DE102004001262A1 - Process for depositing a fiber forming element in an open rotationally symmetrical recess on a radial inside end of a component useful in gas turbine technology - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablegen mindestens eines faserförmigen Elements in eine Ausnehmung eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von MMC-Bauteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ablegen mindestens eines faserförmigen Elements in eine Ausnehmung eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.The The invention relates to a method for depositing at least one fibrous element in a recess of a component according to the preamble of the claim 1. Furthermore, the invention relates to a process for the preparation of MMC components according to the preamble of claim 9. Des Furthermore, the invention relates to a device for storing at least a fibrous one Elements in a recess of a component according to the preamble of patent claim 11.
Moderne Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen wie Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Um die obigen Anforderungen an eine Gasturbine, insbesondere ein optimiertes Gewicht derselben, zu erzielen, müssen Gasturbinenbauteile im Hinblick auf die obigen Anforderungen optimiert werden. Hierbei spielt unter anderem die Werkstoffauswahl sowie die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen eine entscheidende Rolle.modern Turbomachinery, especially gas turbines such as aircraft engines, must meet the highest demands in the In terms of reliability, Weight, performance, economy and durability meet. To meet the above requirements for a gas turbine, in particular a Optimized weight of the same, gas turbine components have to be achieved in terms of be optimized to the above requirements. This plays under the selection of materials and the search for new, suitable ones Materials a crucial role.
Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, zur Gewichtsoptimierung als Werkstoff für Gasturbinenbauteile sogenannte faserverstärkte Verbundwerkstoffe zu verwenden. Derartige Verbundwerkstoffe verfügen über ein Trägermaterial, welches als eine Metallmatrix ausgebildet ist, sowie über in das Trägermaterial eingebettete Fasern. Einen derartigen Verbundwerkstoff bezeichnet man auch als Metallmatrix-Verbundwerkstoff – kurz MMC. Bei hochfesten MMC-Werkstoffen, bei denen Titan als Trägermaterial zum Einsatz kommt, kann das Gewicht von Bauteilen um bis zu 50 % gegenüber herkömmlichen Titanlegierungen reduziert werden. Als Verstärkungen werden Fasern mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul, zum Beispiel SiC-Fasern, verwendet.Out the prior art, it is already known, for weight optimization as a material for gas turbine components so-called fiber-reinforced To use composite materials. Such composites have a Support material which is formed as a metal matrix, as well as in the support material embedded fibers. Such a composite material called also called metal matrix composite material - short MMC. At high strength MMC materials using titanium as a substrate Can reduce the weight of components by up to 50% over traditional titanium alloys be reduced. As reinforcements become fibers with high strength and high modulus of elasticity, for example, SiC fibers.
Bei der Herstellung von MMC-Bauteilen wird nach dem Stand der Technik in der Regel so vorgegangen, dass beschichtete oder unbeschichtet Fasern in einer gewünschten geometrischen Anordnung positioniert werden, wobei die Fasern dann unter hohem Gasdruck und hohen Temperaturen zu einem MMC-Bauteil bzw. einem MMC-Halbzeug verdichtet werden. Sollen die Fasern zur Bereitstellung der gewünschten geometrischen Anordnung auf einem Körper, zum Beispiel auf einem ringförmigen Grundkörper, positioniert werden, so kann dies nach dem Stand der Technik lediglich unter Einsatz der üblichen Wickeltechnik erfolgen. Nach dem Stand der Technik werden demnach die Fasern spulenartig von außen auf einen derartigen, ringförmigen Grundkörper aufgewickelt. Faserlagen werden hierbei radial nach außen hin aufgebaut. Dabei ergibt sich das Problem, dass die Fasern zum Beispiel nicht in solche Ausnehmungen eines ringförmigen Grundkörpers angeordnet werden können, die an einem radial innenliegenden Ende offen sind. Wollte man hier die übliche Wickeltechnik anwenden, so würden die Fasern beim Wickeln wieder aus der Ausnehmung herausgezogen. Insgesamt fehlt es demnach nach einer geeigneten Vorgehensweise, um Fasern in Ausnehmungen von Bauteilen anzuordnen, die insbesondere an einem radial innenliegenden Ende des Bauteils offen sind.at the manufacture of MMC components is known in the art usually proceeded so that coated or