DE102009004926A1

DE102009004926A1 - Vane-integrated split disk of a turbine or compressor stage

Info

Publication number: DE102009004926A1
Application number: DE200910004926
Authority: DE
Inventors: Frank Stiehler
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2010-07-22
Also published as: WO2010081467A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Stufe einer Turbine oder eines Verdichters mit einer Scheibe (1), an deren äußerer Umfangsfläche Schaufeln (2) angeschweißt sind. Erfindungsgemäß ist die Scheibe (1) in Axialrichtung zweigeteilt, wobei auf jeder Scheibenhälfte (1a, 1b) Schaufeln (2) mit jeweils der zweifachen Schaufelteilung angefügt sind.The invention relates to the stage of a turbine or a compressor with a disc (1), on whose outer peripheral surface blades (2) are welded. According to the invention, the disc (1) is split into two in the axial direction, with blades (2), each having twice the blade pitch, being added to each disc half (1a, 1b).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scheibe einer Turbinen- oder Verdichterstufe mit integrierten Strömungsleitelementen vorzugsweise Schaufeln gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The present invention relates to a disc of a turbine or Compressor stage with integrated flow guide preferably Shovels according to the generic term of claim 1

Schaufelintegrierte Scheiben, welche nachfolgend mit dem in der Fachwelt geläufigen Ausdruck „BLISK” (engl. Kurzform für „Blade Integrated Disk”) bezeichnet werden, sind Bauteile, die im Triebwerks- und Turbinenbau Verwendung finden.shovel Integrated Discs, which are described below with the term "BLISK" commonly known in the art. Short form for "Blade Integrated Disk ") are components that are used in engine and turbine construction.

Im Allgemeinen werden Turbinenstufen, die für Turbinen mit höheren Belastungen gebaut sind, aber auch Verdichterstufen heutzutage mit Einzelschaufeln bestückt, die jeweils über einen profilierten Fuß in eine Scheibe mit Nuten eingehängt und darin fixiert sind. Diese Bauweise ermöglicht es, für die Scheibe beispielsweise einen geschmiedeten Werkstoff mit optimalen Eigenschaften bezüglich Niedrigzyklusermüdung (Low-Cycle-Fatigue) und für die Einzelschaufeln beispielsweise Gusswerkstoffe mit polykristallinen, gerichtet erstarrten oder sogar monokristallinen Gefügen und optimalen Eigenschaften bezüglich Kriechverhalten zu verwenden. Die letztgenannte Beanspruchung durch Kriechen tritt dabei insbesondere bei hohen Fliehkräften und unter hohen Temperaturen auf, wie sie beispielsweise im Gaskanal einer Turbine vorherrschen.in the Generally, turbine stages will work for turbines with higher loads are built, but also compressor stages nowadays with individual blades stocked, each over a profiled foot in a disc hung with grooves and are fixed in it. This construction allows for the disc For example, a forged material with optimal properties in terms of Low cycle fatigue (Low-cycle fatigue) and for the individual blades, for example cast materials with polycrystalline, directionally solidified or even monocrystalline structures and optimal properties To use creep behavior. The latter claim by Creep occurs especially at high centrifugal forces and under high temperatures, such as in the gas channel a turbine prevail.

Jedoch stellt das Gewicht einer derart aufgebauten Verdichter- oder Turbinenstufe nach wie vor ein entscheidendes Kriterium für deren Tauglichkeit im Bereich der Luftfahrt dar. Insbesondere schnell laufende NDT's (Niederdruckturbinen) weisen nach dem aktuellen Stand der Technik noch eine Überschreitung des vorgegebenen Gewichtszieles auf, was folglich eine konsequente optimale Gestaltung vor allem der Rotorbauteile erforderlich macht. Auch muss für die Verdichter- oder Turbinenstufe eine Konstruktionsbauweise gefunden werden, die verhindert, dass die bekanntermaßen extrem hohen Temperaturen der Schaufeln in Form von Wärmeenergie in die vergleichsweise kalte Scheibe übertragen werden, was zu einer thermomechanischen Belastung und damit Rissbildung in der Scheibe führen kann. Schließlich bedeutet die Ermöglichung einer kostengünstigen Reparatur von derartigen Verdichter- oder Turbinenstufen eine Herausforderung an die Konstruktion der jeweiligen Stufe.however represents the weight of a compressor or turbine stage constructed in this way still a decisive criterion for their suitability in the field aerospace. In particular, fast-running NDTs (low-pressure turbines) according to the current state of the art still exceed the predetermined weight goal, which consequently a consistent optimal design especially the rotor components required. Also needs for the compressor or turbine stage found a construction design Be that prevents the known extremely high temperatures the blades in the form of heat energy in the comparatively cold disk are transmitted, resulting in a thermomechanical load and thus cracking in the disc to lead can. After all means enabling a cost-effective Repair of such compressor or turbine stages a challenge to the construction of each stage.

