DE3806593C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Rohrleitung für ein Triebwerk,
insbesondere Kühlleitung im Flugzeugbau, sowie ein Verfahren zur
Herstellung der Rohrleitung.
Die Rohrleitung ist im vorderen Bereich des Triebwerks angebracht.
Über das offene Ende der Rohrleitung wird Stauluft zum Triebwerk
gebracht, um dessen Getriebe zu kühlen. Bekannte Rohrleitungen
dieser Art werden aus hochfesten Stählen oder Titan hergestellt.
Durch die durch das Triebwerk bedingten dynamischen Belastungen
wird die Lebensdauer dieses Bauteils eingeschränkt.
Kunstharze, verstärkt mit hochfesten Fasern und organischen
Matrixwerkstoffen, wie Epoxid- oder Phenolharze, werden in
zunehmendem Ausmaß aufgrund ihrer günstigen mechanischen
Eigenschaften und geringem Gewicht als Ersatz für
Leichtmetallwerkstoffe, wie Aluminium oder Titan, hauptsächlich in
der Luftfahrtindustrie eingesetzt. Der Einsatzbereich dieser
Kunstharze endet in der Regel bei ca. 180°C. Im Bereich der
Raumfahrt und Militärluftfahrt wurde ein spezielles Polyimidharz
entwickelt, das Temperaturbelastungen bis zu 400°C standhält.
Aufgrund technologischer Schwierigkeiten kann dieses Kunstharz
jedoch noch nicht mit dem Wachstum des Einsatzes von
Faserverbundwerkstoffen in der Luftfahrtindustrie schritthalten.
Im Falle eines Triebwerkbrandes muß die Rohrleitung das Getriebe
des Triebwerks noch auf eine bestimmte Zeitdauer kühlen und einen
bestimmten Innendruck aushalten, die vom Triebwerkhersteller
vorgeschrieben werden.
Derartige Rohrleitungen wurden bisher aus hochtemperaturfestem
Stahl hergestellt. Die Betriebstemperatur der Rohrleitung beträgt
beim Start des Triebswerks 370°C und erreicht im Dauerbetrieb 180
bis 280°C. In Sonderfällen, z. B. im Brandfall, beträgt die
Temperatur ca. 1100°C. Diese Temperatur muß die Rohrleitung 15 min
aushalten, ohne durchzubrennen und undicht zu werden, wobei auch die
mechanische Festigkeit erhalten bleiben soll.
Durch die DE-OS 26 25 107 ist ein zweischichtiges Verbundrohr aus
Kunststoff bekannt, dessen Innenschicht aus einem chemikalien- und
temperaturbeständigen Kunststoff mit pulver- und/oder faserförmigem
Füllstoff hergestellt ist und dessen Außenschicht aus einem
armierenden, glasfaserverstärkten Kunstharz hergestellt ist, wobei
beide Schichten gleichzeitig unter Druck und erhöhter Temperatur
ausgehärtet werden.
Die CH-PS 6 23 908 beschreibt ein Kunststoffrohr mit einer Innen-
und einer Außenschicht, die jeweils glasfaserverstärkt sind, wobei
die Glasfasern in der Innenschicht in Umfangsrichtung und in der
Außenschicht axial ausgerichtet sind, um eine hohe
Druckbelastungsfähigkeit bei der Verwendung als Rohr für eine
Erdgasleitung zu gewährleisten. Nachdem die Innenschicht auf einem
Dorn gewickelt und ausgehärtet wurde, wird der Dorn entfernt und
durch einen anderen ersetzt, der einen axialen Druck erzeugt.
Während des Aufbringens und Aushärtens der Außenschicht wird
vorzugsweise gleichzeitig die Innenschicht mit einem Druckmedium
beaufschlagt. Auch hier wird offensichtlich der Dorn erst nach dem
Aushärten der Außenschicht herausgezogen. Das Aushärten erfolgt nur
durch erhöhte Temperatur (Infrarotlampen).
