DE2554418A1

DE2554418A1 - Vorrichtung zum befestigen und/oder abstuetzen eines bauteiles

Info

Publication number: DE2554418A1
Application number: DE19752554418
Authority: DE
Inventors: John Godfrey Morley
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1974-12-03
Filing date: 1975-12-03
Publication date: 1976-06-10
Also published as: JPS5185071A; GB1528356A; FR2293620A1; FR2293620B1; CA1057267A; US4065903A

Description

Vorrichtung
zum Befestigen und/oder Abstützen eines Bauteiles

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Befestigen und/ oder Abstützen insbesondere von Bauteilen, die aus spröden Werkstoffen mit etwas niedrigen Bruchspannungen oder aus Verbundwerkstoffen mit in einer Richtung oder im wesentlichen einer Richtung orientierten Verstärkungsfasern hergestellt sind. Obgleich derartige in einer Richtung orientierte Faserwerkstoffe so ausgelegt werden können, daß sie in der Richtung des Faserverlaufes sehr gute Zugfestigkeiten aufweisen, sind bei diesen Werkstoffen die Scherfestigkeiten in Längsrichtung in hohem Maße von den Eigenschaften der Grunämasse und von der Verbindung zwischen Fasern und G-rundmasse abhängig. Die Scherfestigkeiten können sehr gering sein. Bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen besteht somit eine grundsätzliche Schwierigkeit, obgleich sie, wenn die Verstärkung im wesentlichen in einer Richtung orientiert ist, größere Hebelkräfte übertragen können,, Geringe Scherfestigkeiten treten auch bei spröden Werkstoffen wie z.B. Beton und möglicherweise bei glasfaserverstärkten Zementen auf.

Ba die Befestigungen oder Abstützungen für jeden dieser Werkstoffe die Beaufschlagung mit Scherkräften zur Folge haben

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muß, gab es Schwierigkeiten, für die übertragung dieser Scherkräfte zu sorgen. Es war daher üblich,, die Beanspruchungen auf einen größeren Werkstoff bereich zu verteilen.,, um durch Vergrößern der Berührungsfläche zwischen dem Bauteil und der Befestigungs- oder Abstützvorrichtung die lokale Intensität herabzusetzen. Dies führt jedoch zu einer Zunahme des Volumens des Bauteils, ohne daß sich dies auf dessen eigentlichen Zweck vorteilhaft auswirken würde. Zudem kann eine solche Volumenvergrößerung aufgrund der erhöhten Gesamtmasse nicht nur zu höheren Kosten und zu einer Verstärkung der Beanspruchungen selbst führen, sondern in bestimmten Fällen aus der Notwendigkeit heraus, das betreffende zusätzliche Volumen unterzubringen, Schwierigkeiten in der konstruktiven Gestaltung hervorrufen.

So sind bestimmte Kunststoffe, insbesondere faserverstärkte Polymer-Materialien, besonders geeignet für die Ausbildung von, beispielsweise, großen Laufrad schaufeln von Axial Verdichtern für Luft- und Raumfahrzeugmotoren,, und obgleich die Polymer-Materialien selbst gewöhnlich spröde sind, kann die Faserverstärkung, ob nun mit Glas- oder Kohlefasern oder mit anderen Fasern, so ausgelegt werden, daß der Verbundwerkstoff in der Lage ist, die Längskräfte auszuhalten, denen die Schaufeln selbst infolge der Zentrifugalkräfte im Betrieb ausgesetzt sind. Die Befestigung der Schaufeln ist jedoch schwierig, da die Geometrie der Schaufeln selbst eine komplizierte Ausbildung an der Schaufelwurzel erfordert, damit die während der Drehung erzeugten Befestigungsbeanspruchungen verteilt werden. Normalerweise hat eine solche komplizierte Ausbildung die Form von übermäßig großen Schaufelwurzeln, die folglich zu großen Rabenabmessungen, hohem Gewicht und großen Gesaiatabmessungen des Verdichters führen« Ähnliche Überlegungen gelten für die Befestigung von Keramik-Turbinenschaufeln..

Eine Vorrichtung zum Befestigen und/oder Abstützen eines Bauteiles, das zumindest gelegentlich Scherbeanspruchungen in

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Längsrichtung unterworfen wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß sie eine Duplex-Faser-Anordnung zum Übertragen der Scherbeanspruchungen vom Bauteil auf die Befestigungs- oder Abstützvorrichtung aufweist.