uncoated Fibers in a desired geometric arrangement can be positioned, the fibers then under high gas pressure and high temperatures to an MMC component or a MMC semi-finished. Should the fibers to Providing the desired geometric arrangement on a body, for example on a annular body, positioned be, so this can be done according to the prior art only Use of the usual Winding technology done. According to the prior art accordingly the fibers like a coil from the outside on such an annular body wound. Fiber layers are in this case radially outward built up. This results in the problem that the fibers, for example not arranged in such recesses of an annular body can be which are open at a radially inner end. Did you want here the usual Apply winding technique, so would the fibers pulled out of the recess during winding again. Overall, therefore, there is a lack of a suitable approach to arrange fibers in recesses of components, in particular are open at a radially inner end of the component.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Ablegen mindestens eines faserförmigen Elements in eine Ausnehmung eines Bauteils vorzuschlagen. Weiterhin liegt es im Sinne der Erfindung, ein neuartiges Verfahren zum Herstellung von MMC-Bauteilen zu schaffen.Of these, Based on the present invention, the problem underlying a novel method and a corresponding device for Place at least one fibrous one To propose elements in a recess of a component. Farther it is within the meaning of the invention, a novel method for the production of MMC components.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Verfahren zum Ablegen mindestens eines faserförmigen Elements in eine Ausnehmung eines Bauteils durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß wird die Ausnehmung von radial innen derart mit dem oder jedem faserförmigen Element befüllt, dass das oder jedes faserförmige Element zentrifugalkraftunterstützt bzw. fliehkraftunterstützt in der Ausnehmung abgelegt wird.This Problem is solved by that the aforementioned method for storing at least one fibrous Elements in a recess of a component by the characteristics of the characterizing Part of claim 1 is further developed. According to the invention Recess of radially inward such with the or each fibrous element filled, that or each fibrous Centrifugal force assisted element or centrifugally assisted is stored in the recess.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das oder jedes faserförmige Element von einer drehend angetriebenen Rolle abgewickelt und in der Ausnehmung des ebenfalls drehend angetriebenen Bauteils fliehkraftunterstützt abgelegt, wobei die zu befüllende Ausnehmung des Bauteils die Rolle radial außen umschließt.To An advantageous development of the invention is the or each fibrous Element unwound from a rotating driven roller and in the recess of the likewise rotationally driven component stored centrifugally supported, where to be filled Recess of the component surrounds the role radially outside.
Das oder jedes faserförmige Element wird von der Rolle mit einer Winkelgeschwindigkeit abgewickelt, die größer ist als eine Winkelgeschwindigkeit des zu befüllenden Bauteils im Radius der Faserablage in der Ausnehmung des Bauteils. Das oder jedes faserförmige Element wird weiterhin in der Ausnehmung mit einer Winkelgeschwindigkeit abgelegt, die kleiner ist als die Winkelgeschwindigkeit des zu befüllenden Bauteils im Radius der Faserablage in der Ausnehmung des Bauteils. Das oder jedes von der Rolle abgewickelte, faserförmige Element wird von einer Zuführeinrichtung an die zu befüllende Ausnehmung des Bauteils herangeführt, wobei die Zuführeinrichtung mit einer Winkelgeschwindigkeit bewegt wird, die der Winkelgeschwindigkeit der Ablage des oder jeden faserförmigen Elements entspricht.The or any fibrous Element is unwound from the roll at an angular velocity, which is bigger as an angular velocity of the component to be filled in the radius the fiber deposit in the recess of the component. The or each fibrous element will continue in the recess at an angular velocity filed, which is smaller than the angular velocity of the to be filled Component in the radius of the fiber tray in the recess of the component. The or each unwound from the roll, fibrous element is from a feeder to the to be filled Recess of the component introduced, wherein the feeder is moved at an angular velocity, which is the angular velocity the filing of the or each fibrous Corresponds to elements.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von MMC-Bauteilen ist im unabhängigen Patentanspruch 9 definiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ablegen mindestens eines faserförmigen Elements in eine Ausnehmung eines Bauteils ist im unabhängigen Patentanspruch 11 definiert.The inventive method for the production of MMC components is defined in the independent claim 9. The device according to the invention for depositing at least one fibrous element in a recess a component is independent Claim 11 defined.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:preferred Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description. Embodiments of the invention without being limited to this to be closer to the drawing explained. Showing:
Zur
Gewichtsreduktion derartiger Rotoren wird der Rotor
Bei
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von
MMC-Bauteilen wird so vorgegangen, dass zugfeste Fasern um einen Kern
gewickelt werden, wobei die Faserlagen radial nach außen hin
aufgebaut werden. Soll hingegen der in
Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf
Bei
der in
Neben
der Rolle
Bezüglich der
Relativbewegungen von Rolle
Die Faser
The fiber
Es
gelten demnach folgende Beziehungen:
- ω1 ω 1
- = Winkelgeschwindigkeit des zu befüllenden Bauteils im Radius der Faserablage in der Ausnehmung des Bauteils,= Angular velocity of the component to be filled in the radius of the fiber deposit in the recess of the component,
- ω2 ω 2
- = Winkelgeschwindigkeit, mit welcher die Faser in der Ausnehmung abgelegt wird,= Angular velocity, with which the fiber is deposited in the recess,
- ω3 ω 3
- = Winkelgeschwindigkeit, mit welcher die Zuführeinrichtung bewegt wird,= Angular velocity, with which the feeder is moved,
- ω4 ω 4
- = Winkelgeschwindigkeit, mit welcher die Faser von der Rolle abgewickelt wird.= Angular velocity, with which the fiber is unwound from the roll.
Aus
den oben beschriebenen Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung folgt demnach,
dass nach dem Grundgedanken der hier vorliegenden Erfindung eine
Faser
In
diesem Zusammenhang ist von Bedeutung, dass mithilfe einer Überwachungseinrichtung
Im
Hinblick auf eine mögliche
Steuerung des Befüllungsprozesses
ist von Bedeutung, dass sich beim Abwickeln der Faser
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
Das
Ausführungsbeispiel
der
Mit beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Ablegen mindestens eines faserförmigen Elements in eine rotationssymmetrische, an einem radial innenliegende Ende offene Ausnehmung eines Bauteils durchgeführt werden. Wie bereits mehrfach erwähnt, wird eine derartige Ausnehmung erfindungsgemäß von radial innen derart mit einer Faser befüllt, dass die Faser zentrifugalkraftunterstützt bzw. fliehkraftunterstützt in der Ausnehmung schlupffrei abgelegt wird. Hierzu wird die Faser von einer drehend angetriebenen Rolle abgewickelt, die innerhalb des zu bewickelnden Bauteils positioniert ist. Die Winkelgeschwindigkeit ω4, mit der die Faser von der Rolle abgewickelt wird, ist größer als eine Winkelgeschwindigkeit ω1 des zu befüllenden Bauteils im Radius der Faserablage in der Ausnehmung des Bauteils. Weiterhin ist eine Winkelgeschwindigkeit ω2, mit der die Faser in der Ausnehmung des Bauteils abgelegt wird, kleiner als die Winkelgeschwindigkeit ω1 des zu befüllenden Bauteils im Radius der Faserablage. Eine Winkelgeschwindigkeit ω3 der Zuführeinrichtung entspricht der Winkelgeschwindigkeit ω2 der Ablage der Faser in der Ausnehmung des Bauteils. Zusätzlich zu diesen Drehbewegungen wird von der Zuführeinrichtung eine Bewegung quer zur Drehrichtung derselben ausgeführt.The inventive method for depositing at least one fibrous element in a rotationally symmetrical, open at a radially inner end recess of a component can be performed with two devices according to the invention. As already mentioned several times, according to the invention, such a recess is filled with a fiber from the radially inner side in such a way that the fiber, supported by centrifugal force, is deposited without centrifugal force in the recess without slip. For this purpose, the fiber is unwound from a rotationally driven roller, which is positioned within the component to be wound. The angular velocity ω 4 , with which the fiber is unwound from the roll, is greater than an angular velocity ω 1 of the component to be filled in the radius of the fiber deposit in the recess of the component. Furthermore, an angular velocity ω 2 with which the fiber is deposited in the recess of the component is smaller than the angular velocity ω 1 of the component to be filled in the radius of the fiber deposit. An angular velocity ω 3 of the feed device corresponds to the angular velocity ω 2 of the deposition of the fiber in the recess of the component. In addition to these rotational movements of the feed device is carried out a movement transverse to the direction of rotation of the same.
