ELASTISCHES FEDERELEMENT

Beschreibung:

Elastisches Federelement

Die Erfindung betrifft ein elastisches Federelement.

Spezielle Einsatzgebiete erfordern bei hohen Temperaturen über 1000 °C elastisch verformbare Federelemente, zB zum Andrücken von beweglichen heißen Gleitdichtungen. Elastische heiße Abdichtungen werden zum Beispiel benötigt zur Vermeidung einer Durchströmung von Steuerruderspalten und Heißgelenken während eines Hyperschall-Atmosphärenflugs oder während eines Eintritts in die Plane- tenatmosphäre. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 1 illustriert.

Die Temperatur von 1000 °C dient deshalb als Markierung, da ab dieser Temperatur auch hochschmelzende metallische Werkstoffe zu kriechen beginnen und ihr elastisches Verhalten einbüßen. Bei hohen Temperaturen verschlechtert sich deren elastisches Verhalten zunehmend, weil ihre Zugfestigkeit dramatisch sinkt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein hochtemperaturbeständiges (>1000 °C ) elastisches Federelement zu schaffen. Das erfindungsgemäße hochtemperaturbeständige elastische Federelement nach Anspruch 1 aus faserkeramischem Material löst dieses Problem in ausgezeichneter Weise. Mit dem erfindungsgemäßen endlosfaserverstärkten Federelement lassen sich bewegliche Hochtemperatur-Abdichtungen für Temperaturen über 1000 °C gut realisieren. Im Gegensatz zu allen metallischen Werkstoffen vermindert sich die Zugfestigkeit eines faserkeramischen Materials mit zunehmender Temperatur nicht, sondern steigt sogar leicht an. Die Steifigkeit des Federelements bleibt somit auch bei hohen Temperaturen bis mindestens 1600 °C erhalten und es kommt zu keiner Einbuße der Federfunktion.

Das faserkeramische Material kann zB durch Laminiertechnik unter Einsatz von mit Matrix-Precursor infiltrierten Endlosfaser-Prepregs oder Geweben hergestellt werden. Der durch Vernetzung des Matrix-Precursors entstandene formstabile Grünkörper kann durch einen anschließenden Pyrolyseprozeß in den faserverstärkten Keramik- körper überführt werden. Die Herstellung des faserkeramischen Materials kann ebenso durch den Flüssigsilizierprozeß von C/C-Werkstoffen oder den Civil-Vapour- Infiltration-Prozeß oder eine Kombination dieser Prozesse erfolgen. Das erfindungsgemäße faserkeramische Federelement zeichnet sich dadurch aus, daß seine Formgebung unabhängig vom Gefügeaufbau oder Schichtaufbau des faserkeramischen Materials erfolgen kann.

Die Faserkeramik für das erfindungsgemäße Federelement kann zB aus folgenden Materialien bestehen: Verstärkungsfasern: Endlosfasern aus Kohlenstoff oder Endloskeramikfasern aus oxidischen oder nitridischen oder boridischen oder karbidischen oder siliziden Keramikmaterialien oder daraus gebildeten Mischkeramiken.

Keramikmatrix: Kohlenstoff oder oxidische oder nitridische oder boridische oder karbidische oder silizide Keramikmaterialien oder daraus gebildete Mischkeramiken.

Das erfindungsgemäße elastische Element kann zB eine eben-plattenförmige, gewellte, gekrümmt/gebogene oder spiralförmige geometrische Form aufweisen.

Das erfindungsgemäße Bauteil kann freiaufliegend mit beweglichen Enden angeordnet sein, zB eine Wellfeder, die in eine Nut eingelegt wird. Ebenso ist es aber auch möglich, es an einem oder mehreren Seiten oder Enden fest einzuspannen, zB ein eben-plattenförmiges Federelement, daß an zwei gegenüberliegenden Rändern eingespannt ist.

Die Erfindung wird anhand beispielhafter Ausführungen unter Bezugnahme auf Fig.

näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Skizze zum Einsatz einer beweglichen Heißabdichtung gegen Hyperschall-

durchStrömung, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert;

Fig. 2 Gittermodell eines erfindungsgemäßen elastischen Federelements;

Fig. 3 die Federkennlinie eines erfindungsgemäßen elastischen Federelements aus

einer C/SiC-Faserkeramik bei RT

Fig. 4 eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen elastischen Federelements

in verschiedenen Ansichten; Fig. 5 die Abdichtung einer Steuerklappe, in der das erfindungsgemäße Federelement verwendet wird, Fig. 6 Querschnittsdarstellungen der Anordnung nach Fig. 5.

In einer mechanischen Analyse wurden Kennwerte und die Dimensionen eines erfindungsgemäßen Musterbauteils bestimmt. Diese Feder hat die Form eines Kosinus, siehe Fig. 2, und kann analytisch beschrieben werden durch: xxz = f • cos (2π-) = 2,5 mm • cos (2π )

I 75mm

mit x als Längenkoordinate im Bereich -75 m < x < 75 mm und z als Höhenkoordina-

te.

