DE19544803A1 - Verbundbauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundbauteil, bei dem an einem Kern ein äuße­ rer Mantel angeordnet ist, der durch Fasern verstärkt ist, die in eine Kunstharzmatrix fest eingebunden sind.

Faser-Verbund-Bauteile zeichnen sich im allgemeinen aus durch hohe mechanische Festigkeit, niedriges Eigengewicht, vergleichsweise brauchbare Elastizität und gutes Schwing- und Ermüdungsverhalten.

Zum Beispiel beim Einsatz dieser Verbundbauteile als Gebläse- oder Verdichterschaufeln bei Turbotriebwerken besteht die Gefahr des Sprödbruch-Versagens im Hinblick auf ex­ treme Schlagbeanspruchung; letzteres verursacht durch Vogelschlag oder anderweiti­ gen Fremdkörperaufprall. Dies ist darin begründet, daß selbst hochzähe und zerreiß­ feste Faserwerkstoffe bei fester Einbindung in eine Kunstharzmatrix einen erhebli­ chen Teil ihrer ursprünglichen Belastbarkeit einbüßen. Dies gilt auch für Verbund­ bauteile, die einen die Hauptlast tragenden Kern einschließen, bei dem die Fasern in eine Kunstharzmatrix fest eingebunden sind.

Die schon bei einer Gebläseschaufel vorgeschlagene Verwendung eines metallischen Kernes hat u. a. den Nachteil eines hohen Gewichts und eines komplizierten Gesamt­ aufbaus; der metallische Kern soll hinsichtlich extremer Schlagbeanspruchung örtlich elastisch deformierbar ausgespart sein und er soll Luft- und Fliehkräfte bei einer Ge­ bläselaufschaufel aufnehmen. Wenn also die Vorteile von durch Fasern verstärkten Verbundwerkstoffen genutzt werden sollen, so läßt sich grundsätzlich die Bruchge­ fahr im Hinblick auf extreme Aufprallkräfte praktisch nicht verhindern. Erschwerend kommt hinzu, daß es sich z. B. beim Fremdkörper- oder Vogelaufprall auf Schaufeln von Strahltriebwerken um hinsichtlich der Auftreffrichtung und der Energieinhalte weitestgehend unberechenbare Faktoren handelt; also Faktoren, die abseits der nor­ malen betriebsbedingten Lastbeanspruchung und Bauteilauslegung angesiedelt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbundbauteil eingangs genannter Gattung anzugeben, das bei vergleichsweise einfacher und gewichtlich leichter Bau­ weise funktionsnormalen Kraftbeanspruchungen gewachsen ist und das den aus einer außergewöhnlichen extremen Belastung (Fremdkörperaufprall) resultierenden Man­ telbruch unter substantieller Aufrechterhaltung der Bauteilstruktur, ohne Folgeschä­ den, beherrschbar macht.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patent­ anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Gemäß der Erfindung wird das Verbundbauteil praktisch aus zwei Zonen aufgebaut:

• - Die äußere tragende Zone wird vom Mantel bereitgestellt, der die normalen Betriebslasten aufnimmt; dabei weist der Mantel die in eine Kunstharz-Matrix fest eingebundenen Fasern auf, die im Hinblick auf die zu beherrschenden Kraftbeanspruchungen angeordnet sind;
• - die andere Zone wird vom inneren Kern aus trockenen bzw. matrixlosen Fa­ sern bereitgestellt, wobei der Kern von den normalen Betriebslasten befreit ist, jedoch bei Überlastung mit Bruch des äußeren Mantels nicht zerreißt und so ein vollständiges Lösen von Bruchstücken verhindert.

Die trockenen, also matrixlosen Fasern des Kerns - in Auswahl nach Anspruch 12 - z. B. als hochzähe aromatische Polyamid-Harzfasern und/oder Glasfasern, gewähr­ leisten die benötigte Reißfestigkeit im Hinblick auf die außergewöhnlich extremen Belastungen, also Schlagbeanspruchungen.

Gemäß Anspruch 1 und 2 lassen sich die Fasern bzw. der Kern mit den Fasern zwi­ schen zwei in Bauteilhauptrichtung mit Abstand einander gegenüberliegenden End­ teilen reißfest verankern. Als Folge der Relativbeweglichkeit der Kernfasern zum äußeren Mantel (Anspruch 1) kann eine von den wesentlichen Mantelstrukturen ört­ lich gelöste Aufprall-Energieaufnahme bei angebrochenem oder zerbrochenem äuße­ ren Mantel erfolgen.