Eine teilweise Lösung der vorstehend genannten Probleme stellen Verdichter- und Turbinenstufen dar, die nach dem Konstruktionsprinzip einer BLISK aufgebaut sind. Grundlage einer BLISK ist vorzugsweise eine geschmiedete Scheibe, aus deren Außenkontur beispielsweise durch spanende Bearbeitung die Schaufelprofile ausgearbeitet sind. D. h. die Scheibe und die Schaufeln sind aus einem Teil gefertigt.A partial solution The problems mentioned above make compressor and turbine stages which are constructed according to the design principle of a BLISK. Basis of a BLISK is preferably a forged disc, from its outer contour for example, by machining the blade profiles worked out are. Ie. the disc and the blades are made of one piece.

Durch das Ersetzen von teilweise mehr als 120 einzelnen Schaufeln je Scheibe durch eine solche BLISK entfallen Bearbeitungs- und Montagekosten für die Schaufeln, wodurch die Herstellung eines Neuteils insgesamt verringert wird. Des Weiteren wird durch dieses Verfahren eine erhebliche Gewichtsersparnis erreicht, was vor allem in der Luftfahrt von großem Interesse ist. Allerdings können derzeit im Wesentlichen nur weniger belastete Komponenten eines Triebwerks durch eine Blisk ersetzt werden, die nach dem vorstehend genannten Verfahren hergestellt ist. Auch ist das Erneuern einer Blisk im Gegensatz zum Ersetzen einzelner Schaufeln sehr aufwändig und teuer.By the replacement of partially more than 120 individual blades per disc Such a BLISK eliminates machining and assembly costs for the Shovels, thereby reducing the production of a new part in total becomes. Furthermore, this method saves considerable weight achieved, which is of great interest, especially in aviation. Indeed can currently essentially only less loaded components of an engine be replaced by a blisk after the above Process is made. Also, renewing a blisk is in the Unlike replacing individual blades very complex and expensive.

Um die Reparaturkosten zu verringern, werden daher abgenutzte BLSKs zunehmend durch metallauftragende Verfahren wie dem Laserauftragsschweißen repariert. Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Reparatur von BLISKs ist das Reibschweißen. Hier wird eine beschädigte oder verschlissene Schaufel von der BLISK getrennt und durch eine neue Schaufel mittels Reibschweißen bzw. IHFP (Induktives Hochfrequenzpressschweißen) ersetzt.Around Therefore, to reduce repair costs will become worn-out BLSKs increasingly repaired by metal-plating processes such as laser cladding. Another known method of repairing BLISKs is the Friction welding. Here is a damaged one or worn shovel separated from the BLISK and replaced by a new one Shovel by friction welding or replaced IHFP (Inductive High Frequency Press Welding).

Diese neuartigen, ursprünglich nur zur Reparatur von BLISKs vorgesehenen Verfahren schaffen nunmehr jedoch auch die Voraussetzung für die Neuherstellung einer thermisch und mechanisch hoch belastbaren Verdichter- oder Turbinenblisk, indem sie grundsätzlich die Möglichkeit bereitstellen, eine Verbindung zwischen Einzelteilen bestehend aus jeweils anderen Werkstoffen mit verschiedenen Gefügen herzustellen. Die dafür notwendigen Fügeverfahren wie beispielsweise das vorstehend genannte Reibschweißen oder das induktive Hochfrequenz- Pressschweißen (IHFP) wurden bereits in den letzten Jahren auch durch die vorliegende Anmelderin dieser Anmeldung in diese Richtung weiterentwickelt und für die Neuteilherstellung und die Reparatur unter anderem von Verdichterblisks vor allem aus Titanlegierungen erfolgreich angewandt. Diese Technik findet jedoch auch Verwendung bei der Herstellung von BLISKs auf der Verdichterseite eines Triebwerks, die jeweils mit Scheiben aus Titan ausgerüstet sind oder von BLISKs auf der Turbinenseite, deren Triebwerksscheiben meist aus einer oberflächengehärteten Nickel-Legierung bestehen.These novel, original only to repair BLISK's proposed procedures now create but also the condition for the new production of a thermally and mechanically highly resilient Compressor or Turbinenblisk, by basically the possibility provide a connection between items consisting of each other to produce different materials with different structures. The one for it necessary joining process such as the above-mentioned friction welding or inductive high-frequency pressure welding (IHFP) were already in recent years by the present Applicant of this application further developed in this direction and for the New parts production and repair of, among other things, compressor blisks especially successfully used in titanium alloys. This technique finds however, also used in the manufacture of BLISKs on the compressor side of an engine, each equipped with discs of titanium or of BLISKs on the turbine side, their engine disks mostly made of a surface-hardened nickel alloy consist.

