DE3523518C2 - Ringförmiger Schaufelkörper mit einem integralen Schaufelring und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents
Ringförmiger Schaufelkörper mit einem integralen Schaufelring und Verfahren zur Herstellung desselbenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen ringförmigen integralen
Schaufelkörper mit einer Scheibe, die mehrere radial vorstehende
profilierte Schaufelblätter am Umfang aufweist und eine zentrale
Öffnung besitzt, wobei ein Schaufelring die radial äußeren Enden
der Schaufel verbindet. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein
Verfahren eines derartigen ringförmigen integralen Schaufelkör
pers.
Aus der GB 2 065 016 A ist es bekannt, ringförmige integrale
Schaufelkörper für den Axialkompressor eines Gasturbinentrieb
werks dadurch herzustellen, daß ein Kunstharzmatrixmaterial in
eine Form eingespritzt wird, die Verstärkungsfasern enthält,
welche in vorbestimmter Weise ausgerichtet sind. Bei diesem Her
stellungsverfahren bestehen Probleme insofern, als die Fasern
beim Einspritzen der Matrix in der gewünschten Lage gehalten
werden müssen. Außerdem ist es schwierig zu gewährleisten, daß
sämtliche Fasern so angeordnet sind, daß der Schaufelkörper
optimale Festigkeitseigenschaften erhält. Außerdem stellt die
Anordnung der Verstärkungsfasern eine aufwendige und zeitrau
bende Handarbeit dar, was zu hohen Fertigungskosten führt.
Aus der DE 31 03 821 A1 ist ein keramischer Gasturbinenrotor be
kannt, bei dem der äußere Umfang eines Keramikrades mit einem
Faserwicklungs-Verbundmaterial in Form eines Reifens umgeben
ist. Dieser sitzt auf dem Außenmantel und führt zu einer
Druckschlagung der Keramikkomponenten während der Rota
tion.
Aus der US 4 354 804 ist ein Turbinenrad mit einer Nabe be
kannt, die Kohlenstoffäden imprägniert mit einem Kunstharz um
faßt, wobei Schnittfasern von Kohlenstoff als Verstärkungsfasern
in der Nabe und den Schaufeln angeordnet sind, die rings um die
Nabe herum angeordnet sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
gattungsgemäßen integralen Schaufelkörper zu schaffen, der aus
einem faserverstärkten verbundmaterial besteht, billig in der
Herstellung ist und gute Festigkeitseigenschaften besitzt.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs
teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Verfahrensmäßig ge
löst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil
des Anspruchs 2 bzw. 4 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausge
staltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Erfindung wird eine selbsttätige Ausrichtung der
kurzgeschnittenen Verstärkungsfasern in Beanspruchungsrichtung
gewährleistet, wobei diese Faserabschnitte in Beanspruchungs
richtung verbleiben, bis das Matrixmaterial erstarrt ist. Es hat
sich gezeigt, daß die Festigkeitseigenschaften der mit solchen
kurzgeschnittenen Fasern versehenen Konstruktionsteile jenen
Konstruktionsteilen ebenbürtig sind, die unter Benutzung durch
gehender Verstärkungsfasern hergestellt sind. Nach der Erfindung
wird jedoch das kostenaufwendige Voreinlegen durchgehender
Fasern oder Fasersträngen in die Form vermieden.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung
zeigen:
Fig. 1-5 verschiedene Stufen des Herstellungs
verfahrens einer beschaufelten Scheibe
mit einem integralen Schaufelring gemäß
der Erfindung;
Fig. 6 eine beschaufelte Scheibe gemäß der
Erfindung;
Fig. 7 eine Schnittansicht eines Teils der
beschaufelten Scheibe gemäß Fig. 6;
Fig. 8 eine Schnittansicht eines Teils der
beschaufelten Scheibe gemäß Fig. 6
montiert auf einer drehbaren Welle.
Gemäß Fig. 1 bis 5 umfaßt ein Teil 10 einer teil
baren Form 11 einen scheibenförmigen Abschnitt 12,
auf dem eine ringförmige Anordnung von Einsätzen 13
angeordnet ist. Die Einsätze 13 sind so ausgebildet,
daß ihre benachbarten Oberflächen 14 die Flanken
einer ringförmigen Anordnung von radial verlaufenden,
in Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegenden
stromlinienförmigen Schaufelblätter bilden. Der
scheibenförmige Abschnitt 12 ist zusätzlich mit einem
zylindrischen Einsatz 15 im Zentrum ausgestattet, um
ein zentrales Loch in der beschaufelten Scheibe zu
bilden, die hierdurch erzeugt wird.
