-
Die
Erfindung betrifft eine Statorstruktur des Typs, der in Rotationsmaschinen
verwendet wird, und insbesondere eine Struktur in dem Verdichterabschnitt,
um Arbeitsmediumsgase durch den Abschnitt zu führen.
-
Eine
Axialströmungsrotationsmaschine,
beispielsweise eine Gasturbinenmaschine für ein Flugzeug, hat einen Verdichterabschnitt,
einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger Strömungsweg
für Arbeitsmediumsgase verläuft axial
durch die Abschnitte der Maschine. Die Gase werden in dem Verdichterabschnitt
verdichtet, um deren Temperatur und Druck zu erhöhen. Brennstoff wird mit den
Arbeitsmediumsgasen in dem Verbrennungsabschnitt verbrannt, um die
Temperatur der heißen,
druckbeaufschlagten Gase weiter zu erhöhen. Die heißen Arbeitsmediumsgase
lässt man durch
den Turbinenabschnitt expandieren, um Schub zu erzeugen und um den
Gasen Energie als Rotationsarbeit zu entziehen. Die Rotationsarbeit
wird zu dem Verdichterabschnitt übertragen,
um den Druck der ankommenden Gase zu erhöhen.
-
Der
Verdichterabschnitt und der Turbinenabschnitt haben einen Rotor,
der axial durch die Maschine geht. Der Rotor ist um eine Rotationsachse
Ar herum angeordnet. Der Rotor weist Anordnungen von Rotorlaufschaufeln
auf, die Rotationsarbeit zwischen dem Rotor und den heißen Arbeitsmediumsgasen übertragen.
Jede Rotorlaufschaufel hat ein Strömungsprofil zu diesem Zweck,
welches über
den Arbeitsmediumsströmungsweg
nach außen
ragt. Die Arbeitsmediumsgase werden durch die Strömungsprofile
gelenkt. Die Strömungsprofile
in dem Turbinenabschnitt erhalten Energie von den Arbeitsmediumsgasen
und treiben den Rotor mit hohen Drehzahlen um eine Rotationsachse.
Die Strömungsprofile
in dem Verdichterabschnitt übertragen
diese Energie auf die Arbeitsmediumsgase, um die Gase zu komprimieren,
wenn die Strömungsprofile
um die Rotationsachse von dem Rotor angetrieben werden.
-
Die
Maschine weist einen um den Rotor angeordneten Stator auf. Der Stator
hat ein äußeres Gehäuse und
Anordnungen von Statorleitschaufeln, welche über den Arbeitsmediumsströmungsweg nach
innen ragen. Der Stator erstreckt sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumsströmungsweg,
um den Strömungsweg
zu begrenzen. Der Stator weist Dichtungselemente zu diesem Zweck
auf. Ein Beispiel ist eine Innenkranzanordnung mit einem umfangsmäßig verlaufenden
Dichtungselement (Reibstreifen), welches radial um eine rotierende Struktur
anordnet ist und von den Leitschaufeln durch einen Innenkranz abgestützt ist,
wie beispielsweise in US-5,380,155 A; US-4,349,313 A; EP-1079075
A und EP-1111246 A gezeigt. Der Reibstreifen befindet sich in enger
Nähe zu
der Rotorstruktur, um eine Dichtung zu bilden, welche eine Leckage
von Arbeitsmediumsgasen aus dem Strömungsweg unterbindet. Der Reibstreifen
für solche
Kränze
kann aus einem Elastomermaterial gebildet sein. Das Elastomermaterial
kann in ungehärteter
Form auf einer gekrümmten
Abstützoberfläche aus
Metall angeordnet werden. Beim Härten
des Elastomermaterials verbindet sich das Material mit der Metalloberfläche. Das
ungehärtete
Elastomermaterial ist in flüssiger
Form (d. h. es nimmt die Gestalt des Containers an, in dem es sich
befindet) und ist klebrig. Folglich ist das ungehärtete Material
möglicherweise
schwierig zu handhaben und häufig
ist nach der Verwendung eine aufwändige Reinigung erforderlich.
-
Beispiele
für geeignete
Materialien als Kandidaten zur Verwendung in kommerziellen Strahltriebwerken
mit hohem Bypassverhältnis
sind injektionsgeformte thermoplastische Materialien, die beispielsweise
bei Leitschaufelkränzen
in Austrittsführungsleitschaufel-
und Niederdruckverdichterstator-Anordnungen seit annähernd zwanzig
Jahren verwendet werden. Geeignete Elastomermaterialien beinhalten
Silikonkautschuk, der auch während
dieser Zeitdauer als ein Mittel zum Einkapseln, zum Schaffen einer
Leitschaufelanbringung und zu Dämpfungszwecken
in Verwendung ist.
