DE2558689A1 - Radanordnungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Rahmenstrukturen in Leichtbauweise und insbesondere Radanordnungen zur Verwendung in denselben.

Es gibt zahlreiche Strukturen, bei denen eine beträchtliche Gewichtsverminderung eintreten würde, wenn sie aus fortgeschrittenen zusammengesetzten oder Verbundmaterialien mit hoher Festigkeit hergestellt würden. Die Schwierigkeit lag in der Entwicklung einer Verbundstruktur, die im zusammengebauten Zustand die gleiche Integrität besitzt wie die schwereren und unförmigeren bekannten Strukturen, die sie ersetzen soll.- Dies

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gilt besonders auf dem Gebiet von Radanordnungen, insbesondere von mit Speichen versehenen Rädern, bei denen die auf die Speichen ausgeübten Belastungen (Spannung oder Druck) ohne eine starke Belastungskonzentration gleichförmig auf den Radkranz verteilt werden müsspn.

Statisch«? mit Speichen aucgestattrtn P.äder sind beisp:: .->lsv/eis" in praktisch fast all<*u Gasturbinen-Triebwerken in Form von Rahmen vorhanden. Bekanntlich wird die durch ein Gasturbinen-Triebwerk geleitete Luft durch einen kreisringförmigen Strömungsweg transportiert, bei dem ein Teil der inneren und äusseren Wände analog den inneren und äusseren Radkränzen eines Rades ist. Dabei halten Streben die inneren und äusseren Strömungswege in ihrer richtigen gegenseitigen Lage nahezu in der gleichen Weise wie die Speichen eines Rades, wobei diese Streben eine durch aerodynamische Gesichtspunkte bestimmte räumliche Gestalt besitzen. Zusätzliche Kanalteile werden von dem zuvor beschriebenen Triebwerkrahmen gehalten, um den Ringkanal zu vervollständigen. Diese mit Streben ausgestattete Struktur ist gewöhnlich auch als "Gebläserahmen" bekannt, wenn durch diesen die von dem Gebläse eines Gasturbinen-Triebwerkes verdichtete Luft geleitet werden soll. Gegenwärtig werden die meisten Triebwerksrahmen aus verschwelestem Metallblech oder Metallgussteilen hergestellt, Da das Gewicht einen kritischen Gesichtspunkt bei der Entwicklung von Gasturbinen-Triebwerken für Luftfahrzeuge darstellt, ist eine Verbundrahmenstruktur besonders attraktiv, wenn die Gewichtsverringerung ohne Verlust an struktureller Integrität erreicht werden kann.

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten Verbundrades in Leichtgewichtbauweise mit einem gewünschten Verhalten bezüglich der Lastaufnahme.

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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Rahraenstruktur, die ein radähnliches Teil in Verbundbauweise und Leichtbauweise zur Verwendung in einem solchen System enthält, wie beispielsweise in einem Gast u rb in en-Tr i ebw erk.

Diese und weitere Aufgaben und Vorteile werden noch besser verständlich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung, den Abbildungen und bestimmten Beispielen; diese stellen typische Ausführungsformen dar und sollen in keiner Weise den Umfang der vorliegenden Frfindung beschränken.

Zusammengefasst werden die vorstehenden Aufgaben dadurch gelöst, dass Lagen von aufeinander angepassten Verbundprofilteilen einschliesslich von aus einem Faden gewickelten Speichenschleifen oder -ringen zusammengefügt werden. Einige der aufeinander angepassten Profilteile bilden die inneren und äusseren Radränder des Hades oder Radkränze, welche die als Schleifen ausgebildeten Speichen festlegen zur Bildung von Paaren von Speichen zwischen diesen Radrandabschnitten. Wenn diese Profilteile und Speichenschleifen in einer Ebene mit einem vorgegebenen Orientierungswinkel zusammengefügt werden, bilden sie eine Schicht (ply) der Radstruktur. Fine zweite identisch zur ersten Schicht hergestellte Schicht wird auf die erste Schicht unter einem vorgegebenen Orientierungswinkel aufgelegt. Eine Vielzahl von ähnlichen Schichten wird mit wechselnden Orientierungswinkeln so lange aufeinandergestapelt, bis die gewünschte Raddicke erreicht ist. Zwischengefügte dünne Schichten aus orientierten Faserlamellen können zwischen den obengenannten Schichten hinzugefügt werden, um die Festigkeit des Rades zu steigern.

