HAJE, Detlef (Heilige-Grab-Str. 77, Görlitz, 02828, DE)
LANGKAMP, Albert (Weißiger Weg 15, Dresden, 01324, DE)
MANTEI, Markus (Königsbrücker Str. 103, Pulsnitz, OT Friedersdorf, 01896, DE)
HUFENBACH, Werner (Weißenberger Str. 1b, Dresden, 01324, DE)
EBERT, Christoph (Hertelstr. 21, Dresden, 01307, DE)
HAJE, Detlef (Heilige-Grab-Str. 77, Görlitz, 02828, DE)
LANGKAMP, Albert (Weißiger Weg 15, Dresden, 01324, DE)
MANTEI, Markus (Königsbrücker Str. 103, Pulsnitz, OT Friedersdorf, 01896, DE)
HUFENBACH, Werner (Weißenberger Str. 1b, Dresden, 01324, DE)
| Patentansprüche 1. Turbinenschaufel 1, umfassend einen Blattabschnitt 2 und einen Fußabschnitt 3, wobei die Turbinenschaufel 1 wenigs tens bereichsweise aus Faserverbundwerkstoff besteht und wobei der Faserverbundwerkstoff ein Mehrschichtverbund¬ werkstoff mit übereinander liegenden Faserlagen 4 ist, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinander liegenden Faserlagen 4 zumindest lokal miteinander verfilzt sind. 2. Turbinenschaufel 1 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fußabschnitt 3 zumindest bereichsweise aus Verbund¬ werkstoff mit lokal miteinander verfilzten Faserlagen 4 besteht . 3. Turbinenschaufel 1 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blattabschnitt 2 zumindest bereichsweise aus Verbund¬ werkstoff mit lokal miteinander verfilzten Faserlagen 4 besteht . 4. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel 1 nach An spruch 1 bis 3, umfassend die folgenden Schritte: Herstellen eins Mehrschichtverbundwerkstoff mit über¬ einander liegenden Faserlagen 4 ; ein oder mehrfaches Einstechen einer oder mehrerer Nadeln 5 mit Widerharken 6 in den Mehrschichtverbundwerk Stoff quer zur Faserrichtung d zum Verfilzen der übereinander liegenden Faserlagen 4 miteinander; Herstellen einer Turbinenschaufel 1 oder eines Turbi¬ nenschaufelbereiches mit den verfilzten Faserlagen 4. 5. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel 1 nach An spruch 1 bis 3, umfassend die folgenden Schritte: Herstellen eins Mehrschichtverbundwerkstoff mit über¬ einander liegenden Faserlagen 4 ; Aufbringen eines oder mehrerer gepulster Wasserstrahlen quer zur Faserrichtung d zum Verfilzen der übereinander liegenden Faserlagen 4 miteinander Herstellen einer Turbinenschaufel 1 oder eines Turbi¬ nenschaufelbereiches mit den verfilzten Faserlagen 4. |
TURBINENSCHAUFEL AUS FASERVERBUNDWERKSTOFF UND DIE GEEIGNETEN HERSTELLUNGSVERFAHREN
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel nach dem Ober ¬ begriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche 4 und 5. Turbinenschaufel und insbesondere Turbinenschaufeln von
Dampfturbinen werden derzeit aus Stahl gefertigt. Aufgrund des hohen Gewichtes der Turbinenschaufeln sowie der hohen Fliegkräfte ist die Drehzahl bzw. die Durchströmfläche insbe ¬ sondere der letzten Turbinenstufe begrenzt. Durch diese Be- grenzung ist auch die Leistung und der Wirkungsgrad der Turbine limitiert. Um die Leistung und den Wirkungsgrad zukünf ¬ tiger Turbinen zu steigern, wird deshalb zunehmend der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen mit hohen spezifischen Festigkeiten und geringen Gewicht in Erwägung gezogen. Der Ein- satz von Turbinenschaufeln aus Faserverbundwerkstoffen bedingt allerdings neue Lösungen insbesondere für den Schaufel ¬ fuß der Turbine als Verbindungselement zum Stahlrotor. Die Tragfähigkeit der Schaufelfüße aus faserverstärkten Werkstof ¬ fen wird dabei insbesondere durch die maximal zulässige
Druckfestigkeit in Dickenrichtung (quer zur Laminatebene) be ¬ stimmt. Auch die Quer-Quer-Schubfestigkeit ist beim Einsatz von Faserverbundwerkstoff gegenüber den konventionellen
Stahlturbinenschaufeln reduziert . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Festigkeit von Turbinenschaufeln in Dickenrichtung sowie die Quer- Quer-Schubfestigkeit lokal zu steigern ohne dabei die Festig ¬ keit in Faserrichtung signifikant zu verschlechtern. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Turbinenschaufel bereitzustellen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Turbinenschaufel nach den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Auf- gäbe wird hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen einer Turbinenschaufel nach den unabhängigen Patentansprüchen 4 und 5 gelöst. Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel, umfassend ein Blattab- schnitt und einen Fußabschnitt, wobei die Turbinenschaufel wenigstens bereichsweise aus Faserverbundwerkstoff besteht und der Faserverbundwerkstoff ein Mehrschichtverbundwerkstoff mit übereinander liegenden Faserlagen ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die übereinanderliegenden Faserlagen zumin- dest lokal miteinander verfilzt sind. Durch das Verfilzen verschlingen sich einzelne Fasern der übereinanderliegenden Faserlagen miteinander, wodurch auf einfache Weise eine Verstärkung der Festigkeit in Dickenrichtung sowie eine Erhöhung der Quer-Quer-Schubfestigkeit erreicht wird. Je nach Verfil- zungsgrad lässt sich die Verstärkung gezielt einstellen.
