DE102004043746A1

DE102004043746A1 - Verfahren zur Herstellung eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotors

Info

Publication number: DE102004043746A1
Application number: DE102004043746A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Meier
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-09-11
Also published as: DE102004043746B4; WO2006026962A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotors mit zumindest den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines insbesondere scheibenförmigen Grundkörpers für den Gasturbinenrotor; b) Bearbeiten des Grundkörpers an seiner äußeren Mantelfläche, derart, dass über den Umfang verteilt mehrere höckerartige Anbindungsbereiche für Hohlschaufeln bereitgestellt werden, wobei die höckerartigen Anbindungsbereiche jeweils eine Teilkontur eines Hohlraums der am jeweiligen Anbindungsbereich anzubindenden Hohlschaufel definieren; c) Aufbauen von Schaufelblattkonturen der Hohlschaufeln an den jeweiligen Anbindungsbereichen derselben durch Laserpulverauftragschweißen; d) Bearbeiten der aufgebauten Schaufelblattkonturen zur Bereitstellung strömungstechnischer Schaufelblattoberflächen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotors.
Aus dem Stand der Technik sind Gasturbinenrotoren bekannt, bei welchen Schaufeln des Gasturbinenrotors über Schaufelfüße in entsprechenden Ausnehmungen eines Grundkörpers des Gasturbinenrotors verankert sind. Die Schaufelfüße sind dabei vorzugsweise entweder tannenbaumartig (Fir Tree Design) oder schwalbenschwanzartig (Dove Tail Design) konturiert, wobei zur Verankerung der Schaufeln im Grundkörper die Schaufelfüße in entsprechend konturierte Ausnehmungen eingreifen. In diesem Falle sind die Schaufeln lösbar mit dem Gasturbinenrotor verbunden. Aus dem Stand der Technik sind des weiteren auch integral beschaufelte Gasturbinenrotoren bekannt, bei welchen die Schaufeln integraler Bestandteil des Gasturbinenrotors sind. Integral beschaufelte Gasturbinenrotoren werden auch als Blisc (Bladed Disc) oder Bling (Bladed Ring) bezeichnet, und zwar abhängig davon, ob ein scheibenförmiger Grundkörper oder ein ringförmiger Grundkörper des Gasturbinenrotors vorliegt. Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, nämlich eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotors.
Nach dem Stand der Technik wird zur Herstellung eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotors so vorgegangen, dass zum Beispiel durch superplastisches Umformen hergestellte Hohlschaufeln mit einem Grundkörper durch lineares Reibschweißen verbunden werden.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotors zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotors gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines insbesondere scheibenförmigen Grundkörpers für den Gasturbinenrotor; b) Bearbeiten des Grundkörpers an seiner äußeren Mantelfläche, derart, dass über den Umfang verteilt mehrere höckerartige Anbindungsbereiche für Hohlschaufeln bereitgestellt werden, wobei die höckerartigen Anbindungsbereiche jeweils eine Teilkontur eines Hohlraums der am jeweiligen Anbindungsbereich anzubindenden Hohlschaufel definieren; c) Aufbauen von Schaufelblattkonturen der Hohlschaufeln an den jeweiligen Anbindungsbereichen derselben durch Laserpulverauftragschweißen; d) Bearbeiten der aufgebauten Schaufelblattkonturen zur Bereitstellung strömungstechnischer Schaufelblattoberflächen.

Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine alternative, kostengünstige Herstellung eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Rotors möglich.

Vorzugsweise wird vor dem Aufbauen der Schaufelblattkonturen jeweils ein kappenartiger Körper bzw. Kern an den höckerartigen Anbindungsbereichen befestigt, wobei jeder Anbindungsbereich zusammen mit dem jeweiligen Kern die Kontur des Hohlraums der am jeweiligen Anbindungsbereich anzubindenden Hohlschaufel definiert.

