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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenrad aus
einem Verbundwerkstoff, das für die Verwendung bei großer
Geschwindigkeit vorgesehen ist, insbesondere für ein
Flugtriebwerk. Zur Verwendung bei großer Geschwindigkeit
versteht man hier eine lineare Umfangsgeschwindigkeit von mehr
als 500 m/s.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, insbesondere in der FR-A-2 476
766, ein Turbinenrad aus einem einzigen Stück aus einem
Verbundwerkstoff herzustellen, das einen zentralen Teil oder
eine Felge aufweist, der an seinem Umfang mit Schaufeln versehen
ist. Der Verbundwerkstoff besteht aus einer Faserverstärkung,
die durch eine Matrix verdichtet ist, wobei die Orientierung der
Verstärkungsfasern in Abhängigkeit von den Belastungen bestimmt
ist, die auf das Rad bei seiner Verwendung einwirken.
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Es wurde auch bereits vorgeschlagen, in der EP-A-O 176 386, eine
Faserverstärkung zu verwenden, die aus zwei spiralförmigen,
gewebten und einander überlappenden Strukturen besteht, wobei
der Außendurchmesser der einen Struktur kleiner als der der
anderen Struktur ist, um einen dickeren Teil in Höhe der Nabe zu
bilden. Jede spiralförmige Struktur hat Fasern in
Umfangsrichtung und radiale Fasern. Die Dichte der Fasern in
Umfangsrichtung kann längs eines Radius des Rades veränderbar
sein, z.B. größer auf der Seite des kleinen Durchmessers.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Turbinenrad dieses Typs zu schaffen, das deutlich verbesserte
Eigenschaften im mechanischen Bereich ebenso wie im
Verhaltensbereich bei hohen Temperaturen und chemischen
Einwirkungen hat.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Faserverstärkung
durch ein spriralförmiges Gewebe mit radial und in
Umfangsrichtung orientierten Fasern gebildet ist, bei dem gemäß
der Erfindung:
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-sich das Verhältnis (r/c) zwischen dem Anteil (r) von radial
orientierten Fasern und dem Anteil (c) von in Umfangsrichtung
orientierten Fasern längs eines Radius des Rades von einem Wert
< 1 in Höhe des Innendurchmessers der Felge bis zu einem Wert
> 1 in Höhe des Außendurchmessers der Felge im Bereich der
Befestigung der Schaufeln ändert und dann bis zum Ende der
Schaufeln derart abnimmt, daß die Verteilung der Anteile von
radial und in Umfangsrichtung orientierten Fasern längs eines
Radius des Rades eine Funktion der Verteilung der radialen bzw.
der in Umfangsrichtung orientierten Belastungen ist, die auf das
Rad während seines Gebrauchs einwirken, und
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daß wenigstens ein Teil der in Umfangsrichtung orientierten
Fasern in der Felge aus einem gegen die mechanischen Belastungen
widerstandsfähigen Werkstoff besteht, während wenigstens ein
Teil der Fasern in Umfangsrichtung in den Schaufeln und der
Fasern in radialer Richtung aus einem gegen hohe Temperaturen
und chemische Einwirkungen widerstandsfähigen Werkstoff besteht,
so daß die Verteilung der Anteile der Fasern in radialer
Richtung und in Umfangsrichtung längs eines Radius des Rades
eine Funktion der Verteilung der Belastungen in radialer
Richtung bzw. in Umfangsrichtung ist, die auf das Rad während
seines Gebrauchs einwirken, und wenigstens ein Teil der Fasern
in Umfangsrichtung in der Felge aus einem gegen mechanische
Belastungen widerstandsfähigem Werkstoff wie Kohlenstoff
besteht, während wenigstens ein Teil der Fasern in
Umfangsrichtung in den Schaufeln und Fasern in radialer Richtung
aus einem gegen hohe Temperaturen und chemische Einwirkungen
widerstandsfähigem Werkstoff wie Siliciumcarbid bestehen.