Trotz des weiter ausgedehnten Einsatzbereichs der BLISKs besteht nach wie vor das Problem der Heißgasabschirmung bzw. Kühlung der Scheibe zur Vermeidung von thermisch verursachten Spannungsrissen. Insbesondere beim Einsatz von BLISKs in einer Turbine entstehen aufgrund der notwendigen Schaufelkühlung Probleme bei der Herstellung und Anbringung der Schaufeln auf der Scheibe, da die Kühlung durch die Scheibe in die Schaufel strömt. D. h. innerhalb der Scheibe sind in der Regel Kühlkanäle ausgebildet, welche in die Schaufel führen müssen, um diese von Innen zu kühlen. Diese Kühleinrichtung führt zu dem Problem, dass beim Aufschweißen des Schaufelblattes oder der Schaufel auf die Scheibe die Kühlkanäle beachtet werden müssen, um zum Einen eine exakte Positionierung der Schaufel zu garantieren und zum Anderen ein Verschließen der Kanäle während des Fügevorgangs zu verhindern. Ein geschaffener Freiraum um die Schaufel führt zu einem besseren Greifen beim Fügen (z. B. beim LRS), zum Ermöglichen einer allseitigen Nachbearbeitung und zum besseren Prüfen.Despite the extended use of BLISKs, there is still the problem of hot gas shielding or cooling of the pane to avoid thermally induced stress cracks. In particular, when using BLISKs in a turbine problems arise due to the necessary blade cooling in the manufacture and attachment of the blades on the disc, as the cooling flows through the disc in the blade. D. H. Within the disc cooling ducts are usually formed, which must lead into the blade to cool them from the inside. This cooling device leads to the problem that when welding the airfoil or the blade on the disc, the cooling channels must be observed in order to guarantee on the one hand exact positioning of the blade and on the other to prevent closure of the channels during the joining process. A clearance created around the blade results in better gripping on joining (eg, LRS), enabling all-round post-processing, and better inspection.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine BLISK bereitzustellen, deren Einsatzmöglichkeit auch auf thermisch hoch belastete Stufen erweitert ist und deren Herstellung vereinfacht werden kann.It It is therefore the object of the present invention to provide a BLISK their possible use is extended to thermally highly loaded stages and their Production can be simplified.

Diese Aufgabe wird durch eine BLISK mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These Task is by a BLISK with the features of the claim 1 solved.

Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht demzufolge darin, die Scheibe einer Verdichter- oder Turbinenstufe in Axialrichtung zweizuteilen, wobei auf jeder Scheibenhälfte Schaufeln mit jeweils der zweifachen Schaufelteilung angefügt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlkanäle innerhalb der Scheibe einfacher ausgebildet werden können, da diese während des Herstellungsverfahrens von Außen zugänglich sind. D. h. die Kühlkanäle können zweckmäßiger Weise auf der jeweils zugewandten Stirnseite einer oder beider Scheibenhälften in Form von Rillen oder Spalte ausgebildet sein und sich erst bei Zusammenführen beider Scheibenhälfen zu dem Kühlkanal schließen. Diese Zugänglichkeit ist nachfolgend auch beim Anfügen der Schaufeln von Vorteil, da hier zum Einen die korrekte Position der jeweiligen Schaufel bezüglich des Kühlkanals visuell nachprüfbar ist und zum Anderen ein Verschließen der betreffenden Kanäle verhindert werden kann. Sollte nämlich Fügematerial unbeabsichtigt in einen Kühlkanal einfließen kann dieses nachträglich durch ein geeignetes metallbearbeitendes Verfahren wie Räumen, Stoßen etc. entfernt und somit der Kanal freigelegt bzw. gesäubert werden.Of the Accordingly, the core of the present invention is the disk bisecting a compressor or turbine stage in the axial direction, being on each slice half Blades each having twice the blade pitch are added. This has the advantage that the cooling channels within the disc can be made easier, as this during the Production process from outside accessible are. Ie. the cooling channels can expediently on the respectively facing end face of one or both disc halves in Form of grooves or gaps be formed and only when merging the two Scheibenhälfen to the cooling channel shut down. This accessibility is also attached below The blades of advantage because here, on the one hand, the correct position the respective blade with respect of the cooling channel Visually verifiable and on the other hand prevents closure of the respective channels can be. Should namely Add material can inadvertently flow into a cooling channel this later by a suitable metalworking method such as broaching, bumping etc. removed and thus the channel are exposed or cleaned.

