DE2733833C2

DE2733833C2 - Faserverstärkter Rotor

Info

Publication number: DE2733833C2
Application number: DE2733833A
Authority: DE
Inventors: Mats Dr.-Ing. Stockholm Lindgren
Original assignee: FIBER MECHANICS STOCKHOLM SE AB
Current assignee: FIBER MECHANICS STOCKHOLM SE AB
Priority date: 1976-07-29
Filing date: 1977-07-27
Publication date: 1986-08-14
Also published as: FR2360008A1; SE402060B; JPS6052864B2; DE2733833A1; US4160521A; SE7608542L; JPS5353068A; IT1082233B; FR2360008B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen faserverstärkten Rotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors.

Derartige Rotoren sind mit hoher Geschwindigkeit rotierende, faserverstärkte Körper an bspw. Zentrifugal-Separatoren, Generatoren, Gebläseräder, Schwungscheiben und dgl.

Die Anforderungen an Geschwindigkeit und durchmesser moderner Rotoren, bspw. für Zentrifugal-Separatoren bzw. -Abschneider, zwingen zu einem möglichst nahen Heranrücken an die Grenze von Stahl, was dessen Widerstandsfähigkeit gegenüber durch die Rotationsgeschwindigkeit verursachten Beanspruchungen betrifft. Da die Beanspruchung des Materials proportional zur Dichte und zum Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit ist, können die Festigkeitseigenschaften durch Erhöhen der Materialdicke nicht wesentlich verbessert werden, da dadurch auch die Umfangsgeschwindigkeit höher wird.

Ein Weg, mit den wachsenden Beanspruchungen fertig zu werden, besteht darin, ein Material zu verwenden, das eine geringere Dichte als Stahl besitzt, weil gemäß dem obigen die Beanspruchung des Materials proportional zur Dichte ist. Ein solches Material, das die Vorteile hoher Zugbeanspruchung und geringer Dichte vereinigt, ist faserverstärkter Kunststoff, sog. Faserlaminat bzw. -schichtstoff. Die Eigenschaften von Kohlefasern haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Aus praktischen Gründen kann jedoch nicht der gesamte Rotor aus Faserschichtstoff hergestellt werden. Statt dessen wird der Faserschichtstoff in Form einer Außenhülse verwendet, die vorzugsweise vorgespannt ist und um ein inneres Rotorteil, das im allgemeinen aus Stahl hergestellt ist, angeordnet ist.

Ein derartiger und entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildeter Rotor ist aus der US-PS 39 13 828 bekanntgeworden. Bei diesem Rotor wird die faserverstärkte Außenhülse auf einer gesonderten Spindel gewickelt, von dieser abgenommen und über das zu verstärkende Rotorteil geschoben. Da beim Wickeln der Außenhülse keine hohe Vorspannung der betreffenden Faser möglich ist, da diese sonst bricht, ist der Außenduichmesser der Spindel etwas geringer als der Außendurchmesser des Rotorteils. Zum Aufschieben der vorgefertigten faserverstärkten Außenhülse auf das Rotorteil wird die erstere erhitzt, so daß sich nach dem

ίο Aufbringen und Abkühlen der Außenhülse eine gewisse Flächenpressung zwischen diesen beiden Bauteilen ergibt.

Abgesehen davon, daß dies relativ aufwendig ist, kann hiermit nur eine begrenzte Flächenpressung erreicht werden. Außerdem können als Folge des unmittelbaren Kontaktes zwischen der faserverstärkten Außenhülse und dem metallischen Rotorteil während des Anpreßvorganges sich Brüche an der Innenfläche der Außenhülse bilden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen faserverstärkten Rotor, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors und eine beim Herstellen eines solchen Rotors verwendete Vorrichtung zu schaffen, bei dem bzw. bei der zusammenwirkende Flächen derart verwendet werden, daß auch eine hohe Flächenpressung erreicht werden kann, ohne daß sich Brüche an der inneren Fläche der faserverstärkten Außenhüise bilden. Diese Aufgabe wird bei einem faserverstärkten Rotor bzw. bei einem Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Rotors durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, daß in einer einfachen und reproduzierbaren Weise Vorspannungen erzielt werden können, die wesentlich höher als die bisher erreichbaren sind, ohne daß die Gefahr von Brüchen in Kauf genommen werden muß.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 in schematiseher Darstellung einen Schnitt durch eine faserverstärkte Außenhülse, die von einer Zwischenhülse getragen wird,
Fig.2 in schematiseher Darstellung einen Schnitt durch einen Rotor, der mittels einer faserverstärkten Hülse verstärkt ist, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist, und