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Die Kombination eines Anteils an Fasern, der sich gleichzeitig
in radialer Richtung wie auch in Umfangsrichtung in Abhängigkeit
von den Belastungen ändert, denen das Rad ausgesetzt ist, und
einer Wahl der Werkstoffe, die besondere Eigenschaften für die
Fasern in verschiedenen Teilen des Rades haben, ermöglicht es,
ein Turbinenrad zu erhalten, das in der Lage ist, hohe
Belastungen auszuhalten und dabei eine hohe Lebensdauer in
agressiver chemischer und thermischer Umgebung aufweisen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in
denen:
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- Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines
Turbinenrads ist,
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- Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teilstücks
eines spiralförmigen Gewebes ist, das verwendet wird, um die
Faserverstärkung des Grund-Verbundwerkstoffes eines Turbinenrads
gemäß der Erfindung zu bilden,
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- Fig. 3 die Änderung der in Umfangsrichtung und radial
verlaufenden Belastungen in Abhängigkeit vom Radius eines Rades
darstellt,
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- Fig. 4 eine Kurve ist, die in typischer Weise die Beziehung
zwischen der Belastung und der Verformung eines
Verbundwerkstoffes darstellt, der aus hitzebeständigen Fasern
und einer keramischen Matrix gebildet ist, und
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- Fig. 5 die Änderung des Anteils der Fasern im spiralförmigen
Gewebe in Umfangsrichtung und in radialer Richtung unter
Berücksichtigung der Belastungen erläutert, deren Änderung Fig.
3 zeigt.
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Gemäß der Erfindung besteht das Rad aus einem Stück aus einem
Verbundwerkstoff, dessen Faserverstärkung mittels eines
spiralförmigen Gewebes hergestellt ist, wie es Fig. 2 zeigt.
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Die spriralförmigen Gewebe sind ebenso wie ihre Herstellung
bekannt. Bei dem gezeigten Beispiel ist das Gewebe 20 aus
Kettfasern 22, die in Umfangsrichtung orientiert sind, und aus
Schußfasern 24, die in radialer Richtung orientiert sind,
gebildet. Die Dichte der Kettfasern von einem Rand zum anderen
des Gewebes kann durch Entfernen oder Annährern der Kettfasern
von- bzw. zueinander verringert oder erhöht werden. Die Dichte
der Schußfasern von einem Rand zum anderen des Gewebes, d.h.
längs eines Radius, kann ebenfalls geändert werden, indem man
die Schußfasern auf der gesamten Breite oder einem Teil der
Breite der Kette, nicht notwendigerweise von einem Rand davon
aus, einbringt.
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Einen vorformling des Rades erhält man, indem man die einen
Spiralen des spiralförmigen Gewebes nach Anzahl und Anteil gegen
die anderen Spiralen drückt, die bzw. der entsprechend der
gewünschten Dicke des Vorformlings erreicht werden soll, wie die
Pfeile der Fig. 2 zeigen. Der Außendurchmesser des Vorformlings
wird größer gewählt als der des herzustellenden Rades gewählt
wird, einschließlich der Schaufeln, um die Verringerung der
Abmessung infolge der Endbearbeitung zu berücksichtigen.
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Gemäß der Erfindung ist der Anteil der in Umfangsrichtung
orientierten Fasern und der radial orientierten Fasern in
Abhängigkeit vom Radius veränderbar, um an die Belastungen
angepasst zu werden, denen das Rad bei seiner Verwendung
ausgesetzt ist.
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Fig. 3 zeigt die Veränderungen der Umfangs- und die
Radialbelastungen in einem Turbinenrad, das aus einem isotropen,
elastischen, linearen Material besteht, wie das in Fig. 1
gezeigte, das einen Innendurchmesser von 33 mm, einen
Außendurchmesser von 220 mm (einschließlich der Schaufeln) und
einen Felgenaußendurchmesser von 155 mm hat.
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Wie die Kurve C der Fig. 3 zeigt, haben die Umfangsbelastungen
der Fig. 3 eine Größe, die in Abhängigkeit vom Radius ausgehend
vom Innenradius der Felge abnimmt, und zwar mit einer Abnahme,
die in dem die Nabe bildenden Teil stärker ist.
