WO2019105496A1 - Verfahren zur herstellung von faserverstärkten bauteilen von strömungsmaschinen und entsprechend hergestelltes bauteil - Google Patents

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hose
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braid
longitudinal axis
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Siegfried Sikorski
Michael Schober
Siegfried Schmid
Axel Mattschas
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MTU Aero Engines AG
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a component of a flow machine, in particular a stationary gas turbine or an aircraft engine, and to a corresponding component, which is formed from a fiber-reinforced material, in particular a fiber-reinforced plastic or a fiber-reinforced ceramic.
  • Turbomachines have long been known as stationary gas turbines for power generation or as drives in the form of aircraft engines for aircraft or helicopters. However, these turbomachines still have the need to increase efficiency or efficiency. This can be done, for example, by a suitable selection of materials or, based on improved materials, also by possible design improvements.
  • inner rings could be made in the region of the compressor by fiber-reinforced plastics or fiber composite materials.
  • components such as inner rings of aircraft engines, which are to be manufactured from fiber-reinforced materials, high demands on the uniformity of the arrangement of the fibers, the reproducibility of the arrangement of the fibers and the avoidance of production-related defects, such as voids and wrinkles .
  • the corresponding components must achieve the required strength values and must not exhibit any undue delay in the curing of the matrix material in which the fibers are embedded.
  • the effort in the production is considerable in order to meet the required requirements. In particular, it can come to the formation of significant defects in the known production methods.
  • a correspondingly produced component or a component of a turbomachine made of a fiber-reinforced material is to be specified, which has a favorable property profile, in particular with regard to the strength properties, as well as a high dimensional stability.
  • the invention proposes for the production of a component made of a fiber-reinforced plastic for a turbomachine to provide the reinforcement provided for the component fibers in the form of at least one hose braid, so that the fibers in the form of or the hose braid in a mold, in particular a casting mold of a flowable Mat - Are surrounded rixwerkstoff, so that after solidification or curing of the matrix material, the fibers are stored in the form of hose mesh in a matrix.
  • the so-called resin injection process can be used for a fiber-reinforced plastic, in which flowable plastic is injected into a mold having a cavity corresponding to the component to be produced.
  • fibers are initially provided for forming the at least one hose braid, wherein the fibers are braided to the hose braid so that the fibers are arranged in several directions with respect to a tube longitudinal axis.
  • Schlauchlteilsach- se is considered by the channel formed by the channel extending axis, so in a cylindrical tube, the cylinder axis, which is radially surrounded by the tube.
  • tubular braids with fibers which are accommodated in several directions with respect to the tube longitudinal axis or a circumferential direction of the hose braid in the hose braid, a particularly advantageous and reproducible arrangement of fibers in the component can be achieved, wherein by varying the orientation of the fibers and the number and the density of the arrangement of the fibers, the property profile of the hose braid and a corresponding reinforced with the hose braid component can be adjusted.
  • the hose braiding can in particular be braided so that the fibers have substantially at least three different orientations to the hose longitudinal axis or the circumferential direction of the hose.
  • an orientation essentially means that a majority of the appropriately oriented fibers, for example more than 70% or more than 90% of the relevant fibers, are oriented along the relevant direction.
  • the orientation of the fiber may change along the length, so that the fibers may be associated with different orientations.
  • the essential orientation of the yarn in certain directions enables the setting of a certain property profile as well as the reproducibility of the property profile in mass production, although a certain proportion of undefined oriented fibers may be permissible or even desired.
  • two different directions, along which fibers are oriented in one component may be aligned symmetrically with respect to one another, for example with respect to the longitudinal axis of the hose, so that the rotational orientation of the hose braiding around the hose longitudinal axis is negligible in the arrangement of the hose braid in the component.
  • the hose mesh may comprise fibers which are arranged parallel to the tube longitudinal axis and / or at an angle of 30 ° to 60 °, in particular 40 ° to 50 ° and preferably of about 45 ° to the tube circumferential direction or a parallel direction to hose - are arranged longitudinal axis.
  • the direction to which the angular arrangement of the fibers with respect to the hose longitudinal axis or the circumference of the hose is related may in each case relate to the positive or negative direction, ie the direction to one end of the corresponding axis or the opposite direction.
  • the fibers, which are braided parallel to the tube longitudinal axis in the hose braid, are called standing thread.
  • the or some of the standing threads can be removed from the tube at the end of the production of the tube mesh.
  • the or some of the filaments may serve to stabilize the tubing during manufacture and / or facilitate braiding of a particularly defined tubing, for example, with certain fiber angles and / or fiber orientations.
  • the residual stress and / or the arrangement of the remaining standing threads can be used to determine the inherent tension, the rigidity and / or the strength of the be set to certain desired values.
  • other fibers can also be removed from the hose network after braiding or at the end of the braiding process in order to give the hose braid certain properties, for example with regard to strength in certain directions (setting of a defined anisotropy) may comprise different types of fibers, in particular different types of fibers with regard to the fiber material.
