DE102006022164B4

DE102006022164B4 - Verfahren zum Aussteifen eines Rotorelements

Info

Publication number: DE102006022164B4
Application number: DE200610022164
Authority: DE
Inventors: Reinhold Meier
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2026-05-13
Also published as: DE102006022164A1

Abstract

Verfahren zum Aussteifen eines Rotorelements (1) für eine fertigungstechnische Bearbeitung mit hoher mechanischer Belastung, insbesondere für das Fügen wenigstens einer Laufschaufel (2) an ein Rotorelement (1) einer Gasturbine durch lineares Reibschweißen, wobei das Rotorelement (1) wenigstens eine umlaufende, von mindestens einer Seite zugängliche Aussparung (11, 12), z. B. in Form einer Ringmulde, einer Hinterschneidung etc., mit einer radial außenliegenden Begrenzungswand (9, 10) aufweist, und wobei die wenigstens eine Aussparung (11, 12) zumindest teilweise mit einer mechanisch belastbaren Stützstruktur (13, 14) aus Metallschaum gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (13, 14) mit einer kreiszylindrischen Innenkontur (15, 16) versehen und mit einem konischen und/oder balligen Dorn (17, 18) von Innen her aufgeweitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aussteifen eines Rotorelements für eine fertigungstechnische Bearbeitung mit hoher mechanischer Belastung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein fügetechnisches Verfahren mit hoher mechanischer Belastung der beteiligten Bauteile ist insbesondere das lineare Reibschweißen, bei dem mit relativ kleinen, oszillierenden Bewegungen durch Festkörperreibung die für das Erweichen bzw. Aufschmelzen erforderliche Energie erzeugt werden muss. Dies gelingt nur mit sehr hohen Anpresskräften, welche über die Bauteile in die Fügezone geleitet werden. Bauteile mit „Leichtbaucharakter” werden hierbei u. U. irreversibel verformt und somit beschädigt bzw. zerstört. In der Gasturbinentechnik wird das lineare Reibschweißen aktuell bei der Neufertigung von integral beschaufelten Scheiben, sogenannten Blisks, für Niederdruckverdichter angewendet. Dabei werden relativ große Schaufeln an die Rotorscheiben gefügt. In der Zukunft sollen im Rahmen der Reparatur solcher Blisks beschädigte Schaufeln von der Scheibe getrennt und Ersatzschaufeln durch lineares Reibschweißen an die Scheibe gefügt werden. Derzeit werden die Scheiben so dimensioniert, dass sie den Belastungen beim linearen Reibschweißen auch im Rahmen späterer Reparaturen ohne bleibende Verformungen mit Sicherheit widerstehen. Dadurch ergeben sich jedoch überdimensionierte Bauteile, welche gemessen an den Belastungen im Flugbetrieb unnötig schwer und voluminös sind. Sinnvoller wäre es, die Bauteile für den Betrieb zu dimensionieren, d. h. leichter und filigraner, und sie für das lineare Reibschweißen zeitweise geeignet abzustützen bzw. auszusteifen. Es ist bekannt, Bauteile für Bearbeitungszwecke teilweise mit Wachs, Kunststoff oder niedrigschmelzendem Metall zu füllen, einzubetten etc. Nachteile dabei sind z. B. eine unzureichende Festigkeit bzw. Steifigkeit sowie Rückstände an den Bauteiloberflächen.
Aus den Druckschriften DE 103 60 164 A1 und WO 02/20948 A1 sind Gasturbinenbauteile in Leichtbauweise bekannt, welche zumindest bereichsweise aus Metallschaum bestehen, wobei der Metallschaum eine mechanisch belastbare Stützstruktur darstellt.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Aussteifen eines Rotorelements für eine fertigungstechnische Bearbeitung mit hoher mechanischer Belastung anzugeben, welches die Kriterien Steifigkeit bzw. Festigkeit erfüllt, keine bleibenden, nachteiligen Auswirkungen auf das Rotorelement hat und wirtschaftlich sowie umweltverträglich arbeitet. Dabei wird vorausgesetzt, dass das Rotorelement wenigstens eine umlaufende, von mindestens einer Seite zugängliche Aussparung mit einer radial außenliegenden Begrenzungswand aufweist.