Durch gegenseitige Relativbeweglichkeit der Fasern oder Faserstränge des Kerns (Anspruch 5) kann ein noch individuellerer Energieabbau erfolgen.

Eine besonders hohe Reißfestigkeit des Kerns wird dadurch erreicht, daß die Fasern zu Strängen miteinander verflochten oder verwoben sind (Anspruch 4).

Eine unkomplizierte Bauweise, z. B. als Gebläse- oder Verdichterschaufel (Anspruch 13), ergibt sich u. a. gemäß Anspruch 3 dadurch, daß zumindest ein Endteil zur festen oder drehbeweglichen Verankerung an einem Gehäuse oder Rotor ausgebildet sein kann.

Der Hohlraum, in dem sich die Fasern bzw. mindestens ein Strang des Kerns - zwi­ schen beiden Endteilen - erstrecken können (Anspruch 6), beansprucht ein relativ kleines Einbauvolumen mit z. B. quadratischem oder rechteckigem oder elliptischem Querschnitt. Es kann sich der Hohlraum längs der Schaufelskelettlinie erstrecken; z. B. in länglich schmaler Bauweise, etwa auf die Dicken der Fasern bzw. Fasersträn­ ge abgestimmt, die längs der Skelettlinie mit Abstand aufeinander folgen.

Gemäß Anspruch 7 kann eine bauteilintegrale und kostengünstige Fertigung der End­ teile und des Mantels zugleich eine umgebungsdichte Versiegelung der betreffenden Faserenden des Kerns einschließen. Die Endteile können aus ring- oder siebartig vorgefertigten Trägern bestehen, die in der Bauteilhauptrichtung mit Abstand gehal­ ten werden; nach erfolgter reißfester Endbefestigung der Fasern des Kerns an den Trägern, könnten letztere zusammen mit der Herstellung des Mantels in die jeweils gemeinsam verwendete Kunstharzmatrix eingebunden werden.

Es kann eine duro- oder thermoplastische Kunstharzmatrix für diese gemeinsame bzw. eine eigenständige Mantelfertigung (Anspruch 11) verwendet werden. Es kann als Matrixwerkstoff ein Epoxidharz oder ein Polyimidharz verwendet werden.

Die bei der Fertigung verwendeten, z. B. metallischen Träger für die Endteile am Mantel des Verbundbauteils können auch tragende, entsprechend vorverformte Grundstrukturen zur Bauteilhalterung (drehbeweglich, fest - Anspruch 3) einschlie­ ßen, die in ein für die bzw. bei der Mantelherstellung verwendetes Faserlaminat ein­ gebunden werden, das den Kern, insbesondere dessen Fasern- oder Faserstränge, mit geringem Abstand umgibt; letzteres im Sinne der relativ-beweglichen Anordnung der Fasern zum Mantel über den Hohlraum im Blattlaminat bzw. im Mantel.

Geht man beispielsweise im erfindungsgemäßen Sinne davon aus, daß der hochzähe Kern aus trockenen Fasern bereits während der Harzhärtung der Mantelmatrix im Bauteil enthalten bzw. zwischen beiden Endteilen angeordnet ist, so wäre gemäß An­ spruch 9 durch "Trennmittel" dafür zu sorgen, daß ein Eindringen der Harzmatrix in den trockenen Faserkern verhindert wird. Es kann sich dabei um eine auf den trocke­ nen Faserkern aufgebrachte Zwischenschicht handeln; diese kann durch einen Sili­ kongummi oder eine Teflonschicht dargestellt werden. Teflon kann in Alkohol oder als Emulsion in Wasser gelöst werden; die Trägerflüssigkeit kann vor dem Laminie­ ren abdampfen. Bei Teflon handelt es sich um ein Fluorkohlenstoffharz, insbesondere PTFE (Polytetrafluoräthylen) oder FEP (fluoriertes Äthylenpropylen).

Als Trennmittel kann auch ein PU-Schaum (Polyurethan) verwendet werden, mit dem der trockene Faserkern umschäumt wird, bevor das Mantellaminat auf den ausgehär­ teten PU-Schaum am Kern aufgetragen wird.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung durch Ausführungsbeispiele erläutert; es zeigen:

Fig. 1 das Verbundbauteil als verstellbare Gebläseleitschaufel in einer seit­ lichen Ansicht und blattseitig örtlich bzw. mittig längs aufgeschnitten dargestellt und unter Zuordnung einer schematischen Drehlagerung an zwei radial beabstandeten Gehäuseabschnitten eines Gebläsekanals,

Fig. 2 einen Profilschnitt gemäß A-A der Fig. 1 unter Verdeutlichung der Kernausbildung und Anordnung in einem Hohlraum der Schaufel,