  • differently shaped fibers for example fibers of differing thicknesses or fibers having different cross-sectional shapes. This also makes it possible to design the properties of the tubular braiding differently in different areas or in different directions, thus ensuring an anisotropy of the property profile to be able to adjust.
  • hose braid distributed over the circumference and / or the length of the hose braid different types of fibers and / or a different number of fibers and / or fibers in different orientation and / or fibers with different arrangement density in the hose network can be arranged, so also can be adjusted locally variable certain properties or a property anisotropy.
  • the tubular braid can be further processed or processed after braiding, for example by cutting or the like. For example, by cutting out certain areas or cutting the ends of the hose braid, it is possible to achieve that the hose braid is suitably received in the component or can be arranged in the component in a specific shape, for example in an angled form or the like. This can also be locally different properties or a Achieve anisotropy.
  • the tubular braids may also have any shapes and in particular complex shapes, so that they are adapted to the requirements of the respective component.
  • hose braids can also be accommodated in another hose mesh, so that one of the hose braids serves as a sleeve braid, in which hose braids are accommodated.
  • This makes it possible to set a certain property profile, in particular with regard to the strength, by virtue of the specific combination of the tubular braids.
  • the tubular braids can also be arranged in a simple and defined manner in a casting mold for pouring in a material matrix.
  • the fibers of the hose braid or of the fiber-reinforced component may be formed from carbon fibers and / or from glass fibers and / or aramid fibers.
  • the matrix that is to say the material in which the fibers are embedded, may be made of a ceramic material or a plastic, wherein a plastic is to be understood as meaning a material which is composed of macromolecules, the macromolecules being essentially formed by polymers, which can be obtained from natural substances or are produced purely synthetically.
  • the plastic may preferably be formed from a cyanester resin, which has a high temperature resistance, so that it can serve in particular as a polymer matrix for an inner ring of a compressor of a turbomachine.
  • the inner ring may be segmented, for example, be segmented into two half rings or be segmented into 3, 4, 5, 6 or more ring segments, or may be unsegmented. Such embodiments can be used for both compressors and turbines.
  • fibers can be accommodated in the fiber-reinforced component, such as randomly oriented short fibers or the like.
  • a corresponding component may have a fiber fraction of 30 to 70 percent by volume, in particular 40 to 60 percent by volume, in order to ensure adequate reinforcement of the matrix material by the fibers.
  • FIG. 1 shows a partial cross section through an inventive inner ring of a turbomachine with a guide blade arranged thereon
  • FIG. 2 shows an enlarged view of a partial cross section of the inner ring from FIG. 1,
  • FIG. 3 a representation of the braiding process for a hose braid according to the invention
  • Figure 4 is an illustration of the arrangement of fibers in a erfmdungshielen
  • Figure 5 is an illustration of a mold for the production of the inventive
  • FIG. 1 shows a partial cross section through an inner ring 1 of an aircraft engine with a guide blade 2 arranged thereon, which is arranged in a radially outwardly directed recess 4 of the inner ring 1.
  • the cross section 5 of the inner ring 1 has a C-shape, the opening of the C-shape being directed radially outward.
  • the fibers within the inner ring 1 in the matrix are made of a cyanester resin in the form of a plurality of tubular braids 6, 7, 8 made of carbon fibers, which may additionally contain glass fibers and aramid fibers.
  • FIG. 2 shows that different tubular braids 6, 7, 8 can be arranged in the plastic matrix of the fiber-reinforced plastic of the inner ring 1.
  • three different types of tubular braids are used, for example, wherein the tubular braids 6 and 8 differ, for example, in the diameter of the cylindrical hose braid.
  • Hose braid 7 also has a different size in terms of diameter than the hose braids 6 and 8, but in addition, the cross-sectional shape of the hose braid 7 is changed.
  • the hose braid 7 continues to serve as a so-called Hüllenschlauchgeflecht in which a plurality of hose braids 6,8 are added to simplify the arrangement of the hose braids in the production and to produce a certain property profile by the combined arrangement of the hose braids 6,7,8. Since the tubular braids 6, 7, 8 can be penetrated by the flowable plastic during production, as will be described below, the interior of the tubular braids 6, 7, 8 can be completely filled with the corresponding plastic of the matrix.
  • tubular braids which are oriented, for example, to the cross-sectional shape of the component to be produced and in the example shown, for example. may themselves have a U-shape, so that a plurality of U-shaped tubular braids can be arranged one above the other and / or one inside the other.
  • the tubular braids can also be shaped along their longitudinal axis as desired and in particular adapted to the shape of the component.
  • FIG. 3 shows a braiding process in which a plurality of fiber bundles 9, 10, 11, preferably with a braiding or winding machine, are automatically braided to form a hose braid 6 on a cylindrical mandrel 12.
  • the fiber bundles 9, 10, 11, which may each comprise one or more fibers, have so-called standing threads 11, which are woven into the hose braid 6 parallel to the longitudinal direction of the hose braid 6.
  • fiber bundles 9 and 10 are braided at an angle to the stay thread 11 and at an angle a to the longitudinal direction of the hose braid 6 in the hose 6.