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Dagegen zeigt die Kurve R der Fig. 3, daß die Radialbelastungen
vom Innenradius der Felge aus in dem die Nabe bildenden Teil
zunehmen, um dann bis zum Außenradius der Felge abzunehmen. Eine
plötzliche und starke Zunahme der Radialbelastungen wird am Fuße
der Schaufeln beobachtet, wonach die Radialbelastungen
gleichmäßig bis zum Außendurchmesser des Rades abnehmen.
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Die Verwendung eines Verbundwerkstoffes, der aus einer
hitzebeständigen Keramikfaser (wie Kohlenstoff, Siliciumcarbid,
Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid o. dgl.) und einer
keramischen oder hitzebeständigen Matrix wie Siliciumcarbid
besteht, ermöglicht es, die im Teil berechneten
Maximalbelastungen erheblich zu verringern.
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Tatsächlich läßt, wie Fig. 4 zeigt, die Zugfestigkeitskurve über
einer elastischen Phase (Zone A) eine "plastische" Phase
erkennen, die man allgemein der Mikro-Rißbildung der Matrix
zurechnet. Ein keramisches Verbundwerkstoff dieser Art eignet
sich daher für eine lokale Überbelastung ohne einen Sprödbruch
oder eine spätere Ausbreitung des Bruchs auf das gesamte Teil.
Diese Werkstoffe ermöglichen es, die Umnfangsbelastungen in Höhe
der Bohrung um etwa 20 bis 25 % zu verringern.
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Die Anpassung des Anteils der Fasern an die Größen der
Belastungen in Umfangsrichtung und in radilaler Richtung im
Vorformling wird dadurch erreicht, daß man die relativen
Verhältnisse der Schußfasern (Umfangsfasern) und der Kettfasern
(Radialfasern) zwischen dem Innenrand und dem Außenrand des
sprialförmigen Gewebes sich ändern läßt. Anders ausgedrückt ist
der Anteil der Kettfasern größer als der der Schußfasern in den
Zonen, in denen die Umfangsbelastungen größer sind als die
Radialbelastungen und umgekehrt.
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In Fig. 5, die einen Sektor des spiralförmigen Gewebes zeigt,
ist die Änderung des Verhältnisses r/c längs eines Radius
angegeben, wobei r der relative Anteil der radialen Fasern und c
der relative Anteil der Umfangsfasern ist. In einer ersten Zone
ensprechend der Nabe der Felge ist das Verhältnis r/c im Mittel
gleich 30/70, wobei sich die Belastungen in dieser Höhe im
wesentlichen in Umfangsrichtung auswirken. In einer zweiten Zone
entsprechend dem Rest der Felge mit Ausnahme ihres
Umfangstteils, wo die Schaufeln befestigt sind, ist das
Verhältnis im Mittel gleich 50/50. In einer dritten Zone
entsprechend dem Befestigungsteil der Schaufeln in der Felge
(Fuß der Schaufeln), ist das Verhältnis r/c im Mittel gleich
70/30, wobei sich die Belastungen im wesetnlichen in radialer
Richtung auswirken. Schließlich ändert sich in einer vierten
Zone entsprechend den Schaufeln außerhalb der Felge das
Verhältnis r/c von einem Wert 70/30 auf einen Wert 33/66, was
selbstverständlich durch die radialen Fasern erreicht wird, die
sich längs der Schaufeln ohne Zwischenumkehr (folglich mit einer
fortschreitenden Abnahme des Anteils an radialen Fasern) und mit
den Fasern in Umfangsrichtung regelmäßig beabstandet (folglich
mit einem im wesentlichen konstanten Anteil der Fasern in
Umfangsrichtung) erstrecken. Selbstverständlich gibt es keine
abrupte Diskontinuität des Verhältnisses r/c bei einem Übergang
von einer Zone zur nächsten, wobei die Änderung dieses
Verhältnisses fortschreitend erfolgt.
