DE2318089A1 - Faserverstaerkter rotor - Google Patents
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Description
United Aircraft Corporation
East Hartford, Connecticut 06108 Patentanwalt
Vereinigte Staaten von Amerika Bemd Do .:"·ΤΟΓ
CG
CSGO' :ir
Faserverstärkter Rotor.
Die Erfindung betrifft einen faserverstärkten Rotor mit einem in
Urafangerichtung angeordneten faserverstärkten Verbundring.
Die Verwendung von in Umfangerichtung angeordneten Fasern zur Verstärkung
von Rotoren ist bekannt und z.B. in der U.S.Patentschrift 3.393.436 und der britischen Patentschrift 1.252.544 beschrieben.
Der Hauptvorteil dieser Fasern liegt in ihrem geringen Gewicht und der hohen Zugfestigkeit. Falls diese Fasern in Umfangsrichtung
um einen Rotor angeordnet werden ergibt ihre hohe Zugfestigkeit eine hohe Ringfestigkeit, so dass die Fasern grosse Zentrifugalbelastungen
aufnehmen können.
Bei der Verwendung dieser Fasern treten zwei Hauptprobleme auf. Ein Problem liegt in den verschiedenen thermischen- und zentrifugalausdehungsraten
zwischen den Fasern und dem Einbettungsmaterial,
während das andere Problem darin besteht dass die Fasern, in Abhängigkeit des Werkstoffes aus welchem sie hergestellt sind, durch
bestimmte Stoffe angegriffen werden, so z.B. durch die heissen Sauerstoffgase in Gasturbinentriebwerken.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen leichten
Rotor hoher Festigkeit zu schaffen, welcher einer schädlichen Umgebung wie z.B. heissen Sauerstoffgasen widersteht.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung hat der Rotor einen ringförmigen
Hohlraum und der faserverstärkte Verbundring ist in diesem Hohlraum in radialem Abstand von einer radial nach aussen
weisenden Ringfläche des Hohlraumes angeordnet, so dass er während
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dem Betrieb einen Teil der Zentrifugalbelastung des Rotors aufnimmt,
Durch die Anordnung der Fasern innerhalb dem ringförmigen Hohlraum werden diese von der Umgebung geschützt, der der Rotor
ausgesetzt ist. Nachdem der Rotor die Betriebstemperatur und die
Betriebsdrehzahl erreicht hat, nimmt der Ring einen Teil der Zentrifugalbe
lastung auf.
Es können biegsame Einstellmittel, wie z.B. Federn, am inneren Durchmesser des Ringes verteilt angeordnet werden um diesen Ring
konzentrisch inbezug zu dem Rotor einzustellen und um eine verschiedene
Ausdehung zwischen dem Ring und dem Rotor zu gewährleisten. Ausserdem kann der ringförmige Hohlraum gegebenenfalls
mit einem inerten Gas gefüllt werden, welches die Fasern zusätzlich
vor schädlichen Stoffen schützt.
Ein Ausföhrungsboispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen
beschrieben, es zeigen:
Figur 1 eine teilweise Schnittansicht eines Turbinenrotors nach
der Erfindung.
Figur 2 eine Schnittansicht des Rotors entlang der Linie 2-2 nach Figur 1 wobei die Schaufeln und die Schaufelsicherungen entfernt
sind.
Zur Beschreibung eines Rotors mit den Merkmalen dieser Erfindung ist in Figur 1 ein Turbinenrotor 10 dargestellt. Der Turbinenrotor
10 ist in dem Turbinenabschnitt (nicht dargestellt) eines Gasturbinentriebwerkes in bekannter Weise durch geeignete Mittel
(nicht dargestellt) gelagert. Die vorliegende Erfindung eignet
sich insbesondere zur Verwendung in einem Turbinenrotor infolge der in einer Turbine auftretenden sehr hohen Temperaturen und der
korrosiven Umgebung. Selbstverständlich kann aber die Erfindung
auch in einem Verdichterrotor verwendet werden oder im allgemeinen
in jedem Rotor, welcher hohen Temperaturen, einer korrosiven Umgebung und hohen Zentrifugalbelastungen ausgesetzt ist.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Rotor 10 umfasst eine drehbare Scheibe 12 und mehrere in radialer Richtung weisende in
Umfangsrichtung in Abstand voneinander angeordnete Schaufeln 14, die
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durch geeignete Mittel am Umfang 16 der Scheibe 12 befestigt sind.
