DE102009014985B4 - Flugzeugkabinen-Drainageleitung - Google Patents

Abstract

Nichtmetallische Flugzeugkabinen-Drainageleitung, dadurch gekennzeichnet, dass sie als mehrlagiges einwandiges Drainagerohr (11) aus zwei miteinander verklebten Halbschalen (12-12) ausgelegt ist, die je im Verbund eine äußere kunststoffgetränkte Fasermatte (13) und eine gleichartige aber dagegen dünnere innere kunststoffgetränkte Fasermatte (14) aufweisen, auf welch letztere eine dagegen sehr dünne und glatte Folie (15) appliziert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine in einem Luftfahrzeug zu verlegende drucklose Drainageleitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung.
• Bei einem Luftfahrzeug, etwa einem Passagierflugzeug, verlaufen derartige Drainageleitungen durch die Zelle zu einem Drainagedepot vor einem für das Bodenpersonal zugänglichen, geheizten Auslassventil am Grunde des Cargoraumes (vgl. EP 1 621 459 A1 ), um insbesondere wässrige Fluide wie Schwitz- und Kondenswasser oder Grauwasser (mäßig verschmutztes Waschwasser), aber notfalls selbst aggressive Leckageflüssigkeiten aus einem womöglich beschädigten Cargobehälter, abzuführen. Wegen ihrer mechanischen und chemischen Resistenz werden dafür üblicherweise Metallrohre verlegt, vorzugsweise aus Edelstahl oder aus dem dagegen leichteren aber schwieriger zu bearbeitenden Titan. Linear gestreckte bis leicht gekrümmte Rohrstücke werden über stirnseitig aufgeschweißte Knieflansche miteinander zum dann einzubauenden dreidimensionalen Rohrleitungsverlauf verbunden. Bei weniger strengen Anforderungen können für die Drainage statt der starren Metallrohre auch flexible (nichtmetallische) Schläuche eingesetzt werden (vgl. DE 10 2006 012 953 A1 ); aber die bedürfen zusätzlicher Stützstellen in der Zellenstruktur, um beschleunigungsabhängige Verformungen und daraus resultierende Undichtigkeiten zuverlässig auszuschließen.
• Aus der DE 10 2005 061 838 A1 und der DE 10 2005 023 148 A1 sind nichtmetallische, mehrlagig einwandige Rohrleitungen bekannt, die in Luftfahrzeugen eingesetzt werden können.
• Für den Sonderfall des Umpumpens von Treibstoff zwischen Trimmtanks in einem Flugzeug werden aus Sicherheitsgründen koaxiale doppelwandige Rohre deutlich unterschiedlicher Durchmesser eingesetzt. Der dadurch geschaffene ringförmige Hohlraum zwischen den beiden radial zueinander distanzierten Rohrwänden dient gemäß DE 10 2005 028 766 A1 als Sensorraum und Ableitkanal für Treibstoff, der aus einem etwa defekten Innenrohr austritt, sowie für daran auftretendes Kondenswasser. Zumindest die ineinandergreifenden Knieflansche der beiden Rohre sind aus Kunststoff geformt; aber auch die dazwischen liegenden Rohrabschnitte können aus Kunststoff ausgebildet sein. In diesem Falle wird zunächst ein Innenrohr aus flammfest eingestelltem, faserverstärktem duroplastischem Kunststoff mit seinen Stirnflanschen bestückt, sowie auf seiner Außenmantelfläche mit radialen Abstandshaltern für das Außenrohr. Sodann wird das Innenrohr in einen Kernmantel eingepackt, um den herum ein leicht verformbarer faserverstärkter duroplastischer Kunststoff, ein so genanntes Prepreg etwa aus faserverstärktem Epoxydharz, aufgewickelt und dann in einem Autoklaven in Form gebracht und zum Außenrohr ausgehärtet wird. Danach wird der Kernmantel entfernt, um den Ringraum freizulegen und schließlich Flansche auch auf das so gebildete Außenrohr aufzubringen. Das stellt ersichtlich eine kostspielige da verfahrenstechnisch kritische Fertigungsfolge dar, die für das in höchstem Maße sicherheitsrelevante Umpumpen von Treibstoff vertretbar sein mag – aber nicht für bloße, im wesentlichen Wasser führende drucklose Drainageleitungen.
• In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Aufgabenstellung zugrunde, eine einfacher fabrizierbare Drainageleitung gattungsgemäßer Art zu schaffen, die insbesondere bei vergleichbarer mechanischer Stabilität leichter und montagefreundlicher als das herkömmliche metallische Drainagerohr ist.
• Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten Vorrichtungsanspruches gelöst. Danach ist die Drainageleitung als mehrlagigeinwandiges Compound-Kunststoffrohr aus zwei mehrlagigen Duroplast-Halbschalen zusammengefügt. Dieses Drainagerohr besteht dann wenigstens aus einem relativ dickwandigen Prepreg-Außenrohr, das direkt oder indirekt vollflächig verklebt ist mit einem dagegen dünnwandigeren Prepreg-Innenrohr. Auf dessen Innenmantelfläche ist eine, jenen Mattenstärken gegenüber, extrem dünne, glatte und dadurch abriebfeste sowie medien-, insbesondere auch wasser- und säureresistente thermoplastische Kunststofffolie appliziert.
