NO127421B

NO127421B -

Info

Publication number: NO127421B
Application number: NO01892/69A
Authority: NO
Inventors: Friedrich Laussermair
Original assignee: Man Turbo Gmbh
Priority date: 1968-05-10
Filing date: 1969-05-08
Publication date: 1973-06-18
Also published as: SE349852B; GB1244941A; NL159481B; CH499732A; JPS536382B1; DE1750523B1; BE732599A; FR2008277A1; NL6906492A

Description

Fremgangsmåte til fremstilling av en rotor,, såsom trommel eller ■ aksel. ■ Method of manufacturing a rotor, such as a drum or shaft. ■

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til fremstilling av en rotor,, såsom trommel eller aksel med liten deformeringsevne og som egner seg for.store omkretshastigheter og består av en hul, fiberarmert sylindrisk kunststoffmantel, med liten spesifikk elastisitetsmodul (stivhet) og av en konsentrisk i kunststoffmantelen beliggende metallsylinder med stor spesifikk elastisitetsmodul. This invention relates to a method for producing a rotor, such as a drum or shaft with little deformability and which is suitable for high peripheral speeds and consists of a hollow, fiber-reinforced cylindrical plastic shell, with a small specific modulus of elasticity (stiffness) and of a concentric in the plastic shell situated metal cylinder with a large specific modulus of elasticity.

Slike sylindriske rotorer.finner en utbredt anvendelse i hele teknikken. For økning av slitefastheten og korrosjonsbestan-digheten av en. trykkevalse . er det f.eks. kjent å omgi valsens indre itiétallsylinder med en eventuelt fiberarmertviklet eller sen-trifugestøpt plastmantel.. Selv om forholdet mellom elastisitetsmodulen og tettheten er mindre på yttersiden enn på innersiden av en Kfr. kl. 49 1-11/00 slik rotor, er den ikke egnet til bruk som f.eks. hurtigroterende sentrifugetrommel, fordi den store radiale deformasjon i enkeltsjik-tene bevirker at disse løsner fra hverandre og rotoren ødelegges. Cylindrical rotors of this type are widely used throughout the technology. For increasing the wear resistance and corrosion resistance of a. pressure roller. is it e.g. known to surround the inner cylinder of the roller with a possibly fiber arm-wrapped or late-centrifuge molded plastic mantle.. Although the ratio between the modulus of elasticity and the density is smaller on the outside than on the inside of a Kfr. at 49 1-11/00 such a rotor, it is not suitable for use as e.g. fast-rotating centrifuge drum, because the large radial deformation in the individual layers causes them to loosen from each other and destroy the rotor.

Laminerte rotorer for store hastigheter er også tidligere kjent bestående av flere konsentriske ringer, f.eks. av metall, som er anbragt koaksialt i hverandre og fast forbundet med hverandre og hvor elastisitetsmodulen for de enkelte ringer øker innenfra utover. Lignende rotorer er også foreslått fremstilt av ringer av plast som er armert med metalltråder. Ved belastning av en slik rotor, dvs. når den roterer, presser rotorens indre ringer mot de ytre ringer. Da de ytterste ringer har størst elastisitetsmodul og de innerste minst, kan de sistnevnte følge med de førstnevnte når disse utvides under rotasjonen. Den sistnevnte rotor er bygget opp på basis av et prinsipp som er motsatt prinsippet for oppbygning av den innledningsvis nevnte rotor, hvor den ytterste ring hhv. mantel har minste elastisttetsmodul. Laminated rotors for high speeds are also previously known consisting of several concentric rings, e.g. of metal, which are arranged coaxially with each other and firmly connected to each other and where the modulus of elasticity for the individual rings increases from the inside out. Similar rotors have also been proposed to be made of plastic rings reinforced with metal wires. When such a rotor is loaded, i.e. when it rotates, the inner rings of the rotor press against the outer rings. As the outermost rings have the greatest modulus of elasticity and the innermost the least, the latter can follow the former when these expand during rotation. The latter rotor is built on the basis of a principle which is the opposite of the principle for building the initially mentioned rotor, where the outermost ring or mantle has the smallest modulus of elasticity.

