DE7232430U - Light vane for axial flow machine - Google Patents
Light vane for axial flow machineInfo
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Description
109/72 ES/er.109/72 ES / er.
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. , Baden (Schweiz)Public company Brown, Boveri & Cie. , Baden (Switzerland)
Leichtschaufel für axiale StrömungsmaschineLight vane for axial flow machine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Leichtschaufel für axiale Strömungsmaschine, deren Schaufelblatt aus einem Kern und einer diesen umhüllenden Schutzschicht gebildet ist, wobei der Kern aus einer Vielzahl von laminierten Fasern in einer Kunstharzmatrix besteht.The invention relates to a lightweight blade for axial Turbomachine, the blade of which is formed from a core and a protective layer enveloping it, the core consists of a plurality of fibers laminated in a synthetic resin matrix.
Es ist eine Schaufel für Turbomaschinen bekannt, die aus einem aus Kunststoffasern und Kunstharzmatrix bestehenden Kern mit einer umhüllenden Metallhaut gebildet ist, wobei die Kunststoffasern in Längsrichtung des Schaufelblattes ausgerichtetThere is a blade for turbo machinery known, which consists of a core made of plastic fibers and a synthetic resin matrix with an enveloping metal skin is formed, wherein the plastic fibers aligned in the longitudinal direction of the airfoil
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sind und diese die Beanspruchung des Schaufelblattes in der Längsrichtung aufnehmen und Quer- und Torsionsbeanspruchungen durch die Metallhaut aufgenommen werden.and these absorb the load on the airfoil in the longitudinal direction and transverse and torsional loads be absorbed by the metal skin.
Bei diesen Schaufeln ist gerade der Vorteil des geringen Gewichtes, der die Grundlage zur Entwicklung von Kunststoffschaufeln bildet, in Frage gestellt. Denn durch die Beanspruchung der Metallhaut durch Quer- und Torsionsbelastungen muss deren spezifische Festigkeit und damit die Dichte wesentlich erhöht werden, woraus wiederum grossere Massenkräfte resultieren. Darüber hinaus ist eine Anpassung des Elastizitätsmoduls der beiden Werkstoffe unerlässlich und somit eine Einschränkung bei der Auswahl des Kunststoffes bzw. den Fasern und des Metalles für die Schutzschicht gegeben. Daraus ergibt sich aber ein sehr enger Anwendungsbereich, da nur wenige Metalle gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit bei gleichem oder nahezu gleichem Elastizitätsmodul wie die Kunststoffasern aufweisen und aueserdem gegen Hydrolyse und Erosion weitgehend beständig sind·In the case of these blades, it is precisely the advantage of their low weight, which forms the basis for the development of plastic blades, that is in question. Because the stress on the metal skin through transverse and torsional loads, its specific strength and thus the density must be increased significantly, which in turn results in greater inertia forces. In addition, an adjustment of the modulus of elasticity of the two materials is essential and therefore there is a restriction in the selection of the plastic or the fibers and the metal for the protective layer. However, this results in a very narrow field of application, since only a few metals simultaneously have sufficient strength with the same or almost the same modulus of elasticity as the plastic fibers and are also largely resistant to hydrolysis and erosion.
Hier setzt nun die Erfindung ein, die die Aufgabe hat, eine Leichtschaufel für Turbomaschinen zu schaffen, die gegenüber den vorangeführten Parametern weitgehend unabhängig ist, und bei der der Vorteil der geringen Masse uneingeschränkt erhalten bleibt.This is where the invention comes in, the task of which is to create a lightweight blade for turbo machines, which is opposite is largely independent of the above parameters, and in which the advantage of the low mass is retained without restriction remain.
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Die erfindungsgemäss Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in mindestens drei voneinander unterschiedlichen Richtungen miteinander laminiert sind und zwar derart, dass die Fasern in einer einzelnen Richtung die Normalspannungen am beaufschlagten Schaufelblatt aufnehmen und die Schubspannungen aus der Beanspruchung von mindestens zwei in unterschiedlichen Richtungen angeordneten Fasern aufgenommen werden, und die Schutzschicht als nichttragende Haut am Schaufelblatt ausgebildet ist.The inventive solution to the problem is characterized in that the fibers in at least three of each other different directions are laminated together in such a way that the fibers in a single direction the Absorb normal stresses on the loaded airfoil and the shear stresses from the loading of at least two fibers arranged in different directions can be accommodated, and the protective layer as non-load-bearing Skin is formed on the airfoil.
