DE3871973T2 - Rotorscheibe aus verbundwerkstoff. - Google Patents

Rotorscheibe aus verbundwerkstoff.

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Verbundscheiben- oder -ringvorrichtung zum Tragen von Fan-Schaufeln in einem Mantelstromturbinentriebwerk mit hohem Mantelstromverhältnis, insbesondere wo der Fan außen befestigt ist und das Kerntriebwerk umgibt. Die Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Verfahren zum Herstellen der Verbundscheiben- oder ringvorrichtung.
  • Diese Scheiben oder Ringe sind im allgemeinen aus einem Metall hergestellt worden, das spanabhebend bearbeitet worden ist, um die umfangsmäßig beabstandeten Lagerbefestigungen zu bilden, in denen die einzelnen Fan-Schaufelfüße zur Drehbewegung beim Einstellen des Einstellwinkels der Schaufeln gehalten werden. Diese Metallringe, wie sie z.B. in der US-A-4 021 142 gezeigt sind, sind notwendigerweise schwer, um die auf sie während des Betriebes des Fans ausgeübte Belastung aufnehmen zu können. Es ist gut bekannt, daß Gewichtsreduzierung wünschenswert ist, wo immer in einem Flugzeugtriebwerk möglich, und daß, wenn ein Verbundtragring stabil genug hergestellt werden kann, um die Belastung an den Schaufeln aufnehmen zu können, eine wesentliche Gewichtsreduzierung zu einer zwangsläufig bedeutenden Reduzierung des Gesamtgewichts des Triebwerks führen wird.
  • Deshalb wird gemäß der Erfindung eine Ringvorrichtung zum Tragen eines Kranz es von Fan-Schaufeln für ein Mantelstromturbinentriebwerk geschaffen, wobei die Schaufeln zur Schaufelverstellung um eine radiale Achse drehbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringvorrichtung einen Verbundring aus Schichten oder Lagen von Fasern aufweist, wobei im wesentlichen die äußere Hälfte des Ringes die Fasern der Lagen desselben insgesamt unter 0º gegen die Umfangsrichtung des Ringes angeordnet hat, wobei im wesentlichen die innere Hälfte des Ringes die Fasern eines Teiles der Lagen unter 0º angeordnet hat, wobei dieser Teil der Lagen mit den übrigen Lagen abwechselt, wobei die übrigen Lagen zum Teil Lagen umfassen, die ihre Fasern unter 45º haben, und Lagen, die ihre Fasern unter 90 Grad in bezug auf die Umfangsrichtung des Ringes haben, wobei zusätzliche Lagen von Fasern insgesamt auf den Seitenoberflächen des Ringes und auf der inneren und äußeren Oberfläche angeordnet sind und sich über den Ring hinaus erstrecken, um Befestigungsflansche für den Ring zu bilden, wobei die zusätzlichen Lagen ihre Fasern insgesamt im wesentlichen unter 45º zu der Umfangsrichtung des Ringes haben, wobei in dem Verbundring radiale Löcher für die Fan-Schaufeln gebildet sind und wobei Befestigungsbuchsen in den Löchern zum Aufnehmen der Schaufelfüße angeordnet sind.
  • Das Verfahren zum Herstellen der Ringvorrichtung ist gekennzeichnet durch Herumwickeln der Lagen, aus denen die innere und äußere Hälfte des Ringes aufgebaut sind, um eine Tragtrommel, Aushärten der herumgewickelten Lagen, aus denen die innere und äußere Hälfte des Ringes bestehen, unter Wärme und Druck, spanabhebendes Bearbeiten der radialen Öffnungen und der ringförmigen Nut in dem ausgehärteten Ring, Auftragen der zusätzlichen Lagen auf die Seitenoberfläche und auf die innere und äußere Oberfläche des Ringes und anschließendes Aushärten der zusätzlichen Lagen.
  • Vorteilhafte Merkmale der Ringvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.
  • Die vorhergehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsforinen und den beigefügten Zeichnungen klarer werden, wobei gilt:
  • Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer vollständigen Ringvorrichtung, die den darin angeordneten Schaufelfuß und die Befestigung des Ringes in dem Triebwerk zeigt.
  • Fig. 2 ist eine Querschnittansicht eines Teiles des Ringes.
  • Fig. 3 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 3 in Fig. 2, um die Lage der Flansche auf den Tragbuchsen zu zeigen.