Også tidligere kjent er en fremgangsmåte til fremstilling av en rotor hvor mantelen er bygget opp av kunststoffmateriale med innleirede armeringsfibre og hvor oppbygningen er foretatt slik. at mantelmaterialet,som består av homogent termoplastmateriale, på grunn av tilsetningene har radialt utover økende tetthet. Turtallet for en slik rotor er imidlertid begrenset oppover fordi materialet deformeres på grunn av sentrifugalkreftene under rotasjonen. Also previously known is a method for the production of a rotor where the mantle is built up of plastic material with embedded reinforcing fibers and where the structure is made in this way. that the casing material, which consists of homogeneous thermoplastic material, due to the additions has radially increasing density. However, the speed of such a rotor is limited upwards because the material is deformed due to the centrifugal forces during the rotation.

Den tillatelige omkretshastighet for en rotor er bestemt ved rotorens byggemåte og det benyttede materiale. En trommelrotor som stort sett består av en tynnvegget sylinder, opptar alle sentrifugalkrefter under rotasjon ved et system av tangensialspenninger. Når disse tangensialspenninger overskrider de tillatelige material-spenninger, deformeres rotoren som derved blir ubalansert, hvilket igjen bevirker ytterligere spenninger som kan nå opp til bruddgren-sen og dermed bevirke ødeleggelse av rotoren. The permissible peripheral speed for a rotor is determined by the rotor's construction method and the material used. A drum rotor, which largely consists of a thin-walled cylinder, absorbs all centrifugal forces during rotation by a system of tangential stresses. When these tangential stresses exceed the permissible material stresses, the rotor is deformed, which thereby becomes unbalanced, which in turn causes further stresses which can reach the breaking limit and thus cause destruction of the rotor.

Tettheten av materialet som anvendes i rotoren, spiller en stor rolle. Materialer med stor strekkstyrke (flytegrense) men liten tetthet tillater større omkretshastigheter enn materialer med større tetthet. Det er kjent at fiberarmerte plastmaterialer kan tåle påkjenninger som er sammenlignbare med påkjenningene som er tillatt for stål eller titan. Da deres tetthet, er omtrent fire gan-ger mindre, kan dog slike materialer bringes opp i større omkretshastigheter. Ulempen'med rotorer med fiberforsterkede plastmantler er at de på grunn av plastenes lille elastisitetsmodul er meget bøyeelastiske og ut<y>ides utillatelig sterkt under rotasjonen. Denne ulempe er av.noe mindre betydning ved en aV.de ovenfor nevnte'Utfø-relser, hvor rotoren er.bygget opp av flere tynne, konsentriske sjikt eller ringer med forskjellig armerte materialer med utad økende .elastisitetsmodul og hvor rotoren er. utført som en skive. Her er nemlig bøyefastheten av mindre betydning. Som allerede nevnt bevirker hastighetsøkningen ved en slik rotor at de innerste sjikt følger med de ytre.sjikt så sant forbindelsen mellom sjiktene er feilfri og kan tåle driftspåkjenningene. De innerste sjikt vil da følge med de ytre, fordi de ytre sjikt har mindre elastisitetsmodul. Når en slik rotor skal bringes til å stanse, vil imidlertid de innerste sjikt søke å skille seg fra de ytterste sjikt, hvilket lett kan føre til ødeleggelse av forbindelsessjiktet eller grensesjiktet. Slike rotorer som benyttes som svinghjul, dvs. energiakkumulatorer, egner seg ikke til ytterst høye omkretshastigheter, fordi de ytre sjikt har større spesifikk vekt enn de innerste og fordi de innerste sjikt med minste elastisitet ikke må belastes over flytegrensen. Avvekslende akselerasjon og retardasjon av slike rotorer kan bevirke ødeleggelse av kontaktsjiktene. The density of the material used in the rotor plays a major role. Materials with high tensile strength (yield strength) but low density allow greater circumferential velocities than materials with greater density. It is known that fibre-reinforced plastic materials can withstand stresses comparable to the stresses allowed for steel or titanium. As their density is approximately four times less, however, such materials can be brought up to greater peripheral speeds. The disadvantage of rotors with fibre-reinforced plastic sheaths is that, due to the plastic's small modulus of elasticity, they are very flexurally elastic and expand unacceptably strongly during rotation. This disadvantage is of somewhat less importance in one of the above-mentioned embodiments, where the rotor is made up of several thin, concentric layers or rings with differently reinforced materials with an outwardly increasing modulus of elasticity and where the rotor is. performed as a disc. Here, the bending strength is of less importance. As already mentioned, the increase in speed with such a rotor causes the innermost layers to follow the outer layers as long as the connection between the layers is flawless and can withstand the operating stresses. The innermost layers will then follow with the outer ones, because the outer layers have a smaller modulus of elasticity. When such a rotor is to be brought to a standstill, however, the innermost layers will seek to separate from the outermost layers, which can easily lead to destruction of the connecting layer or boundary layer. Such rotors which are used as flywheels, i.e. energy accumulators, are not suitable for extremely high peripheral speeds, because the outer layers have a greater specific weight than the innermost and because the innermost layers with the least elasticity must not be loaded above the yield point. Alternating acceleration and deceleration of such rotors can cause destruction of the contact layers.

