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Die Erfindung betrifft ein ringförmiges Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Flugzeugtriebwerk mit einem ringförmigen Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
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Bauteile in Flugzeugtriebwerken unterliegen hohen Anforderungen an Festigkeit, Gewicht und Brandfestigkeit, für deren Erfüllung eine sorgfältige Auswahl und Abstimmung der Designmerkmale notwendig ist. In vielen Fällen werden diese Bauteile aus oder mit Verbundwerkstoffen hergestellt, wie dies z.B. aus der
US 2016 / 0263856 A1 bekannt ist. Beispiele für solche Bauteile sind z.B. Fan-Gehäuse bei Flugzeugtriebwerken oder Teile für den Nebenstromkanal (Bypass-Duct). Typischerweise weisen solche ringförmigen Bauteile an Seitenflächen Flansche auf, um die ringförmigen Bauteile mit anderen Bauteilen zu verbinden und / oder um die ringförmigen Bauteile zentrieren zu können. Unter einem Flansch kann eine von dem Bauteil abstehende Kante verstanden werden, die insbesondere der Verbindung mit einem anderen Bauteil dient, wobei die Bauteile bündig oder im Wesentlichen bündig aneinanderstoßen.
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Es besteht daher die Aufgabe, ringförmige Bauteile zur Verfügung zu stellen, die ein geringes Gewicht und gleichzeitig eine hohe Festigkeit aufweisen.
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Die Aufgabe wird durch ein ringförmiges Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das ringförmige Bauteil für ein Flugzeugtriebwerk weist in Flugrichtung eine vordere Flanschstruktur auf. Ferner weist das ringförmige Bauteil in axialer Richtung eine hintere Flanschstruktur und zwischen den Flanschstrukturen eine Ringstruktur auf. Im Wesentlichen weist das ringförmige Bauteil damit im Querschnitt senkrecht zur Umfangsrichtung einen U-förmigen Querschnitt auf. Dabei weist die Ringstruktur eine variable Querschnittsform und / oder eine variable Materialanordnung in Umfangsrichtung und / oder senkrecht zur Umfangsrichtung auf. Dies bedeutet, dass die Ringstruktur bezogen auf die Materialien und / oder die Querschnitte anisotrop sein kann. Diese Anisotropie kann in axialer Richtung (senkrecht zur Umfangsrichtung) und / oder in Umfangsrichtung ausgebildet sein, so dass eine große Vielfalt der Gestaltungsmöglichkeiten vorliegt.
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Ferner weist mindestens eine der Flanschstrukturen des ringförmigen Bauteils in Umfangsrichtung mindestens zwei ringförmige Abschnitte auf, wobei die ringförmigen Abschnitte jeweils unter einem unterschiedlichen Winkel relativ zur Ringstruktur angeordnet sind. Während ein an sich bekannter Flansch eine Abkantung, meist um 90°, von einer ringförmigen Struktur aufweist, ist die Flanschstruktur des Gegenstandes gemäß Anspruch 1 komplexer geformt. Durch die unterschiedlichen Winkel ergibt sich ein sanfterer Übergang von der Ebene der Ringstruktur zu dem distalen, radial außen liegenden Abschnitt der Flanschstruktur.
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Damit werden einige Optimierungsmöglichkeiten geschaffen. So wird eine strukturelle Optimierung und eine damit einhergehende Gewichtsoptimierung ermöglicht. Es können Hochleistungswerkstoffe und Leichtbauwerkstoffe (z.B. Carbonfasern) verwendet werden, um die strukturellen Anforderungen zu erfüllen. Dies kann z.B. durch die variablen Querschnitte (staggered layup) oder auch durch integrierte Verstärkungsteile erreicht werden. Auch ist es in Ausführungsformen möglich, in den Flanschbereichen Fasern im 90° Winkel anzuordnen.
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In einer Ausführungsform liegt ein erster Winkel zwischen der Ringstruktur und dem ersten Abschnitt der Flanschstruktur, insbesondere der vorderen Flanschstruktur im Bereich zwischen 10 und 60° und / oder ein zweiter Winkel von 90° zwischen der Ringstruktur und dem zweiten Abschnitt der Flanschstruktur. Damit stellt der erste Winkel eine Schräge ausgehend von der Ringstruktur dar. Dieser Abschnitt mit dem ersten Winkel geht dann in den Abschnitt mit dem zweiten rechten Winkel über, so dass die axial außenliegende Flanschfläche der Flanschstruktur dann eine senkrecht stehende Flanschfläche bildet.
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Auch kann z.B. ein Winkel zwischen der Ringstruktur und der hinteren Flanschstruktur zwischen 90° betragen. Somit kann sich die hintere Flanschstruktur insbesondere senkrecht zur Ringstruktur erstrecken.
