastenartigen Hohlraum 52 A und 52 B eingefügt sind.
Wenn die Holmhälften 33 und 35 zusammengebaut sind, bilden die verbindenden vorderen Streifen 43 den Vorderkanten-Schersteg 53 des Holms 30, die vebindenden hinteren Streifen 45 den Hinterkanten-Schersteg 55 und die verbindenden mittleren Streifen 47 je nachdem den mittleren Schersteg oder die mittleren Scherstege 57. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Holmhälften 31 und 35 mit den Berührungsflächen 49 ihrer Streifen 43 an der Vorderkante, ihrer Streifen 45 an der Hinterkante und ihrer mittleren Streifen 47 auf der Profilmittelinie 11 liegend verbunden sind, und so sicherstellen, daß die Scherstege 53, 55 und 57 nahe der neutralen Achse für Schwingungsbiegungen senkrecht zur Schaufelrichtung liegen und geringe Biegespannungen in den Scherstegen sicherstellen. Die zwei Holmhälften sind entlang der Berührungsflächen der vorderen Streifen 43, der hinteren Streifen 45 und der mittleren Streifen 47 der jeweiligen Hälften miteinander verbunden. Außerdem fallen die beabstandeten Rippen 37 in den Holmhälften zusammen, um die hohlen kastenartigen Hohlräume 52 des Holms 30 zu bilden. Die in ihrer Gestalt kastenartigen Hohlräume 52 dienen im wesentlichen dazu, die Torsionssteifigkeit der erfindungsgemäßen leichtgewichtigen Schaufel 10 zu erhöhen. Zusätzlich kann ein leichter Schaumfüller 38 in den hohlen kastenartigen Hohlräumen 52 des Holms 30 angeordnet sein, um den Bereich des Hohlraums über dem steifen Brückenelement 60 ganz oder teilweise zu füllen.
Um die Festigkeit und die Steifigkeit des Wurzelbereichs des hohlen Holms 30 der vorliegenden Erfindung zu unterstützen, ist ein steifes Brückenelement 60 in dem Wurzelbereich 40 jedes hohlen kastenartigen Hohlraums 52 in dem Holm 30 angeordnet. Jedes steife Brückenelement 60 ist mit den entgegengesetzten seitlichen Innenflächen der den Hohlraum definierenden Holmhälften mit Klebstoff 75 verbunden oder kann, wenn der Holm und die Brücke aus Metall sind, statt dessen diffusionsverbunden oder hartgelötet sein. Jedes Element 60 überbrückt den Hohlraum 37 und dient so dazu, Belastung von dem Schaufelholm 30 zu dem Halteelement der Nabe zu übertragen, an dem die Schaufel befestigt ist, und auch Belastungen entgegenzuwirken, die sich zwischen der Holmwurzel 34 und dem Halteelement aufbauen. Das steife Brückenelement 60 beinhaltet auch eine Einrichtung zum Befestigen der Schaufel 10 an dem Halteelement der Nabe, wobei der spezielle Aufbau der Halteeinrichtung von der Konstruktion des Halteelements der Nabe abhängt, an dem die Schaufel 10 befestigt werden soll.
Bezieht man sich nun speziell auf die Fig. 1 bis 3, so ist darin die Schaufel 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der der innenliegende Holm 30 mit zwei in Spannrichtung verlaufenden, in Profilsehnenrichtung beabstandeten, hohlen, kastenartigen Hohlräumen 52 A und 52 B gebildet ist. Der Hohlraum 52 A ist vor der Schaufelachse 15 in Spannweitenrichtung angeordnet, und der Hohlraum 52 B ist hinter der Schaufelachse in Spannweitenrichtung angeordnet. Ein einziger mittlerer Schersteg 57 in Spannweitenrichtung verläuft entlang der Profilmittenlinie und verbindet die Hohlräume 52 A und 52 B. Ein in Spannweitenrichtung verlaufender Vorderkanten-Schersteg 53 ragt in Profilsehnenrichtung von der Vorderseite des vorderen Hohlraums 52 A nach vorne, und ein in Spannweitenrichtung verlaufender Hinterkanten-Schersteg 55 ragt in Profilsehnenrichtung von der Rückseite des hinteren Hohlraums 52 B nach hinten. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Wurzelbereiche der zwei Holmhälften 33 und 35 über die Schale 20 hinaus, um das steife Brückenelement 60 zu umhüllen. Die Bereiche der Holmhälften 33 und 35, die das steife Brückenelement umgeben, sind damit mit einem Klebemittel 75 verbunden oder durch Diffusionsverbinden oder Hartlöten. Die Schalenhälften 33 und 35 können aus getrennten Platten gebildet sein, die Rücken an Rücken an ihren Spitzenenden und entlang der Berührungsflächen ihrer Streifen miteinander verbunden sind und an ihrem Wurzelenden das Brückenelement 60 umhüllen, um an der Endseite des Distalendes 66 des Brückenelements 60 nur nebeneinander zu liegen, wie in Fig. 2 gezeigt, oder können