Eine trockene, d. h. unbenetzte Kohlenstoffaser 16 ist unter
Spannung ringsum den radial äußeren Umfang der Einsätze
13 gewickelt, um einen Faserring zu definieren, wie
aus Fig. 2 ersichtlich. Dieser Faserring bildet die
Verstärkung eines kontinuierlichen Schaufelrings der
beschaufelten Scheibe, die auf diese Weise erzeugt wird.
Ein solcher äußerer Schaufelring ist notwendig, um die
Zentrifugalbelastungen aufnehmen zu können, die auf
die stromlinienförmigen Schaufelblätter während der
Drehung ausgeübt werden. Dann wird die Form 11 ge
schlossen, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, indem der
äußere Abschnitt 17 aufgelegt wird, so daß ein Hohlraum
definiert wird, der die Form der beschaufelten Scheibe
besitzt und dabei einen kontinuierlichen integralen
Schaufelring aufweist. Die Form 11 hat eine zentrale
Zutrittsöffnung 18 und mehrere radial äußere Zutritts
öffnungen 19 am äußeren Umfang. Mehrere Schraubbolzen
und Muttern halten die beiden Teile 10 und 17 zusammen.
Dann wird die Form 11 in eine herkömmliche Spritz
gußmaschine 21 eingebracht, wie dies in Fig. 4
ersichtlich ist und eine Mischung kurzer geschnitte
ner Kohlenstoffasern mit einem Epoxydharz wird in die
Form 11 über die zentrale Zutrittsöffnung 18 einge
spritzt. Die Faser/Kunstharzmischung füllt den zen
tralen Hohlraum innerhalb der Form 11 aus, um eine
Scheibe 22 zu definieren, wie dies am besten aus
Fig. 6 ersichtlich ist. Dann strömt die Mischung
zwischen den benachbarten Oberflächen 14 der Einsätze
13 um eine Mehrzahl radial verlaufender stromlinien
förmiger Schaufeln 23 zu bilden, die ebenfalls in
Fig. 6 dargestellt sind und integral mit der Scheibe
22 verbunden sind. Fig. 7 zeigt das Strömungsmuster
der Faser/Kunstharzmischung nachdem diese Mischung
zwischen die Einsätze 13 eingeströmt ist. Es ist er
sichtlich, daß die durch die Einsätze 13 bewirkte Ver
engung bewirkt, daß die einzeln geschnittenen Fasern
24 zwischen den Einsätzen 13 sich in Radialrichtung
ausrichten. Außerdem sind die geschnittenen Fasern 24
in den Bereichen der radial inneren Teile der Schaufel
blätter 23, obgleich sie sich nicht radial erstrecken,
so angeordnet, daß eine feste Verbindung zwischen den
Schaufelblättern 23 und der Scheibe 22 gewährleistet
wird. Es ist aus Fig. 7 auch ersichtlich, daß ein Teil
der eingespritzten Faser/Harzmischung in die aufge
wickelte Kohlenstoffaser 16 eindringt, die die Einsätze
13 umschließt. Dies bewirkt eine gewisse Imprägnierung
der aufgewickelten Kohlenstoffaser, so daß eine mecha
nische Verbindung der geschnittenen Fasern 24 mit der
aufgewickelten Faser 16 hergestellt wird. Es ist somit
ersichtlich, daß diese Verbindung von geschnittenen
Fasern mit der aufgewickelten Faser zu einer festen
Verbindung zwischen den so gebildeten
profilierte Schaufelblättern 23 und der aufgewickelten
Faser 16 dient.
Die Vollendung der Imprägnierung der aufgewickelten
Kohlenstoffaser 16 wird dadurch erreicht, daß ein
Epoxydharz durch Zuführungsrohre 24 eingespritzt
wird, die in die Eintrittsöffnungen 19 des Formteils
17 eingebaut sind. Dadurch wird der kontinuierliche
integrale Schaufelring 30 definiert, der die radial
äußeren Enden der stromlinienförmigen Schaufeln 23
verbindet.
Sobald eine vollständige Imprägnierung der aufge
wickelten Kohlenstoffaser 16 vollendet ist, wird
die Form 11 in einen Ofen eingelegt und einem ge
eigneten Erhitzungszyklus unterworfen, um das Harz
auszuhärten. Die Form 11 wird dann aus dem Ofen ent
fernt und abgekühlt, bevor sie wieder geteilt wird,
um die so hergestellte beschaufelte Scheibe 25 sichtbar
zu machen, die aus Fig. 6 ersichtlich ist.