Fig. 3 einen Profilquerschnitt in gegenüber Fig. 2 abgewandelter Form, Stel­ lung und Ausbildung des Faserkerns,

Fig. 4 einen Faserstrang-Abschnitt, bei dem einzelne Fasern zu einem Strang untereinander verflochten oder verdrillt sind und

Fig. 5 einen zweiteilig gebrochenen Mantel- bzw. Blattabschnitt unter Ver­ deutlichung der an der Bruchstelle durchscheinenden Faserstränge, die gemaß Fig. 4 ausgebildet sind und den Mantel zusammenhalten.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen die erfindungsgemäße Ausbildung des Verbund­ bauteils als verstellbare Leitschaufel eines Gebläses, z. B. eines Frongebläses eines Turbinenstrahltriebwerks. Mittels Drehzapfen D bzw. D′ ist die Leitschaufel um eine radiale Drehachse L schwenkbar an triebwerkskoaxialen, radial beabstandeten Ge­ häusen 8 bzw. 8′ gelagert. Die Gehäuse 8 bzw. 8′ schließen einen Ringkanal ein, in den das Gebläse Luft fördert, die zur hauptsächlichen Vortriebsschuberzeugung ver­ wendet wird.

Die Leitschaufel weist einen sich in Richtung der Drehachse L erstreckenden Kern 1 und einen äußeren Schaufelmantel 2 auf, der durch Fasern 3, 3′ verstärkt ist, die in eine Kunstharzmatrix 4 fest eingebunden sind. Der Schaufelmantel 2 ist zusammen mit den Fasern 3, 3′ zur Aufnahme der Grundlasten ausgebildet. Der Kern 1 besteht ausschließlich aus trockenen Fasern 5, die relativ zum Mantel beweglich angeordnet und jeweils endseitig an Stellen P mit diesem so verbunden sind, daß sie im Falle eines Mantelbruches die Leitschaufel auflösungsfrei zusammenhalten. Im Hinblick auf die Grundlastaufnahme sind z. B. Kombinationen von Faseranordnungen in Über­ kreuzlage (Fasern 3) und längs der Blatthöhe (Fasern 3′) möglich. Der Kern 1 mit den trockenen Fasern 5 ist an zwei in einer Bauteilhauptrichtung - hier längs der Dreh­ achse L - mit Abstand angeordneten Endteilen 6, 7 reißfest verankert, die jeweils in einem Endbereich der Leitschaufel mit dem Schaufelmantel 2 fest verbunden sind. Beide Endteile 6 bzw. 7 der Leitschaufel sind mit den Drehzapfen D, D′ zur drehbe­ weglichen Lagerung und Verankerung an den Gehäusen 8 bzw. 8′ ausgebildet.

Gemäß Fig. 4 können die Fasern 5 des Kerns 1 zu Strängen 9 miteinander verflochten oder verwoben sein. Es können die Fasern 5 oder die Faserstränge 9 (Fig. 3 und 5) des Kerns 1 relativ zueinander beweglich im Schaufelmantel 2 angeordnet sein.

Gemäß Fig. 2 sind die Fasern 5 in einem sich zwischen beiden Endteilen 6, 7 (Fig. 1) erstreckenden Hohlraum 10 des Schaufelmantels 2 angeordnet. Die Fasern 5 des Kerns 1 können als Bündel im Hohlraum 10 angeordnet sein.

Fig. 3 veranschaulicht die Anwendung der Faserstränge 9 aus Fig. 4. Die Faserstränge 9 sind hier in gleichmäßigen Abständen in einem etwa auf die Strangdicke abge­ stimmten, länglichen Hohlraum 10′ angeordnet, der sich im wesentlichen längs der Schaufelskelettlinie erstreckt, und zwar bis in die Nähe des jeweiligen an- oder ab­ strömseitigen Profilendes.

Beide Endteile 6, 7 (Fig. 1) können bauteilintegral gefertigte Bestandteile des Schau­ felmantels 2 sein; die betreffenden Kern- und Faserenden können von der Kunstharz­ matrix 4 des Schaufelmantels 2 umgebungsdicht versiegelt sein, insbesondere im Rahmen einer gemeinsamen laminatartigen Fertigung des Mantels 2 und der Endteile 6, 7.

Die Fasern 5 können mit den beiden Endteilen 6, 7 (Stellen P) reißfest verklebt, ver­ näht, verpreßt oder durch Formschluß, z. B. mechanisch, verbunden sein.

Fig. 5 verkörpert den durch Fremdkörperaufprall verursachten Bruch (Bruchzone B) des Mantels 2, wobei die zerbrochenen Mantelteile hier von den Fasersträngen 9 des Kerns 1 zusammengehalten werden.