  • the fiber bundles 9 and 10 are braided symmetrically with respect to the longitudinal direction or the standing thread 11 in a different direction at an angle to the standing threads 11 or to the longitudinal direction in the tubular braid 6.
  • FIG. 4 again illustrates the arrangement of the fiber bundle 10 in the hose braid 6 with respect to the longitudinal direction 13 of the hose braid 6, which can run along the longitudinal axis in two opposite directions, as illustrated by the arrows on the longitudinal axis 13. light is.
  • FIG. 4 also shows the orientation of the fiber bundle 10 with respect to the circumferential direction 14 of the hose braid 6, which extends radially around the cylindrical shape of the hose braid 6.
  • the tangent 15 to the fiber bundle 10 illustrates with respect to the longitudinal direction 13 or a parallel thereto and the tangent 16 to the circumferential direction 14 that the fiber bundle 10 at an angle a with respect to a direction parallel to the longitudinal direction 13 and at an angle ß to the tangent 16 of the circumferential direction 14 in the hose 6 runs.
  • the properties of the hose braid 6 in the form of a cylindrical tube can be changed by appropriately cutting the hose.
  • the tubular braid 6 can be cut at its ends so that the one or more ends extend obliquely to the longitudinal axis 13 of the hose.
  • cuts in the hose 6 can be made to create, for example, break points or the like. Further changes in shape are conceivable in order to achieve the desired material properties of a plastic or component reinforced with the hose mesh or to facilitate or enable the arrangement of one or more tubular braids in the component.
  • the material properties and in particular the strength properties preferably with respect to the anisotropy can be achieved with the variations in the amount and shape of the fiber assemblies in the hose braids and the adaptation of the shapes of the hose braids by cutting that the distortion of the component in the solidification or Curing is minimized.
  • FIG. 5 shows a mold 20 with which the so-called resin injection molding process (Resin Transfer Molding) for producing the inner ring 1 or a half thereof can be carried out. For the sake of simplicity, only a sectional view through the mold 20 is shown.
  • resin injection molding process Resin Transfer Molding
  • the mold 20 has two mold halves 21 and 22 which enclose therebetween a cavity 23 which corresponds to the shape of the component to be produced, for example an inner ring 1.
  • the corresponding tubular braids 6, 7, 8 are inserted into the cavity 23 of the mold 20 in order subsequently to introduce the flowable plastic through the feed opening 24 .
  • the flowable plastic fills the cavity 23 and the cavities between and in the hose braids.
  • the mold 20 can be opened and the fiber-reinforced component made of the plastic with the enclosed to reinforce the component hose braids 6,7,8 can be removed.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil einer Strömungsmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, wobei das Bauteil aus einem faserverstärkten Werkstoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff oder einer faserverstärkten Keramik gebildet wird, mit folgenden Schritten: Bereitstellung von Fasern, Flechten der Fasern zu einem Schlauchgeflecht (6), wobei die Fasern (9,10,11) in mehreren Richtungen bezüglich einer Schlauchlängsachse angeordnet sind, Einlegen des mindestens einen Schlauchgeflechts (6) in eine Gießform, Füllen der Gießform mit einem Matrixmaterial im fließfähigen Zustand und Erstarren des Matrixmaterials zu einem Bauteil mit dem eingelagerten Schlauchgeflecht.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON FASERVERSTÄRKTEN BAUTEILEN VON STRÖMUNGSMASCHINEN UND ENTSPRECHEND HERGESTELLTES BAUTEIL
HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Strö- mungsmaschine, insbesondere einer stationären Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, sowie ein entsprechendes Bauteil, welches aus einem faserverstärkten Werkstoff, insbesondere einem fa- serverstärkten Kunststoff oder einer faserverstärkten Keramik gebildet ist.
STAND DER TECHNIK
Strömungsmaschinen sind als stationäre Gasturbinen zur Energieerzeugung oder als Antriebe in Form von Flugtriebwerken für Flugzeuge oder Helikopter seit langem bekannt. Allerdings be- steht bei diesen Strömungsmaschinen nach wie vor der Bedarf die Leistungsfähigkeit bzw. Effi- zienz zu erhöhen. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Materialauswahl oder ausge- hend von verbesserten Werkstoffen auch durch damit mögliche Konstruktionsverbesserungen erfolgen.
