DE102008058141A1 - Verfahren zum Herstellen einer Schaufel für einen Rotor einer Strömungsmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schaufel für einen Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere für eine integral beschaufelte Blisk und/oder Bling einer Gasturbine, bei welchem ein poröser Formkörper bereitgestellt und anschließend zumindest bereichsweise mit einer Metalllegierung beschichtet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaufel für einen Rotor einer Strömungsmaschine, einen Rotor, ein Verfahren zum Herstellen und/oder Reparieren eines Rotors sowie eine Strömungsmaschine hierzu.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schaufel für einen Rotor einer Strömungsmaschine. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaufel für einen Rotor einer Strömungsmaschine, einen Rotor, ein Verfahren zum Herstellen und/oder Reparieren eines Rotors sowie eine Strömungsmaschine hierzu.
  • Schaufeln für Rotoren von Strömungsmaschinen, insbesondere für Rotoren von Gasturbinen, sind technisch nur aufwendig und entsprechen kostenintensiv herstellbar. Die Rotoren werden dabei zunehmend als integral beschaufelte Rotoren ausgebildet, die, wenn ein scheibenförmiger Rotorgrundkörper vorliegt, als Blisk (bladed disk) oder, wenn ein ringförmiger Rotorgrundkörper vorliegt, als Bling (bladed ring) bezeichnet werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Rotorherstellung erfordern dabei Schaufeln mit einem massiven Schaufelfuß, um die Kräfte des linearen Reibschweißprozesses, der zum Fügen der Schaufel mit dem Rotorgrundkörper verwendeten wird, einleiten zu können. Derartige Schaufeln, sogenannte Hohlschaufeln, werden üblicherweise durch superplastische Umformverfahren und Diffusionsverbinden von zwei Schaufelhälften mit einer dritten, gefalteten Zwischenlage hergestellt. Die Zwischenlage ist abwechseln auf der einen oder anderen Schaufelhälfte angebunden und erhöht so die Schaufelsteifigkeit.
  • Als nachteilig an den bekannten Schaufeln ist der Umstand anzusehen, dass diese technisch aufwendig und kostenintensiv in der Herstellung sind, wodurch sich die Herstellung eines mit einer derartigen Schaufel versehenen Rotors entsprechend verteuert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaufel der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine einfachere und kostengünstigere Herstellung eines Rotors für eine Strömungsmaschine ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 zum Herstellen einer Schaufel für einen Rotor einer Strömungsmaschine und eine Schaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 für einen Rotor einer Strömungsmaschine sowie durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentan spruchs 13 zum Herstellen und/oder Reparieren eines Rotors und eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens – soweit anwendbar – als vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaufel und umgekehrt anzusehen sind.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren, welches eine einfachere und kostengünstigere Herstellung eines Rotors für eine Strömungsmaschine ermöglicht, wird zunächst ein poröser Formkörper bereitgestellt und anschließend zumindest bereichsweise mit einer Metalllegierung beschichtet. Neben der einfacheren, kostengünstigeren und materialreduzierten Verfahrensdurchführung ist die hierdurch hergestellte Schaufel zudem gewichtsreduziert und besitzt eine hohe Schwingungssteifigkeit. Die Schwingungssteifigkeit wird durch den Unterschied im Elastizitätsmodul (E-Modul) zwischen dem vorzugsweise isotropen Formkörper und der als Oberflächen- bzw. Wandmaterial dienenden Metalllegierung erreicht. Die bei der Herstellung der Schaufel erzielten Vorteile werden grundsätzlich auch im Fall einer Reparatur der Schaufel bzw. eines mit einer derartigen Schaufel versehenen Rotors erzielt, da fehlendes oder beschädigtes Oberflächenmaterial durch erneutes Beschichten mit der Metalllegierung einfach und kostengünstig ausgebessert werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Formkörper bereitgestellt, der eine mit einer Außenkontur der Schaufel korrespondierende Außenkontur aufweist. Dies ermöglicht es, den Formkörper mit einer vergleichsweise geringen Menge an Metalllegierung zu beschichten, um die gewünschte Außenkontur der Schaufel zu erzeugen. Hierdurch werden zusätzliche Kosten- und Gewichtssenkungen erreicht. Die Metalllegierung kann zudem mit einer entsprechend gleichmäßigen Dicke auf den Formkörper aufgebracht werden. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass – beispielsweise in Abhängigkeit der gewünschten Außenkontur der Schaufel bzw. ihres späteren Einsatzzwecks – bereichsweise dickere oder dünnere Schichten an Metalllegierung auf den Formkörper aufgebracht werden.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, wenn ein gesinterter und/oder geklebter und/oder aufgeschäumter Formkörper bereitgestellt wird. Der Formkörper kann hierdurch besonders variabel ausgebildet und optimal an seine späteren Anforderungen angepasst werden. Es kann somit vorgesehen sein, dass ein aus zusammengesinterten oder -geklebten Hohlkugeln hergestellter Formkörper bereitgestellt wird, wobei die Hohlkugeln aus einem metallischen oder keramischen Material, einem Verbundwerkstoff oder dergleichen bestehen können. Ebenso kann vorgesehen sein, dass ein aus einem Metallschaum bestehender Formkörper bereitgestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Formkörper auch mehrteilig bzw. aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metalllegierung bezüglich einer Soll-Außenkontur der Schaufel zumindest bereichsweise mit einem Übermaß auf den Formkörper aufgebracht wird. Mit Hilfe eines derartigen Über- bzw. Aufmasses können etwaige Fertigungstoleranzen besser berücksichtigt und eine Ist-Außenkontur der Schaufel gegebenenfalls nachträglich an die Soll-Außenkontur angepasst werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Übermaß in einem zum Verbinden der Schaufel mit einem Rotorgrundkörper des Rotors vorgesehenen Verbindungsbereich erzeugt wird, wodurch eine verbesserte Schweißbarkeit erzielt wird.
  • Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, dass die Soll-Außenkontur der Schaufel nach dem Beschichten des Formkörpers zumindest im Bereich des Übermaßes mittels eines Trennverfahrens, insbesondere mittels eines Spanverfahrens und/oder eines elektrochemischen Abtragverfahrens, erzeugt wird. Auf diese Weise kann die gewünschte Soll-Außenkontur schnell, prozesssicher und präzise hergestellt werden. Dabei hat sich insbesondere die Verwendung von spanabhebenden Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide, beispielsweise Fräsen, als vorteilhaft gezeigt, um die Soll-Außenkontur der Schaufel kostengünstig mit der gewünschten Präzision herzustellen. Alternativ oder zusätzlich haben sich elektrochemische Abtragverfahren (ECM), insbesondere präzise elektrochemische Metallbearbeitungsverfahren (PECM), als vorteilhaft gezeigt, da auch hierdurch eine reproduzierbare Oberflächenbehandlung mit hoher Prozesssicherheit ermöglicht ist. Das Trennverfahren kann im Fall einer Reparatur der Schaufel analog zum einfachen, schnellen und präzisen Entfernen von überschüssiger Metalllegierung verwendet werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Metalllegierung eine Titanlegierung und/oder eine Aluminiumlegierung und/oder eine Stahllegierung verwendet wird. Hierdurch wird eine hohe mechanische, chemische und thermische Belastbarkeit der Schaufel bei gleichzeitig geringem Gewicht sichergestellt.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Metalllegierung mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere eines kaltkinetischen Kompaktierverfahrens, auf den Formkörper aufgebracht wird. Die Metalllegierung kann somit auf den Formkörper aufgebracht werden, ohne diesen an- bzw. aufzuschmelzen. Zudem wird eine hohe Oberflächengüte der Schaufel gewährleistet. Die Verwendung eines kaltkinetischen Kompaktierverfahrens (sog. K3- oder Coldspray-Verfahren) bietet den besonderen Vorteil, dass auf die Zufuhr von thermischer Energie zumindest weitgehend verzichtet werden kann und somit die Forderungen nach oxidarmen Oberflächenschichten zuverlässig erfüllbar sind. Darüber hinaus können besonders präzise Schichtdicken, -härten und -porositäten erzeugt werden. Grundsätzlich können jedoch beispielsweise auch Flammspritzverfahren, Plasmaspritzverfahren, Detonationsspritzverfahren, Lichtbogendrahtspritzverfahren und dergleichen verwendet werden. Entsprechendes gilt im Fall einer Reparatur der Schaufel, indem fehlendes oder beschädigtes Oberflächenmaterial durch erneutes Beschichten mit der Metalllegierung einfach ausgebessert werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Formkörper in einem zum Verbinden der Schaufel mit dem Rotor vorgesehenen Verbindungsbereich nicht mit der Metalllegierung beschichtet wird. Hierdurch ist es möglich, in einem späteren Fügeverfahren lediglich einen mit der Metalllegierung beschichteten Außenwandbereich der Schaufel – beispielsweise mittels eines induktiven Hochfrequenz-Pressschweißverfahrens (IHFP) – kerbenfrei mit einem Rotorgrundkörper des Rotors zu verbinden. Dies erleichtert im Fall von etwaigen Beschädigungen auch einen späteren Austausch bzw. eine Reparatur der Schaufel.
