DE102007045300A1

DE102007045300A1 - Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenrotors

Info

Publication number: DE102007045300A1
Application number: DE200710045300
Authority: DE
Inventors: Suzan Fritzke Pelger
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenrotors, wobei ein Rotorgrundkörper bereitgestellt wird, wobei am Rotorgrundkörper zu befestigende Laufschaufeln bereitgestellt werden, wobei das Momentengewicht der Laufschaufeln bestimmt wird, wobei anschließend für die am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln auf Grundlage ihres Momentgewichts eine Umfangsposition ermittelt wird, derart, dass eine resultierende Unwucht kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist, und wobei darauffolgend die Laufschaufeln am Rotorgrundkörper gemäß der für dieselben ermittelten Umfangspositionen befestigt werden. Erfindungsgemäß wird die Ermittlung der Umfangspositionen der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenrotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gas turbinenrotoren verfügen über einen Rotorgrundkörper und mehrere am Rotorgrundkörper befestigte Laufschaufeln. Bei einem integral beschaufeltem Gasturbinenrotor sind die Laufschaufeln insbesondere durch lineares Reibschweißen fest mit dem Rotorgrundkörper verbunden.
Bei der Herstellung eines Gasturbinenrotors, insbesondere eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, werden zuerst der Rotorgrundkörper sowie die am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln bereitgestellt. Anschließend wird das Momentengewicht der Laufschaufeln bestimmt, wobei auf Grundlage des bestimmten Momentengewichts für die am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln eine Umfangsposition ermittelt wird. Dabei wird nach dem Stand der Technik auf Basis eines Verteilungsmusters vorgegangen. Darauffolgend wird die resultierende Unwucht des Gasturbinenrotors bestimmt, wobei dann, wenn die resultierende Unwucht kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist, die Laufschaufeln am Rotorgrundkörper gemäß der für dieselben ermittelten Umfangspositionen befestigt werden. Um die resultierende Unwucht zu beseitigen, ist dann noch z. B. bei integral beschaufelten Gasturbinenrotoren eine Fräsbearbeitung desselben erforderlich.
Dann, wenn die Umfangspositionen der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln auf Basis von Verteilungsmustern ermittelt werden, ist üblicherweise eine aufwendige Nachbearbeitung des Gasturbinenrotors zur Beseitigung der resultierenden Unwucht erforderlich. Eine weitere Optimierung der Umfangspositionen der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln scheitert bislang an der hierfür erforderlichen Berechnungszeit, da z. B. dann, wenn an einem Rotorgrundkörper zwanzig Laufschaufeln zu befestigen sind, zur Berechnung aller möglichen Permutationen von Umfangspositionen mehrere Jahre Rechenzeit benötigt würden. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenrotors, mit Hilfe dessen innerhalb kürzester Zeit optimierte Umfangspositionen der am Rotorgrundkörper zu befestigende Laufschaufeln ermitteln werden können, sodass im Anschluss an das Befestigen der Laufschaufeln am Rotorgrundkörper zur Beseitigung der resultierenden Unwucht nur eine minimale Bearbeitung des Gasturbinenrotors erforderlich ist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenrotors zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß wird die Ermittlung der Umfangspositionen der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus durchgeführt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erstmals vorgeschlagen, die Umfangspositionen der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus zu ermitteln, wobei hiermit Umfangspositionen der Laufschaufeln, die in einer minimierten Unwucht des Gasturbinenrotors resultieren, innerhalb kürzester Zeit ermittelt werden können. Hierdurch ist dann nach Befestigung der Laufschaufeln am Rotorgrundkörper lediglich eine geringfügige Bearbeitung desselben zur Beseitigung der resultierenden Unwucht erforderlich.
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 ein mögliches Verteilungsmusters zur Bestimmung von vorläufigen Umfangspositionen; und
2: ein weiteres mögliches Verteilungsmusters zur Bestimmung von vorläufigen Umfangspositionen.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenrotors, insbesondere eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zuerst ein Rotorgrundkörper sowie am Rotorgrundkörper zu befestigende Laufschaufeln bereitgestellt.