Entsprechend ist es aufgrund eines günstigen Eigenschaftsprofils mit insbesondere niedrigem spezifischen Gewicht auch von Interesse, bestimmte Bauteile von Strömungsmaschinen aus fa- serverstärkten Werkstoffen, insbesondere Kunststoffen herzustellen. Beispielsweise könnten Innenringe im Bereich des Verdichters durch faserverstärkte Kunststoffe bzw. Faserverbund werkstoffe hergestellt werden. Allerdings bestehen für derartige Bauteile, wie Innenringe von Flugtriebwerken, die aus faserverstärkten Werkstoffen hergestellt werden sollen, hohe Anforde- rungen an die Gleichmäßigkeit der Anordnung der Fasern, die Reproduzierbarkeit der Anord- nung der Fasern sowie der Vermeidung von fertigungsbedingten Fehlstellen, wie Lunkern und Falten. Außerdem müssen die entsprechenden Bauteile natürlich die erforderlichen Festigkeits- werte erreichen und dürfen bei der Aushärtung des Matrixwerkstoffs, in den die Fasern eingebet- tet sind, keinen unzulässigen Verzug aufweisen. Bei den bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Werk- stoffen ist jedoch der Aufwand bei der Herstellung erheblich, um die geforderten Anforderungen zu erfüllen. Insbesondere kann es bei den bekannten Fertigungsmethoden zur Ausbildung von erheblichen Fehlstellen kommen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine, insbesondere einer stationären Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, aus einem faserverstärkten Werkstoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff oder einer faserverstärkten Keramik anzugeben, welches in möglichst einfacher Weise die zuverlässige Herstellung eines derartigen Bauteils ohne Fehlstellen ermöglicht. Darüber hinaus soll ein ent- sprechend hergestelltes Bauteil bzw. ein Bauteil einer Strömungsmaschine aus einem faserver- stärkten Werkstoff angegeben werden, welches ein günstiges Eigenschaftsprofil insbesondere hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften sowie eine hohe Maßhaltigkeit aufweist.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungs- maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schlägt zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff für eine Strömungsmaschine vor, die zur Verstärkung des Bauteils vorgesehenen Fasern in Form mindestens eines Schlauchgeflechts bereitzustellen, sodass die Fasern in Form des oder der Schlauchgeflechte in einer Form, insbesondere einer Gießform von einem fließfahigen Mat- rixwerkstoff umgeben werden, sodass nach dem Erstarren bzw. Aushärten des Matrixwerkstoffs die Fasern in Form des Schlauchgeflecht in einer Matrix eingelagert sind.
Insbesondere kann für einen faserverstärkten Kunststoff das sogenannte Harzinjektions verfahren angewendet werden, bei welchen in eine Gießform mit einer dem herzustellenden Bauteil entsprechenden Kavität fließfahiger Kunststoff eingespritzt wird. Hierzu werden zunächst Fasern zur Bildung des mindestens einen Schlauchgeflechts bereitge- stellt, wobei die Fasern so zu dem Schlauchgeflecht geflochten werden, dass die Fasern in meh- reren Richtungen bezüglich einer Schlauchlängsachse angeordnet sind. Unter Schlauchlängsach- se wird eine durch den von dem Schlauch gebildeten Kanal verlaufende Achse angesehen, also bei einem zylinderförmigen Schlauch die Zylinderachse, die radial von dem Schlauch umgeben ist.
Durch ein oder mehrere Schlauchgeflechte mit Fasern, die in mehreren Richtungen bezüglich der Schlauchlängsachse oder einer Umfangsrichtung des Schlauchgeflechts in dem Schlauchgeflecht aufgenommen sind, kann eine besonders vorteilhafte und reproduzierbare Anordnung von Fasern in dem Bauteil erzielt werden, wobei durch die Variation der Orientierung der Fasern sowie der Anzahl und der Dichte der Anordnung der Fasern das Eigenschaftsprofil des Schlauchgeflecht und eines entsprechend mit dem Schlauchgeflecht verstärkten Bauteils eingestellt werden kann.
Das Schlauchgeflecht kann insbesondere so geflochten werden, dass die Fasern im Wesentlichen mindestens drei verschiedene Orientierungen zu der Schlauchlängsachse bzw. der Umfangsrich- tung des Schlauchs aufweisen. Hierbei wird unter einer Orientierung im Wesentlichen verstan- den, dass ein Großteil der entsprechend orientierten Fasern, beispielsweise mehr als 70 % oder mehr als 90 % der betreffenden Fasern, entlang der betreffenden Richtung orientiert sind. Bei langen Fasern kann sich die Orientierung der Faser entlang der Länge verändern, sodass die Fa- ser unterschiedlichen Orientierungen zugehörig sein kann. Die wesentliche Orientierung der Fa- sem in bestimmten Richtungen ermöglicht die Einstellung eines bestimmten Eigenschaftsprofils sowie die Reproduzierbarkeit des Eigenschaftsprofils bei der Serienfertigung, wobei jedoch ein gewisser Anteil an nicht definiert orientierten Fasern zulässig oder sogar gewünscht sein kann. Insbesondere können zwei unterschiedliche Richtungen, entlang derer Fasern in einem Bauteil orientiert sind, symmetrisch zueinander ausgerichtet sein, beispielsweise bezüglich der Schlauch- längsachse, sodass die Drehausrichtung des Schlauchgeflechts um die Schlauchlängsachse bei der Anordnung des Schlauchgeflechts im Bauteil unerheblich ist.