-
Jedoch
muss ein Silikonkautschuk-Reibstreifen, der von einem Substrat abgestützt ist,
welches von Statorleitschaufeln oder einer anderen Struktur positioniert
wird, heftiges Anreiben durch eine rotierende Struktur tolerieren.
Zu einem solchen Anreiben kann es während normaler Betriebszustände oder während abnormaler
Betriebszustände
kommen, zu denen es nach einem Aufprall eines Fremdkörpers auf
die Maschine kommen kann. Der Reibstreifen muss has heftige Anreiben
tolerieren, ohne zu delaminieren (ein Verbindungsversagen) und ohne
sich in den Strömungsweg
zu bewegen.
-
Trotz
des Vorangehenden haben sich Wissenschaftler und Ingenieure der
Anmelderin bemüht, Verbindungssysteme
für Elastomermaterialien,
beispielsweise Silikonkautschuk, für Reibstreifen zu entwickeln,
die bei Statorleitschaufeln für
den Verdichterabschnitt von Rotationsmaschinen verwendet werden,
mit akzeptablen Niveaus für
die Haltbarkeit und die Schwierigkeit bei der Handhabung.
-
US-5,883,314
beschreibt abradierbare Beschichtungen für Turbinenmaschinenkränze, die
aus Biskuits von silikondiffundierten, Pulverlegierungszusammensetzungen
gebildet sind.
-
US-3,843,278
beschreibt eine abradierbare Spitzendichtung für einen Verdichterrotor.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Statoranordnung gemäß Anspruch 1
bereitgestellt.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Verbinden gemäß Anspruch
12 bereitgestellt.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Bilden einer Statoranordnung gemäß Anspruch
18 bereitgestellt.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird eine Statoranordnung aus einem vorgeformten
umfangsmäßig verlaufenden
Reibstreifen gebildet, der mit einem Innenkranz durch direktes Aufbringen
von Klebemitteln und Primern zwischen dem Kranz und dem vorgeformten
Reibstreifen verbunden wird.
-
Gemäß einer
detaillierten Ausführungsform ist
der Kranz ein thermoplastisches Material, der Reibstreifen ist vorgeformter
Silikonkautschuk und ein Epoxyharz-Primer wird zum Wechselwirken mit dem
thermoplastischen Material vorgesehen.
-
Gemäß einer
weiteren detaillierten Ausführungsform
wird der vorgeformte Reibstreifen während des Verfahrens des Herstellens
der Anordnung radial nach innen verformt, um zu bewirken, dass sich
die Verbindung in einer Vertikalrichtung oder Erstreckungsrichtung
erstreckt, um die Scherfestigkeit an der Grenzfläche zu erhöhen.
-
Gemäß einer
detaillierten Ausführungsform hat
der Innenkranz eine Mehrzahl von durch den Reibstreifen begrenzten
und durch das Verbindungsmaterial abgedichteten Kammern und die
Kammern befindet sich in Strömungsverbindung
mit einer Quelle für
druckbeaufschlagtes Gas durch eine oder mehrere Öffnungen zum Testen der Festigkeit
der Verbindung zwischen dem Reibstreifen und dem Innenkranz.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Verbinden eines vorgeformten
Silikonkautschuk-Gegenstands mit einem thermoplastischen Substrat
das Aufbringen eines Epoxyharz-Primers auf das Substrat auf.
-
Gemäß einer
detaillierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist das Verfahren das Aufbringen eines
Silikonkautschuk-Primers auf den Epoxyharz-Primer nach dem Härten des
Epoxyharz-Primers auf.
-
Gemäß einer
detaillierten Ausführungsform enthält der Epoxyharz-Primer
ein Lösungsmittel,
welches chemisch mit dem thermoplastischen Material reagiert.
-
Ein
Hauptmerkmal einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist ein vorgeformter Reibstreifen für eine Statoranordnung. Ein weiteres
Merkmal ist eine Statoranordnung, beispielsweise eine Innenkranzanordnung,
welche durch das Verbinden des vorgeformten Reibstreifens mit dem
Innenkranz gebildet wird. Bei einer Ausführungsform weist der Kranz
Rippen auf. Bei einer Ausführungsform
ist ein Merkmal ein Verbindungsmaterial für eine vorgeformten Silikonkautschuk-Gegenstand
und ein thermosplastisches Substrat, welches Epoxyharz und Silikonkautschuk
aufweist. Ein Hauptmerkmal des Verfahrens beinhaltet das Härten des
Epoxyharz-Primers, der auf ein thermoplastisches Substrat aufgebracht
ist, vor dem Aufbringen einer Schicht aus Silikonkautschuk-Primer,
bevor der Silikonkautschuk-Gegenstand mit dem Substrat verbunden
wird.