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Die Winkel werden jeweils zwischen den Mittelachsen / Mittelebenen der Ringstruktur und der mindestens einen Flanschstruktur in Richtung auf die Ebene der Ringstruktur gemessen.
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Ferner kann die mindestens eine Flanschstruktur und / oder die Ringstruktur mit einer Verstärkungsstruktur und / oder einer Feuerschutzschicht verbunden sein oder sie können einteilig ausgebildet sein.
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Ein Beispiel für eine Anisotropie in dem Bauteil ist, wenn mindestens ein Bereich der Querschnittsform der Ringstruktur in Umfangsrichtung um die Mittellinie eine Querschnittserweiterung aufweist.
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In einer Ausführungsform ist mindestens ein Verbindungsmittel, eine Verstärkungsstruktur und / oder ein Verstärkungsmittel an der Außenseite der Ringstruktur und / oder in der Ringstruktur integriert angeordnet. Das Verbindungsmittel dient z.B. einem Anschluss mit einem anderen Bauteil. Das Verstärkungsmittel kann z.B. eine gezielte Versteifung in einem Bereich sein, indem eine Last auf das Bauteil aufgebracht wird oder besondere aerodynamische Bedingungen (z.B. auf Grund von Gasen) eingehalten werden müssen.
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Auch kann die Innenseite der Ringstruktur mindestens teilweise aerodynamisch konturiert sein. Diese Kontur der Ring-Innenseite definiert die äußere Grenze des luftdurchströmten Bereichs des Gaspfades des Gasturbinentriebwerks. Dazu kann z.B. ein möglichst leichter Füllstoff (z.B. ein Kunststoffschaum) dienen, der einen gleichmäßigen Übergang/Anschluss des Gaspfades von der Ring-Innenseite zum angrenzenden Bauteil sicherstellt, typischerweise ein Fan Case.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Ringstruktur und / oder mindestens eine der Flanschstrukturen mit einem Einsatz, insbesondere einem Schaumkern oder einem ringförmigen Einsatz, verbunden. Der Einsatz kann z.B. dazu dienen, eine Kante oder einen Hohlraum auszufüllen, der sich im Zusammenbau mit Nachbarbauteilen ergibt. Damit kann ein aerodynamisch günstiger Gaspfad geschaffen werden.
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Eine effiziente und mechanisch stabile Ausführung ergibt sich, wenn das Bauteil mindestens teilweise durch ein Ablegeverfahren oder Wickelverfahren herstellbar ist, insbesondere mit einem Staggered Layup. Dabei kann die Ablegungsart und / oder die Wicklungsart und / oder das jeweilige Material mindestens in zwei Bereichen der Flanschstrukturen und / oder der Ringstruktur unterschiedlich sein.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Flugzeugtriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
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Bei der Herstellung kann insbesondere zunächst eine Grundform eines ringförmigen Bauteils hergestellt werden.
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Separat kann dann ein Einsatz, wie z.B. ein Schaumkern oder ein ringförmiger Einsatz hergestellt werden, bei dem in einem Formwerkzeug mindestens eine Lage Verbundmaterial angeordnet wird, wobei auf dieser mindestens eine Lage der Einsatz, insbesondere ein Schaumkern oder ein ringförmiger Einsatz, angeordnet wird. Der Einsatz kann dann von der mindestens einen Lage umhüllt werden, so dass der Schaumkern außen z.B. eine mit Harz getränkte Fläche aufweist, die geeignet ist, mit einer Fläche des ringförmigen Bauteils verbunden zu werden. Dieser Einsatz wird dann mit der Grundform des ringförmigen Bauteils, insbesondere in einem Autoklaven, verbunden.
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In Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt
- Fig. 1
- eine Ansicht einer ersten Ausführungsform eines ringförmigen Bauteils in axialer Richtung;
- Fig. 1A
- eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform entlang der Ebene A-A in Fig. 1 mit variablen Materialanordnungen in axialer Richtung;
- Fig. 1B
- eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform senkrecht zu einer Rotationsachse mit variablen Materialanordnungen in Umfangsrichtung;
- Fig. 1C
- eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform entlang der Ebene A-A in Fig. 1 mit variablen Querschnittsformen in axialer Richtung;
- Fig. 1D
- eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform senkrecht zur Rotationsachse mit variablen Querschnittsformen in Umfangsrichtung;
- Fig. 1E
- eine Detailansicht des in Fig. 1A durch eine strich-punktierte Linie gekennzeichneten Bereiches;
- Fig. 2
- eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform des ringförmigen Bauteils in axialer Richtung;
- Fig. 2A
- eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform entlang der Line B-B in Fig. 2;
- Fig. 3
- eine perspektivische Detailansicht einer dritten Ausführungsform mit einem Bereich mit zusätzlichem Material in einer Ringstruktur;
- Fig. 4
- ein Detail in einer Seitenansicht eines ringförmigen Bauteils;
- Fig. 4A
- eine Schnittansicht des Details entlang der Linie C-C aus Fig. 4 in axialer Richtung.
