DE102004001666A1

DE102004001666A1 - Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln

Info

Publication number: DE102004001666A1
Application number: DE102004001666A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Knott; Wolfgang Krüger
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-01-12
Filing date: 2004-01-12
Publication date: 2005-08-04
Also published as: US20080216316A1; WO2005065858A1; EP1708833A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln, insbesondere für Gasturbinen wie Flugtriebwerke. DOLLAR A Mindestens drei Elemente (20, 21, 22) werden sandwichartig übereinander angeordnet, durch Diffusionsschweißen zumindest abschnittsweise miteinander verbunden und im Anschluss durch Aufblähen superplastisch umgeformt, sodass ein erstes Element (20) eine erste Außenwand der herzustellenden Hohlschaufel, ein zweites Element (22) eine zweite Außenwand der herzustellenden Hohlschaufel und ein drittes Element (21) ein zwischen den beiden Außenwänden verlaufendes Mittelelement der herzustellenden Hohlschaufel bildet. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird in das erste Element (20) und in das zweite Element (22), welche die beiden Außenwände der herzustellenden Hohlschaufel bilden, vor dem Anordnen derselben zu einer Sandwichstruktur mit dem dritten Element (21) jeweils mindestens eine kerbminimierende Struktur eingebracht (Fig. 4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln, insbesondere für Gasturbinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle.
Zur Reduzierung des Gewichts von Gasturbinenbauteilen ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, Schaufeln von Gasturbinen als Hohlschaufeln auszubilden. Die Schaufeln von Gasturbinen tragen nämlich maßgeblich zum Gewicht einer Gasturbine bei. Je stärker das Gewicht der Gasturbine reduziert werden kann, desto günstiger fällt das sogenannte Schub-Gewichtsverhältnis des Flugtriebwerks aus, welches ein entscheidendes Wettbewerbsmerkmal für Flugtriebwerke darstellt.

Ein aus dem Stand der Technik geläufiges Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln ist das sogenannte SPF DB-Verfahren, wobei SPF eine Abkürzung für Super Plastic Forming und DB eine Abkürzung für Diffusion Bonding ist. Beim SPF DB-Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln wird so vorgegangen, dass mindestens drei Elemente sandwichartig übereinander angeordnet, durch Diffusionsschweißen zumindest abschnittsweise miteinander verbunden und im Anschluss durch Aufblähen bzw. Aufblasen superplastisch umgeformt werden. Dabei bildet ein erstes Element eine erste Außenwand der herzustellenden Hohlschaufel, ein zweites Element bildet eine zweite Außenwand der herzustellenden Hohlschaufel und ein drittes Elemente, welches vor dem Diffusionsschweißen in Sandwichstruktur zwischen dem ersten und dem zweiten Element angeordnet wird, bildet ein zwischen den beiden Außenwänden verlaufendes Mittelelement der herzustellenden Hohl schaufel. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten SPF DB-Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln können sich innerhalb der Hohlschaufel innere Kerben ausbilden, die sich festigkeitsmindernd auswirken. Dies ist von Nachteil.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln vorzuschlagen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß wird in das erste Element und in das zweite Element, welche die beiden Außenwände der herzustellenden Hohlschaufel bilden, vor dem Anordnen derselben zu einer Sandwichstruktur mit dem dritten Element jeweils mindestens eine kerbminimierende Struktur eingebracht. Mit dem hier vorliegenden, erfindungsgemäßen Verfahren wird ein SPF DB-Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln vorgeschlagen, wobei die Hohlschaufel keine festigkeitsmindernde, innere Kerben aufweist.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die oder jede kerbminimierende Struktur in eine Innenseite des ersten Elements und des zweiten Elements derart eingebracht, dass die Elemente in einem mittleren Abschnitt über eine geringere Materialdicke verfügen als in seitlichen Abschnitten. Die Elemente weisen zwischen dem mittleren Abschnitt und den seitlichen Abschnitten ein kontinuierliches bzw. stetiges Übergangsprofil auf.

