DE3523518A1

DE3523518A1 - Ringfoermiger schaufelkoerper mit einem integralen schaufelring und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE3523518A1
Application number: DE19853523518
Authority: DE
Inventors: James Pears Penrith Cumbria Angus
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1984-07-07
Filing date: 1985-07-01
Publication date: 1986-02-06
Anticipated expiration: 2005-07-02
Also published as: GB2161110B; US4786347A; FR2567062B1; DE3523518C2; FR2567062A1; GB8513604D0; GB2161110A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ringförmigen Schaufelkörper mit einem integralen Schaufelring und insbesondere auf einen ringförmigen Schaufelkörper mit einem integralen Schaufelring, der aus einem faserverstärkten Verbundmaterial besteht. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schaufelkörpers.

Es ist bekannt, Scheiben mit integralen stromlinienförmigen Schaufelblättern herzustellen, beispielsweise jene, die geeignet sind zur Verwendung in Verbindung mit einem Axialkompressor eines Gasturbinentriebwerks. Hierbei wird ein geeignetes Kunstharzmatrixmaterial in eine Form eingespritzt, die Verstärkungsfasern enthält, welche in vorbestimmter Weise ausgerichtet sind. Dabei bestehen Probleme um zu gewährleisten, daß die Fasern in der gewünschten Lage verbleiben, während die Matrix eingespritzt wird. Außerdem ist es schwierig zu gewährleisten, daß sämtliche Fasern so angeordnet sind, daß eine beschaufelte Scheibe mit einer optimalen Festigkeitseigenschaft erhalten wird. Ein weiterer Nachteil bekannter Verfahren besteht darin, daß sie kostspielig im Hinblick darauf sind, daß die Verstärkungsfasern gewöhnlich durch Hand eingelegt werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen ringförmigen Schaufelkörper zu schaffen, der aus faserverstärktem Verbundmaterial besteht, billig in der Herstellung ist und gute Festigkeitseigenschaften besitzt. Außerdem bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Herstellungsverfahrens für einen solchen ringförmigen Körper.

Gemäß der Erfindung ist ein ringförmiger Schaufelkörper mit einer Scheibe, die mehrere integrale radial verlaufende stromlinienförmige Schaufelschäfte am Umfang und eine zentrale öffnung sowie einen integralen Schaufelring am radial äußeren Umfang der Schaufeln zur Verbindung derselben aufweist in der Weise ausgebildet, daß die Scheibe und die stromlinienförmigen Schaufelblätter aus einem Verbundmaterial hergestellt sind, das eine Vielzahl kurzer Verstärkungsfasern dispergiert in einem Matrixmaterial enthält, wobei wenigstens die Mehrzahl der kurzen Verstärkungsfasern innerhalb der stromlinienförmigen Schaufelblätter allgemein radial ausgerichtet sind, und daß der Schaufelring aus einer im wesentlichen kontinuierlich umlaufenden Verstärkungsfaser besteht, die in einem Matrixmaterial eingeschlossen ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Schaufelkörpers mit einer Scheibe, die mehrere radial verlaufende Schaufelblätter am Umfang aufweist, eine zentrale Öffnung besitzt und einen integralen Schaufelring aufweist, der die radial äußeren Enden der Schaufeln verbindet und aus einem faserverstärktem Verbundmaterial besteht, in der Weise durchgeführt, daß ein Schaufelring, bestehend aus einer kontinuierlich aufgewickelten Verstärkungsfaser eingeschlossen in einem Matrixmaterial um die radial äußeren Enden einer ringförmigen Anordnung von Einsätzen gelegt wird, die in einer teilbaren Form angeordnet sind, welche die Form des integralen Schaufelkörpers definiert, wobei die