Die Duplex-Faser-Anordnung umfaßt im wesentlichen ein Kernstück von langgestreckter sinus- oder wendeiförmiger Gestalt, das an der äußeren Umfangsfläche an der Innenwand einer langgestreckten Aussparung im Bauteil selbst oder an der Innenwand eines am Bauteil befestigten Rohrkörpers gehalten und an oder nahe einem Ende an der Befestigungs- oder Abstützvorrichtung befestigt ist.

Eine Duplex-Faser wird beispielsweise in der D-OS P20 44 294.3 und auch, in einer zur Verwendung in der Befestigungs- und/ oder Abstützvorrichtung nach der Erfindung besonders geeigneten Ausführungsform, in der D-OS P23 03 526.9 beschrieben.

Wird somit eine Duplex-Faser-Anordnung zum Übertragen von Beanspruchungen verwendet, läßt sich die maximale Scherbeanspruchung, die im Bauteil infolge Befestigungs- und/oder Abstützkräften auftritt, durch die Geometrie des Kernstückes der Duplex-Faser-Anordnung beherrschen, d.h. die maximale Scherbeanspruchung, die an der Stelle auftreten kann, an der sich die Duplex-Faser-Anordnung mit dem Bauteil verbindet, kann niemals über einen vorbestimmten Grenzwert hinausgehen, der selbstverständlich so gewählt ist, daß er innerhalb der bekannten Festigkeitsgrenzen des Werkstoffes des Bauteils liegt. Diese Anordnung der Beanspruchungsübertragung kann einen sich selbst regelnden Scherbeanspruchungs-Übertragungsmechanismus ergeben, der, als Ganzes betrachtet, in der Lage ist, sich im Überlastungszustand durch Zugbeanspruchung zu verformen.

Ein Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Beanspruchungsübertragung liegt darin, daß die Duplex-Faser-Anordnung, wie noch erläutert wird, bei einem Bauteil, das aus einem in einer Richtung orientierten Verbundwerkstoff hergestellt ist, zu

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einer Verstärkung in Längsrichtung beitragen kann. Die Übertragung der Beanspruchungen kann dann über eine verhältnismäßig große Innenfläche des Bauteils verteilt werden. In jedem Falle ist es durch Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, die Übertragungsbeanspruchungen im Werkstoff des Bauteils auf einem niedrigeren Niveau als der maximalen Belastungsgrenze des Werkstoffes zu halten und doch hinsichtlich des Volumens des Bauteils keine wesentliche Zunahme über das Volumen hinaus erforderlich zu machen, das für die Erfüllung seiner wesentlichen Aufgabe notwendig ist.

Die eigentliche Befestigungs- oder Abstützvorrichtung kann dann in Gestalt und Werkstoff so ausgebildet sein, daß sie den speziellen Bedingungen der Konstruktion in bestmöglicher Weise angepaßt ist. Handelt es sich bei dem Bauteil um eine Verdichterschaufel, kann die Schaufelwurzel, welche die eigentliche Befestigungsvorrichtung für den Schaufel- oder Blatteil ist, aus Metall hergestellt und daher mit normalen Abmessungen ausgebildet sein, während das Schaufelblatt, selbst mit normalen Abmessungen, aus einem spröden verstärkten Polymer-Material sein kann, das viel leichter ist als Metall. Indem man dafür sorgt, daß ein Teil der Duplex-Faser-Anordnung relativ zum Schaufelblatt feststeht, beispielsweise durch Einbetten in die Grundmasse, und daß der andere Teil in bezug auf die Schaufelwurzel fixiert ist, beispielsweise durch mechanisches Verankern am Wurzelteil, muß die Übertragung der Beanspruchungen zwischen dem Schaufelblatt und der Schaufelwurzel über das Kernstück der Duplex-Paser-Anordnung stattfinden.

Es kann dafür gesorgt werden, daß der Umfang der Beanspruchungsübertragung durch die Geometrie der Duplex-Paser-Anordnung geregelt wird, so daß die Beanspruchung auf jedes beliebige Volumen des Schaufelblattes übertragen werden kann, wodurch lokale Spannungskonzentrationen und daraus sich ergebendes lokales Versagen vermieden werden. Außerdem können für das Bauteil mehr als eine Duplex-Paser-Anordnung vorgesehen sein.