Eine Vielzahl solcher Räder wird dann axial zueinander beabstandet gestapelt, und es wird eine Umkleidung zugefügt, um

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eine erforderliche räumliche Gestalt der Strebe zu erhalten. Die Umkleidung erfasst die Speichen und hält sie in ihrer richtigen Orientierung mit Hilfe von Speichenkanälen, welche an der Innenseite der Umkleidung ausgebildet und zur Aufnahme der Speichen (jeQtaltrt sind. Die gesamte Struktur wird dann fpst miteinander verbunden, um den ctarrpn Rahmen su bilden.

Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die als Beispiel in Verbindung mit den Abbildungen gegeben werden.

Figur 1 zeigt schematisch eine Schicht eines gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauten Rades.

Figur 2 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines Teils des Rades nach Figur 1.

Figur 3 zeigt schematisch eine Lamelle aus Radschichten, die gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.

Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Teils einer Zwischenschicht zur Verwendung in der Radlamelle nach Figur 3,

Figur 5 ist ähnlich der Figur 4 und zeigt eine zweite Ausführungsform eines Teils einer Zwischenschicht.

Figur 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 der Figur 3.

Figur 7 ist eine Schnittansicht ähnlich Figur 6 entlang der Linie 7-7 der Figur 3.

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Figur 8 ist eine Schnittansicht ähnlich den Figuren 6 und 7 entlang der Linie 8-8 der Figur 3.

Figur 9 ist eine perspektivische Ansicht der Rahmenstruktur, welche die aus Schichten aufgebauten Räder nach FUx. enthält.

In den Abbildungen sind gleiche Flemente durchweg mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Figur 1 zeigt allgemein bei 10 eine Radschicht als Ausführungsform der vorliegenden Frf indium in schematischer Darstellung. In einer Ausführungsform kann diese Radschicht aus einer Vielzahl von Sektoren 12 bestehen, welche am Umfang zusammengefügt die vollständige Radschicht T) ergeben. Wie am besten aus Figur 2 ersichtlich, besteht jeder Sektor 12 aus fünf zusammenpassenden Profilteilen, die vorzugsweise aus fortgeschrittenem Verbundmaterial bestehen und alle miteinander verbunden sind.

Die aufeinander angepassten Profilteile der Sektoren 12 enthalten ein äusseres Radkranzsegment ¹4, ein inneres Radkranzsegment 16 und eine aus einem Faden gewickelte Speichenschleife 18, welche zur Aufnahme in Vertiefungen 20 und 22 der Radkranzsegmente 14 bzw. 16 eingerichtet ist. Der Sektor wird vervollstäidigt durch äussere und innere Finsatzteile 24 und 26, welche in die Speichenschleife 18 eingesetzt werden, um hierdurch konzentrische äussere bzw. innere Radkranzteile 28 bzw. 30 zu bilden (Figur 1), wenn eine Vielzahl von Sektoren zusammengefügt werden. Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich, sind die bogenförmigen gegenüberliegenden Seiten 32, 34 der Speichenschleife 18 innerhalb der äusseren und inneren Radkranzsegmente 14, 16 festgehalten, während die verbleibenden Seiten Paare von radialen Radspeichen 36 bilden. Man wird erkennen, dass die Radschicht 10 aus der für praktisch gefundenen Zahl von Sektoren hergestellt werden kann, "'/eiterhin müssen die Radkranzsegmente 14 und 16, welche teilweise die äusseren und

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inneren Radkranzstücke 28 und 30 bilden, nicht notwendigerweise am Umfang in Segmente unterteilt Rein, wie dies in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, sondern können eine kontinuierliche Struktur bilden, die eine Vielzahl von Vertiefungen 20 und 22 zur Aufnahme von Speichenschleifen 18 besitzt.

Wenn die aufeinander angepassten Profilteile der Sektoren 12 zusammengefügt und fest miteinander verbunden werden in einer flachen Ebene und unter einem Orientierungswinkel von A Grad, dann bilden sie eine Radschicht 10. Fine zweite Radschicht 10' wird praktisch in identischer Weise wie die erste Radschicht 10 hergestellt und unter einem Orientierungswinkel von B Grad (Figur 1 gestrichelt gezeichnet und Figur 3) auf die erste Schicht aufgelegt. Dritte, vierte und weitere Schichten (iO'^f, 10' " usw.) von diesen Teilen werden mit wechselnden Orientierungswinkeln von Λ Grad und B Grad aufeinandergestapelt, bis die gewünschte Raddicke erreicht ist. Auf diese V/eise wird ein aus Schichten aufgebautes Rad 40 gemäss Figur 3 hergestellt.