Anschließend wird das Momentengewicht der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln bestimmt, wobei hierzu vorzugsweise eine Momentenwaage verwendet wird, mit der die statischen Momente der Laufschaufeln messtechnisch erfasst werden können.
Anschließend wird für die am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln auf Grundlage ihres Momentengewichts eine Umfangsposition derart ermittelt, dass eine resultierende Unwucht für den Gasturbinenrotor kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist. Ist dies der Fall, so können anschließend die Laufschaufeln am Rotorgrundkörper gemäß der für dieselben ermittelten Umfangspositionen befestigt werden.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun solche Details des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit Hilfe die Umfangspositionen der Laufschaufeln am Rotorgrundkörper innerhalb kürzester Zeit ermittelt werden können, und zwar derart, dass die resultierende Unwucht des Gasturbinenrotors so klein ausfällt, dass anschließend nur noch eine minimale Bearbeitung zur Beseitigung der Unwucht des Rotorgrundkörpers erforderlich ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Ermittlung der Umfangspositionen der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus.
Bei der Ermittlung der Umfangspositionen der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln werden zuerst mit Hilfe eines Verteilungsmusters vorläufige Umfangspositionen für die Laufschaufeln ermitteln.
Derartige Verteilungsmuster sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei 1 und 2 schematisiert zwei mögliche Verteilungsmuster zeigen, die zur Bestimmung der vorläufigen Umfangspositionen der Laufschaufeln verwendet werden können.
So zeigt 1 ein erstes Verteilungsmuster 10, welches bei der Bestimmung der vorläufigen Umfangspositionen verwendet werden kann.
Beim Verteilungsmuster der 1 wird einer ersten Umfangsposition 11 die Laufschaufel mit dem höchsten Momentengewicht und einer in etwa diametral gegenüberliegenden zweiten Umfangsposition 12 die Laufschaufel mit dem zweithöchsten Momentengewicht zugeordnet. Einer unmittelbar an die erste Umfangsposition 11 angrenzenden dritten Umfangsposition 13 wird die Laufschaufel mit dem dritthöchsten Momentengewicht und einer in etwa diametral gegenüberliegenden vierten Umfangsposition 14 die Laufschaufel mit dem vierthöchsten Momentengewicht zugeordnet. Nach diesem Verteilungsmuster erfolgt dann schrittweise die Zuordnung der weiteren Laufschaufeln an entsprechende Umfangspositionen.
Ein weiteres Verteilungsmuster 20, welches bei der Bestimmung der vorläufigen Umfangspositionen verwendet werden kann, zeigt 2.
Beim Verteilungsmuster der 2 wird einer ersten Umfangsposition 21 die Laufschaufel mit dem höchsten Momentengewicht und einer in etwa diametral gegenüberliegenden zweiten Umfangsposition 22 die Laufschaufel mit dem zweithöchsten Momentengewicht zugeordnet. Einer dritten Umfangsposition 23, die unmittelbar benachbart zur ersten Umfangsposition 21 positioniert ist, wird gemäß 2 die Laufschaufel mit dem geringsten Momentengewicht und einer in etwa diametral gegenüberliegenden vierten Umfangsposition 24 die Laufschaufel mit dem zweitgeringsten Momentengewicht zugeordnet. Einer der dritten Umfangsposition 23 benachbarten fünften Umfangsposition 25 wird dann die Laufschaufel mit dem dritthöchsten Momentengewicht und einer die in etwa diametral gegenüberliegenden sechsten Umfangsposition 26 die Laufschaufel mit dem vierthöchsten Momentengewicht zugeordnet. Nach diesem Verteilungsschema erfolgt die Aufteilung der übrigen Laufschaufeln an die jeweiligen Umfangspositionen.
Die mit Hilfe eines solchen Verteilungsmusters bestimmten, vorläufigen Umfangspositionen dienen dann als Ausgangspunkt zur Anwendung eines evolutionären Algorithmus, um die endgültigen Umfangspositionen für die Laufschaufeln zu ermitteln.