Durch das Verfilzen wird die Festigkeit in Faserlagenrichtung nur minimal verringert. Durch die gezielte lokale Verfilzung wird somit eine 3-D-Verstärkung erreicht. Das Verfilzen ist insbesondere für die besonders druckbelasteten Bereiche im Fußabschnitt der Turbinenschaufel geeignet. Hierdurch wird der Fußabschnitt unempfindlicher gegen Druckbelastungen, wodurch sich der Faserverbundwerkstoff auch in diesem kriti ¬ schen Bereich der Turbinenschaufel verwenden lässt. Durch das Verfilzen des Faserverbundwerkstoffs wird somit erstmalig ein Einsatz von Faserverbundwerkstoff für die gesamte Turbinen ¬ schaufel ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Fußabschnitt zumindest bereichsweise aus Verbundwerkstoff mit lokal einander verfilzten Lagen besteht. Wie bereits aus ¬ geführt, treten im Fußbereich der Turbinenschaufel erhöhte Druckbelastungen quer zur Faserrichtung auf. Ein Verfilzen der übereinanderliegenden Faserlagen kann hier für eine be- sonders vorteilhafte Erhöhung der Festigkeit in Querrichtung sowie zu einer Erhöhung der Quer-Quer-Schubfestigkeit führen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Blattabschnitt zumindest bereichsweise aus Fa ¬ serverbundwerkstoff mit lokal einander verfilzten Lagen be ¬ steht. Hierbei ist besonders an Bereiche der Turbinenschaufel zu denken, in dem hohe Quer-Zug-Spannungen (03) und hohe Quer-Schubspannungen (131, 132 ) auftreten, die besonders kri- tisch hinsichtlich Delaminationen sind. Des Weiteren können die 3-D-Verstärkungen durch Verfilzen insbesondere an erosi- onsbelasteten Bereichen oder an Faserverbund-Metall- Grenzflächenbereichen eingebracht werden. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel umfasst die folgenden Schritte:
- Herstellen eins Mehrschichtverbundwerkstoff mit übereinan ¬ der liegenden Faserlagen 4 ;
- ein oder mehrfaches Einstechen einer oder mehrerer Nadeln 5 mit Widerharken 6 in den Mehrschichtverbundwerkstoff quer zur Faserrichtung d zum Verfilzen der übereinander liegenden Faserlagen 4 miteinander;
- Herstellen einer Turbinenschaufel 1 oder eines Turbinenschaufelbereiches mit den verfilzten Faserlagen 4.
Das Verfilzen wird dabei mechanisch mit einer oder vorzugsweise mehreren Nadeln mit Widerhaken hergestellt. Hierbei sind die Widerhaken umgekehrt, wie bei einer Harpune, ange ¬ ordnet, so dass die Fasern quer zu ihrer Faserlage in die be- nachbarten Faserlagen gedrückt werden und die Nadel anschlie ¬ ßend wieder leicht herausgezogen werden kann. Durch wiederholtes Einstechen der Nadel werden die Fasern mehrfach miteinander verschlungen, so dass ein Verfilzen der Faserlagen untereinander erzielt wird.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel umfasst die folgenden Schritte: - Herstellen eins Mehrschichtverbundwerkstoff mit übereinan ¬ der liegenden Faserlagen 4 ;
- Aufbringen eines oder mehrerer gepulster Wasserstrahlen quer zur Faserrichtung d zum Verfilzen der übereinander liegenden Faserlagen 4 miteinander
- Herstellen einer Turbinenschaufel 1 oder eines Turbinenschaufelbereiches mit den verfilzten Faserlagen 4.
