DE2261024A1 - Faserverstaerkter aufbau, insbesondere in gestalt einer triebwerks-kompressoroder -geblaeseschaufel - Google Patents

Faserverstaerkter aufbau, insbesondere in gestalt einer triebwerks-kompressoroder -geblaeseschaufel

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Description

Patentanwälte 8 München 2, 13. Dezember 1972
DIPL-ING. CURT WALLACH kaufingerstrasse β
DIPL.-ΙΝΘ. GÜNTHER KOCH 2261 02 A telefon 240275 DR. TINO HAIBACH
UNSER ZEICHEN: JL^ 0^9 - K/'vM
Rolls-Royce (lyyi) -Limited, London, England.
Faserverstärkter Aui'Dau, insbesondere in Gestalt einer Triebwerks-Kompressor- oder -gebläseschaufel
Die Erfindung bezieht sieh auf einen faserverstärkten Aufbau und befaßt sich inic dein Problem der Vergrößerung des Widerstandes
von aus faserverstärkten Schichten bestehenden zusammengesetzten Aufbauten gegenüber einer Lösung dieser Schichten.
Faserverstärkte Bauteile in Gestalt von. stromlinienförmig gestalteten Schaufeln sind bereits für die Gebläse von Mantelstromgasturbinentriebwerken vorgeschlagen worden, weil sie ein besonders günstiges Festigkeits/Gewichts-Verhältnis besitzen. Es hat sich gezeigt, daß diese Schaufeln, d.h. Schaufeln, die aus mehreren Lagen faserverstärkten Kunststoffmaterials zusammengesetzt sind, die Neigung haben, unter Stoßbeanspruchung, beispielsweise beim Auftreffen eines Vogels, an ihren Schichtgrenzen aufzuspringen. Dieser Fehler tritt auf, weil normalerweise zwei dimensioneil verstärkte Körper einen relativ geringen Widerstand gegenüber Schlug aufweisen, da Risse verursacht werden können, die sich rasch durch die schwachen Kunstharzmatrixebenen fortsetzen und die Faserschichtungen trennen. Dieser Fehler tritt bei niedrigen Energiepegein auf, ohne die Fasern aufzubrechen und daher besitzt der Gesamtaufbau keine Bruchfestigkeit.
BAD
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Der Erfindung liegt die Aufgaoe zugrunde, Vorkehrungen zu treffen, durch die der Widerstand dec; faserverstärkten geschichteten Gesamtaufbau?; gegenüber einer Lösung der Schichten verbessert v/ird.
Gemäß der Erfindung weist der faserverstärkte Aufbau wenigstens zwei Schichten faserverstärkten Materials auf, die miteinander verbunden und durch mehrere Befestigungsmittel zusammenschalten werden, die sich quer zu den Fasern der faserverstärkten Schichten erstrecken und wenigstens teilweise durch die faserverstärkten. Schichten hindurchfähren.
Die Befestigungsmittel Können aus Stichen oder Heftungen von Glas-, Kohlenstoff- oder Borfasern bestehen, die mittels eines Pfriemen? eingebracht werden oder sie können aus Metallstiften bestehen, die mittels Druckluft eingeschossen werden. Stattdessen könnten die Befestigungsmittel auch aus Metallklammern bestehen, die durch eine Heftmaschine eingebracht sind.
Die Metallstifte oder Klammern können geätzt oder mit Kerben versehen werden, um die Ooerfläche zu vergrößern und dadurch die Adhäsionseigenschaften zu verbessern.
Die Erfindung kann insbesondere Anwendung finden zur Hersteilung der Gebläseschaufeln des Gebläses eines Mantelstromgasturbinenstrahltriebwerks.
Falls Metallstifte oder Heftklammern benutzt werden, können die zum Einschlagen vorgesehenen Maschinen so programmiert werden, daß sie längs eines Pfades konstanter Schaufeldicke verlaufen und Stifte oder Heftklammern konstanter Länge empfangen oder sie können so programmiert werden, daß sie geradlinig über die vorgeforrnte Schaufel wandern und mit Stiften oder Heftklammern sich ändernder Dicke gemäß der örtlichen Dicke der Schaufel versorgt werden. Der-
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artige Maschinen können auch so gesteuert werden, daß Stifte oder Heftklammern, falls erforderlich, mit variabler Konzentration eingefügt werden.
