DE2558689C2 - Radförmiger Speichenrahmen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen radförmigen Rahmen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

to Es gibt zahlreiche Strukturen, bei denen eine beträchtliche Gewichtsverminderung eintreten würde, wenn sie aus modernen zusammengesetzten oder Verbundmaterialien mit hoher Festigkeit hergestellt werden könnten. Die Schwierigkeit lag in der Entwicklung -iiner Verbundstruktur, die im zusammengebauten Zustand die gleiche Robustheit besitzt wie die schwereren und unförmigeren bekannten Strukturen, die sie ersetzen soIL Dies gilt besonders auf dem Gebiet vor» Radanordnungen, insbesondere von mit Speichen versehenen Rädern, bei denen die auf die Speichen ausgeübten Belastungen Zug- oder Druckspannung ohne eine starke Belastungskonzentration gleichförmig auf die Radkränze verteilt werden müssen.
Statische, mit Speichen ausgestattete Räder sind beispielsweise in praktisch fast allen Gasturbinen-Triebwerken in Form von Rahmen vorhanden. Bekanntlich strömt die durch ein Gasturbinen-Triebwerk geleitete Luft durch einen kreisringförmigen Strömungskanal, bei dem ein Teil der inneren und äußeren Wände analog den Naben und Radkränzen eines Rades ist Dabei halten Streben diese Teile in ihrer richtigen gegenseitigen Lage nahezu in der gleichen Weise wie die Speichen eines Rades, wobei diese Streben eine durch aerodynamische Gesichtspunkte bestimmte räumliche Gestalt besitzen. Zusätzliche Kanalteile werden von dem zuvor beschriebenen Triebwerkrahmen gehalten, um den Ringkanal zu vervollständigen. Diese mit Streben ausgestattete Struktur ist gewöhnlich auch als »Gebläserahmen« bekannt, wenn durch diese·: die von dem Geblase eines Gasturbinen-Triebwerkes verdichtete Luft geleitet werden soll. Gegenwärtig werden die meisten Triebwerksrahmen aus verschweißtem Metallblech oder Metallgußteilen hergestellt. Da das Gewicht einen kritischen Gesichtspunkt bei der Entwicklung von Gasturbinen-Triebwerken für Luftfahrzeuge darstellt, ist eine Verbundrahmenstruktur besonders attraktiv, wenn die Gewichtsverringerung ohne Verlust an struktureller Robustheit erreicht werden kann.
Es sind zwar viele zusammengesetzte Räder bekannt, wie beispielsweise das Wagenrad ohne Radreifen gemäß der DE-PS 19 455, bei dem die Fugen der einen Radlage mit den Fugen der anderen Radlage wechseln, oder die Riemenscheibe, Rolle, Rad oder dergleichen gemäß der AT-PS 50 637. wonach gleichachsig abwechselnd aufeinander gelegte Kreisscheiben aus Holz und Steinholz durch Pressen miteinander verbunden werden. Diese zusammengesetzten Räder bestehen jedoch aus im wesentlichen massiven Teilen und eignen sich wenig für eine Leichtbauweise.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen radförmigen Rahmen, insbesondere für Gehäuse von Gasturbinen-Triebwerken, zu schaffen, der trotz Leichtbauweise eine hohe Festigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein Verbundkörper aus leichten Materialien, wie beispielsweise Glasfasern und Kunstharze, aufgebaut werden kann, der hohen Radialkräften standzuhalten vermag. Insbesondere lassen sich mehrere Speichenräder zusammenfügen, um einen Strömungskanal, beispielsweise für Gasturbinen, zu bilden, in dem die Radspeichen stromlinienförmige Streben bilden, die die radial inneren und äußeren Turbinenteile haltern und gleichzeitig Fluidleitkanäle bilden. Insbesondere für Flugzeuge lassen sich somit erhebliche Gewichts- und Kosteneinsparungen erzielen.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert

Fig. 1 zeigt schematisch eine Schicht eines gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebauten Rahmens.

Fig.2 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines Teils des Rahmens nach F i g. 1.

F i g. 3 zeigt schematisch ein Laminat von Rahmenschichten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 4 zeigt schematisch einen Teil einer Zwischenschicht zur Verwendung in dem Laminat gemäß F i g. 3.

Fig.5 ist ähnlich der Fig.4 und zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Teils einer Zwischenschicht

F i g. 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 der Fig. 3.

F i g. 7 ist eine Schnittansicht ähnlich F i g. ö entlang der Linie 7-7 der F i g. 3.

F i g. 8 ist eine Schnittansicht ähnlich den F i g. 6 und 7 entlang der Linie 8-8 der F i g. 3.