- Fig. 5
- eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform des ringförmigen Bauteils in axialer Richtung;
- Fig. 5A
- eine Schnittansicht der vierten Ausführungsform entlang der Linie D-D in Fig. 5;
- Fig. 5B
- eine Detailansicht von Teilen eines Schaumkerns mit einer Schwalbenschwanzverbindung entlang der Linie E-E in Fig. 5A;
- Fig. 6
- ein Ablaufplan für eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines ringförmigen Bauteils;
- Fig. 7A
- eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrensschrittes zur Herstellung eines Schaumkerns;
- Fig. 7B
- eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrensschrittes zur Fügung von Schaumkern und ringförmigem Bauteil;
- Fig. 7C
- eine Darstellung einer ersten Ausführungsform des ringförmigen Bauteils mit einem Schaumkern im Zusammenbau mit einem Nachbarbauteil;
- Fig. 7D
- eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform des ringförmigen Bauteils mit einem Schaumkern im Zusammenbau mit einem Nachbarbauteil.
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In den Fig. 1, 1A ist eine erste Ausführungsform eines ringförmigen Bauteils 20 für ein Flugzeugtriebwerk dargestellt. Fig. 1 zeigt dabei eine Ansicht in axialer Richtung, d.h. in Richtung einer Rotationsachse R des hier nicht dargestellten Flugzeugtriebwerkes. Wenn das ringförmige Bauteil 20 z.B. als ein Gehäuse für einen Fan (hier nicht dargestellt) ausgebildet ist, dann wäre die axiale Richtung die Rotationsachse R des Fans. Die Flugrichtung F (siehe Fig. 1A) des Flugzeugtriebwerks wäre koaxial zur Rotationsachse R. In der Fig. 1 ist eine Schnittebene A-A angegeben, wobei die entsprechende Schnittansicht in Fig. 1A dargestellt ist.
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Wie in Fig. 1A zu erkennen ist, weist das ringförmige Bauteil 20 eine - in Flugrichtung F oder auch in Richtung der Rotationsachse R gesehen - vordere Flanschstruktur 1 und eine hintere Flanschstruktur 3 auf. Zwischen den Flanschstrukturen 1, 3 ist eine Ringstruktur 2 angeordnet, deren Wandung in etwa parallel zur Rotationsachse R angeordnet ist. In der dargestellten Ansicht weist die Ringstruktur 2 eine leicht nach oben (d.h. radial nach außen) gekrümmte Form auf, d.h. Ringstruktur 2 muss keine flache oder ebene Grundfläche aufweisen.
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Die Ausführungsformen, die im Folgenden beschrieben werden, weisen jeweils variable Querschnittsformen Q1, Q2 und / oder variable Materialanordnungen M1, M2 in Umfangsrichtung U und / oder senkrecht zur Umfangsrichtung U auf. Es ist z.B. möglich, nur ein Material zu verwenden und nur die Querschnittsformen Q1, Q2 zu variieren.
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Fig. 1A zeigt variable Materialanordnungen M1, M2 in einer Ebene senkrecht zur Umfangsrichtung U. Dies bedeutet, dass unterschiedliche Materialien in axialer Richtung in der Ringstruktur 2 verwendet werden können.
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So könnte die erste Materialanordnung M1, die näher an der vorderen Flanschstruktur 1 als die zweite Materialanordnung M2 liegt, z.B. eine höhere Festigkeit und ein höheres Gewicht aufweisen, wenn die mechanischen Belastungen und / oder die thermischen Belastungen an der vorderen Flanschstruktur 1 höher sind als in der hinteren Flanschstruktur 3. Die zweite Materialanordnung M2, die näher an der hinteren Flanschstruktur 3 liegt, kann belastungsgerecht angepasst sein, z.B. leichter ausgebildet sein.
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Die Ausführungsform gemäß der Fig. 1A zeigt somit eine Variabilität in axialer Richtung (also senkrecht zur Umfangsrichtung), wobei hier der Fall dargestellt ist, dass die Materialanordnungen M1, M2 sich in gleicher Weise um den Umfang erstrecken, d.h. die Materialanordnungen M1, M2 bilden ringförmige Materialanordnungen M1, M2 aus.
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In anderen Ausführungsformen erstrecken sich die Materialanordnungen M1, M2 jeweils nur über einen Teilbereich des Umfangs, d.h. es liegen unterschiedliche Materialanordnungen M1, M2 in Umfangsrichtung U vor, was in Fig. 1B dargestellt ist. Beispielsweise weist hier ein Segment im oberen Teil der Ringstruktur 2 eine Materialanordnung M2 auf, das komplementäre Segment im unteren Teil der Ringstruktur 2 weist eine Materialanordnung M1 auf. Damit kann z.B. ein Gehäuse an unterschiedliche mechanische und / oder thermische Belastungen an der Ober- und Unterseite (oder auch den Seitenflächen) angepasst werden. Somit ist es nicht zwingend notwendig, dass sich die Materialanordnungen M1, M2 jeweils um die gleichen Teile des Umfangs erstrecken müssen. In der dargestellten Ausführungsform wird angenommen, dass die unterschiedlichen Materialanordnungen M1, M2 sich in axialer Richtung R über den gesamten Bereich der Ringstruktur 2 erstrecken, was aber nicht zwingend ist.