-
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Einfachheit des Herstellens
einer Kranzanordnung durch das Verbinden eines vorgeformten Elastomerreibstreifens
mit einem Kranz, was sich daraus ergibt, dass kein ungehärtetes Elastomermaterial
auf den Kranz aufgebracht wird. Ein weiterer Vorteil ist die Festigkeit
der Verbindung, die zwischen einem vorgeformten Silikonkautschuk-Reibstreifen
und dem abstützenden,
aus thermoplastischem Material gebildeten Innenkranz existiert,
was zum Teil von dem Verbindungsmaterial herrührt und, bei einer Ausführungsform
davon herrührt,
dass sich das Verbindungsmaterial zwischen axial gerichteten Oberflächen an
dem Kranz und an dem Reibstreifen erstreckt. Bei einer Ausführungsform
ist ein Vorteil die Fähigkeit,
die Verbindung zwischen einem Reibstreifen und dem Kranz zerstörungsfrei
zu testen, indem durch den Kranz be grenzte und durch das Verbindungsmaterial
abgedichtete Kammern druckbeaufschlagt werden.
-
Einige
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
-
1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Gasturbinenmaschine, wobei
Teile der Maschine weggebrochen sind, um den Verdichterabschnitt der
Maschine zu zeigen.
-
2 ist
eine Seitenansicht eines Bereichs des in 1 gezeigten
Verdichterabschnitts.
-
3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Teils der Innenkranzanordnung
der in 2 gezeigten Ausführungsform.
-
4 ist
eine schematische Schnittansicht, die entlang der Linien 4-4 von 3 genommen
ist.
-
5 ist
eine schematische Schnittansicht, die entlang der Linien 5-5 von 3 genommen
ist.
-
6 ist
eine perspektivische Ansicht einer Konstruktion des Stands der Technik.
-
7 ist
eine schematische Schnittansicht der vorliegenden Erfindung an der
in 6 gezeigten Stelle.
-
8 ist
eine schematische Schnittansicht, die einen Schritt in dem Verfahren
zum Herstellen der Kranzanordnung zeigt.
-
9 ist
eine schematische vergrößerte Ansicht
eines Bereichs von 8.
-
10 ist
eine schematische Ansicht, welche die Relativposition von Materialschichten
zeigt, die vor dem in 8 gezeigten Schritt aufgebracht sind.
-
1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Rotationsmaschine 10,
beispielsweise einer Turbobläsergasturbinenmaschine.
Die Maschine ist um eine Symmetrieachse A angeordnet und hat eine Rotationsachse
Ar. Die Maschine weist einen Verdichterabschnitt 12, einen
Verbrennungsabschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16 auf.
Ein ringförmiger, primärer Strömungsweg 18 für Arbeitsmediumsgase verläuft axial
durch die Abschnitte der Maschine. Ein Bypassströmungsweg 20 befindet
sich außerhalb des
primären
Strömungswegs.
-
Die
Maschine ist zum Teil weggebrochen, um einen Stator 22 und
einen Rotor 24 in dem Verdichterabschnitt 12 zu
zeigen. Der Stator 22 weist ein äußeres Gehäuse 26 auf, welches
umfangsmäßig um den
primären
Strömungsweg
geht. Der Stator weist Anordnungen von Statorleitschaufeln, wie
durch die Statorleitschaufel 28 und die Statorleitschaufel 32 in dem
Verdichterabschnitt repräsentiert,
auf. Jede Statorleitschaufel hat ein Strömungsprofil, wie durch das Strömungsprofil 34 und
das Strömungsprofil 36 repräsentiert.
Die Strömungsprofile
ragen von dem äußeren Gehäuse nach
innen, um die Strömung
von Arbeitsmediumsgasen zu lenken, wenn die Gase den Verdichterabschnitt
und den Turbinenabschnitt passieren.
-
2 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
eines Bereichs der in 1 gezeigten Maschine, der zur
Klarheit zum Teil im Schnitt und weggebrochen gezeigt ist. Wie in 1 und 2 gezeigt,
hat der Rotor Anordnungen von Rotorlaufschaufeln, wie durch die
Rotorlaufschaufel 38 und die Rotorlaufschaufel 42 in
dem Verdichterabschnitt 12 repräsentiert. Jede Rotorlaufschaufel
hat ein Strömungsprofil, wie
durch das Strömungsprofil 44 und
das Strömungsprofil 46 repräsentiert.
-
Die
Rotorlaufschaufel-Strömungsprofile
ragen radial über
den Arbeitsmediumsströmungsweg nach
außen
in enge Nähe
zu dem Stator 22.
-
2 zeigt
die erste Anordnung von Statorleitschaufeln 28, die von
dem äußeren Gehäuse radial
nach innen ragen. Jede Leitschaufel 28 ist um eine Achse
As in Erstreckungsrichtung angeordnet, die in eine generell radiale
Richtung ragt. Die Leitschaufel hat eine Basis 48 und eine
Leitschaufelspitze 52. Die Leitschaufelspitze ist eine
Verlängerung
des Strömungsprofils.
