DE4100816C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hohlzylindrisches Bauteil aus fa­ serverstärktem Kunststoff für mit hoher Umfangsgeschwindigkeit umlaufende Rotoren gem. dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die Herstellung und der konstruktive Aufbau derartiger Bau- teile ist in der US-PS 43 59 356 beschrieben und dargestellt. Dabei werden auf einer Wickelmaschine jeweils mehrere Bauteile gleichzeitig gewickelt. Nach dem Wickelvorgang wird der Wickelkörper durch Trennschnitte im Bereich der Stützringe in die die Bauteile bildenden Abschnitte unterteilt, die durch wellrohrartige Verbindungselemente zu einem Rotor zusammenge­ fügt werden können. Die erzielbare Umfangsgeschwindigkeit der­ artiger Rotoren hängt u. a. von der Zugfestigkeit der einge­ setzten Fasern ab. Man verwendet daher für die Umfangswicklun­ gen hochfeste Kohlenstoff-Fasern (C-Fasern) mit Bruchspannun­ gen von bis zu 7000 MPa. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese hohen Festigkeitswerte der Fasern nicht voll ausgenützt werden können, da mit höher werdenden Umfangsgeschwindigkeiten des Rotors und entsprechend ansteigenden Umfangsspannungen an den rotierenden Bauteilen die Gefahr des sogen. "Faserabwurfs" an­ steigt. Dieser Faserabwurf, d.i. das Ablösen von Faserschich­ ten, beginnt in der Regel bei der äußersten Faserschicht an den stirnseitigen Enden der Bauteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bauteile der gat­ tungsgemäßen Art so zu gestalten, daß der Gefahr des Faserab­ wurfs entgegenwirkt wird und damit bei Verwendung hochfester Fasern für die Umfangswicklungen die Umfangsgeschwindigkeit dieser Bauteile der hohen Faserfestigkeit entsprechend gestei­ gert werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen von An­ spruch 1 gelöst. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhal­ ten bevorzugte Ausführungsformen dieser Lösung.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Tendenz zum Faserabwurf im wesentlichen auf die starke Querkraft- und Schubempfindlichkeit hochfester Faserverbundwerkstoffe zurück­ zuführen ist, die sich besonders in der äußeren Umfangsschicht an den Stirn- oder Schnittkanten des Bauteils auswirkt. Durch die Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit steigen aber nicht nur die Umfangsspannungen an, sondern auch die auf den Faserver­ bundwerkstoff wirkenden Quer- und Schubspannungen. Ersetzt man daher hochfeste C-Fasern in einer dünnen äußeren Schicht durch mittelfeste C-Fasern, die eine geringere Querkraft- und Schub­ empfindlichkeit haben, so wird die Schub- und Querzugfestig­ keit dieser gefährdeten, äußeren Schicht erhöht, ohne daß auf die hochfesten Fasern in den Haupttragschichten verzichtet werden muß. Da sich hierbei die Umfangsdehnung der Bauteile nur geringfügig erhöht, wirkt sich der niedrigere Elastizi­ tätsmodul der mittelfesten C-Fasern in einer geringeren Bela­ stung der äußeren Schicht aus. Die Dicke der äußeren Faser­ schicht mit den Fasern aus dem niedrigeren Elastizitätsmodul beträgt etwa 10% bis 20% der Faserschichtdicke der darunter liegenden, inneren Faserschicht des Stützrings. Dabei ist der Elastizitätsmodul der Faser für die äußere Faserschicht um ca. 25% geringer als der Elastizitätsmodul der Faser für die da­ runter liegende, innere Faserschicht. Als Fasermaterial werden bevorzugt mittelfeste C-Fasern für die äußere Schicht und hochfeste C-Fasern für die innere Schicht verwendet. Die Fa­ sern werden vor dem Wickeln mit Kunstharz getränkt, das nach dem Wickelvorgang ausgehärtet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert:

Die Fig. 1a zeigt schematisch einen Schnitt durch ein hohlzy­ lindrisches Bauteil mit stirnseitigen Stützringen;

die Fig. 1b zeigt in starker Vergrößerung den Ausschnitt "X" von Fig. 1a;

die Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei dem die radiale Dehnung des Bauteils über dem mittleren Elastizitätsmodul E aller Schichten aufgetragen ist.

Das hohlzylindrische Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff hat eine Gesamtlänge L von 500 mm bei einem inneren Durchmes­ ser D von 150 mm. Der Mantel 1 hat in dem nicht durch Stütz­ ringe 2 verstärkten Bereich eine Dicke s von ca. 0,7 mm.