Mithilfe des hier vorliegenden Verfahrens sowie der hier vorliegenden Vorrichtung können erstmals Faseranordnungen für MMC-Bauteile realisiert werden, die der festigkeitsbedingten Breitenverteilung eines Gasturbinenrotors entsprechen, d.h. radial nach innen breiter werden. Durch die Ausnutzung der Fliehkraft kann ein dichtgepacktes Faserpaket realisiert werden. Mithilfe der Überwachungseinrichtung wird die ordnungsgemäße Ablage der Faser in der Ausnehmung des Bauteils kontrolliert, und abhängig hiervon wird die Ablage gesteuert bzw. geregelt. Als Antriebe für die Realisierung der Drehbewegung des Bauteils, der Rolle, von welcher die Faser abgezogen wird, sowie einer Zuführeinrichtung kommen mechanische, pneumatische oder elektromotorische Antriebe in Frage. Die Auswahl eines geeigneten Antriebs obliegt dem hier angesprochenen Fachmann.aid of the present method and the present device can first fiber arrangements for MMC components are realized, the strength-related width distribution of a gas turbine rotor, i. radially inward wider become. By exploiting the centrifugal force can be a tightly packed Fiber package can be realized. Using the monitoring device is the proper filing the fiber in the recess of the component controlled, and dependent thereon the filing is controlled or regulated. As drives for the realization the rotational movement of the component, the role of which the fiber is deducted, and a feeder come mechanical, pneumatic or electric motor drives in question. The selection of a suitable drive is incumbent on this addressed expert.
Wie
bereits oben erwähnt,
findet die erfindungsgemäße Vorrichtung
sowie das erfindungsgemäße Verfahren
zum Ablegen von Faser in einer rotationssymmetrischen Ausnehmung
eines Bauteils vorzugsweise bei der Herstellung von MMC-Bauteilen
Verwendung. Bei dem MMC-Bauteil handelt es sich dann insbesondere
um einen integral beschaufelten Rotor für eine Gasturbine. Nachdem
ein derartiges Bauteil auf die oben beschriebene Art und Weise mit
einer Faser von radial innen bewickelt wurde, erfolgt im Sinne eines
MMC-Herstellprozesses
noch eine Verdichtung der Fasern mit dem Matrixmaterial des Bauteils
bei hohen Temperaturen unter Anlegen eines hohen Gasdrucks. Dies
wird auch als heißisostatisches
Pressen bezeichnet. Beim heißisostatischen
Pressen kommt es dann zu einer Verbindung insbesondere der Randfasern
mit dem Matrixmaterial des Bauteils. Wie
- 1010
- Rotorrotor
- 1111
- Rotorscheiberotor disc
- 1212
- Laufschaufelblade
- 1313
- Nabenbereichhub area
- 1414
- Rotorrotor
- 1515
- Rotorscheiberotor disc
- 1616
- Laufschaufelblade
- 1717
- Nabenbereichhub area
- 1818
- MMC-BereichMMC area
- 1919
- EndeThe End
- 2020
- Vorrichtungcontraption
- 2121
- Faserfiber
- 2222
- Rollerole
- 2323
- Ausnehmungrecess
- 2424
- Bauteilcomponent
- 2525
- Pfeilarrow
- 2626
- Pfeilarrow
- 2727
- Zuführeinrichtungfeeding
- 2828
- Doppelpfeildouble arrow
- 2929
- Lagelocation
- 3030
- Überwachungseinrichtungmonitoring device
- 3131
- Begrenzungswandboundary wall
- 3232
- Begrenzungswandboundary wall
- 3333
- Vorrichtungcontraption
- 3434
- Zuführeinrichtungfeeding
- 3535
- Andrückrollecapstan
- 3636
- Ausnehmungrecess
- 3737
- Trägercarrier
- 3838
- Pfeilarrow
- 3939
- Pfeilarrow
- 4040
- Pfeilarrow
- 4141
- Rillegroove
- 4242
- Führungsschenkelguide leg
- 4343
- Führungsschenkelguide leg
- 4444
- Führungsbereichguide region
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