DE3523516C2 - Verfahren zur Herstellung eines Verdichterrotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines aus Welle(n)-Scheibe(n) und Laufschaufeln bestehenden Rotors eines Verdichters aus Matrixmaterial mit Verstärkungs­ fasern.

Derartige aus Kunstharzmaterial bestehende Verdichterläufer sind vorteilhaft im Hinblick auf ihr geringes Gewicht und geringe Materialkosten. Um die erforderliche Festigkeit in Beanspru­ chungsrichtung zu gewährleisten, müssen die Verstärkungsfasern innerhalb der Kunstharzmatrix in Beanspruchungsrichtung ausge­ richtet sein. Dies bereitet bei der Herstellung erhebliche Schwierigkeiten.

Die GB-PS-1 237 533 beschreibt die Herstellung eines integralen Laufschaufelkranzes für den Axialkompressor eines Gasturbinen­ triebwerks. Hierbei wird eine Kunstharzmatrix in eine Form ein­ gespritzt, die Verstärkungsfasern enthält, welche in vorbe­ stimmter Weise vorher ausgerichtet wurden. Diese Ausrichtung er­ folgte dadurch, daß die Verstärkungsfasern kontinuierlich über entsprechend am Umfang angeordnete Umlenkdübel gefädelt wurden. Diese Auffädelung ist sehr aufwendig und zudem verlaufen die Fasern in einer von der radialen Beanspruchungsrichtung abwei­ chenden Richtung, weil die Fasern tangential um die Welle herum­ geführt werden müssen. Das Aufwickeln stellt eine zeitaufwendige Handarbeit dar. Außerdem müssen die beschaufelten Scheiben auf einer getrennten Welle montiert werden, wodurch der Rotoraufbau sehr kostenaufwendig wird.

Die US-PS-53 403 844 beschreibt einen beschaufelten Rotor mit einer Rotorscheibe und integral hieran ansetzenden stromlinien­ förmigen Schaufelblättern. Die Schaufelspitzen sind über einen integralen Schaufelring miteinander verbunden. Der beschaufelte Rotor wird durch kontinuierliche Fasern verstärkt, die vor dem Eingießen des Matrixmaterials in ihre endgültige Lage gebracht werden müssen, in der sie verbleiben, wenn das Ausgießen mit Kunstharzmaterial erfolgt. Dieses Ausrichten der Fasern bedingt wiederum eine mühsame Handarbeit, die die Herstellung der Auf­ bauten außerordentlich verteuert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kompressor-Rotoraufbaus anzugeben, mit dem eine einfache kostengünstige Herstellung möglich wird, ohne daß es notwendig wäre, die Fasern bzw. Faserstränge vor dem Aus­ gießen mit dem Matrixmaterial in einer Schablone oder derglei­ chen zu fixieren.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs­ teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Der Erfindung liegt demgemäß die Erkenntnis zugrunde, daß bei kurzgeschnittenen Verstärkungsfasern eine selbsttätige Ausrich­ tung in Beanspruchungsrichtung möglich ist, wobei diese Fasern in Beanspruchungsrichtung verbleiben, bis das Matrixmaterial er­ starrt ist. Es hat sich gezeigt, daß die Festigkeitseigenschaf­ ten der mit solchen kurzgeschnittenen Fasern versehenen Kon­ struktionsteile jenen Konstruktionsteilen ebenbürtig sind, die unter Benutzung durchgehender Verstärkungsfasern hergestellt sind.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-14.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer teilbaren Form zur Benutzung bei dem Verfahren gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der teilbaren Form gemäß Fig. 1, welche vier Trägerringe umfaßt;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer teilbaren Form nach Fig. 2, die zusätzlich mit einer Faser ausge­ stattet ist, die um einen Trägerring herumgewickelt ist;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Kompressor-Rotoraufbaus gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine allgemein zylindrische, teilbare Form 10 einen zylindrischen Kern 11, der eine integrale Scheibe 12 an einem Ende aufweist, die senkrecht zur Längsachse 13 des Kerns angeordnet ist. Die Scheibe 12 ist bei 14 in Umfangsrichtung gestuft, um ein hohles, zylindrisches Rückhalteglied 15 aufzunehmen. Das Rück­ halteglied 15 umschließt mehrere allgemein scheibenförmig ausgebildete Teile 16, 17, 18, 19, 20a und 20b, die zu­ sammen die Innengestalt der Form 10 definieren. Diese Gestalt bildet einen Kompressor-Rotoraufbau gemäß der Erfindung, der in seiner endgültigen Form bei 21 in Fig. 4 dargestellt ist.

