NL8601871A

NL8601871A - METHOD FOR MANUFACTURING A ROTOR TUBE

Info

Publication number: NL8601871A
Application number: NL8601871A
Authority: NL
Original assignee: Man Technologie Gmbh
Priority date: 1985-08-09
Filing date: 1986-07-17
Publication date: 1987-03-02
Also published as: GB2178820A; DE3528629A1; JPS6246633A; GB2178820B; GB8618364D0

Description

7 :i - 1 -7: i - 1 -

Werkwijze voor het vervaardigen van een rotorbuis.Method for manufacturing a rotor tube.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een rotorbuis of dergelijk voorwerp uit in een matrixmateriaal ingebedde vezels, waarbij de vezels worden gewikkeld om een doom, die 5 aansluitend radiaal wordt verwijd, en waarbij ten slotte het matrixmateriaal onder instandhouding van de radiale verwijding wordt uitgehard.The invention relates to a method for manufacturing a rotor tube or the like from fibers embedded in a matrix material, wherein the fibers are wound around a doom, which is subsequently radially widened, and finally the matrix material while maintaining the radial dilation is cured.

Rotorbuizen uit met vezels versterkt samengesteld materiaal bestaan in het algemeen uit meerdere 10 vezellagen van verschillende oriënteringen, waarbij de vezels of als vezels zonder einde of als vezelmatten bij de vervaardiging van de buis worden gewikkeld om een doorn. Bij het bedrijf van de rotoren wordt de rotor, in het bijzonder in de omtreksrichting belast onder 15 trekspanning. Bij de afzonderlijke vezellagen geven deze belastingen in overeenstemming met de vezeloriëntaties een verschillende uitwerking. Er kon worden vastgesteld, dat de lagen, die dwars op de hoofdbelastingsrichting liggen, de zwakke plaats van een te belasten samengesteld 20 element vormen, terwijl de trekvastheid loodrecht op de vezelrichting door de matrix bepaald wordt, en deze relatief laag is. In de tussenvezelgebieden ontstaan daardoor vaak scheuren, die zich ook gemakkelijk kunnen uitbreiden.Fiber reinforced composite rotor tubes generally consist of multiple fiber layers of different orientations, the fibers being wound around a mandrel either as endless fibers or as fiber mats in the manufacture of the tube. In the operation of the rotors, the rotor is loaded under tensile stress, in particular in the circumferential direction. In the individual fiber layers, these loads have different effects in accordance with the fiber orientations. It could be seen that the layers transverse to the main load direction form the weak point of a composite element to be loaded, while the tensile strength perpendicular to the fiber direction is determined by the matrix, and it is relatively low. This often causes cracks in the intermediate fiber areas, which can also easily spread.

25 Volgens de Duitse octrooiaanvrage P 34 05 472.3-16 wordt hiertoe een hulpmiddel verschaft, doordat door het uitharden van het matrixmateriaal onder voorspanning van de vezels in de hars een drukeigenspanning ontstaat, die een soort uitzettingsreserve vormt. Eet toelaatbare 30 uitzettingsgebied wordt derhalve in de vezeldwarsrichting verhoogd.According to German patent application P 34 05 472.3-16, an aid is provided for this purpose by hardening the matrix material under pretension of the fibers in the resin to form a pressure property tension which forms a kind of expansion reserve. The allowable expansion area is therefore increased in the fiber cross direction.

Naar bekend is wordt deze werkwijze toegepast bij samengestelde lichamen met glasvezels (tijdschrift "Kunststoffe" 74, jaargang 1984, Heft 9, blz. 520 tot 526).It is known that this method is used in composite bodies with glass fibers (magazine "Kunststoffe" 74, volume 1984, Heft 9, pp. 520 to 526).

35 Hierbij worden ductiele matrixmaterialen gebruikt, die dankzij de hogere rek tot breken bij bedrijf tegen de uitzettingen van de glasvezels stand houden. Deze oplossing is evenwel slechts te gebruiken voor dergelijke toepas- 8601871 r.Ductile matrix materials are used here, which, due to the higher elongation to break, withstand the expansion of the glass fibers during operation. However, this solution can only be used for such applications.

- 2 - singsgevallen, waarbij geen temperatuurbelastingen te verwachten zijn.- 2 - cases where no temperature loads are to be expected.

Aan de uitvinding ligt het doel ten grondslag de in de aanhef ontschreven werkwijze zodanig te verbeteren, 5 dat daarmee samengestelde vezelvoorwerpen te vervaardigen zijn, die aan hogere temperaturen kunnen worden blootgesteld.The object of the invention is based on improving the method described in the preamble, in such a way that fiber articles can be manufactured therewith which can be exposed to higher temperatures.