Einer der Vorteile den diese Lösung erbringt, ist die Tatsache, dass auch bei harten Betriebsbedingungen die Abriebsfestigkeit erhöht und das Harz gegen Hydrolyse geschützt werden kann, ohne dass auf eine der mechanisch technologischen Eigenschaften des gewählten Kunstharzes bzw. der Fasern Rücksicht genommen werden muss. Damit wird aber auch die Herstellung von Schaufeln für den rauhen Betrieb vereinfacht, da keine technischen Kunstgriffe angewendet werden müssen, um die Abriebsfestigkeit zu garantieren. Im übrigen genügt es dann, sehr dünne Schutzschichten, beispielsweise 100 um, aus Metallen an dem Kunststoffkern aufzubringen, wodurch einerseits Gewicht und andererseits Material gespart werden kann. Dabei ist die zu erwartende Erosion an der Schaufel zu berücksichtigen, d.h. an der Schaufelvorderkante wird die Haut in ihrer Dicke etwas stärkerOne of the advantages of this solution is the fact that even under harsh operating conditions the abrasion resistance is increased and the resin can be protected against hydrolysis without that one of the mechanical technological properties of the selected synthetic resin or the fibers has been taken into account must become. However, this also simplifies the production of blades for rough operation, since no technical tricks have to be used to increase the abrasion resistance to guarantee. In addition, it is then sufficient to apply very thin protective layers, for example 100 μm, made of metal to the plastic core, whereby on the one hand weight and on the other hand material can be saved. Here is the one to be expected Erosion on the shovel must be taken into account, i.e. the skin becomes somewhat thicker at the front edge of the shovel
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sein müssen, als beispielsweise an der Saugseite einer Turbinenschaufel, wo sie eine Stärke unter 300 yum aufweist.must be than, for example, on the suction side of a turbine blade, where it is less than 300 yum thick.
Durch die dünne Schutzschicht wird die Eigenfrequenz der Schaufel, welche bei einem Schaufelblatt aus reinem Kunststoff in einem für die Laufruhe günstigen hohen Bereich liegt, nur minimal beeinflusst. Dadurch wird das Schwingungsverhalten des Schaufelblattes gegenüber einem Schaufelblatt mit tragenden Schutzschichten oder tragender Schutzschicht wesentlich verbessert.The natural frequency of the blade, which is the case with a blade made of pure plastic, is reduced by the thin protective layer is in a high range that is favorable for smoothness, only minimally influenced. This will change the vibration behavior of the airfoil compared to an airfoil with load-bearing protective layers or load-bearing protective layer much improved.
] Durch geeignete Auswahl des Schutzschichtmaterials kann die] By suitable selection of the protective layer material, the
j Beständigkeit gegenüber Tröpfchenschlag und Erosion beein-j Resistance to droplet impact and erosion affects
! flusst werden. So hat sich beispielsweise die Verwendung von! be flowing. For example, the use of
} Nickel oder Nickel mit Siliziumkarbideinschlüssen als Schutz- } Nickel or nickel with silicon carbide inclusions as protective
j Schichtmaterial als vorteilhaft erwiesen. Darüber hinaus kannj layer material proved to be advantageous. In addition, can
j bei einer anderen Zusammensetzung des Strömungsmediums durch Verwendung von reinem Kobalt oder Ko^balt mit Wolframkarbideinschlüssen ein ähnlich vorteilhaftes Resultat erzielt werden.j with a different composition of the flow medium by using pure cobalt or cobalt with tungsten carbide inclusions a similarly beneficial result can be achieved.
Ferner ist es möglich, Legierungen der Zusammensetzung 15 40 % Chrom, 0 - 20 % Wolfram und 0,2 - 2 % Kohlenstoff (alle in Gewichtsprozent) und Rest Kobalt als Schutzschicht aufzubringen, wobei deren gute Erosionsbeständigkeit bereits als bekannt zu berücksichtigen ist.It is also possible to use alloys with the composition 15, 40% chromium, 0-20% tungsten and 0.2-2% carbon (all in percent by weight) and the remainder cobalt as a protective layer, with its good erosion resistance already as is known to be taken into account.
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Ferner ist bei Verwendung einer kompakten oder porenfreien Schutzschicht ein günstiger Einfluss auf den gesamten Verbundwerkstoff des Schaufelblattes festgestellt worden, d.h. die Neigung zur Hydrolyse wurde wesentlich herabgesetzt, da eine Diffusion des Wassers bzw. der Dämpfe wegen der grossen Dichte der Schutzschicht in die Kunststoffmatrix ausgeschlossen ist. Furthermore , when a compact or pore-free protective layer is used, a favorable influence on the entire composite material of the blade has been found, i.e. the tendency to hydrolysis has been significantly reduced since diffusion of the water or vapors into the plastic matrix is excluded due to the high density of the protective layer .