Vorzugsweise wird der zum Diffusionsschweißen benötigte Druck derart bereitgestellt, dass beim Diffusionsschweißen das erste Element und das zweite Element im Bereich des oder jeden kontinuierlichen bzw. stetigen Übergangsprofils derart beaufschlagt werden, dass sich nach dem Diffusionsschweißen im Bereich des oder jeden Übergangsprofils eine Nut ausbildet.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung zur Verdeutlichung eines Verfahrens nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Hohlschaufeln;
2 eine weitere schematisierte Darstellung zur Verdeutlichung des Verfahrens nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Hohlschaufeln;
3 eine weitere schematisierte Darstellung zur Verdeutlichung des Verfahrens nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Hohlschaufeln;
4 eine schematisierte Darstellung zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Hohlschaufeln;
5 eine weitere schematisierte Darstellung zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Hohlschaufeln; und
6 eine weitere schematisierte Darstellung zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Hohlschaufeln.
Bevor nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 bis 6 das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln im Detail beschrieben wird, soll vorab zur Verdeutlichung der Unterschiede zwischen dem Stand der Technik und der hier vorliegenden Erfindung das aus dem Stand der Technik bekannte SPF DB-Verfahren zum Herstellen von Hohlschaufeln beschrieben werden.
Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten SPF (Super Plastic Forming) DB (Diffusion Bonding)-Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln wird so vorgegangen, dass drei plattenförmige bzw. blechförmige Elemente 10, 11 und 12 sandwichartig übereinander angeordnet werden, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten, plattenförmigen Elementen 10 und 11 sowie 11 und 12 Rahmenelemente bzw. Rahmenleisten 13 positioniert werden. Diese Sandwichstruktur zeigt 1, wobei in den Bereichen, in welchen zwischen jeweils zwei benachbarten Elementen 10 und 11 sowie 11 und 12 keine Rahmenleisten 13 positioniert sind, Hohlräume 14 ausgebildet sind.
Nach dem Stand der Technik werden die so in Sandwichstruktur übereinander angeordneten Elemente 10, 11, 12 und 13 durch Diffusionsschweißen zumindest abschnittsweise miteinander verbunden. Hierzu wird die Sandwichstruktur der 1 in einer entsprechen den Vorrichtung 15 positioniert und ein zum Diffusionsschweißen erforderlicher Druck wird an die Sandwichstruktur angelegt. Die Elemente 10, 11, 12 und 13 werden unter Einwirkung des Drucks, der durch Pfeile 16 visualisiert ist, zumindest abschnittweise miteinander diffusionsverschweißt. Dies zeigt 2.
So dann wird gemäß 3 nach dem Stand der Technik das diffusionsverschweißte Paket aus den Elementen 10 bis 13 durch Aufblähen bzw. Aufblasen superplastisch umgeformt. Hierzu wird in das diffusionsverschweißte Paket aus den Elementen 10, 11, 12 und 13 im Sinne der Pfeile 17 Gas eingeleitet. Beim superplastischen Umformen werden die Elemente 10 und 12 in eine Form gebracht, die dem gewünschten Schaufelprofil der Hohlschaufel entspricht. Dieses Schaufelprofil ist zur Bereitstellung einer Saugseite sowie Druckseite der Schaufel gewölbt. In 3 verlaufen aus Gründen einer einfacheren Darstellung die beiden Elemente 10 und 12, welche die Außenwände der herzustellenden Hohlschaufel bilden, nach dem Aufblähen bzw. superplastischen Umformen parallel zueinander.
Wie 3 entnommen werden kann, nimmt das zwischen den beiden als Außenwänden dienenden Elementen 10 und 12 verlaufende Element 11 eine mäanderförmige Struktur im Bereich zwischen den Rahmenleisten 13 an. Wie 3 entnommen werden kann, ist das zwischen den als Außenwänden dienenden Elementen 10 und 12 verlaufende Element 11 abschnittweise mit einem der beiden als Außenwände dienenden Elemente 10 und 12 verbunden. In den Abschnitten, in welchen das Mittelelement 11 nicht mit einem der beiden Elemente 10 und 12 verbunden ist, verläuft das Element 11 nach dem superplastischen Umformen zickzackartig bzw. mäanderartig zwischen den die beiden Außenwänden bildenden Elementen 10 und 12. Um das teilweise bzw. abschnittsweise Verbinden des Mittelelements 11 mit den beiden Elementen 10 und 12 im Sinne der 3 zu gewährleisten, ist das Mittelelement 11 abschnittsweise mit einer Antidiffusionsschicht beschichtet, wobei im Bereich der Antidiffusionsschicht keine Verbindung des Mittelelements 11 mit den Elementen 10 bzw. 12 erfolgt.