Bei der Anwendung des evolutionären Algorithmus auf Basis der mit Hilfe eines Verteilungsmusters bestimmten vorläufigen Umfangspositionen wird durch Vertauschung mindestens einer, vorzugsweise durch Vertauschung von mindestens zwei, vorläufigen Umfangspositionen eine Elternpopulation mit einer Anzahl X1 Individuen erzeugt. Vorzugsweise wird eine Elternpopulation mit zweihundert Individuen erzeugt, wobei jedes der erzeugten Individuen durch Vertauschen von mindestens einer, vorzugsweise von mindestens zwei, vorläufigen Umfangspositionen aus der mit Hilfe des Verteilungsmusters bestimmten Vorpositionierung erzeugt wird. In besonders zu bevorzugender Ausgestaltung ist das angesprochene Vertauschen von mindestens einer, vorzugsweise von mindestens zwei, vorläufigen Umfangspositionen anzahlmäßig so, dass es zufällig zwischen 1 und dem auf einen ganzzahligen Wert aufgerundeten Wert von N/4 variiert, wobei N der Anzahl der zu sortierenden Schaufeln bzw. der Anzahl der Schaufelpositionen entspricht. N ist vorzugsweise ≥ 4, bevorzugt ≥ 8, bevorzugt ≥ 10, bevorzugt ≥ 15, bevorzugt ≥ 20, bevorzugt ≥ 30, bevorzugt ≥ 4, bevorzugt ≥ 40, bevorzugt ≥ 60, bevorzugt ≥ 80.
Bei der Vertauschung von vorläufigen Umfangspositionen zur Erzeugung der Elternpopulation wird die Vertauschung auf zwei Quadranten des Gasturbi nenrotors beschränkt, sodass demnach Schaufelpositionen in den beiden anderen Quadranten bleiben. Bei den Quadranten, bei denen die Vertauschungen der vorläufigen Umfangspositionen vorgenommen werden, handelt es sich um solche Quadranten des Gasturbinenrotors, in welchen die größten Differenzen in den Momentengewichten der Laufschaufeln vorliegen.
Jedes Individuum der Elternpopulation enthält demnach für alle Laufschaufeln eine Umfangsposition, wobei jedes Individuum mit einer Fitnessfunktion bewertet wird. Als Fitnessfunktion kommt dabei vorzugsweise folgende Funktion zum Einsatz:
wobei N die Anzahl der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln, E_i das Momentengewicht der i-ten Laufschaufel und α_i die Winkelstellung der i-ten Umfangsposition ist.
Aus dieser Elternpopulation mit der Anzahl X1 Individuen wird dann eine Anzahl X2 (X2 < X1) Individuen, z. B. eine Anzahl von einhundert Individuen, ausgewählt, welche mit der Fitnessfunktion am besten bewertet sind, wobei aus diesen ausgewählten Individuen durch Mutation und/oder durch Kreuzung eine Anzahl X3 Nachkommen generiert wird.
Vorzugsweise werden die Nachkommen ausschließlich durch Mutation generiert, wobei unter einer Mutation ein zufälliges Vertauschen einer definierten Anzahl von Umfangspositionen, insbesondere von zwei Umfangspositionen, verstanden werden soll. Die Anzahl X3 entspricht vorzugsweise der Anzahl X1, sodass also dann, wenn die Elternpopulation zweihundert Individuen umfasst, aus den einhundert ausgewählten Individuen durch Mutation zweihundert Nachkommen erzeugt werden.
Auch bei den Mutationen wird die Vertauschung der Umfangspositionen auf zwei Quadranten des Gasturbinenrotors beschränkt, sodass demnach Schaufelpositionen in den beiden anderen Quadranten während des gesamten Verfahrens unverändert bleiben. Bei den Quadranten, bei denen die Vertauschungen der Umfangspositionen vorgenommen werden, handelt es sich wiederum um solche Quadranten des Gasturbinenrotors, in welchen die größten Differenzen in den Momentengewichten der Laufschaufeln vorliegen.
Die Nachkommen der Individuen bilden eine neue Elternpopulation, die wiederum mit Hilfe der Fitnessfunktion bewertet wird, wobei im Sinne einer Schleife aus der neuen Elternpopulation wiederum die mit der Fitnessfunktion am besten bewerteten Individuen ausgewählt werden und dann durch Mutation und/oder durch Kreuzung neue Nachkommen generiert werden.