Der Kompressor-Rotoraufbau 21 umfaßt eine Hohlwelle 22, auf der zwei Scheiben 23 und 24 und ein Lager­ flansch 25 für eine weitere, nicht dargestellte Scheibe integral angeordnet sind. Die Scheiben 23 und 24 und der Flansch 25 liegen in parallelen Ebenen, die senkrecht zur Längsachse der Welle 22 verlaufen. Die Scheiben 23 und 24 sind jeweils an ihren Umfängen mit einer ringförmigen Anordnung von radial verlaufen­ den stromlinienförmigen Schaufelblättern 26 und 27 versehen. Die Schaufelblätter 26 und 27 sind mit ihren jeweiligen Scheiben 23 und 24 integral verbunden und jeweils mit Trägerringen ausgestattet, die die Form integraler Schaufelringe 28, 29 besitzen, um eine radiale Abstützung für die stromlinienförmigen Schaufelblätter 26, 27 bei Drehung des Kompressor-Rotoraufbaus 21 zu schaffen. Ein zusätzlicher radialer Träger für die strom­ linienförmigen Schaufelblätter 26 und 27 wird jeweils durch die Schaufelringe 30 und 31 gebildet, die inner­ halb der Scheiben 23 und 24 benachbart zu den radial inneren Bereichen der Schaufelblätter 26 und 27 ange­ ordnet sind. Der Kompressor-Rotoraufbau 21 ist sowohl mit Schaufelringen 28 und 29 und Trägerringen 30 und 31 versehen, um eine radiale Abstützung für die Schaufel­ blätter 26 und 27 zu schaffen. Es sind jedoch Anwendungs­ fälle denkbar, bei denen nur eine Form der Abstützung erforderlich ist. Im wesentlichen wird das Ausmaß der radialen Abstützung, die jeweils erforderlich ist, be­ stimmt durch die Drehzahl des Kompressor-Rotoraufbaus 21, der dieser wahrscheinlich im Betrieb ausgesetzt ist, und zwar im Hinblick auf die Zentrifugalbelastungen der Schaufelblätter 26 und 27, die die radiale Ab­ stützung benötigen. So kann jede beschaufelte Scheibe 23 und 24 jeweils mit einem oder beiden Trägerringen 28 und 29 und den Trägerringen 30 und 31 versehen sein.

Der Kompressor-Rotoraufbau 21 besteht hauptsächlich aus geschnittenen Kohlenstoff-Fasern dispergiert in einer Polyätherätherketon-Kunstharzmatrix. Die Schau­ felträgerringe 28 und 29 und die Trägerringe 30 und 31 sind jedoch aus aufgewickelten Kohlenstoff-Fasern hergestellt, die in einer Matrix aus einem Epoxydharz eingebettet sind. Die Trägerringe 30 und 31 sind getrennt aus einer Kohlenstoff-Faser hergestellt, die in einer Epoxydharz-Matrix eingebettet ist, und zwar durch herkömmliche Aufwickelverfahren. Ein solcher aufgewickelter Trägerring wird dann in der teilbaren Form 10 eingelegt, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist, welche die teilbare Form 10 in teilweise zu­ sammengebauter Form zeigt. Jede Scheibe 23 und 24 ist jeweils mit vier Trägerringen 30 und 31 versehen. Die Trägerringe 30 und 31 sind innerhalb der Teile 17 und 19 so gelagert, daß sie koaxial zur Achse 13 liegen und sie sind im axialen Abstand zueinander angeordnet. Der axiale Abstand wird durch eine Zahl von Abstands­ stangen 32 hergestellt, die durch entsprechende Löcher in den Trägerringen 30 und 31 geführt sind und allge­ mein parallel zur Längsachse 13 des Formkerns 11 ver­ laufen, wie ebenfalls aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Jedes der Teile 17 und 19 weist eine ringförmige Anordnung von Abstandselementen auf, von denen eine Reihe 33 aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die individuellen Abstandshalter 34 sind in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet und ihre einander zu­ gewandten Flächen sind so ausgebildet, daß sie die Form der stromlinienförmigen Schaufelblattflanken definieren, so daß im Zusammenwirken miteinander die Abstandshalter 34 die Form der stromlinienförmigen Schaufeln 26 definieren.