Das Schlauchgeflecht kann Fasern aufweisen, die parallel zur Schlauchlängsachse angeordnet sind und / oder die in einem Winkel von 30° bis 60°, insbesondere von 40° bis 50° und vorzugs- weise von ca. 45° zur Schlauchumfangsrichtung oder einer parallelen Richtung zu Schlauch- längsachse angeordnet sind. Die Richtung, auf die die winkelige Anordnung der Fasern bezüg- lich der Schlauchlängsachse oder dem Schlauchumfang bezogen ist, kann jeweils die positive oder negative Richtung betreffen, also die Richtung zum einen Ende der entsprechenden Achse oder die entgegengesetzte Richtung. Die Fasern, die parallel zur Schlauchlängsachse in das Schlauchgeflecht eingeflochten werden, werden als Stehfaden bezeichnet. Diese oder einige der Stehfäden können am Ende der Herstel- lung des Schlauchgeflechts wieder aus dem Schlauchgeflecht entfernt werden. Die oder einige der Stehfaden können zur Stabilisierung des Schlauchgeflechts während der Herstellung dienen und / oder das Flechten eines, insbesondere definierten, Schlauchgeflechts, beispielsweise mit bestimmten Faserwinkeln und / oder Faserorientierungen, erleichtern.
Insbesondere kann in bevorzugten Ausführungsformen über die Anzahl der verbleibenden Steh- faden und/oder die Anordnung der verbleibenden Stehfäden (bspw. nur jeder zweite, dritte, ... Stehfaden wird entfernt) die Eigenspannung, die Steifigkeit und / oder die Festigkeit des herzu- stellenden Bauteils auf bestimmte gewünschte Werte eingestellt werden.
Neben den Stehfaden können auch andere Fasern nach dem Flechten bzw. am Ende des Flecht- vorgangs wieder aus dem Schlauchgeflecht entfernt werden, um dem Schlauchgeflecht bei- spielsweise hinsichtlich der Festigkeit in bestimmten Richtungen bestimmte Eigenschaften zu verleihen (Einstellung einer definierten Anisotropie).Das Schlauchgeflecht kann verschiedene Arten von Fasern aufweisen, insbesondere verschiedene Arten von Fasern hinsichtlich des Fa- sermaterials. Es können aber auch unterschiedlich geformte Fasern, beispielsweise unterschied- lich dicke Fasern oder Fasern mit verschiedenen Querschnittsformen eingesetzt werden .Auch dadurch ist es möglich die Eigenschaften des Schlauchgeflechts in verschiedenen Bereichen oder in verschiedenen Richtungen unterschiedlich zu gestalten, um so eine Anisotropie des Eigen- schaftsprofils einstellen zu können.
Innerhalb des Schlauchgeflechts können verteilt über den Umfang und / oder die Länge des Schlauchgeflechts unterschiedliche Arten von Fasern und / oder eine unterschiedliche Anzahl von Fasern und / oder Fasern in unterschiedlicher Orientierung und / oder Fasern mit unter- schiedlicher Anordnungsdichte im Schlauchgeflecht angeordnet werden, sodass auch dadurch örtlich variabel bestimmte Eigenschaften bzw. eine Eigenschaftsanisotropie eingestellt werden können.
Das Schlauchgeflecht kann auch nach dem Flechten weiter verarbeitet bzw. bearbeitet werden, beispielsweise durch Schneiden oder dergleichen. Beispielsweise kann durch das Ausschneiden von bestimmten Bereichen oder das Zuschneiden der Enden des Schlauchgeflechts erreicht werden, dass das Schlauchgeflecht passend in dem Bauteil aufgenommen wird oder in dem Bauteil in einer bestimmten Form angeordnet werden kann, beispielsweise in einer abgewinkelten Form oder dergleichen. Auch dadurch lassen sich örtlich unterschiedliche Eigenschaften bzw. eine Anisotropie erzielen. Insbesondere können die Schlauchgeflechte auch in Ihrer Querschnittsform und / oder entlang der Längsachse beliebige Formen und insbesondere komplexe Formen auf- weisen, sodass sie an die Anforderungen des jeweiligen Bauteils angepasst sind.
Mehrere Schlauchgeflechte können auch in einem anderen Schlauchgeflecht aufgenommen wer- den, sodass eines der Schlauchgeflechte als Hüllenschlauchgeflecht dient, in welchem wiederum Schlauchgeflechte aufgenommen sind. Auch dies ermöglicht durch die bestimmte Kombination der Schlauchgeflechte die Einstellung eines bestimmten Eigenschaftsprofils, insbesondere hinsichtlich der Festigkeit. Außerdem lassen sich auf diese Weise die Schlauchgeflechte auch in einfacher und definierter Weise in einer Gießform zum Eingießen einer Werkstoffmatrix anord- nen.
Die Fasern des Schlauchgeflechts bzw. des faserverstärkten Bauteils können aus Karbonfasem und / oder aus Glasfasern und / oder Aramid - Fasern gebildet sein.
Die Matrix, also das Material, in die die Fasern eingebettet sind, kann aus einem keramischen Werkstoff oder einem Kunststoff sein, wobei unter einem Kunststoff ein Werkstoff zu verstehen ist, der aus Makromolekülen aufgebaut ist, wobei die Makromoleküle im Wesentlichen durch Polymere gebildet sind, die aus Naturstoffen gewonnen werden können oder rein synthetisch hergestellt werden.