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 zeigt:

1 einen Ausschnitt aus einem Grundkörper für einen Gasturbinenrotor mit einem höckerartigen Anbindungsbereich in stark schematisierter Ansicht;

2 einen mit dem höckerartigen Anbindungsbereich zu verbindenden, kappenartigen Körper bzw. Kern;

3 den Grundkörper der 1 zusammen mit dem an dem Anbindungsbereich befestigten, kappenartigen Körper bzw. Kern der 2;

4 eine um den Anbindungsbereich und Körper bzw. Kern aufgebaute Schaufelblattkontur;

5 einen Ausschnitt aus einem Grundkörper für einen Gasturbinenrotor mit einem höckerartigen Anbindungsbereich nach einer Alternative der hier vorliegenden Erfindung in stark schematisierter Ansicht; und

6 einen Ausschnitt aus einem Grundkörper für einen Gasturbinenrotor mit einem höckerartigen Anbindungsbereich nach einer weiteren Alternative der hier vorliegenden Erfindung in stark schematisierter Ansicht.

Eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotors wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 bis 4 in größerem Detail beschrieben.
Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein vorzugsweise scheibenförmiger Grundkörper 10 für einen Gasturbinenrotor bereitgestellt. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem derartigen Grundkörper 10 im Querschnitt. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird der scheibenförmige Grundkörper 10 an einer äußeren Mantelfläche 11 derart bearbeitet, dass über den Umfang verteilt mehrere höckerartige Anbindungsbereiche 12 für Hohlschaufeln bereitgestellt werden. Die Bearbeitung des Grundkörpers 10 an seiner äußeren Mantelfläche 11 zur Bereitstellung der höckerartigen Anbindungsbereiche 12 kann zum Beispiel durch ein ECM Bearbeitungsverfahren (Electro Chemical Machining) erfolgen. Wie 1 entnommen werden kann, verfügt der höckerartige Anbindungsbereich 12 über einen umlaufenden Rand 13, wobei der umlaufende Rand 13 an seiner innenliegenden Fläche 14 eine Teilkontur eines Hohlraums der an dem Anbindungsbereich 12 anzubindenden Hohlschaufel definiert.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 1 bis 4 wird des weiteren ein kappenartiger Körper bzw. Kern 15 bereitgestellt, der zum Beispiel als Schmiedeteil ausgebildet oder aus einem Stück Blech durch Umformen gebildet werden kann. Dieser kappenartige Körper bzw. Kern 15 verfügt über eine Innenfläche 16, die ebenso wie der höckerartige Anbindungsbereich 12 eine Teilkontur des Hohlraums einer am Grundkörper 10 bzw. am Anbindungsbereich 12 anzubindenden Hohlschaufel definiert.
3 zeigt den Rotorscheibengrundkörper 10 zusammen mit dem Anbindungsbereich 12 sowie einem mit dem Anbindungsbereich 12 befestigten Kern 15. Die innenliegende Fläche 14 des Anbindungsbereichs 12 sowie die Innenfläche 16 des Kerns 15 begrenzen dabei einen Hohlraum 17, welcher dem Hohlraum der anzubindenden Hohlschaufel entspricht. Der kappenartige Kern 15 wird mit dem höckerartigen Anbindungsbereich 12 vorzugsweise durch Schweißen fest verbunden, nämlich durch induktives Hochfrequenzpressschweißen oder durch Laserpulverauftragschweißen. Wie 3 entnommen werden kann, bildet sich beim Verbinden des kappenartigen Kerns 15 mit dem höckerartigen Anbindungsbereich 12 an der Innenseite sowie an der Außenseite jeweils eine Schweißnaht aus. Die Schweißnaht im Bereich der Innenseite ist mit Bezugsziffer 18, die Schweißnaht im Bereich der Außenseite mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet.
Das Verbinden des kappenartigen Kerns 15 mit dem höckerartigen Anbindungsbereich 12 erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass die Schweißnähte 18 und 19 möglichst klein und homogen ausfallen. Die Schweißnaht 19 an der Außenseite wird nach dem Verbinden des Kerns 15 mit dem Anbindungsbereich 12 vorzugsweise mechanisch entfernt. Nach dem Entfernen dieser äußeren Schweißnaht 19 wird die Verbindung zwischen dem Anbindungsbereich 12 und dem Kern 15 auf Fehlerfreiheit geprüft. Nur dann, wenn Fehlerfreiheit vorliegt, wird mit den weiteren Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens fortgeschritten.