Die genannte Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff. Erfindungsgemäß wird die Stützstruktur aus Metallschaum mit einer kreiszylinderischen Innenkontur versehen und mit einem konischen bzw. balligen Dorn von Innen her aufgeweitet. Mit Metallschaum als Stützstruktur lässt sich ein hoher Grad an Steifigkeit bzw. Festigkeit erreichen. Beim Aufschäumen passt sich das Material an angrenzende Bauteiloberflächen an, ohne lokale Druck- und somit Spannungsspitzen zu erzeugen. Der Expansionsgrad lässt sich über Temperatur und Dauer des Aufschäumvorgangs beeinflussen. Das Metall für den Schaum wird auch unter dem Aspekt gewählt, dass es mit dem Metall des Rotorelements nicht reagiert, d. h. dessen Eigenschaften nicht negativ beeinflusst und auch keine Rückstände hinterlässt. In aller Regel wird daher das Schaummetall ein anderes sein, als das Bauteilmetall.
In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen des Verfahrens gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Die Figur zeigt in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung einen Halbschnitt durch ein Rotorelement mit beidseitiger Stützstruktur sowie mit Dornen zum Vorspannen der Stützstruktur.
Das Rotorelement 1 ist hier als integral beschaufelte Scheibe, d. h. als sogenannte Blisk (Bladed Disk) ausgeführt. Die Laufschaufeln 2 sind integral mit der Nabe 3 verbunden, letztere ist einstückig mit der Scheibe 4 gefertigt. Die Nabe 3 weist auf der linken Seite einen kragenartigen Fortsatz 6 mit zwei sogenannten Dichtfins 7 auf. Rechts trägt die Nabe 3 einen weiteren Dichtfin 8. Der linke Fortsatz 6 dient zu Dichtzwecken (Inner Airseal) sowie zur Verbindung mit einer weiteren Scheibe bzw. einer Welle. Das gesamte Rotorelement 1 ist festigkeitstechnisch optimiert, d. h. die Wanddicken sind überall minimiert, wobei sie natürlich den Belastungen im Betrieb standhalten müssen. Im Rahmen einer fertigungstechnischen Bearbeitung mit hoher mechanischer Belastung, z. B. beim Fügen einer Laufschaufel 2 an die Nabe 3 durch lineares Reibschweißen zum Zwecke eines Schaufeltauschs oder der Neufertigung des Rotorelements 1, kann das „filigrane” Rotorelement 1 verformt und dadurch beschädigt bzw. zerstört werden. Dies lässt sich ggf. dadurch vermeiden, dass das Rotorelement 1 in geeigneter Weise mit einer Stützstruktur 13, 14 aus Metallschaum ausgesteift wird. Das dargestellte Rotorelement weist Aussparungen 11, 12 mit radial außenliegenden Begrenzungswänden 9, 10 auf, welche hierfür geeignet sind. Das Ausgangsmaterial für die Stützstrukturen 13, 14 wird vorzugsweise in Form von Halbzeugen in die Aussparungen 11, 12 eingebracht, wobei die Halbzeuge Metallpulver und Treibmittel umfassen sowie ein- oder mehrteilig, z. B. segmentiert, ausgeführt sein können. Die eigentliche Anpassung an das Bauteil erfolgt durch das Aufschäumen unter Erhitzen. Durch Stoppen der Wärmezufuhr kann der Aufschäumprozess verlangsamt bzw. beendet werden, wobei nach dem Erkalten eine mechanisch belastbare Stützstruktur 13, 14 mit einer gewissen Druckspannung am Bauteil anliegt. Die offenen Seiten der Aussparungen sollten beim Aufschäumen durch geeignete Vorrichtungen möglichst verschlossen sein. Im vorliegenden Fall sollen die Stützstrukturen 13, 14 nach dem Aufschäumen und Erkalten kreiszylindrische, hohle Innenkonturen 15, 16 aufweisen, welche hier gestrichelt dargestellt sind. Quasi als mechanischer Gegenhalter wird vorliegend eine zweiteilige Vorrichtung benutzt. Dabei sitzt ein Dorn 17 auf einer Achse 20, welche durch die Scheibenbohrung 5 gesteckt ist und über eine kreisförmige Platte 19 mit einem zweiten Dorn 18 verbunden ist. Die Dorne 17, 18 weisen konische, ggf. auch ballige, Außenkonturen auf, welche die kreiszylindrischen Innenkonturen 15, 16 definiert aufweiten und dadurch zusätzliche Druckspannungen in den Stützstrukturen 13, 14 erzeugen. Das auf diese Weise ausgesteifte Rotorelement 1 hat vergleichbare mechanische Eigenschaften, wie ein dickwandiges bzw. massives Bauteil und kann mechanisch hoch belastet werden, z. B. durch einen Reibschweißvorgang mit linearer, rotatorischer oder anderer Bewegungsform. Nach der Bearbeitung wird zuerst der Gegenhalter, d. h. die Vorrichtungsteile 17 bis 20 entfernt. Danach werden die Stützstrukturen 13, 14 aus den Aussparungen 11, 12 entnommen, in der Regel wohl unter Zerstörung der Metallschaumstrukturen. Wichtig dabei ist, dass die Oberflächen des Rotorelements 1 nicht beschädigt werden, und keine Rückstände verbleiben.
Durch die Erfindung wird es möglich, Leichtbauteile in Form von Rotorelementen gewichtsgünstig nach den Belastungen im Betrieb auslegen zu können, obwohl fertigungsbedingt höhere Belastungen auftreten.