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Die absoluten Größen des Anteils der Fasern tr in radialer
Richtung und des Anteils der Fasern tc in Umfnagsrichtung
werden derart gewählt, daß dem Endprodukt eine mechanische
Festigkeit verliehen wird, um die ausgeübten Belastungen
auszuhalten. Man wählt z.B. in Höhe des Innendurchmessers einen
Anteil der Fasern in Umfangsrichtung ausreichend, um das
Verhalten des Rades bei den Kräften in Umfangsrichtung in dieser
Höhe sicherzustellen. Im restlichen Rad werden die Größen des
Anteils tc und tr gewählt, um die vorbestimmte Änderung des
Verhältnisses r/c zu berücksichtigen. Es muß beachtet werden,
daß der Anteil der radialen Fasern oder der in Umfangsrichtung
in den besonders ausgesetzten Zonen ausreichend gewählt wird.
Somit muß ein minimaler Anteil radialer Fasern am Fuß der
Schauflen berücksichtigt werden, um die Befestigung der
Schaufeln sicherzustellen. Wegen des Anteils der Fasern in einer
Zone versteht man hier darunter den Prozentsatz der Oberfläche
der Zone, die von den Fasern eingenommen wird.
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Entsprechend einem anderen Merkmal der Erfindung werden die
Fasern derart gewählt, daß sich an die Bedingungen der
Verwendung des Rades angepaßte Eigenschaften ergeben.
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Bei der Verwendung des Rades, insbesondere bei einem
Turboluftstrahltriebwerk, wird dieses vor allem in seinem
Umfangsteil hohen Temperaturen und chemischen Einwirkungen
ausgesetzt. Folglich werden die radialen Fasern, die sich bis
zum äußeren Radius erstrecken, und die Fasern in Umfangsrichtung
im den Schaufeln entsprechenden Teil wenigstens teilweise aus
einem Werkstoff gewählt, der zunächst geeignet ist, hohe
Temperaturen und chemische Einwirkungen auzushalten, z.B. aus
Siliciumcarbid, trotz niedrigerer mechanischer Eigenschaften als
die von Kohlenstoffasern. Dagegen werden in der Felge, wo die
Belastungen in Umfangsrichtung hoch sind, wo jedoch die
thermischen und die chemischen Einwirkungen weniger stark sind,
die Fasern in Umfangsrichtung wenigstens teilweise aus einem
Material gewählt, das zunächst geeignet ist, gegen hohe
mechanische Belastungen zu sichern, z. B. Kohlenstoff, trotz
einer weniger guten Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und
chemische Einwirkungen als Siliciumcarbid. So sind beim Weben
des spiralförmigen Gewebes die Kettfasern z.B. aus Kohlenstoff
im entsprechenden Teil der Felge, und aus Siliciumcarbid im den
Schaufeln entsprechenden Teil, während die Schußfäden aus
Siliciumcarbid sind.
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Während der Vorformling des Rades durch Pressen der Spiralen des
spiralförmigen Gewebes hergestellt wurde, wie oben angegeben
wurde, wird dieser Vorformling durch Imprägnieren mit einem
unbeständigen Harz in Form gehalten, um bearbeitet werden zu
können und ein Rohprodukt zu erhalten. Dieses wird dann in ein
Werkzeug eingesetzt, um durch das Grundmaterial der Matrix des
Verbundmaterials verdichtet zu werden. Die Verdichtung wird
vorzugsweise durch Tränken des Matrixmaterials, z.B.
Siliciumckararbid, in der Dampfphase durchgeführt. Der
Trängvorgang des Siliciumcarbids in der Dampfphase ist bekannt;
er ist insbesondere in der FR-A-2 401 888 beschrieben. Die
Beseitigung des unbeständigen Harzes erfolgt beim Anstieg der
Temperatur, der dem Tränken vorausgeht, wobei der Vorformling
vom Werkzeug gehalten wird. Während die Verdichtung beendet
wird, wird das Rad auf seine Endabmessungen bearbeitet.