DE102010060279A1

DE102010060279A1 - Tragender Rotationsring aus Verbundstoff und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102010060279A1
Application number: DE102010060279A
Authority: DE
Inventors: Ming (NMN) Xie; Scott Francis Neis; Steven Todd Slusher; Lee Alan Blanton
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2011-12-15
Also published as: US8449260B2; GB2475145A; CA2718270A1; GB2475145B; US20110103726A1; GB201018100D0

Abstract

Es werden tragende Verbundstoff-Rotationsringe (60, 90), die zur Verwendung in Bläserabschnitten (10) von Gasturbinentriebwerken geeignet sind, und Verfahren für deren Herstellung bereitgestellt. Ein derartiger Ring (60, 90) hat wenigstens einen ersten Abschnitt (74, 96), der eine zur Anlage und Halterung von Teilen (16) einer Rotationsmaschine (10) angepasste integrierte Anlageflache (75, 95) definiert, wenigstens einen zweiten Abschnitt (86, 102), der einen zur Befestigung an einer tragenden Struktur (14, 22) der Rotationsmaschine (10) angepassten integrierten Flansch (70, 102) definiert, und eine Einlage (78, 108). Jeder von den ersten und zweiten Abschnitten (74, 96; 68, 102) und der Einsatz (78, 108) des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings enthalten ein Polymermatrixmaterial und ein Faserverstarkungsmaterial, und das Faserverstarkungsmaterial in der Einlage ist überwiegend in einer Umfangsrichtung des Rings (60, 90) ausgerichtet, um sowohl Umfangs- als auch Radiallasten wahrend der Rotation des Rings aufzunehmen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbundstoffbauteile und Verfahren fur deren Herstellung. Insbesondere ist diese Erfindung auf die Verwendung von Verbundstoffmaterialien in der Herstellung von tragenden Verbundstoff-Rotationsringen beispielsweise des Typs gerichtet, der in dem Bläserabschnitt eines Gasturbinentriebwerks eingesetzt wird.
Die zunehmende Reife von Verbundstofftechnologien hat die Möglichkeiten für den Einsatz von Verbundstoffmaterialien in einer breiten Vielfalt von Anwendungen, einschließlich, jedoch ohne Beschrankung darauf, bei Flugzeugtriebwerken, wie z. B. den GE90^®- und GEnx^®-Triebwerken erhoht, die von der General Electric Company hergestellt werden. Historisch gesehen war die Herstellung von Komponenten aus Verbundstoffmaterialien von dem Wunsch getrieben, Gewicht zu reduzieren, obwohl auch Erhohungen bei den Metallkosten ein treibender Faktor für einige Anwendungen wurden.
Verbundstoffmaterialien weisen im Wesentlichen ein in einem Matrixmaterial, wie z. B. einem Polymer oder Keramikmaterial eingebettetes Faserverstärkungsmaterial. Das Verstarkungsmaterial dient als der tragende Bestandteil des Verbundstoffmaterials, wahrend das Matrixmaterial das Verstarkungsmaterial schützt, die Ausrichtung seiner Fasern aufrechterhält und zur Abführen der Lasten auf das Verstärkungsmaterial dient. Polymermatrixverbundstoff-(PMC)-Materialien werden typischerweise durch Imprägnieren eines Gewebes mit einem Harz, gefolgt von einer Härtung hergestellt. Vor der Impragnierung kann das Gewebe als ein ”trockenes” Gewebe bezeichnet werden und weist typischerweise eine Schichtung von zwei oder mehr Faserschichten (Lagen) auf. Die Faserschichten können aus einer Vielfalt von Materialien, wovon nicht einschränkende Beispiele Kohlenstoff- (z. B. Graphit), Glas- (z. B. Faserglas), Polymer- (z. B. Kevlar^®) und Keramik- (z. B. Nextel^®) Fasern aufweisen. Geeignete Dicken für die einzelnen Faserschichten und das resultierende PMC-Material hängen von der speziellen Anwendung der erzeugten Verbundstoffstruktur ab. Ob ein PMC-Material fur eine gegebene Anwendung geeignet ist, hängt von den strukturellen Anforderungen der Anwendung sowie von der Durchfuhrbarkeit einer Herstellung eines PLC-Bauteils mit der erforderlichen Geometrie ab.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt tragende Verbundstoffringe, die für die Halterung von Teilen in einer Rotationsmaschine, wie z. B. zur Halterung von Bläserplattformen in Blaserabschnitten von Gasturbinentriebwerken geeignet sind, und Verfahren fur deren Herstellung bereit.