Die Länge der Stifte oder Klammern ist so gewählt, daß nach dem Formen der Schaufel-die Stifte oder Klammern rechtwinkelig durch alle Schichten verlaufen, jedoch nicht über irgendeine der Oberflächen der Schaufel vorstehen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht, wodurch das Verfahren zur Prüfung eines gemäß der Erfindung hergestellten Schichtenkörpers veranschaulicht wird,
Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsteispiele von Heftklammern, die als Befestigungsmittel geeignet sind,
Fig. 4, 5 und 6 drei Ausführungsformen von Stiften/die als Befestigungsmittel geeignet sind,
Fig. 7 und 8 jeweils einen Teil eines Gegenstandes, bestehend aus einem Schichtenkörper mit unterschiedlich angeordneten Befestigungsmitteln,
Fig. 9 einen Teil eines Schichtenkörpers mit Befestigungsmitteln, die in Zeilen in einem spitzen Winkel gegenüber den Fasern des Verstärkungsmaterials angeordnet sind,
Fig.10 einen Schnitt nach der Linie 10-10 gemäß Fig.9.
Die Energieabsorption eines faserverstärkten Schichtenkörpers wird gemessen durch eine Spalttechnik mit Doppelausleger, bei welchem ein Riß zwischen den Schichten unter Belastungsbedingungen gemäß Fig.l weitergeführt wird.
Die Energie kann dann aus der augenblicklichen Länge L des Spaltes, der Spaltkraft F und der Spaltversetzung cf gemessen und als ( Y ) wirksame Oberflächenenergie oder Energie ausgedrückt werden, die pro Flächeneinheit einer neuen Oberfläche, die
BAD ORSQSNAL, 309826/1064
durch einen langsam fortschreitenden Riß erzeugt ist.
uferte von (Y) für ein herkömmliches kohlens tof faser verstärktes Kunstharz, welches verschiedene Zahlen von Kohlenstoffaserstichen
besitzt, ergeben sich wie folgt: . . ·
Anzahl der Stiche Stiehe,Gewicht Effektive Obeflächenenergie Y pro Quadratzoll g/Zoll Erg era
O O 2 χ 10*
8 0.02 7 χ 1θ5
8 0.035 10 X ΙΟ5»
8 0.078 18 X 10*
Eine weitere verbesserung wird erhalten, wenn die "Stiche" so angeordnet sind, daß sie während der Lösung der Schichten herausgebrochen werden, statt zu brechen. Auf diese Weise wirken !mehrere Stiche gleichzeitig und überbrücken den fortschreitenden Spalt hinter der Spaltspitze und daher wird durch die Oberflächen der in Reibeingriff stehenden Teile eine sehr große Energie vernichtet.
Ein Beispiel einer solchen Verbesserung ergibt sich aus folgender Tabelle.;
Ein Bauteil aus kohlenstoffaserverstärktem
Epoxydharz (hellstrahlende Drahtstiche) 2 χ 0,012" Durchmesser
-2
Zahl von Stichen Art des Fehlers γ Erg.cm pro Quadratzoll
8 Stiche gerissen 1.2 χ 10
8 Stiche herausgezogen 2.3 χ 10
Ein weiteres Verfahren zur Erlangung dieser Wirkung besteht darin, einfach die Schichten mit herkömmlichen Metallklammern genügender Festigkeit und Bruchs!cherheit zu heften, bevor eine
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BAD ORIGINAL
Ausformung erfolgt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht im Vergleich zu einer Stichanordnung oder einer anderen Ausbildung zur Verstärkung in der dritten Richtung in folgendem:
a) einfach, schnell und billig,
b) die Heftklammern stellen ihre eigenen Löcher her, die eine minimale Größe besitzen und demgemäß werden weniger Verstärkungsfasern in den beiden Hauptebenen zerstört.