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Die hier beispielhaft dargestellten Ausführungsformen weisen zwei unterschiedliche Materialanordnungen M1, M2 auf. Es ist aber möglich, mehr als zwei unterschiedliche Materialanordnungen M1, M2 zu verwenden, um besonderen Belastungsanforderungen gerecht zu werden. Auch können die Ausführungsformen der Fig. 1A, 1B miteinander kombiniert werden, indem die Materialanordnungen M1, M2 sowohl in Umfangsrichtung als auch senkrecht dazu unterschiedlich angeordnet sind. Damit können die Materialien gezielt dort eingesetzt werden, wo sich gebraucht werden. In jedem Fall liegt dann eine anisotrope Materialverteilung in der Ringstruktur 2 vor.
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Zusätzlich oder alternativ zu den variablen Materialanordnungen M1, M2 können auch die Querschnittsformen Q1, Q2 der Ringstruktur 2 variabel ausgebildet sein. D.h., die Querschnittsformen Q1, Q2 können in Umfangsrichtung U und / oder senkrecht zur Umfangsrichtung U variabel ausgebildet sein, was in den Fig. 1C, 1D dargestellt ist.
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Fig. 1C zeigt eine Ausführungsform mit variablen Querschnittsformen Q1, Q2 in einer Ebene senkrecht zur Umfangsrichtung U. Die erste Querschnittsform Q1, die näher an der vorderen Flanschstruktur 1 liegt, weist einen größeren Querschnitt (d.h. eine größere Wandstärke) auf als die zweite Querschnittsform Q2, die axial dahinter liegt. Ähnlich wie bei den variablen Materialanordnungen M1, M2 in den Ausführungsformen der Fig. 1A, 1B, kann der Querschnitt der Ringstruktur 2 gezielt an mechanische Belastungen und / oder thermische Belastungen angepasst werden.
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Die Ausführungsform gemäß der Fig. 1C zeigt somit eine Variabilität der Querschnitte Q1, Q2 in axialer Richtung (also senkrecht zur Umfangsrichtung U), wobei hier der Fall dargestellt ist, dass die Querschnittsformen Q1, Q2 sich in gleicher Weise um den Umfang erstrecken.
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In anderen Ausführungsformen erstrecken sich die variablen Querschnittsformen Q1, Q2 jeweils nur über einen Teilbereich des Umfangs, d.h. es liegen unterschiedliche Querschnittsformen Q1, Q2 in Umfangsrichtung U vor, was in Fig. 1D dargestellt ist. Beispielsweise weist hier ein Segment in der linken Seite der Ringstruktur 2 eine größere Wandstärke auf (Querschnittsform Q1) auf als das komplementäre Segment der Ringstruktur 2. Auch damit kann z.B. ein Gehäuse an unterschiedliche mechanische und / oder thermische Belastungen an der Ober- und Unterseite (oder den Seitenflächen) angepasst werden. Somit ist es nicht zwingend notwendig, dass sich die unterschiedlichen Querschnittformen Q1, Q2 jeweils um die gleichen Teile des Umfangs erstrecken. In der dargestellten Ausführungsform wird angenommen, dass die unterschiedlichen Querschnittsformen Q1, Q2 sich in Richtung der Rotationsachse R über den gesamten Bereich der Ringstruktur 2 erstrecken, was aber nicht zwingend ist.
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Die hier beispielhaft dargestellten Ausführungsformen weisen zwei unterschiedliche Querschnittsformen Q1, Q2 auf. Es ist aber möglich mehr als zwei unterschiedliche Querschnittsformen Q1, Q2 zu verwenden, um besonderen Belastungsanforderungen gerecht zu werden. Auch können die Ausführungsformen der Fig. 1C, 1D miteinander kombiniert werden, indem die Querschnittsformen Q1, Q2 sowohl in Umfangsrichtung als auch senkrecht dazu unterschiedlich angeordnet sind. Damit können unterschiedliche Materialstärken gezielt dort eingesetzt werden, wo sie gebraucht werden. In jedem Fall liegt durch unterschiedliche Querschnittsformen Q1, Q2 eine Anisotropie der Form vor.
