DE3523518C2 - Ringförmiger Schaufelkörper mit einem integralen Schaufelring und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ringförmigen integralen Schaufelkörper mit einer Scheibe, die mehrere radial vorstehende profilierte Schaufelblätter am Umfang aufweist und eine zentrale Öffnung besitzt, wobei ein Schaufelring die radial äußeren Enden der Schaufel verbindet. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren eines derartigen ringförmigen integralen Schaufelkör­ pers.

Aus der GB 2 065 016 A ist es bekannt, ringförmige integrale Schaufelkörper für den Axialkompressor eines Gasturbinentrieb­ werks dadurch herzustellen, daß ein Kunstharzmatrixmaterial in eine Form eingespritzt wird, die Verstärkungsfasern enthält, welche in vorbestimmter Weise ausgerichtet sind. Bei diesem Her­ stellungsverfahren bestehen Probleme insofern, als die Fasern beim Einspritzen der Matrix in der gewünschten Lage gehalten werden müssen. Außerdem ist es schwierig zu gewährleisten, daß sämtliche Fasern so angeordnet sind, daß der Schaufelkörper optimale Festigkeitseigenschaften erhält. Außerdem stellt die Anordnung der Verstärkungsfasern eine aufwendige und zeitrau­ bende Handarbeit dar, was zu hohen Fertigungskosten führt.

Aus der DE 31 03 821 A1 ist ein keramischer Gasturbinenrotor be­ kannt, bei dem der äußere Umfang eines Keramikrades mit einem Faserwicklungs-Verbundmaterial in Form eines Reifens umgeben ist. Dieser sitzt auf dem Außenmantel und führt zu einer Druckschlagung der Keramikkomponenten während der Rota­ tion.

Aus der US 4 354 804 ist ein Turbinenrad mit einer Nabe be­ kannt, die Kohlenstoffäden imprägniert mit einem Kunstharz um­ faßt, wobei Schnittfasern von Kohlenstoff als Verstärkungsfasern in der Nabe und den Schaufeln angeordnet sind, die rings um die Nabe herum angeordnet sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen integralen Schaufelkörper zu schaffen, der aus einem faserverstärkten verbundmaterial besteht, billig in der Herstellung ist und gute Festigkeitseigenschaften besitzt.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs­ teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Verfahrensmäßig ge­ löst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 2 bzw. 4 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausge­ staltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung wird eine selbsttätige Ausrichtung der kurzgeschnittenen Verstärkungsfasern in Beanspruchungsrichtung gewährleistet, wobei diese Faserabschnitte in Beanspruchungs­ richtung verbleiben, bis das Matrixmaterial erstarrt ist. Es hat sich gezeigt, daß die Festigkeitseigenschaften der mit solchen kurzgeschnittenen Fasern versehenen Konstruktionsteile jenen Konstruktionsteilen ebenbürtig sind, die unter Benutzung durch­ gehender Verstärkungsfasern hergestellt sind. Nach der Erfindung wird jedoch das kostenaufwendige Voreinlegen durchgehender Fasern oder Fasersträngen in die Form vermieden.

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

Fig. 1-5 verschiedene Stufen des Herstellungs­ verfahrens 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 Fig. 1 bis 5 umfaßt ein Teil 10 einer teil­ baren 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, d. h. unbenetzte 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 Schaufelrings 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 ge­ schlossen, wie aus Fig. 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 Zutritts­ öffnungen 19 am äußeren Umfang. Mehrere Schraubbolzen und Muttern halten die beiden Teile 10 und 17 zusammen.