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Hat das Schaufelblatt eine im wesentlichen nach seiner radialen Achse ausgerichtete Faserverstärkung, wie sie zur Erfüllung der Betriebsbedingungen erforderlich ist, dann ist der im Schaufelblatt angeordnete Teil der Duplex-Faser vorzugsweise von im wesentlichen ähnlicher Ausrichtung, damit bei der Übertragung der Beanspruchungen ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird. Sollte das gesamte Schaufelblatt-Schaufelwurzel-Aggregat einer den für die Konstruktion angenommenen Grenzwert überschreitenden Spannungsbelastung ausgesetzt sein, sollte kein Bruch auftreten, weil es dann nur dazu kommen kann, daß sich die Teile der Duplex-Faser-Anordnung relativ zueinander in der für derartige Fasern allgemein bekannten V/eise bewegen. Dies gilt auch für jedes Bauteil, bei dem eine derartige Ausrichtung auftritt. Außerdem ist die Erfindung nicht auf diejenigen Bauteile beschränkt, bei denen Duplex-Fasern und Verstärkungsfasern gleichgerichtet sind.

Es leuchtet ein, daß die Erfindung auf viele andere Gebiete anwendbar ist und daß die Befestigung von Verdichterschaufeln lediglich ein Anwendungsbeispiel darstellt. Einen ähnlichen Anwendungsfall stellen Aufnahmen für Hubschrauber-Rotorblätter dar. Andere Beispiele sind die Anschlüsse von Metall-Endbefestigungen an elektrische Isolatoren aus glasfaserverstärktem Polymer zum Aufhängen von Hochspannungskabeln an Masten. Die Anwendung der Erfindung in diesem Falle vermeidet die Notwendigkeit zusätzlicher Querlagen aus Verstärkungsfasern und schließt folglich auch höheres Gewicht und höhere Kosten aus. Bei Verwendung der Duplex-Faser-Anordnung nach der Erfindung können diese Isolatoren als in einer Richtung orientierte Laminate hergestellt werden, bei denen die Duplex-Faser-Anordnung im wesentlichen nach der Verstärkungsfaser ausgerichtet ist.

Auch bietet die Erfindung eine Lösung für das Problem der Anbringung von Beschlägen an verstärkten Kunststoffbooten, wobei die Befestigung im Sinne der Erfindung als vom Boot zum Beschlag gehend betrachtet wird.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen von zwei Ausführungsformen mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Anwendung der Erfindung auf die Befestigung eines elektrischen Isolators und

Fig. 2 die Befestigung einer warmfesten Keramik-Turbinenschaufel .

Gemäß Fig. 1 bilden ein gewundener, insbesondere gewellter Stahldraht 1 und ein diesen umhüllendes Stahlrohr 2 eine Duplex-Faser-Anordnung, wobei das Stahlrohr 2 in eine Grundmasse 3 eines Isolators parallel zu einer Verstärkungsfaser in der Grundmasse 3 eingebettet ist. Die für irgendein bestimmtes System erforderliche Anzahl "von Duplex-Einheiten ist abhängig vom Grad der auszuhaltenden Beanspruchung und auch, wie noch erläutert wird, von den Merkmalen der Duplex-Faser-Anordnung. Der innenliegende Stahldraht 1 der oder jeder Duplex-Faser-Anordnung ist an seinem freien Ende mit einem Metallblock 5 dadurch sicher verbunden, daß er durch Hartlöten oder in anderer Weise in einer Schraube 6 befestigt ist, die den Metallblock 5 durchdringt und auf die eine Mutter 7 aufgeschraubt ist. Der innenliegende Stahldraht 1 wird mittels der Mutter 7 gespannt und die Beanspruchungsübertragung vom Isolator-Hauptteil auf den Metallblock 5 erfolgt über das Stahlrohr 2_t den Reibeingriff an der Zwischenfläche zwischen dem Stahlrohr 2 und dem Stahldraht 1 und über die Schraube Bei Bedarf kann eine Kautschuk-Dichtung 8 vorgesehen sein, um eine wetterdichte Abdichtung zwischen dem Metallblock 5 "■nd dem Isolator-Hauptteil aufrechtzuerhalten. Der der Befestigung dienende Metallblock 5 kann mit beliebiger zweckdienlicher Gestalt ausgebildet sein, die das Anschließen mit herkömmlichen Vorrichtungen an einen Mast gestattet.

^sl"ird das Isolator-Aggregat einer seine Elastizitätsgrenze übersteigenden Spannungsbelastung unterworfen, wobei die.

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innenliegenden Stahldrähte 1 zum Teil aus den Stahlrohren gegen Reibungsverluste herausgezogen werden, kann das Aggregat mittels der Schraube 6 und der Mutter 7 in seine Ausgangskonfiguration zurückgebracht werden. In jedem Falle kann die Lastbegrenzungsvorrichtung so ausgebildet werden, daß sie ein Ansteigen der am Isolator-Hauptteil angreifenden Last über den Entwurfsgrenzwert hinaus verhindert. Andererseits, wenn keine Nachstellung erforderlich ist, kann der Stahldraht 1 direkt am Metallblock 5 permanent befestigt sein.