F i g. 9 ist eine perspektivische Ansicht einar Rahmenstruktur, die aus mehreren Laminaten gemäß Fig.3 aufgebaut ist.

F i g. 1 zeigt einen radförmigen Rahmen IO als Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung. Dieser Rahmen 10 kann aus mehreren Sektoren 12 bestehen, welche am Umfang zusammengefügt den vollständigen Rahmen 10 ergeben. Wie am besten aus F i g. 2 ersichtlich ist, besteht jeder Sektor 12 aus fünf zusammenpassenden Profilteilen, die vorzugsweise aus zeitgemäßem Verbundmaterial bestehen und alle miteinander verbunden sind.

Die aufeinander angepaßten ProH'teile der Sektoren 12 enthalten ein Radkranzsegment 14, ein Nabensegment 16 und einen aus einem Faden gewundenen Ring bzw. eine Speichenschleife 18, welche zur Aufnahme in Vertiefungen 20 und 22 der Naben- und Radkranzsegmente 16 bzw. 14 eingerichtet ist. Der Sektor wird vervollständig* durch äußere und innere Einsatzteile 24 und 26, welche in die Speichenschleife 18 eingesetzt werden, um hierdurch konzentrische Naben- und Radkranzteile 30 bzw. 28 zu bilden (Fig. 1), wenn mehrere Sektoren zusammengefügt werden. Wie aus F i g. 1 und 2 ersiehtlieh ist, sind die bogenförmigen gegenüberliegenden Seiten 32,34 der Speichenschleife 18 innerhalb der Naben- und Radkranzsegmente 16, 14 festgehalten, während die verbleibenden Seiten Paare von radialen Speiehen 36 bilden. Somit kann der Rahmen 10 aus einer so gewünschten oder notwendigen Anzahl von Sektoren hergestellt werden. Weiterhin müssen die Radkranzsegmente 14 und 16, welche teilweise die Naben- und Radkranzstücke 30 und 28 bilden, nicht notwendigerweise am Um'ang in Segmente unterteilt sein, wie dies in den F i g. 1 und 2 dargestellt iit, sondern können eine kontinuierliche Struktur bilden, die eine Vielzahl von Vertiefungen 20 und 22 zur Aufnahme von Ringen 18 besitzt.

Wenn die aufeinander angepaßten Profiheüe der Sektoren 12 zusammengefügt und fest miteinander verbunden werden in einer Ebene und unter einem Orientierungswinkel von A Grad, dann bilden sie einen Rahmen bzw. eine Radschicht 10. Eine zweite Radschicht 10' wird praktisch in identischer Weise wie Gie erste Radschicht 10 hergestellt und unter einem Orientierungswinkel von B Grad (F i g. 1 gestrichelt gezeichnet und F i g. 3) auf die erste Schicht aufgelegt Dritte, vierte und weitere Schichten 10", 10'" usw.) von diesen Teilen werden mit wechselnden Orientierungswinkeln von A Grad und B Grad aufeinandergestapelt, bis die gewünschte Radidicke erreicht ist Auf diese Weise wird ein aus Schichten aufgebautes Rad 40 gemäß F i g. 3 hergestellt

Die radialen Mittellinien 42 von umfangsmäßig benachbarten Speichenschleifen bzw. Ringen 18 können untereinander unter einem vorgegebenen Winkel θ versetzt sein, wobei am Umfang benachbarte Speichen gegeneinander unter einem Winkel von Θ/2 untereinander versetzt sind, wodurch man einen £: .-/chmäßigen Speisenabstand um das Rad herum erhäiu Paher sollte der Unterschied des Orientierungswinkels zwischen benachbarten Radschichten 10 und 10' gleich ΘΙ2 sein, um eine axiale Ausrichtung radialer Speichen 36 beizubehalten. Hs ist jedoch zu beachten, daß auch andere Orientierungswinkel gewählt werden können, um bestimmte Anforderungen an das Rad zu erfüllen (beispielsweise eine Staffelung der Radspeichen).