Gemaß einem ersten Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines tragenden Verbundstoff-Rotationsringes die Erzeugung mehrerer Vorformen. Wenigstens eine erste Vorform von den Vorformen hat einen Laminataufbau, der ein Polymermatrixmaterial und ein Faserverstarkungsmaterial enthält, und wenigstens eine zweite Vorform von den Vorformen enthalt ein Polymermatrixmaterial und ein Faserverstärkungsmaterial, das überwiegend in einer Umfangsrichtung des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings ausgerichtet ist, um sowohl Umfangs- als auch Radiallasten während der Rotation des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings aufzunehmen. Die Polymermatrixmaterialien der ersten und zweiten Vorformen werden dann gehartet, um die mehreren Vorformen miteinander zu verbinden und ergeben den tragenden Verbundstoff-Rotationsring. Wenigstens ein erster Abschnitt des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings definiert eine integrierte Anlageflache, die zum Anliegen und Haltern von Teilen einer Rotationsmaschine angepasst ist, und wenigstens ein zweiter Abschnitt des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings definiert einen integrierten Flansch, der dafür angepasst ist, den tragenden Verbundstoff-Rotationsring an einer Lagerungsstruktur der Rotationsmaschine zu befestigen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sind mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellte tragende Verbundstoff-Rotationsringe. Ein derartiger Ring hat wenigstens einen ersten Abschnitt, der eine zur Anlage und Halterung von Teilen einer Rotationsmaschine angepasste integrierte Anlageflache definiert, wenigstens einen zweiten Abschnitt, der einen zur Befestigung des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings an einer tragenden Struktur der Rotationsmaschine angepassten integrierten Flansch definiert, und eine Einlage. Jeder von den ersten und zweiten Abschnitten und die Einlage des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings enthalten ein Polymermatrixmaterial und ein Faserverstarkungsmaterial, und das Faserverstarkungsmaterial in der Einlage ist uberwiegend in einer Umfangsrichtung des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings ausgerichtet, um sowohl Umfangs- als auch Radiallasten während der Rotation des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings aufzunehmen.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung ist die Fähigkeit, Verbundstoffringe für Lastaufnahmeanwendungen herzustellen und zu nutzen, wodurch Herstellungs- und Materialkosten und/oder Gewicht verringert werden konnen, ohne die Lastaufnahmefunktionalitat der Ringe zu beeintrachtigen. Weitere Aspekte und Vorteile dieser Erfindung werden besser aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung erkennbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 stellt schematisch eine Teilquerschnittsansicht des hinteren Endes eines Bläserabschnittes eines Gasturbinentriebwerks mit hohem Nebenstromverhältnis dar, in welchem ein Metall-Plattformhalterungsring gemaß dem Stand der Technik eingebaut ist.
2 stellt schematisch eine Querschnittsansicht eines Verbundstoff-Plattformhalterungsrings dar, der fur die Ersetzung des Metall-Plattformhalterungsrings von 1 gemaß einer Ausführungsform der Erfindung geeignet ist.
3 stellt schematisch eine Querschnittsansicht eines Verbundstoff-Plattformhalterungsrings gemaß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung dar, der für die Ersetzung des Metall-Plattformhalterungsrings von 1 geeignet ist.
4 stellt eine Querschnittsansicht eines an jedem von den Verbundstoffhalterungsringen von 2 und 3 angebrachten Zwischenflansches dar.
5 stellt schematisch eine Querschnittsansicht eines Verbundstoff-Plattformhalterungsrings gemaß einer dritten Ausführungsform der Erfindung dar, in welcher der Ring mit einem integrierten Verbundstofffalz hergestellt wird.
6 stellt schematisch eine Teilquerschnittsansicht des hinteren Endes eines Blaserabschnittes eines Gasturbinentriebwerks mit hohem Nebenstromverhältnis dar, in welchem ein Metall-Plattformhalterungsring gemäß dem Stand der Technik eingebaut ist.
7 stellt schematisch eine Querschnittsansicht eines Verbundstoff-Plattformhalterungsrings dar, der in einem vorderen Ende eines Bläserabschnittes eines Gasturbinentriebwerks mit hohem Nebenstromverhältnis gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung eingebaut ist.
8 stellt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Halterungsringanordnung mit dem Verbundstoff-Plattformhalterungsring von 7 und einem Metallflansch gemaß einer weiteren Ausführungsform des Halterungsringes dar.