Die radialen Mittellinien 42 der umfangsmässig benachbarten Speichenschleifen 18 können untereinander unter einem vorgegebenen Winkel θ versetzt sein, wobei am Umfang benachbarte Speichen gegeneinander unter einem Winkel von Q/2 unteiänander versetzt sind, wodurch man einen gleichmässigen Speichenabstand um das Rad herum erhält. Daher sollte der Unterschied des Orientierungswinkels zwischen benachbarten Radschichten 10 und 10* gleich Θ/2 in einer Form der Erfindung sein, um eine axiale Ausrichtung der radialen Speichen 36 beizubehalten. Fs ist jedoch zu beachten, dass auch andere Orientierungswinkel gewählt werden können, um bestimmte Anforderungen an das Rad zu erfüllen, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen (beispielsweise eine Staffelung der Radspeichen).

Zwischengefügte dünne Schichten 44 aus orientierten Faserlamellen können zwischen den vorgenannten Radschichten 10 zugefügt werden, um die Festigkeit und Integrität des erhaltenen Rades

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gemäss der Abbildung in Figur 3 zu erhöhen. Die zwischengefügten Schichten können verschiedene Formen annehmen, von denen zwei Ausführungsformen in den Figuren 4 und 5 gezeigt sind. In Figur 4 ist die Zwischenschicht ein integrales Stück, welches die Form oder allgemeine Umrissgestalt der Radschicht 10 besitzt. Die Speichen 37 sind integral mit den inneren und äusseren Radkränzen 29 bzw. 31 ausgebildet. Wie gestrichelt dargestellt, kann die Zwischenschicht 44 integrale Sektoren umfassen, wobei jeder Sektor Speichen besitzt, die aus einem Stück mit ausseren und inneren Radkranzsegmenten bestehen (d.h. sie sind entlang Spaltlinien 33 in Segmente aufgeteilt). In Figur 5 besteht eine geringfügig abgewandelte Zwischenschicht 44^f aus ausseien und inneren F.nilkrar es reiner ⁴^n ⁰^¹ und 3¹ ', dip dazwischen verlaufende Rprinhpntpilp 37' besitzen. Alle Schichten und Segmente oder Teile derselben werden fest miteinander verbunden, beispielsweise durch an sich bekannte Kunstharz-Klebeverfahren, um ein vollständiges Rad 40 zu bilden. Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen den Aufbau der verschiedenen Bauteile anhand entsprechender Schnitte durch die Anordnung nach Figur 3.

Ein einzigartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Aufbau der Verbindungsstelle zwischen den Speichen 36 und ihren Integralen äusseren und inneren Radkranzstücken 28 und 30. Wie am besten aus Figur 3 ersichtlich, wechselt die Orientierung der Radschichten 10 zwischen A Grad und B Grad, und daher wechselt der Verlauf der Fasern der Speichen 36 nach links und rechts in den jeweiligen Radkranzteilen (innere und äussere). Daher werden die Belastungen, welche auf die Speichen ausgeübt werden, gleichmässig auf die Radkränze verteilt ohne starke Lastkonzentration. Zusätzlich zu den Belastungen, welche von den Speichen einer Radschicht 10 unmittelbar auf die inneren

und äusseren Radkranzabschnitte der Radschicht 10 übertragen werden, werden auch Scherkräfte auf die Radkranzabschnitte benachbarter Radschichten 10' durch Übertragung durch die Zwischenschichten 44 verteilt. Die Spannungsbpiastungen in den Speichen 36 werden durch Einsatzstücke 24 und 26 aufgefangen,

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und Bruchbelastungen wurden durch dir Tadkranzsegmente ¹^. und 16 aufgefangen.

Fs wird v/piterhin prkannt, dass dpr Tand der gesamten aus Schichten aufgebaut pn Radstruktur 40 gemäss der Abbildung in Figur 3 von einem aus g enwickelten Fäden bestehenden kontinuierlichen Gürtel 38 umgeben spin kann, wodurch die Gesamtfestigkeit des Radkranzes verbessert wird. Fin solcher kontinuierlicher Gürtel 38 kann unmittelbar über ein Matrixmaterial befestigt werden, auf dem er aufgewickelt ist, oder die Fäden können zwischen den Zwischenschichten 44 festgehalten sein, welche als axial am weitesten vorn und am weitesten rückwärts liegende Schichten des Rades 40 vorgesehen sind, wobei dann deren radiale Höhe geringfügig grosser ist als bei den übrigen Schichten (d.h. sie ragen nach aussen, um eine Annäherung an dip Höhe des kontinuierlichen Gürtels 38 zu prhalten).