Beispiele:
Kohlenstoffaser-Epoxyd-Bauteil
Stahlheftklammern von einem Gewicht von 0,11 g/Zoll
Zahl von Heftklammern Art des Fehlers $ Erg cm"2 pro Quadratzoll
2 Heftklammern wurden 2.3 χ 10°
herausgezogen
K " 3.0 χ ίο6
8 " 7-4 χ iO6
Es wird wiederum mehr Energie mit sich vergrößernder Dichte der Heftklammern absorbiert. Dies geschieht jedoch auf Kosten der Biegefestigkeit in den anderen Richtungen.
Eine annehmbare Dichte und Biegefestigkeit kann erlangt werden durch:
a) Vergrößerung der Oberfläche der Heftklammern, z.B. durch Ätzen,
b) Verbesserung der Verbindung zwischen Kunstharzmatrix und Heftklammer,
c) durch Anordnung von Kerben in den Heftklammern, um bei der Formgebung eine mechanische Schlüsselwirkung zu erzielen.
Der Mechanismus'der Energieabsorption muß nunmehr nicht nur die erhöhte Reibung beim Herausziehen infolge der größeren Oberfläche berücksichtigen, sondern auch mechanischen Formschluß aufweisen und stärkere Verbindungen.
309826/106A
Da weiterhin normale Heftklammern einen Überbrückungssteg besitzen, der nichts zur Befestigung beiträgt, aber unnötig das Gewicht erhöht und den Oberflächenaufbau der Verstärkungsfasern beim Ausgießen mit Kunstharz stört, läßt man den Überbrückungssteg weg und benutzt eine Heftung mit Metallstiften ähnlicher Abmessungen wie die Schenkel der Heftklammern. Diese Stifte können schnell in den nicht-ausgehärteten Pack von Schichten eingebracht werden, bevor die Ausformung erfolgt und zwar mit einer druckluftbetätigten Heftpistole.
Es hat sich gezeigt, daß bei mäßigen "Heftdichten" und bei Verwendung von Stiften mit Oberflächenbehandlung oder Kerbung Risse nicht mehr zwischen den Schichtenkörpern fortschreiten, sondern diffus verlaufen.
Das Kriterium der Bestimmung des Aufbaus derartiger Schichtenkörper bei dem benutzten Aufreißversuch basiert auf der maximalen Belastung, die erforderlich ist, um das Modell in irgendeiner Weise zu Bruch zu führen (üblicherweise Biegungsbruch).
Beispiele;
Kohlenstoffaser-Epoxydharzbauteil
Stahlheftklammern 0,029 " x 0,035" (Fig. 2 und 3) Stahlnadeln 0,050" χ 0,065" (Fig. 4 und 5) Kerben 0,010M tief χ ο,Ο^Ο" breit (Fig. 3 und 5).
Art der Verstärkung Durchdringungen pro Maximale BeIa-
Quadratzoll stung Kg
Heftklammern unbehandelt 8 46
Heftklammern geätzt und abgeschlichtet 8 60
Heftklammern unbehandelt 16 79
Heftklammern mit Kerben
versehen 16 96
Stifte unbehandelt 8 58
Stifte mit Kerben versehen 8 68
Stifte mit Kerben versehen 16 105
309826/1064 ο r; BAD ORIGINAL
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Fig.2 zeigt eine übliche Heftklammer 10 rechteckigen Querschnitts mit den Abmessungen 0,029" x 0,035". Fig.3 zeigt eine Heftklammer 12, die bei 14 eingekerbt ist, um bei dem Ausgießen einen meehanischeii Formschluß zu erhalten, wobei die Kerben an-der Außenseite der Schenkel der Heftklammer angeordnet sind!
In ähnlicher Weise zeigen Fig. 4 und 5 einen einfachen Stahlstift 16 rechteckigen Querschnitts (0,050" χ Q,O65") und einen mit Kerben versehenen Stift 18, der fünf Kerben 20 auf einer Seite und vier Kerben auf der anderen Seite besitzt, wobei diese Kerben auf der einen Seite jeweils gestaffelt zu den Kerben auf der anderen Seite des Stiftes angeordnet sind.