Zur Befestigung der Schaufeln kann man Tannenbaumwurzeln 18 an den Schaufeln verwenden , welche in bekannter Weise in Tannenbaumnuten
20 in der.Rotorseheibe einzusetzen sind. Zum Festhalten der Schaufeln
sind üblicherweise Blattsicherungen 22 oder andere ähnliche Bauteile erfordert. Bs können auch andere Blattbefestigungsmittel
verwendet werden, die Blattbefestigungsmittel sind nicht Gegenstand
dieser Erfindung.
Die Scheibe 12 umfasst einen ringförmigen Hohlraum 24. Innerhalb
diesem ringförmigen Hohlraum 24 ist ein faserverstärkter Verbundring
26 angeordnet. Der Verbundring 26 umfasst eine oder mehrere in Umfangsrichtung angeordnete und in einem Matrixwerkstofff eingebettete
Fasern. Bei dieser Ausführungsform bestehen die Fasern aus
hergestellt Kohlenstoff und der Matrixwerkstoff ist ebenfalls aus Kohlenstoff/.
Für eine maximale Festigkeit, eine maximale Temperatur oder für eine Anpassung der thermischen Eigenschaften und der Steifheit
der Fasern an den Matrixwerkstoff können auch andere Fasern und
andere Matrixmassen verwendet werden. Als.Beispiele können hier
Saphir-Nickel, Bor-Titan und Graphit-Graphit angeführt werden, jedoch
ist die Erfindung nicht auf eine besondere Kombination dieser werkstoffe begrenzt. Durch Anordnung des Ringes 26 in dem Hohlraum
24 werden die Fasern und die Matrixmasse vor den schädlichen Stoffen geschützt, welchen -der Rotor ausgesetzt ist.
Der ringförmige Hohlraum 24 hat eine radial nach aussen weisende FlSche 32, die !sei dieser Ausfuhrungsform durch mehrere in Umfangsrichtung
verteilte Schlitze 24 unterbrochen ist. Der Zweck dieser Schlitze wird im späteren erklärt. Die ringförmige Fläche 32 kann
auch ununterbrochen sein.
Der Verbundring 26 hat eine innere Ringfläche 36 dessen Durchmesser
etwas grosser ist als der Durchmesser der Ringfläche 32. Diese verschiedene Durchmesser sind erfordert um verschiedene thermische-
und zentrifugalausdehnungsraten zwischen der Scheibe 12 und dem
Verbundring 26 zu gewährleisten. Der Verbundring 26 dehnt sich während dem Betrieb weniger aus als die Scheibe 12 und die Durchmesser
sind derart ausgewählt, dass der Ring 26 bei den Betriebs-
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drehzahlen und Temperaturen mit der Scheibe 12 zur Aufnahme
der Zentrifugalbelastung in Berührung kommt. Bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel kommt die Flache 36 unmittelbar in Berührung
mit der Fläche 32 jedoch können noch andere Bauteile zwischen den
beiden Flächen angeordnet sein.
Um während Übergangsbedingungen (d.h. bis der Ring 26 in Berührung
mit der Scheibe 12 gelangt) eine Unwucht des Rotors Io zu vermeiden sind biegsame Einstellmittel, z.B. mehrere in Umfangsrichtung
verteilt angeordnete Federn 38, zur konzentrischen Einstellung
des Ringes 26 inbezug zu der Ringfläche 32 vorgesehen. Als Federn können die bekannten Tellerfedern verwendet werden und
zur konzentrischen Einstellung des Ringes 26 sind mindestens drei gleichmässig um die innere Ringfläche 36 des Ringes 26 verteilte
Federn erforderlich.
Die biegsamen Einstellmittel müssen eine freie Ausdehnung zwischen
der Scheibe 10 und dem Ring 26 gestatten bis der Ring in Berührung mit der Scheibe 10 zur Aufnahme der Zentrifugalbelastung gelangt.
Ausserdem dürfen die biegsamen Einstdlmittel keine unzulässigen
Spannungskonzentrationen in dem Verbundring hervorrufen. Entsprechend dieser Anforderung, sind die Federn 38 in Schlitzen 34
angeordnet und diese Schlitze sind derart bemessen, dass falls die Federn durch den Verbundring 26 vollständig niedergedrückt sind,
die Enden 40, 42 der Federn 38 an den Seiten 44, 46 der Schlitze 34 anliegen. Falls zwischen diesen Flächen ein Spalt vorhanden
wäre, so würde 3 ie Verbundmasse in diesen Spalt eindringen und dadurch könnten die Fasern des Verbundringes beschädigt werden.