• Jede der beiden um ihre Längsachse U-förmig gewölbten Halbschalen wird dafür aus ebenen, geometrisch korrespondierenden Zuschnitten jeweils wenigstens zweier thermisch aushärtender duroplastisch-kunststoffgetränkter Faserverbund-Gewebematten unterschiedlicher Stärken und der thermoplastischen Folienauflage miteinander verklebt sowie gleich darauf, noch vor dem endgültigen Aushärten der Kunststofftränkung, durch Eindrücken in eine in Längsrichtung konfigurierte (z. B. linear gestreckt, S-förmig geschwungen, L-förmig abgekröpft oder Y-förmig verzweigt verlaufende) halbschalenförmige Wanne etwa U-förmigen Querschnittes vorgeformt.
• Ein Paar derartiger komplementärer, da noch nicht ausgehärtet noch recht labiler Halbschalen wird, unter gegenseitigem Versatz zu geringer radialer Überlappung ihrer zusammenzufügenden Längsschnittränder, in eine stirnseitig offene aber umlaufend geschlossene Form eingebracht. In das Innere der so zusammengefügten Halbschalen ist ein Druck- oder Blähschlauch eingeführt, der sich über die gesamte Länge der Halbschalen erstreckt. Indem dieser aufgeblasen wird, werden die beiden Halbschalen radial mit ihren schmalen Überlappungen gegeneinander und insgesamt gegen die Innenmantelfläche der Rundumform gepresst, deren Geometrie so die Außenabmessungen des Drainagerohres ergibt. Diese Formgebung unter Verbinden der beiden Halbschalen zum Kunststoffrohr erfolgt im Aushärteofen (Autoklaven), vorzugsweise unter Vakuum bei empirisch optimiertem Druck-Temperatur-Zeitprofil zum endgültigen Verkleben der Wandungslagen untereinander und der beiden Halbschalen miteinander im Zuge des endgültigen Aushärtens des duroplastischen Kunststoffes der Gewebetränkung.
• Einzöllige wie auch dünnere Drainagerohre können ohne weiteres übereinstimmenden Wandungsaufbau aufweisen, so bei dreilagigem Aufbau eine innere Fasermatte einer Stärke in der Größenordnung von 0,1 Millimetern zwischen einer etwa dreimal so starken äußeren Fasermatte und einer extrem dünnen Schutzfolie in der Größenordnung von zehn bis hundert Mikrometern. Solche übereinstimmende Bemessung für alle gängigen Rohrdurchmesser fördert die Materialwirtschaft und somit die preisgünstige Fertigung solcher Kunststoffverbund-Drainagerohre. Es ist lediglich der Zuschnitt der Gewebematten an den (halben) Innenumfang der Rundumform im Autoklaven, also dem zu fertigenden Rohrdurchmesser anzupassen.
• Das Fertigungsverfahren ergibt ein zuverlässig reproduzierbares, sehr maßhaltiges Drainagerohr, dessen Steifigkeit in Axialrichtung und somit Montagesicherheit derjenigen eines vergleichbaren Metallrohres nicht nachsteht – das bei dagegen deutlich geringerem Gewicht und vereinfachten Montagemöglichkeiten sowie unvergleichlich viel größerem Formenschatz. In Radialrichtung ist beim erfindungsgemäßen Kunststoffcomposite-Drainagerohr eine geringe Elastizität gegeben, was vorteilhaft ist für das Einbringen des Rohrverlaufes in eine kompliziert geformte Montageumgebung der Flugzeugzelle.
• Der Verlauf solcher Drainagerohre kann grundsätzlich in beliebiger räumlicher Richtung von der Linearerstreckung abweichen. Aus Erwägungen des fertigungstechnischen Aufwandes wird man sich allerdings in der Regel auf Verläufe in im Wesentlichen einer Ebene beschränken und bei der Installation einen Übergang in eine andere Ebener mittels auf Rohrenden aufgesteckter und verklebter Knieflanschen realisieren. Denn diese mehrlagig einwandigen Rohrstücke lassen sich problemlos selbst vor Ort, im Zuge der Installation der Drainagerohre, miteinander verbinden, indem entsprechend geformt vorgefertigte Kunststoff-Fittings unter Einbringen von Klebstoff auf die aufeinander zu weisenden Rohrenden aufgesteckt und so damit verklebt werden.
• Zusätzliche Weiterbildungen und Alternativen zur erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch hinsichtlich deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung eines bevorzugten Realisierungsbeispieles zur Herstellung des erfindungsgemäß ausgelegten Drainagerohres. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in quergeschnittener Schrägansicht in einem Autoklaven, nicht maßstabsgerecht auf das Funktionswesentliche abstrahiert skizziert, eine gestreckte Rundumform mit zwei längs ihrer Erzeugenden miteinander zum Compositrohr zu verbindenden, dafür einen Blähschlauch umschließenden Halbschalen.
• Das erfindungsgemäß ausgelegte, einwandige Verbund-Drainagerohr 11 aus glasfaserverstärktem duroplastischem Kunststoff ist aus zwei in ihrem hohl aufeinander liegenden Mittenlängsschnitt deckungsgleichen (bei nicht-gestreckter Geometrie demgemäß gegensinnig kongruenten) im Querschnitt etwa U-förmigen Halbschalen 12-12 zusammengefügt. Zum Vorprofilieren jeder Halbschale wird ein, bevorzugt wie skizziert nur dreilagiger, zunächst ebener Zuschnitt in eine halbschalenförmige Wanne mit U-förmigem Innenquerschnitt eingedrückt (nicht gezeigt). Dadurch haftet, infolge noch nicht ausgehärteter duroplastischer Kunststoffimprägnierung, auf einer vergleichsweise dicken äußeren Gewebe-Fasermatte 13 eine gleichartige aber dagegen deutlich dünnere innere Fasermatte 14, auf deren freie Oberfläche eine extrem dünne Schutz-Folie 15 (in der Zeichnung unrealistisch übertrieben dick skizziert) appliziert ist.