Wie oben erwähnt, dient der zylindrische Einsatz 15
dazu, ein zentrales Loch in der beschaufelten Scheibe
15 herzustellen, und dieses Loch 26 ist aus Fig. 6
ersichtlich. Das Loch 26 ermöglicht die Lagerung der
beschaufelten Scheibe 25 auf der drehbaren Welle 27
eines Gasturbinentriebwerks, von dem ein Teil aus
Fig. 8 ersichtlich ist. Ein Flansch 28 ist an der Welle
27 vorgesehen, um die beschaufelte Scheibe 25 aufzuneh
men. Aufeinander ausgerichtete Löcher 29 und 31 sind
in der beschaufelten Scheibe 25 bzw. dem Flansch 28
vorgesehen, um nicht dargestellte Bolzen aufzunehmen,
die die beiden Teile miteinander verbinden.
Gemäß einem abgewandelten Herstellungsverfahren der
Erfindung wird das oben beschriebene Verfahren wieder
holt mit dem Unterschied, daß die aufgewickelte Faser
16 durch einen fertig geformten Schaufelring ersetzt
ist und der Einspritzschritt für den Schaufelring weg
fällt. Ein solcher Schaufelring würde eine kontinu
ierliche Kohlenstoffaser in einem Epoxydharz-Matrix
material umfassen. Bei einem solchen Verfahren der
Herstellung würde jedoch die eingespritzte Faser-Kunst
harz-Mischung den Schaufelring natürlich nicht impräg
nieren. Das Epoxyd-Kunstharz in dem Schaufelring könnte
ausgehärtet werden, bevor der Einspritzvorgang erfolgt
oder statt dessen könnte er unausgehärtet belassen wer
den, so daß er anschließend zusammen mit dem Epoxyd-
Kunstharz der eingespritzten Faserstoff-Kunstharz-
Mischung ausgehärtet wird.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf die
Herstellung einer beschaufelten Scheibe 25 beschrieben,
die aus Kohlenstoffasern sowohl geschnittenen Kohlen
stoffasern als auch einer kontinuierlichen Kohlenstoff-
Faser in Verbindung mit einer Epoxydharz-Matrix herge
stellt wurden. Es können jedoch auch andere Materialien
benutzt werden. So kann der Schaufelring 30 der be
schaufelten Scheibe 25 durch Fasern aus Siliciumkarbid,
Stahl oder Aluminiumoxid verstärkt werden, wobei als
Matrixmaterial Aluminium oder Legierungen hiervon,
Magnesium oder Legierungen hiervon, Titan oder Legie
rungen hiervon, oder ein Polyamid-Kunstharz in Be
tracht kommen. In gleicher Weise könnte die Scheibe
22 mit den stromlinienförmigen Schaufelblättern im
Spritzgußverfahren mit geschnittenen Fasern aus
Siliciumkarbid oder Aluminiumoxid in einer Matrix
aus Aluminium oder Legierungen hiervon oder Mag
nesium oder Legierungen hiervon, oder Titan oder
Legierungen hiervon, oder statt dessen in einer
Matrix aus hochtemperaturfesten thermoplastischen
Polymeren, beispielsweise aus Polyätherätherketon
oder einem Polyäthersulphon hergestellt werden.
Außerdem brauchen Scheibe 22 und stromlinienförmige
Schaufeln 23 sowie der Schaufelring 30 nicht aus der
gleichen Kombination von Fasern und Matrixmaterial zu
bestehen.
Es ist klar, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch
zur Herstellung von beschaufelten Läufern 25 benutzt
werden kann, die mit einspringenden Teilen versehen
sind, die nach der Formgebung nicht auf einfache Weise
aus der Form 11 entfernt werden können. Unter solchen
Umständen könnten Formeinsätze 13 Anwendung finden, die
aus einer Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt
bestehen. Die Legierung könnte dann ausgeschmolzen
werden, bevor die beschaufelte Scheibe 25 aus der Form
11 entnommen wird. Wenn der beschaufelte Rotor 25 aus
einem faserverstärkten Metallmatrixmaterial hergestellt
wird, dann könnten in Wasser dispergierbare, auf Keramik
material basierende Einsätze 13 statt dessen benutzt
werden.
Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit
einem beschaufelten Rotor und einem Herstellungs
verfahren eines solchen beschaufelten Rotors be
schrieben. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung
nicht beschränkt ist auf Läuferteile, und daß sie
auch für Statorteile Anwendung finden kann. Im
Falle eines beschaufelten Statorrings müßte die
Trägerscheibe für die stromlinienförmigen Schaufel
schäfte eine Öffnung mit größerem Durchmesser in
der Mitte aufweisen, so daß die gelochte Scheibe
als Ringkörper ausgebildet wird, um einen Träger
für die radial inneren Abschnitte der stromlinien
förmigen Schaufelschäfte zu bilden.