verschweißt, diffusionsverbunden, hartgelötet oder anders dort miteinander verbunden sein. Alternativ können die Schalenhälften 33 und 35 an entgegengesetzten Enden einer einzigen durchgehenden Platte hergestellt sein, die um das Distalende 66 des Brückenelements 60 herumgelegt wird, und dessen Enden danach miteinander verbunden werden, wie vorangehend beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist die Schaufel 10 an eine Befestigung an einem konventionellen schwalbenschwanzförmigen Halteschlitz in einer Drehnabe (nicht gezeigt) eines typischen Turbobläsertriebwerks mit fester Steigung angepaßt. Das steife Basiselement 60 besitzt einen Körper 62, der sich in Profilsehnenrichtung unterhalb des mittleren Scherstegs 57 erstreckt, beabstandete Seitenelemente 64, die sich an den Enden des Körpers 62 nach oben in die Holmhohlräume 52 erstrecken, die den mittleren Schersteg 57 eingrenzen, und ein Distalende 66, das sich über die Schale 20 hinaus erstreckt. Die Seitenelemente 64, die sich in die Hohlräume 52 erstrecken, sind mit den inneren Seitenflächen der den Hohlraum definierenden Holmhälften mit Klebstoff 75 verbunden und können vorzugsweise becherförmig ausgebildet sein, um den Belastungsübergang zu erleichtern und Spannungskonzentrationen am Rand der Verbindungsstelle zu verringern. Um die Befestigung der Schaufel 10 in einem Halteschlitz zu erleichtern, ändert das Distalende 66 des Brückenelements 60 in einem schwalbenschwanzförmig geformten Element, das die Befestigungseinrichtung bildet. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Holmhälften 33 und 35 über die Schale 20 hinaus und umhüllen das schwalbenschwanzförmig geformte Element, indem sie der Kontur des schwalbenschwanzförmig geformten Elements folgen. Zur Befestigung der Schaufel 10 an der Drehnabe eines Turbobläsertriebwerks wird die schwalbenschwanzförmige Wurzel der Schaufel 10, die durch das schwalbenschwanzförmig geformte Element und den Bereich des Holms, der das Element umgibt, definiert ist, in einen kompatibel geformten Halteschlitz in der Drehnabe eingesetzt.
Nun wird speziell auf die Fig. 4 bis 6 Bezug genommen. Bei der dort gezeigten Schaufel 10 der vorliegenden Erfindung ist der innenliegende Holm 30 mit drei in Spannweitenrichtung verlaufenden, in Profilsehnenrichtung beabstandeten, hohlen kastenartigen Hohlräumen 52 A, 52 B und 52 C gebildet. Der Hohlraum 52 A ist vor der Schaufelachse 15 in Spannweitenrichtung angeordnet, und der Hohlraum 52 B ist hinter der Schaufelachse 15 in Spannweitenrichtung angeordnet, und der Hohlraum 52 C ist zwischen den Hohlräumen 52 A und 52 B entlang der Schaufelachse 15 in Spannweitenrichtung angeordnet. Ein erster mittlerer Schersteg 57 in Profilsehnenrichtung verläuft entlang der Profilmittenlinie und verbindet die Hohlräume 52 B und 52 C. Ein zweiter mittlerer Schersteg 57 in Profilsehnenrichtung verläuft entlang der Profilmittenlinie und verbindet die Hohlräume 52 B und 52 C. Ein in Spannweitenrichtung verlaufen der Vorderkanten-Schersteg 53 ragt in Profilsehnenrichtung von der Vorderseite des vorderen Hohlraums 52 A nach vorne, und ein in Spannweitenrichtung verlaufender Hinterkanten-Schersteg 55 ragt in Profilsehnenriehtung von der Rückseite Oberfläche des hinteren Hohlraums 52 B nach hinten. Vorzugsweise besitzen die Wurzelbereiche 40 der zwei Holmhälften 33 und 35 Gurtbereiche 59, die über die Schale 20 hinausragen um die Bolzenbuchsen oder Ringbeschläge 82 aus Metall zu umhüllen. Diese Gurtbereiche der Holmhälften 33 und 35, die auch das steife Brückenelement 60 umhüllen, sind damit mit einem Klebemittel 75 verbunden oder diffusionsverbunden oder hartgelötet. Die Holmhälften 33 und 35 sind an entgegengesetzten Enden einer einzigen durchgehenden Platte gebildet, die um das Brückenelement 60 herumgewickelt wird und deren Enden danach miteinander, wie vorangehend beschrieben, verbunden werden.
