DE10163951C1 - Rotorscheibe aus Metall mit örtlichen Faserverstärkungen - Google Patents

Abstract

Rotorscheibe aus Metall mit örtlichen Faserverstärkungen in MMC-Technik und mit einer zentrischen Bohrung, wobei die Faserverstärkungen symmetrisch zur axialen Rotorscheibenmitte nahe der zentrischen Bohrung angeordnet sind. DOLLAR A Die Rotorscheibe weist einen die zentrische Bohrung umgrenzenden Haltering mit zwei kreiszylindrischen, radial äußeren Sitzflächen auf, die Faserverstärkungen sind als separate MMC-Ringe ausgeführt und unter stirnseitiger Anlage an der Rotorscheibe auf den Sitzflächen des Halterings angeordnet, die MMC-Ringe kontaktieren die Sitzflächen über ballige Konturen und sind mittels eines Presssitzes reibschlüssig fixiert sowie über Axialsicherung an den Enden des Halteringes zusätzlich formschlüssig fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotorscheibe aus Metall mit örtlichen Faserverstärkungen in MMC-Technik und mit einer zentrischen Bohrung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die DE 43 24 755 C1 schützt ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Trieb­ werkskomponenten mit den Schritten a) Faserbeschichten, b) Wickeln, c) Abdecken und d) heissisostatisches Pressen ("Hippen"). Eine "endlose", mit Titanlegierung be­ schichtete Siliziumkarbidfaser wird in Schritt b) auf eine zylindrische oder ringförmi­ ge Vorform einer Triebwerkskomponente gewickelt und durch die weiteren Schritte integral/monolithisch mit der Komponentenvorform vereinigt. Nach den Fig. 2 und 3 lassen sich mit diesem Verfahren integral beschaufelte Ringe, sogenannte Blings (Bladed Rings) herstellen, indem zwei gewickelte, faserverstärkte MMC-Ringe in axial offene, spiegelbildliche Nuten im Fußbereich der Schaufeln eines Schaufel­ kranzes eingebracht werden. Über die Art der Befestigung der MMC-Ringe in den Nuten wird nichts gesagt. Festigkeitstechnisch optimal wäre eine vollflächige, stoff­ schlüssige Verbindung z. B. durch Hippen oder Löten. Im Hinblick auf die hohe me­ chanische Belastung solcher Bauteile muss die Verbindung bestmöglich reproduzier­ bar herzustellen und fehlerfrei sein. In der Praxis ist hier mit Problemen zu rechnen, wobei die Detektion und Beseitigung von Fehlstellen schwierig bis unmöglich sein dürfte. Auch in den MMC-Ringen selbst können Fehlstellen bzw. Inhomogenitäten auftreten. Werden diese erst nach Integration in das Bauteil detektiert oder treten diese erst dann auf, so ist eine Reparatur bzw. ein Austausch nur äußerst schwierig bis unmöglich.

Angesichts dieser Problematik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Rotor­ scheibe aus Metall mit örtlichen Faserverstärkungen in MMC-Technik und mit einer zentrischen Bohrung zu konzipieren, die fertigungstechnisch einfacher und besser kontrollierbar bzw. prüfbar, weniger empfindlich gegenüber Inhomogenitäten der Faserverstärkungen und reparabel ist sowie bei Versagen eines oder beider Ringe noch Notlaufeigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge­ löst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff. Die MMC-Ringe sind als eigenständige, fertigbearbeitete und relativ gut zu kontrollieren­ de bzw. zu prüfende Bauteile ausgeführt und mit Presssitz auf nabenartigen Fortsät­ zen (Haltering) der Rotorscheibe reibschlüssig fixiert. Die Krafteinleitung in die MMC- Ringe erfolgt somit radial von Innen durch Druck auf spannungsverteilende, ballige Oberflächenkonturen, wobei die übrigen Oberflächen der MMC-Ringe lastfrei sind. Die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung der MMC-Ringe oder einer Ablösung vom Bauteil wird dadurch minimiert. Die MMC-Ringe können im Bedarfsfall auch wieder abgezogen und ausgetauscht werden. Der Presssitz auf dem Haltering ist so ausgelegt, dass er im Normalbetrieb als Verdreh- und Axialsicherung ausreicht. Zur weiteren Steigerung der Sicherheit ist für beide MMC-Ringe jeweils noch eine form­ schlüssige Axialsicherung an den freien Enden des Halterings vorhanden. Der metal­ lische Rotorscheibenkörper mit dem Haltering ist mechanisch so stabil, dass er bei Versagen eines oder beider MMC-Ringe noch definierte Notlaufeigenschaften be­ sitzt.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Rotorscheibe sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1 einen axial/radialen Teilschnitt durch eine beschaufelte Rotorscheibe mit MMC-Ringen,