Ähnliche Überlegungen sind auf die Konstruktion von, beispielsweise, leichten faserverstärkten Kunststoff-Brücken oder von ähnlichen, gerüstartigen Konstruktionen anwendbar, die am Einsatzort aus Teilebausätzen zusammengestellt werden könnten. Die Metallblöcke könnten zweckentsprechende Befestigungspunkte darstellen, die mit gewöhnlichen Muttern und Schrauben miteinander verbunden werden könnten, um Bauteile der Konstruktion zusammenzufügen oder zu verankern. Die Befestigung eines Metallblockes an einem faserverstärkten Kunst st off-Baut eil gemäß der Erfindung kann sich als in hohem Maße brauchbar erweisen, und nur eine in einer Richtung orientierte Faser-Anordnung wird für eine einsinnige Zugbelastung geeignet sein. Da zudem die Metallblöcke und andere Befestigungsvorrichtungen nur einen sehr kleinen Anteil an der Gesamtkonstruktion auszumachen brauchen, können sie ohne übermäßige Kosten aus rostfreiem bzw. korrosionsbeständigem Stahl oder einem anderen rostfesten Werkstoff hergestellt werden. Da die Konstruktion aus verstärktem Kunststoff wetterfest ist, könnten somit die Unterhaltungskosten durch einen geringen zusätzlichen Aufwand, wenn überhaupt, gegenüber denjenigen äquivalenter herkömmlicher Brücken- oder Gerüst-Fertigkonstruktionen möglicherweise gesenkt werden.

Fig. 2 zeigt im Schnitt eine Befestigungsvorrichtung für eine Schaufel einer Heißgasturbine. Ein aus Keramik hergestellter Schaufelteil ist mit 13 bezeichnet, wobei die Keramikmasse an einen Rohrkörper 12 angegossen oder in anderer Weise angeformt ist. Der Rohrkörper 12 bildet mit einem sinusförmigen

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Kernstück 11 eine Rohrkörper/Kernstück-Duplex-Einheit. Das wurzelseitige Ende des Kernstückes 11 ist durch Schweißen, Hartlöten oder andere ähnliche Verfahren an einer Schaufelwurzel 14 aus Metall befestigt. Die Schaufelwurzel 14 kann mit herkömmlicher Gestalt ausgebildet sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Möglichkeit bestehen, das Kernstück 11 bei Bedarf in ähnlicher V/eise wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, beispielsweise mittels einer Mutter und einem Gewindeendstück, vorzuspannen. Eine derartige Ausbildung kann auch dort nützlich sein, wo der Werkstoff der Schaufel 13 nicht Keramik, sondern ein Metall ist, das für eine monolithische Verbindung mit einem Wurzelteil zu spröde ist. Jedoch kann sowohl hier als auch im Falle einer Keramik-Schaufel für eine Kühlluftumwälzung durch den Rohrkörper 12 gesorgt sein. In der Wurzel 14 kann ein Eintrittsloch 15 ausgebildet sein, durch welches die Kühlluft hindurchströmen kann, die aus der Scheibe des nicht gezeichneten Turbinenlaufrades geliefert wird, das an der Schaufelwurzel 14 in bekannter Weise anfaßt. Zum Zuführen von Luft an die Schaufel können alternativ geeignete andere Vorrichtungen vorgesehen sein. Wenn der Werkstoff der Schaufel selbst geeignet ist, kann es sein, daß der Zwischenrohrkörper nicht notwendig ist, da in diesem Falle das Kernstück gegen die Wand der Aussparung in der Schaufel wirken kann.

Es ist möglich, daß im Zusammenhang mit der Schaufelbefestigung mehrere Duplex-Faser-Anordnungen erforderlich sein können. Diese sind dann so über die Schaufel verteilt, daß sich die bestmögliche Wirkung ergibt. In Anbetracht der Krümmung des Schaufelquerschnittes ist es möglich, daß sich aus einer Anordnung der Duplex-Faser-Einheiten in nichtparallelen Ebenen seitliche Stabilität erzielen läßt. Angesichts der sich bemerkbar machenden Biegekräfte infolge Gaskräften auf die Schaufeln einer Turbine oder sogar Luftkräften in einem Verdichter kann es jedoch zur Erzielung von seitlicher Stabilität notwendig sein, mehr als eine Reihe von Duplex-Einheiten vorzusehen. Es ist offensichtlich, daß sogar das einreihige System aufgrund

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der Verwendung von Duplex-Vorrichtungen eine gewisse seitliche Durchbiegung aufnehmen kann.