  • Alternativ hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Formkörper vollständig mit der Metalllegierung beschichtet wird. Dies erlaubt in der Folge ein vollflächiges Verschweißen der Schaufel mit dem Rotorgrundkörper des Rotors.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaufel für einen Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere für eine integral beschaufelte Blisk und/oder Bling einer Gasturbine, wobei eine einfachere und kostengünstigere Herstellbarkeit der Schaufel dadurch gegeben ist, dass die Schaufel einen porösen Formkörper umfasst, der zumindest bereichsweise mit einer Metalllegierung beschichtet ist. Neben der einfacheren, kostengünstigeren und materialreduzierten Herstellbarkeit ist die erfindungsgemäße Schaufel zudem gewichtsreduziert und besitzt eine hohe Schwingungssteifigkeit. Die Schwingungssteifigkeit wird dabei durch den Unterschied im Elastizitätsmodul (E-Modul) zwischen dem vorzugsweise isotropen Formkörper und der als Oberflächen- bzw. Wandmaterial dienenden Metalllegierung erreicht.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Schaufel mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele hergestellt ist. Die entsprechenden Merkmale und ihre jeweiligen Vorteile sind den entsprechenden Beschreibungen zu entnehmen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere integral beschaufelte Blisk und/oder Bling für eine Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper, an welchem wenigstens eine Schaufel angeordnet ist, wobei vorgesehen ist, dass die wenigstens eine Schaufel mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele hergestellt und/oder gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile gelten – soweit anwendbar – für den erfindungsgemäßen Rotor.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und/oder Reparieren eines Rotors für eine Strömungsmaschine, insbesondere einer integral beschaufelten Blisk und/oder Bling für eine Gasturbine, bei welchem an einem Rotorgrundkörper wenigstens eine Schaufel angeordnet und mit dem Rotorgrundkörper verbunden wird. Erfindungsgemäß wird hierbei eine einfachere und kostengünstigere Herstellung des Rotors dadurch ermöglicht, dass als wenigstens eine Schaufel eine mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele hergestellte Schaufel und/oder eine gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildete Schaufel verwendet wird. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den entsprechenden Beschreibungen zu entnehmen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die wenigstens eine Schaufel mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere eines induktiven Hochfrequenzpressschweißverfahrens, mit dem Rotorgrundkörper verbunden wird. Dies ermöglicht die Ausbildung einer einfachen, kostengünstigen und mechanisch stabilen Verbindung zwischen dem Rotorgrundkörper und der wenigstens einen Schaufel. Dabei kann natürlich vorgesehen sein, dass mehrere bzw. alle Schaufeln des Rotor auf diese Weise mit dem Rotorgrundkörper verbunden werden.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit wenigstens einem Rotor, insbesondere mit einer integral beschaufelten Blisk und/oder Bling, wobei der Rotor erfindungsgemäß eine mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele hergestellte Schaufel und/oder eine gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildete Schaufel umfasst und/oder gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind ebenfalls den entsprechenden Beschreibungen zu entnehmen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
  • Zunächst wird ein aus einem Metallschaum oder zusammengesinterten oder -geklebten Hohlkugeln gefertigter Formkörper bereitgestellt. Der Formkörper, der vorzugsweise bereits eine mit einer Soll-Außenkontur der Schaufel korrespondierende Außenkontur aufweist, wird anschließend mit einer Titanlegierung ummantelt, die über ein kaltkinetisches Kompaktierverfahren mit Auf- bzw. Übermaß aufgetragen wird. Alternativ oder zusätzlich können auch geeignete und dem Fachmann geläufige Aluminium- und/oder Stahllegierungen verwendet werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Formkörper mehrfach mit der Metalllegierung und/oder mit unterschiedlichen Metalllegierungen beschichtet wird, um spezielle Eigenschaften der Schaufel zu erhalten. Ebenso kann vorgesehen, dass der Formkörper insbesondere in einem zum Verbinden der Schaufel mit einem Rotorgrundkörper vorgesehenen Verbindungsbereich nicht beschichtet wird. In einem späteren Fügeverfahren werden somit nur beschichtete Wandbereiche der Schaufel mit dem Rotorgrundkörper verbunden.
  • Das Übermaß wird anschließend über Fräsen oder elektrochemisches Metallbearbeiten (ECM) bzw. präzises elektrochemisches Metallbearbeiten (PECM) abgetragen, so dass die gewünschte Soll-Außenkontur der Schaufel erzeugt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schaufel nicht im späteren Verbindungs- bzw. Schweißbereich, der zum Verscheißen der Schaufel mit einem Rotorgrundkörper dient, bearbeitet wird. Die Schaufel kann somit schnell, einfach, kostengünstig und materialreduziert hergestellt werden. Darüber hinaus ist die hierdurch hergestellte Schaufel sehr schwingungssteif und gegenüber üblichen Schaufeln gewichtsreduziert. Die Schwingungssteifigkeit wird dabei durch den Unterschied im Elastizitätsmodul (E-Modul) zwischen dem isotropen Formkörper und dem aus der Metalllegierung bestehenden Wandmaterial erreicht.