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Die Ausführungsformen mit variabler Materialanordnung M1, M2 (siehe Fig. 1A, 1B) und mit variabler Querschnittsform Q1, Q2 (siehe Fig. 1C, 1D) können miteinander kombiniert werden, indem z.B. sich die Materialen in einem verdickten Wandungsbereich der Ringstruktur 2 von den Materialien in einem dünneren Wandungsbereich der Ringstruktur 2 unterscheiden.
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Zu dieser belastungsgerechten Flexibilität in der Gestaltung der Ringstruktur 2 kommt bei allen Ausführungsformen gemäß der Fig. 1, 1A, 1B, 1C, 1D noch hinzu, dass mindestens eine der Flanschstrukturen 1, 3 in Umfangsrichtung U mindestens zwei ringförmige Abschnitte 4, 5 aufweist, die jeweils unter einem unterschiedlichen Winkel α, β relativ zur Ringstruktur 2 angeordnet sind.
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Aus Gründen der Einfachheit wird diese Gestaltung der mindestens einen Flanschstruktur 1, 3 in den Fig. 1B und 1D nur für die vordere Flanschstruktur 1 dargestellt. Die hintere Flanschstruktur 3 kann aber in ähnlicher Weise ausgebildet sein.
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Die Ausführungsformen - am besten in Fig. 1A und 1C erkennbar - im Querschnitt senkrecht zur Umfangsrichtung U weisen einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf, wobei die vordere Flanschstruktur 1 sich in radialer Richtung ca. doppelt so weit nach außen erstreckt als die hintere Flanschstruktur 3. In alternativen Ausführungsformen kann dies anders ausgebildet sein. Die Grundfläche der Ringstruktur 2 ist hier, wie bereits oben erwähnt, leicht gekrümmt ausgebildet, wobei diese Form von der strömungsleitenden Aufgabe der Ringstruktur abhängt.
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Die hintere Flanschstruktur 3 steht in der dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen in einem Winkel γ von 90° von der Querschnittsfläche der Ringstruktur 2 ab. Der Winkel von 90° wird hier zwischen der Mittellinie / Mittelebene der Wandung der Ringstruktur 2 und der Mittellinie / Mitteleben der Wandung der hinteren Flanschstruktur 3 bestimmt, die sich, wie in Fig. 1B schematisch dargestellt, unter einem Winkel von 90° schneiden. Der Winkel γ wird dabei in Richtung der Wandung der Ringstruktur 2 gemessen. Die hintere Flanschstruktur 3 ist hier einteilig mit der Ringstruktur 2 ausgebildet.
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Die vordere Flanschstruktur 1 ist in der dargestellten Ausführungsform hingegen etwas komplexer geformt (siehe z.B. Fig. 1F). Ein erster Abschnitt 4 schließt in axialer Richtung nach vorne - also in Flugrichtung F gesehen - unter einem Winkel α = 45° an. Auch hier wird der Winkel α zwischen Mittellinien / Mittelebene des Querschnitts der Ringstruktur 2 und der Mittellinie / Mittelebene des Querschnitts des ersten Abschnitts 4 bestimmt; die Mittellinien /Mittelebene schneiden sich unter einem Winkel von 45°.
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An das distale Ende des ersten Abschnitts 4 schließt sich ein zweiter Abschnitt 5 an, der sich unter einem Winkel β=90° relativ zur Ringstruktur 2 erstreckt. Damit ist der Winkel β unterschiedlich zum ersten Winkel α. Der Winkel β wird wiederum am Schnittpunkt der Mittellinien (oder Schnittachse der Mittelebenen) gemessen. Die Winkel α, β werden dabei ebenfalls in Richtung der Wandung der Ringstruktur 2 gemessen. Auch die vordere Flanschstruktur 1 ist hier einteilig mit der Ringstruktur 2 ausgebildet, so dass das gesamte ringförmige Bauteil 20 einteilig ausgebildet ist. In alternativen Ausführungsformen kann das ringförmige Bauteil 20 auch aus zwei oder mehr Bauelementen hergestellt sein.
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Im Ergebnis ist in den hier dargestellten Ausführungsformen die vordere Flanschstruktur 1 zunächst im ersten Abschnitt 4 unter einem relativ flachen ersten Winkel α nach oben gebogen, z.B. mit α zwischen 10 und 60°. Dann knickt der zweite Abschnitt 5 steiler nach außen ab, mit β=90°. Im Endergebnis steht der zweite Abschnitt 5 dann senkrecht Ringstruktur 2.
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Die hier dargestellten Ausführungsformen können insbesondere als Verbundwerkstoffe mit Karbonfasern im Rahmen eines Ablegeverfahrens (automated fiber placement, AFP) vorimprägnierten Faserverbundmaterial (hier vor allem mittelsteifen Fasern) hergestellt werden. Die Bündel, z.B. aus Karbonfasern, sind mit Epoxidharz imprägniert, werden in Winkeln von 0°, +45°, -45° und 90° abgelegt. Durch das sogenannte Staggering können die Fasern zu Querschnitten abgelegt werden (staggered layup), die variabel sind.