Einsätze so ausgebildet sind, daß dazwischen Räume gebildet werden, die den stromlinienförmigen Schaufelblättern entsprechen, daß die Form geschlossen wird, und daß eine Mischung kurzer Fasern dispergiert in einem Matrixmaterial in den zentralen Abschnitt des Inneren eingespritzt wird, so daß die Mischung den zentralen Abschnitt ausfüllt und zwischen den Einsätzen radial nach außen strömt und an dem Schaufelring anstößt, so daß der Hauptteil der kurzen Fasern zwischen den Einsätzen im allgemeinen radial ausgerichtet ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Schaufelkörpers mit einer Scheibe, die mehrere integrale, radial verlaufende Schaufeln am Umfang aufweist, eine zentrale Öffnung besitzt und einen integralen Schaufelring hat, der die radial äußeren Enden der Schaufeln verbindet und aus faserverstärktem Verbundmaterial besteht, in der Weise durchgeführt, daß eine im wesentlichen kontinuierliche Faser rings um die radial äußeren Enden der ringförmigen Anordnung von Einsätzen gewickelt wird, die in einer teilbaren Form vorhanden sind, die die Form des integralen Schaufelkörpers definiert, wobei die Einsätze so ausgebildet sind, daß die Zwischenräume dazwischen benachbarte Schaufeln der Scheibe definieren, so daß die Faser eine Verstärkungsfaser des Rings bildet, daß die Form geschlossen und eine Mischung kurzer Fasern dispergiert in einer Matrix in den zentralen Abschnitt im Inneren derart eingespritzt wird, daß die Mischung den zentralen Abschnitt ausfüllt

und zwischen den Einsätzen abfließt, so daß der Hauptteil der kurzen Fasern zwischen den Einsätzen allgemein in Radialrichtung ausgerichtet wird, um die aufgewickelte Faser zu imprägnieren, daß ein Matrixmaterial in die aufgewickelte Faser derart eingespritzt wird, daß jeder Teil hiervon imprägniert wird, der vorher noch nicht durch die Mischung von Matrixmaterial und kurzen Fasern imprägniert worden ist, so daß der integrale Schaufelring hergestellt wird, und daß danach die Form geöffnet wird, um den so erzeugten integralen Schaufelkörper freizugeben.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1-5 verschiedene Stufen des Herstellungsverfahrens einer beschaufelten Scheibe mit einem integralen Schaufelring gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine beschaufelte Scheibe gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine Schnittansicht eines Teils der beschaufelten Scheibe gemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine Schnittansicht eines Teils der beschaufelten Scheibe gemäß Fig. 6 montiert auf einer drehbaren Welle.

Gemäß Figur 1 bis 5 umfaßt ein Teil 10 einer teilbaren Form 11 einen scheibenförmigen Abschnitt 12, auf dem eine ringförmige Anordnung von Einsätzen 13 angeordnet ist. Die Einsätze 13 sind so ausgebildet, daß ihre benachbarten Oberflächen 14 die Flanken einer ringförmigen Anordnung von radial verlaufenden, in Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegenden stromlinienförmigen Schaufelblätter bilden. Der scheibenförmige Abschnitt 12 ist zusätzlich mit einem zylindrischen Einsatz 15 im Zentrum ausgestattet, um ein zentrales Loch in der beschaufelten Scheibe zu bilden, die hierdurch erzeugt wird.

Eine trockene Länge einer Kohlenstoffaser 16 ist unter Spannung ringsum den radial äußeren Umfang der Einsätze 13 gewickelt, um einen Faserring zu definieren, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Dieser Faserring bildet die Verstärkung eines kontinuierlichen ^chaufelrings der beschaufelten Scheibe, die auf diese Weise erzeugt wird Ein solcher äußerer Schaufelring ist notwendig, um die Zentrifugalbelastungen aufnehmen zu können, die auf die stromlinienförmigen Schaufelblätter während der Drehung ausgeübt werden. Dann wird die Form 11 geschlossen, wie aus Figur 3 ersichtlich ist, indem der äußere Abschnitt 17 aufgelegt wird, so daß ein Hohlraum definiert wird, der die Form der beschaufelten Scheibe besitzt und dabei einen kontinuierlichen integralen Schaufelring aufweist. Die Form 11 hat eine zentrale Zutrittsöffnung 18 und mehrere radial äußere Zutrittsöffnungen 19 am äußeren Umfang. Mehrere Schraubbolzen und Muttern halten die beiden Teile 10 und 17 zusammen.