9 stellt schematisch eine Querschnittsansicht des Verbundstoff-Plattformhalterungsrings der 7 und 8 dar,
10 und 11 stellen schematisch eine Technik dar, mittels welcher die Ringe der 1–5 bzw. 6 bis 9 in Satzen hergestellt werden konnen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird in Hinblick auf Verbundstoff-Plattformhalterungsringe beschrieben, die, obwohl sie fur einen Einsatz in einem breiten Bereich von Anwendungen angepasst werden können, besonders gut als Halterungsringe in dem Blaserabschnitt eines Gasturbinentriebwerks mit hohem Nebenstromverhältnis geeignet sind. Verschiedene weitere Anwendungen, bei welchen die vorliegende Erfindung angewendet werden konnte, liegen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
1 und 6 stellen jeweils schematisch Teilquerschnittsansichten der hinteren bzw. vorderen Enden eines Blaserabschnittes 10 eines Gasturbinentriebwerks mit hohem Nebenstromverhaltnis des fur den Antrieb eines Flugzeugs geeigneten Typs dar. Komponenten des in 1 und 6 dargestellten Blaserabschnittes 10 beinhalten eine Bläserlaufschaufel 12, die auf einer Bläserrotorscheibe 14 befestigt ist, und eine Bläserplattform 16, die in Umfangsrichtung zwischen der Schaufel 12 und einer (nicht dargestellten) benachbarten Bläserlaufschaufel angeordnet ist. Die radial äußere Oberflache der Plattform 16 definiert einen Teil des Luftstromungspfades zwischen den Blaserlaufschaufeln des Bläserabschnittes 10. 1 stellt eine Leitschaufel 18 und eine Laufschaufel 20 eines Boosterverdichters stromabwarts von dem Blaserabschnitt 10 dar. Die Verdichterlaufschaufel 20 ist auf einer Boosterwelle oder Laufer 22 montiert, welche mit der Rotorscheibe 14 mittels Schrauben 24 (wovon nur eine dargestellt ist) verbunden ist. 6 stellt einen konischen Spinner 26 dar, der vor der Rotorscheibe 14 und der Blaserplattform 16 montiert ist. Es durfte erkennbar sein, dass aufgrund der achsensymmetrischen Konfiguration des Blaserabschnittes 10 zusatzliche Bläserlaufschaufeln, Blaserplattformen, Verdichterleitschaufeln und Laufschaufeln, Schrauben usw. in 1 und 6 aufgrund der Querschnittsnatur dieser Ansichten nicht dargestellt sind. Wie sich ebenfalls von selbst versteht, drehen sich die Rotorscheibe 14 und die Verdichterspule 22 und Laufschaufeln 12 und 20 und ein daran montierter Spinner 26 als Folge davon, dass der Laufer 22 von einer (nicht dargestellten) Niederdruckturbine des Triebwerks angetrieben wird. Weitere Aspekte des Bläserabschnittes 10 und des Betriebs des Triebwerks sind im Fachgebiet bekannt und werden hier nicht im Detail diskutiert.
1 und 6 stellen Plattformhalterungsringe 28 und 30 dar, die vor bzw. hinter der Plattform 16 angeordnet sind. Der vordere Halterungsring 28 ist an der Rotorscheibe 14 befestigt und der hintere Halterungsring 30 ist an dem Läufer 22 befestigt dargestellt. Ähnlich wie die Plattform 16 definieren radial äußere Oberflachen der Halterungsringe 28 und 30 Abschnitte des Luftstromungspfades durch den Bläserabschnitt 10. Die Halterungsringe 28 und 30 haben auch tragende Funktionen als Folge davon, dass jeder einen Vorsprung 32 bzw. 34 besitzt, die mit dem vorderen Ende 38 bzw. hinteren Ende 38 der Blaserplattform 16 in Kontakt stehen, um die Plattform 16 in dem Blaserabschnitt 10 zu befestigen. Der vordere Halterungsring 28 ist mit einem im Wesentlichen U-formigen Querschnitt mit einem radial äußeren Schenkel 40, der in dem Vorsprung 32 endet, dargestellt. Der äußere Schenkel 40 definiert auch ein integriertes Deckband, das eine Begrenzungsoberflache eines inneren Stromungspfades fur Luft definiert, die sich durch den Blaserabschnitt 10 bewegt. Ein radial innerer Schenkel 42 des Rings 28 definiert einen Flansch 44, mittels welchem der Ring 28 an der Rotorscheibe 14 befestigt (verschraubt) ist. Der Spinner 26 ist an einem Mittenabschnitt 46 des Rings 28 zwischen den Schenkeln 40 und 42 befestigt (verschraubt). Der hintere Halterungsring 30 ist mit einem Querschnitt dargestellt, der im Wesentlichen V-förmig ist, wobei ein radial äußerer Schenkel 48 eine Begrenzungsflache eines inneren Strömungspfades fur die sich durch den Bläserabschnitt 10 bewegende Luft definiert. Ein radial innerer Schenkel 50 des Rings 30 definiert einen Flansch 52, mittels welchem der Ring 30 an dem Boosterlaufer 22 befestigt ist. Der Vorsprung 34 des Rings 30 ist an dem Schnittpunkt der Schenkel 48 und 50 definiert. Der radial außere Schenkel 48 und der Ring 30 definieren ferner einen Haken 54 zum Anliegen an einer radial inneren Plattform 56 der Verdichterleitschaufel 18.