F i g. 3 die Anwendung der Erfindung an einem Zentrifugal-Separator.

so Die kombinierte Hülse gemäß F i g. 1, die ein inneres Rotorteil vorspannen soll, enthält eine dünne Zwischenhülse 1 mit einer im wesentlichen zylindrischen Außenfläche und einer konischen Innenfläche. Die Konizität der Innenfläche entspricht der Konizität des Rotorteils, an dem die kombinierte Vorspannhülse befestigt werden soll, wobei das Material der Zwischenhülse t im wesentlichen dieselbe Dichtung bzw. spez. Gewicht wie das Material des Rotorteiles besitzt. Auf der zylindrischen Außenfläche der Hülse 1 ist ein hülsenartiges Teil 2 aus Faserlaminat bzw. -schichtstoff von im wesentlichen einheitlicher Dicke befestigt.

Das Laminatteil 2 kann an der Hülse 1 durch ein beliebiges bekanntes Verfahren befestigt sein, wie beispielsweise durch direktes Wickeln auf der Hülse, da das Teil nur auf der Hülse 1 ohne Vorspannung befestigt werden muß. Beispielsweise enthält das Faserlaminatteil Kunststoff und Kohlefasern, es kann jedoch auch aus anderen Faserlaminaten bestehen, die eine hohe

Zugfestigkeit besitzen.

In Fig.2 ist ein mit einem Faserlaminat verstärkter Rotor dargestellt, der ein inneres Rotorteil 3 aus Metall, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, besitzt, dessen Außenfläche eine gewisse Konizität, beispielsweise von 1 :20 aufweist. Am Innenteil 3 ist die kombinierte Vorspannhülse gemäß F i g. 1 befestigt, wobei die dünne Zwischenhülse 1 eine Konizität entsprechend dem Innenteil 3 besitzt Das Material der Zwischenhülse 1 ist im Bezug auf das Metallteil 3 derart ausgewählt, daß keine Probleme auftreten, wenn die kombinierte Hülse 1, 2 auf das Innenteil 3 gepreßt wird. Somit kann man sehr hohe Flächendrücke bzw. -pressungen zum Vorspannen des Rotors durch einen sehr einfachen Aufpreßvorgang erreichen, dessen Drücke die mit den o. g. bekannten Verfahren bisher erreichbaren Drücken wesentlich überschreiten. In den meisten Fällen muß die kombinierte Hülse über eine Strecke aufgepreßt werden, die einigen Millimetern entspricht und nur von der gewählten Konizität abhängig ist

Wegen der Vorspannung des inneren Rotorteils 3 besitzt folglich die darauf wirkende Flächenpressung eine negative tangentiale Komponente, d. h., der Durchmesser des inneren Rotorteils wird wegen der genannten Flächenpressung ein wenig kleiner. Gleichzeitig wird dem Außenteil des Faserschichtstoffs eine Vorspannung mit einer positiven Tangentialkomponente erteilt Die Abmessung der Teile und die tatsächliche Flächenpressung zwischen ihnen müssen so gewählt werden, daß sowohl dem Innenteil als auch dem Faserschichtstoff-Außenteil bei der Betriebsgeschwindigkeit des Roters tatsächliche Beanspruchungen annehmbarer Größe erteilt werden, d. h., die ausreichend weit unterhalb der kritischen Belastung des betreffenden Materials liegen. Der so verstärkte Rotor kann bei höherer Rotationsgeschwindigkeit betrieben werden, als ein entsprechender Rotor, der nur aus metallischem Material besteht, ohne daß die Gefahr einer Deformation oder eines Bruches erhöht würde.

Eine Zwischenhülse kann auch dann große Vorteile haben, wenn von der Möglichkeit der Vorspannung kein Gebrauch gemacht wird. Auch dann ist die Zwischenhülse aus demselben Material oder aus einem Material, das im wesentlichen dieselbe Dichte bzw. spez. Gewicht wie das Material des inneren Rotorteiles besitzt.