Schematisch durch T in Fig. 2 gekennzeichnet, kann der Kern 1 mit den Fasern 5 oder Fasersträngen gegenüber der für die Herstellung des Mantels 2 verwendeten Kunst­ harzmatrix 4 (Fig. 1) über ein Trennmittel abgeschirmt oder chemisch reaktiv ge­ schützt sein. Bei der Herstellung soll so das Eindringen noch nicht ausgehärteter Kunstharzmatrix in die Fasern 5 des Kerns 1 verhindert werden.

Der Schaufelmantel 2 kann auch aus einer duro- oder thermoplastischen Kunstharz­ matrix 4 für die Fasern 3, 3′ (Fig. 1) gefertigt werden.

Ferner können für den Mantel 2 und für den Kern 1 C- oder Glas- oder Bor- oder aromatische Polyamidharz-Fasern oder Kombinationen zumindest von zwei der ge­ nannten Faserarten verwendet werden.

Das erfindungsgemaße Verbundbauteil kann auch als Gebläselaufschaufel oder als Leit- oder Laufschaufel eines Verdichters eines Turbo-, insbesondere Gasturbinen­ strahltriebwerks, ausgebildet werden. Außerdem bestehen u. a. Anwendungs- und Ausbildungsmöglichkeiten der Erfindung als Gehäusebauteile oder Gehäusestreben von Turbotriebwerken oder als Dichtringe, z. B. Kolbenringe.

Claims (13)

1. Verbundbauteil, bei dem an einem Kern (1) ein äußerer Mantel (2) angeordnet ist, der durch Fasern (3, 3′) verstärkt ist, die in eine Kunstharzmatrix (4) fest eingebunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) mit den Fasern (3, 3′) zur Aufnahme der Grundlasten des Verbundbauteils ausgebildet ist und daß der Kern (1) ausschießlich aus trockenen Fasern (5) besteht, die relativ zum Mantel (2) beweglich angeordnet und mit diesem so verbunden sind, daß sie im Falle eines Mantelbruches das Verbundbauteil auflösungsfrei zusam­ menhalten.

2. Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) mit den Fasern (5) an zwei in einer Bauteilhauptrichtung mit Abstand ange­ ordneten Endteilen (6, 7) reißfest verankert ist, die jeweils in einem Endbe­ reich des Verbundbauteils mit dem Mantel (2) fest verbunden sind.

3. Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumin­ dest ein Endteil (6 bzw. 7) des Verbundbauteils zur festen oder drehbewegli­ chen Verankerung an einem Gehäuse (8 bzw. 8′) oder Rotor ausgebildet ist.

4. Verbundbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (5) des Kerns (1) zu Strängen (9) miteinander verflochten oder verwoben sind.

5. Verbundbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (5) oder die Faserstränge (9) des Kerns (1) relativ zueinander beweglich im Mantel (2) angeordnet sind.

6. Verbundbauteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (5) oder zumindest ein Faserstrang (9) in einem sich zwischen beiden Endteilen (6, 7) erstreckenden Hohlraum (10) des Mantels (2) angeordnet sind.

7. Verbundbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Endteile (6, 7) bauteilintegral gefertigte Bestand­ teile des Mantels (2) sind, wobei die betreffenden Kern- und Faserenden von der Kunstharzmatrix (4) des Mantels (2) umgebungsdicht versiegelt sind.

8. Verbundbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (5) mit den beiden Endteilen (6, 7) des Verbundbauteils reißfest verklebt, vernäht, verpreßt oder durch Formschluß, z. B. mechanisch, reißfest verbunden sind.

9. Verbundbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) bzw. dessen Fasern (5) oder Faserstränge (9) gegenüber der für die Herstellung des Mantels (2) verwendeten Kunstharzma­ trix (4) über ein Trennmittel abgeschirmt oder chemisch reaktiv geschützt sind.

10. Verbundbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) aus einem den Kern (1) umgebenden Fa­ serlaminat gefertigt ist.

11. Verbundbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) aus einer duro- oder thermoplastischen Kunstharzmatrix (4) für die Fasern (3, 3′) gefertigt ist.

12. Verbundbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für den Mantel (2) und für den Kern (1) C- oder Glas- oder Bor- oder aromatische Polyamidharz-Fasern oder Kombinationen zu­ mindest von zwei der genannten Faserarten verwendet werden.

13. Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Leit- oder Laufschaufel eines Verdichters oder eines Gebläses eines Turbo-, ins­ besondere Gasturbinenstrahltriebwerkes ausbildet.