DE2733833A1

DE2733833A1 - Faserverstaerkter rotor

Info

Publication number: DE2733833A1
Application number: DE19772733833
Authority: DE
Inventors: Mats Dr Ing Lindgren
Original assignee: FIBER MECHANICS AB
Current assignee: FIBER MECHANICS AB
Priority date: 1976-07-29
Filing date: 1977-07-27
Publication date: 1978-02-02
Also published as: SE7608542L; IT1082233B; FR2360008B1; DE2733833C2; SE402060B; JPS6052864B2; FR2360008A1; JPS5353068A; US4160521A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung beszieht sich auf einen faserverstärkten Rotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, auf ein^r Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors, und auf eine Vorrichtung, die bei der Herstellung des Rotors Verwendung findet. Dabei bezieht sich die Erfindung, ganz allgemein auf solche faserverstärkte Körper, die mit hohen Geschwindigkeiten rotieren sollen? wie beispielsweise Teile von Zentrifugal-Separatoren, Generatoren, Gebläseräder, SChwungscheiben und dgl.. Diese Körper werden in der Beschreibung und den Ansprüchen der Einfachheit halber als Rotoren bezeichnet.

Die Anforderungen an Geschwindigkeit und Durchmesser moderner Rotoren, beispielsweise für Zentrifugal-Separatoren bzw. -Abschneider, zwingen zu einem möglichst nahen Heranrücken an die Grenze von Stahlmaterial, was dessen Widerstandsfähigkeit gegenüber durch die Rotationsgeschwindigkeit verursachten Beanspruchungen betrifft. Da die Beanspruchung des Materials proportional zur Dichte, bzw. zum spez. Gewicht und zum Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit ist, können die Festigkeitseigenschaften durch Erhöhen der Materialdicke nicht wesentlich verbessert werden, da dadurch auch die Umfangsgeschwindigkeit höher wird.

Ein Weg, mit den wachsenden Beanspruchungen fertig zu werden, besteht darin, ein Material, zu verwenden, das eine geringere Dichte bzw. spez. Gewicht als Stahl besitzt, weil gemäß dem obigen die Beanspruchungjdes Materials proportional zur Dichte bzw. zum spez. Gewicht ist. Ein solches Material, das die Vorteile hoher Zugbeanspruchung und geringer Dichte vereinigt, ist faserverstärkter Kunststoff , sog. Faserlaminat bzw. bzw. -schichtstoff. Die Eigenschaften von Kohlefasern haben sich als besonders vor-

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teilhaf-t erwiesen. Aus praktischen Gründen kann jedoch nicht der gesamte Rotor aus Faserschichtstoff hergestellt werden. Statt dessen wird der Faserschichtstoff in Form eines Außenteiles oder einer Hülse verwendet, das bzw. die vorzugsweise vorgespannt ist und um ein inneres Rotorteil, das im allgemeinen aus Stahl hergestellt ist, angeordnet ist.

Zum Anbringen solcher Faserlaminatteile auf Rotoren sind verschiedene Verfahren bekannt. Ein solches Verfahren ist der "Aufschrumpfsitz", bei dem das innere metallische Rotorteil bei einer niedrigen Temperatur gehalten wird, während das äußere Faserlaminatteil in der Form einer Hülse auf das Metallteil gebracht wird. Wenn die Temperatur des Metallteiles auf Raumtemperatur ansteigt, ergibt sich eine Flächenpressung bzw. -druck zwischen den beiden Bauteilen. Wegen der zu erreichenden begrenzten Temperaturverringerung kann jedoch auf diese Weise keine hohe Flächenpressung erreicht werden. Bei einem anderen Verfahren werden die Teile.an einer sehr geringen, genau bestimmten Dimensionsdifferenz hergestellt, so daß eine gewisse, relativ geringe Flächenpressung sofort dann erreicht wird, wenn die Teile zusammengepreßt werden.