Liegt eine fehlerfreie Verbindung zwischen dem höckerartigen Anbindungsbereich 12 und dem kappenartigen Kern 15 vor, so wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren um den Anbindungsbereich 12 sowie den Kern 15 herum eine Schaufelblattkontur einer anzubindenden Hohlschaufel durch Laserpulverauftragschweißen aufgebaut. Das durch Laserpulverauftragschweißen um den Anbindungsbereich 12 sowie den Kern 15 aufgebaute Material zur Bereitstellung der Schaufelblattkontur der anzubindenden Hohlschaufel ist in 4 durch den Abschnitt 20 dargestellt. Das Aufbauen der Schaufelblattkontur durch Laserpulverauftragschweißen erfolgt ausgehend von der Mantelfläche 11 bzw. dem Anbindungsbereich 12 nach radial außen bis über den Bereich des Hohlraums 17 hinaus.
In der in 4 gezeigten, bevorzugten Variante erfolgt das Laserpulverauftragschweißen nur bis unmittelbar über den Hohlraum 17 hinaus, oberhalb des Hohlraums 17 wird zur Bereitstellung der Schaufelblattkontur ein vorgefertigter Endabschnitt 21 mit dem durch Laserpulverauftragschweißen aufgebauten Abschnitt 20 fest verbunden. Bei dem vorgefertigten Endabschnitt 21 handelt es sich insbesondere um ein Schmiedeteil, welches mit dem Abschnitt 20 zum Beispiel durch induktives Hochfrequenzpressschweißen oder auch durch Laserpulverauftragschweißen dauerhaft bzw. fest verbunden wird. Eine sich ausbildende Schweißnaht ist in 4 mit der Bezugsziffer 22 gekennzeichnet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das Laserpulverauftragschweißen jeweils unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
Der durch Laserpulverauftragschweißen aufgebaute Abschnitt 20 sowie der mit dem Abschnitt 20 verbundene, vorgefertigte Endabschnitt 21 verfügen über ein ausreichendes Aufmaß, um anschließend eine Endbearbeitung der aufgebauten Schaufelblattkontur zur Bereitstellung strömungstechnischer Schaufelblattoberflächen zu ermöglichen. Die Endkonturbearbeitung kann zum Beispiel durch Fräsen erfolgen.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine einfache sowie kostengünstige Herstellung von mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotoren möglich. Weiterhin kann mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich des Schaufelblatts eine gradierte Werkstoffzusammensetzung realisiert werden. So kann die Zusammensetzung des durch Laserpulverauftragschweißen aufgetragenen Abschnitts 20 abhängig von der radialen Erstreckung geändert werden. Eine Änderung der Werkstoffzusammensetzung ist über die Schaufelhöhe und den Profilquerschnitt möglich.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 erfolgt die Herstellung eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotors unter Verwendung kappenartiger Kerne 15, wobei die kappenartigen Kerne 15 mit entsprechenden Anbindungsbereichen 12 verbunden werden, und wobei im Anschluss hieran durch Laserpulverauftragschweißen der Anbindungsbereich 12 sowie der kappenartige Kern 15, die gemeinsam die Hohlräume 17 der jeweiligen Hohlschaufeln begrenzen, von Material umschlossen werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch ohne Verwendung der kappenartigen Kerne 15 erfolgen kann. So ist es möglich, unmittelbar auf den Rand 13 der höckerartigen Anbindungsbereiche 12 (siehe 1) die Schaufelblattkontur durch Laserpulverauftragschweißen herzustellen. In diesem Fall können dann zusätzliche zur Schaufelblattkontur innerhalb des Hohlraums Versteifungsrippen bzw. Versteifungsstege durch Laserpulverauftragschweißen mit aufgebaut werden, die für eine Stabilisierung der Hohlschaufel sorgen. So zeigt 5 drei parallel zueinander verlaufende Rippen 23, 6 zeigt zickzackförmig verlaufende Rippen 24. Die Rippen 23 bzw. 24 sind bereits abschnittsweise in den höckerartigen Anbindungsbereichen 12 für die Hohlschaufeln ausgebildet und werden dann durch Laserpulverauftragschweißen zusammen mit der eigentlichen Schaufelblattkontur weiter aufgebaut.