Dünne Zwischenschichten 44 aus orientierten Faserlamellen können zwischen den Radschichten 10 eingefügt werden, um die Festigkeit und Robustheit der erhaltenen Radstruktur 40 zu erhöhen. Die Zwischenschichten 44, 44' können verschiedene Formen annehmen, von denen zwei Ausfiüirungsformen in den F i g. 4 und 5 gezeigt sind. In Fig.4 ist eine einstückige Zwischenschicht 44 gezeigt, die die allgemeine Form der Radschicht 10 besitzt. Die Speichen 37 der Zwischenschicht 44 sind integral mit deren Nabe 31 und Radkranz 29 ausgebildet. Wie gestrichelt dargestellt ist, kann die Zwischenschicht 44 integrale Sektoren aufweisen, die jeweils Speichen besitzen, die aus einem Stück mit den Naben- und Radkranzsegmenten bestehen (d. h. sie sind entlang Spaltlinien 33 in Segmente aufgeteilt). F i g. 5 zeigt diese geringfügig abgewandelte Zwischenschicht 44' aus Naben- und Radkranzsegmenten 3Γ und 29', die dazwischen verlaufende Speichen 37' besitzen. Alle Schichten und Segmente oder Teile derselben werden fest miteinander verbunden, beispielsweise durch an sich bekannte Kunstharz-Klebeverfahren, um eine vollständige Radstruktor 40 zu bilden. Die F i g. 6, 7 und 8 zeigen den Aufbau der verschiedenen Bauteile anhand entsprechender Schnitte durch die Anordnung nach Fig.j.

Von besonderer Wichtigkeit ist der Aufbau der Verbindungsstelle zwischen den Speichen 36 und ihren integralen Naben- und Radkranzteilen 30 und 28. Wie am besten aus F i g. 3 ersichtlich ist, wechselt die Orientierung der RadschtC^ten 10 zwischen A Grad und ßGrad, und daher wechselt der Verlauf der Fasern der Speichen 36 nach links und rechts in den jeweiligen Naben» und Radkranzteilen.

Daher werden die Belastungen, weiche auf die Speichen ausgeübt werden, gleichmäßig auf die Nabe und den Radkranz ohnr starke Lastkonzentration verteilt. Zusätzlich zu den Belastungen, welche von den Speichen einer Radschicht 10 unmittelbar auf die Naben- und Radkranzteile der Radschicht 10 übertragen werden, werden auch Scherkräfte auf die Naben- und Rad-

kranzteile benachbarter Radschichten 10' durch Übertragung durch Zwischenschichten 44 verteilt. Die Spannungsbelastungen in den Speichen 36 werden durch die Einsatzstücke 24 und 26 aufgefangen, und Druckbelastungen werden durch die Naben- und Radkranzsegmente 16 und 14 aufgenommen.

Der Rand der gesamten aus Schichten aufgebauten Radstruktur 40 gemäß Fig. 3 kann von einem aus gewickelten Fäden bestehenden kontinuierlichen Gürtel 38 umgeben sein, wodurch die Gesamtfestigkeit des Radkranzes verbessert wird. Ein solcher kontinuierlicher Gürtel 38 kann unmittelbar über ein Matrixmaterial befestigt werden, auf dem er aufgewickelt ist, oder die Fäden können zwischen den Schichten 44 festgehalten sein, welche als axial äußere Schichten der Radstruktur 40 vorgesehen sind, wobei dann deren radiale Höhe geringfügig größer ist als bei den übrigen Schichten (d. h. sie stehen radial nach außen über, um an die Höhe des ki/ntirrüicr'iCMCM Gürtels 38 angenähert zn sein).

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das vorwiegend aus nicht-metallischen Materialien besteht, enthalten die einzelnen .Strukturelemente in einer Richtung ausgerichtete Graphitfäden in einem Epoxyd-Kunstharz, wobei die Ringe bzw. Speichenschleifen kontinuierliche Graphitfäden in dem gleichen Kunstharz enthalten. Es können jedoch auch andere Faserarten verwendet werden, die in einem beliebigen Bindemittel zur Herstellung der Struktur eingebettet sind, beispielsweise einem organischen Kunstharz. Weiterhin kann die Struktur irgendein metallisches System beinhalten, einschließlich Bor/Aluminium.

Wenn die Radstrukturen angefertigt sind, können diese zur Bildung anderer radähnlicher Gebilde zusammengesetzt werden (rotierende oder nicht-rotierende Strukturen). Beispielsweise zeigt F i g. 9 einen Gebläserahmen für ein Turbogebläse-Gasturbinentriebwerk, der teilweise aus solchen geschichteten Radstrukturen 40 aufgebaut ist. Insbesondere werden mehrere geschichtete Radstrukturen 40 nach der Herstellung durch Befestigungseinrichtungen in einer gewünschten vorgegebenen axialen Lage zueinander gehalten. Dies wird erreicht durch Verwendung von Verkleidungen 46, 48 mit U-Profilen. Zu diesem Zweck sind beispielsweise auf einer Seite der Verkleidungen 46, 48 radiale Streifen 50 vorgesehen, die zur Aufnahme von Speichen 36 der Radstruktur 40 und zur Festlegung derselben in der richtigen räumlichen Lage dienen. Die andere Seite der Verkleidungen 46, 48 kann eine aerodynamische Form besitzen, um den Strömungswiderstand des Arbeitsmediums zu verringern. Durch den Einbau von zwei Verkleidungen 46 und 48 über mehreren Speichen 36 gemäß F i g. 9 werden Streben 52 gebildet. Weitere äußere und innere Segmente 54 und 56 für den Strömungskanal können zwischen benachbarten Streben 52 vorgesehen sein, um eine stromlinienförmige Verkleidung über den Naben- und Radkranzteilen 30 bzw. 28 zu erhalten. Die gesamte Struktur wird in bekannter Weise fest miteinander verbunden, um eine starre integrale Struktur mit leichtem Gewicht zu erhalten.

Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die Rahmenstreben als Tragflügelprofile gestaltet werden, und der gesamte Rahmen kann so ausgelegt werden, daß er drehbar (wie in einem Gebläse oder Schwungrad) oder stationär ist. Weiterhin kann durch entsprechende Ausrichtung der Räder innerhalb der Rahmen- es streben eine Flügelwölbung und Staffelung erreicht werden. Nicht-radiale Speichen können ebenfalls verwendet werden, um eine Flügelwölbung und Staffelung der Streben und eine Verwindung zu erreichen. Weiterhin können, wie zuvor erläutert, die einzelnen Räder mit oder ohne Zwischenschichten aus orientierten Faserlamellen hergestellt werden und, wenn Zwischenschichten verwendet werden, können diese verschiedene Formen annehmen. Weiterhin können die gezeigten Bauelemente zur Gewichtsverringerung oder aus anderen Gründen abgewandelt werden in Abhängigkeit von der erforderlichen Festigkeit. Beispielsweise könnten die Elemente 14,16,24 und 26 nach F i g. 2 von durchgehenden Löchern durchdrungen sein, um die Struktur leichter zu machen. Weiterhin können viele verschiedene Materialien, sowohl Metalle als auch Verbundmaterialien, verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Radfönniger Rahmen aus einem verstärkten Verbundmaterial mit einer ringförmigen Nabe, einem Radkranz sowie Nabe und Radkranz verbindenden radialen Speichen, enthaltend Speichen, Radkranz und Nabe durchlaufende Fäden aus Verstärkungsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden geschlossene Ringe (18) bilden, die in der Richtung zweier benachbarter Speichen (36) und diese verbindender Radkranz- und Nabenabschnitte verlaufen.

2. Rahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe und der Radkranz in Segmente (14,16) unterteilt sind.

3. Radstruktur, enthaltend Rahmen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren Rahmen (10) mit Zwischenschichten (44) zusammengefügt ist, wobei die Speichen (37) der Zwischenschichten (44) einstückig mit den N'aben- und Radkranzabschnitten ausgebildet sind.

4. Radstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Zwischenschichten (44) Schichten aus gerichtet orientierten Fasern und verstärkten Lamellen aufweisen.

5. Radstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (10) und die Zwischenschichten (44) fest miteinander verbunden sind.

6. Radstru_Ä:ur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Mitt-llinien (42) umfangsmäßig benachbarter Rin.«*e (18) untereinander unter einem V/inkel θ und umiangs^äßig benachbarte Speichen (36) um einen Winkel Θ/2 untereinander versetzt sind und daß jeder Rahmen (10) bezüglich seines axial benachbarten Rahmens (10', 10", 10'") um einen Winkel Θ/2 gedreht ist.

7. Radstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die axial außen liegenden Schichten wie die Zwischenschichten (44) gebildet sind.

8. Radstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß jeder Rahmen (10) Einsatzteile (24,26) aufweist, die Teile der Nabe bzw. des Radkranzes bilden und Spannungskräfte der Speichen (36) aufnehmen.

9. Radstruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß um ihren Radkranz (14,28) herum in sich geschlossene Fäden (38) angeordnet sind.

10. Radstruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rahmen (10) auf einer gemeinsamen Mittelachse axial nebeneinander angeordnet und durch Befestigungseinrichtungen (50) miteinander verbunden sind und daß die axial beabstandeten Speichen (36) gemeinsam von stromlinienförmigen Verkleidungen (46, 48) umgeben sind.

11. Radstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (46, 48) zusammenwirkende Formplatten aufweist.

12. Radstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Befesligungseinrichtungen (50) axial beabstandete U-Profile enthalten, die an einer Seite der Verkleidung (46, 48) gebildet sind, wobei jedes U-Profil zur Aufnahme einer der Speichen (36) geformt ist.

13. Radstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß die Verkleidungen (48) fest mit den Speichen (36) verbunden sind.