In einer Ausführungsform der vorliegenden Frfindung, die vorwiegend aus nicht-metallischen Materialien besteht, pnthalten die einzelnen Strukturelemente in einer Richtung ausgerichtete Graphitfäden in einem Fpoxyd-Kunstharz, wobei die Speichenschleifen kontinuierliche Graphitfäden in dem gleichen Kunstharz enthalten. Selbstverständlich beinhaltet die vorliegende Frfindung die Verwendung jeglicher Art von Fasern, die in irgendeinem beliebigen Bindemittel zur Herstellung der Struktur eingebettet sind, beispielsweise einem organischen Kunstharz. Weiterhin kann die Struktur irgendein metallisches System beinhalten, einschliesslich Bor/Aluminium.

Wenn die Räder gemäss der vorstehenden Frfindung einmal angefertigt sind, können Kombinationen dieser Räder zur Bildung anderer radähnlicher Strukturen verwendet werden (rotierende oder nicht-rotierende Strukturen). Beispielsweise zeigt die Figur 9 einen Gebläserahmen für ein Turbogebläse-Gasturbinentriebwerk, der teilweise aus solchen geschichteten Rädern 40

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aufgebaut ist. Insbesondere werden eine Vielzahl von geschichteten Rädern 40 nach der Herstellung in einer gewünschten vorgegebenen axialen Lage zueinander gehalten. Dies wird erreicht durch Verwendung von Umkleidungseinrichtungen wie Paaren von Umkleidung·en 4" und 4P, welche Kanaleinrichtunpjpn besi.tzpn, dip beispielsweise aus an einer Seite derselben ausgebildeter radialen Streifen ρπ bestehen. Die Streifen wirken zusammen zur Bildung von Kanälen 52 zwischen den Streifen, welche zur Aufnahme von Speichen 36 der Räder 40 und zur Festlegung derselben in der richtigen räumlichen Lage eingerichtet sind. Die andere Seite der Verkleidungen 46 und 48 kann eine aerodynamische Form besitzen, um den Strömungswiderstand des fliessfähigen Mittels an denselben zu verringern. Durch den Finbau von Paaren von Verkleidungen 46 und 48 über einer Vielzahl von Speichen 36 gemäss der Abbildung in Figur 9 werden Streben gebildet. Weitere äussere und innere Spgmente 54 und 56 für den Strömungsweg können zwischen benachbarten Streben 52 vorgesehen sein, um eine stromlinienförmige Gestalt über den äusseren bzw. inneren Radkranzstrukturen 28 bzw. 30 zu erhalten. Die ges-amte Struktur wird in bekannter Weise fest miteinander verbunden, um eine starre integrale Struktur mit leichtem Gewicht zu erhalten.

Fs ist für den Fachmann ersichtlich, dass bestimmte Veränderungen an dem vorstehend beschriebenen Rad und Rahmen vorgenommen werden können, ohne den weitergehenden Umfang der Konzeption der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die Rahmenstreben als Tragflügelprofile gestaltet werden, und der gesamte

Rahmen kann so ausgelegt werden, dass er drehbar ist (wie in einem Gebläse oder Schwungrad) oder stationär ist. Weiterhin kann durch entsprechende Ausrichtung der Räder innerhalb der Rahmenstreben eine Flügelwölbung und Staffelung erreicht werden. Nicht-radiale Speichen können ebenfalls verwendet werden, um eine Flügelwölbung und Staffelung der Streben und eine Verwindung zu erreichen. Weiterhin können, wie zuvor erläutert, die

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pinzelnpn Rädpr mit odpr ohnp Zwischpnschichtpn aus orientierten Faserlamellen hergestellt werden und, wenn Zwischenschichten verwendet werden, können diese verschiedene Formen annphmen. Weiterhin können die gezeigten Bauelemente zur Gewichtsverringerung oder aus anderen Gründen abgewandelt werden in Abhängigkeit von der erforderlichen Festigkeit. Beispielsweise könnten die Elemente 14, 16, 24 und 26 nach Figur 2 durch durchgehende Löcher durchbrochen sein, um die Struktur leichter zu machen. Weiterhin ist die Konzeption der Erfindung auf jede Art von Material anwendbar, sowohl auf Metalle als auch auf Verbundmaterialien.