Eine Mehrzahl von Strömungsprofilabschnitten
ist in Profilsehnenrichtung um die Achse As in Erstreckungsrichtung
angeordnet, um die Konturen des Strömungsprofils zu definieren
(so wie es hier verwendet ist, bedeutet Mehrzahl eine undefinierte
Anzahl von zwei oder mehr). Das Strömungsprofil hat eine Profilsehnenrichtung
C und eine Erstreckungsrichtung S, welche Bezugsrichtungen liefern.
Die Erstreckungsrichtung ist generell rechtwinklig zur Rotationsachse
Ar.
-
Eine
Innenkranzanordnung 54 ragt umfangsmäßig um die Rotationsachse Ar
und von dem Rotor nach außen.
Die Innenkranzanordnung kann umfangsmäßig kontinuierlich oder umfangsmäßig segmentiert
sein. Die Innenkranzanordnung weist einen Innenkranz 56 und
einen Reibstreifen 58 auf. Der Reibstreifen 58 ist
aus einem Elastomermaterial 58, beispielsweise Silikonkautschuk,
gebildet, welches mit dem Innenkranz verbunden ist. Der Reibstreifen ist
vorgeformt (d. h. vor der Installation hergestellt, indem er geformt
und gehärtet
wird), bevor er dem Innenkranz benachbart angeordnet und mit dem
Kranz verbunden wird.
-
Der
Innenkranz 56 ist aus einem thermoplastischen Material
gebildet. Der Innenkranz hat ein Paar von axial beabstandeten Wänden, wie
durch die strömungsaufwärtige Wand 62 und
die strömungsabwärtige Wand 64 repräsentiert.
Eine oder mehrere Rippen 66 erstrecken sich in einer generell
radialen Richtung und umfangsmäßig über eine
begrenzte Strecke, um mit dem Silikonkautschuk-Reibstreifen 58 zusammenzuwirken.
Die Spitze 52 der Statorleitschaufel 28 erstreckt
sich radial über
mindestens einen Teil des Kranzes, um den Innenkranz abzustüt zen. Der
Innenkranz hat Öffnungen
zwischen den Wänden,
wie durch die Öffnung 68 repräsentiert,
jeweils zum Aufnehmen der Spitze einer zugehörigen Statorleitschaufel. Ein
Elastomermaterial (nicht gezeigt) ist zwischen der Leitschaufel
und dem Innenkranz angeordnet, um die Leitschaufel mit dem Innenkranz
zu verbinden.
-
3 ist
eine perspektivische Ansicht des Innenkranzes 56, welche
die Öffnungen 68 in
dem Innenkranz zeigt. Die Öffnungen
sind umfangsmäßig voneinander
beabstandet und ragen generell in eine axiale Richtung. Jede Öffnung ist
von einer strömungsprofilförmigen Wand 72 begrenzt.
Die strömungsprofilförmige Wand
macht den Innenkranz daran angepasst, Elastomermaterial aufzunehmen
und liefert die Struktur zum Verbinden der Spitze der zugehörigen Statorleitschaufel
mit dem Innenkranz.
-
Wie
in der 4 gezeigt, ragen die Rippen 66a, 66b und
die Wände 62, 64 von
dem Innenkranz weg. Die Rippen und die Wände bilden eine Mehrzahl von
Kammern 74, welche durch den vorgeformten Reibstreifen 58 begrenzt
sind. Eine Abdeckwand 76 hat eine nach außen gerichtete
Oberfläche 78, welche
radial die Öffnung 68 begrenzt.
Die Rippen 66a, 66b ragen von der Abdeckwand weg
und enden an einer Spitzenoberfläche 82a, 82b der
Rippe. Wie in der 5 gezeigt, ragen die Rippen 66a, 66b radial
von der Abdeckwand 76 weg und erstrecken sich umfangsmäßig zwischen
benachbarten Öffnungen 68.
-
6 ist
eine Darstellung einer Ausführungsform
einer Kranzanordnung 56p des Stands der Technik, welche
ein umfangsmäßig verlaufendes Aluminiumband 84 hat,
welches an dem Innenkranz 56p angebracht ist. Das Aluminiumband
schafft eine Abstützung
für den
Reibstreifen 58p nach dem Formen des Reibstreifens. Die
Anbringung des Aluminiumbandes an dem Innenkranz schafft einen Verbindungsanschluss,
der versagen kann. Das Verfahren des Stands der Technik zum Herstellen
der Ausführungsform
des Stands der Technik beinhaltet die Schritte des Formens des ungehärteten Silikonkautschuks
in Position und danach Härten des
Silikonkautschukmaterials. Während
des Verfahrens des Formens des Reibstreifens des Stands der Technik schafft
das Aluminiumband das Unterteil einer Form oder Formanordnung für das ungehärtete Dichtungsmaterial
und Wände
(nicht gezeigt) für
die Formanordnung ragen von dem Innenkranz weg. Das ungehärtete Dichtungsmaterial
in viskoser Form wird in der Formanordnung als ein klebriges, langsam
fließendes
Fluid angebracht und kommt mit dem Aluminiumband in Kontakt. Das
Verfahren war schwierig, es schnell und effizient auszuführen, insbesondere beim
Gießen
des viskosen Silikonkautschukfluids zu Formen mit großen Durchmessern.