Der Mantel 1 ist aus mehreren Faserschichten zusammengesetzt, wobei abwechselnd Faserschichten aus Umfangswicklungen 1a, 1b, 1c und Faserschichten aus Helixwicklungen 1d, 1e übereinander­ gewickelt sind. Zum Wickeln werden kunstharzgetränkte, hochfe­ ste C-Fasern verwendet, die unter der Bezeichnung "T8000 (σ_B 5500 MPa, E_F = 2S5 GPa) bzw. "X1033" (σ_B = 6000 MPa, E_F = 330 GPa) im Handel sind. Die Dicke der einzelnen Faserschichten 1a, b, c, d, e beträgt ca. 140 µm.

Der Stützring 2 besteht nur aus Umfangswicklungen. Er steigt vom Mantel 1 aus zunächst konisch an und geht sodann in einen zylindrischen Teil 2a über, der eine Länge von ca. 30 mm hat. Das stirnseitige Ende wird von einer Schnittkante 2d gebildet, die senkrecht zur Manteloberfläche verläuft.Die innere Schicht 2b des Stützrings 2 besteht ebenfalls aus hochfesten "T800"- oder "X1033"-C-Fasern und hat eine Dicke von 1818 µm. Die da­ rüber gewickelte, äußere Faserschicht 2c besteht aus mittel­ festen C-Fasern, die unter der Bezeichnung "T300" σ_B = 350° MPa, E_F = 230 GPa) im Handel sind. Diese äußere Schicht 2c hat eine Dicke von 356 µm.

In dem Diagramm der Fig. 2 ist eine Kurve aufgetragen, die bei konstanter Umfangsspannung σ des Bauteils den Zusammenhang zwischen der Dehnung ε und dem mittleren Elastizitätsmodul E aller Faserschichten im Bereich des Stützrings 2 zeigt. Punkt A zeigt die Dehnung bei Verwendung von 100% T300-Fasern, Punkt B bei Verwendung von 100% X1033-Fasern. Punkt C veran­ schaulicht die Dehnung ε, wenn man für die dünne, äußere Schicht 2c T300-Fasern und für die dickere, innere Schicht 2d X1033-Fasern einsetzt, wobei der Anteil von T300-Fasern ca. 16% und der Anteil von X1033-Fasern ca. 84% beträgt. Wie hieraus zu ersehen ist, nimmt die Gesamtdehnung ε am Punkt C gegenüber Punkt B nur unwesentlich zu. Dagegen ist der Elasti­ zitätsmodul E in der äußeren Schicht (Punkt A) deutlich gerin­ ger. Da die Spannung σ = ε - E ist, bedeutet dies, daß auf­ grund des niedrigeren Elastizitätsmoduls der T300-Fasern die äußere Schicht geringer belastet wird, der mittlere Ela­ stizitätsmodul (Punkt C) für die Gesamtschicht jedoch nur we­ nig von dem E-Modul für die X1033-Fasern (Punkt B) abweicht,; d. h., die Hauptlast wird weiterhin von den X1033-Fasern der inneren Schicht 2b getragen, die äußere Schicht 2c wirkt wegen ihrer geringeren Belastung und ihrer höheren Quer­ zugfestigkeit, vor allem im Bereich der gefährdeten Schnitt­ kante 2d, als eine Art Schutzschicht.

Bezugszeichenliste

1 Mantel
1a Umfangswicklung
1b Umfangswicklung
1c Umfangswicklung
1d Helixwicklung
1e Helixwicklung
2 Stützring
2a zylindrischer Teil
2b innere Faserschicht
2c äußere Faserschicht
2d Schnittkante
L Länge
D Durchmesser
s Manteldicke

Claims (4)

1. Hohlzylindrisches Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff für mit hoher Umfangsgeschwindigkeit umlaufende Rotoren, bei dem abwechselnd Faserschichten aus Umfangswicklungen und aus Helixwicklungen übereinandergewickelt sind und des­ sen stirnseitige Enden durch zusätzliche Umfangswicklungen zu einem Stützring verstärkt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne, äußere Faserschicht (2c) der den Stützring (2) bildenden, zusätzlichen Umfangswicklungen mit einer Faser gewickelt ist, die einen geringeren Elastizitätsmodul auf­ weist als die Fasern der darunter liegenden, inneren Faser­ schicht (2b) aus Umfangswicklungen.

2. Hohlzylindrisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke der äußeren Faserschicht (2c) mit Fasern aus dem geringeren Elastizitätsmodul 10% bis 20% der Faserschichtdicke der darunter liegenden, inneren Faserschicht (2b) beträgt.

3. Hohlzylindrisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul der Faser für die äußere Faserschicht (2c) um ca. 25% geringer ist als der Elastizitätsmodul der Faser für die darunter liegende, in­ nere Faserschicht (2b).

4. Hohlzylindrisches Bauteil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Faserschicht (2c) aus mittelfesten C-Fasern und die darunter liegende, innere Faserschicht (2b) aus hochfesten C-Fasern gewickelt sind.