  • Fig. 4 ist eine Schnittansicht der Ringvorrichtung, bevor sie spanabhebend bearbeitet wird.
  • Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Ringes, nachdem er spanabhebend bearbeitet wurde.
  • Fig. 6 ist eine Schnittansicht des Ringes, nachdem die zusätzlichen Lagen den Oberflächen des Grundringes hinzugefügt worden sind.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt ist, hat der Ring 10, der aus Verbundmaterial hergestellt ist, wie später beschrieben werden wird, die zusätzlichen Lagen von Fasern 12 auf der inneren Oberfläche 14 und andere Lagen von Fasern 16 auf dem Teil der äußeren Oberfläche 18, der links von der Nut 19 und auf einer Seitenoberfläche 20 angeordnet ist. Die Fasern 16 überlappen die Lagen der Fasern 12, um einen Flansch 24 zu bilden, welcher einen nach außen gekehrten Rand hat, um einen radialen Flansch 26 zur Befestigung an einem Antriebsring 27 zu bilden.
  • An dem anderen Ende des Ringes sind zusätzliche Lagen 28 vorgesehen, die sich insgesamt radial an der anderen Seitenoberfläche 30 des Grundringes erstrecken und radial einwärts des Ringes vorstehen, um den mit ihnen zusammenpassenden Teil 32 der Lagen 12 zu überlappen und den Flansch 34 zur Befestigung an einer Tragvorrichtung 36 zu bilden. Zusätzliche Lagen von Fasern 38 an dem Teil der äußeren Oberfläche 18, der rechts von der Nut 19 angeordnet ist und sich radial einwärts davon erstreckt, liegen an den radialen Lagen 28 an. An ihrem inneren Teil bilden diese Lagen einen Teil des Flansches 34. Aus diesem Paket von Lagen von Fasern 38 sind ringförmige Flansche 40 und 42 gebildet, um als Abdichtflansche zu dienen, die mit feststehenden Dichtungen 44 und 46 zusammenwirken.
  • Der Ring 10 hat radiale Löcher oder Öffnungen 48, die darin ausgebildet sind, um Befestigungsbuchsen 50 aufzunehmen, wobei jede von ihnen eine Nut 51 in ihrer inneren Oberfläche hat, um einen Kranz von Lagerkugeln aufzunehmen. Jede Buchse hat einen Flansch 54 an ihrem inneren Ende, und dieser Flansch ist insgesamt quadratisch, um Ecken zum Aufnehmen von Schrauben 56 zu bilden, die sich in den Verbundring erstrecken und die Buchsen in ihrer Lage darauf halten. Geeignete Abstandshalter 58 sind vorgesehen, um den Raum zwischen dem ebenen Flansch und der mit ihm zusammenwirkenden gekrümmten inneren Oberfläche des Ringes auszufüllen und die Belastung auf der Buchse auf einen erweiterten Teil des Ringes zu verteilen. Der Ring besitzt ebenso die ringförmige Nut 19, auf die oben verwiesen wurde, in seiner äußeren Oberfläche 18. Diese Nut schneidet die Löcher 48 und legt die äußeren Enden der Buchsen 50 frei. Die Oberfläche 18 besteht in der Tat aus zwei beabstandeten unterschiedlichen Oberflächen auf gegenüberliegenden Seiten der ringförmigen Nut, wie zuvor erwähnt.
  • Die Fan-Schaufel 62 hat einen Fuß 64 mit einer ringförmigen Nut 66 daran, der in der Tragbuchse angeordnet ist, wobei die Lager 52 in die Nut 66 wie gezeigt einfassen. Die Kugeln sind durch einen geteilten Klemmring 68, der das äußere Ende der Buchse und einer Schulter 70 an dem Fan- Schaufelfuß 64 erfaßt, in ihrer Lage gefangen, und diese Anordnung dient zum sicheren Halten des Schaufelfußes in seiner Lage. Die Ringvorrichtung ist, wie oben beschrieben, zur Drehung um die Triebwerksvorrichtung durch die Tragvorrichtung 36 abgestützt, die sich von dem Befestigungsflansch 34 aus insgesamt nach innen erstreckt und an ihm befestigt ist. Das Ende 73 der Tragvorrichtung 36 gegenüber dem Flansch 34 ist an einem Lager 74 befestigt, das durch eine fixierte Tragvorrichtung 76 gehaltert ist, welche integral mit dem umgebenden Triebwerksgehäuse ausgebildet ist.