Desweiteren ist die Dicke, der Federn 38 die gleiche wie die Tiefe
der Schlitze 34. Dies gewährleistet, dass dalls die Federn vollständig
niedergedrückt sind, die radial nach aussen weisenden Flächen 48 dieser Federn mit der Fläche 32 des ringförmigen Hohlraumes
fluchten um somit eine im wesentlichen kontinuierliche Ringfläche
ohne scharfen Kanten zu bilden, welche den Verbundring 26 beschädigen
könnten.
Die Scheibe 12 umfasst einen rechten Ring 52 und eine linken Ring
50. Jeder dieser Rings 50 und 52 ist mit einer ringförmigen Nut 56
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bzw. 54 versehen. Die Ringe 50 und 52 sind miteinander verbunden, z.B. durch Diffusion an den Stellen 58 und 60 oder sie sind auf
mechanischem Wege aneinander befestigt. Die Nuten 54 und 56 bilden den ringförmigen Hohlraum 24.
In Abhängigkeit des ausgewählten Werkstoffes für die Fasern und
die Matrixinasse kann es erfordert sein, den Hohlraum 24 mit einem
inerten Gas zu füllen damit die Fasern und die Matrixmasse in dem Hohlraum keinen schädlichen Stoffen ausgesetzt sind, in diesem
Falle ist es wesentlich, dass der Hohlraum luftdicht abgeschlossen
ist. Desweiteren kann der Werkstoff der Fasern und der Matrixmasse ehemisch mit dem Werkstoff der Scheibe reagieren, und dadurch
werden die Fasern beschädigt was eine Verminderung der wirksamen Ringfestigkeit des Verbundringes zu Folge hat. Falls dies zu
befürchten ist, so ist es vorteilhaft den Verbundring gegen die Scheibe abzudichten. Dies lässt sich auf verschiedenen Wegen
erreichen, z.B. kann der Verbundring in ein Rohr (nicht dargestellt)
eingekapselt oder die Wände des ringförmigen Hohlraumes können mit einer geeigneten Masse beschichtet werden.
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Claims (7)
- PATENTANSPRUE CJIJS1Faserverstärkter Rotor rait einer Ro tor scheibe und einem in Umfangsrichtung angeordneten faserverstärkten verbundring dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (12) einen konzentrischen ringförmigen Hohlraum (24) aufweist, der mit einer radial nach aussen weisenden konzentrischen Ringfläche (32) versehen ist, und dass der fasverstärkte Verbundring (26) in dem Hohlraum angeordnet ist, und einen inneren Durchmesser aufweist, der etwas grosser ist als der Durchmesser der Ringfläche der Rotorscheibe während dem Stillstand.
- 2. Faserverstärkter Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (12) zwei miteinander verbundene Ringe (50,52) aufweist, welche zusammen den ringförmigen Hohlraum (24) bilden.
- 3. Faserverstärkter Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung biegsame Einstellmittel (38) an der Rotorscheibe (12) angeordnet sind um" den Ring (26) konzentrisch inbezug zu der Ringfläche (32) der Rotorscheibe einzustellen.
- 4. Faserverstärkter Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die biegsame Einstellmittel (38) mehrere in Umfangsrichtung verteilte Federn sind die zwischen dem inneren Durchmesser des Ringes (26) und der Ro tor scheibe (12) angeordnet sind«
- 5. Faserverstärkter Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Hohlraum (24) luftdicht abgedichtet und mit einem inerten Gas gefallt ist.
- 6. Faserverstärkter Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringfläche (32) der Rotorscheibe (12) durch mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Schlitze (34) unterbrochen ist, und die Federn (38) in diesen Schlitzen angeordnet sind.
- 7. Faserverstärkter Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (38) mit einer radial nach aussen weisenden Oberfläche (48) versehen sind und diese Oberfläche bei vollständig niedergedrückten Federn mit der nach aussen weisenden Oberfläche (32) der Rotorscheibe (12) fluchten um eine im wesentlichen konti-309847/0369nuierliche RlngflSche ohne Spalte und ohne scharfen Kanten zur Zusaininenwirkung mit dem Verbundring (26) während dem Betrieb zu bilden.309847/0369Leerseite
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