Bei dieser Ausführungsform ist die Schaufel 10 an eine Befestigung an einem konventionellen Bolzen-Halteelement 100 in einer Drehnabe eines typischen Prop-Bläsertriebwerks mit verstellbarer Blattsteigung oder fester Blattsteigung angepaßt. Das steife Brückenelement 60 besitzt einen Körper 62, der sich Profilsehnenrichtung unter den mittleren Scherstegen 57 erstreckt, besitzt beabstandete Elemente 64, die in der Mitte und an den Enden des Körpers 62 nach oben in die drei Holmhohlräume 52 ragen, und besitzt ein Distalende, das mindestens einen und typischerweise zwei oder mehr ringförmige Ringbeschläge 82 einschließt die eine bolzenaufnehmende Muffeneinrichtung 84 definieren. Die beabstandeten Elemente 64, die sich in Hohlräume 52 erstrecken, sind mit den inneren Seitenflächen der die Hohlräume definierenden Holmhälften mit Klebstoff verbunden und können vorzugsweise becherförmig sein, um den Belastungsübergang und/oder die Steifigkeitsänderung von der äußeren hohlen Struktur zu der solideren, wenn auch geschlitzten, Haltestruktur zu erleichtern und so Spannungskonzentrationen in der Übergangszone und in dem Verbindungsbereich zu verringern.
Die Schaufel 10 dieser Ausführungsform ist an die Befestigung mit Bolzen an einem Halteelement, wie einer in Fig. 4 gezeigten, drehbaren Haltebuchse 100 angepaßt. Die Haltebuchse 100 weist ein Paar von Haltezapfen 102 auf, die Bolzen-Muffeneinrichtungen 106 definieren. Ein Paar von Ausschnittbereichen ist in dem Wurzelende der Schaufel vorgesehen und verläuft durch die ringförmigen Ringbeschläge 82 so, daß die Wurzel der Schaufel 10 an der Haltebuchse 100 mit den Zapfen 102 aufgenommen in den Ausschnittbereichen positioniert werden kann, so daß die Bolzen-Muffeneinrichtungen 106 in den Zapfen 102 mit der bolzenaufnehmenden Muffeneinrichtung 84 in dem Wurzelende 40 der Schaufel 10 ausgerichtet ist. Bei so positionierter Schaufel 10 wird ein Haltebolzen 108 in die Ringbeschläge 82 eingesetzt, so daß er durch die bolzenaufnehmende Muffeneinrichtung 84 und die Bolzen-Muffeneinrichtungen 106 hindurchgeht und so die Schaufel 10 an der drehbaren Haltebuchse 100 der drehbaren Nabe eines Prop-Bläsertriebwerks befestigt wird. Vorzugsweise ist eine Bolzenabdeckverkleidung 110 lösbar an der Vorderkante des Wurzelbereichs der Schale 20 befestigt, um eine aerodynamische Abdeckung über dem Zugang zu dem Haltebolzen zu schaffen.
Bei jeder Ausführungsform der Schaufel 10 der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, den Holm 30 aus einem hochfesten Material vorzugsweise einem hochfesten Metall, wie Titan, Aluminium oder Stahl herzustellen, obwohl der Holm 30 auch aus mehreren Schichten von modernen Kompositmaterialien wie Kohlefasern bestehen kann, vorausgesetzt, daß der resultierende Holm eine ausreichende Festigkeit für die Anwendung besitzt, in der die Schaufel 10 verwendet werden soll. Abhängig von dem Spannungsniveau kann das steife Brückenelement 60 aus Metall, wie Aluminium, Titan und/oder Stahl, hergestellt sein oder aus thermoplastischem Material oder warmhärtendem Kunststoffmaterial wie Epoxyharz geformt sein, was vorzugsweise mit kurzgemachten Fasern einschließlich Metallfasern, Kohlefasern und/oder Aramidfasern mit hoher Zugfestigkeit verstärkt sein kann, wie z. B. Kevlar -Fasern, die bei E.I. Du Pont de Nemours & Company. erhältlich sind. Die Klebstoffe 73 und 75, die zum Verbinden der Holmhälften miteinander und zum Verbinden der Holmhälften mit dem Brückenelement verwendet werden, können ein Epoxyharz oder ein thermoplastischer Kleber für die meisten Anwendungen sein, unanbhängig von dem für die Herstellung des Holm 30 verwendeten Materials. Jedoch können bei Anwendungen, bei denen die beim Betrieb auftretenden Spannungen, die Verwendung von hochfesten Metallmaterialien beim Herstellen des Holms diktiert und eine Verbindung mit höherer Festigkeit nötig ist, die Holmhälften miteinander und die Holmelemente mit dem Brückenelement durch Fusionsverbinden miteinander verbunden werden, d. h. durch eine Hartlötverbindung oder eine Diffusionsverbindung. Vorzugsweise sind die Holmhälften aus einem superplastisch geformten Titan hergestellt, die während oder nach dem superplastischen Formgebungschritt entlang der Berührungsfläche der Scherstege mit diffusionsverbundenem oder hartgelötetem Titan oder diffusionsverbundenen oder hartgelötetem Aluminium verbunden sind, wobei das Brückenelement aus Aluminium oder Titan gebildet ist und mit den Holmhälften mit diffusionsverbundenem oder hartgelötetem Aluminium oder diffusionsverbundenem oder hartgelöteten Titan fusionsverbunden sind.