Dies erfolgt so lange bis ein Nachkomme einen Fitnesswert aufweist, der kleiner ist als ein vorbestimmter Fitnesswert, wobei jedoch die Anzahl der zu durchlaufenden Schleifen, also die Anzahl der generierten neuen Elternpopulationen sowie der generierten neuen Nachkommen auf eine vorbestimmte Anzahl beschränkt wird, und wobei dann, wenn nach einer vorbestimmten Anzahl von Schleifen kein Nachkomme bzw. kein Individuum generiert wird, dessen Fitnesswert kleiner ist als der vorbestimmte Fitnesswert, das Verfahren abgebrochen und von vorne neu begonnen wird bzw. das Verfahren erneut den Optimierungsbereich berechnet und die generierten Anordnungsmöglichkeiten durch den beschriebenen Vorgang weiter iterativ verfeinert.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenrotors, wobei ein Rotorgrundkörper bereitgestellt wird, wobei am Rotorgrundkörper zu befestigende Laufschaufeln bereitgestellt werden, wobei das Momentengewicht der Laufschaufeln bestimmt wird, wobei anschließend für die am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln auf Grundlage ihres Momentengewichts eine Umfangspositionen ermittelt derart wird, dass eine resultierende Unwucht kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist, und wobei darauffolgend die Laufschaufeln am Rotorgrundkörper gemäß der für dieselben ermittelten Umfangspositionen befestigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Umfangspositionen der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ermittlung der Umfangspositionen der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln zuerst mit Hilfe eines Verteilungsmusters eine Bestimmung von vorläufigen Umfangspositionen erfolgt, und dass unter Berücksichtigung dieser vorläufigen Umfangspositionen mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus endgültige Umfangspositionen ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der mit Hilfe des Verteilungsmusters erzeugten vorläufigen Umfangspositionen durch Vertauschung von mindestens einer, vorzugsweise von mindestens zwei, Umfangspositionen eine Elternpopulation mit einer Anzahl X1 Individuen erzeugt wird, wobei jedes Individuum der Elterpopulation für alle Laufschaufeln eine Umfangspositionen enthält und wobei jedes Individuum mit einer Fitnessfunktion bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertauschung von Umfangspositionen zur Erzeugung der Elternpopulation auf zwei Quadranten des Gasturbinenrotors beschränkt wird, und zwar insbesondere indem die Gewichtsdifferenzen am größten sind, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Auswahl der Quad ranten jeweils nach Ablauf von sechs Generationen erfolgt und insbesondere vom Algorithmus dynamisch für die Optimierung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Elternpopulation mit der Anzahl X1 Individuen eine Anzahl X2 Individuen ausgewählt wird, welche mit der Fitnessfunktion am besten bewertet sind, und dass aus den X2 Individuen durch Mutation und/oder durch Kreuzung eine Anzahl X3 Nachkommen generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mutation durch Vertauschen von einer definierten Anzahl von Umfangspositionen, insbesondere von zwei Umfangspositionen, generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Mutationen die Vertauschung von Umfangspositionen auf zwei Quadranten des Gasturbinenrotors beschränkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl X3 der Anzahl X1 entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachkommen die Individuen einer neuen Elterpopulation bilden und im Sinne einer Schleife neue Nachkommen der jeweils neuen Elterpopulation gebildet werden, bis ein Nachkomme einen Fitnesswert aufweist, der kleiner als ein vorbestimmter Fitnesswert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn nach einer vorbestimmten Anzahl von neuen Elterpopulationen kein Nachkomme einen Fitnesswert aufweist, der kleiner als ein vorbestimmter Fitnesswert ist, das Verfahren abgebrochen und von vorne begonnen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Fitnessfunktion folgende Funktion verwendet wird:
wobei N die Anzahl der am Rotorgrundkörper zu befestigenden Laufschaufeln und E das Momentengewicht der i-ten Laufschaufel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors die Laufschaufeln am Rotorgrundkörper durch lineares Reibschweißen befestigt werden.