Die Schaufelträgerringe 28 und 29 sind beide durch das gleiche Verfahren hergestellt. Bei jenem Verfahren, welches in Verbindung mit der Erzeugung der Schaufel­ trägerringe 28 erläutert wurde, wird eine trockene kontinuierliche Kohlenstoff-Faser unter Spannung um die radial äußeren Umfänge der Einsätze 34 gewickelt, um einen Faserring 35 zu bilden, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Der Faserring 35 wird danach mit einer Kunstharzmatrix imprägniert, wie dies später beschrieben wird, damit ein Schaufelträgerring 28 gebildet wird.

Wenn die Trägerringe 30 und 31 in den Formteilen 17 und 19 untergebracht sind und die trockene Faser 35 um die Einsätze 34 in beiden Formteilen 17 und 19 herumgewickelt ist, dann wird die Form 10 in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise zusammengebaut. Während des Zusammenbaus der Form 10 werden hohle zylindrische Gleitlagereinsätze 36 um den Kern 11 im radialen Abstand hierzu angeordnet. Diese dienen als Lager­ oberflächen auf der Welle 22 des fertigen Kompressor- Rotoraufbaus 21. Ein weiterer hohler zylindrischer Einsatz 37 mit einer in Längsrichtung mit Keilnuten versehenen inneren Oberfläche ist um den Kern 11 herumgelegt. Dieser Einsatz 37 erzeugt einen Keilab­ schnitt auf der Welle 22 des Kompressor-Rotoraufbaus 21, um seine Ankopplung an geeignete Mittel zu er­ möglichen, die den Kompressor-Rotoraufbau 21 an­ treiben.

Wenn die teilbare Form 10 vollständig in der oben beschriebenen Weise zusammengebaut ist, dann wird eine Mischung kurzer geschnittener Fasern in einer Poly­ ätherätherketon-Kunstharzmatrix in jenen Abschnitt der Form 10 eingespritzt, der die Welle 22 definiert, und zwar erfolgt die Einspritzung in Axialrichtung wie durch den Pfeil 36 angedeutet. Eine Kappe 38, die die Mischungsströmung um den Kern 11 herumführt, ist am Ende des Kerns 11 angeordnet. Die eingespritzte Mischung fließt weiter durch jenen Abschnitt des Inneren der Form 10, der die Welle 22 definiert, um zunächst in den hohlen Abschnitt 39 des Formteiles 20 einzutreten, der dazu dient den Lagerflansch 25 zu definieren. Dann strömt die Mischung längs der Ab­ stände zwischen dem Kern 11 und der radial inneren Oberfläche der Formteile 16, 17, 18, 19, 20a und 20b, so daß die Welle 22 hergestellt wird und dann strömt die Mischung in die Formteile 17 und 19, um die Scheiben 23 und 24 und die Schaufelblätter 26 und 27 zu bilden.

In jenen Teilen des Formhaltegliedes 15, die be­ nachbart zu den Ringen der Trockenfaser 35 liegen, welche um die Einsätze 34 gewickelt sind, befinden sich ringförmige Anordnungen von Löchern 40 und 41. Diese Lochreihen 40 und 41 haben zwei Funktionen. Zunächst ermöglichen sie das Entweichen von Luft aus der Form 10, während die Mischung aus geschnitte­ nen Fasern und Kunstharzmatrix eingespritzt wird. Zweitens erlauben sie das Einspritzen einer Epoxyd- Kunstharzmatrix in jene Abschnitte der aufgewickelten Faser 35, die durch die eingespritzte Mischung aus geschnittenen Kohlenstoff-Fasern und Kunstharzmatrix noch nicht imprägniert sind. Es findet eine gewisse Imprägnierung der aufgewickelten Faser 35 durch die Mischung aus geschnittenen Kohlenstoff-Fasern und Kunstharzmatrix statt, und dies begünstigt eine feste Verbindung der Schaufelblätter 26 und 27 und ihrer jeweiligen Schaufelträgerringe 28 und 29.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß durch Einspritzen der Mischung aus geschnittenen Fasern und Kunstharz längs der Achse des Kerns der Hauptteil der Fasern 42 in der Mischung sich selbst auf die Richtung der Strömung der Mischung ausrichtet, d. h. daß sie allge­ mein axial ausgerichtet sind. In gleicher Weise strömt die Faser-Kunstharz-Mischung, die in die Teile 17, 19 und 20a und 20b eintritt, allgemein in Radialrichtung, so daß der Hauptanteil der Fasern 42 in der Mischung innerhalb jener Formteile allgemein radial ausgerichtet wird. So ist in dem geformten Kompressor-Rotoraufbau 10 der Hauptteil der Fasern 42 innerhalb der Welle 22 allgemein axial ausgerichtet, während der Hauptteil der Fasern innerhalb der Lagerflansche 25, der Scheiben 23 und 24 und der Schaufelblätter 26 und 27 allgemein radial ausgerichtet ist.