Schließlich beschreibt die GB-PS 21 11 164 ein Kunststoff-
Verbundrohr, bei welchem zwischen einer inneren und äußeren Schicht
aus synthetischem Kunststoff eine Metallfolie eingelegt ist. Die
Herstellung des besagten Rohres erfolgt durch Extrusion der inneren
Rohrleitung, durch Anlegen der beidseitig mit Klebemittel
versehenen Metallfolie und Verkleben oder Verschweißen an der
Überlappungsstelle sowie durch Aufextrudieren der äußeren Leitung
auf die von der Metallfolie ummantelte innere Rohrleitung. Bei der
so hergestellten Rohrleitung bleibt die Flexabilität erhalten,
so daß die für die eingangs erwähnten Zwecke geforderte mechanische
Festigkeit nicht gegeben ist.
Aufgabe der Erfindung ist eine Schaffung einer Rohrleitung für die
Kühlung von Triebwerken, welche im Vergleich zu bekannten
Rohrleitungen dieser Art leichter sind, eine glatte Innenfläche
aufweisen, eine relativ lange Lebensdauer bei dynamischer Belastung
aufweisen, und die vom Triebwerkhersteller gestellten Forderungen
hinsichtlich Hitze- und Flammenbeständigkeit sowie Gasdichtheit
erfüllen.
Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des
Patentanspruches 1 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Ansprüchen 2 und 3 angegeben.
Die Maßnahme, daß zwischen der Innenschicht und der Außenschicht
eine gasdichte, hochtemperaturfeste Folie angeordnet ist,
hat den Vorteil, daß sich die Folie im wesentlichen in der
neutralen Zone befindet, wodurch sich Unterschiede in den
mechanischen Eigenschaften zu den anderen Schichten nicht
nachteilig auf die Geometrie des Bauteils auswirken (z. B.
Verzug durch unterschiedliche Wärmeausdehnung). Weiter
kann gegenüber einer Anwendung in den Außenschichten die
Folie dünner und gewichtssparender eingesetzt werden. Die
Folie kann aus Silikongummi oder anderen gasdichten, hochtemperaturfesten
Kunststoffen oder Verbundfolien bestehen.
Im letzteren Fall kann eine Folie gasdicht und eine andere
hochtemperaturfest sein. Zweckmäßig ist die Folie eine
Metallfolie, vorzugsweise Stahlfolie. Diese Maßnahme hat den
Vorteil, daß die Folie noch dünner und leichter als eine
Kunststoffolie zur Anwendung gelangen kann. Geeignete Kunststoff-
oder Gummifolien haben eine Dicke von mindestens 0.5 mm,
während eine Metallfolie eine Dicke von 0,1 mm oder darunter
aufweisen kann. Metallfolien haben außerdem den Vorteil, daß
sie an die umgebenden Kunststoffschichten keinerlei Zusatzstoffe
mit negativer Einwirkung abgeben.
Verfahen zur Herstellung des Rohrleitung nach Anspruch 1 sind in
den Patentansprüchen 4 und 5 gekennzeichnet.
Weitere Ausgestaltungen der Verfahren ergeben sich aus den
Ansprüchen 6 bis 9.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt eines ersten Beispiels einer erfindungsgemäßen
Rohrleitung,
Fig. 2 einen Querschnitt eines zweiten Beispiels der
erfindungsgemäßen Rohrleitung und
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des
Verfahrens zur Herstellung der Rohrleitung.