Auf diese Weise wird bereits fertigungstechnisch eine ausreichende Kühlung der Schaufeln gewährleistet und damit die BLISK auch für den Einsatz in thermisch hoch belasteten Bereichen tauglich gemacht.On This way is already production technology sufficient cooling Shovels guaranteed and with it the BLISK also for suitable for use in areas subject to high thermal loads.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Diese Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße BLISK in einer Explosionsdarstellung sowie in einem fertig montierten Zustand.The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail with reference to the accompanying drawings. This drawing shows the BLISK according to the invention in an exploded view as well as in a fully assembled Status.

In der anliegenden Figur ist der radial äußere Scheibenabschnitt einer Verdichter- oder Turbinenstufe dargestellt. Die Stufe ist nach dem Konstruktionsprinzip einer BLISK aufgebaut, d. h. an eine Scheibe 1 sind eine Anzahl von Schaufeln 2 durch ein bekanntes Schweißverfahren wie das Reibschweißen (z. B. LRS), Schmelzschweißen (z. B. EB) oder das induktive Hochfrequenz-Pressschweißen gefügt.In the accompanying figure, the radially outer disc portion of a compressor or turbine stage is shown. The step is constructed according to the design principle of a BLISK, ie to a disc 1 are a number of blades 2 by a known welding process such as friction welding (eg LRS), fusion welding (eg EB) or inductive high frequency pressure welding joined.

Die Scheibe 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Axialrichtung vorzugsweise zweigeteilt und besteht somit aus einer axial vorderen Hälfte 1a und einer axial hinteren Hälfte 1b. An beiden Hälften 1a, 1b sind umfangsseitig Schaufeln 2 angefügt und zwar mit jeweils der zweifachen Schaufelteilung, derart, dass sich bei Zusammenfügen beider Scheibenhälften 1a, 1b die Schaufeln 2 der einen Hälfte 1a zwischen den Schaufeln 2 der anderen Hälfte 1b anordnen. Konkreter ausgedrückt ist der radial äußere Umfangsabschnitt jeder Scheibenhälfte 1a, 1b zu einem so genannten Interface 3 ausgebildet, das in seinem Querschnitt eine prismatische oder kegelstumpfartige Form aufweist. An der radialen Umfangsfläche des Interface 3 sind die Schaufeln 2 durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Schweißverfahren angefügt. Zum Einen kann das Schaufelblatt auf das Filletinterface aufgeschweißt sein und zum Anderen kann die Schaufel (Blatt und Fuß) auf das Interface aufgeschweißt sein.The disc 1 is in the present embodiment, preferably in two parts in the axial direction, and thus consists of an axially front half 1a and an axially rear half 1b , On both halves 1a . 1b are circumferentially shovels 2 attached, and in each case with the double blade pitch, such that when joining both disc halves 1a . 1b the blades 2 one half 1a between the blades 2 the other half 1b Arrange. More specifically, the radially outer peripheral portion of each disc half 1a . 1b to a so-called interface 3 formed, which has a prismatic or frustoconical shape in its cross section. At the radial peripheral surface of the interface 3 are the shovels 2 Attached by a known from the prior art welding process. On the one hand, the blade can be welded onto the fillet interface and, on the other hand, the blade (blade and foot) can be welded onto the interface.