10: Grundkörper
11: Mantelfläche
12: Anbindungsbereich
13: Rand
14: Teilkontur
15: Kern
16: Innenfläche
17: Hohlraum
18: Schweißnaht
19: Schweißnaht
20: Abschnitt
21: Endabschnitt
22: Schweißnaht
23: Rippe
24: Rippe

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mit Hohlschaufeln integral beschaufelten Gasturbinenrotors, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines insbesondere scheibenförmigen Grundkörpers (10) für den Gasturbinenrotor; b) Bearbeiten des Grundkörpers (10) an seiner äußeren Mantelfläche, derart, dass über den Umfang verteilt mehrere höckerartige Anbindungsbereiche (12) für Hohlschaufeln bereitgestellt werden, wobei die höckerartigen Anbindungsbereiche (12) jeweils eine Teilkontur eines Hohlraums (17) der am jeweiligen Anbindungsbereich (12) anzubindenden Hohlschaufel definieren; c) Aufbauen von Schaufelblattkonturen der Hohlschaufeln an den jeweiligen Anbindungsbereichen (12) derselben durch Laserpulverauftragschweißen; d) Bearbeiten der aufgebauten Schaufelblattkonturen zur Bereitstellung strömungstechnischer Schaufelblattoberflächen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an Schritt b) und vor Schritt c) jeweils ein kappenartiger Körper bzw. Kern (15) an den höckerartigen Anbindungsbereichen (12) befestigt wird, wobei jeder Anbindungsbereich (12) zusammen mit dem jeweiligen Kern (15) die Kontur des Hohlraums (17) der am jeweiligen Anbindungsbereich (12) anzubindenden Hohlschaufel definiert.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kappenartige Kern (15) mit dem jeweiligen höckerartigen Anbindungsbereich (12) durch Schweißen fest verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kappenartige Kern (15) mit dem jeweiligen höckerartigen Anbindungsbereich (12) durch Laserpulverauftragschweißen oder induktives Hochfrequenzpressschweißen fest verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verbinden des kappenartigen Kerns (15) mit dem jeweiligen höckerartigen Anbindungsbereich (12) eine sich beim Verbinden ausbildende Schweißnaht an der Außenkontur des Kerns bzw. Anbindungsbereichs entfernt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Aufbauen der Schaufelblattkonturen durch Laserpulverauftragschweißen ausgehend von der Mantelfläche des Grundkörpers (10) bzw. ausgehend vom Anbindungsbereich (12) der jeweiligen Hohlschaufel nach radial außen bis über den Bereich des Hohlraums der aufzubauenden Hohlschaufel hinaus durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an Schritt c) mit dem durch Laserpulverauftragschweißen aufgebauten Abschnitt (20) des Schaufelblatts der jeweiligen Hohlschaufel ein vorgefertigter Endabschnitt (21) des Schaufelblatts fest verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgefertigte Endabschnitt (21) des Schaufelblatts mit dem durch Laserpulverauftragschweißen aufgebauten Abschnitt (20) des Schaufelblatts durch Schweißen fest verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgefertigte Endabschnitt (21) mit dem durch Laserpulverauftragschweißen aufgebauten Abschnitt (20) durch Laserpulverauftragschweißen oder durch induktives Hochfrequenzpressschweißen fest verbunden wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserpulverauftragschweißen unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des oder jeden Hohlraums Rippen (23, 24) oder Stege zur Versteifung der Hohlschaufeln verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (23, 24) oder Stege bereits abschnittsweise in den höckerartigen Anbindungsbereichen (12) für die Hohlschaufeln ausgebildet sind, wobei die Schaufelblattkonturen zusammen mit den Rippen oder Stegen durch Laserpulverauftragschweißen aufgebaut werden.