Bei einem anderen Verfahren wird die Faser mit einer gewissen Zugspannung unmittelbar um das metallische Rotorteil gewunden bzw. gewickelt. Dieses Verfahren macht jedoch keinerlei hohe Vorspannung möglich, weil die Faser beim Wickeln leicht bricht. Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, das äußere und das innere Bauteil zusammenzupressen und dann den Rotor mit einer solchen Geschwindigkeit zu drehen, daß das innere Metallteil plastisch deformiert wird. Auf diese Weise wird eine gewisse Flächenpressung zwischen den Teilen erreicht. Dieses Verfahren ist jedoch für bestimmte metallische Materialien nicht geeignet, und es bringt auch eine relativ begrenzte Flachenpressung mit sich. Die meisten der o.g. bekannten Verfahren sind darüber hinaus relativ unbequem in der praktischen Anwendung da sie unter anderem keinen leichten

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Wechsel eines äußeren Schichtstoffteiles an der Einsatzstelle möglich machen.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, eine Ultrazentrifuge in Form einer relativ dünnen, inneren Metallhülse auszubilden, die durch eine Anzahl von Faserschichtstoffringen umgeben ist. In Verbindung damit hat sich herausgestellt, daß die Schichtstoffringe an der Metallhülse mittels eines AufschrumpfSitzes oder durch Verwendung von konischen Oberflächen befestigt werden können. Die Schichtstoffringe sind jedoch nicht dafür vorgesehen, irgend eine Vorspannung der inneren, relativ dünnen und schwachen Metallhülse hervorzubringen, deren Hauptaufgabe darin besteht, zu verhindern, daß das ausgeschleuderte Gas den Faserschichtstoff angreift.

Die bekannte Art der Verwendung konischer Oberflächen zum Befestigen von Faserschichtstoffringen unmittelbar auf der Außenoberfläche eines konischen Metallrotors besitzt unter anderem die beiden folgenden Nachteile. Erstens können Bruchbildungen an der inneren konischen Fläche des Laminats bzw. Schichtstoffs als Folge des Kontaktes mit dem inneren Metallteil während des AufpressVorganges auftreten. Diese Gefahr und die praktsichen Probleme in Verbindung mit dem eigentlichen AufpressVorgang bedeuten, daß diese Technik zum Erreichen einer hohen Flächenpressung nicht verwendet werden kann. Zweitens hat die Verwendung von konischen Schichtstoffteilen und eines inneren Metallteiles, das eine entsprechende Konizität besitzt, zur Folge, daß verschiedene Deformationsbedingungen längs des Rotors auftreten, weil die verschiedenen Materialarten mit unterschiedlicher Dichte bzw. spez. Gewicht keine konstante Dicke längs des Rotors besitzen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , einen faserverstärkten Rotor und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors und eine beim Herstellen des Rotors verwendete Vorrichtung zu schaffen, bei dem konisch zusammenwirkende Flächen derart ver-

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wendet werden, daß die o.g. Nachteile und Gefahren vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 bzw. 9 bzw. 11 gelöst.

Da gemSß der Erfindung die Nachteile in Verbindung mit der Verwendung von zusammenwirkenden konischen Flächen somit vermieden sind, ist es möglich, die Vorteile der genannten Technik voll auszunützen, die unter anderem darin bestehen, daß in einer sehr einfachen und reproduzierbaren Weise Vorspannungen erreicht werden können, die wesentlich höher als die bisher erreichbaren sind.

Erfindungsgemäß wird dies also dadurch erreicht, daß wenigstens ein äußerer faserverstärkter Ring oder Hülse an der Außenfläche einer innen konischen Zwischenhülse befestigt ist bzw. wird, deren Konizität derjenigen des inneren Rotorteiles entspricht. Durch eine geeignete Materialauswahl der Zwiechenhülse bezüglich des Materials des inneren Rotroteiles kann die Zwischenhülse mit der äußeren faserverstärkten Hülse auf das Innenteil mit großer Kraft gepreßt werden, so daß man hohe vorspannende Flächenpressungen erhält^ so daß weder an der Kontaktfläche zwischen dem inneren Rotorteil und der Zwischenhülse noch zwischen dieser Hülse und der Außenhülse Probleme auftreten.