Hiertoe heeft de werkwijze volgens de uitvinding het kenmerk, dat vezels worden gebruikt, die een grote 10 sterkte en een hoge elasticiteitsmodulus hebben.To this end, the method according to the invention is characterized in that fibers are used which have a high strength and a high modulus of elasticity.

Aan de uitvinding ligt het inzicht ten grondslag, dat het vereiste ten aanzien van de uitzetting tot breken van het matrixmateriaal door de keuze van vezels voor wat betreft het elastische gedrag kan worden veranderd. Met 15 vezels, die een hogere elasticiteitsmodulus hebben, kan wegens de kleine uitzetting een brosser, respectievelijk harder matrixmateriaal worden gebruikt. Deze materialen vertonen een hogere temperatuurbestendigheid, aangezien de uitzetting tot breken omgekeerd evenredig is met de 20 temperatuurbestendigheid.The invention is based on the insight that the requirement for the expansion to break of the matrix material can be changed by the choice of fibers with regard to the elastic behavior. With 15 fibers, which have a higher elastic modulus, a more brittle or harder matrix material can be used because of the small expansion. These materials exhibit a higher temperature resistance, since the expansion to fracture is inversely proportional to the temperature resistance.

Met de oplossing volgens de uitvinding wordt derhalve een werkwijze verschaft, waarmee de effectieve sterkte van een samengesteld vezelmateriaal-voorwerp kan worden verhoogd, en wel onafhankelijk van de bedrijfs-25 temperatuur, waaraan het samengestelde voorwerp moet worden blootgesteld.The solution according to the invention therefore provides a method by which the effective strength of a composite fiber material article can be increased, independently of the operating temperature to which the composite article is to be exposed.

De werkwijze bezit het verdere voordeel, dat bij de vervaardiging van het samengestelde vezelvoorwerp op grond van de hoge elasticiteitsmodulus van de vezels 30 met een kleine uitzetting een relatief hoge eigen druk-spanning in het matrixmateriaal kan worden ingébracht.The method has the further advantage that in the manufacture of the composite fiber article, due to the high elastic modulus of the fibers 30 with a small expansion, a relatively high inherent compressive stress can be introduced into the matrix material.

Er is gebleken, dat koolstofvezels van het Intermediate of HST-type (High Strain] het gebruik van vezelmaterialen met een uitzetting tot breken van 5 % of 35 minder (in het zuivere harsvormmateriaal). toelaten. Materialen van deze sterkte bezitten een temperatuurbestendigheid van minstens 100°C. In het bijzonder geschikt zijn vezels van het High. Modulus (HMi-type, die ten opzichte van de hiervoor genoemde vezels een nog hogere sterkte 40 respectievelijk uitzetting tot breken vertonen.Carbon fibers of the Intermediate or HST (High Strain) type have been found to allow the use of fiber materials with an expansion to break of 5% or less (in the pure resin molding material) Materials of this strength have a temperature resistance of at least 100 [deg.] C. Particularly suitable are fibers of the High Modulus (HMi type) which exhibit an even higher strength or expansion to break relative to the aforementioned fibers.

8601871 ** " -¾.8601871 ** "-¾.

- 3 -- 3 -

De uitvinding wordt thans nader toegelicht aan de hand van een schematisch in de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeeld. In de tekening toont: fig. 1 een schematische weergave van het tot 5 stand komen van een samengestelde buis op basis van gewikkelde vezellagen, fig. 2 schematisch een weergave van de diverse belastingen, waaraan de vezellagen zijn blootgesteld, en fig. 3 een grafiek, waarin de optredende trek-10 spanningen als funktie van de uitzetting gegeven zijn.The invention will now be further elucidated on the basis of an exemplary embodiment shown schematically in the drawing. In the drawing: Fig. 1 shows a schematic representation of the creation of a composite tube based on wound fiber layers, fig. 2 schematically shows the various loads to which the fiber layers are exposed, and fig. 3 shows a graph in which the occurring tensile stresses are given as a function of the expansion.

Zoals getoond in fig. 1 worden bij de vervaardiging van bijvoorbeeld drukbuizen of rotorbuizen op een radiaal uitzetbare kern 10 de gewenste vezellagen 11 tot 14 of door opwikkelen of als vezelmatten opgebracht.As shown in Fig. 1, in the manufacture of, for example, pressure tubes or rotor tubes on a radially expandable core 10, the desired fiber layers 11 to 14 are applied either by winding or as fiber mats.