Beim Härten
des Materials bildete sich eine Klebeverbindung zwischen dem Aluminiumband
und dem Reibstreifenmaterial.
-
Das
Verwenden eines vorgeformten Reibstreifens, der nicht klebrig ist
und der unabhängig
von dem Kranz geformt wird, schafft Handlingvorteile während der
Herstellung und kann Vorteile hinsichtlich der strukturellen Integrität unter
Betriebsbedingungen bei einem Reibstreifen, der korrekt mit dem
Innenkranz verbunden ist, schaffen.
-
Ein
vorgeformter Silikonkautschuk-Reibstreifen wird notwendigerweise
vor dem Anbauen gehärtet.
Folglich ist er viel einfacher zu handhaben, weil er nicht klebrig
ist. Andererseits ist ein spezielles Problem beim Verwenden eines
nicht klebrigen Silikonkautschuk-Reibstreifens das zuverlässige Verbinden (Anhaften)
des Reibstreifens an dem Innenkranz. Ein Ansatz ist die Verwendung
eines Klebstoffs zwischen dem Silikonkautschuk-Reibstreifen und
dem Innenkranz. Ein Problem beim Verwenden eines Klebstoffs ist
das Erfordernis, die Verbindung zwischen dem Reibstreifen und dem
Innenkranz sowohl hinsichtlich der Festigkeit als auch – entlang
der Wände – auf Durchgängigkeit
zerstörungsfrei
zu testen.
-
7 ist
eine schematische Darstellung der Struktur, die sich ergibt, wenn
ein Klebstoff zum Bilden von Streifen aus Verbindungsmaterial 86 verwendet
wird, der sich zwischen dem Silikonkautschuk-Reibstreifen und den
Rippen und zwischen dem Silikonkautschuk-Reibstreifen und den Seiten 88, 92 (der
Wände 62, 64)
des Kranzes erstreckt. Wie gezeigt, gibt es keine natürlichen
mechanischen Merkmale, welche den vorgeformten Reibstreifen an dem
Kranz anbringen, außer
der Verbindungsschicht 86 zwischen dem Reibstreifen 58 und
dem Innenkranz 56.
-
Wie
in der 7 gezeigt, wurde die Kranzanordnung 54 modifiziert,
um ein Verfahren zum zerstörungsfreien
Testen der fertigen Konstruktion zu ermöglichen. Der Innenkranz 56 hat
eine Öffnung 94, welche
durch den Innenkranz geht, beispielsweise durch die strömungsabwärtige Wand 64.
Die Öffnung bringt
das Äußere des
Kranzes in Strömungsverbindung
durch die Öffnung
mit der Innenkammer 74a. Jede der Kammern 74b, 74c ist
in Strömungsverbindung
und deshalb zu dem Äußeren durch
die Öffnungen 94a, 94b.
Diese Öffnungen
können
in dem inneren Ende der Rippen wie gezeigt oder in der Nähe des äußersten
Bereichs der Rippen verlaufen. Bei manchen Konstruktionen mag der äußerste Bereich bevorzugt
sein, weil das die Öffnung
von dem Verbindungsmaterial 86 beabstandet. Die Öffnungen
und die verbundene Kammerkonstruktion erlaubt ein Verbindungstesten,
indem man ein Gas, beispielsweise Luft oder Stickstoff, strömen lässt, bis
das Innere ein vorbestimmtes Druckniveau erreicht. Danach liefert die
Zeitdauer, über
die die Kammer ihren Druck hält, ein
Maß für die Durchgängigkeit
des Verbindungsmaterials und die Festigkeit der Verbindung. Das
stellt sicher, dass es zwischen dem vorgeformten Silikonkautschuk-Reibstreifen
und den Rippen und zwischen der strömungsaufwärtigen und der strömungsabwärtigen Wand
des Kranzes eine adäquate
Verbindung gibt. Wenn die Bindung nicht ausreichend ist oder nicht
durchgängig
ist, lecken Gase und die Struktur kann zu einem akzeptablen Zustand
modifiziert werden.
-
8 zeigt
einen der Schritte bei dem Verfahren des Verbindens der vorgeformten
Silikonkautschuk-Reibstreifen 58 mit den Rippen 66 und
den Seiten 88, 92 der strömungsaufwärtigen Wand 62 der strömungsabwärtigen Wand 64 des
Kranzes. Eine Kraft wird vorzugsweise über die Oberfläche verteilt auf
den Reibstreifen 58 aufgebracht. Der Reibstreifen wird
nach unten, auf und gegen die Rip pen 66 des Kranzes gerückt, so
dass sich das vorgeformte Kautschukmaterial über die Spitzenoberflächen 82 der
Rippen 66 und zwischen benachbarter Rippen ragt.
