DE102006057912A1 - Leitschaufelkranz sowie Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Leitschaufelträgerring und mehreren am Leitschaufelträgerring befestigten Leitschaufeln. Erfindungsgemäß sind der Leitschaufelträgerring und die Leitschaufeln aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt, wobei der Werkstoff, aus dem die Leitschaufeln hergestellt sind, höherwertiger ist als der Werkstoff, aus dem der Leitschaufelträgerring hergestellt ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelkranzes sowie ein Verfahren zum Herstellen von Leitschaufeln für einen Leitschaufelkranz.
- 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.
- Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierungen genannt) und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Teile des Flugtriebwerks geeignet.
- Als Fertigungsverfahren für Gasturbinenbauteile aus Titanlegierungen, Nickellegierung oder sonstigen Legierungen sind aus dem Stand der Technik in erster Linie das Feingießen sowie Schmieden bekannt. Alle hochbeanspruchten Gasturbinenbauteile, wie zum Beispiel Bauteile für einen Verdichter, sind Schmiedeteile. Bauteile für eine Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt.
- Für die Fertigung bzw. Herstellung von komplexen Bauteilen stellt das pulvermetallurgische Spritzgießen eine interessante Alternative dar. Das pulvermetallurgische Spritzgießen ist mit dem Kunststoffspritzguss verwandt und wird auch als Metallform-Spritzen oder Metal Injection Moulding-Verfahren (MIM-Verfahren) bezeichnet. Mit dem pulvermetallurgischen Spritzgießen können Bauteile hergestellt werden, die fast die volle Dichte sowie annähernd die statische Festigkeit von Schmiedeteilen erreichen. Die gegenüber Schmiedeteilen in der Regel verringerte dynamische Festigkeit kann durch geeignete Werkstoffauswahl kompensiert werden.
- Gasturbinen verfügen im Bereich eines Verdichters sowie im Bereich einer Turbine über statorseitige Leitschaufelkränze, wobei ein Leitschaufelkranz mehrere Leitschaufeln umfasst, die an einem Leitschaufelträgerring befestigt sind. Dabei sind die Leitschaufeln mit dem Leitschaufelträgerring typischerweise verlötet. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Leitschaufelkränzen sind die Leitschaufeln sowie der Leitschaufelträgerring aus einem identischen Werkstoff gefertigt.
- Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, einen neuartigen Leitschaufelkranz und ein Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen.
- Dieses Problem wird durch einen Leitschaufelkranz gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß sind der Leitschaufelträgerring und die Leitschaufeln aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt, wobei der Werkstoff, aus dem die Leitschaufeln hergestellt sind, höherwertiger ist als der Werkstoff, aus dem der Leitschaufelträgerring hergestellt ist.
- Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, den Leitschaufelträgerring und die Leitschaufeln aus unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen, wobei der Werkstoff der Leitschaufeln höherwertiger ist als der Werkstoff des Leitschaufelträgerrings. Hierdurch ist es möglich, einen an die thermischen sowie mechanischen Anforderungen optimal angepassten Leitschaufelkranz bei gleichzeitiger Optimierung der Kosten bereitzustellen.
- Vorzugsweise sind der Leitschaufelträgerring und die Leitschaufeln jeweils aus einer Nickelbasislegierung hergestellt, wobei die Nickelbasislegierung, aus welcher die Leitschaufeln hergestellt sind, hochwarmfester ist als die Nickelbasislegierung, aus welcher der Leitschaufelträgerring hergestellt ist.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelkranzes ist in Anspruch 5 definiert. Ein Verfahren zum Herstellen von Leitschaufeln für einen Leitschaufelkranz ist in Anspruch 11 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 mehrere gemeinsam hergestellte Leitschaufelrohlinge; und -
2 ebenfalls mehrere gemeinsam hergestellte Leitschaufelrohlinge. - Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz einer Turbomaschine, insbesondere einer als Flugtriebwerk ausgebildeten Gasturbine. Ein derartiger Leitschaufelkranz verfügt über mehrere Leitschaufeln, die an einem Leitschaufelträgerring befestigt sind.
- Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, den Leitschaufelträgerring und die Leitschaufeln aus unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen. Der Leitschaufelträgerring ist aus einem ersten Werkstoff hergestellt, die Leitschaufeln sind aus einem zweiten Werkstoff hergestellt, wobei der Werkstoff, aus welchem die Leitschaufeln hergestellt sind, höherwertiger ist als der Werkstoff, aus welchem der Leitschaufelträgerring hergestellt ist. Unter einem höherwertigen Werkstoff soll insbesondere verstanden werden, dass derselbe über eine höhere Warmfestigkeit verfügt und demnach hochwarmfester ist.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Leitschaufelträgerring des Leitschaufelkranzes aus der Nickelbasislegierung IN 718 hergestellt. Die Leitschaufeln sind aus einer höherwertigeren bzw. hochwarmfesteren Nickelbasislegierung hergestellt, nämlich aus der Nickelbasislegierung UDIMET 720. Dabei sind die Leitschaufeln mit dem Leitschaufelträgerring verlötet.
- Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzes wird so vorgegangen, dass der Leitschaufelträgerring aus dem ersten Werkstoff, insbesondere aus der Nickelbasislegierung IN 718, insbesondere durch Schmieden, hergestellt wird. Die Leitschaufeln werden aus dem zweiten Werkstoff, insbesondere aus UDIMET 720, hergestellt, vorzugsweise durch pulvermetallurgisches Spritzgießen.
- Beim Herstellen der Leitschaufeln durch pulvermetallurgisches Spritzgießen werden mehrere Leitschaufeln gemeinsam als zusammenhängender Rohling hergestellt, so dass demnach gleichzeitig mehrere Leitschaufelrohlinge, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt werden.
1 und2 zeigen jeweils derartige, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellte Rohlinge10 ,11 aus mehreren Leitschaufelrohlingen12 bzw.13 . - In
1 sind im Rohling10 die Leitschaufelrohlinge12 axial hintereinander gereiht und im Bereich von Leitschaufelspitzen sowie Leitschaufelfüßen über Stege14 miteinander verbunden. - In
2 sind die Leitschaufelrohlinge13 im Rohling11 in Radialrichtung derselben übereinander gestapelt, so dass demnach über Stege15 benachbarte Leitschaufelrohlinge13 derart verbunden sind, dass eine Leitschaufelspitze eines Leitschaufelrohlings13 mit dem Leitschaufelfuß des benachbarten Leitschaufelrohlings13 über einen Steg15 verbunden ist. - Wie oben ausgeführt, werden demnach mehrere Leitschaufeln für einen Leitschaufelkranz durch pulvermetallurgisches Spritzgießen als zusammenhängender Rohling hergestellt. Pulvermetallurgisches Spritzgießen wird auch als Metal Injection Moulding (MIM) Verfahren bezeichnet.
- Nach dem Herstellen mehrerer Leitschaufeln als zusammenhängender Rohling durch pulvermetallurgisches Spritzgießen werden die durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellten Leitschaufelrohlinge durch Fräsen oder Schleifen oder einen Electro Chemical Machining (ECM) Prozess bearbeitet. Vorzugsweise erfolgt die Bearbeitung der Leitschaufelrohlinge durch einen Precise Electro Chemical Machining (PECM) Prozess.
- Im Anschluss hieran werden die vorzugsweise durch einen kombinierten MIM-Prozess und PECM-Prozess hergestellten Leitschaufeln in den Leitschaufelträgerring eingeführt und mit demselben verlötet, wobei anschließend hieran der so hergestellte Leitschaufelkranz einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um eine optimale Festigkeit für den Leitschaufelkranz zu gewährleisten.
-
- 10
- Rohling
- 11
- Rohling
- 12
- Leitschaufelrohling
- 13
- Leitschaufelrohling
- 14
- Steg
- 15
- Steg
Claims (11)
- Leitschaufelkranz einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Leitschaufelträgerring und mehreren am Leitschaufelträgerring befestigten Leitschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelträgerring und die Leitschaufeln aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind, wobei der Werkstoff, aus dem die Leitschaufeln hergestellt sind, höherwertiger ist als der Werkstoff, aus dem der Leitschaufelträgerring hergestellt ist.
- Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln mit dem Leitschaufelträgerring verlötet sind.
- Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelträgerring und die Leitschaufeln jeweils aus einer Nickelbasislegierung hergestellt sind, wobei die Nickelbasislegierung, aus welcher die Leitschaufeln hergestellt sind, hochwarmfester ist als die Nickelbasislegierung, aus welcher der Leitschaufelträgerring hergestellt ist.
- Leitschaufelkranz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelträgerring aus der Nickelbasislegierung IN 718 hergestellt ist, und dass die Leitschaufeln aus der Nickelbasislegierung UDIMET 720 hergestellt sind.
- Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelkranzes einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit folgenden Schritten: a) Herstellen eines Leitschaufelträgerrings aus einem ersten Werkstoff; b) Herstellen von Leitschaufeln aus einem zweiten Werkstoff, der höherwertiger ist als der erste Werkstoff; c) Verlöten der Leitschaufeln mit dem Leitschaufelträgerring.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leitschaufeln durch pulvermetallurgisches Spritzgeißen als zusammenhängender Rohling gefertigt werden.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch pulvermetallurgisches Spritzgeißen hergestellten Leitschaufelrohlinge vor der Befestigung derselben am Leitschaufelträgerring durch einen Electro Chemical Machining (ECM) Prozess und/oder durch Fräsen und/oder durch Schleifen bearbeitet werden.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellten Leitschaufelrohlinge vor der Befestigung derselben am Leitschaufelträgerring durch einen Electro Chemical Machining (ECM) Prozess bearbeitet werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Befestigung der Leitschaufeln am Leitschaufelträgerring der so hergestellte Leitschaufelkranz einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelträgerring durch Schmieden hergestellt wird.
- Verfahren zum Herstellen von Leitschaufeln für einen Leitschaufelkranz einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit folgenden Schritten: a) einzelne oder mehrere zusammenhängende Leitschaufeln werden als Rohling durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt; b) anschließend werden die durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellten Leitschaufelrohlinge durch einen Precise Electro Chemical Machining Prozess (PECM-Prozess) oder durch Electro Chemical Machining (ECM) bearbeitet.
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