In F i g. 3 ist ein Rotor eines Zentrifugal-Separators dargestellt. Der Rotor besitzt ein unteres Teil 4 und ein oberes Teil 5, welche mittels eines Verschlußringes 6 zusammengehalten werden. Der Rotor wird von einer Welle 7 gehalten und angetrieben. Die Bezugsziffer 8 bezeichnet eine stationäre Einlaßleitung, durch welche das Gemisch der zu trennenden Medien der Trennkammer 9 zugeführt wird. Während des Trenn- bzw. Separationsvorganges strömt die leichte Komponente des Gemisches radial nach einwärts zwischen die Scheiben in einer Scheibenanordnung 10 und dann durch eine Ausgangsleitung 11. Die abgetrennte bzw. separate schwere Komponente des Gemisches verbleibt in der Trennkammer 9 und bildet eine allmählich anwachsende Schicht 12 im radial äußeren Teil.

Das untere Teil 4 des Rotors besitzt längs seines Umfanges eine Anzahl von öffnungen 13, die normalerweise durch ein Ventilglied 14 geschlossen sind, das innerhalb des Zentrifugenrotors axial bewegbar ist. Wenn eine bestimmte Menge der schweren Komponente im Zentrifugenrotor separiert worden ist, können die Auslaßöffnungen 13 durch Bewegen des Gliedes 14 axial nach unten abgedeckt bzw. geöffnet werden, so daß ein Teil des Rotorinhaits durch die Öffnungen 13 nach außen geschleudert wird.

Der Rotor der F i g. 3 wird durch zwei kombinierte Hülsen gemäß Fi g. 1 verstärkt, wobei jede Hülse eine dünne, innen konische Hülse 1 und eine sie umgebende faserverstärkte Außenhülse 2 enthält. Diese kombinierten Hülsen sind um leicht konische Bereiche des unteren Rotorteiles 4 koaxial angeordnet. Die Innenhülsen 1, die sehr dünn sind, werden aus einem Material hergestellt,

ίο das eine bestimmte bzw. ausgeprägte Fließ- bzw. Streckgrenze besitzt Die Außenhülsen 2 werden beispielsweise in der Form eines Laminats bzw. Schichtstoffes aus einem vernetzungsfähigen Harz, beispielsweise Epoxidharz, und Kohlefasern hergestellt Andere Fasern, beispielsweise Glasfasern, können ebenfalls verwendet werden. Des weiteren kann das Kunststoffmaterial beispielsweise durch Aluminium ersetzt werden.

Versuche wurden unter Verwendung einer Konizität von 1 :20 durchgeführt Um jedoch die Materialmenge zu reduzieren, die vom Rotor abgenommen werden muß, um die gewünschte Konizität zu erhalten, kann eine sanftere bzw. geringere Konizität von z. B. 1 :100 vorgesehen werden. Gute Resultate erhielt man bei der Verwendung von Flächenpressungen zwischen den vorspannenden Hülsenkombinationen und dem Rotor, die bei stillstehendem Rotor im Bereich von 1 kp/cm² liegen.

Die Ergebnisse zeigen, daß es bei Verwendung der beschriebenen Faserverstärkung relativ leicht ist, die maximale Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors um 20 bis 25% zu erhöhen, was einer Erhöhung des Separationseffektes im Bereich von 40 bis 50% entspricht. Daraus ergibt sich, daß viele Separationsvorgänge beschleunigt und/oder effektiver gemapht werden können und daß neue Anwendungen der Separationstechnik möglich werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Faserverstärkter Rotor, mit mindestens einer faserverstärkten Außenhülse, die koaxial um ein Rotorinnenteil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorteil (3) eine konische Außenfläche besitzt und daß die faserverstärkte Außenhülse (2) an der Außenfläche einer innen konischen Zwischenhülse (1) angeordnet ist, deren Koni' zität derjenigen des Rotorteils entspricht.

2: Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenhülse (1) aus einem Material besteht, das im wesentlichen dieselbe Dichte wie das Material des inneren Rotorteils (3) besitzt, und daß nicht nur die Dicke der faserverstärkten Außenhülse (2) sondern auch die Gesamtheit der Materialdicken von innerem Rotorteil und Zwischenhülse (1) über die Länge des Rotors konstant ist.

3. Verfahren zum Herstellen des faserverstärkten Rotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innen konische Zwischenhülse (1) und die Faserverstärkte Außenhülse (2) als separates Bauteil hergestellt werden und daß dieses Bauteil auf das innere Rotorteil (3) in axialer Richtung derart gepreßt wird, daß eine gewünschte Flächenpressung zwischen den verschiedenen Teilen erreicht wird.