Beide Schaufelhälften 1a, 1b sind ferner mit zusammenwirkenden Eingriffmitteln beispielsweise in Form von Vor- und Rücksprüngen, Nuten und Federn oder Zapfen und Bohrungen versehen, die bei Zusammenführen beider Scheibenhälften 1a, 1b eine formschlüssige Verbindung schaffen. Diese Verbindung kann auch mit zusätzlichen Verbindungselementen versehen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Eingriffsmittel durch die Filletinterfaces 3 der Schaufelhälften 1a, 1b gebildet, welche nach Art einer Verzahnung axiale Vor- und Rücksprünge 4a, 4b aufweisen, die bei Zusammenführen beider Schaufelhälften 1a, 1b ineinander in Umfangsrichtung verzahnen. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die Schaufeln 2 bevorzugt auf den jeweiligen Vorsprungsabschnitten 4a, 4b jedes „Fillet”-Interface 3 aufgeschweißt sind, wodurch gewährleistet wird, dass sich die Schaufeln 2 bei axialem Zusammenführen der Scheibenhälften 1a, 1b in einer Ebene anordnen.Both blade halves 1a . 1b are further provided with cooperating engagement means, for example in the form of projections and recesses, grooves and tongues or pegs and bores, when merging both disc halves 1a . 1b create a positive connection. This connection can also be provided with additional connecting elements. In the present embodiment, the engagement means through the Filletinterfaces 3 the blade halves 1a . 1b formed, which in the manner of a toothing axial projections and recesses 4a . 4b that when merging both blade halves 1a . 1b mesh with each other in the circumferential direction. At this point it should be noted that the blades 2 preferably on the respective projecting portions 4a . 4b every "fillet" interface 3 are welded, which ensures that the blades 2 in axial merge of the disc halves 1a . 1b arrange in a plane.

Die Scheiben können axial anliegen (ungekühlt) oder auf Distanz gehalten werden (gekühlt). Die Scheiben können auch mit Konturen oder Elementen versehen werden, die die Pumpwirkung (zur Kühlluftförderung) verstärken.The discs can rest axially (uncooled) or be kept at a distance (cooled). The discs can also be provided with contours or elements that the pumping action (for Cooling air promotion).

An der Stirnseite jeder der Scheibenhälften 1a, 1b, welche einander zugewandt sind, sind Kühlkanäle (nicht weiter dargestellt) in Form von Rinnen ausgeformt, welche sich radial vom Zentrum der Scheibenhälften 1a, 1b nach außen erstrecken und in ebenfalls nicht gezeigte Kühlkanäle der jeweils darauf geschweißten Schaufeln 2 münden. Werden die beiden Scheibenhälften 1a, 1b stirnseitig aufeinandergepresst, schließen sich die Kühlkanäle axial dichtend ab und es wird so ein sicherer Kühlmittelzulauf zu den einzelnen Schaufeln 2 gewährleistet.At the front of each of the pan halves 1a . 1b , which are facing each other, cooling channels (not shown) are formed in the form of grooves, which extend radially from the center of the disc halves 1a . 1b extend outwardly and in likewise not shown cooling channels of each welded thereon blades 2 lead. Be the two disc halves 1a . 1b The front side pressed together, the cooling channels close off axially sealing and it is so a safe coolant supply to the individual blades 2 guaranteed.

Für ein festes Verbinden der beiden Scheibenhälften 1a, 1b ist eine nicht weiter dargestellte axial wirkende Spanneinrichtung vorgesehen. Diese kann im einfachsten Fall von in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeten Spannbolzen oder Nieten gebildet sein oder es ist eine zentrale Wellenmutter vorgesehen, über die beide Scheibenhälften 1a, 1b miteinander verschraubt werden.For a firm connection of the two disc halves 1a . 1b is provided not shown axially acting clamping device. This may be formed in the simplest case of equally spaced circumferentially clamping bolts or rivets or it is provided a central shaft nut, on the two disc halves 1a . 1b be bolted together.

Claims

Stage of a turbine or a compressor with a disc ( 1 ), on whose outer peripheral surface blades ( 2 ) are welded, characterized in that the disc ( 1 ) is split in two in the axial direction and on each disc half ( 1a . 1b ) Paddles ( 2 ) are added with the double blade pitch.

Stage according to claim 1, characterized in that the mutually aligned axial end faces of each disc half ( 1a . 1b ) are provided with recesses, which in merging the disc halves ( 1a . 1b ) forming internal cooling channels, which in cooling channels within the blades ( 29 ).

Stage according to claim 1 or 2, characterized in that the disc halves ( 1a . 1b ) releasably positively and non-positively connected to each other.

Stage according to claim 3, characterized in that each half ( 1a . 1b ) have on their outer peripheral portion axial projections and recesses, which in merging the shell halves ( 1a . 1b ) interlock and form a positive connection in the circumferential direction.

Stage according to claim 4, characterized in that the blades ( 2 ) on the projections of the disc halves ( 1a . 1b ) are welded.

Stage according to one of the preceding claims, characterized by a clamping device for an axial compression of the two shell halves ( 1a . 1b ).