Nachdem die Form 10 sowohl mit einer Mischung aus geschnittenen Kohlenstoff-Fasern und Polyätheräther­ keton-Kunstharz und Epoxyd-Kunstharz allein ausge­ spritzt ist, wird diese Form in einen Ofen einge­ legt und auf eine geeignete Temperatur erhitzt, um das Epoxyd-Kunstharz auszuhärten. Daraufhin wird die Form aus dem Ofen entnommen und demontiert, um den so hergestellten Kompressor-Rotoraufbau 21 freizulegen.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit der Herstellung eines Kompressor-Rotoraufbaus 21 beschrie­ ben, der aus Kohlenstoff-Fasern besteht eingeschlossen in einem Matrixmaterial aus einem Polyätherätherketon und einer Kunstharzmatrix. Es ist jedoch klar, daß erforderlichenfalls auch andere Materialien benutzt werden können. So könnte die eingespritzte Mischung geschnittene Fasern aus Siliciumkarbid oder Aluminium­ oxid enthalten, und das Matrixmaterial könnte ein Epoxydharz, ein Polyimidharz, Aluminium oder eine Legierung hiervon oder Magnesium oder eine Legierung hiervon oder Titan oder eine Legierung hiervon sein. In gleicher Weise könnte die aufgewickelte Faser 35 aus Siliciumkarbid, Stahl oder Aluminiumoxid bestehen und das eingespritzte Matrixmaterial könnte Polyäther­ ätherketon-Kunstharz, ein Polyimid-Kunstharz, Aluminium oder eine Legierung hiervon oder Magnesium oder eine Legierung hiervon oder Titan oder eine Legierung hiervon sein. Außerdem braucht die Matrixmaterial- Faserkombination der Schaufelträgerringe 28 und 29 nicht notwendigerweise die gleiche zu sein wie die des übrigen Kompressor-Rotoraufbaus 21.

Unter gewissen Umständen kann es erwünscht sein, die trockengewickelte Faser 35 durch einen vorge­ fertigten Trägerring 28 oder 29 zu ersetzen, der aus einer gewickelten Faser innerhalb eines Matrix­ materials besteht. Hierdurch würde natürlich die Notwendigkeit des zweiten Einspritzens des Matrix- Fasermaterials durch die Öffnungen 40 entfallen.

Die Trägerringe 30 und 31, die innerhalb der Scheiben 23 und 24 eingeschlossen sind, können aus Kohlen­ stoff-Fasern in einer Epoxyd-Kunstharzmischung be­ stehen, wie dies im vorliegenden Beispiel angegeben wurde. Sie können jedoch auch aus anderen Materialien bestehen, beispielsweise aus solchen, die bei der Her­ stellung der Schaufelträgerringe 28 und 29 benutzt werden.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit einem Kompressor- Rotoraufbau 21 beschrieben, der zwei beschaufelte Scheiben 23 und 24 und einen Lagerflansch 25 aufweist. Es ist jedoch klar, daß die Welle 22 auch mit einer beschaufelten Scheibe oder mit drei oder mehreren beschaufelten Scheiben ausgestattet sein könnte, falls dies erforderlich ist.

Es kann außerdem erwünscht sein, einen Kompressor- Rotoraufbau 21 zu schaffen, der zurückspringende Teile aufweist, und zwar insbesondere im Bereich der stromlinienförmig gestalteten Schaufelblätter 26 und 27. Wenn dies so ist, können die relevanten Abschnitte der Form 10, beispielsweise die Einsätze 34, aus einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt hergestellt werden, so daß die Einsätze ausge­ schmolzen werden können, nachdem der Kompressor- Rotoraufbau 21 durch das Spritzgußverfahren herge­ stellt ist. Falls der Gesamtteil des Kompressor- Rotoraufbaus 21 oder ein Teil hiervon unter Benutzung einer Metallmatrix hergestellt wird, dann können die jeweiligen Formteile aus einem in Wasser dispergier­ baren Keramikmaterial hergestellt werden.