Hensikten med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe en fremgangsmåte til fremstilling av en rotor, såsom trommel eller aksel av den innledningsvis nevnte art, hvor omkretshastigheten kan være stor ved liten tillatelig deformasjon. Denne oppgave har man ifølge oppfinnelsen løst ved at det i sylinderen og mantelen som danner rotoren, ved forspenning bygges opp en slik spenningstilstand at det i hviletilstand i kunststoffsylinderen opptrer tångensiale trykkspenninger som ikke er større enn at strekkspenninger opptrer i mantelen og sylinderen når rotoren roterer med driftsturtall. Et trekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen går ut på at forspenningene oppnås ved hjelp av en første rotasjon av rotoren under ut-nyttelse av den ved metallene opptredende Bauschinger-éffekt, idet metallsylinderen belaster over strekkgrensen. Ifølge et annet trekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan forspenningen oppnås ved hjelp av et indre trykk som metallsylinderen utsettes for, ved hjelp av hvilket trykk metallsylinderen belastes over sin strekkgrense. The purpose of the invention is therefore to provide a method for producing a rotor, such as a drum or shaft of the type mentioned at the outset, where the peripheral speed can be high with little permissible deformation. According to the invention, this task has been solved by prestressing the cylinder and casing that form the rotor to build up such a state of stress that, in a state of rest, compressive compressive stresses occur in the plastic cylinder that are no greater than the tensile stresses that occur in the casing and cylinder when the rotor rotates with operating speed. A feature of the method according to the invention is that the pre-tensions are obtained by means of a first rotation of the rotor using the Bauschinger effect occurring in the metals, as the metal cylinder is loaded above the tensile limit. According to another feature of the method according to the invention, the biasing can be achieved by means of an internal pressure to which the metal cylinder is exposed, by means of which pressure the metal cylinder is loaded beyond its tensile limit.

På denne måte fremstilles en rotor hvis vegg i radialrét- : ningen tildels er bygget opp av metall, f.eks. stål, aluminium-, titan, og tildels av fiberarmert kunststoff. Når denne trommelrotor bringes opp i passende turtall, oppstår spenninger og deformasjoner i metallet og i kunststoffet som er i lineært forhold til hverandre. I samsvar med metallets større elastisitetsmodul vil spenningene stige raskere i metallsylinderen enn i den fiberarmerte kunstoffmantel når turtallet økes. Ved et bestemt turtall vil spenningene i den metalliske del nå flytegrensen. Ved ytterligere turtallsøkning vil den indre metallsylinder deformeres plastisk, mens en økning av elastiske spenninger vil opptre i den ytre fiberarmerte kunststoff-sylindér. Derav fremgår at man har tilveiebragt en trommel eller aksel med liten deformasjon selv ved store omkretshastigheter. Som følge av spenningstilstanden mellom de enkelte komponenter er et særlig koblingssjikt mellom sylinderen og mantelen unødvendig.. In this way, a rotor is produced whose wall in the radial direction is partly made up of metal, e.g. steel, aluminium, titanium, and partly fiber-reinforced plastic. When this drum rotor is brought up to the appropriate speed, stresses and deformations occur in the metal and in the plastic which are in linear relation to each other. In accordance with the metal's larger modulus of elasticity, the stresses will rise faster in the metal cylinder than in the fibre-reinforced plastic jacket when the speed is increased. At a certain speed, the stresses in the metallic part will reach the yield point. With a further increase in speed, the inner metal cylinder will deform plastically, while an increase in elastic stresses will occur in the outer fibre-reinforced plastic cylinder. From this it appears that a drum or shaft with little deformation has been provided even at high peripheral speeds. As a result of the state of tension between the individual components, a special connecting layer between the cylinder and the casing is unnecessary.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere ved hjelp av et eksem-pel under henvisning til tegningen, hvor: The invention shall be explained in more detail by means of an example with reference to the drawing, where:

Fig. 1 viser et aksialsnitt gjennom et rotasjonslegeme, Fig. 1 shows an axial section through a body of rotation,

og fig. 2 illustrerer- de nettopp omtalte forhold for rotasjonslegemet ifølge fig. 1. and fig. 2 illustrates the conditions just mentioned for the body of rotation according to fig. 1.