  • Zum Herstellen und/oder Reparieren eines Rotors wird die Schaufel an einem Rotorgrundkörper angeordnet und mit diesem verbunden. Zum Verbinden wird dabei beispielsweise ein induktives Hochfrequenz-Pressschweißverfahren (IHFP) als Fügeverfahren verwendet, wodurch eine kerbenfreie Verbindung zwischen der Schaufel und dem Rotorgrundkörper er zielt wird. Dabei können – wie bereits erwähnt – nur beschichtete Wandbereiche der Schaufel mit dem Rotorgrundkörper verbunden werden, so dass keine vollflächige Verschweißung zwischen Schaufel und Rotorgrundkörper durchgeführt, sondern nur der betreffende Wandbereich gefügt wird. Die Prüfbarkeit der Fügeverbindung ist dank der glatten Schweißwulst gegeben. Auch die Reparaturmöglichkeit des Rotors ist bei dieser Herstellroute gegeben. Insbesondere ist auch ein Schaufeltausch über IHFP möglich. Alternativ kann – gegebenenfalls nach einem Feinbearbeitungsschritt- eine Schaufel verwendet werden, die auch im Fügebereich mit der Metalllegierung beschichtet ist und hierdurch vollflächig auf den als Nabe dienenden Rotorgrundkörper geschweißt werden kann. Ein eventuell vorhandenes oder beim Schweißen entstandenes Aufmaß im Fügebereich kann beispielsweise durch einen anschließenden Fräsprozess einfach abgetragen werden. Vorzugsweise werden mehrere Schaufeln auf eine der vorstehend genannten Weisen mit dem Rotorgrundkörper verbunden, wodurch ein mehrschaufliger Rotor mit den genannten Vorteilen erzeugt werden kann.
  • Im Fall einer Reparatur kann beispielsweise fehlendes Oberflächenmaterial einer beschädigten Schaufel mit Hilfe des kaltkinetischen Kompaktierverfahrens ergänzt werden und durch adaptives Fräsen oder händisches Angleichen wieder auf die Soll-Außenkontur gebracht werden.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Schaufel für einen Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere für eine integral beschaufelte Blisk und/oder Bling einer Gasturbine, bei welchem ein poröser Formkörper bereitgestellt und anschließend zumindest bereichsweise mit einer Metalllegierung beschichtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper bereitgestellt wird, der eine mit einer Außenkontur der Schaufel korrespondierende Außenkontur aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein gesinterter und/oder geklebter und/oder aufgeschäumter Formkörper bereitgestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung bezüglich einer Soll-Außenkontur der Schaufel zumindest bereichsweise mit einem Übermaß auf den Formkörper aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Außenkontur der Schaufel nach dem Beschichten des Formkörpers zumindest im Bereich des Übermaßes mittels eines Trennverfahrens, insbesondere mittels eines Spanverfahrens und/oder eines elektrochemischen Abtragverfahrens, erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalllegierung eine Titanlegierung und/oder eine Aluminiumlegierung und/oder eine Stahllegierung verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere eines kaltkinetischen Kompaktierverfahrens, auf den Formkörper aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper in einem zum Verbinden der Schaufel mit einem Rotorgrundkörper des Rotors vorgesehenen Verbindungsbereich nicht mit der Metalllegierung beschichtet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper vollständig mit der Metalllegierung beschichtet wird.
  10. Schaufel für einen Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere für eine integral beschaufelte Blisk und/oder Bling einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen porösen Formkörper umfasst, der zumindest bereichsweise mit einer Metalllegierung beschichtet ist.
  11. Schaufel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
  12. Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere integral beschaufelte Blisk und/oder Bling für eine Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper, an welchem wenigstens eine Schaufel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaufel mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt und/oder gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11 ausgebildet ist.
  13. Verfahren zum Herstellen und/oder Reparieren eines Rotors für eine Strömungsmaschine, insbesondere einer integral beschaufelten Blisk und/oder Bling für eine Gasturbine, bei welchem an einem Rotorgrundkörper wenigstens eine Schaufel angeordnet und mit dem Rotorgrundkörper verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass als wenigstens eine Schaufel eine mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellte Schaufel und/oder eine gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11 ausgebildete Schaufel verwendet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaufel mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere eines induktiven Hochfrequenzpressschweißverfahrens, mit dem Rotorgrundkörper verbunden wird.
  15. Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, mit wenigstens einem Rotor, insbesondere mit einer integral beschaufelten Blisk und/oder Bling, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellte Schaufel und/oder eine gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11 ausgebildete Schaufel umfasst und/oder gemäß Anspruch 12 ausgebildet und/oder mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 oder 14 hergestellt ist.
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