15 Met een bekend procédé, bijvoorbeeld met hydrostatische druk of door mechanisch verwijden, wordt de kern 10 verwijd en op de uithardingstemperatuur van de gebruikte matrix gehouden, totdat het matrixmateriaal is uitgehard.With a known process, for example with hydrostatic pressure or by mechanical widening, the core 10 is dilated and kept at the curing temperature of the matrix used, until the matrix material has hardened.

Bij deze werkwijze worden de in de belastings-20 richting liggende vezels, in het bijzonder de omtreks-vezels van de laag 14, elastisch voorgespannen.- Na het doen wegvallen van de radiale druk 15 en gedurende het afkoelen van de samengestelde buis 16 vertonen de uitgezette vezels de tendens weer in hun oorspronkelijke toestand 25 terug te keren. Deze contractie wordt evenwel verhinderd door het uitgeharde matrixmateriaal 17. De vezels 18, in het bijzonder de omtrekslaag 14 en ook de vezels 19 van de 45° lagen 12 en 13 blijven dus achter met een trekeigen-spanning, die een drukspanning uitoefent op het matrix-30 materiaal 17. Deze in het matrixmateriaal 17 overblijvende drukeigenspanning heeft het effekt, dat bij het verwijden van de buis 16 bij het bedrijf het spanningsveld in het matrixmateriaal 17 zich zodanig ontwikkelt, dat bij geringe uitzetting allereerst de drukeigenspanning wordt 35 afgebroken. Pas na het overschrijden van een grotere uitzettingswaarde ontwikkelt zich een trekspanning in het matrixmateriaal. Indien, zoals in fig. 2 weergegeven, de tijdens bedrijf op de vezels 18. en 19 alsook op het matrixmateriaal 17 inwerkende trekspanning wordt voorge-40 steld door σ, wordt deze bij de parallel ten opzichte van 8601871 * '* - 4 - de trekspanning gerichte vezellaag 14, waarin de treksterkte het hoogst is, door de vezels zelf gedragen.In this method, the fibers lying in the load direction 20, in particular the circumferential fibers of the layer 14, are elastically pretensioned. After the radial pressure 15 has been released and the composite tube 16 has cooled down, the expanded fibers the tendency to return to their original state. However, this contraction is prevented by the cured matrix material 17. The fibers 18, in particular the circumferential layer 14 and also the fibers 19 of the 45 ° layers 12 and 13 are thus left with a tensile stress which exerts a compressive stress on the matrix Material 17. This pressure property tension remaining in the matrix material 17 has the effect that during the widening of the tube 16 during operation, the stress field in the matrix material 17 develops in such a manner that the pressure property stress is first broken off with a slight expansion. Only after a larger expansion value has been exceeded does a tensile stress develop in the matrix material. If, as shown in FIG. 2, the tensile stress acting on the fibers 18 and 19 as well as on the matrix material 17 during operation is represented by σ, this is calculated at the parallel with respect to 8601871. tensile stress oriented fiber layer 14, in which the tensile strength is highest, carried by the fibers themselves.

Anders is het bij de lengtevezels 20 van de laag 11, hier werkt de trekspanning dwars op de vezelrichting: aj_, 5 deze belasting moet volledig door het matrixmateriaal 17 worden opgebracht. Deze zogenaamde dwarstreksterkte is het laagst.It is different with the longitudinal fibers 20 of the layer 11, here the tensile stress acts transversely of the fiber direction: aj_, this load must be applied completely through the matrix material 17. This so-called transverse tensile strength is the lowest.

Indien nu het voorwerp 16 bestaat uit vezels met een lage elasticiteitsmodulus, bijvoorbeeld zoals 10 bij de bij het bekende procédé gebruikte glasvezels, zal een trekspanning, bijvoorbeeld σ . de buis 16 met een relatief hoge waarde z^ doen uitzeten (kromme fig. 3). Deze uitzetting kan de uitzetting bij breukbelas-ting van een bros matrixmateriaal overtreffen met als 15 gevolg, dat ondanks uitzettingsreserve tussenvezelbreuken 22 worden veroorzaakt.If the object 16 now consists of fibers with a low modulus of elasticity, for example, such as for the glass fibers used in the known process, a tensile stress, for example σ. cause the tube 16 to expand with a relatively high value z (curve fig. 3). This expansion can exceed the expansion at break load of a brittle matrix material, with the result that, despite expansion reserve, intermediate fiber breaks 22 are caused.