Claims (9)
1. Ringförmiger integraler Schaufelkörper mit einer
Scheibe, die mehrere radial
vorstehende profilierte förmige Schaufel
blätter am Umfang aufweist und eine
zentrale Öffnung besitzt, wobei ein
Schaufelring die radial äußeren Enden der
Schaufeln verbindet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (27)
und die profilierten Schaufelblätter
(23) aus einem Verbundmaterial geformt sind,
das aus einer Vielzahl kurzer Verstärkungs
fasern besteht, die innerhalb eines Matrix
materials dispergiert sind, wobei wenigstens
die Mehrzahl der kurzen Verstärkungsfasern
innerhalb der profilierten Schaufel
blätter (23) allgemein radial ausgerichtet sind,
und daß der Schaufelring (30) aus einer
im wesentlichen kontinuierlich umlaufenden
Verstärkungsfaser besteht, die in dem
Matrixmaterial eingeschlossen ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen integralen
Schaufelkörpers nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesent
lichen kontinuierliche Verstärkungsfaser rings um den
radial äußeren Umfang einer ringförmigen An
ordnung von Einsätzen (13) gewickelt wird,
die in einer teilbaren Form (11) angeordnet
sind, welche die Form des integralen Schaufel
körpers (25) definiert, und daß die Einsätze
(13) so angeordnet sind, daß die Zwischen
räume zwischen benachbarten Einsätzen die
Schaufeln des Schaufelkörpers definieren, so
daß die Verstärkungsfaser des Schaufelrings (30) die Form
(11) schließt, und daß eine Mischung kurzer
Verstärkungsfasern in einem Matrixmaterial in den zen
tralen Abschnitt des Innenteils der Form (11)
derart eingespritzt wird, daß die Mischung
den zentralen Abschnitt ausfüllt und zwischen
den Einsätzen (13) derart strömt, daß der
Hauptteil der kurzen Verstärkungsfasern zwischen den Ein
sätzen (13) allgemein radial ausgerichtet
wird, um partiell die aufgewickelte kontinuierliche Verstärkungsfaser
zu imprägnieren, und daß ein Matrixmaterial
in die aufgewickelte kontinuierliche Verstärkungsfaser derart eingespritzt
wird, daß jeder Teil hiervon imprägniert wird,
der nicht, bereits vorher durch die Mischung von
Matrixmaterial und kurzen Verstärkungsfasern imprägniert
wurde, so daß der integrale Schaufelring
definiert wird, und daß abschließend die Form
(11) geöffnet wird, um den so erzeugten integralen
Schaufelkörper (25) freizugeben.
3. Verfahren zur Herstellung eines integralen
Schaufelkörpers nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die im wesent
lichen kontinuierlich um die radial äußeren
Umfänge der Einsätze (13) gewickelte Verstärkungsfaser
unter Zugspannung aufgewickelt ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines integralen
Schaufelkörpers nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die im wesent
lichen kontinuierliche Verstärkungsfaser des Schaufel
rings (30) aus Kohlenstoff, Siliciumkarbid,
Stahl oder Aluminiumoxid besteht.
5. Verfahren zur Herstellung eines integralen
Schaufelkörpers nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen Verstärkungsfasern
aus Kohlenstoff, Siliciumkarbid oder Aluminium
oxid bestehen.
6. Verfahren zur Herstellung eines integralen
Schaufelkörpers nach Anspruch 2 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial,
welches mit den kurzen Verstärkungsfasern vermischt ist, aber
einem Epoxydharz, einem Polyätherätherketon-
Kunstharz, einem Polyäthersulphon-Kunstharz, aus
Aluminium oder
Magnesium oder Titan
oder Legierungen dieser Metalle besteht.
7. Verfahren zur Herstellung eines integralen
Schaufelkörpers nach Anspruch 2 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial
in dem Schaufelring (30) ein Epoxydharz, ein
Polyamid, Aluminium
oder Magnesium oder
Titan oder eine Legierung hiervon ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines integralen
Schaufelkörpers nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze
(13) aus einer Legierung mit niedrigem
Schmelzpunkt bestehen, und daß die
Legierung ausgeschmolzen wird, bevor der
so erzeugte Schaufelkörper aus der Form
(11), entnommen wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines integralen
Schaufelkörpers nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (13)
aus einer Keramikzusammensetzung bestehen,
die in Wasser dispergierbar ist.
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