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Claims (1)

_ 11 _ Anspruch e " 1. Rad, bestehend aus einem Laminat einer Vielzahl von Rad- schichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Fadschichten enthalten: einen inneren Radkranz (16) (30), einen radial versetzten koaxialen äusseren Radkranz (14) (28), und eine Vielzahl von umkreismässig beabstandeten kontinuierlichen Speichenschleifen (i 8), wobei ,iede der Schleifen teilweise in dem inneren und dem äusseren Radkranz eingebettet ist und .jede Speichenschleife ein Paar von Speichen (36) bildet, welche dazwischen verlaufen. 2. Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass es weiterhin Zwischenschichten (44) enthält, welche zwischen den Fadschichten angeordnet sind, wobei die Zwischenschichten mit Speichen versehene Schichten mit im wesentlichen der gleichen Raumgestalt wie die Radschichten umfassen. 3. Rad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschichten (44) Schichten aus gerichtet orientierten Pasern und verstärkten Lamellen umfassen. 4. Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Radkranz und der äussere Radkranz in Segmente unterteilt sind. 5. Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifen (18) kontinuierliche Fäden enthalten. 609 8 2 8/0885 6. Rad nach Anspruch ?., dadurch gekennzeichnet, dass die Radschichten und die Zwischenschichten (44) fest miteinander verbunden sind. 7. Rad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass die radialen Mittellinien der umfangsmässig benachbarten Schleifen (18) untereinander unter einem Winkel von θ versetzt sind, wobei umfangsmässig benachbarte Speichen (36) um einen Winkel von Θ/2 untereinander versetzt sind, wobei noch jede Radschicht bezüglich der nächstliegenden axial versetzten Radschicht um einen Winkel 0/2 gedreht ist. 8. Rad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass die axial am weitesten vorn liegende und die axial am weitesten rückwärts liegende Platte aus Zwischenschichten besteht. 9. Rad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass ,jede der Radschichten Finsatzteile (24, 26) enthält, welche Teile des inneren Radkranzes und djes äusseren Radkranzes umfasst, wobei die Pinsatzteile zur Aufnahme der Spannungskräfte der Speichen (36) eingerichtet sind.

1.0. Rad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass es eine Zwischenschicht zwischen zwei benachbarten Radschichten enthält zur Verteilung von Scherbelastungen in den Speichen einer der Radschichten auf die andere Radschicht durch Übertragung durch die Zwischensch icht.

H. Rad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , dass es kontinuierliche Fäden (38) enthält, welche um den äusseren Rand desselben zur Schaffung einer zusätzlichen Festigkeit des Radkranzes angeordnet sind.

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12. Mit Speichen ausgestatteter Rahmen, dadurch gekennzeichnet , dass er umfasst: eine Vielzahl von axial versetzten Rädern, die eine gemeinsame Mittelachse besitzen, wobei mindestens eines der Räder ein Laminat aus einer Vielzahl von Padschichten und Zwischenschichten enthält, die axial abwechselnd aufeinanderfolgen und fest miteinander verbunden sind, wobei ,jede der Radschichten einen inneren Radkranz (30), einen radial versetzten äusseren radkranz (*?8) und eine Vielzahl von umfangsmässig beabstandeten kontinuierlichen Speichenschleifen (18, 36) enthält, wobei jede der Schleifen teilweise im Innern des inneren Radkranzteils und des äusseren Radkranzteils festgehalten ist und Paare von dazwischen sich erstreckenden Speichen bildet, wobei die Zwischenschichten (44) jeweils eine einheitliche, mit Speichen versehene Schicht mit praktisch der gleichen Raumgestalt wie die Radschichten bilden,

Verkleidungseinrichtungen (48), welche praktisch die Speichen umhüllen, und Halteeinrichtungen (50) zum Halten der Räder in einer vorgegebenen axialen Lage zueinander.

13. Mit Speichen versehener Rahmen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung von Streben Sätze von axial beabstandeten Speichen in der Verkleidungseinrichtung eingeschlossen sind.

14. Mit Speichen versehener Rahmen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidungseinrichtung zusammenwirkende räumlich gestaltete Verkleidungsplatten umfasst.

15. Mit Speichen versehener Rahmen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben eine aerodynamische Raumgestalt besitzen.

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16. Mit Speichen versehener Rahmen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungseinrichtungen axial beabstandete Kanäle enthalten, die an einer Seite der Verkleidungseinrichtung gebildet sind, wobei jeder der Kanäle zur Aufnahme einer der Speichen gestaltet ist.

17. Mit Speichen versehener Rahmen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidungseinrichtungen fest mit den Speichen verbunden sind.

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