Claims

1. Vortriebsschaufel (10), aufweisend

eine Außenschale (20) mit einer Vorderkante (23), einer Hinterkante (25), einem Spitzenende (27), einem Wurzelende (29),

einer ersten Flügelprofil-Druckfläche (22), die sich auf einer Seite der Schaufel in Profilsehnenrichtung zwischen der Vorderkante (23) und der Hinterkante (25) und in Spannweitenrichtung zwischen dem Spitzenende (27) und dem Wurzelende (29) erstreckt, und

einer zweiten Flügelprofil-Saugfläche (24), die sich auf der anderen Seite der Schaufel in Profilsehnenrichtung zwischen der Vorderkante (23) und der Hinterkante (25) und in Spannweitenrichtung zwischen dem Spitzenende (27) und dem Wurzelende (29) erstreckt,

wobei jede der Flügelprofilflächen eine Innenfläche besitzt, die einen hohlen Innenraum (26) einschließt, der in der Schale (20) definiert ist,

gekennzeichnet durch:

(a) einen Belastung-tragenden Holm (30), der sich von einem in dem hohlen Innenraum (26) der Schale (20) angeordneten Spitzenende (32) in der Spannweitenrichtung zu einem Wurzelende (40) erstreckt, das zur Befestigung an einer Schaufelhalteeinrichtung geeignet ist, wobei der Holm mindestens ein vorderes, in Spannweitenrichtung ausgedehntes Torsionskastenelement (50) und ein hinteres, in Spannweitenrichtung ausgedehntes Torsionskastenelement (50) besitzt, das mit Abstand in Profilsehnenrichtung hinter dem vorderen Torsionskastenelement vorgesehen ist,

einen Vorderkanten-Schersteg (53) in Profilsehnenrichtung, der von dem vorderen Torsionskastenelement (50) in Profilsehnenrichtung nach vorne vorsteht, einen Hinterkanten- Schersteg (55), der in Profilsehnenrichtung nach hinten von dem hinteren Torsionskastenelement (50) vorsteht, und einen mittleren Schersteg (57) in Profilsehnenrichtung, der zwischen dem vorderen und dem hinteren Torsionskastenelement (50) angeordnet ist, wobei das vordere und das hintere Torsionskastenelement (50) je einen hohlen Innenraumbereich (52A,52B) in dem Holm (30) definieren und in Spannweitenrichtung sich erstreckende Seitenbereiche besitzen, die mit den Innenflächen der Schale (20) verbunden sind; und

(b) ein steifes Basiselement (60), das in dem Wurzelbereich (40) des Holms (30) angeordnet ist und die hohlen Innenraumbereiche (52A,52B) überbrückt, die in dem Holm definiert sind.