Dann wird die Form 11 in eine herkömmliche Spritz­ gußmaschine 21 eingebracht, wie dies in Fig. 4 ersichtlich ist und eine Mischung kurzer geschnitte­ ner Kohlenstoffasern mit einem Epoxydharz wird in die Form 11 über die zentrale Zutrittsöffnung 18 einge­ spritzt. Die Faser/Kunstharzmischung füllt den zen­ tralen 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 stromlinien­ förmiger 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 er­ sichtlich, daß die durch die Einsätze 13 bewirkte Ver­ engung 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 Schaufel­ blätter 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 aufge­ wickelte Kohlenstoffaser 16 eindringt, die die Einsätze 13 umschließt. Dies bewirkt eine gewisse Imprägnierung der aufgewickelten Kohlenstoffaser, so daß eine mecha­ nische 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 profilierte 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 aufge­ wickelten Kohlenstoffaser 16 vollendet ist, wird die Form 11 in einen Ofen eingelegt und einem ge­ eigneten Erhitzungszyklus unterworfen, um das Harz auszuhärten. Die Form 11 wird dann aus dem Ofen ent­ fernt 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 aufzuneh­ men. 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 wieder­ holt mit dem Unterschied, daß die aufgewickelte Faser 16 durch einen fertig geformten Schaufelring ersetzt ist und der Einspritzschritt für den Schaufelring weg­ fällt. Ein solcher Schaufelring würde eine kontinu­ ierliche Kohlenstoffaser in einem Epoxydharz-Matrix­ material umfassen. Bei einem solchen Verfahren der Herstellung würde jedoch die eingespritzte Faser-Kunst­ harz-Mischung den Schaufelring natürlich nicht impräg­ nieren. Das Epoxyd-Kunstharz in dem Schaufelring könnte ausgehärtet werden, bevor der Einspritzvorgang erfolgt oder statt dessen könnte er unausgehärtet belassen wer­ den, 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 Kohlen­ stoffasern als auch einer kontinuierlichen Kohlenstoff- Faser in Verbindung mit einer Epoxydharz-Matrix herge­ stellt wurden. Es können jedoch auch andere Materialien benutzt werden. So kann der Schaufelring 30 der be­ schaufelten Scheibe 25 durch Fasern aus Siliciumkarbid, Stahl oder Aluminiumoxid verstärkt werden, wobei als Matrixmaterial Aluminium oder Legierungen hiervon, Magnesium oder Legierungen hiervon, Titan oder Legie­ rungen hiervon, oder ein Polyamid-Kunstharz in Be­ tracht kommen. In gleicher Weise könnte die Scheibe 22 mit den stromlinienförmigen Schaufelblättern im Spritzgußverfahren mit geschnittenen Fasern aus Siliciumkarbid oder Aluminiumoxid in einer Matrix aus Aluminium oder Legierungen hiervon oder Mag­ nesium oder Legierungen hiervon, oder Titan oder Legierungen hiervon, oder statt dessen in einer Matrix aus hochtemperaturfesten thermoplastischen Polymeren, beispielsweise aus Polyätherätherketon oder einem Polyäthersulphon 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 statt dessen benutzt werden.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem beschaufelten Rotor und einem Herstellungs­ verfahren eines solchen beschaufelten Rotors be­ schrieben. 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 Schaufel­ schäfte 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 stromlinien­ förmigen Schaufelschäfte zu bilden.

Claims (9)

1. Ringförmiger integraler Schaufelkörper mit einer Scheibe, die mehrere radial vorstehende profilierte förmige Schaufel­ blätter am Umfang aufweist und eine zentrale Öffnung besitzt, wobei ein Schaufelring die radial äußeren Enden der Schaufeln verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (27) und die profilierten Schaufelblätter (23) aus einem Verbundmaterial geformt sind, das aus einer Vielzahl kurzer Verstärkungs­ fasern besteht, die innerhalb eines Matrix­ materials dispergiert sind, wobei wenigstens die Mehrzahl der kurzen Verstärkungsfasern innerhalb der profilierten Schaufel­ blätter (23) allgemein radial ausgerichtet sind, und daß der Schaufelring (30) aus einer im wesentlichen kontinuierlich umlaufenden Verstärkungsfaser besteht, die in dem Matrixmaterial eingeschlossen ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen integralen Schaufelkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesent­ lichen kontinuierliche Verstärkungsfaser rings um den radial äußeren Umfang einer ringförmigen An­ ordnung von Einsätzen (13) gewickelt wird, die in einer teilbaren Form (11) angeordnet sind, welche die Form des integralen Schaufel­ körpers (25) definiert, und daß die Einsätze (13) so angeordnet sind, daß die Zwischen­ räume zwischen benachbarten Einsätzen die Schaufeln des Schaufelkörpers definieren, so daß die Verstärkungsfaser des Schaufelrings (30) die Form (11) schließt, und daß eine Mischung kurzer Verstärkungsfasern 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 Verstärkungsfasern zwischen den Ein­ sätzen (13) allgemein radial ausgerichtet wird, um partiell die aufgewickelte kontinuierliche Verstärkungsfaser zu imprägnieren, und daß ein Matrixmaterial in die aufgewickelte kontinuierliche Verstärkungsfaser derart eingespritzt wird, daß jeder Teil hiervon imprägniert wird, der nicht, bereits vorher durch die Mischung von Matrixmaterial und kurzen Verstärkungsfasern 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 wesent­ lichen kontinuierlich um die radial äußeren Umfänge der Einsätze (13) gewickelte Verstärkungsfaser unter Zugspannung aufgewickelt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesent­ lichen kontinuierliche Verstärkungsfaser des Schaufel­ rings (30) aus Kohlenstoff, Siliciumkarbid, Stahl oder Aluminiumoxid besteht.

5. Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, Siliciumkarbid oder Aluminium­ oxid bestehen.

6. Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial, welches mit den kurzen Verstärkungsfasern vermischt ist, aber einem Epoxydharz, einem Polyätherätherketon- Kunstharz, einem Polyäthersulphon-Kunstharz, aus Aluminium oder Magnesium oder Titan oder Legierungen dieser Metalle besteht.

7. Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial in dem Schaufelring (30) ein Epoxydharz, ein Polyamid, Aluminium oder Magnesium oder Titan oder eine Legierung hiervon ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach Anspruch 2, 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.

9. Verfahren zur Herstellung eines integralen Schaufelkörpers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (13) aus einer Keramikzusammensetzung bestehen, die in Wasser dispergierbar ist.