Durch das Herstellen der Zwischenhülse aus einem Material, das im wesentlichen dieselbe Dichte wie das Material des inneren Rotorteiles besitzt, können ebenfalls die o.g. Probleme, die aus den unterschiedlichen Deformationsbedingungen längs des Rotors herrühren, eliminiert werden.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand de* in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel·« näher

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beschrieben und erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine faserverstärkte Außenhülse, die von einer Zwischenhülse getragen wird,

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Rotor, der mittels einer faserverstärkten Hülse verstärkt ist, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist, und

Fig. 3 die Anwendung der Erfindung an einem Zentrifugal-Separator.

Die kombinierte Hülse gemäß Fig. 1, die ein inneres Rotorteil vorspannen soll, enthält eine dünne Zwischenhülse 1 mit einer im wesentlichen zylindrischen Außenfläche und einer konischen Innenfläche. Die Konizität der Innenfläche entspricht der Konizität des Rotorteils an dem die kombinierte Vorspannhülse befestigt werden soll, wobei das Material der Zwischenhülse 1 vorzugsweise im wesentlichen dieselbe Dichte bzw. spez. Gewicht wie das Material des Rotorteiles besitzt. Auf der zylindrischen Außenfläche der Hülse 1 ist ein hülsenartiges Teil 2 aus Faserlaminat bzw. -schichtstoff von im wesentlichen einheitlicher Dicke befestigt.

Das Laminatteil 2 kann an der Hülse 1 durch ein beliebiges bekanntes Verfahren befestigt «ein, wie beispielsweise durch direktes Wickeln auf der Hülse, da das Teil nur auf der Hülse ohne Vorspannung befestigt werden muß. Vorzugsweise enthalt das Faserlaminatteil Kunststoff und Kohlefasern, es kann jedoch auch aus anderen Faserlaminaten bestehen, die eine hohe Zugfestigkeit besitzen.

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In Fig. 2 ist ein mit einem Faserlaminat verstärkter, erfindungsgemäß hergestellter Rotor dargestellt, der ein inneres Rotorteil 3 aus Metall, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, besitzt, dessen Außenfläche eine gewisse Konizität, beispielsweise von 1:20 aufweist. Am Innenteil 3 ist die kombinierte Vorspannhülse gemäß Fig. 1 befestigt, wobei die dünne Zwischenhülse 1 eine Konizität entsprechend dem Innenteil 3 besitzt. Das Material der Zwischenhülse 1 ist im Bezug auf das Metallteil 3 derart ausgewählt, daß keine Probleme auftreten, wenn die kombinierte Hülse 1, 2 auf das Innenteil 3 gepreßt wird. Somit kann man erfindungsgemäß sehr hohe Flächendrücke bzw. -pressungen zum Vorspannen des Rotors durch einen sehr einfachen Aufpressvorgang erreichen, dessen Drücke die mit den o.g. bekannten Verfahren bisher erreichbaren Drücken wesentlich überschreiten. In den meisten Fällen muß die kombinierte Hülse über eine Strecke aufgepreßt werden, die einigen Millimetern entspricht und nur von der gewählten Konizität anhängig ist.

Wegen der Vorspannung des inneren Rotorteils 3 besitzt folglich die darauf wirkende Flächenpressung eine negative tangentiale Komponente, d.h., der Durchmesser des inneren Rotorteils wird wegen der genannten Flächenpressung ein wenig kleiner. Gleichzeitig wird dem Außenteil des Faserschichtstoffs eine Vorspannung mit einer positiven Tangentialkomponente erteilt. Die Abmessung der Teile und die tatsächliche Flächenpressung zwischen ihnen müssen so gewählt werden, daß sowohl dem Innenteil als auch dem Faserschichtstoff-Außenteil bei der Betriebsgeschwindigkeit des Rotors tatsächliche Beanspruchungen annehmbarer Größe erteilt werden, d.h., die ausreichend weit unterhalb der kritischen Belastung des betreffenden Materials liegen. Der erfindungsgemäß verstärkte Rotor kann 'bei höherer Rotationsgeschwindigkeit betrieben werden, als ein entsprechender Rotor, der nur aus metallischen Material besteht, ohne daß die Gefahr einer Deformation oder eines Braches erhöht würde.