Im Beispiel nach Fig. 1 bezeichnet 1 einen Kern, welcher aus einer
niedrig schmelzenden Metallegierung entsprechend den gewünschten
Innenkonturen der Rohrleitung, z. B. durch Gießen in einer Form,
hergestellt wird. Als Metallegierung wird vorzugsweise Woodsches
Metall oder Lötzinn mit einer Schmelztemperatur von 190° bis 210°C,
vorzugsweise 200°C, verwendet. Die Querschnittsform des Kernes kann
je nach Erfordernis quadratisch, oval, rund usw. sein. Anstelle
einer Metallegierung könnte auch Gips oder ein Salz verwendet
werden, wobei der Gips mechanisch und das Salz durch Ausschmelzen
oder Auswaschen entfernbar ist. Auf den Kern 1 wird aufeinanderfolgend
eine Innenschicht 2 und eine Außenschicht 3 aufgebracht. Die
Innenschicht 2 besteht aus einem mit Kohlefasern verstärkten
Kunstharz und die Außenschicht 3 aus einem mit Keramikfasern
verstärkten Kunstharz. Vorzugsweise wird als Kunstharz für die
Innen- und Außenschicht 2, 3 ein Polyimidharz verwendet. Über die
Außenschicht 3 und den Kernenden wird eine Vakuumfolie 4 in Form
eines Sackes gestülpt, der evakuiert und verschlossen wird, so daß
eine kompakte Einheit entsteht. Diese Einheit wird in einen
Autoklaven eingebracht, in der die beiden Schichten 2, 3 bei einer
Temperatur TV (Fig. 3) von 168 bis 186°C, vorzugsweise 177°C, und
einem Druck von 4 bis 10 bar, vorzugsweise 5 bar, vorgehärtet
werden. Nach der Vorhärtung wird die Einheit dem Autoklaven
entnommen und die Vakuumfolie 4 entfernt. Für den Fall, daß der
Kern 1 aus Gips oder Salz besteht, wird er auf die oben
beschriebene Weise entfernt. Für den Fall, daß der Kern 1 aus einer
Metallegierung besteht, wird die von der Vakuumfolie 4 befreite
Einheit wieder in den Autoklaven eingebracht und die Temperatur
zumindest bis zur Schmelztemperatur TS (Fig. 3) erhöht und solange
beibehalten, bis der Kern 1 restlos aus der Innenschicht 2
ausgeflossen ist. Nach späterem Erstarren der Metallegierung kann
diese in vorteilhafter Weise wieder zur Herstellung eines neuen
Kernes verwendet werden. Die Temperatur wird anschließend weiter
bis zu einer Temperatur TN (Fig. 3) von 285 bis 315°C, vorzugsweise
300°C, erhöht, um eine Nachhärtung der beiden Schichten 2, 3 zu
bewirken, wobei wieder ein Druck von 4 bis 10 bar, vorzugsweise 5
bar, beibehalten wird. Nach einer bestimmten Aushärtezeit wird die
nunmehr fertige Rohrleitung aus dem Autoklaven entnommen und
gegebenenfalls einer äußerlichen Oberflächennachbearbeitung
unterworfen. Es besteht auch die Möglichkeit, daß nach der
Vorhärtung das Ausschmelzen des Kernes 1 anstelle im Autoklaven in
einem Ofen od. dgl. erfolgt.
Nach einem weiteren Verfahren gemäß der Erfindung wird zuerst nur
die Innenschicht 2 auf den Kern 1 aufgebracht, mit einer Vakuumfolie 4
überzogen und vorgehärtet, worauf der Kern 1 und Vakuumfolie 4
entfernt, die Außenschicht 3 aufgebracht und mit einer Vakuumfolie
4 überzogen wird, und anschließend die Nachhärtung erfolgt.
Beim Beispiel nach Fig. 2 ist zwischen der Innenschicht 2 und der
Außenschicht 3 eine Metallfolie 5, vorzugsweise Stahlfolie,
angeordnet. Beim erstgenannten Verfahren wird die Metallfolie 5 vor
dem Aufbringen der Außenschicht 3 auf die Innenschicht 2
aufgebracht. Beim zweitgenannten Verfahren wird die Metallfolie
5 nach der Vorhärtung der Innenschicht 2 aufgebracht, worauf die
Außenschicht aufgebracht wird.
Durch die Kombination der Außen- und Innenschicht 3, 2 mit der
Metallfolie 5 wird erreicht, daß bei einer Flammenbeanspruchung mit
einer Temperatur, die höher als der Schmelzpunkt der Metallfolie
ist, diese nicht abschmelzen kann, da sich durch das Abbrennen der
Innen- und/oder Außenschicht 2, 3 eine gasisolierende Schicht
bildet, die als Isolierung gegen Wärmeeinfluß zur Metallfolie 5
dient, welche als Gassperre wirkt.