2. Vortriebsschaufel nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen ersten Schaleninnenraum, der vor dem Holm (30) in dem hohlen Schaleninnenraum (26) gebildet ist, und einen zweiten Schaleninnenraum, der hinter dem Holm (30) in dem hohlen Schaleninnenraum (26) gebildet ist, wenn der Holm in dem hohlen Schaleninnenraum angeordnet ist.

3. Vortriebsschaufel nach Anspruch 2, bei der ein leichtes wabenförmiges Gitter in dem ersten und/oder dem zweiten Schaleninnenraum angeordnet ist.

4. Vortriebsschaufel nach Anspruch 2, bei der ein leichter Schaumfüller (38) in dem ersten und/oder dem zweiten Schaleninnenraum angeordnet ist.

5. Vortriebsschaufel nach Anspruch 1, bei der der Wurzelbereich (40) des Holms (30) eine Halteeinrichtung zum Anbringen der Vortriebsschaufel an einem Schaufelhalteelement definiert.

6. Vortriebsschaufel nach Anspruch 5, bei der die Halteeinrichtung eine schwalbenschwanzförmig gestaltete Einrichtung an dem Distalende (66) des Wurzelbereichs (40) des Holms (30) aufweist.

7. Vortriebsschaufel nach Anspruch 6, bei der die schwalbenschwanzförmig gestaltete Halteeinrichtung das Distalende (66) des steifen Basiselements (60) aufweist.

8. Vortriebsschaufel nach Anspruch 5, bei der die Halteeinrichtung eine einen Bolzen (108) aufnehmende Muffeneinrichtung (84) an dem Distalende des Wurzelbereichs (40) des Holms (30) aufweist.

9. Vortriebsschaufel nach Anspruch 8, bei der die den Bolzen aufnehmende Muffeneinrichtung (84) einen sich in Profilsehnenrichtung erstreckenden rohrförmigen Ringbeschlag (82) aufweist, der an dem Distalende des festen Basiselements (60) angeordnet ist.

10. Vortriebschaufel nach Anspruch 1, ferner aufweisend mindestens ein mittleres, in Spannweitenrichtung ausgedehntes Torsionskastenelement (50), das in einem beabstandeten Verhältnis zwischen dem vorderen und dem hinteren Torsionskastenelement (50) angeordnet ist und mit dem vorderen Torsionskastenelement durch einen ersten vorderen Bereich des mittleren Scherstegs (57) verbunden ist und mit dem hinteren Torsionskastenelement (50) durch einen zweiten, hinteren Bereich des mittleren Scherstegs (57) verbunden ist, wobei das mittlere Torsionskastenelement einen zusätzlichen hohlen Innenraum (52C) in dem Holm (30) definiert.

11. Vortriebsschaufel nach Anspruch 1, bei der die Außenschale (20) aus einem leichten Kompositmaterial hergestellt ist.

12. Vortriebsschaufel nach Anspruch 11, bei der die Außenschale (20) aus mehreren Schichten von in eine Harzmatrix eingebetteten Glasfasermatten hergestellt ist.

13. Vortriebsschaufel nach Anspruch 1, bei der der Holm (30) aus einem hochfesten Metall besteht.

14. Vortriebsschaufel nach Anspruch 1, bei der der Holm (30) aus Kohlefasermaterial besteht.

15. Leichte Belastung-tragende Baugruppe zum Anordnen in einem Innenraum (26), der von einer äußeren Schaufelschale (20) einer Vortriebsschaufel (10) definiert ist, zum Übertragen von auf die Schaufel aufgebrachten Belastungen auf ein Halteelement, aufweisend:

(a) einen Belastung-tragenden Holm (30), der sich von einem Spitzenende (32) in Spannweitenrichtung zu einem Wurzelende (40) erstreckt, das zur Befestigung an dem Schaufelhalteelement geeignet ist, wobei der Holm (30) aufweist: mindestens ein vorderes, in Spannweitenrichtung ausgedehntes Torsionskastenelement (50) und ein hinteres, in Spannweitenrichtung ausgedehntes Torsionskastenelement (50), das in Profilsehnenrichtung mit Abstand hinter dem vorderen Torsionskastenelement vorgesehen ist, einen Vorderkanten- Schersteg (53) in Profilsehnenrichtung, der von dem vorderen Torsionskastenelement (50) in Profilsehnenrichtung nach vorne vorsteht, einen Hinterkantenschersteg (56), der von dem hinteren Torsionskastenelement (50) in Profilsehnenrichtung nach hinten vorsteht, und einen mittleren Schersteg (57) in Profilsehnenrichtung, der zwischen dem vorderen und dem hinteren Torsionskastenelement (50) angeordnet ist, wobei das vordere und das hintere Torsionskastenelement je einen hohlen Innenraumbereich (52A,52B) in dem Holm (30) definieren und sich in Spannweitenrichtung erstreckende Seitenbereiche haben, die Flächeneinrichtungen zum Verbinden mit den Innenflächen der Schale (20) bilden; und