Fig. 2 einen in der selben Ebene liegenden Teilschnitt durch einen MMC-Ring in gegenüber Fig. 1 deutlich vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 einen in der selben Ebene liegenden Teilschnitt durch den Bereich der form­ schlüssigen Axialsicherung eines MMC-Ringes, und

Fig. 4 einen radialen Teilschnitt durch die Längsmitte eines Sicherungsstiftes der Axialsicherung.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine für den Axialverdichter einer Gasturbine vorgesehene, integral beschaufelte Rotorscheibe 1 mit örtlichen Faserverstärkungen in MMC- Technik. Von oben beginnend erkennt man einen Teil einer Schaufel 2 und deren plattformartigen Schaufelfuß 3. Die Schaufelfüße 3 aller Schaufeln 2 am Umfang der Rotorscheibe 1 bilden einen geschlossenen, integralen Ring. Der eigentliche Schei­ benkörper erstreckt sich radial nach innen, hier nach unten, bis zu einer zentrischen Bohrung 9. Diese ist umschlossen von einem Haltering 6, der sich nach Art einer Doppelnabe auf beiden Seiten des Scheibenkörpers axial von diesem Weg erstreckt und radial außen kreiszylindrische Sitzflächen 10, 11 trägt, auf denen zwei MMC- Ringe 4, 5 mit in diese integrierten, gewickelten Faserlagen 7, 8 angeordnet sind. Die MMC-Ringe 4, 5 liegen auf ihren einander zugewandten Seiten an ebenen, radialen Stirnflächen des Scheibenkörpers an und sind über Pressitze reibschlüssig auf dem Haltering 6 fixiert. Der Reibschluss übernimmt unter normalen Belastungen sowohl die Verdreh- als auch die Axialsicherung. Aus Sicherheitsgründen, u. a. für extreme Lastzustände, ist zusätzlich für jeden MMC-Ring eine formschlüssige Axialsicherung 15 am freien Ende des Halterings 6 vorhanden.

Fig. 2 zeigt vergrößert den linken MMC-Ring 4, dessen Querschnitt im wesentlichen rechteckig ist. An seiner radial inneren, hier unteren Oberfläche weist er eine ballige Kontur 12 auf, deren kleinster Durchmesser d in der axialen Ringmitte M liegt. Mit der Kontur 12 liegt der MMC-Ring unter radialer Pressung lastübertragend auf der - hier weggelassenen - Sitzfläche 10 auf. Die Balligkeit bewirkt eine günstige Vertei­ lung der Druckspannungen im Kontaktbereich der Bauteile 4 und 6 und vermeidet Kerbwirkungen. Die axial mittige Lage der balligen Kontur verhindert ein Stülpen des jeweiligen MMC-Ringes. Das Bezugszeichen 14 weist auf eine Beschichtung im Be­ reich der balligen Kontur 12 hin, welche ein- oder mehrlagig ausgeführt sein kann. Die Beschichtung 14 sollte reibverschleißfest sein, insbesondere gegenüber Fretting, und kann zusätzlich die Reibung im Presssitz der Bauteile 4 und 6 erhöhen. Auf der rechten Seite des MMC-Ringes 4 ist für die Anlage an der Stirnseite des Rotorschei­ benkörpers ebenfalls eine ballige, beschichtete Kontur 13 vorgesehen. Da hier keine relevanten Lasten übertragen werden - im Grunde nur die axiale Restkraft nach dem Aufpressen/Aufschrumpfen des MMC-Ringes - ist die Konturierung bzw. Beschich­ tung an dieser Stelle nicht unbedingt erforderlich.

Fig. 3 zeigt den Bereich der zusätzlichen, formschlüssigen Axialsicherung 15 am Beispiel des MMC-Ringes 4. Letzterer weist eine Haltenase 16 mit in Axialrichtung offener Nut 19 auf. Der Haltering 6 besitzt zwei in Umfangsrichtung beabstandete Haltenasen 18 mit radial nach innen offenen Nuten 17, wobei die Haltenase 16 des MMC-Ringes 4 zwischen den beiden Haltenasen 18 zu liegen kommt. Ein Siche­ rungsstift 21 bewirkt in Verbindung mit den Nuten 17 und 19 die gewünschte, form­ schlüssige Axialsicherung. Diese braucht nur einseitig zu wirken, da der MMC-Ring auf der Gegenseite am Rotorscheibenkörper anliegt.

