DE3523517C2

DE3523517C2 - Ringförmiger integraler Schaufelkörper

Info

Publication number: DE3523517C2
Application number: DE19853523517
Authority: DE
Inventors: James Pears Angus
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1984-07-07
Filing date: 1985-07-01
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2005-07-02
Also published as: GB8513603D0; US4826645A; DE3523517A1; FR2567052A1; GB2161109B; FR2567052B1; GB2161109A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ringförmigen integralen Schaufelkörper bestehend aus einer Scheibe, die mehrere, radial vorstehende profilierte Schaufelblätter am Umfang aufweist und eine zentrale Öffnung besitzt, wobei die Scheibe aus einem Matrixmaterial mit Verstärkungsfasern besteht. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines der artigen integralen Schaufelkörpers.

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 Kom pressionsbeaufschlagung 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 Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausge staltungen des integralen Schaufelkörpers ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-10.

Verfahrensmäßig gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 11 angegebenen Merkmale.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die kurzgeschnittenen Verstärkungsfasern eine selbsttätige Ausrichtung in Beanspru chungsrichtung gewährleisten, wobei diese Fasern in dieser Be anspruchungsrichtung verbleiben, bis das Matrixmaterial erstarrt ist. Es hat sich gezeigt, daß die Festigkeitseigenschaften der mit solchen kurzgeschnittenen Fasern versehenen Konstruktions teile jenen Konstruktionsteilen ebenbürtig sind, die unter Be nutzung durchgehender Verstärkungsfasern hergestellt wurden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer teilbaren Form zur Benutzung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Herstel lungsverfahren,

Fig. 2 eine Ansicht des Formteiles gemäß Fig. 1, der zwei Trägerringe auf weist;

Fig. 3 eine Ansicht der vollständigen Form zur Benutzung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 4 eine Schnittansicht der Einspritz formvorrichtung, mit der die Form gemäß Fig. 3 ausgespritzt wird;

Fig. 5 eine Ansicht einer beschaufelten Scheibe gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine teilweise geschnittene per spektivische Ansicht der beschaufelten Scheibe gemäß Fig. 5;

Fig. 7 eine teilweise geschnittene per spektivische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer beschaufelten Scheibe gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 der Zeichnung umfaßt ein Teil 10 einer teilbaren Form 11, die in Fig. 3 voll dargestellt ist, einen scheibenförmigen Teil 12, auf dem in ringförmiger Anordnung Einsätze 13 angeordnet sind. Die Einsätze 13 sind in Umfangsrichtung im Abstand zueinander ange ordnet und so ausgebildet, daß die benachbarten Ober flächen 14 zusammenwirken, um die Flanken von einer ringförmigen Anordnung radial verlaufender, in Um fangsrichtung im Abstand zueinander angeordneter stromlinienförmiger Schaufeln zu definieren. Um die radial äußersten Enden der Einsätze 13 herum er streckt sich ein Band 15. In dem Band 15 sind mehrere Öffnungen 16 angeordnet, und jede Öffnung 16 ist auf jeden Raum zwischen den Einsätzen 13 ausgerichtet. Der scheibenförmige Abschnitt 12 ist außerdem mit einem zylindrischen Einsatz 17 in der Mitte ausgestattet, um ein zentrales Loch in der beschaufelten Scheibe zu bilden, die auf diese Weise erzeugt wird.

Zwei aus Fasern gewickelte Trägerringe 18 sind in dem Scheibenteil 10 angeordnet, wie dies aus Fig. 2 er sichtlich ist. Die Trägerringe 18 sind so angeordnet, daß sie koaxial zu den zylindrischem Einsatz 17 liegen und sie werden axial im Abstand zueinander und im Abstand zu dem Formteil 10 durch mehrere Stifte 19 gehalten, die in geeignete Löcher innerhalb der Ringe 18 eingesetzt sind. Die Trägerringe 18 bestehen aus mit Epoxydharz überzogenen Kohlenstoff-Fasern, die um einen Kern herumgewickelt und von Kern entfernt und ausgehärtet wurden. Dann wird die Form 11 dadurch ge schlossen, daß der andere Formteil 20 auf den ersten Formteil 10 gelegt wird, worauf die beiden Formteile miteinander durch mehrere Muttern und Bolzen 21 ver schraubt werden, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. So definiert das Innere der Form 11 die Gestalt der Scheibe mit mehreren integralen, radial vorstehenden stromlinienförmigen Schaufeln.