-
Wie
in der 9 gezeigt, scheint die Spitzenoberfläche 82 der
Rippe 66 entsprechend nach innen in den Reibstreifen 58 zu
ragen. Die Spitzenoberfläche 82 ragt
an der nicht installierten Position der Oberfläche des Reibstreifens, wie
er vor der Installation auf der Rippe liegt (wie durch die unterbrochene
Linie L gezeigt) vorbei. Die Rippe drückt die Oberfläche des
vorgeformten Reibstreifens ein. Verbindungsmaterial 86 erstreckt
sich lateral und in einer generell radialen Richtung und bildet
eine vertikale Schicht aus Verbindungsmaterial 86 zwischen
einem Teil der in Axialrichtung ragenden Bereiche der Rippe und
des Reibstreifens. Es hat sich herausgestellt, dass diese vertikale
Verbindung gegen Verscheren viel stärker ist als die Verbindung
zwischen dem Innenkranz und dem Reibstreifen, welche sich aus dem lediglich
Anbringen des Reibstreifens an der nach innen gerichteten Spitzenoberfläche der
Rippe und an andere nach innen gerichteten Oberflächen des Kranzes
ergibt.
-
10 ist
eine schematische Darstellung, welche die Relation der Materialschichten,
welche für die
Verbindung verwendet werden, zeigt. Während der Herstellung ist das
thermoplastische Material des Innenkranzes 56 das äußerste Material.
Eine Lage aus Epoxyharz-Primer 96 wird aufgebracht. Der
Epoxyharz-Primer
weist ein in einem Lösungsmittel
gelöstes
Epoxyharz auf, wie nachfolgend beschrieben. Der Epoxyharz-Primer
wird gehärtet
und das Lösungsmittel
verdampft und hinterlässt
eine Oberfläche,
die zur Verbindung mit einem Silikonkautschuk-Primer 98 vorbereitet
ist.
-
Danach
wird ein Silikonkautschuk-Primer 98 aufgebracht. Der Silikonkautschuk-Primer verbindet sich
gut mit dem Epoxyharz-Primer 96 aus nicht vollständig verstandenen
Gründen.
Man glaubt, dass der Epoxyharz-Primer und sein Lösungsmittel, wenn sie auf den
Kranz aufgebracht werden, die inerte chemische Zusam mensetzung des
thermoplastischen Materials modifizieren und bewirken, dass es sich
wie ein reaktives wärmehärtendes
Material verhält.
Ein Silikonkautschuk-Kleber 112,
beispielsweise ein Kleber in Pastenform, wird wiederum zwischen
dem vorgeformten Silikonkautschuk-Reibstreifen und der Mischung
von Epoxyharz-Primer und Silikonkautschuk-Primer aufgebracht. Der
Silikonkautschuk-Kleber wird auf die Mischung der zwei Primer zum
Verbinden des Reibstreifens mit dem Innenkranz aufgebracht. Das
kann durch Aufbringen der Paste direkt auf die Mischung von Primern
und dann Aufbringen des Reibstreifens 58 oder durch Aufbringen
der Paste auf den Reibstreifen und dann Aufbringen des Reibstreifens
auf den Innenkranz erfolgen. In beiden Fällen wird der Reibstreifen
durch eine auf die Oberfläche
des Reibstreifens ausgeübte
Kraft in Position gepresst, wie in 8 gezeigt.
-
Wie
ausgeführt
ist die 10 eine schematische Darstellung
der Schichten. Die relative Größe der Schichten
aus Epoxyharz kann viel kleiner sein als die der in 10 gezeigten
Schichten. Diese Schichten und insbesondere die Schicht aus Epoxyharz-Primer
können
in dem fertigen Produkt nur schwierig aufzufinden sein. In den meisten
Produkten kann die Schicht aus Epoxyharz-Primer durch ausgeklügelte Techniken
aufgefunden werden, beispielsweise durch Lichtelektronenmikroskopverfahren,
welche die elementaren Material detektieren, die vorhanden sind.
Es ist möglich,
dass es bei manchen Produkten nicht möglich ist, die schematisch
gezeigten separaten Schichten aus Epoxyharz-Primer und Silikonkautschuk-Primer
(oder die Schicht aus der Mischung von Epoxyharz-Primer und Silikonkautschuk-Primer,
die sich ergibt) aufzufinden. Jedoch wird das Produkt eine verbesserte
Verbindungs-Zugfestigkeit haben.