Die in den 1 und 6 dargestellten vorderen und hinteren Halterungsringe 28 und 30 stellen einen relativ einfachen Aufbau zum losen Erfassen oder Haltern der Plattform 16 ohne zusätzliche Teile dar. Ein axialer und radialer Abstand kann zwischen der Plattform 16 und den Halterungsringen 28 und 30 vorgesehen sein, um der Plattform 16 zu ermoglichen, sich als Antwort auf einen Stoß, wie z. B. Vogelschlag, zu bewegen, was eine Verteilung und Abfuhrung des Stoßes fordert. Eine Bläserplattformhalterung in dieser Weise wurde bereits in kommerziellen Flugzeugtriebwerken, wie z. B. den in den von der General Electric Company hergestellten Triebwerken GEnx^® und GE90^® eingesetzt. In diesen Triebwerken sind die vorderen und hinteren Plattformhalterungsringe 28 und 30 aus Metall, typischerweise einer Titanlegierung, wie z. B. bearbeitetem ringgewalzten Ti-6Al4V-Schmiedestücken hergestellt. Obwohl Titanlegierungshalterungsringe 28 und 30 des in den 1 und 6 dargestellten Typs hervorragend funktionieren, stellt die vorliegende Erfindung Halterungsringe, die aus Verbundmaterialien hergestellt und für die Erzielung der strukturellen Leistung der Halterungsringe 28 und 30 konfiguriert sind, bereit. Dadurch stellen die Halterungsringe dieser Erfindung die Moglichkeit sowohl für Gewichts- als auch Kosteneinsparungen gegenuber den Titanhalterungsringen 28 und 30 der 1 und 6 bereit.
2 repräsentiert einen Verbundstoffhalterungsring 60 für die hintere Plattform, der gegen den Halterungsring 30 für die hintere Platte von 1 ausgetauscht werden kann, und somit eine Lastaufnahmefahigkeit benotigt. Der Halterungsring 60 ist mit zwei durch zwei getrennte Vorformen ausgebildeten Laminatschichten 62 und 64 gefertigt dargestellt. Jedes Laminat 62 und 64 weist mehrere Schichten eines Faserverstarkungsmaterials auf, das in einem Matrixmaterial, bevorzugt ein gehärtetes Polymermaterial, eingebettet ist, um ein Polymermatrix-Verbundstoffmaterial (PMC) zu erhalten. Geeignete Prozesse für die Herstellung der Vorformen und Halterungsringe 60 unter Verwendung von PMC-Materialien sind im Fachgebiet bekannt und werden deshalb hier nicht im Detail beschrieben. Der Ring 30 kann unter Anwendung verschiedener Harzinfusionsprozesse, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, mittels Harztransferformung (RTM) hergestellt werden. Da der Ring 60 Oberflachen hat, die mit anderen Teilen des Bläserabschnittes 10 verbunden werden mussen und Strömungspfadoberflachen definieren, wird bevorzugt ein hartes Werkzeug eingesetzt, um sicherzustellen, dass derartige Oberflachen glatt sind.
Die Vorformen, die die Laminate 62 und 64 ausbilden, haben bevorzugt einen verformbaren Aufbau, wie z. B. ein biaxiales oder triaxiales Geflecht, obwohl weitere Aufbauten vorsehbar sind, welche Gewebe, multiaxiale Gelege und unidirektionale Faserstränge umfassen. Biaxiale Aufbauten konnen verwendet werden, um deren Fähigkeit zu nutzen, sich komplexen Geometrien anzupassen. Zusatzlich konnen axiale Faserstränge an strategischen Stellen in einem biaxialen Geflecht zur Verstarkung und/oder Stabilisierung des Faseraufbaus angeordnet werden, was im Wesentlichen ein hybrides biaxiales/triaxiales Geflecht ergibt. Triaxiale Aufbauten konnen genutzt werden, um den Vorteil ihrer Aufbaustabilitat und zusatzlichen Steifigkeit und Festigkeit zu nutzen. In allen Fallen konnen zusätzliche Faserstrange an ausgewahlten Stellen in den Vorformen angeordnet werden, um Dicken-, Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen der Laminate 62 und 64 und des Verbundstoffhalterungsrings 60 insgesamt zu erfullen.
Die Gewebeschichten konnen aus einer Vielzahl von Fasermaterialien, wovon nicht einschränkende Beispiele Kohlenstoff-, (z. B. Graphit), Glas- (z. B. Faserglas) und Aramid- (z. B. Kevlar^®)-Fasern beinhalten. Eine Vielfalt von Polymermaterialien kann als das Harz gewählt werden, das zum Infiltrieren der Gewebeschichten verwendet wird. Da die prinzipielle Rolle des Harzes darin besteht, ein Matrixmaterial fur das Fasermaterial der Gewebeschichten mit dem Ergebnis zu bilden, dass das Harz zu der strukturellen Festigkeit und anderen physikalischen Eigenschaften des Halterungsrings 60 beitragt, sollte das gehartete Harz mechanische und physikalische Eigenschaften haben, die fur die gedachte Anwendung geeignet sind. Zusatzlich sollte das Harz von der Zusammensetzung her mit dem Fasermaterial der Gewebeschichten kompatibel und in der Lage sein, unter Temperaturbedingungen auszuharten, welche das Fasermaterial thermisch nicht verschlechtern oder anderweitig nachteilig dafur sind. Auf dieser Basis umfassen besonders geeignete Harze, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Epoxid-, Bismaleimid-, und Polyimidharze. Geeignete Dicken für die individuellen Gewebeschichten und die sich daraus ergebenden Laminate 62 und 64 hängen von den speziellen Betriebsbedingungen des Halterungsringes 60 ab.