Wie 3 entnommen werden kann, bilden sich beim Stand der Technik in einem Übergangsbereich zwischen den Elementen 10 und 12 und den Rahmenleisten 13 Kerben 19 aus, welche die Festigkeit der hergestellten Hohlschaufel beeinträchtigen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 bis 6 das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln beschrieben. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden drei Elemente 20, 21 und 22 wiederum sandwichartig übereinander angeordnet, durch Diffusionsschweißen zumindest abschnittsweise miteinander verbunden und im Anschluss an das Diffusionsschweißen superplastisch umgeformt. Ein erstes Element 20 bildet eine erste Außenwand der herzustellenden Hohlschaufel, ein zweites Element 22 bildet eine zweite Außenwand der herzustellenden Hohlschaufel und ein drittes Element 21 bildet ein Mittelelement, welches zwischen den beiden Außenwänden der herzustellenden Hohlschaufel verläuft.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden in das erste Element 20 sowie in das zweite Element 22, welche die beiden Außenwände der herzustellenden Hohlschaufel bilden, vor dem Anordnen derselben zu einer Sandwichstruktur mit dem dritten Element 21 kerbminimierende Strukturen eingebracht. Die kerbminimierenden Strukturen werden dabei jeweils in eine Innenseite 23 bzw. 24 der beiden Elemente 20 bzw. 22 eingebracht. 4 zeigt, dass nach dem Anordnen der Elemente 20, 21 und 22 zur Sandwichstruktur die Innenseiten 23 und 24 dem mittleren Element 21 zugewandt sind.
Bei den kerbminimierenden Strukturen handelt es sich um Ausnehmungen 25 und 26. Die Ausnehmungen 25 und 26 erstrecken sich flächig auf der jeweiligen Innenseite 23 bzw. 24 der Elemente 20 bzw. 22. Die Ausnehmungen 25 und 26 werden derart in die Innenseiten 23 und 24 der Elemente 20 und 22 eingebracht, dass die Elemente 20 und 22 in einem mittleren Abschnitt 27 bzw. 28 über eine geringere Materialdicke bzw. Querschnittsfläche verfügen als in seitlichen Abschnitten 29 bzw. 30. In einem Übergangsbereich zwischen dem mittleren Abschnitt 27 bzw. 28 und den seitlichen Abschnitten 29 bzw. 30 weisen die Ausnehmungen 25 bzw. 26 ein kontinuierliches bzw. stetiges Übergangsprofil 31 auf. Die Übergangsprofile 31 sind im Querschnitt kreisbogenförmig bzw. ellipsenbogenförmig ausgebildet. Die Ausnehmungen 25 bzw. 26 werden insbesondere durch Fräsen in die Innenseiten 23 und 24 der Elemente 20 und 22 eingearbeitet.
Gemäß 4 werden derart ausgestaltete Elemente 20 bis 22 zu einer Sandwichstruktur übereinander angeordnet, wobei, wie bereits erwähnt, die Innenseiten 23 bzw. 24 mit den Ausnehmungen 25 bzw. 26 dem Mittelelement 21 gegenüberliegen.
Eine derart ausgestaltete Sandwichstruktur wird dann durch Diffusionsschweißen zumindest abschnittsweise bzw. bereichsweise miteinander diffusionsverschweißt. Hierzu wird im Sinne der Pfeile 32 wieder ein entsprechender Druck an die Sandwichstruktur angelegt. Der zum Diffusionsschweißen benötigte Druck wird derart bereitgestellt, dass sich nach dem Diffusionsschweißen im Bereich der Übergangsprofile 31 eine Nut 33 ausbildet. Um ein Einfallen der Nuten 33 während des Diffusionsschweißens zu verhindern, wird der zum Diffusionsschweißen benötigte Druck vorzugsweise durch eine mechanische Presse bereitgestellt, die den im Bereich der Übergangsprofile 31 eingebrachten Druck begrenzt. 5 zeigt die sich nach dem Diffusionsschweißen ausbildende Struktur sowie die Nuten 33, die sich nach Diffusionsschweißen im Bereich der Übergangsprofile 31 ausbilden.
Die auf die obige Art und Weise diffusionsverschweißte Anordnung aus den Elementen 20 bis 22 wird dann anschließend durch Aufblähen bzw. Aufblasen wiederum superplastisch umgeformt. Hierzu wirkt im Sinne der Pfeile 34 wiederum Druck auf die Innenseiten 23 und 24 der Elemente 20 und 22, was dadurch erreicht wird, dass in die diffusionsverschweißte Struktur Gas eingeleitet wird. Nach dem superplastischen Umformen liegt eine kerbfreie Struktur der Hohlschaufel insbesondere im Bereich der Übergangsprofile 31 vor (siehe 6).
Das erfindungsgemäße Verfahren im Sinne der 4 bis 6 unterscheidet sich von dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren im Sinne der 1 bis 3 demnach dadurch, dass speziell ausgebildete Elemente 20 und 22, die später die Außenwände der herzustellenden Hohlschaufel bilden, bereitgestellt werden. Auf diese Weise können einerseits festigkeitsmindernde Kerben innerhalb der Hohlschaufel vermieden werden, andererseits kann auf separat ausgebildete Rahmenleisten verzichtet werden. Die Funktion der nach dem Stand der Technik erforderlichen Rahmenleisten übernehmen beim erfindungsgemäßen Verfahren die seitlichen Abschnitte 29 bzw. 30 der Elemente 20 bzw. 22. Hierdurch kann das Herstellverfahren gegenüber dem Stand der Technik deutlich vereinfacht werden.