• Für diesen Verbundaufbau sind schwer entflammbare Materialien eingesetzt, die im Ernstfall auch nur zu relativ untoxischer Rauchentwicklung führen würden. Insbesondere sind die Glasfasermatten 13, 14 mit einem duroplastischen Kunstharz auf Basis eines Verbundes polymerisierten aromatischen Cyanatesters porenfrei getränkt, das sich, nach dem Aushärten bei schon mäßiger Temperatur (etwa 125°C), durch hohe thermische und chemische Stabilität auszeichnet. Die daraus unter Aushärten verpressten Verbund-Drainagerohre weisen relativ feuchtigkeitsunabhängige mechanische Eigenschaften auf und sind schwer entflammbar, sie entwickeln wenig und dabei praktisch ungiftigen Rauch und sind selbstverlöschend, also zum Einsatz in Flugzeugen geradezu prädestiniert. Die zum Rohrinneren gelegene, extrem dünne Folie 15 beruht dagegen vorzugsweise auf einem Polyether-Etherketon (PEEK), einem Hochleistungs-Thermoplast von besonders guter chemikalischer Beständigkeit gegenüber z. B. Fetten, Ölen, Laugen, Alkoholen und aromatischen Kohlenwasserstoffen bei exzellenten thermischen und mechanischen Festigkeits- und Verschleißeigenschaften. Vorteilhaft für die vorliegenden Anforderungen sind auch die geringe Neigung der extrem dünnen und glatten Folie zu Feuchtigkeitsaufnahme, und, nach schwerer Entflammbarkeit (das sogar ohne Einsatz von Flammschutzmitteln) die nur geringe Emission von Rauch und giftigen Schwel- oder Verbrennungsgasen.
• Zwei derartige, noch nicht voll ausgehärtete Verbund-Halbschalen 12-12 werden wie skizziert derart geringfügig radial versetzt übereinander gestülpt, dass sich längs ihrer Längsränder 16 eine schmale Überlappungszone 17 einstellt. Diese Anordnung ist durch die Stützwirkung eines dazwischen gelegenen Blähschlauches 18 (noch nicht aufgeblasen skizziert) mechanisch stabilisiert, der vor dem Aufeinandersetzen der beiden Halbschalen 12-12 eingelegt wurde oder nachträglich von einem der offenen Stirnenden her koaxial zwischen die Halbschalen 12-12 eingeführt ist. Eine Rundumform 19 zur Aufnahme der beiden Halbschalen 12-12 kann einteilig, oder wie im Querschnitt skizziert mit einer verklammerten Teilungsfuge 20, ausgelegt sein. Eine Teilungsfuge 20 muß nicht (wie skizziert) in der Längsschnittebene der Überlappungszonen 17-17 liegen, beide können auch um die Längsachse der Rundform 19 herum gegeneinander verschwenkt sein.
• Die Rundumform 19 ist Bestandteil eines Autoklaven 21 oder (wie skizziert) in einem solchen angeordnet. Durch Aufpumpen des Blähschlauches 18 werden die Überlappungszonen 17, 17 paarweise gegeneinander und zugleich die Halbschalen 12-12 insgesamt gegen die Innenmantelfläche der Rundumform 19 gepresst. Eine vorzugsweise materialabhängig optimierte zeitliche Druck- und Temperatursteuerung führt zum Aushärten der duroplastischen Kunststofftränkung der Fasermatten 13, 14 unter äußerer Formgebung des Drainagerohres 11 gemäß der Rundumform 19 mit zugleich innen fest eingepresster thermoplastischer Schutz-Folie 15.
• Die so flächig unter Druck und Wärme konturgeformt ineinander und miteinander verklebten Halbschalen-Wandungen in Form der innenwandig folienbeschichteten äußeren und inneren Glasfasermatten 13, 14 ergeben trotz ihrer vergleichsweise geringen Wandstärken und leichten Materialien eine wünschenswert robuste Strukturfestigkeit; die noch gefördert wird, wenn die dickere Lage 13 eine gröbere und dadurch spezifisch kunststoffreichere Mattenstruktur aufweist, als die dünnere Lage 14.
• Ein einwandig mehrlagiges Composite-Drainagerohr 11 für Luftfahrzeuge besteht demzufolge erfindungsgemäß aus einem Paar von übereinander gestülpt längs ihrer Längsränder 16-16 miteinander verklebten Halbschalen 12-12 aus vorzugsweise zwei flächig miteinander verklebten, von außen nach innen dünneren duroplastisch imprägnierten Glasfaser-Gewebematten 13, 14 mit einer ebenfalls flächig aufgeklebten, dagegen extrem dünnen und glatten thermoplastischen Folie 15 als späterer Rohrinnenmantelfläche. Das Verkleben der beiden übereinander liegenden Halbschalen 12-12 miteinander zum Drainagerohr 11 erfolgt beim Aushärten der duroplastischen Tränkung der zunächst eben zugeschnittenen und dann zu den Halbschalen 12 verwölbten Wandungs-Matten 13, 14, nämlich während das Paar von Halbschalen 12-12 im Aushärteofen 21 mittels eines aufgeblasenen Blähschlauches 18 bei erhöhter Temperatur radial nach außen gegen die Innenmantelfläche einer Rundumform 19 angepresst wird.
• Bezugszeichenliste