  • Der Schaufelfuß hat einen exzentrisch vorstehenden Arm 78 an seinem inneren Ende, an dem ein Schaufeleinstellwinkelsteuermechanismus befestigbar ist.
  • Beim Herstellen des Ringes 10 wird das Verbundgebilde aus Schichten von Lagen hochfester Fasern aufgebaut, die insgesamt um eine Tragtrommel herumgewickelt werden. Im wesentlichen besteht die innere Hälfte 10a des Verbundringes aus ungefähr 40% Lagen von Fasern aus Graphitfilamenten, die unter 0º angeordnet sind und mit ungefähr 30% von 450-Fiberglasfasern abwechseln, die in Lagen angeordnet sind, und mit 30% von 90º-Fiberglasfasern, die ebenso in Lagen angeordnet sind. 0º bedeutet parallel zu der Umfangsrichtung, und 90º bedeutet offensichtlich, daß die Lagen parallel zu der Längsachse des Ringes sind. Ebenso bedeutet 45º-Fasern einen Winkel in der Mitte zwischen 0º und 90º.
  • Wenn dieser Teil des Ringes fertig ist, wird die übrige äußere Hälfte 10b des Ringes aus herumgewickelten Schichten von Lagen von Graphitfasern aufgebaut, die alle insgesamt unter 0º angeordnet sind, um dem fertigen Ring Umfangsfestigkeit und Steifigkeit zu geben.
  • Dieser besondere Prozentsatz von Fasern ist für einen spezifischen Ring charakteristisch, und Variationen können abhängig von der gewünschten Festigkeit in gewissen unterschiedlichen Teilen des Ringes verwendet werden. Jedoch wurde herausgefunden, daß diese besondere Anordnung für eine besondere Ausführung geeignet ist.
  • Nachdem alle Lagen des Ringes zusammengebaut worden sind, wird der komplette Aufbau durch übliche Aushärteprozeduren ausgehärtet, bei welchen Wärme und Druck benützt werden. Die Lagen können vorimprägniert worden sein, wobei ein Matrixmaterial oder das Matrixmaterial beim Beginn des Aushärteprozesses hinzugefügt werden kann. Jede dieser Prozeduren ist in der Technik gut bekannt, und die Techniken zum Vervollständigen des Aushärteprozesses sind in jedem Fall ebenso gut bekannt.
  • Nachdem das Aushärten dieses Grundringes beendet worden ist, werden die mehreren radialen Öffnungen 48 spanabhebend bearbeitet, und die ringförmige Nut 19 wird ebenso spanabhebend bearbeitet, um das teilweise fertige Gebilde von Fig. 5 zu erzeugen. Es ist zu erkennen, daß der Grund der Nut 19 nahe der Grenze zwischen den äußeren 0º-Lagen und dem inneren Verbund von unterschiedlichen Lagen ist.
  • Nachdem der Ring spanend bearbeitet worden ist, werden die Umfangslagen 12 auf der inneren Oberfläche und die Lagen 16 auf der äußeren Oberfläche angeordnet. Die Oberfläche 18 besteht nun aus zwei voneinander beabstandeten Oberflächen 18 wegen der dazwischen liegenden Nut 19, und die Lagen erstrecken sich nicht über diese Nut. Diese Lagen bestehen insgesamt aus Glasfaser und sind unter 45º angeordnet, so daß sie so geformt werden können, daß sie der äußeren Oberfläche 18 und der Seitenoberfläche 20 des Ringes angepaßt sind und ebenso den Flansch 26 bilden. Ebenso werden die Lagen 28 an der äußeren Seitenoberfläche 30 des Ringes befestigt und diese Lagen bestehen ebenso insgesamt aus Glasfaser und besitzen eine 45º-Anordnung der Fasern. Die anderen Lagen 38 werden ebenso wie oben beschrieben hinzugefügt und so geformt, daß die notwendigen Flansche wie in Fig. 1 gezeigt gebildet werden. Nachdem alle diese Lagen hinzugefügt worden sind und die Form haben, welche im fertigen Produkt gezeigt ist, wird der Ring erneut einer Aushärtung unterzogen, um diese zusätzlichen Lagen auszuhärten und eine fertiggestellte Ring- oder Scheibenkonstruktion zu bilden, in der diese zusätzlichen Lagen integral mit dem Grundring ausgebildet sein und deshalb einen wesentlichen Teil desselben bilden werden. Es ist klar, daß die Art und Reihenfolge des Zusammenbauens der Lagen geändert werden kann, um individuelle Herstellungs- und Produktionsgegebenheiten zu berücksichtigen.