Ahnlich zu dem hinteren Halterungsring 30 von 1 ist der Verbundstoffhalterungsring 60 mit einem Querschnitt dargestellt, der im Wesentlichen V-formig ist, mit einem radial außeren Schenkel 66, der ein integriertes Stromungspfaddeckband definiert, dessen Außenoberflache eine Begrenzungsoberfläche eines inneren Stromungspfades fur Luft definiert, die sich durch den Blaserabschnitt 10 (1) bewegt, in welchem der Ring 60 eingebaut wird. Der äußere Schenkel 66 ist als einen Haken 72 zur Anlage an einer radial inneren Plattform 56 der Verdichterleitschaufeln 18 ähnlich dem Haken 54 des Halterungsringes 30 in 1 definierend dargestellt. Ein radial innerer Schenkel 68 des Rings 60 definiert einen integrierten Flansch 70, mittels welchem der Ring 60 an dem Boosterlaufer 22 (1) befestigt werden kann. Ein Vorsprung oder eine Nase 74 ist an dem Schnittpunkt der Schenkel 66 und 68 definiert und stellt ähnlich dem Vorsprung 34 des Ringes 30 in 1 eine Anlageflache 75 fur die Halterung der Blaserplattform 16 (1) bereit. Wie in 2 dargestellt, beinhaltet eine nicht einschränkende Ausfuhrungsform der Erfindung das Auflegen der Vorformen, die die Laminate 62 und 64 bilden so, dass der Flansch 70 sowohl durch das Laminat 62 als auch 64 definiert wird, der Haken 72 durch das Laminat 64 definiert wird und der Vorsprung 74 uberwiegend durch das Laminat 62 definiert wird, was zu einem ringförmigen Hohlraum 76 zwischen den Laminaten 62 und 64 in dem Bereich des den Vorsprung 74 enthaltenden Rings 60 führt. Alternativ konnte der Vorsprung 74 durch beide Laminate 62 und 64 ausgebildet werden.
3, 4 und 5 stellen zusatzliche Konfigurationen des hinteren Halterungsrings 60 gemäß weiteren Ausführungsformen dieser Erfindung dar. In diesen Figuren werden folgerichtige Bezugszeichen verwendet, um dieselben oder funktional gleichwertige Elemente zu bezeichnen. Angesichts der Ähnlichkeiten zwischen den Ausführungsformen konzentriert sich die nachfolgende Diskussion der 3, 4 und 5 uberwiegend auf Aspekte der zusatzlichen Ausfuhrungsformen, die sich von der Ausfuhrungsform von 2 in etwas erkennbarer oder signifikanter Weise unterscheiden. Weitere nicht im Detail diskutierte Aspekte der zusatzlichen Ausfuhrungsformen konnen hinsichtlich des Aufbaus, der Funktion, der Materialien usw. vorliegen, wie es im Wesentlichen für die erste Ausfuhrungsform beschrieben wurde.
In der Ausführungsform von 3 fullt eine Einlage 78 den Hohlraum 76 zwischen den Laminaten 62 und 64 aus. Die Einlage 78 ist bevorzugt aus einer Vorform mit zusammenhangenden Fasern aufgebaut, die uberwiegend in der Umfangsrichtung des Rings 60 ausgerichtet sind, um sowohl Umfangs- als auch Radiallasten während der Drehung des Blaserabschnittes 10 aufzunehmen. Wie in 3 dargestellt, hat die Einlage 78 angenahert eine Keil- oder Dreiecksform, die der Form des Hohlraums 76 entspricht und kann aus einer getrennten Vorform oder einem ein Band enthaltenden Faserverstärkungsmaterial oder aus in Umfangsform gewickelten uniaxialen Fasern aufgebaut sein, und die Fasern in der Einlage 78 sind zusammenhängend und uberwiegend in der Umfangsrichtung des Ringes 60 ausgerichtet, um Umfangs- und Radiallasten während des Triebwerkbetriebs aufzunehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einlage 78 aus einer Laminatvorform mit einem Faseraufbau hergestellt, der kleinwinklige triaxiale oder biaxiale Geflechte oder unidirektionale Faserstränge aufweist. Beispielsweise stellt 3 ein triaxial geflochtenes rohrformiges Gewebe (oder einen ”Strumpf”) 80 dar, der aus Faserstrangen 81a und 81b mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet ist, die an ausgewahlten Stellen in dem Strumpf 80 platziert sind, welche dann in diametraler Richtung abgeflacht wird, um eine Vorform 82 der Einlage 78 zu bilden. Wie es in 3 zu sehen, hat die Vorform 82 einen keilformigen Querschnitt, und die Faserstränge 81a und 81b mit kleineren bzw. größeren Durchmessern sind in unterschiedlichen Bereichen des Strumpfes 80 angeordnet. Wie es ebenfalls in 3 dargestellt ist, befinden sich als Folge der Abflachung des Strumpfes 80 die Faserstränge 81a und 81b mit den kleineren und großeren Durchmessern in den schmaleren bzw. breiteren Enden der Vorform 82. Die Vorform 82 kann eine beliebige Anzahl von Strümpfen 80 enthalten, um die gewunschte Dicke der Einlage 78 aufzubauen.