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Durch diese Herstellungsverfahren können die oben genannten variablen Querschnittsformen Q1, Q2 und / oder die variablen Materialanordnungen M1, M2 realisiert werden, wie dies in den Figuren dargestellt sind. Wie gesagt, kann durch diese Variabilität eine Gewichtsersparnis realisiert werden, da besonders belasteten Teile des ringförmigen Bauteils 20 gezielt verstärkbar sind.
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Vor allem erlaubt die mehrwinklige (hier zwei Winkel α, β) Ausbildung der ersten Flanschstruktur 1, dass diese in einer Lage herstellbar ist, wobei insbesondere Tapes mit Fasern im 90° Winkel verwendet werden können, so dass die Fasern senkrecht zur Rotationsachse R stehen.
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In einer Ausführungsform (siehe Fig. 1A) ist die Ringstruktur 2 mit einer Verstärkungsstruktur 6 (z.B. durch Aufbringung zusätzlicher Lagen vom Verbundmaterial oder einem Metallteil) verbunden oder wird einteilig beim Ablegen der Fasern ausgebildet. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn z.B. größere mechanische Belastungen in einem bestimmten Bereich der Ringstruktur 2 angreifen.
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In der Ausführungsform gemäß Fig. 1A ist an der Ringstruktur 2 auch noch eine Feuerschutzschicht 13 angeordnet. Die Feuerschutzschicht 13 kann je nach Anforderung teilweise oder komplett auf der Außenhaut der Ringstruktur 2 angeordnet sein, um die Außenseite gegen Feuer zu schützen.
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Wenn die Verstärkungsstruktur 6 aus Verbundmaterial besteht oder dieses aufweist, kann die Feuerschutzschicht 13 die Verstärkungsstruktur 6 überdecken. Wenn die Verstärkungsstruktur 6 aus Metall oder einem anderen feuerfesten Material besteht, ist dies nicht zwingend notwendig; es genügt dann, dass die Feuerschutzschicht 13 um das Metallteil herum angeordnet ist.
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In den Fig. 2, 2A ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, wobei die Fig. 2 eine Ansicht in Richtung der Rotationsachse R zeigt, die der Fig. 1 vergleichbar ist, so dass die obige Beschreibung grundsätzlich anwendbar ist.
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Allerdings weist die vordere Flanschstruktur 1, die in der Schnittansicht der Fig. 2A dargestellt ist, ein zusätzliches Merkmal auf, nämlich einen Schaumkern 8 im Inneren der vorderen Flanschstruktur 1 oder einen Schaumkern 8, der mit der vorderen Flanschstruktur 1 verbindbar ist. Die Herstellung dieses Schaumkerns 8 wird in Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren in den Fig. 6, 7A und 7B genauer dargestellt. Die Integration des ringförmigen Bauteils 20 mit einem Schaumkern 8 mit Nachbarbauteilen wird in Fig. 7C und 7D dargestellt.
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Wie in der Fig. 2A erkennbar ist, weist die erste Flanschstruktur 1 einen ersten Winkel α zwischen der Ringstruktur 2 und dem ersten Abschnitt 4 von 45° auf. Der zweite Winkel β zwischen der Ringstruktur 2 und dem zweiten Abschnitt 5 der ersten Flanschstruktur 1 beträgt 90°. Damit ist ein effizienter Anschluss an ein Nachbarbauteils möglich.
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In der Fig. 3 ist ein Detail dargestellt, das in Verbindung mit einer der zuvor dargestellten Ausführungsformen verwendbar ist. Die perspektivische Darstellung zeigt in Umfangsrichtung U der Ringstruktur 2 einen Bereich, der mit einem zusätzlichen Material 9 (patches), z.B. aus Metall, versehen ist, so dass sich in diesem Bereich der Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse R gegenüber dem übrigen Bereich der Ringstruktur 2 vergrößert. Das zusätzliche Material 9 erstreckt sich dabei über die gesamte Breite (also in axialer Richtung) der Ringstruktur 2. Dies entspricht in etwa der Ausführungsform, die in Fig 1D dargestellt ist. In anderen Ausführungsformen erstreckt sich das zusätzliche Material nicht über die gesamte Breite.
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Dieses zusätzliche Material 9 kann z.B. auch ein Brandschutzmaterial sein, um das darunterliegende Verbundmaterial der Ringstruktur 2 vor hohen Temperaturen zu schützen. Wie erwähnt, bedeckt dieses zusätzliche Material nicht den gesamten Umfang der Ringstruktur 2, so dass Raum bleibt für weitere Anordnungen oder Verbindungsmittel 7, was in den Fig. 4, 4A dargestellt ist.