Dann wird die komplette Form 11 in eine Spritzguß maschine 22 eingesetzt, wie dies aus Fig. 4 ersicht lich ist, und eine Mischung von kurzen geschnittenen Kohlenstoff-Fasern und Polyätherätherketonharz wird in das Innere der Form 11 durch eine zentrale Öff nung 23′ eingespritzt, die in dem zweiten Formteil 20 angeordnet ist. Mehrere Öffnungen 23 sind in der Umfangsoberfläche des zweiten Formteils 20 vorge sehen, die auf die Öffnungen 16 in dem Band 15 aus gerichtet sind, so daß die Luft innerhalb der Form während des Einspritzvorganges entweichen kann. Wenn der Einspritzvorgang vollendet ist, dann wird die ge füllte Form aus der Einspritzmaschine 22 entfernt und geteilt, so daß die beschaufelte Scheibe 24 in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise zugänglich wird.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, umfaßt der Schaufelkörper 24 eine Scheibe 25 und ein kreisförmiges Loch im Zentrum, zentrale Öffnung 26, welches durch den Formeinsatz 17 erzeugt worden ist. Mehrere in Umfangsrichtung im Ab stand zueinander angeordnete, profilierten Schaufel blätter 27, die integral mit der Scheibe 25 hergestellt sind, stehen radial von dieser ab. Der Innenaufbau des Schaufelkörpers 24 kann besser aus Fig. 6 erkannt werden. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß die kurzen ge schnittenen Kohlenstoff-Fasern 28 innerhalb der profilierten Schaufelblätter 27 und innerhalb der Kunstharzmatrix aus Polyätherätherketon verteilt und allgemein radial ausgerichtet sind, was eine Folge der Strömung der eingespritzten, aus Kohlenstoff-Fasern und Kunstharz bestehenden Mischung ist, die zwischen die Einsätze 13 eingespritzt wurden. Diese Ausrichtung ist optimal für die Übertragung von Zentrifugalbelastungen auf die stromlinienförmigen Schaufeln 27 und die beiden Trägerringe 18, die in der Scheibe 25 be nachbart zu den radial inneren Abschnitten der profilierten Schaufelblätter 27 angeordnet sind. Es ist daher ersichtlich, daß die Trägerringe 18 den Hauptteil der Zentrifugalbelastungen aufnehmen, die auf die stromlinienförmigen Schaufelblätter 27 während der Drehung der Scheibe 25 ausgeübt werden, und hier durch wird beträchtlich die strukturelle Integrität des beschaufelten Rotors 24 verstärkt. Gemäß dem dar gestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Trägerringe 18 vorgesehen. Es ist jedoch klar, daß es erforderlich sein kann, unter gewissen Umständen nur einen Träger ring vorzusehen oder statt dessen auch mehr als zwei Ringe. Außerdem können anstelle der beschriebenen Trägerringe 18 aus Kohlenstoff-Fasern überzogen mit Epoxydharz andere Materialien benutzt werden, wenn dies zweckmäßig erscheint. So können Fasern aus Silicium karbid, Stahl oder Aluminiumoxid in einer Matrix aus Polyimidharz, Aluminium oder Aluminiumlegierungen, oder Magnesium oder Magnesiumlegierungen, oder Titan oder Titanlegierungen eingebettet werden.

Die Mischung, die zum Spritzen der Schaufelscheibe 24 benutzt wird, muß nicht notwendigerweise aus gehackten Kohlenstoff-Fasern in einer Polyätherätherketon-Harz- Matrix bestehen. So können geschnittene Fasern aus Siliciumkarbid oder Aluminiumoxid benutzt werden, in einer Matrix aus einem Epoxydharz, einem Polyamidharz, Aluminium oder Legierungen hiervon, oder Magnesium oder Legierungen hiervon, oder Titan oder Legierungen hiervon.

Die Scheibe 25 des beschaufelten Rotors 24 ist außerdem mit vier Löchern 29 versehen, die im gleichen Abstand um die zentrale Öffnung 26 herum angeordnet sind, um eine Bolzenbefestigung an einer Flanschwelle 30 eines Gasturbinentrieb werks zu ermöglichen, wie dies aus Fig. 6 ersicht lich ist.