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Die Verwendung einer Zwischenhülse gemäfl der Erfindung ergibt auch dann große Vorteile, wenn, wie oben, von der Möglichkeit der Vorspannung kein Gebrauch gemacht wird. Wenn die Zwischenhülse aus demselben Material oder aus einem Material hergestellt ist, das im wesentlichen dieselbe Dichte bzw. spez. Gewicht wie das Material des inneren Rotorteiles besitzt, erhält man unter anderem verbesserte Deformationsbedingungen und andere praktische Vorteile, wie schon erwähnt wurde, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die unterschiedlichen Materialarten mit unterschiedlicher Dichte eine konstante Dicke längs der Länge des Rotors besitzen.

In Fig. 3 ist die Anwendung der Erfindung bei dem Rotor eines bekannten Zentrifugal-Separators dargestellt. Der Zentrifugenrotor der Fig. 3 kann der in der US-PS 3 9 86 66 3 beschriebenen Art sein. Der Rotor besitzt ein unteres Teil 4 und ein oberes Teil 5, welche mittels eines Verschlußringes 6 zusammengehalten werden. Der Rotor wird von einer Welle 7 gehalten.und angetrieben. Die Bezugsziffer 8 bezeichnet eine stationäre Einlaßleitung, durch welche das Gemisch der zu trennenden Medien der Trennkammer 9 zugeführt wird. Während des Trenn- bzw. Separationsvorganges strömt die leichte Komponente des Gemisches radial nach einwärts zwischen die Scheiben in einer Scheibenanordnung 10 und dann durch eine Ausgangsleitung 11. Die abgetrennte bzw. separate schwere Komponente des Gemisches verbleibt in der Trennkammer 9 und bildet eine allmählich anwachsende Schicht 12 im radial äußeren Teil.

Das untere Teil 4 des Rotors besitzt längs seines Umfanges eine Anzahl von öffnungen 13, die normalerweise durch ein Ventilglied 14 geschlossen sind, das innerhalb des Zentrifugenrotors axial bewegbar ist. Wenn eine bestimmte Menge der schweren Komponente im Zentrifugenrotor separiert worden ist, können die Auslaßöffnungen 13 durch Bewegen des Gliedes 14 axial nach unten

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abgedeckt bzw. geöffnet werden, so daß ein Teil des Rotorinhalts durch die öffnungen 13 nach außen geschleudert wird. Die Wirkungsweise des Zentrifugenrotors der Fig. 3 ist in der o.g. US-PS 3 986 663 im einzelnen beschrieben.

Der Rotor der Fig. 3 ist durch zwei kombinierte Hülsen gemäß Fig. 1 verstärkt, wobei jede Hülse eine dünne, innen konische Hülse 1 und eine sie umgebende fasernverstärkte Außenhülse 2 enthält. Diese kombinierten Hülsen sind um leicht konische Bereiche des unteren Rotorteiles k koaxial angeordnet. Vorzugsweise sind die Innenhülsen 1, die sehr dünn sind, aus einem Material hergestellt, das eine bestimmte bzw. ausgeprägte Fließ- bzw. Streckgrenze besitzt. Die Außenhülsen 2 sind vorzugsweise in der Form eines Laminats bzw. schichtstoffes aus einem vernetzungsfähigen Harz, beispielsweise Epoxidharz, und Kohlefasern hergestellt. Andere Fasern, beispielsweise Glasfasern, können ebenfalls verwendet werden. Des weiteren kann das Kunststoffmaterial, wie beispielsweise Aluminium, ersetzt werden.

Versuche wurden unter Verwendung einer Konizität von 1:20 durchgeführt. Um jedoch die Materialmenge zu reduzieren, die vom Rotor abgenommen werden muß, um die gewünschte Konizität zu erhalten, wird eine sanftere bzw. geringere Konizität von z.B. 1:100 bevorzugt. Gute Resultate erhielt man bei der Verwendung von Flächenpressungen zwischen den vorspannenden Hülsenkombinationen und dem Rotor, die bei stillstehendem Rotor im Bereich von 1 kp/cm liegen.