Durch das Vorhandensein der Metallfolie 5 kann die Dicke der
Außenschicht 3 im Vergleich zu der gemäß dem Beispiel nach Fig. 1
reduziert werden. Trotz der zusätzlichen Metallfolie 5 beträgt das
Gewicht des Rohrteils nur ca. ein Vierteil des Gewichtes eines aus
Stahl hergestellten Rohrteils.
Claims (9)
1. Rohrleitung für ein Triebwerk, insbesondere Kühlleitung
im Flugzeugbau,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandung der Rohrleitung in an sich bekannter Weise
aus einer Innen- und einer Außenschicht aus faserverstärktem
ausgehärteten Kunststoff besteht, wobei die Innenschicht
(2) mit Kohlefasern verstärkt tragend und die Außenschicht
(3) mit Keramikfasern verstärkt wärmeisolierend ausgebildet
ist und zwischen der Innenschicht (2) und der Außenschicht
(3) eine gasdichte, hochtemperaturfeste Folie (5) angeordnet
ist.
2. Rohrleitung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Folie eine Metallfolie (5) oder eine Stahlfolie ist.
3. Rohrleitung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innen- und Außenschicht (2, 3) aus Polyimidharz
bestehen.
4. Verfahren zur Herstellung der Rohrleitung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenschicht, wie an sich bekannt, auf einem
nachträglich entfernbaren Kern aufgebracht wird, dessen
Außenkonturen mit den gewünschten Innenkonturen der Rohrleitung
übereinstimmen, worauf die Außenschicht auf die
Innenschicht aufgebracht und über die Außenschicht und die
Kernenden eine Vakuumfolie in Form eines Sackes gestülpt
wird, welcher evakuiert und verschlossen wird, und anschließend
bei erhöhter Temperatur und Druck eine Vorhärtung der
Innen- und Außenschicht erfolgt, worauf die Vakuumfolie und
der Kern entfernt werden, und eine Nachhärtung bei gleichem
Druck aber bei einer höheren Temperatur als bei der Vorhärtung
erfolgt, wobei vor dem Aufbringen der Außenschicht auf
die Innenschicht eine gasdichte, hochtemperaturfeste Folie
aufgebracht wird.
5. Verfahren zur Herstellung einer Rohrleitung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenschicht, wie an sich bekannt, auf einem
nachträglich entfernbaren Kern aufgebracht wird,
dessen Außenkonturen mit den gewünschten Innenkonturen
der Rohrleitung übereinstimmen, worauf über die Innenschicht
und die Kernenden eine Vakuumfolie in Form
eines Sackes gestülpt wird, welcher evakuiert und
verschlossen wird, und anschließend bei erhöhter
Temperatur und Druck eine Vorhärtung der Innenschicht
erfolgt, worauf die Vakuumfolie und der Kern entfernt,
die Außenschicht aufgebracht und über die Außenschicht
eine Vakuumfolie in Form eines Sackes gestülpt wird,
welcher evakuiert und verschlossen wird, und eine Nachhärtung
der Innen- und Außenschicht bei gleichem Druck
aber bei einer höheren Temperatur als bei der Vorhärtung
erfolgt, wobei nach der Vorhärtung der Innenschicht zuerst
eine gasdichte, hochtemperaturfeste Folie und dann
die Außenschicht aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der entfernbare Kern aus einer niedrig schmelzenden
Metallegierung hergestellt ist, wobei die Temperatur bei
der Vorhärtung niedriger als die Schmelztemperatur der
Metallegierung gewählt und der Kern nach der Vorhärtung
zur Entfernung desselben auf Schmelztemperatur gebracht
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Metallegierung Woodsches Metall oder Lötzinn
mit einem Schmelzpunkt von 190 bis 210°C verwendet
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorhärtung bei einer Tempertur von 169 bis
186°C, vorzugsweise 177°C, und die Nachhärtung bei
einer Temperatur von 285 bis 315°C, vorzugsweise
300°C, erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vor- und Nachhärtung bei einem Druck von 4 bis
10 bar, vorzugsweise 5 bar, erfolgt.
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