Es ist klar, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung beschaufelter Läufer 24 benutzt werden kann, die mit zurückspringenden Abschnitten versehen sind, die nach der Formgebung nicht leicht aus der Form 11 entfernt werden könnten. Unter solchen Umständen können Formeinsätze 13 benutzt werden, die aus einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen. Die Legierung wird dann ausgeschmolzen, bevor die be schaufelte Scheibe 24 aus der Form 11 entfernt wird. Wenn die beschaufelte Scheibe 24 aus Verstärkungs fasern hergestellt ist, die in einer Metallmatrix eingebettet sind, könnte auch ein geeignetes anderes Material zur Herstellung der Einsätze 13 benutzt werden, beispielsweise in Wasser dispergierbares Keramik material enthaltendes Material.

Es kann sich bei gewissen beschaufelten Scheiben 24 erweisen, daß das Vorhandensein der Trägerringe 18 im Pfad der eingespritzten Mischung aus geschnittenen Fasern und Kunstharzmatrix, die die Schaufeln 27 definieren, zu einer Verschlechterung der Festigkeit führt. So teilen die Ringe 18 die aus Fasern und Kunst harz bestehende Mischung bevor die Mischung in die Schaufelhohlräume in der Form 11 eintreten, und die Strömung vereinigt sich wieder innerhalb des Schaufelhohlraums, wodurch etwas erzeugt wird, was in der Wirkung einer Schweißebene in der Mischung innerhalb des Schaufelhohlraums gleichkommt. Dies kann erforderlichenfalls vermieden werden, indem die Mischung aus Fasern und Kunstharz durch die Öffnungen 23 und 16 in das Forminnere 10 gespritzt wird, statt über die zentrale Öffnung 23′.

Es kann unter gewissen Umständen erforderlich sein, die beschaufelte Scheibe 24 mit einem integralen Schaufelring 31 zu versehen, wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist. Ein solcher Schaufelring wäre bei spielsweise nützlich, um einen weiteren Träger für die stromlinienförmigen Schaufelblätter 27 zur Auf nahme der Zentrifugalbelastungen zu schaffen, die während der Drehung der Scheibe 25 auftreten. Ein solcher Schaufelring 31 kann auf der beschaufelten Scheibe 24 durch das Verfahren erzeugt werden, welches in der schwebenden Patentanmeldung der Anmelderin unter dem Titel "Verfahren zur Herstellung einer beschaufelten Scheibe, die einen integralen Schaufelring besitzt" be schrieben ist. Wenn die beschaufelte Scheibe 24 mit einem integralen Schaufelring 31 versehen wird, kann das Band 15, welches um die Einsätze 13 herumgelegt ist, durch trockengewickelte Fasern ersetzt werden, die teilweise durch die eingespritzte, aus geschnittenen Fasern und Kunstharzmatrix bestehende Mischung impräg niert werden. Die Vollendung der Imprägnierung wird durch Einspritzen einer Kunstharzmatrix in die gewickel ten Fasern über die Öffnungen 23 in dem Formteil 20 vollendet.

Die Fasern im Schaufelring 31 können aus Kohlen stoff, Siliciumkarbid, Stahl oder Aluminiumoxid bestehen, und das Matrixmaterial, welches in die aufgewickelten Fasern eingespritzt wird, kann Epoxydharz, Polyätherätherketonharz, ein Polyamidharz, Aluminium oder eine Legierung hiervon, oder Magnesium oder eine Legierung hiervon, oder Titan oder eine Legierung hiervon sein.

Hieraus wird ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren ein billiges und einfaches Herstellungs verfahren für feste beschaufelte Läufer 24 schafft und insbesondere geeignet ist für die Massenfertigung derartiger Bauteile. Da dies der Fall ist, findet das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere Anwendung bei der Herstellung kleiner kostengünstiger Gastur binentriebwerke, wie diese in leistungsstarken Fahr zeugen eingebaut werden sollen.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem beschaufelten Rotor und einem Verfahren zur Herstellung eines solchen beschaufelten Rotors beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung nicht beschränkt ist auf Läufer und auch für Statoraufbauten Anwendung finden kann. Im Falle eines beschaufelten Statoraufbaus würde die Scheibe, die die stromlinienförmigen Schaufel blätter trägt, eine Öffnung mit einem größeren Durch messer im Mittelteil aufweisen müssen, so daß die ge lochte Scheibe tatsächlich ein Ring ist, der einen Träger für die radial inneren Abschnitte der stromlinien förmigen Schaufelblätter bildet.