Der integrierte Flansch 70 auf dem Halterungsring 60 nutzt bevorzugt ein Falzmerkmal fur den Zusammenbau und die Ausrichtung zu dem Boosterläufer 22. 4 stellt einen metallischen Zwischenflansch 84 dar, der mit den Ausfuhrungsformen der 2 und 3 verwendet werden kann, um den Flansch 70 des Halterungsrings 60 an dem Boosterläufer 22 zu befestigen und eine Lastverteilung zu begünstigen. Die Hybrid-Verbundstoff/Metall-Konstruktion von 4 bietet die Kosten- und Gewichsteinsparungen in Verbindung mit Verbundstoffen sowie Kosteneinsparungen in Verbindung mit dem kleineren und weniger komplizierten Metallflansch 84. Als eine Alternative enthält die in 5 dargestellte Ausführungsform des Halterungsrings 60 einen integrierten Verbundstofffalz 86, der durch ein viertes Laminat 88 für den Zweck der Erubrigung des metallischen Zwischenflansches 84 von 4 ausgebildet wird.
7 ist eine detaillierte Ansicht, die den vorderen Plattformhalterungsring 28 von 6 ersetzt durch eine vordere Plattformhalterungsringanordnung 58 mit einem Verbundstoffring 90 und einem Metallflansch 92 darstellt. 8 ist eine isometrische Ansicht der Ringanordnung 58 und 9 ist eine isolierte Querschnittsansicht des Verbundrings 90. Ahnlich dem hinteren Verbundstoffhalterungsring 60 der 2 bis 5 ist der Verbundstoffring 90 aus wenigstens einem PMC-Laminat 93 aufgebaut. Somit trifft die Diskussion bezuglich der Materialien und Herstellung des hinteren Halterungsrings 60 auf den Verbundstoffring 90 zu und wird hier nicht wiederholt.
Ähnliche zu dem vorderen Halterungsring 28 von 6 hat die vordere Halterungsringanordnung 58 von 7 ein im Wesentlichen U-förmiges Querschnittsprofil mit einem radial äußeren Schenkel 94, der ein integriertes Deckband ausbildet, dessen Außenoberfläche eine Grenzflache des inneren Stromungspfades fur Luft bildet, die sich durch den Bläserabschnitt 10 bewegt. Im Gegensatz zu dem Halterungsring 30 der 2 bis 5 endet der Außenschenkel 94 mit einem Vorsprung oder einer Nase 96, die eine Anlageflache 95 zur Halterung der Bläserplattform 16 definiert. Ein radial innerer Schenkel 98 der Ringanordnung 58 definiert einen Flansch 100, mittels welchem die Ringanordnung 58 an der Rotorscheibe 14 befestigt (verschraubt) wird. Der Spinner 26 ist durch die Ringanordnung 58 gelagert als Folge der Befestigung mit Schrauben 107 an einem Mittenabschnitt 106 der Ringanordnung 58 zwischen den Schenkeln 94 und 98 dargestellt. Wie es aus den 7 und 8 ersichtlich ist, definiert der Verbundstoffring 90 den außeren Schenkel 94 der Ringanordnung 58, der Metallflansch 92 definiert den inneren Schenkel 98 der Ringanordnung 58 und die Flanschabschnitte 102 und 104 des Rings 90 und des Flansches 92 uberlappen einander, um den Mittenabschnitt 106 der Ringanordnung 58 zu definieren. Somit ist das integrierte Deckband, das die Grenzflache des inneren Stromungspfades für Luft, die sich durch den Blaserabschnitt 10 bewegt, durch den Verbundstoffring 90 definiert, und insbesondere der äußere Schenkel 94 durch den Verbundstoffring 90 definiert, und der Vorsprung 96, der die Anlageflache 95 definiert, ist durch den Verbundstoffring 90 definiert, und insbesondere das distale Ende des äußeren Schenkels 94 ist durch den Verbundstoffring 90 definiert. Obwohl als getrennt hergestellt dargestellt, ist vorhersehbar, dass der Verbundstoffring 90 als ein integrierter Abschnitt des Spinners 26 hergestellt werden könnte, um die Konstruktion weiter zu vereinfachen und das Gewicht zu reduzieren.