Der Kunststoff kann vorzugsweise aus einem Cyanesterharz gebildet sein, welches ein hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, sodass es insbesondere als Polymermatrix für einen Innenring eines Verdichters einer Strömungsmaschine dienen kann. Der Innenring kann dabei segmentiert sein, beispielsweise in zwei Halbringe segmentiert sein oder in 3, 4, 5, 6 oder mehr Ringsegmente segmentiert sein, oder kann unsegmentiert sein. Solche Ausführungsformen können sowohl für Verdichter als auch für Turbinen eingesetzt werden.
Neben den Schlauchgeflechten können weitere Fasern in dem faserverstärkten Bauteil aufgenommen sein, wie beispielsweise beliebig orientierte Kurzfasem oder dergleichen.
Ein entsprechendes Bauteil kann einen Faseranteil von 30 bis 70 Volumenprozent, insbesondere 40 bis 60 Volumenprozent aufweisen, um eine ausreichende Verstärkung des Matrixwerkstoffs durch die Fasern zu gewährleisten.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
Figur 1 einen teilweisen Querschnitt durch einen erfmdungsgemäßen Innenring einer Strömungsmaschine mit einer daran angeordneten Leitschaufel,
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines teilweisen Querschnitts des Innenrings aus Figur 1,
Figur 3 eine Darstellung des Flechtvorgangs für ein erfindungsgemäßes Schlauch- geflecht,
Figur 4 eine Darstellung der Anordnung von Fasern in einem erfmdungsgemäßen
Schlauchgeflecht und in
Figur 5 eine Darstellung einer Gießform zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Innenrings aus Figur 1.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nach- folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele ersichtlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausfuhrungsbeispiele beschränkt.
Die Figur 1 zeigt einen teilweisen Querschnitt durch einen Innenring 1 eines Flugtriebwerks mit einer daran angeordneten Leitschaufel 2, die in einer radial nach außen gerichteten Ausnehmung 4 des Innenrings 1 angeordnet ist. Durch die Ausnehmung 4 für die Aufnahme des Leitschaufel- fußes 3 weist der Querschnitt 5 des Innenrings 1 eine C - Form auf, wobei die Öffnung der C - Form radial nach außen gerichtet ist.
Die Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Querschnitts 5 des Innenrings 1, in der die Anordnung der Fasern in dem Innenring 1 zu sehen ist, der aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist. Wie sich aus der Figur 2 ergibt, sind die Fasern innerhalb des Innenrings 1 in der Matrix aus einem Cyanesterharz in Form mehrerer Schlauchgeflechte 6,7,8 aus Karbonfasem, die zusätzlich Glasfasern und Aramid - Fasern enthalten können, angeordnet.
Die Figur 2 zeigt, dass unterschiedliche Schlauchgeflechte 6,7,8 in der Kunststoffmatrix des fa- serverstärkten Kunststoffs des Innenrings 1 angeordnet sein können. Bei dem gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel sind es beispielsweise drei verschiedene Arten von Schlauchgeflechten, wobei sich die Schlauchgeflechte 6 und 8 beispielsweise im Durchmesser des zylindrischen Schlauchge- flechts unterscheiden. Schlauchgeflecht 7 weist ebenfalls eine andere Größe hinsichtlich des Durchmessers auf als die Schlauchgeflechte 6 und 8, wobei jedoch zusätzlich die Querschnitts- form des Schlauchgeflechts 7 verändert ist.
Das Schlauchgeflecht 7 dient weiterhin als ein sogenanntes Hüllenschlauchgeflecht, in welchem mehrere Schlauchgeflechte 6,8 aufgenommen sind, um die Anordnung der Schlauchgeflechte bei der Herstellung zu vereinfachen und durch die kombinierte Anordnung der Schlauchgeflechte 6,7,8 ein bestimmtes Eigenschaftsprofil zu erzeugen. Da die Schlauchgeflechte 6,7,8 bei der Herstellung, wie nachfolgend noch beschrieben werden wird, von dem fließfahigen Kunststoff durchdrungen werden können, kann das Innere der Schlauchgeflechte 6,7,8 vollständig mit dem entsprechenden Kunststoff der Matrix gefüllt werden.
Neben den in Figur 2 zur Vereinfachung der Darstellung gezeigten einfachen Querschnittsfor- men der Schlauchgeflechte können auch entsprechend komplexe Formen der Schlauchgeflechte verwendet werden, die sich beispielsweise an der Querschnittsform des herzustellenden Bauteils orientieren und bei dem gezeigten Beispiel z.B. selbst eine U - Form aufweisen können, sodass mehrere U - förmige Schlauchgeflechte übereinander und / oder ineinander angeordnet sein können. Darüber hinaus können die Schlauchgeflechte auch entlang ihrer Längsachse entspre- chend beliebig und insbesondere angepasst an die Form des Bauteils geformt sein.
Die Figur 3 zeigt einen Flechtvorgang, bei dem mehrere Faserbündel 9,10,11 vorzugsweise mit einer Flecht - oder Wickelmaschine automatisiert zu einem Schlauchgeflecht 6 auf einem zy- lindrischen Dom 12 geflochten werden. Die Faserbündel 9,10,11, die jeweils ein oder mehrere Fasern umfassen können, weisen sogenannte Stehfaden 11 auf, die parallel zur Längsrichtung des Schlauchgeflechts 6 in das Schlauchgeflecht 6 eingeflochten werden. Darüber hinaus werden Faserbündel 9 und 10 schräg zu den Stehfaden 11 und unter einem Winkel a zur Längsrichtung des Schlauchgeflechts 6 in das Schlauchgeflecht 6 eingeflochten.