Rotasjonslegemet har en sylindervegg 1 av metall og en sylindervegg 2 av glassfiberarmert kunststoff. På fig. 2 er vist endimensjonale spenninger og utvidelser for et typisk metallisk ar-beidsmateriale (kurve M) og for et typisk glassfiberforsterket plastmateriale (kurve F). Det metalliske materiale, f.eks. bløtt stål, skal vise ideell oppførsel i plastisk henseende. Kurven o =a (e) knekker etter at den har nådd flytegrensen oF M og går over i en horisontal. I samsvar med den lille elastisitetsmodul forløper kurven F vesentlig flatere enn kurvestrekningen 0 - Op M- The rotating body has a cylinder wall 1 of metal and a cylinder wall 2 of glass fiber reinforced plastic. In fig. 2 shows one-dimensional stresses and expansions for a typical metallic work material (curve M) and for a typical glass fiber reinforced plastic material (curve F). The metallic material, e.g. mild steel, must show ideal behavior in terms of plasticity. The curve o =a (e) breaks after it has reached the yield point oF M and becomes horizontal. In accordance with the small modulus of elasticity, the curve F runs significantly flatter than the curve section 0 - Op M-

Når en sylindrisk rotor bringes opp i et turtall n, får den en vinkelhastighet co = ^y. De derved frembragte tangensialspen-2 2 When a cylindrical rotor is brought up to a speed n, it acquires an angular velocity co = ^y. The resulting tangential stress-2 2

ninger a utgjør a = P.r .co . nings a constitute a = P.r .co .

Ekspansjonen i omkretsretninaen blir da The expansion in the circumferential retnina then becomes

N^r man ved hjelp av disse enkle ligninger enda en gang gjennomgår den ovenfor forklarte prosess under turtallstigning, vil man se at avhengig av forholdet ^ vil det opptre forskjellige tangensiale utvidelser og dermed radiale utvidelser.' Disse sammenheng har sin gyldighet inntil flytegrensen i den indre metalliske sylinder ér nådd. Det kan da også hende at den metalliske sylinder i et slikt tilfelle utvides mindre sterkt radialt enn den glassfiberar-merte sylinder slik at det forbigående finner sted en løsning av de to sylindre. Ved et bestemt turtall overskrides flytegrensen i den indre metalliske sylinder. De ved økning av turtallet frembragte høyere sentrifugalkrefter må opptas av den fiberarmerte kunststoffsylinder. Metallsylinderen ligger selvfølgelig an mot kunststoffsylinderen og den radiale deformasjon og omkretsutvidelse av de to sy-lindere er like. Det antas at der for et bestemt turtall n1 fåes en tilsvarende felles omkretsutvidelse e^. Antas så at fellessylinderen avlastes ut fra dette turtall, så vil spenningsutvidelsessammen-hengen i metallsylinderen beskrives av kurven M' (Bauschinger-effekt). When, with the help of these simple equations, one goes through the above-explained process once more during rev increase, one will see that depending on the ratio ^ different tangential expansions and thus radial expansions will occur.' These connections are valid until the yield point in the inner metallic cylinder is reached. It may then also happen that the metallic cylinder in such a case expands less strongly radially than the fiberglass-reinforced cylinder, so that a temporary loosening of the two cylinders takes place. At a certain speed, the flow limit in the inner metallic cylinder is exceeded. The higher centrifugal forces produced by increasing the speed must be absorbed by the fibre-reinforced plastic cylinder. The metal cylinder naturally rests against the plastic cylinder and the radial deformation and circumferential expansion of the two cylinders are equal. It is assumed that for a specific speed n1 a corresponding common circumferential expansion e^ is obtained. If it is then assumed that the common cylinder is relieved based on this speed, then the tension expansion relationship in the metal cylinder will be described by the curve M' (Bauschinger effect).