Fig.6 zeigt einen Stift 24 kreisförmigen Querschnitts, der aus einer handelsüblichen Nähnadel hergestellt ist, die unter dem Warenzeichen "DORCAS" vertrieben wird. Hierbei wurden die Köpfe der Mähnadeln entfernt und die stifte wurden auf die erforderliche Länge geschnitten und fünfzehn Minuten lang mit einer geringen Menge von SiliziumkarMdgrieß einer Korngröße 90 Mesh geschüttelt.
Die Fig.7 und 8 zeigen kleine Abschnitte von Gegenständen aus faserverstärktem Kunstharzmaterial und es sind "hier zwei Möglichkeiten der Befestigungsmittel veranschaulicht. In Fig.7 sind die Befestigungsmittel in Gestalt von Stiften 24 auf einem hexagonalen Gitter angeordnet, wobei ein Stift in der Mitte eines jeden Sechsecks liegt, während gemäß Fig.8 die Stifte in einem Quadratgitter angeordnet sind und jeweils ein Stift in. der Mitte jedes Quadrates liegt.
faser Fig.9 zeigt einen kleinen Abschnitt eines Gegenstandes aus/ver-. stärkten* Kunstharzmaterial, wobei die Fasern 26 im wesentlichen parallel zu den Rändln des Gegenstandes verlaufen. Die Stifte 24 sind auf Linien 28 angeordnet, die in einem spitzen Winkel e>£o gegenüber der Richtung der Fasern 26 verlaufen.
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Außerdem können die Stifte, wie aus Fig.10 ersichtlich, in einem Winkel^ von vorzugsweise bis zu 30° gegenüber der Vertikalen in ei· ner Vertikalebene angestellt sein, die die Stiftreihe enthält,wobei die Stifte jeder zweiten Reihe im Gegensinn geneigt sind.
Gemäß einer weiteren, nieht dargestellten Ausführungsform können die Schenkel der Heftklammern mit einem Gewinde versehen sein, um einen Formschluß zu gewährleisten.
Patentansprüche
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Claims (9)

- 9 Patentansprüche: ■
1. Aus faserverstärktem Kunstharzmaterial bestehender Bauteil, insbesondere Kompressorschaufel von Gasturbinenflugtriebwerken, mit wenigstens zwei Schichten aus faserverstärktem Verbundmaterial,
dadurch gekennzeichnet , daß die Schichten miteinander verbunden und durch eine Vielzahl von Befestigungsmitteln gesichert sind, die quer zu den Fasern der faserverstärkten Schichten verlaufen und wenigstens teilweise die faserverstärkten Schichten durchdringen.
2. Bauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Festlegungsmittel aus Stichen eines Materials bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Glas-, Kohlenstoff- und Borfasern umfaßt.
3. Bauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Festlegemittel aus Metallgegenständen bestehen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche im Querschnitt kreisförmige und rechteckige Stifte und im Querschnitt rechteckige Heftklammern umfaßt.
4. Bauteil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche der metallischen Verbindungsmittel aufgerauht ist.
5. Bauteil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß Kerben in die Oberfläche der Metallgegenstände eingebracht sind.
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6. Bauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzei chnet , daß die Befestigungsmittel auf einem Liniengitter angeordnet sind, dessen Zeilen in einem spitzen Winkel gegenüber der Faserrichtung der faserverstärkten Schichten angestellt sind.
7. Bauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindungsmittel in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind j wobei jeweils ein Befestigungsmittel in der Mitte jedes Sechseckes liegt.
8. Bauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzei chnet , daß die Befestigungsmittel auf einem Quadratgitter angeordnet sind, wobei jeweils ein Befestigungsmittel in der Mitte jedes Quadrates liegt.
9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er die Gebläseschaufel eines Gebläse-Gasturbinenstrahltriebwerks bildet.
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Leerseite
DE19722261024 1971-12-21 1972-12-13 Verdichterschaufel für Gasturbinenstrahltriebwerk Expired DE2261024C3 (de)

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GB5948871A GB1411379A (en) 1971-12-21 1971-12-21 Fibre reinforced composite structures
GB5948871 1971-12-21

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