Es ist offensichtlich, daß für die Duplex-Einheiten Werkstoffe gewählt werden müssen, die den auftretenden Temperaturen standhalten. Eine Kühlung, wie sie weiter oben erwähnt wurde, kann dadu dienen, die Wahl geeigneter Werkstoffe für Anwendungsfälle mit hohen Betriebstemperaturen weniger schwierig zu gestalten.

Eine der in Fig. 2 für eine Turbinenschaufel gezeigten Konstruktion ähnliche Konstruktion läßt sich zum Befestigen der Schaufeln eines Verdichters benutzen. Die Verdichterschaufeln können somit aus, beispielsweise, einem verstärkten Polymer-Material ausgebildet sein. In diesem Falle ist aufgrund der hierbei auftretenden niedrigeren Temperaturen die Werkstoffwahl leichter. Bei diesem Anwendungsfall kann es zweckmäßig sein, den Rohrkörper durch die Schaufelwurzel hindurch zu führen und das Ende des Rohrkörpers an der Schaufelwurzel zu befestigen. In diesem Falle wirkt das Kernstück bei starker Spannungsüberbelastung der Befestigung, die einem Versagen des Rohrkörpers folgt, welches dann an der Befestigungsstelle zwischen der Schaufel und der Wurzel auftreten würde, als nach dem Fail-safe-Prinzip arbeitendes, tragendes Ersatz- oder Hilfsbauteil. Dieses System kann bei gespannten Kernstücken Vorspannung unterworfen sein. Bei direkter Befestigung des Rohrkörpers an der Metall-Wurzel würde die Verbindung zwischen dem Polymer und der Wurzel versagen. Ist der Rohrkörper nicht direkt mit der Wurzel verbunden, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2, würde die Verbindung zwischen dem Rohrkörper und dem Polymer nahe der Wurzel versagen, da in diesem Bereich lokal hohe Scherbeanspruchungen bzw. Seherspannungen auftreten. Während dies, für sich genommen, akzeptiert werden könnte, würde sich ohne das Vorhandensein des Kernstückes der Duplex-Einheit die Möglichkeit nicht erreichen lassen, durch Durchziehen des Kernstückes die Belastung zu begrenzen, die von irgendeiner der Einheiten - und vom benachbarten verstärkten

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Polymer - nach einem Versagen des Rohrkörpers und nach diesem folgender Biegeverformung getragen wird.

Andere Anwendungsgebiete der Erfindung sind Verankerungen für Asbestzementplatten oder glasfaserverstärkte Zementplatten, die für Gebäude-Außenverkleidungen verwendet werden.

/Ansprüche

6UU8 2.4/KH4

Claims

ANSPRÜCHE

\A J Vorrichtung zum Befestigen und/oder Abstützen eines

Bauteiles, das zumindest gelegentlich Scherbeanspruchungen in Längsrichtung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Duplex-Faser-Anordnung (Stahldraht 1, Stahlrohr 2; Kernstück 11, Rohrkörper 12) zum Übertragen der Scherbeanspruchungen vom Bauteil (Schaufelblatt 13) auf die Befestigungs- oder Abstützvorrichtung (Metallblock 5; Wurzel 14) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß sich mit ihr das Bauteil an einer umlaufenden Nabe, Scheibe o.dgl. befestigen läßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß sich mit ihr eine Verdichterschaufel an der umlaufenden Schaufelab Stützung befestigen läßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß sich mit ihr ein Hubschrauber-Rotorblatt an der zugehörigen Antriebswelle befestigen läßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ e i ohne t, daß sich mit ihr Beschläge an einem Gegenstand aus verstärktem Kunststoff anschließen lassen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, zum Abstützen eines Bauteiles aus einem Verbundwerkstoff mit in einer Richtung orientierten Verstärkungen, dadurch gekennzeichnet, daß Elemente (Stahldraht 1, Stahlrohr 2) der Duplex-Faser im wesentlichen parallel zu den Verstärkungen (Verstärkungsfaser 4) des Bauteiles ausgerichtet sind.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich mit ihr ein elektrischer Isolator aus glasfaserverstärkten Kunststoff-Laminaten abstützen läßt,
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich mit ihr das Bauteil an einem Anschlußblock (Metallblock 5) befestigen und/oder abstützen läßt, der an einer Halterung starr befestigbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich mit ihr eine Laufradschaufel
einer Gasturbine oder eines Verdichters befestigen läßt.

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