Die Faserbündel 9 und 10 werden symmetrisch bezüglich der Längsrichtung bzw. den Stehfaden 11 in unterschiedlicher Richtung schräg zu den Stehfäden 11 bzw. zur Längsrichtung in das Schlauchgeflecht 6 eingeflochten.
Die Figur 4 verdeutlicht noch einmal die Anordnung des Faserbündels 10 im Schlauchgeflecht 6 bezüglich der Längsrichtung 13 des Schlauchgeflechts 6, die entlang der Längsachse in zwei entgegengesetzte Richtungen verlaufen kann, wie durch die Pfeile an der Längsachse 13 verdeut- licht ist. Die Figur 4 zeigt weiterhin die Orientierung des Faserbündels 10 bezüglich der Umfangsrichtung 14 des Schlauchgeflechts 6, die radial um die zylindrische Form des Schlauchge- flechts 6 verläuft. Die Tangente 15 an das Faserbündel 10 verdeutlicht bezüglich der Längsrich- tung 13 oder einer Parallele hierzu und der Tangente 16 an die Umfangsrichtung 14, dass das Faserbündel 10 mit einem Winkel a bezüglich einer Richtung parallel zur Längsrichtung 13 und mit einem Winkel ß zu der Tangente 16 der Umfangsrichtung 14 in dem Schlauchgeflecht 6 ver- läuft. Durch die Variation der entsprechenden Winkel a bzw. ß kann die Richtungsabhängigkeit (Anisotropie) der Materialeigenschaft und insbesondere der Festigkeitseigenschaften des Schlauchgeflechts 6 und somit des damit verstärkten Bauteils beeinflusst werden.
Darüber hinaus ist es möglich durch eine Variation der Anzahl der Fasern bzw. der Faserbündel sowie der Dichte der Anordnung der Fasern oder der Faserbündel die Materialeigenschaften des Schlauchgeflechts 6 sowie eines damit verstärkten faserverstärkten Bauteils entsprechend zu beeinflussen.
Ferner können die Eigenschaften des Schlauchgeflechts 6 in Form eines zylinderförmigen Schlauches durch entsprechendes Zuschneiden des Schlauchs verändert werden. Beispielsweise kann das Schlauchgeflecht 6 an seinen Enden so geschnitten werden, sodass das oder die Enden schräg zur Längsachse 13 des Schlauchs verlaufen. Darüber hinaus können Einschnitte in das Schlauchgeflecht 6 vorgenommen werden, um beispielsweise Knickpunkte oder dergleichen zu schaffen. Auch weitere Formänderungen sind denkbar, um die gewünschten Materialeigenschaf- ten eines mit dem Schlauchgeflecht verstärkten Kunststoffs bzw. Bauteils zu erreichen oder die Anordnung eines oder mehrerer Schlauchgeflechte in dem Bauteil zu erleichtern oder zu ermög- lichen.
Neben der Anpassung der Materialeigenschaften und insbesondere der Festigkeitseigenschaften vorzugsweise hinsichtlich der Anisotropie kann mit den Variationen bezüglich der Menge und der Form der Faseranordnungen in den Schlauchgeflechten sowie der Anpassung der Formen der Schlauchgeflechte durch Zuschneiden auch erreicht werden, dass der Verzug des Bauteils bei der Erstarrung bzw. Aushärtung minimiert wird.
Die Figur 5 zeigt eine Form 20, mit er das sogenannte Harzinjektionsverfahren (Resin Transfer Molding) zur Herstellung des Innenrings 1 bzw. einer Hälfte davon durchgeführt werden kann. Der Einfachheit halber ist lediglich eine Schnittdarstellung durch die Form 20 gezeigt.
Die Form 20 weist zwei Formhälften 21 und 22 auf, die zwischen sich eine Kavität 23 einschlie- ßen, die der Form des herzustellenden Bauteils, beispielsweise eines Innenrings 1, entspricht. Zu der Kavität 23 bestehen Zugänge von außen, und zwar zum einen eine Zufuhröffnung 24 für den fließfahigen Kunststoff sowie zum anderen Entlüftungssteiger 25, die ein Entweichen der in der Kavität 23 aufgenommenen Luft beim Einspritzen des Kunststoffs oder ein Evakuieren vor dem Einspritzen des Kunststoffs ermöglichen.