Deren Entwurfsparameter sind: Länge I = 150 mm, Breite b = 10 mm und Laminatdicke s = 1 mm. Die Wellenlänge der Feder wurde zur Erreichung eines möglichst

hohen Federweges mit λ = I/2 = 75 mm eher groß gewählt. Die Amplitude wurde mit

f = 2,5 mm gewählt, das heißt die komplette Federhöhe h ("Berg zu Tal") beträgt 5 mm (zur Veranschaulichung der Parameter l,b,h,s siehe auch Fig. 4).

Am Beispiel der Testfeder ist das Federlaminat aufgebaut durch 7 symmetrische [(0 790 °) _n ] _s - Lagen aus kohlenstofffaserverstärktem Siliziumkarbid (C/SiC) mit einer Gesamtdicke von s = 1 mm. Die Indizes in der obigen Bezeichnung des Lagenaufbau bedeuten: n = Anzahl der Lagen, s = symmetrischer Aufbau der Lagen. Aus den folgenden unidirektionalen elastischen Eigenschaften der verwendeten C/SiC- Faserkeramik Elastizitätsmodul E, = 130000 Mpa, Elastizitätsmodul E ₂ = 10000 Mpa, Querkontraktionszahl v ₁₂ = 0,3,

Schubmodul G ₁₂ = 6800 Mpa,

wurde der effektive Elastizitätsmodul mit E = 70360 Mpa berechnet.

Für die Durchbiegung (den Federweg) w ergibt die elementare Biegemechanik

(Biegebalken) ein genügend genaues Ergebnis verglichen mit den Ergebnissen einer nicht-linearen Finite-Element-Berechnung:

Dabei ist p ist der Anpreßdruck auf das Federelement.

Nach den oben angegebenen Entwurfsparametern wurden eine Anzahl von Wellfe- derelementen gefertigt und bei RT und bei Temperaturen bis 1400 °C über 1000 Zyklen getestet. Bis zu einer ausgelegten maximalen Durchbiegung von 2,5 mm verläuft die Federkennlinie linear, das heißt bis zu diesem Federweg verhält die Feder sich - wie berechnet - völlig elastisch (Fig. 3). Ein Vergleich der Federkennlinien zu Beginn der Messungen und jener am Ende zeigen den gleicher Verlauf. Daraus kann geschlossen werden, daß im Material keine Kriechvorgänge unter der thermomechanischen Belastung stattgefunden haben. Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen elastischen Federelements in Seitenansicht (oben) und in Draufsicht. Beispielhafte Werte für die Parameter l,b,h,s sind:

I = 95 mm b = 5mm, 8 mm 10 mm h = 3 mm, 5 mm s = 1 mm.

Anwendungsbeispiel Das Problem der Abdichtung von Steuerflächen, Ruder und Klappen bei schnellfliegenden Fluggeräten und Kapseln gegen die auftreffende Hyperschallströmung ist bisher nur bis Temperaturen von max. 500 °C zufriedenstellend gelöst worden. Beispiel hierfür ist das Space Shuttle. Probleme aber gab es immer wieder infolge der hohen thermischen Belastung der Dicht- und Anpreßmaterialien während der ersten Shuttle-Flüge und bei BURAN. Beim HERMES, der noch höhere thermome- chanische Anforderungen zu erfüllen hatte, ist das Abdichtproblem nicht überzeugend gelöst worden.

Für künftige wiederverwendbare Fluggeräte, Träger (Future Launcher) und Kapseln sind die thermomechanischen Anforderungen an eine bewegliches Abdichtsystem noch höher (Fig. 1). Deshalb hat die Lösung der beweglichen Abdichtung von Ruderspalten und Heißgelenken gegen die Hyperschallanströmung mit Hilfe von hochtemperaturbeständigen elastischen Federelementen eine herausragende Bedeutung. Fig. 5 zeigt als Anwendungsbeispiel einen Entwurf einer Abdichtung einer Steuerklappe SK, die am Heck eines Wiedereintrittsflugkörpers schwenkbar gelagert ist und diese gegen die auftreffende Hyperschallanströmung abdichtet. Die Steuerklappe SK ist gegen den Heckbereich des Flugkörpers mit Hilfe von Dichtleisten DL aus beschichtetem C/SiC-Keramikmaterial abgedichtet, die in Nuten des Hecks eingefügt sind. Wie in Fig. 6 anhand von Schnittzeichnungen dargestellt ist, wirkt eine erfindungsgemäße Federleiste F (Wellfeder) aus Kohlenstoffaserkeramik als Federelement und drückt die Dichtleiste gegen die bewegliche Dichtfläche DL mit Zylinder- mantelgeometrie an der Rückseite der Steuerklappe SK (Fig. 6).

Neben der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Verwendung kann das erfindungsgemäße Federelement überall dort eingesetzt werden, wo hochtemperaturbeständige Federn oder Andruckelemente erforderlich sind (Verfahrenstechnik, Anlagenbau, Hochtemperaturbrennstoffzellenstacks, Triebwerksbau, Motorenbau).