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In Fig. 4 ist die Seitenansicht eines Teiles eines ringförmigen Bauteils 20 dargestellt, bei dem weitere zusätzliche Materialien 9', 9" im Bereich der Ringstruktur 2 angeordnet sind. Dies führt jeweils zu einer lokalen Vergrößerung des Querschnitts in diesen Bereichen. Zusätzlich ist noch ein Verbindungsmittel 7 angeordnet, das in Fig. 4A entlang der Linie C-C im Schnitt dargestellt ist. An das Verbindungsmittel 7 (auch Anschlagelement oder auch englisch "Boss" genannt) kann z.B. ein hier nicht dargestelltes Montagemittel angreifen. In der Darstellung der Fig. 4A wird bei der Herstellung das Verbindungsmittel 7 mit einer CFK-Lage 18 überdeckt (z.B. gewickelt, laminiert, drapiert, je nach Herstellungsverfahren), wobei anschließend metallische Gewindebuchsen 10 in das Verbundmaterial 11 eingesetzt werden.
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In den Fig. 5, 5A, 5B ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, wobei die Ansicht der Fig. 5 mit der Ansicht der Fig. 1 oder 2 vergleichbar ist. Die Schnittlinie D-D verläuft durch die vordere Flanschstruktur 1, die analog zur Ausführungsform gemäß Fig. 2A mit einem Schaumkern 8 versehen ist (siehe Fig. 5A). Die äußere Geometrie der ersten Flanschstruktur 1 mit den zwei unterschiedlich gewinkelten Bereichen entspricht dabei der Ausführungsform in Fig. 2A. Wie bei der ersten Ausführungsform, weist das ringförmige Bauteil 20 eine im Wesentlichen U-förmige Querschnittsform auf.
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Die Schnittebene D-D, die in der Fig. 5A dargestellt ist, geht durch den axial äußeren Bereich der vorderen Flanschstruktur 1. Die Schnittline E-E in Fig. 5B zeigt, dass einzelne Teile der um den radial inneren Bereich der vorderen Flanschstruktur 1 liegenden Schaumfüllung 8 durch eine Schwalbenschwanzstruktur 12 verbunden sind. Somit können einzelne Teile der Schaumfüllung 8 eingesetzt werden, wobei diese dann durch die Schwalbenschwanzstruktur 12 miteinander zusammengehalten werden.
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In Fig. 6 ist ein Ablaufplan für eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines ringförmigen Bauteils 20 dargestellt.
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In einem ersten Schritt 101 wird mittels eines an sich bekannten AFP-Verfahrens (Automated Fibre Placement) der Grundkörper des ringförmigen Bauteils 20 auf einem zapfenförmigen Ablagewerkzeug hergestellt.
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Dieser Grundkörper wird dann in eine Flansch-Umformungs-Anlage überführt (Schritt 102). Unter Erwärmung des ablegten Laminats wird der Grundkörper im Flanschbereich umgeformt, um die Flanschstrukturen 1, 3 herzustellen (Schritt 103). Die Flanschstrukturen 1, 3 werden dabei radial nach außen gebogen. Anschließend wird das umgeformte Bauteil abgekühlt (Schritt 104).
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In einem nachfolgenden Schritt 105 wird ein einlaminierter Schaumkern 8, d.h. eine Schaumfüllung (siehe auch Fig. 2A, 7A, 7B), mit dem ringförmigen Bauteil 20 verbunden.
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Der Schaumkern 8 wird dabei als Unterbaugruppe separat vorbereitet. In einem ersten Schritt 201 erfolgt ein Ablegen/Drapieren von CFK-Lagen 15 in einem entsprechenden Formwerkzeug 14. Die Teile des Schaumkerns 8 werden im Schritt 202 zusammengesetzt und dann im nachfolgenden Schritt 203 in das Formwerkzeug mit den vorbereiteten CFK-Lagen (siehe Schritt 201) eingesetzt. Dies ist in Fig. 7A dargestellt.
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Anschließend werden im Schritt 204 die CFK-Lagen 15 umgeschlagen und drapiert, so dass sie den Schaumkern 8 umschließen, was in Fig. 7A durch den Doppelpfeil dargestellt ist. Der Schaumkern 8 hat eine im Wesentlichen dreieckige Querschnittsfläche, wobei die Form grundsätzlich an die Ausgestaltung der vorderen Flanschstruktur 1 anpassbar ist.
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In der Fig. 7B ist das Zusammenfügen - angedeutet durch den Pfeil nach links - des Schaumkerns 8 mit dem ringförmigen Bauteil 20 dargestellt, wobei das ringförmige Bauteil 20 in einem Formwerkzeug 16 angeordnet ist.
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Der Grundkörper des ringförmigen Bauteils 20 und der Schaumkern 8 werden in einen Autoklav transferiert und unter Druck und Temperatur autoklaviert (Schritt 106). Dabei verbinden sich ringförmiges Bauteil 20 aus Verbundmaterial mit dem im Verbundmaterial eingewickelten Schaumkern, so dass ein Bauteil entsteht.