Wie sich aus der Figur 5 ergibt, werden zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, wie bei- spielsweise des Innenrings 1, die entsprechenden Schlauchgeflechte 6,7,8 in die Kavität 23 der Form 20 eingelegt, um anschließend den fließfahigen Kunststoff durch die Zuführöffnung 24 einzuführen. Der fließfähige Kunststoff füllt die Kavität 23 und die Hohlräume zwischen und in den Schlauchgeflechten. Nach dem Erstarren bzw. Aushärten des Kunststoffs kann die Form 20 geöffnet werden und das faserverstärkte Bauteil aus dem Kunststoff mit den zur Verstärkung des Bauteils eingeschlossenen Schlauchgeflechten 6,7,8 kann entnommen werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausfüh- rungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirk- licht werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere schließt die vorliegende Offenbarung sämtliche Kombinationen der in den verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Einzelmerkmale mit ein, sodass einzelne Merkma- le, die nur in Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben sind, auch bei anderen Ausführungsbeispielen oder nicht explizit dargestellten Kombinationen von Einzelmerkmalen eingesetzt werden können.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Innenring
2 Leitschaufel
3 Schaufelfuß
4 Ausnehmung
5 Querschnitt
6 Schlauchgeflecht
7 Schlauchgeflecht
8 Schlauchgeflecht
9 Faserbündel
10 Faserbündel
11 Stehfaden
12 Zylinderdom
13 Längsachse bzw. - richtung
14 Umfangsrichtung
15 Tangente
16 Tangente
20 Form
21 untere Formhälfte
22 obere Formhälfte
23 Kavität
24 Zuführöffhung
25 Entlüftungssteiger

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, wobei das Bauteil aus einem faserverstärkten Werkstoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff oder einer faserverstärkten Keramik gebildet wird, mit folgenden Schritten:
Bereitstellung von Fasern,
Flechten der Fasern zu einem Schlauchgeflecht (6), wobei die Fasern (9,10,11) in mehre- ren Richtungen bezüglich einer Schlauchlängsachse (13) angeordnet sind,
Einlegen des mindestens einen Schlauchgeflechts (6,7,8) in eine Gießform (20),
Füllen der Gießform mit einem Matrixwerkstoff im fließfähigen Zustand und
Erstarren des Matrixwerkstoffs zu einem Bauteil mit dem eingelagerten Schlauchge- flecht.
2. V erfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schlauchgeflecht (6,7,8) so geflochten wird, dass die Fasern (9,10,11) im Wesentli- chen mindestens drei verschiedene Orientierungen zu der Schlauchlängsachse aufweisen, wobei insbesondere zwei Orientierungen (9,10) symmetrisch zueinander bezüglich der Schlauchlängsachse sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schlauchgeflecht (6,7,8) Fasern (11) aufweist, die parallel zur Schlauchlängsachse angeordnet sind, sowie Fasern (9,10), die in einem Winkel von 30° bis 60° zur Schlauch- umfangsrichtung, insbesondere in einem Winkel von 40° bis 60°, vorzugsweise von ca. 45° zur Schlauchumfangsrichtung (14) oder einer parallelen Richtung zur Schlauch- längsachse (13) angeordnet sind, und zwar sowohl bezogen auf die eine oder die entge- gengesetzte Richtung der Schlauchlängsachse.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schlauchgeflecht so geflochten wird, dass Fasern (9,10,11) oder Stränge, insbesonde- re zur Stabilisierung während des Flechtens und / oder zur einfacheren Herstellung eines definierten Schlauchgeflechts, eingeflochten werden, die vor dem Einlegen des
Schlauchgeflechts in die Gießform (20) wieder entfernt werden, insbesondere Fasern (11) oder Stränge, die parallel zur Schlauchlängsachse angeordnet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schlauchgeflecht (6,7,8) aus mehreren verschiedenen Arten von Fasern gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
über die Länge und / oder den Umfang des Schlauchgeflechts (6,7,8) unterschiedliche Arten von Fasern und /oder eine unterschiedliche Anzahl von Fasern und / oder die Fa- sem in unterschiedlicher Orientierung und / oder mit unterschiedlicher Anordnungsdichte im Schlauchgeflecht angeordnet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schlauchgeflecht (6,7,8) nach dem Flechten bearbeitet, insbesondere zugeschnitten wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Schlauchgeflechte (6,8) in einem anderen Schlauchgeflecht (7) angeordnet wer- den.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Fasern Carbonfasem und / oder Glasfasern und / oder Aramid - Fasern verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Kunststoff Cyanesterharz verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
neben den Fasern in den Schlauchgeflechten (6,7,8) weitere Fasern in der Gießform an- geordnet werden oder im fließfahigen Matrixwerkstoff enthalten sind.
12. Bauteil für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine oder ein Flugtriebwerk, welches insbesondere mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden An- sprüche hergestellt worden ist, mit einer Matrix, insbesondere aus Kunststoff oder Ke- ramik, in die mindestens ein, vorzugsweise mehrere Schlauchgeflechte (6,7,8) aus Fasern eingebettet sind.
13. Bauteil nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil einen Faseranteil von 30 bis 70 Vol. %, insbesondere 40 bis 60 Vol.% auf- weist.
14. Bauteil nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil verschiedene Arten von Fasern und / oder Fasern außerhalb des Schlauchge- flechts aufweist, insbesondere Fasern aus einem Material aus der Gruppe, die Carbon, Aramid und Glas umfasst.
15. Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil ein Innenring (1) ist.
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