9 ist eine Querschnittsansicht des Verbundstoffrings 90, die die Platzierung von zwei Einlagen 108 und 110 in dem Vorsprung 96 an dem distalen Ende des äußeren Schenkels 94 darstellt. Beide Einlagen 108 und 110 werden bevorzugt aus Vorformen hergestellt, die getrennt von den Laminatvorformen sind, die zum integrierten Ausbilden des außeren Schenkels 94 und des Flanschabschnittes 102 des Verbundstoffringes 90 verwendet werden. Ahnlich wie bei der Einlage 78 des hinteren Verteilerrings 60 der 2 bis 5 besteht der Zweck der Einlage 108 in der Aufnahme sowohl von Umfangs- als auch Radiallasten wahrend der Rotation des Bläserabschnittes 10. Aus diesem Grunde und ahnlich zu der Einlage 78 von 3 ist die Einlage 108 bevorzugt aus einer getrennten Vorform oder einem Faserverstarkungsmaterial enthaltenden Band oder aus reifenformig gewickelten Uniaxialfasern aufgebaut, und die Fasern in der Einlage 108 sind zusammenhangend und uberwiegend in der Umfangsrichtung des Verbundstoffringes 90 ausgerichtet. Die restliche Einlage 110 ist radial außerhalb von der Einlage 108 angeordnet und soll ein in der Ansicht von 8 sichtbare gebogte Außenkontur erzeugen. Die Einlage 110 kann nur eine Einlage sein, deren Dicke in der Umfangsrichtung des Verbundstoffrings 90 variiert, oder kann eine von mehreren Einlagen sein, die selektiv entlang dem Umfang des Verbundstoffrings 90 angeordnet sind, um die gebogte Außenkontur zu erzeugen.
Schließlich prasentieren die 10 und 11 Techniken, mittels welchen der hintere Halterungsring 60 der 2 bis 5 bzw. der Verbundstoffring 90 der 6 bis 9 paarweise hergestellt werden konnen. Mit geeignetem Werkzeugaufbau konnen Vorformen für mehrere Ringe 60 und 90 aufgelegt und miteinander hergestellt werden, was die Auflegeprozedur vereinfacht und den Ausstoß des Herstellungsprozesses (z. B. RTM) verdoppelt. Anschließend an die Härtung konnen die Ringpaare 60 und 90 an Stellen getrennt werden, welche durch Linien 112 und 114 in den 10 bzw. 11 dargestellt sind.
Obwohl die Erfindung hinsichtlich spezifischer Ausfuhrungsformen beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass weitere Formen durch den Fachmann festgestellt werden konnten. Daher soll der Schutzumfang der Erfindung nur durch die nachstehenden Anspruche begrenzt sein.
Es werden tragende Verbundstoff-Rotationsringe 60, 90, die zur Verwendung in Bläserabschnitten 10 von Gasturbinentriebwerken geeignet sind, und Verfahren fur deren Herstellung bereitgestellt. Ein derartiger Ring 60, 90 hat wenigstens einen ersten Abschnitt 74, 96, der eine zur Anlage und Halterung von Teilen 16 einer Rotationsmaschine 10 angepasste integrierte Anlageflache 75, 95 definiert, wenigstens einen zweiten Abschnitt 86, 102, der einen zur Befestigung an einer tragenden Struktur 14, 22 der Rotationsmaschine 10 angepassten integrierten Flansch 70, 102 definiert, und eine Einlage 78, 108. Jeder von den ersten und zweiten Abschnitten 74, 96; 68, 102 und der Einsatz 78, 108 des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings enthalten ein Polymermatrixmaterial und ein Faserverstarkungsmaterial, und das Faserverstarkungsmaterial in der Einlage ist überwiegend in einer Umfangsrichtung des Rings 60, 90 ausgerichtet, um sowohl Umfangs- als auch Radiallasten wahrend der Rotation des Rings aufzunehmen.
Bezugszeichenliste

10, 110: Bläserabschnitt
12, 112: Blaserlaufschaufel
14, 114: Scheibe
16, 116: Plattform
18, 118: Leitschaufel
20, 120: Laufschaufel
22, 122: Laufer
24, 124: Schrauben
26, 126: Spinner
28, 128: Ringe
30, 130: Ringe
32, 132: Vorsprung
34, 134: Vorsprung
36, 136: Ende
38, 138: hinteres Ende
40, 140: Schenkel
42, 142: Schenkel
44, 144: Flansch
46, 146: Mittenabschnitt
48, 148: außer Schenkel
50, 150: innerer Schenkel
52, 152: Flansch
54, 154: Haken
56, 156: Plattform
58, 158: Anordnung
60, 160: Ring
62, 162: Laminate
64, 164: Laminate
66, 166: außer Schenkel
68, 168: innerer Schenkel
70, 170: Flansch
72, 172: Haken
74, 174: Vorsprung
75, 175: Oberflache
76, 176: Hohlraum
78, 178: Einlage
80, 180: Strumpf
81a, 181: Faserstränge
81b, 181: Faserstrange
82, 182: Vorform
84, 184: Flansch
86, 186: Falz
88, 188: Laminat
90, 190: Ring
92, 192: Flansch
93, 193: Laminat
94, 194: Schenkel
95, 195: Oberflache
96, 196: Vorsprung
98, 198: innerer Vorsprung
100, 1100: Flansch
102, 1102: Abschnitte
104, 1104: Abschnitte
106, 1106: Mittenabschnitt
107, 1107: Schrauben
108, 1108: Einlagen
110, 1109: Einlagen
112, 1112: Einlagen
114, 1114: Einlagen

Claims