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Nach dem Abschluss der Autoklavierung wird im Schritt 107 das ringförmige Bauteil 20 vom Ablagewerkzeug entformt und im nachfolgenden Schritt 108 mechanisch bearbeitet. Dazu kann eine Bearbeitung einer CNC-Maschine erfolgen. Auch können Flanschbohrungen und Konturen hergestellt werden.
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Im Rahmen dieser Herstellung wird auch eine Feuerschutzschicht 13 aufgebracht. Dies kann nach dem Einsetzen des Schaumkerns 8 im Schritt 105 erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass die Feuerschutzschicht 13 nach der Konsolidierung des ringförmigen Bauteils 20 im Autoklavprozess (Schritt 106) erfolgen.
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In der Fig. 7C ist in der rechten Seite ein ringförmiges Bauteil 20 mit dem verbundenen Schaumkern 8 dargestellt. Der Schaumkern 8 füllt den Raum radial innerhalb der Schräge des ersten ringförmigen Abschnitts 4 aus. Axial erstreckt sich der Schaumkern 8 in etwa bis zur Ebene der Außenseite der vorderen Flanschstruktur 1.
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Links schließen zwei Nachbarbauteile 30, 31 an das ringförmige Bauteil 20 mit dem Schaumkern 8 an. Das erste Nachbarbauteil 30 ist ein strukturelles Bauteil, das z.B. mechanische Lasten aufnehmen kann. Dieses ist z.B. mit einer Schraubenverbindung mit der vorderen Flanschstruktur 1 verbunden. Radial innerhalb des ersten Nachbarbauteils 30 ist ein zweites Nachbarbauteil, nämlich ein funktionelles Nachbarbauteil 31, angeordnet. Dies kann z.B. eine Wabenstruktur sein, die der Lärmreduktion eines Fans dienst. Die inneren Durchmesser des ringförmigen Bauteils 20 (mit dem Schaumkern) und des funktionellen Nachbarbauteils 31 sind im Wesentlichen gleich, so dass ein durchgängiger Gaspfad 40 im Inneren entsteht. Der Schaumkern 8 füllt in dieser Ausgestaltung die Lücke auf, die durch die Schräge des ersten ringförmigen Abschnitts entsteht.
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In der Fig. 7D ist eine alternative Ausgestaltung zur Ausführungsform gemäß Fig. 7C dargestellt, so dass auf die obige Beschreibung grundsätzlich Bezug genommen werden kann. Dabei wird kein Schaumkern 8 im Übergangsbereich zu den Nachbarbauteilen 30, 31 verwendet, sondern ein ringförmiger Einsatz 17 mit einem hier winkligen Querschnitt. Der Herstellungsprozess gemäß Fig. 6 verläuft insbesondere analog.
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Somit sind der Schaumkern 8 und der ringförmige Einsatz 17 Beispiele für Einsätze, mit denen das ringförmige Bauteil 20 verbunden werden können.
Bezugszeichenliste
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- 1
- vordere Flanschstruktur
- 2
- Ringstruktur
- 3
- hintere Flanschstruktur
- 4
- erster ringförmiger Abschnitt
- 5
- zweiter ringförmiger Abschnitt
- 6
- Verstärkungsstruktur
- 7
- Verbindungsmittel
- 8
- Schaumkern
- 9
- Bereich mit zusätzlichem Material (patch)
- 9'
- Bereich mit zusätzlichem Material (patch)
- 9"
- Bereich mit zusätzlichem Material (patch)
- 10
- Gewindebuchse in Verbindungsmittel
- 11
- Verbundmaterial des Verbindungsmittels
- 12
- Schwalbenschwanzverbindung
- 13
- Feuerschutzschicht
- 14
- Formwerkzeug Schaumkern
- 15
- CFK-Lage zur Ummantelung des Schaumkerns
- 16
- Formwerkzeug ringförmiges Bauteil
- 17
- ringförmiger Einsatz
- 18
- CFK-Lage zu Überdeckung des Verbindungsmittels
- 20
- ringförmiges Bauteil
- 30
- Nachbarbauteil, strukturell
- 31
- Nachbarbauteil, funktionell
- 40
- durchgängiger Gaspfad
- F
- Flugrichtung
- M1
- erste Materialanordnung
- M2
- zweite Materialanordnung
- Q1
- erste Querschnittsform
- Q2
- zweite Querschnittsform
- R
- Rotationsachse
- U
- Umfangsrichtung
- α
- Winkel zwischen einem ersten ringförmigen Abschnitt einer Flanschstruktur und Ringstruktur
- β
- Winkel zwischen einem zweiten ringförmigen Abschnitt einer Flanschstruktur und Ringstruktur
- γ
- Winkel zwischen hinterer Flanschstruktur und Ringstruktur