Dann wird die Form 11 in eine herkömmliche Spritzgußmaschine 21 eingebracht, wie dies in Fig. 4 ersichtlich ist und eine Mischung kurzer geschnittener Kohlenstoffasern mit einem Epoxydharz wird in die Form 11 über die zentrale Zutrittsöffnung 18 eingespritzt. Die Faser/Kunstharzmischung füllt den zentralen Hohlraum innerhalb der Form 11 aus, um eine Scheibe 22 zu definieren, wie dies am besten aus Fig. 6 ersichtlich ist. Dann strömt die Mischung zwischen den benachbarten Oberflächen 14 der Einsätze 13 um eine Mehrzahl radial verlaufender stromlinienförmiger Schaufeln 23 zu bilden, die ebenfalls in Fig. 6 dargestellt sind und integral mit der Scheibe 22 verbunden sind. Fig. 7 zeigt das Strömungsmuster der Faser/Kunstharzmischung nachdem diese Mischung zwischen die Einsätze 13 eingeströmt ist. Es ist ersichtlich, daß die durch die Einsätze 13 bewirkte Verengung bewirkt, daß die einzeln geschnittenen Fasern 24 zwischen den Einsätzen 13 sich in Radialrichtung ausrichten. Außerdem sind die geschnittenen Fasern 24 in den Bereichen der radial inneren Teile der Schaufelblätter 23, obgleich sie sich nicht radial erstrecken, so angeordnet, daß eine feste Verbindung zwischen den Schaufelblättern 23 und der Scheibe 22 gewährleistet wird. Es ist aus Fig. 7 auch ersichtlich, daß ein Teil der eingespritzten Faser/Harzmischung in die aufgewickelte Kohlenstoffaser 16 eindringt, die die Einsätze 13 umschließt. Dies bewirkt eine gewisse Imprägnierung der aufgewickelten Kohlenstoffaser, so daß eine mechanische Verbindung der geschnittenen Fasern 24 mit der aufgewickelten Faser 16 hergestellt wird. Es ist somit ersichtlich, daß diese Verbindung von geschnittenen

Fasern mit der aufgewickelten Faser zu einer festen Verbindung zwischen den so gebildeten stromlinienförmigen Schaufelblättern 23 und der aufgewickelten Faser 16 dient.

Die Vollendung der Imprägnierung der aufgewickelten Kohlenstoffaser 16 wird dadurch erreicht, daß ein Epoxydharz durch Zuführungsrohre 24 eingespritzt wird, die in die Eintrittsöffnungen 19 des Formteils 17 eingebaut sind. Dadurch wird der kontinuierliche integrale Schaufelring 30 definiert, der die radial äußeren Enden der stromlinienförmigen Schaufeln 23 verbindet.

Sobald eine vollständige Imprägnierung der aufgewickelten Kohlenstoffaser 16 vollendet ist, wird die Form 11 in einen Ofen eingelegt und einem geeigneten Erhitzungszyiklus unterworfen, um das Harz auszuhärten. Die Form 11 wird dann aus dem Ofen entfernt und abgekühlt, bevor sie wieder geteilt wird, um die so hergestellte beschaufelte Scheibe 25 sichtbar zu machen, die aus Fig. 6 ersichtlich ist.

Wie oben erwähnt, dient der zylindrische Einsatz 15 dazu, ein zentrales Loch in der beschaufelten Scheibe 15 herzustellen, und dieses Loch 26 ist aus Fig. 6 ersichtlich. Das Loch 26 ermöglicht die Lagerung der beschaufelten Scheibe 25 auf der drehbaren Welle 27 eines Gasturbinentriebwerks, von dem ein Teil aus Fig. 8 ersichtlich ist. Ein Flansch 28 ist an der Welle 27 vorgesehen, um die beschaufelte Scheibe 25 aufzunehmen. Aufeinander ausgerichtete Löcher 29 und 31 sind

in der beschaufelten Scheibe 25 bzw. dem Flansch 28 vorgesehen, um nicht dargestellte Bolzen aufzunehmen, die die beiden Teile miteinander verbinden.