  • Anschließend werden die Buchsen mit den Abstandshaltern 58 befestigt, und der Aufbau ist dann zur Befestigung der Fan- Schaufeln bereit. Da die Montage dieser Fan-Schaufeln kein wesentlicher Teil der vorliegenden Erfindung ist, wird sie nicht beschrieben.

Claims (8)

1. Ringvorrichtung zum Tragen eines Kranzes von Fan-Schaufeln für ein Mantelstromturbinentriebwerk, wobei die Schaufeln zur Schaufelverstellung um eine radiale Achse drehbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringvorrichtung einen Verbundring aus Schichten oder Lagen von Fasern aufweist, wobei im wesentlichen die äußere Hälfte (10b) des Ringes (10) die Fasern der Lagen desselben insgesamt unter 0º gegen die Umfangsrichtung des Ringes (10) angeordnet hat, wobei im wesentlichen die innere Hälfte (10a) des Ringes (10) die Fasern eines Teils der Lagen unter 0º angeordnet hat, wobei dieser Teil der Lagen mit den übrigen Lagen abwechseIt, wobei die übrigen Lagen zum Teil Lagen umfassen, die ihre Fasern unter 45º haben, und Lagen, die ihre Fasern unter 90º in bezug auf die Umfangsrichtung des Ringes (10) haben,
wobei zusätzliche Lagen von Fasern (12, 16, 28, 38) insgesamt auf den Seitenoberflächen (20, 30) des Ringes (10) und auf der inneren und äußeren Oberfläche (14, 18) angeordnet sind und sich über den Ring (10) hinaus erstrecken, um Befestigungsflansche (26, 34) für den Ring (10) zu bilden,
wobei die zusätzlichen Lagen (12, 16, 28, 38) ihre Fasern insgesamt im wesentlichen unter 45º zu der Umfangsrichtung des Ringes (10) haben,
wobei in dem Verbundring (10) radiale Löcher (48) für die Fan-Schaufeln (62) gebildet sind, und
Befestigungsbuchsen (50) in den Löchern (48) zum Aufnehmen der Schaufelfüße (64) angeordnet sind.
2. Ringvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in der äußeren Hälfte (10b) insgesamt aus Graphit bestehen und daß ein wesentlicher Teil der Fasern in der inneren Hälfte (10a) des Ringes (10) Glasfasern sind.
3. Ringvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der zusätzlichen Lagen (12, 16, 28, 38) insgesamt aus Glasfasern bestehen.
4. Ringvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsbuchsen (50) mit Flansch versehen sind und sich die Flansche (54) auf der inneren Seite des Ringes (10) befinden und die Buchsen (50) mittels Schrauben (56) an dem Ring (10) befestigt sind.
5. Ringvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der zusätzlichen Lagen (38) so geformt sind, daß sie Dichtflansche (40, 42) an dem Ring (10) bilden.
6. Ringvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die radialen Löcher (48) in dem Ring (10) durch die innere Hälfte (10a) des Ringes (10) erstrecken und eine ringförmige Nut (19) schneiden, welche sich von der äußeren Oberfläche (18) des Ringes (10) aus radial einwärts erstreckt, um die radialen Löcher (48) zu schneiden.
7. Ringvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hälfte (10a) des Ringes (10) die Fasern von etwa 40% der Lagen unter 0º angeordnet hat, die Fasern von etwa 30% der Lagen unter 45º und die Fasern der übrigen 30% der Lagen unter 90 Grad in bezug auf die Umfangsrichtung des Ringes (10).
8. Verfahren zum Herstellen der Ringvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
Herumwickeln der Lagen, aus denen die innere und äußere Hälfte (10a, 10b) des Ringes (10) aufgebaut ist, um eine Tragtrommel,
Aushärten der herumgewickelten Lagen, aus denen die innere und äußere Hälfte (10a, 110b) des Ringes (10) bestehen, unter Wärme und Druck, spanabhebendes Bearbeiten der radialen Öffnungen (48) und der ringförmigen Nut (l9) in dem ausgehärteten Ring, Auftragen der zusätzlichen Lagen (12, 16, 28, 38) auf die Seitenoberfläche (20, 30) und auf die innere und äußere Oberfläche (14, 18) des Ringes (10) und anschließendes Aushärten der zusätzlichen Lagen (12, 16, 28, 38).
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