Da kunststoffsylinderen var belastet mens den befant seg i det lineært elastiske område, gjengis sammenhengen mellom utvidelsen av spenningene under senkning av turtallet av kurven F. Ved turtall 0 inntrer en spenningstilstand hvor det opptrer tangensiale trykkspenninger i metallsylinderen og tangensiale strekkspenninger i den fiberarmerte kunststoffsylinder. Avhengig av tykkelsen av de to sylindre og deres materialparametere forblir det en utvidelse i fellessylinderen. Strekkspenningene i kunststoffsylinderen kan ut-gjøre aK2 og de tilsvarende trykkspenninger i metallsylinderen When the plastic cylinder was loaded while it was in the linear elastic region, the relationship between the expansion of the stresses during lowering of the speed is shown by the curve F. At speed 0, a state of stress occurs where tangential compressive stresses occur in the metal cylinder and tangential tensile stresses in the fibre-reinforced plastic cylinder. Depending on the thickness of the two cylinders and their material parameters, there remains an expansion in the common cylinder. The tensile stresses in the plastic cylinder can amount to aK2 and the corresponding compressive stresses in the metal cylinder

Ved en fornyet belastning av fellessylinderen ved rotasjon vil strekkspenningene i kunststoffsylinderen stige fra punkt II In the event of renewed loading of the joint cylinder by rotation, the tensile stresses in the plastic cylinder will rise from point II

langs kurven F. De tilsvarende spenninger i metallsylinderen begyn-ner ved punkt III og stiger langs kurven M<1>. Da vil trykkspenninge-ne i metallsylinderen først nedsettes og siden vil der bygges opp strekkspenninger. along curve F. The corresponding stresses in the metal cylinder begin at point III and rise along curve M<1>. Then the compressive stresses in the metal cylinder will first be reduced and then tensile stresses will build up.

Som følge av forspenningen oppfører fellesrotoren seg prinsipielt anderledes enn ved den første turtallsøkning. Den totale radiale utvidelse i det elastiske og i det plastiske tilfelle er proporsjonal med sylinderens tangensialutvidelse, dvs. at ved den første rotasjon er den totale utvidelse av fellessylinderen proporsjonal med strekningen 0 - e^. Ved den andre belastning med samme turtall er den opptredende radiale utvidelse proporsjonal med strekningen e 2 ~ ei' Den plastik deformerte fellesrotor oppfører seg altså nøyaktig som en metallrotor med høyere strekkgrense. As a result of the bias, the common rotor behaves fundamentally differently than during the first speed increase. The total radial expansion in the elastic and in the plastic case is proportional to the tangential expansion of the cylinder, i.e. that at the first rotation the total expansion of the joint cylinder is proportional to the distance 0 - e^. At the second load with the same speed, the resulting radial expansion is proportional to the stretch e 2 ~ ei' The plastically deformed joint rotor therefore behaves exactly like a metal rotor with a higher tensile limit.

Da rotorens tetthet totalt sett er mindre enn for en metallrotor kan dog vesentlig større omkretshastigheter oppnås enn tilfelle er ved rotorer av bare metall. As the rotor's overall density is less than that of a metal rotor, however, significantly greater peripheral speeds can be achieved than is the case with rotors made of bare metal.

Tilveiebringelsen av den spesielle spenningstilstand kan ikke bare oppnås ved rotasjon. Det er mulig å fremkalle den samme særlige spenningstilstand ved at metallsylinderen utsettes for et indre trykk som overstiger dennes strekkgrense. Etter at denne spenningstilstand er opprettet, er den således fremstilte .rotor identisk med den som er beskrevet ovenfor. The provision of the particular state of stress cannot be achieved only by rotation. It is possible to induce the same special state of stress by subjecting the metal cylinder to an internal pressure that exceeds its tensile limit. After this voltage state is created, the rotor thus produced is identical to the one described above.

Claims

1. Method for producing a rotor, such as a drum or shaft with low deformability and which is suitable for high peripheral speeds and consists of a hollow, fiber-reinforced cylindrical plastic jacket with a small specific modulus of elasticity (stiffness) and of a metal cylinder located concentrically in the plastic jacket with a large specific modulus of elasticity, characterized by the fact that in the cylinder and the mantle that form the rotor, when prestressed, such a state of stress is built up that, in a state of rest, tangential compressive stresses occur in the plastic f of the cylinder which are no greater than the tensile stress that occurs in the mantle and cylinder when the rotor rotates with operating speed.

2. Method according to claim 1, characterized in that the pretensions are obtained by means of a first rotation of the rotor while utilizing the Bauschinger effect occurring in the metals, the metal cylinder being loaded above the tensile limit.

3. Method according to claim 1, characterized in that the prestressing is achieved by means of an internal pressure to which the metal cylinder is exposed, by means of which pressure the metal cylinder is loaded beyond its tensile limit.