10: Element
11: Element
12: Element
13: Rahmenleiste
14: Hohlraum
15: Vorrichtung
16: Pfeil
17: Pfeil
18: Abschnitt
19: Kerbe
20: Element
21: Element
22: Element
23: Innenseite
24: Innenseite
25: Ausnehmung
26: Ausnehmung
27: Abschnitt
28: Abschnitt
29: Abschnitt
30: Abschnitt
31: Übergangsprofil
32: Pfeil
33: Nut
34: Pfeil

Claims

Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln, insbesondere für Gasturbinen wie Flugtriebwerke, wobei mindestens drei Elemente (20, 21, 22) sandwichartig übereinander angeordnet, durch Diffusionsschweißen zumindest abschnittsweise miteinander verbunden und im Anschluss durch Aufblähen superplastisch umgeformt werden, sodass ein erstes Element (20) eine erste Außenwand der herzustellenden Hohlschaufel, ein zweites Element (22) eine zweite Außenwand der herzustellenden Hohlschaufel und ein drittes Element (21) ein zwischen den beiden Außenwänden verlaufendes Mittelelement der herzustellenden Hohlschaufel bildet, dadurch gekennzeichnet, dass in das erste Element (20) und in das zweite Element (22), welche die beiden Außenwände der herzustellenden Hohlschaufel bilden, vor dem Anordnen derselben zu einer Sandwichstruktur mit dem dritten Element (21) jeweils mindestens eine kerbminimierende Struktur eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede kerbminimierende Struktur in eine Innenseite (23, 24) des ersten Elements (20) und des zweiten Elements (22) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (20) und das zweite Element (22) derart zusammen mit dem dritten Element (21) zu einer Sandwichstruktur angeordnet werden, dass die Innenseiten (23, 24) von erstem Element (20) und zweitem Element (22) mit den kerbminimierenden Strukturen dem dritten Element (21) zugewandt sind.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als kerbminimierende Struktur in die Innenseiten (23, 24) des ersten Elements (20) und des zweiten Elements (22) jeweils eine Ausnehmung (25, 26) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine flächige Ausnehmung (25, 26) in die Innenseite (23, 24) des ersten Elements (20) und des zweiten Elements (22) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (25, 26) derart in die Innenseite (23, 24) des ersten Elements (20) und des zweiten Elements (22) eingebracht werden, dass die Elemente (20, 22) in einem mittleren Abschnitt (27, 28) über eine geringere Materialdicke verfügen als in seitlichen Abschnitten (29, 30).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (25, 26) derart in die Innenseite (23, 24) des ersten Elements (20) und des zweiten Elements (22) eingebracht werden, dass die Elemente (20, 22) zwischen dem mittleren Abschnitt (27, 28) und den seitlichen Abschnitten (29, 30) ein kontinuierliches bzw. stetiges Übergangsprofil (31) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das kontinuierliche bzw. stetige Übergangsprofil (31) im Querschnitt kreisbogenförmig oder ellipsenbogenförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (25, 26) durch Fräsen in die Innenseiten (27, 28) von erstem Element (20) und zweitem Element (22) eingebracht werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Diffusionsschweißen benötigte Druck derart bereitgestellt wird, dass beim Diffusionsschweißen das erste Element (20) und das zweite Element (22) im Bereich des oder jeden kontinuierlichen bzw. stetigen Übergangsprofils (31) derart beaufschlagt werden, dass sich nach dem Diffusionsschweißen im Bereich des oder jeden Übergangsprofils (31) eine Nut (33) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch eine mechanische Presse bereitgestellt wird.