-
Die
Erfahrung hat gezeigt, dass das Verbindungsmaterial 86,
welches gebildet wird, eine deutlich verbesserte Verbindung gegenüber der
Verbindung liefert, zu der es ohne einen Epoxyharz-Primer kommt.
Typische Zugtests von Konstruktionen, welche den Epoxyharz-Primer
nicht verwenden, zeigen eine eingeschränkte Verbindungsfestigkeit
und hauptsächlich
Haftverbindungsversagen (adhesive bond failure) des Klebemittels
an dem thermoplastischen Material. Mit der Zugabe des Epoxyharz-Primers
ergeben die gleichen Tests eine Festigkeitsverbesserung um den Faktor
zwei bis vier bei einem Zerreiß-Versagensmodus
(cohesive failure mode) von annähernd
hundert Prozent.
-
Beispiel
-
Das
folgende detaillierte Verfahren wurde verwendet, um Ausführungsformen
des in 2 gezeigten Typs zu bilden. Das folgende ist ein
detailliertes Beispiel zum Ausführen
des Verfahrens zum Bilden einer Ausführungsform des in 2 gezeigten Typs
und beschränkt
die vorangehende Beschreibung nicht. Es ist nicht erforderlich,
sämtliche
Schritte bei allen Konstruktionen auszuführen, welche ein thermoplastisches
Substrat mit einem elastomeren vorgeformten Teil verbinden. In diesem
Beispiel ist der Innenkranz 56 aus einem thermoplastischen
Material gebildet. Zufriedenstellende Materialien für den Kranz
beinhalten Material aus der Ultem Materialfamilie, von der Firma
General Electric, Ultem Products Oper., Pittsfield, Massachusetts,
der EC-1000 oder EF-1000 Familie von LNP Corp., Malvern, Pennsylvania,
oder der RTP-2000 Familie von RTP Corp., Winona, Minnesota. Die
Materialien haben inerte Polymermolekülketten, die sich nicht einfach
mit Silikonkautschuken verbinden. Das zum Teil deshalb, weil die
Enden der Kunststoffmoleküle
keine starken Reaktionsstellen sind und im Ergebnis mit einem Material
schwierig zu verbinden sind.
-
Das
thermoplastische Material, beispielsweise das Ultem Material, wird
vor dem Verbinden mit dem Silikonkautschuk-Reibstreifen modifiziert.
Das wurde durch Aufbringen eines ein Lösungsmittel enthaltenden Epoxyharz-Primers
durchgeführt.
Die speziellen Schritte beinhalten ein leichtes Korn-Strahlen der
Oberfläche;
Reinigen der Oberfläche
mit Alkohol und Aufbringen eines Epoxyharz-Primers mit einer Dicke,
die geringer ist etwa 0,001 inch (0,025 mm). Eine Klasse von Epoxyharz-Primern,
die sich als zufriedenstellend herausgestellt hat, ist die Klasse
von Epoxyharzen, welche Glycidetherstrukturen in den Endpositio nen
haben und die viele Hydroxylgruppen haben und mit Aminen einfach
aushärten.
Epoxyharz-Primer, von denen man glaubt, dass sie zufriedenstellend
sind, beinhalten Epoxyharz-Primer BR-154 von Cytec Engineered Materials,
Havre de Grace, MD; oder EA-9205 oder EA-9205R von Dexter Corporation,
Hysol Division, Pittsburg, California.
-
Das
Epoxyharz wurde mit einem Lösungsmittel,
beispielsweise Methyl-ethyl-keton (MEK) verdünnt, so dass die Mischung aus
Epoxyharz-Primer und dem Lösungsmittel
das Verbinden des Epoxyharz-Primers mit dem thermoplastischen Kranz
unterstützte.
Kombiniert mit dem Epoxyharz fördert
das Lösungsmittel
chemisch das Verbinden zwischen der Mischung und dem Substrat. Obwohl
der Verbindungsmechanismus nicht gut verstanden ist, glaubt man,
dass das MEK-Lösungsmittel
beim lokalen Angreifen der Molekülenden
hilft und es dem Epoxyharz erlaubt, mit einem thermoplastischen
Material zu reagieren. Das MEK verdampft, und man glaubt, dass es
nicht länger
Teil des Prozesses ist. Der Mechanismus ist nicht abgeschlossen,
bis der Epoxyharz-Primer gehärtet
ist. Der Epoxyharz-Primer hatte annähernd mindestens achtzig (80)
Prozent von MEK Lösungsmittel
(Gewichtsprozent) und in einer Ausführungsform betrug er etwa neunzig
(90) Prozent MEK Lösungsmittel.
Andere Lösungsmittelkandidaten
beinhalten Typen wie Ketone und unvollständig chlorierten Kohlenwasserstoff.
Alkohol kann möglicherweise
wirksam sein, wurde jedoch nicht getestet.
-
Der
thermoplastische Kranz mit dem Epoxyharz-Primer wurde dann in einem
Ofen bei dreihundertfünfzig
Grad Fahrenheit (177°C)
eine Stunde lang gehärtet.