Claims

1. Ringförmiger integraler Schaufelkörper, bestehend aus einer Scheibe, die mehrere radial vorstehende, profilierte Schaufelblätter am Umfang aufweist und eine zentrale Öffnung (26) besitzt, wobei die Scheibe aus einem Matrixmaterial mit Verstärkungsfasern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern kurzgeschnit ten und wenigstens innerhalb der Schaufelblätter (27) radial ausgerichtet sind, und daß der Schaufelkörper (24) wenigstens einen Trägerring (18) aufweist, der derart koaxial angeordnet ist, daß er benachbart zu den radial inneren Abschnitten der Schaufelblätter (27) verläuft.

2. Integraler Schaufelkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring (18) aus gewickeltem Fasermaterial in einer Matrix besteht.

3. Integraler Schaufelkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gewickelte Fasermaterial und die Verstärkungsfasern aus Siliciumkarbid, aus Stahl, aus Alumini umoxyd oder aus Kohlenstoff bestehen.

4. Integraler Schaufelkörper nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das gewickelte Fasermaterial in einer Matrix aus einem Epoxydharz, aus Polyätherätherketon- Kunstharz, einem Polyamid-Kunstharz, Aluminium oder Magnesium oder Titan oder einer Legierung hiervon eingebettet ist.

5. Integraler Schaufelkörper nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial, welches mit den kurzen Verstärkungsfasern vermischt ist, ein Epoxyd-Kunstharz, ein Polyätherätherketon-Kunstharz, ein Polyamid-Kunstharz, Aluminium oder Magnesium oder Titan oder eine Legierung dieser Metalle ist.

6. Integraler Schaufelkörper nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen Verstärkungsfasern, die mit dem Matrixmaterial vermischt sind, aus Kohlenstoff, Sili ciumkarbid oder Aluminiumoxid bestehen.

7. Integraler Schaufelkörper nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußeren Fortsätze der profilierten Schaufelblätter (27) durch einen Schaufelring (31) miteinander verbunden sind, der einstückig damit hergestellt ist.

8. Integraler Schaufelkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelring (31) eine durch gehende Faser in einem Matrixmaterial aufweist.

9. Integraler Schaufelkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgehende Faser aus Kohlen stoff, aus Siliciumkarbid, aus Stahl oder aus Aluminiumoxyd besteht.

10. Integraler Schaufelkörper nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial ein Epoxyd- Kunstharz, ein Polyamid-Kunstharz, ein Polyätherätherketon- Kunstharz, Aluminium oder Magnesium oder Titan oder eine Legierung dieser Metalle ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen, integralen Schaufelkörpers nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

- Einspritzen einer Mischung aus kurzen Verstärkungsfasern und einem Matrixmaterial in eine teilbare Form (10), die so ausgebildet ist, daß sie die Gestalt einer Scheibe (25) defi niert, die eine zentrale Öffnung (26) und integrale, radial verlaufende profilierte Schaufelblätter (27) am Umfang aufweist,
- die Mischung wird in die Form (10) an einer solchen Stelle eingespritzt, daß die kurzen Verstärkungsfasern in der Mischung, die in diese Abschnitte der Form (10) eintreten, die profilier ten Schaufelblätter (27) des Schaufelkörpers (24) definieren, allgemein radial während der Einspritzung ausgerichtet werden, wobei die Form (10) wenigstens einen Trägerring (18) aufweist, der so in der Form (10) angeordnet wird, daß er koaxial zu der Scheibe (25) liegt, die durch die Einspritzung hergestellt wird und außerdem benachbart zu den radial inneren Abschnitten der so geformten integralen Schaufelblätter (27) liegt, und abschließend wird die Form geöffnet, um den so erzeugten Schaufelkörper (24) freizugeben.

12. Verfahren nach Anspruch 11 mit einem der Ansprüche 7 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (10) einen gewickelten Schaufelring (31) aus durchgehenden unbenetzten Verstärkungs fasern aufweist, der koaxial innerhalb der Form (10) so angeord net ist, daß die radial äußeren Erstreckungen der Abschnitte der Form verbunden werden, die die Schaufelblätter (27) des Schaufelkörpers (24) definieren, wodurch der Schaufelring (31) aus durchgehenden Verstärkungsfasern teilweise durch die Matrix mischung aus kurzen Verstärkungsfasern und Matrixmaterial während des Einspritzvorganges imprägniert wird, und daß der verbleibende gewickelte Schaufelring (31), welcher nicht impräg niert worden ist, anschließend in einem weiteren Einspritzvor gang imprägniert wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze aus einer Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt hergestellt werden, und daß die Legierung geschmolzen wird, bevor die auf diese Weise erzeugte Schaufelscheibe (24) aus der Form (10) entfernt wird.