Verfahren zum Herstellen eines tragenden Verbundstoff-Rotationsrings (60, 90) für eine Rotationsmaschine (10), wobei die Herstellungsschritte umfassen: Ausbilden mehrerer Vorformen, wobei wenigstens eine erste Vorform von den mehreren Vorformen einen ein Polymermatrixmaterial und Faserverstarkungsmaterial enthaltenden Laminataufbau hat, und wenigstens eine zweite Vorform (82) von den mehreren Vorformen ein Polymermatrixmaterial und ein Faserverstarkungsmaterial enthält, das überwiegend in einer Umfangsrichtung des tragenden Verbundstoff-Rotationsringes (60, 90) ausgerichtet ist, um wahrend der Rotation des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings (60, 90) sowohl Umfangs- als auch Radiallasten aufzunehmen; und dann Harten der Polymermatrixmaterialien der ersten und zweiten Vorformen, um die mehreren Vorformen miteinander zu verbinden und den tragenden Verbundstoff-Rotationsring (60, 90) zu erzeugen, wobei wenigstens ein erster Abschnitt (74, 96) des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings (60, 90) eine integrierte Anlageflache (75, 95) definiert, die zur Anlage an und zur Halterung von Teilen (16) der Rotationsmaschine (10) angepasst ist, und wenigstens ein zweiter Abschnitt (68, 102) des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings (60, 90) einen integrierten Flansch (70, 102) definiert, der zur Befestigung des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings (60, 90) an einer tragenden Struktur (14, 22) der Rotationsmaschine (10) angepasst ist, und die zweite Vorform (82) eine Einlage (78, 108) in dem tragenden Verbundstoff-Rotationsring (60, 90) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Vorformen so ausgebildet sind, dass sie eine dritte Vorform mit einem ein Polymermatrixmaterial und ein Faserverstarkungsmaterial enthaltenden Laminataufbau beinhalten, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Zusammenlaminierens der ersten und dritten Vorformen aufweist, um einen Hohlraum (76) dazwischen zu definieren, wobei sich die zweite Vorform (82) in dem Hohlraum (76) befindet und die Einlage (78) in dem Hohlraum (76) als ein Ergebnis des Hartungsschrittes ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 2, dass die zweite Vorform (82) durch Erzeugen eines schlauchartig geformten Gewebes (80) und dann durch diametrales Abflachen des schlauchartigen Gewebes (80) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das schlauchartig geformte Gewebe (80) Faserstränge (81a, 81b) mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, wobei die Faserstrange (81a) mit kleinerem Durchmesser sich in einem ersten Bereich des schlauchartigen Gewebes (80) befinden, und sich die Faserstränge (81b) mit großeren Durchmessern in einem zweiten Bereich des schlauchartig geformten Gewebes (80) diametral gegenüber dem ersten Bereich befinden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorform (82) einen keilförmigen Querschnitt hat, sodass sie ein schmäleres axiales Ende und ein breiteres axiales Ende besitzt, und die ersten und zweiten Bereiche des schlauchartig geformten Gewebes (80) die schmaleren bzw. breiteren axialen Enden der zweiten Vorform (82) als Folge der diametralen Abflachung des schlauchartig geformten Gewebes (80) ausbilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der tragende Verbundstoff-Rotationsring (60) wenigstens einen dritten Abschnitt (66) aufweist, der ein integriertes Deckband und eine Begrenzungsoberflache eines inneren Strömungspfades der Rotationsmaschine (10) definiert, und wobei der erste Abschnitt (74) des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings (60), der eine integrierte Anlageflache (75) definiert, ein Vorsprung (74) zwischen den zweiten und dritten Abschnitten (68, 66) des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings (60) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der tragende Verbundstoff-Rotationsring (90) wenigstens einen dritten Abschnitt (94) aufweist, der ein integriertes Deckband und eine Begrenzungsoberfläche eines inneren Strömungspfades der Rotationsmaschine (10) definiert, und der erste Abschnitt (96) des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings (90), der die integrierte Anlageflache (95) definiert, sich an einem distalen Ende des integrierten Deckbandes befindet.
Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die durch die zweite Vorform gebildete Einlage (78, 108) in dem ersten Abschnitt (74, 96) des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings (60, 90) befindet, der die integrierte Anlageflache (75, 95) definiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit dem Schritt des Einbaus des tragenden Verbundstoff-Rotationsrings (60) in einem Blaserabschnitt (10) einer Gasturbinentriebwerks so, dass die integrierte Anlagefläche (75, 95) an einer Blaserplattform (16) des Blaserabschnittes (10) anliegt und diesen halt, und der integrierte Flansch (70, 102) den tragenden Verbundstoff-Rotationsring (60, 90) an der Lagerungsstruktur (14, 22) des Bläserabschnittes (10) befestigt.
Tragender Verbundstoff-Rotationsring (60, 90) fur eine Rotationsmaschine (10), der mittels des Verfahrens von einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.