Die Erfindung wird nunmehr anhand einer beispielhaften Ausführungsform näher beschrieben, wobei in den einzelnen Figuren für gleiche Teile einander entsprechende Bezugszeichen eingesetzt sind. Es zeigt:The invention will now be described on the basis of an exemplary embodiment described in more detail, with corresponding reference numerals being used in the individual figures for the same parts are. It shows:
Fig. 1 eine Ansicht eines Schaufelblattes nach der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-A in Fig. 1.1 shows a view of an airfoil according to the invention, FIG. 2 shows a cross section along the line A-A in FIG.
In Fig. 1 ist das Schaufelblatt 1 im aufgerissenen Zustande in perspektivischer Ansicht dargestellt. Der Kern 2 des Schaufelblattes 1 wird durch die einzelnen Laminate 3, U und 5 gebildet, die mittels Kunstharz während eines Press- und AushärteVorganges fest miteinander verbunden werden. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass die Fasern 6 der einzelnen Laminate vorzugsweise in mehreren Richtungen verlaufen. Die Fasern 6 des Laminates 3 sind beispielsweise in Richtung der Haupterzeugenden des Schaufelblattes 1 angeordnet, wogegen dieIn Fig. 1, the blade 1 is shown in the torn open state in a perspective view. The core 2 of the blade 1 is formed by the individual laminates 3, U and 5, which are firmly connected to one another by means of synthetic resin during a pressing and curing process. It can be clearly seen that the fibers 6 of the individual laminates preferably run in several directions . The fibers 6 of the laminate 3 are arranged, for example, in the direction of the main generators of the airfoil 1, whereas the
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f.f.
Xog/72Xog / 72
Fasern 6 der beiden anderen Laminate 4 und 5 in davon um einen bestimmten Winkel abweichende Richtungen ausgerichtet sind.Fibers 6 of the other two laminates 4 and 5 in one of them directions deviating from certain angles.
Um diesen Kern 2 herum ist eine Schutzschicht 7 aufgebracht, die einerseits das Schaufelblatt 1 gegen Erosion und Tröpfchenschlag und andererseits gegen Hydrolyse schützt. Die Schutzschicht 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Legierung der Zusammensetzung 30 Gew% Chrom, 15 Gew% Wolfram und 1 Gew% Kohlenstoff, Rest Kobalt gebildet. Diese Schutzschicht wird an der Oberfläche des Kunststoffkernes 2 der Laminate durch Flammspritzen befestigt.A protective layer 7 is applied around this core 2, which on the one hand protects the blade 1 against erosion and droplet impact and on the other hand against hydrolysis. The protective layer 7 is made of an alloy in this exemplary embodiment the composition 30% by weight of chromium, 15% by weight of tungsten and 1% by weight Carbon, the remainder cobalt formed. This protective layer is applied to the surface of the plastic core 2 of the laminate Flame spray attached.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch das Schaufelblatt entlang der Linie A-A gemäss Fig. 1 wiedergegeben. Der Kern 2 des Schaufelblattes 1 wird durch die einzelnen Laminate 3, U und 5 gebildet, die in mehreren Schichten aneinandergereiht sind, und deren verschiedene Richtungen durch unterschiedliche Schraffur der Querschnitte der Fasern 6 gekennzeichnet sind.In FIG. 2, a cross section through the airfoil along the line A-A according to FIG. 1 is shown. The core 2 of the Blade 1 is formed by the individual laminates 3, U and 5, which are strung together in several layers, and the different directions of which are indicated by different hatching of the cross-sections of the fibers 6.
Dabei ist es nicht als erfindungswesentlich anzusehen, ob die Laminate 3, 4 und 5 entsprechend dem Schaufelprofil gekrümmt angeordnet sind. Denn sie können auch, wie hier vereinfacht dargestellt, mehr oder weniger parallel zur Schaufelsehne gelegt werden. Dagegen ist als wesentlich zu erachten, dass dieIt is not to be regarded as essential to the invention whether the laminates 3, 4 and 5 are curved according to the blade profile are arranged. Because they can also, as shown here in a simplified manner, be laid more or less parallel to the blade chord. On the other hand, it is essential that the
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Fasern 6 der verschiedenen Laminate 3,4 und 5 in voneinander unterschiedlichen Richtungen in bezug auf die Haupterzeugende des Schaufelprofils angeordnet sind. Hierdurch wird es er» möglicht, nicht nur die radialen Zugkräfte, sondern auch die Quer- und Torsionsspannungen, sowie Schubspannungen durch den Kern 2 des Schaufelblattes 1 aufzunehmen.Fibers 6 of the various laminates 3, 4 and 5 in from one another are arranged in different directions with respect to the main generating end of the airfoil. This will make it » possible, not only the radial tensile forces, but also the transverse and torsional stresses as well as the shear stresses caused by the Pick up core 2 of the blade 1.