Fig. 4 zeigt ebenfalls den Bereich einer Axialsicherung 15 in einem Radialschnitt längs der Mittelachse des Sicherungsstiftes 21. Letzterer weist ein bereits vor Mon­ tage abgewinkeltes Ende auf, welches in der Darstellung rechts liegt. Sein zweites Ende, hier mit Biegeende 22 bezeichnet, wird erst nach seiner Montage verformt, so dass der Sicherungsstift 21 selbst formschlüssig in der von den Nuten 17, 19 gebil­ deten Führung 20 sowie an den Seitenflächen der Haltenasen 18 fixiert ist. Der Si­ cherungsstift 21 und seine Führung 20 sind gemäß Darstellung gerade gefertigt. Es wäre auch möglich, diese Elemente auf einem zur Rotorscheibenachse konzentri­ schen Kreisbogen, d. h. gekrümmt, anzuordnen. Es versteht sich, dass aus Gründen der Last- und Gewichtsverteilung jeweils mehrere solcher Axialsicherungen 15 gleichmäßig über den Umfang des Halteringes 6 - und damit des MMC Ringes - verteilt sind. Bei einer kreisbogenförmigen Anordnung kann ein ringförmig gekrümm­ ter Sicherungsstift durch mehrere oder alle Axialsicherungen laufen. Dies ist für den Fachmann leicht verständlich und deshalb nicht gesondert dargestellt.

Claims (6)

1. Rotorscheibe aus Metall mit örtlichen Faserverstärkungen in MMC-Technik (Me­ tal Matrix Composites-Technik) und mit einer zentrischen Bohrung, insbesondere ausgeführt als integral beschaufelte Rotorscheibe für Axialverdichter von Gastur­ binen, wobei die Faserverstärkungen an zwei von der axialen Rotorscheibenmitte zumindest etwa gleich beabstandeten Positionen nahe der zentrischen Bohrung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die Rotorscheibe (1) einen die zentrische Bohrung (9) umgrenzenden Halte­ ring (6) aufweist, welcher nabenartig von beiden Stirnseiten der Rotorscheibe (1) vorsteht und kreiszylindrische, radial äußere Sitzflächen (10, 11) aufweist,
dass die Faserverstärkungen als separate Bauteile in Form von MMC-Ringen (4, 5) ausgeführt und unter stirnseitiger Anlage an der Rotorscheibe (1) auf den Sitzflä­ chen (10, 11) des Halterings (6) angeordnet sind, und
dass die MMC-Ringe (4, 5) die Sitzflächen (10, 11) des Halterings (6) über ballige Konturen (12) kontaktieren und mittels eines radialen Presssitzes in Umfangs- und Axialrichtung reibschlüssig fixiert sowie über Axialsicherungen (15) an den freien Enden des Halteringes (6) zusätzlich formschlüssig fixiert sind.

2. Rotorscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüs­ sigen Axialsicherungen (15) Haltenasen (16) mit axial offenen Nuten (19) an den MMC-Ringen (4, 5), Haltenasen (18) mit radial offenen Nuten (17) am Haltering (6) sowie Sicherungsstifte (21) mit Biegeenden (22) umfassen und zusätzlich formschlüssige Verdrehsicherungen für die MMC-Ringe (4, 5) bilden.

3. Rotorscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die MMC-Ringe (4, 5) über zusätzliche ballige Konturen (13) an radialen, ebenen Flä­ chen der Stirnseiten der Rotorscheibe (1) anliegen.

4. Rotorscheibe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die MMC-Ringe (4, 5) einen zumindest annähernd rechtecki­ gen Querschnitt aufweisen, und dass der kleinste Durchmesser (d) der die Sitzflächen (10, 11) des Halterings (6) kontaktierenden, balligen Konturen (12) je­ weils etwa in der axialen Ringmitte (M) der MMC-Ringe (4, 5) liegt.

5. Rotorscheibe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zumindest die die Sitzflächen (10, 11) des Halterings (6) kon­ taktierenden, balligen Konturen (12) an den MMC-Ringen (4, 5) eine verschleiß­ feste, speziell gegenüber "Fretting" widerstandsfähige, sowie ggf. reibungserhö­ hende, ein- oder mehrlagige Beschichtung (14) aufweisen.

6. Rotorscheibe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der metallische Körper der Rotorscheibe (1) aus einer Legie­ rung auf Titanbasis (Ti-Basis) besteht, und dass die MMC-Ringe (4, 5) eine Matrix aus einer Legierung auf Titanbasis sowie Verstärkungsfasern aus Siliziumkarbid (SiC) aufweisen.