Claims

Verfahren zum Aussteifen eines Rotorelements (1) für eine fertigungstechnische Bearbeitung mit hoher mechanischer Belastung, insbesondere für das Fügen wenigstens einer Laufschaufel (2) an ein Rotorelement (1) einer Gasturbine durch lineares Reibschweißen, wobei das Rotorelement (1) wenigstens eine umlaufende, von mindestens einer Seite zugängliche Aussparung (11, 12), z. B. in Form einer Ringmulde, einer Hinterschneidung etc., mit einer radial außenliegenden Begrenzungswand (9, 10) aufweist, und wobei die wenigstens eine Aussparung (11, 12) zumindest teilweise mit einer mechanisch belastbaren Stützstruktur (13, 14) aus Metallschaum gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (13, 14) mit einer kreiszylindrischen Innenkontur (15, 16) versehen und mit einem konischen und/oder balligen Dorn (17, 18) von Innen her aufgeweitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (13, 14) nach der Bearbeitung – des Rotorelements (1) bzw. am Rotorelement (1) – wieder entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (13, 14) durch Einbringen wenigstens eines ring- bzw. torusförmigen Halbzeugs, umfassend Metallpulver und Treibmittel in gebundener bzw. gesinterter Form, in die wenigstens eine Aussparung (11, 12), Aufschäumen bei einer etwa der Schmelztemperatur des Metallpulvers entsprechenden Temperatur sowie anschließendes Abkühlen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver aus wenigstens einer Legierung und/oder einer intermetallischen Verbindung auf Basis von Al, Ti, Ni, Cu und/oder Fe besteht.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel wenigstens ein Metallhydrid umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Neufertigung und/oder Instandsetzung von integral beschaufelten Rotoren von Gasturbinen verwendet wird, insbesondere von integral beschaufelten Scheiben, sogenannten Blisks (Bladed Disks).