Door de toepassing van vezels 18 tot 20 mèt een hogere treksterkte en hogere elasticiteitsmodulus, bijvoorbeeld kromme E.^ in fig. 3, wordt evenwel bij gelijke 20 trekspanning σχ het samengestelde lichaam in geringe mate uitgezet, Met het oog hierop bijzonder goed geschikte vezels zijn koolstofvezels van het Intermediate type, die een elasticiteitsmodulus van 295 GPa en een trek- 2 sterkte tot 5100 N/mm kunnen vertonen. Verder kunnen 25 koolstofvezels van de types HST of HM worden gebruikt (Kunststoftechnik, VDI Verlag, blz. 167 tot 1691.Due to the use of fibers 18 to 20 with a higher tensile strength and a higher modulus of elasticity, for example curve E. ^ in Fig. 3, the composite body is expanded slightly at equal tensile stress σχ. In view of this, particularly well-suited fibers are carbon fibers of the Intermediate type, which can exhibit a modulus of elasticity of 295 GPa and a tensile strength of up to 5100 N / mm. Furthermore, 25 carbon fibers of the types HST or HM can be used (Kunststoftechnik, VDI Verlag, pp. 167 to 1691.

In samenhang met deze vezels kan als matrixmateriaal diglycidylether - bisfenol-A met het hardingsmiddel diaminodifenylsulfon worden gebruikt, welke een 30 temperatuurbestendigheid tot 10Ö°C heeft.In connection with these fibers, the matrix material can be diglycidyl ether-bisphenol-A with the curing agent diaminodiphenylsulfone, which has a temperature resistance up to 100 ° C.

Een verder geschikt matrixmateriaal met een rek bij breukbelasting beneden 5 % is diglycidylether-bisfenol-A met methyltetrahydro-ftaalzuuranhydride, waaraan ook een verdunningsmiddel N-methylimidazool kan worden 35 toegevoegd.A further suitable matrix material with an elongation at break under 5% is diglycidyl ether bisphenol-A with methyl tetrahydrophthalic anhydride, to which a diluent N-methylimidazole may also be added.

In samenhang met vezels - bijvoorbeeld 60 % volumebestand vezels - is de effektieve uitzetting bij breukbelasting slechts ongeveer 10 % van de uitzetting bij breukbelasting van het zuivere matrixmateriaal, dat 40 wil zeggen de effektieve uitzetting bij breukbelasting 8601871 - 5 - van de in het voorgaande genoemde materialen wordt gereduceerd op ongeveer 0,5 %. Bij deze waarden is het xnbrengen van een bijzonder aangebrachte uitzettingsreserve evenwel slechts dan zinvol, wanneer de vezels een voldoende hoge 5 elastic!teitsraodulus hebben. De genoemde koolstofvezels geven met de in het bovenstaande genoemde matrixmaterialen een uitstekende combinatie voor hoogbelaste, temperatuur-bestendige voorwerpen.In connection with fibers - for example 60% volume resistant fibers - the effective expansion at break load is only about 10% of the expansion at break load of the pure matrix material, i.e. the effective expansion at break load 8601871-5 - of the aforementioned materials is reduced to about 0.5%. At these values, however, it is only useful to bring in a specially applied expansion reserve if the fibers have a sufficiently high elastic radius. The said carbon fibers, with the above-mentioned matrix materials, give an excellent combination for highly stressed, temperature-resistant objects.

- conclusies - ---- —TT - 8601871- conclusions - - - —TT - 8601871

Claims

A method of manufacturing an article from fibers embedded in a matrix material, wherein the fibers are applied to a removable mandrel either in a wrapping process or as fiber mats, and wherein the matrix material is cured under expanded fibers, characterized in that, that fibers (18 to 20) are used which exhibit high strength and high modulus of elasticity.

2. Method according to claim 1, characterized in that a temperature-resistant matrix material (17) is used.

3. Process according to claim 1 or 2, characterized in that carbon fibers are used.

4. Process according to claim 3, characterized in that carbon fibers of the Intermediate (IM) gf Highstrain (HST) type are used.

5. Process according to claim 4, characterized in that carbon fibers are used in combination with epoxide resin systems such as diglycidyl ethers of bisphenol-A and diaminodiphenyl sulfone or methyl tetrahydrophthalic anhydride and optionally with the diluent N-methyl imidazole as matrix.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that fibers of the High

Modulus type (HM) are used. 8601871