Gemäß einem abgewandelten Herstellungsverfahren der Erfindung wird das oben beschriebene Verfahren wiederholt mit dem Unterschied, daß die aufgewickelte Faser 16 durch einen fertig geformten Schaufelring ersetzt ist und der Einspritzschritt für den Schaufelring wegfällt. Ein solcher Schaufelring würde eine kontinu. ierliche Kohlenstoffaser in einem Epoxydharz-Matrixmaterial umfassen. Bei einem solchen Verfahren der Herstellung würde jedoch die eingespritzte Faser-Kunstharz-Mischung den Schaufelring natürlich nicht imprägnieren. Das Epoxyd-Kunstharz in dem Schaufelring könnte ausgehärtet werden, bevor der Einspritzvorgang erfolgt oder stattdessen könnte er unausgehärtet belassen werden, so daß er anschließend zusammen mit dem Epoxyd-Kunstharz der eingespritzten Faserstoff-Kunstharz-Mischung ausgehärtet wird.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf die Herstellung einer beschaufelten Scheibe 25 beschrieben, die aus Kohlenstoffasern sowohl geschnittenen Kohlenstoffasern als auch einer kontinuierlichen Kohlenstoff-Faser in Verbindung mit einer Epoxydharz-Matrix hergestellt wurden. Es können jedoch auch andere Materialien benutzt werden. So kann der Schaufelring 30 der beschaufelten Scheibe 25 durch Fasern aus SiIiciumkarbid, Stahl oder Aluminiumoxid verstärkt werden, wobei als Matrixmaterial Aluminium oder Legierungen hiervon, Magnesium oder Legierungen hiervon, Titan oder Legie-

rungen hiervon, oder ein Polyimid-Kunstharz in Betracht kommen. In gleicher Weise könnte die Scheibe 22 mit den stromlinienförmigen Schaufelblättern im Spritzgußverfahren mit geschnittenen Fasern aus SiIiciumkarbid oder Aluminiumoxid in einer Matrix aus Aluminium oder Legierungen hiervon oder Magnesium oder Legierungen hiervon, oder Titan oder Legierungen hiervon, oder stattdessen in einer Matrix aus hochtemperaturfesten thermoplastischen Polymeren, beispielsweise aus Polyätherätherketon oder einem Polyethersulphon hergestellt werden. Außerdem brauchen Scheibe 22 und stromlinienförmige Schaufeln 23 sowie der Schaufelring 30 nicht aus der gleichen Kombination von Fasern und Matrixmaterial zu bestehen.

Es ist klar, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von beschaufelten Läufern 25 benutzt werden kann, die mit einspringenden Teilen versehen sind, die nach der Formgebung nicht auf einfache Weise aus der Form 11 entfernt werden können. Unter solchen Umständen könnten Formeinsätze 13 Anwendung finden, die aus einer Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt bestehen. Die Legierung könnte dann ausgeschmolzen werden, bevor die beschaufelte Scheibe 25 aus der Form 11 entnommen wird. Wenn der beschaufelte Rotor 25 aus einem faserverstärkten Metallmatrixmaterial hergestellt wird, dann könnten in Wasser dispergierbare.auf Keramik· material basierende Einsätze 13 stattdessen benutzt werden.

ORIGINAL INSPECTED

35235^8

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem beschaufelten Rotor und einem Herstellungsverfahren eines solchen beschaufelten Rotors beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung nicht beschränkt ist auf Läuferteile, und daß sie auch für Statorteile Anwendung finden kann. Im Falle eines beschaufelten Statorrings müßte die Trägerscheibe für die stromlinienförmigen Schaufelschäfte eine Öffnung mit größerem Durchmesser in der Mitte aufweisen, so daß die gelochte Scheibe als Ringkörper ausgebildet wird, um einen Träger für die radial inneren Abschnitte der stromlinienförmigen Schaufelschäfte zu bilden.

ORIGINAL INSPECTED

Ii.

- Leerseite

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. Cu rt Wal lach J

Europäische Patentvertreter 3523518 Bipl.-Ing. Günther Koch ^ European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

1- ^{Juli 1985}

Rolls-Royce Limited unser zeichen: 18 160 - K/Ap

Buckingham Gate
London SW1E 6AT
England

Ringförmiger Schaufelkörper mit einem integralen Schaufelring und Verfahren zur Herstellung desselben

Patentansprüche :

Ringförmiger Schaufelkörper mit einer Scheibe, die mehrere integrale radial vorstehende stromlinienförmige Schaufelblätter am Umfang aufweist und eine zentrale Öffnung besitzt, wobei ein integraler Schaufelring die radial äußeren Enden der £

Schaufeln verbindet, -^

dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (27) und die stromlinienförmigen Schaufelblätter (23) aus einem Verbundmaterial geformt sind, das aus einer Vielzahl kurzer Verstärkungsfasern besteht, die innerhalb eines Matrixmaterials dispergiert sind, wobei wenigstens die Mehrzahl der kurzen Verstärkungsfasern innerhalb der stromlinienförmigen Schaufelblätter (23) allgemein radial ausgerichtet ist, und daß der Schaufelring (30) aus einer im wesentlichen kontinuierlich umlaufenden Verstärkungsfaser besteht, die in einem Matrixmaterial eingeschlossen ist.