Es ist darüber hinaus auch selbstverständlich, dass die Laminate des nicht dargestellten Schaufelfusses in gleicher Weise aufgebaut sind, wobei die Massnähme aus herstellungsmassigen Gründen der Vereinfachung geboten erscheint.It also goes without saying that the laminates of the blade root, not shown, are constructed in the same way, the measures from manufacturing Seems necessary for the sake of simplification.
Der Kern 2 wird von der Schutzschicht 7 umhüllt, wobei im dargestellten Falle für das Schaufelblatt einer Turbine, an der Saugseite 8 des Schaufelblattes 1 eine maximale Stärke der Sohutzschicht von JOO um zu verzeichnen ist. An der Schaufe!vorderkante 10 und der Hinterkante 11 ist die Schutzschicht 7 verstärkt, um wegen der zu erwarteten vergrösserten Erosionsbeanspruchung und der erhöhten Tröpfchenschlaggefahr Versorge zu treffen.The core 2 is enveloped by the protective layer 7, in the case shown for the blade of a turbine, on the suction side 8 of the airfoil 1 a maximum thickness of the protective layer of JOO to be recorded. At the Shovel! Front edge 10 and the rear edge 11, the protective layer 7 is reinforced in order to increase due to the expected Erosion stress and the increased risk of droplet impact to take care of.
Es kann ferner als im Rahmen der Erfindung liegend angesehen werden, die metallischen Schutzschichten durch keramische zu ersetzen, wobei allerdings auf den speziellen Zweck undIt can also be regarded as lying within the scope of the invention, the metallic protective layers by ceramic to replace, although on the special purpose and
die veränderten Parameter der Abstimmung des Ausdehnungsund Elastizitätsverhaltens im Rahmen des fachmännischen Handelns einzugehen ist.the changed parameters of the coordination of the expansion and Elasticity behavior is to be taken into account within the framework of professional action.
Claims (3)
unterschiedlichen Richtungen (4, 5) angeordneten Fasern (6) aufgenommen werden, und die Schutzschicht (7) als nichttragende Haut am Schaufelblatt (1) ausgebildet ist.1. A lightweight blade for an axial flow machine, the blade of which is formed from a core and a protective layer enveloping it, the core consisting of a plurality of fibers laminated to one another in a synthetic resin matrix, characterized in that the fibers (6) in at least three mutually different directions (3, 4, 5) are laminated with one another in such a way that the fibers (6) absorb the normal stresses on the applied blade (1) in a single direction (3) and the shear stresses from the stress of at least two in
fibers (6) arranged in different directions (4, 5) are received, and the protective layer (7) is designed as a non-load-bearing skin on the airfoil (1).
dass die Haut auf dem Kern der Schaufel galvanisch aufgebracht ist. 2 * lightweight shovel according to claim 1, characterized in that
that the skin is galvanically applied to the core of the blade .
dass die Haut auf dem Kern der Schaufel durch Flammspritzen aufgetragen wird.3. Light shovel according to claim 1, characterized in that
that the skin is applied to the core of the shovel by flame spraying.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH1200272 | 1972-08-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE7232430U true DE7232430U (en) | 1974-05-30 |
Family
ID=1284472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE7232430U Expired DE7232430U (en) | 1972-08-15 | Light vane for axial flow machine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE7232430U (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3725686A1 (en) * | 1986-08-04 | 1988-02-18 | United Technologies Corp | PERMANENT COMPOSITE OBJECT, IN PARTICULAR COMPOSITE GUIDE VAN |
| DE19544803A1 (en) * | 1995-12-01 | 1997-06-05 | Mtu Muenchen Gmbh | Composite plastic blade for blower or compressor of turbine jet engine |
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0
- DE DE7232430U patent/DE7232430U/en not_active Expired
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3725686A1 (en) * | 1986-08-04 | 1988-02-18 | United Technologies Corp | PERMANENT COMPOSITE OBJECT, IN PARTICULAR COMPOSITE GUIDE VAN |
| DE19544803A1 (en) * | 1995-12-01 | 1997-06-05 | Mtu Muenchen Gmbh | Composite plastic blade for blower or compressor of turbine jet engine |
| DE19544803C2 (en) * | 1995-12-01 | 2000-07-06 | Mtu Muenchen Gmbh | Composite component |
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