Bei diesem Verfahren wird die Verfilzung durch einen gepuls- ten Wasserstrahl erzielt, der quer zur Faserrichtung mit hohem Druck auf den Mehrschichtverbundwerkstoff auftritt und dadurch die übereinanderliegenden Faserlagen miteinander verschlingt. Das Verfilzen mit gepulsten Wasserstrahl eignet sich insbesondere für Fasern ohne Schuppenstruktur, wie zum Bespiel Polyamid und Polyester.
Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeig: Figur 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Turbinenschaufel ;
Figur 2 eine Detailansicht eines Faserverbundwerkstoffes mit übereinanderliegenden Faserlagen die noch nicht miteinander verfilzt sind;
Figur 3 das Einstechen einer Nadel in den noch nicht verfilzten Faserverbundwerkstoff mit übereinanderlie ¬ genden Faserlagen und
Figur 4 den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten verfilzten Faserverbundwerkstoff mit quer zur Faserrichtung verschlungenen Fasern.
Die Figuren zeigen jeweils stark vereinfachte Darstellungen in denen nur die zur Erfindung wesentlichen Details gezeigt werden. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figur- übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine Turbineschaufel 1, umfassend einen Blatt ¬ abschnitt 2 und einen Fußabschnitt 3. Die Turbinenschaufel 1 ist wenigstens bereichsweise aus Faserverbundwerkstoff herge ¬ stellt, wobei der Faserverbundwerkstoff ein Mehrschichtver ¬ bundwerkstoff mit übereinanderliegenden Faserlagen ist (siehe Bezugszeichen 4 in Figur 2 bis 4) . Die erfindungsgemäße Tur- binenschaufel 1 kann bereichsweise aus Faserverbundwerkstoff aber auch vollständig aus Faserverbundwerkstoff hergestellt sein. Zur Erhöhung der Druckfestigkeit in Dickenrichtung, das heißt quer zur Laminatebene sind die Faserlagen 4 im Bereich des Fußabschnittes 3 miteinander verfilzt. Durch das Verfil- zen werden einzelne Fasern der unterschiedlichen Faserlagen 4 miteinander verschlungen, wodurch sich ein Vernetzen der unterschiedlichen Faserlagen miteinander einstellt. Durch das Verfilzen wird die Festigkeit in Dickenrichtung (R 3 + und R 3 ~ ) lokal gesteigert ohne dass es zur einer signifikanten Abnahme der Festigkeit in Faserrichtung d kommt. Das Verfilzen der
Faserlagen 4 miteinander reduziert zusätzlich die Delaminati- onsgefahr der Faserverbundschaufel.
Durch das Verfilzen und die damit erhöhte maximal zulässige Druckfestigkeit in Dickenrichtung wird erstmals der Einsatz eines Fußabschnittes aus Faserverbundwerkstoff für Turbinen ¬ schaufeln ermöglicht. Hierdurch sinkt das Gewicht der Turbi ¬ nenschaufel erheblich ab, so dass die Schaufeln eine größere Länge und damit ein größerer Durchströmquerschnitt der Turbi- ne erreicht werden kann. Das geringere Gewicht der einzelnen Turbinenschaufeln sorgt darüber hinaus für eine geringere Fliegkraft, so dass höhere Drehzahlen ermöglicht werden. Wie Figur 1 weiter zeigt, kann das Verfilzen der Faserlagen auch in anderen Bereichen der Turbinenschaufel 1 und insbesondere des Blattabschnitts 2 verwendet werden. Insbesondere bietet sich das Verfilzen der Faserlagen untereinander überall dort an, wo Quer-Zug-Spannungen bzw. hohe Quer-Schubspannungen auftreten, die besonders kritisch hinsichtlich der Delamina- tion sind oder dort wo besonders erosionsbelastete Bereiche oder Faserverbundmetallgrenzflächenbereiche eingebracht wer ¬ den, wie beispielsweise an der Vorderkante 7 der Turbinen ¬ schaufel 1. Grundsätzlich bietet sich das Verfilzen der Faserlagen 4 von Bereichen aus Faserverbundwerkstoffen grund- sätzlich da an, wo neben einer Belastung in Faserrichtung d, Kräfte quer zur Faserrichtung auftreten. Das Verfilzen sorgt nur für eine marginale Verringerung der Zugfestigkeit in Fa ¬ serrichtung d bei gleichzeitiger Erhöhung der Festigkeit quer zur Faserrichtung.