(b) ein steifes Basiselement (60), das in dem Wurzelbereich (40) des Holms (30) angeordnet ist und die hohlen Innenraumbereiche (52A,52B), die in dem Holm (30) definiert sind, überbrückt, wobei das steife Basiselement (60) ein Distalende (66) besitzt, das eine Halteeinrichtung zur Befestigung der Schaufel an dem Halteelement definiert.

16. Leichte Belastung-tragende Schaufelbaugruppe nach Anspruch 15, bei der das steife Basiselement (60) ein schwalbenschwanzförmig geformtes Distalende (66) besitzt, das eine in dem Wurzelbereich (40) des Holms (30) angeordnete Schaufelhalteeinrichtung aufweist.

17. Leichte Belastung-tragende Schaufelbaugruppe nach Anspruch 16, bei der der Holm (30) aus zwei Schalenhälften (33,35) aus hochfestem Metall hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Aluminium, Stahl und Mischungen daraus besteht, und Rücken an Rücken durch Fusionsverbinden verbunden ist, und wobei das steife Basiselement (60) aus Aluminium oder Titan besteht und mit den Schalenhälften (33,35) fusionsverbunden ist.

18. Leichte Belastung-tragende Schaufelbaugruppe nach Anspruch 17, bei der ein leichter Schaumfüller mindestens in einer der Schaleninnenräume (53) angeordnet ist.

19. Leichte Belastung-tragende Schaufelbaugruppe nach Anspruch 15, ferner aufweisend mindestens ein mittleres, in Spannweitenrichtung ausgedehntes Torsionskastenelement (50), das in beabstandeter Beziehung zwischen dem vorderen und dem hinteren Torsionskastenelement (50) angeordnet ist und mit dem vorderen Torsionskastenelement durch einen ersten, vorderen Bereich des mittleren Scherstegs (57) und mit dem hinteren Torsionskastenelement durch einen zweiten, hinteren Bereich des mittleren Scherstegs (57) verbunden ist, wobei das mittlere Torsionskastenelement (50) einen zusätzlichen inneren Hohlraum (52C) in dem Holm (30) definiert.

20. Leichte Belastung-tragende Schaufelbaugruppe nach Anspruch 19, bei der das steife Basiselement (60) einen sich in Profilsehnenrichtung erstreckenden rohrförmigen Ringbeschlag (82) besitzt, der eine einen Bolzen aufnehmende Muffeneinrichtung (84) aufweist, die in dem Wurzelbereich (40) des Holms (30) zur Befestigung an dem Schaufelhalteelement angeordnet ist.

21. Leichte Belastung-tragende Schaufelbaugruppe nach Anspruch 20, bei der der Holm (30) aus zwei Schalenhälften (33,35) hergestellt ist, die aus hochfestem Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Aluminium, Stahl und Mischungen daraus besteht, und Rücken an Rücken durch Fusionsverbinden verbunden ist, und wobei das steife Basiselement (60) aus Aluminium oder Titan besteht und mit den Schalenhälften (33,35) fusionsverbunden ist.

22. Leichte Belastung-tragende Schaufelbaugruppe nach Anspruch 21, bei der der Holm (30) aus Material auf Kohlefaserbasis hergestellt ist, das um das steife Basiselement (60) gewickelt ist und Rücken an Rücken mit einem Klebemittel verbunden ist, und bei dem das steife Basiselement (60) aus einem formbaren Material geformt ist und mit den Schalenhälften (33,35) mit einem Klebemittel verbunden ist.

23. Leichte Belastung-tragende Schaufelbaugruppe nach Anspruch 22, bei der das feste Basiselement (60) aus einem Epoxyharzmaterial geformt ist, das kurzgemachte Fasern, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Metallfasern, Kohlefasern, Aramidfasern und Mischungen daraus besteht, enthält.

24. Leichte Belastung-tragende Schaufelbaugruppe nach Anspruch 20, bei der ein leichter Schaumfüller in dem zusätzlichen hohlen Innenraum (52C) angeordnet ist, der von dem mittleren Torsionskastenelement (50) definiert ist.