Die gehärtete
Epoxyharz-Primerschicht war nun eine aktive Oberfläche zum
Verbinden.
-
Der
Silikonkautschuk-Primer wurde dann aufgebracht und hat chemisch
mit dem Epoxyharz-Primer reagiert. Zufriedenstellende Materialien für die Silikonkautschuk-Primer
sind beispielsweise DC-1200 Red oder Clear von Dow Corning, Midland, Michigan,
oder Visilox V-06 Red oder Clear von Rhone-Poulenc, Troy, New York.
Den Silikonkautschuk-Primer lässt
man durch Lufttrocknen bei Raumtemperatur für zwei Stunden in einem umgebungskontrollierten
silikonreinen Raum setzen.
-
Der
Innenkranz war fertig zum Aufnehmen des Silikonkautschuk-Klebers
in Pastenform nach dem Härten
des Epoxy und dem Setzen des Silikonkautschuk-Primers. Der Silikonkautschukpastenkleber
wurde auf den Silikonkautschuk-Reibstreifen aufgebracht und wurde
dann an die Rippenstruktur des Innenkranzes geklemmt. Zufriedenstellende
Materialien für
die Silikonpaste sind Klebemittel wie V-612 von Rhodia Corporation
(Rhone Puolenc), Troy, New York oder Thermosil 4000 von FMI Chemical,
Manchester, Connecticut. Beispiele für andere weniger viskose Materialien
sind Materialien wie Silastic J von Dow Corning, Midland, Michigan;
Dapcocast 37 von D Aircraft Products, Anaheim, Californien und RTV 630
und RTV 668 von General Electric Co., Waterford, New York. Materialien
für den
geformten Silikonkautschuk-Reibstreifen sind Visilox V-622 von Rhodia
(Rhone Poulenc), Troy, New York oder Dow Corning 3-6891 von Dow
Corning, Auburn, Michigan. Der Silikonkautschuk-Reibstreifen und
die Rippenstruktur des Innenkranzes werden mit Druck gegen die flache Dichtungsoberfläche, wie
in der 8 gezeigt, geklemmt. Der Druck auf den Reibstreifen
und die Kleberpaste bildet „T"-förmige Verbindung,
wie in der 9 gezeigt. Die Silikonkautschuk-Kleberpaste kann
zwischen dem Reibstreifen und der Spitzenoberfläche der Rippen gefangen sein,
was ein Verbinden an dieser Stelle bewirkt. Alternativ kann der Druck
die Klebepaste von dieser Stelle weg zwingen. In beiden Fällen bildet
das Klebemittel Ausrundungen (d. h. dünne Streifen aus Verbindungsmaterial) oder
Nähte aus
Verbindungsmaterial 86 an den Stoßstellen. Die vertikale Seite
des Verbindungsmaterials der Ausrundungen liefert den meisten Widerstand während einer
Abziehbelastung, zu der es kommen kann, wenn ein Teil der Rotorstruktur
gegen den Reibstreifen anreibt. Das mit der Vertikalfläche zusammenwirkende
Verbindungsmaterial verschafft der Struktur eine gute Scherfestigkeit,
welche der Schlüssel
für eine
gute Verbindungsfestigkeit gegenüber
der, zu der es bei einer Flach-auf-flach-Zugverbindungsgeometrie
kommt, und darüber
hinaus, ist.
-
Tests
der gleichen Ausführungsformen
mit und ohne Epoxyharz-Primer wurden durchgeführt. Diese Tests haben eine Überlapp-Zugscherfestigkeit von
etwa einhundertzwanzig (120) psi (827 kPa) ohne den Epoxyharz-Primer
und fünfhundert
(500) psi (3,45 MPa) mit dem Epoxyharz-Primer gezeigt. Der Versagensmodus
ist wichtig und es zeigte sich ohne den Epoxyharz-Primer hauptsächlich ein
Anhaftversagen (adhesive failure) und ein vollständiges Zerreißversagen
(cohesive failure) mit dem Epoxyharz-Primer.
-
Obwohl
die Verbindungsverbesserungsdemonstrationen die vorangehend beschriebenen
Materialien verwendeten, sollte der Mechanismus für diese
Verbesserung für
jegliche in einem organischen Lösungsmittel
gelösten
Primer auf Epoxybasis ähnlich
sein, wenn er auf irgendein thermoplastisches Material aufgebracht
wird. Folglich liefert dieses Verfahren ein kostengünstiges
Verfahren zum Ausbilden von Verbindungen zwischen Silikonkautschukkomponenten,
beispielsweise Dichtmitteln oder Klebemitteln, und thermoplastischen
Komponenten.
-
Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, sollten Fachleute verstehen, dass
verschiedene Änderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
beanspruchten Erfindung abzuweichen.