Der in dieser Beschreibung benutzte Ausdruck "Welle" ist im breiten Sinne zu verstehen und soll auch Wellen umfassen, die einen großen Durchmesser im Verhältnis zum Durchmesser der Scheiben aufweisen, mit denen sie integral hergestellt sind. Die vorliegende Erfindung umfaßt demgemäß auch Trommelaufbauten, die Scheiben und integral hiermit angeordnete Schaufelreihen be­ sitzen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung eines aus Welle, Scheibe(n) und Laufschaufeln bestehenden Rotors eines Verdichters aus Matrixmaterial mit Verstärkungsfasern, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - es wird eine Form (10) mit einem zylindrischen Hohlraum für die Welle und mit diesem in Verbindung stehenden radial ver­ laufenden Hohlräumen für die Rotorscheibe(n) und Laufschaufeln hergestellt;
• - die Verstärkungsfasern werden kurzgeschnitten in das Matrixmaterial gemischt und die Mischung im spritzfähigen Zu­ stand axial in den zylindrischen Hohlraum eingespritzt, wobei sich die kurzen Fasern in Fließrichtung ausrichten und deshalb im Wellenbereich in axialer Ausrichtung und im Bereich von Rotorscheibe(n) und Schaufeln in radialer Ausrichtung verblei­ ben, wenn die Matrix erstarrt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein koaxial angeordneter Trägerring (30, 28) getrennt aus einem gewickelten Faseraufbau hergestellt und mit dem Rotor verbunden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faseraufbau auf dem radial äußeren Umfang jener Abschnitte der Form (10) aufgewickelt ist, die die Flanken der Schaufeln (26) definieren, wobei diese Faserwicklung mit einem Matrixmaterial imprägniert wird, nachdem das Einspritzen der Mischung aus kurzen Fasern und Matrixmate­ rial erfolgt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Kompressor-Rotoraufbaus nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser unter Spannung aufgewic­ kelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Trägerring (30) so innerhalb der Form (10) angeordnet wird, daß er koaxial inner­ halb der Scheibe (23) eingeschlossen ist, nachdem das Einspritz­ verfahren vollendet ist, so daß er benachbart zu den radial inneren Bereichen der so geformten Schaufelblätter (26) liegt und dadurch eine radiale Abstützung bildet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zusätzlicher Träger­ ring (30) innerhalb der Form (10) so angeordnet wird, daß er koaxial innerhalb der Scheibe (23) eingeschlossen ist, nachdem der Einspritzvorgang vollendet ist, wobei er benachbart zu den radial inneren Bereichen der so hergestellten Schaufelblätter (26) liegt und dadurch eine radiale Abstützung hierfür bietet.

7. Verfahren zur Herstellung eines Kompressor-Rotoraufbaus nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (10) mit wenigstens einem Lagereinsatz (36) versehen ist, der so innerhalb der Form (10) angeordnet und ausgebildet wird, daß er integral mit der Welle (22) des Kompressor-Rotoraufbaus (21) ist, nachdem das Spritz­ verfahren vollendet ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (10) mit einem Einsatz (37) versehen wird, der innerhalb der Form so angeordnet und ausge­ bildet ist, daß er integral mit der Welle (22) des Kompressor- Rotoraufbaus (21) wird, nachdem das Einspritzverfahren vollendet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, Siliciumkarbid oder Aluminiumoxid bestehen.

10. Verfahren zur Herstellung eines Kompressor-Rotoraufbaus nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial, in dem die kur­ zen Verstärkungsfasern eingebettet sind, ein Epoxydharz, ein Polyätherätherketon-Kunstharz, ein Polyimid-Kunstharz, Aluminium oder eine Legierung hiervon, oder Titan oder eine Legierung hiervon ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerringe (30, 28) aus Fasern aufgewickelt sind, die aus Kohlenstoff, Stahldraht, Silicium­ karbid-Fasern oder Aluminiumoxid-Fasern bestehen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserwicklung in einer Matrix aus einem Epoxyd-Kunstharz, einem Polyätherätherketon-Kunstharz, einem Polyimid-Kunstharz, Aluminium oder einer Legierung hier­ von, oder Magnesium oder einer Legierung hiervon, oder Titan oder einer Legierung hiervon eingebettet ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (10) wenigstens einige Teile enthält, die aus einer niedrig schmelzenden Legierung be­ stehen, und daß die Legierung aus der Form (10) ausgeschmolzen wird, bevor der eingespritzte Kompressor-Rotoraufbau der Form entnommen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (10) wenigstens einige Teile enthält, die aus einem in Wasser dispergierbaren Keramik­ material bestehen, und daß das Material aus der Form durch Be­ handlung mit Wasser entfernt wird, bevor der eingespritzte Kompressor-Rotoraufbau (21) entnommen wird.