11

Drainagerohr (aus 12-12 in 19)

12

Halbschale

13

äußere, dickere Fasermatte (von 12)

14

innere, dünnere Fasermatte (von 12)

15

Folie (innen auf 14, als Innenmantelfläche von 11)

16

Längsränder (von 12)

17

Überlappungszonen (längs 16-16)

18

Blähschlauch (zwischen 12-12)

19

Rundumform (für 12-12 in 21)

20

Teilungsfuge (von 19)

21

Autoklav

Claims (9)

1. Nichtmetallische Flugzeugkabinen-Drainageleitung, dadurch gekennzeichnet, dass sie als mehrlagiges einwandiges Drainagerohr (11) aus zwei miteinander verklebten Halbschalen (12-12) ausgelegt ist, die je im Verbund eine äußere kunststoffgetränkte Fasermatte (13) und eine gleichartige aber dagegen dünnere innere kunststoffgetränkte Fasermatte (14) aufweisen, auf welch letztere eine dagegen sehr dünne und glatte Folie (15) appliziert ist.
2. Drainageleitung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Verklebungen der Halbschalen- und Wandungslagen deren Kunststoff-Tränkungen selbst sind.
3. Drainageleitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dickere Fasermatte (13) eine gröbere Gewebestruktur aufweist, als eine dünnere Fasermatte (14).
4. Drainageleitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur zwei miteinander verklebte Fasermatten (13-14) pro Halbschale (12) vorgesehen sind.
5. Drainageleitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung duroplastisch imprägnierter Glasfasermatten (13, 14) und einer thermoplastischen Folie (15).
6. Drainageleitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Stärke der inneren Fasermatte (14) in der Größenordnung von 0,1 Millimetern.
7. Drainageleitung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die äußere Fasermatte (13) die dreifache Stärke aufweist als die innere Fasermatte.
8. Drainageleitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dicke der Folie (15) in der Größenordnung von zehn bis 100 Mikrometer.
9. Drainageleitung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (15) aus einem Polyether-Etherketon hergestellt ist.

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