?.. Ver^fahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine irn wesentlichen kontinuierliche Faser rings um den radial äußeren Umfang einer ringförmigen Anordnung von Einsätzen (13) gewickelt wird, die in einer teilbaren Form (11) angeordnet sind, welche die Form des integralen Schaufelkörpers (25) definiert, und daß die Einsätze (13) so angeordnet sind, daß die Zwischenräume zwischen benachbarten Einsätzen die Schaufeln des Schaufelkörpers definieren, so daß die Faser des Schaufelrings (30) die Form (11) schließt, und daß eine Mischung kurzer Fasern in einem Matrixmaterial in den zen-

* tralen Abschnitt des innenteils der Form (11)

. derart eingespritzt wird, daß die Mischung

den zentralen Abschnitt ausfüllt und zwischen den Einsätzen (13) derart strömt, daß der Hauptteil der kurzen Fasern zwischen den Einsätzen (13) allgemein radial ausgerichtet wird, um partiell die aufgewickelte Faser zu imprägnieren, und daß ein Matrixmaterial in die aufgewickelte Faser derart eingespritzt wird, daß jeder Teil hiervon imprägniert wird, der nicht bereits vorher durch die Mischung von Matrixmaterial und kurzen Fasern imprägniert wurde, so daß der integrale Schaufelring definiert wird, und daß abschließend die Form (11) geöffnet wird, um den so erzeugten integralen Schaufelkörper (25) freizugeben.

3. Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen kontinuierlich um die radial äußeren Umfange der Einsätze (13) gewickelte Faser unter Spannung aufgewickelt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaufelring (30) aus einer kontinuierlich umlaufenden Verstärkungsfaser eingeschlossen in Matrixmaterial um die radial äußeren Umfange einer ringförmigen Anordnung von Einsätzen (13) gelegt wird, die in einer teilbaren Form (11) untergebracht sind, welche die Form des integralen Schaufelkörpers (25) bestimmt, daß die Einsätze (13) so ausgebildet sind, daß sie Zwischenräume zwischen sich bilden, die dem Schaufelprofil (23) entsprechen, daß die Form (11) geschlossen wird und eine Mischung kurzer Fasern dispergiert in einem Matrixmaterial in den zentralen Abschnitt der Form (11) eingespritzt wird, so daß die Mischung den Mittelabschnitt ausfüllt und zwischen den Einsätzen (13) radial nach außen fließt, um auf den Schaufelring (30) aufzutreffen, so daß die kurzen Fasern wenigstens zwischen den Einsätzen (13) allgemein radial ausgerichtet sind,

Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach einem der Ansprüche 2, 3 und 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen kontinuierliche Faser des Schaufelrings (30) aus Kohlenstoff, Si 1iciumkarbid, Stahl oder Aluminiumoxid besteht.

Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach einem der Ansprüche 2 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen Fasern aus Kohlenstoff, Si 1iciumkarbid oder Aluminiumoxid bestehen.

Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial, welches mit den kurzen Fasern vermischt ist, ein Epoxyd-Kunstharz, ein Polyätherätherketon-Kunstharz, ein Polyethersulphon-Kunstharz, Aluminium oder Legierungen hiervon, oder Magnesium oder Legierungen hiervon, oder Titan oder Legierungen hiervon ist.

Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial in dem Schaufelring (30) ein Epoxydharz, ein Polyimid, Aluminium oder eine Legierung hiervon, oder Magnesium oder eine Legierung hiervon, oder Titan oder eine Legierung hiervon ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach einem der Ansprüche 2 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (13) aus einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen, und daß die Legierung ausgeschmolzen wird, bevor der so erzeugte Schaufelkörper aus der Form (11) entnommen wird.

10. Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach einem der Ansprüche 2 bis B,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (13) aus einer Keramikzusamrnensetzung bestehen, die in Wasser dispergierbar ist.