Die Ergebnisse zeigen, daß es bei Verwendung einer Faserverstärkung gemäß der Erfindung relativ leicht ist, die maximale Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors um 20 bis 25 % zu erhöhen, was einer Erhöhung des Separationseffektes im Bereich von UO bis 50 % entspricht. Daraus ergibt sich, daß viele

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Separationsvorgänge beschleunigt und/oder effektiver gemacht werden können und daß neue Anwendungen der Separationstechnik möglich werden.

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Claims

Patentansprüche

Faserverstärkter Rotor mit mindestens einem faserverstärktem Außenring oder -hülse, der bzw. die koaxial um ein Rotorinnenteil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorteil (3) eine konische Außenfläche besitzt, daß die faserverstärkte Hülse (2) an der Außenfläche einer innen konischen Zwischenhülse (1) angeordnet ist, deren Konifcität derjenigen des Rotorteils entspricht, und daß die Zwischenhülse (1) mit der faserverstärkten Außenhülse (2) mit dem inneren Rotorteil (Ό fest verbunden ist.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenhülse (1) mit der faserverstärkten Außenhülse (2) auf das innere Rotorteil (3) derart aufgepreßt ist, daß eine hochgespannte Flächennressung zwischen den verschiedenen Teilen besteht.

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3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die faserverstärkte Hülse (2) in der Form eines Schichtstoffes aus Kunststoff und Kohlefasern hergestellt ist.
4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daP die Zwischenhülse (1) aus einem Material besteht, das eine ausgeprägte Streckgrenze besitzt.
5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis U, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenhülse (1) aus einem Material besteht, das im wesentlichen dieselbe Dichte bzw. spez. Gewicht wie das Material des inneren Rotorteils (3) besitzt.
6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß sowohl die Dicke der faserverstärkten Hülse (2) als auch die Gesamtheit der Materialdicken von innerem Rotorteil (3) und Zwischenhülse (1) über die Länge des Rotors konstant ist.
7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß er einen Teil des Zentrifugal-Separators bildet.
8. Rotor mit einer Anzahl von Auslaßöffnungen an seinem Umfang, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine an einer Zwiechenhülse (1) angeordnete faserverstärkte Hülse (2) zu beiden Seiten der Öffnungen (13) am Rotor befestigt ist.
9. Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Rotors nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein faserverstärkter Außenring oder -hülse koaxial um ein inneres Rotorteil angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Rotorteil (3) mit einer konischen Außenfläche versehen wird,

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daß die faserverstärkte Hülse (2) an der Außenfläche einer innen konischen Zwischenhülse (1) angebracht wird, deren Konizität derjenigen des Rotorteils entspricht, und daß die Zwischenhülse (1) mit der faserverstärkten Außenhülse (2) auf das innere Rotorteil (3) in axialer Richtung gepreßt wird, bis eine gewünschte Flächenpressung zwischen den verschiedenen Teilen erreicht ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die faserverstärkte Hülse (2) in der Form eines Schichtstoffs aus Kunststoff und Kohlefasern hergestellt wird.
11. Vorrichtung zum Verwenden beim Herstellen des faserverstärkten Rotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine innen konische Hülse (1) besitzt, deren Konizität derjenigen des inneren Rotorteils (3), auf der sie befestigt werden soll,entspricht, und daß sie eine faserverstärkte Außen* hülse (2) aufweist, die auf der Außenfläche der ersteren Hülse (1) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülse (2) in der Form eines Schichtstoffs aus Ku^fitfrstoff und Kohlefasern hergestellt ist und daß die innen konische Hülse (1) aus einem Material hergestellt ist, da· _;ein* ausgeprägte Streckgrenze besitzt.
13. Zentrifugal-Separator, enthaltend einen Rotor gemäß Anspruch

- ENDE DER ANSPRÜCHE -

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