Nachfolgend soll an den Figuren 2 bis 4 das erfindungsgemäße Verfahren zum Verfilzen von Faserlagen 4 erläutert werden. Die Figuren 2 bis 4 zeigen dabei jeweils nur einen Teilaus- schnitt einer Turbinenschaufel 1 und dabei jeweils nur den
Bereich der aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Figur 2 zeigt zunächst den bereich einer Turbinenschaufel 1 der aus einem Faserverbundwerkstoff mit übereinanderliegenden Fasern 4 besteht. Die Faserlagen 4 liegen nebeneinander und die ein- zelnen Fasern der Faserlagen 4 sind untereinander nicht miteinander verfilzt. Die Turbinenschaufel 1 bzw. der Bereich der Turbinenschaufel 1 der dargestellt ist, weist eine hohe Zugfestigkeit in Faserrichtung d auf. Dadurch, dass die Fa ¬ sern in Querrichtung zur Faserrichtung d nicht miteinander verhakt bzw. verschlungen sind, ist nur eine geringe Festig ¬ keit quer zur Faserrichtung d vorhanden. Um die Festigkeit quer zur Faserrichtung d zu erhöhen, werden die einzelnen Faserlagen 4 mittels einer Nadel 5 miteinander verfilzt. Das Verfilzen mittels einer Nadel 5 ist in Figur 3 näher darge- stellt. Die Nadel 5 weist mehrere Widerhaken 6 auf, die umge ¬ kehrt wie bei einer Harpune angeordnet sind. Durch das Ein ¬ stechen der Nadel 5 werden Fasern unterschiedlicher Faserlager 4 miteinander verschlungen, und die Faserlagen 4 somit miteinander verfilzt. Durch die Anordnung der Widerhaken lässt sich die Nadel nach dem Hineindrücken in die Faserlagen 4 leicht wieder herausziehen. Das Verfilzen der Faserlagen 4 erfolgt dabei mechanisch. Zum Verfilzen werden üblicherweise nicht nur eine, sondern mehrere Nadeln mit Widerhaken einge ¬ setzt. Das Verfilzen der Faserlagen erfolgt üblicherweise vor der Herstellung der eigentlichen Turbinenschaufel 1. Der verfilzte Faserverbundwerkstoff wird dann anschließend zurecht geschnitten und die entsprechende Form laminiert. Das Verfilzen der Faserlagen kann auch mittels eines gepulsten Wasserstrahles erfolgen. Dabei wird anstelle der Nadel 5 ein oder mehrere gepulste Wasserstrahlen quer zur Faserrichtung d auf die Faserlagen 4 aufgebracht. Durch den Wasser- strahl der mit hohem Druck auf die Faserlagen 4 auftritt, werden einzelne Fasern der Faserlagen 4 miteinander verschlungen und damit ein Verfilzen der Faserlagen 4 untereinander gewährleistet. Das Verfilzen mit gepulstem Wasserstrahl bietet Vorteile bei Fasern ohne Schuppenstruktur, wie zum Beispiel Polyamid und Polyester.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel 1 sowie die erfindungs ¬ gemäßen Verfahren zum Herstellen einer solchen Turbinenschaufel 1 ermöglichen erstmals den Einsatz von Turbinenschaufeln 1 mit Faserverbundwerkstoff in den besonders belasteten be- reichen des Fußabschnittes 3 und des Blattabschnittes 2.
Durch das Verfilzen wird erstmals eine signifikante Steige ¬ rung der Festigkeit quer zur Faserrichtung erreicht ohne dabei eine signifikante Abnahme in Faserrichtung d in kauf neh- men zu müssen. Der verfilzte Faserverbundwerkstoff kann somit in allen Bereichen der Turbinenschaufel 1 verwendet werden. Je nach geforderten Festigkeiten in die eine oder andere Richtung kann diese gezielt durch ein mehr oder weniger starkes Verfilzen eingestellt werden. Das Verfilzen der Faserla- gen stellt technisch wenige Probleme dar und ist preiswert durchzuführen. Mit dem dargestellten Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel lässt sich die gesamte Turbinenschau ¬ fel 1 oder auch nur bestimmte Bereiche der Turbinenschaufel 1 mit Faserverbundwerkstoff ausbilden, wodurch das spezifische Gewicht der Turbinenschaufel erheblich gesenkt werden kann. Durch das geringere Gewicht lassen sich größere Durchström ¬ querschnitte bei der Turbine realisieren und die Drehzahl der Turbine erhöhen. Hierdurch trägt die erfindungsgemäße Turbi ¬ nenschaufel bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstel- len der Turbinenschaufel zu einer Erhöhung der Leistung und des Wirkungsgrades der Turbine bei.