DE102009006229B4 - Process for the production of turbine or compressor disks - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Turbinen- oder Verdichterscheiben für Gasturbinen, insbesondere Fluggasturbinen, bei dem ein Schmiederohling mit bestimmter Schmiedekontur (1) einem Wärmebehandlungs- und einem anschließenden Abkühlungsprozess unterworfen und danach auf die Einbaukontur (2) abgedreht wird, wobei der Schmiederohling zur Erzielung bestimmter Temperaturgradienten während des Abkühlprozesses und damit zur gezielten Beeinflussung der Höhe und Verteilung der Druck- und Zugeigenspannungen in der Einbaukontur (2) in einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet wird, indem zunächst die in der aus einer herkömmlichen Schmiedekontur abgedrehten Einbaukontur vorhandene Höhe und Verteilung der Eigenspannungen ermittelt und bewertet wird und auf dieser Basis in bestimmten Oberflächenbereichen der Schmiedekontur die Oberflächenbeschaffenheit zur Erzielung eines mehr oder weniger großen Wärmeübergangs und Einprägung bestimmter Eigenspannungen eingestellt wird.Process for the production of turbine or compressor disks for gas turbines, in particular aircraft gas turbines, in which a forging blank with certain forging contour (1) is subjected to a heat treatment and a subsequent cooling process and then turned to the installation contour (2), wherein the forging blank to achieve certain temperature gradients during the cooling process and thus for the targeted influencing of the height and distribution of the compressive and tensile stresses in the installation contour (2) is formed in a particular surface texture by first determined and evaluated in the wormed from a conventional forging contour installation height existing and distribution of residual stresses and on this basis in certain surface areas of the forging contour, the surface texture to achieve a more or less large heat transfer and impression of certain residual stresses is set.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Turbinen- oder Verdichterscheiben für Gasturbinen, insbesondere Fluggasturbinen, bei dem ein Schmiederohling mit bestimmter Schmiedekontur einem Wärmebehandlungs- und einem anschließenden Abkühlungsprozess unterworfen und danach auf die Endkontur abgedreht wird.The invention relates to a method for producing turbine or compressor disks for gas turbines, in particular aircraft gas turbines, in which a forging blank with a specific forging contour is subjected to a heat treatment and a subsequent cooling process and then turned to the final contour.

Turbinen- und Verdichterscheiben von Gasturbinen sind während des Betriebs aufgrund der hohen Drehzahlen und Temperaturen erheblichen Belastungen unterworfen. Unabhängig von der äußeren Belastung sind in dem Scheibenkörper zudem durch plastische Verformung des Materials erzeugte Eigenspannungen vorhanden. Die mit der äußeren Belastung verbundenen Zugspannungen, die sich mit den unabhängig von den äußeren Kräften in der Scheibe vorliegenden Zugeigenspannungen überlagern können, führen zu einer Schädigung des Scheibenmaterials und – insbesondere in den hoch beanspruchten äußeren Bereichen der Scheiben – zur Rissbildung und damit zur Verringerung der Lebensdauer. Wenn die aus der äußeren Belastung resultierenden Zugspannungen im hoch belasteten Randbereich der Scheibe jedoch von dort vorhandenen Druckeigenspannungen überlagert werden, verringert sich die Zugspannung und damit die Beanspruchung in diesen Gebieten, so dass die Lebensdauer der Scheiben erhöht wird bzw. das Gewicht der Scheiben verringert werden kann.Turbine and compressor disks of gas turbines are subjected to considerable loads during operation due to the high rotational speeds and temperatures. Regardless of the external load, residual stresses generated by plastic deformation of the material are also present in the disk body. The tensile stresses associated with the external load, which may interfere with the inherent tensile stresses present in the disc independently of the external forces, result in damage to the disc material and, particularly in the highly stressed outer regions of the discs, to cracking and hence reduction of Lifespan. However, if the resulting from the external stress tensile stresses are superimposed in the highly loaded edge region of the disc from there existing compressive stresses, the tensile stress and thus the stress in these areas, so that the life of the discs is increased or the weight of the discs are reduced can.

Die Herstellung der Verdichter- oder Turbinenscheiben erfolgt bekanntermaßen in einem ersten Verfahrensschritt durch Schmieden eines zugeschnittenen Rohlings zu einem Schmiedeteil mit bestimmter Schmiedekontur. Infolge der plastischen Verformung während des Schmiedens wird in der Schmiedekontur ein Eigenspannungszustand mit in der Höhe und Verteilung undefinierten Zugeigenspannungen und Druckeigenspannungen erzeugt. In den darauf folgenden Verfahrensschritten wird die Schmiedekontur zum Abbau der Eigenspannungen zunächst einer Wärmebehandlung und anschließend einem Abkühlprozess in einem Öl- oder Wasserbad unterworfen. Während des Kühlvorgangs durchläuft die wärmebehandelte Schmiedekontur in dem Kühlmedium drei aufeinander folgende, als Filmsieden, als Übergangssieden und als Blasensieden des Kühlmediums bezeichnete Abkühlphasen. Die letzte Abkühlphase, das sogenannte Blasensieden, bewirkt einen hohen Wärmeübergang von der Schmiedekontur auf das Kühlmedium und führt zu einem entsprechend großen, mit der Entstehung hoher Spannungen verbundenen Temperaturgradienten in der Schmiedekontur. Aufgrund der Spannungen und daraus resultierender Dehnungen infolge Plastifizierung entstehen auf der Außenseite der Schmiedekontur Druckspannungen und in deren Innerem Zugspannungen, die miteinander im Gleichgewicht stehen.The production of the compressor or turbine disks is known to be carried out in a first process step by forging a cut blank to a forging with specific forging contour. As a result of the plastic deformation during forging, a residual stress state is generated in the forging contour with undefined tensile residual stresses and residual compressive stresses in the height and distribution. In the subsequent process steps, the forging contour is first subjected to a heat treatment and then a cooling process in an oil or water bath to reduce the residual stresses. During the cooling process, the heat-treated forging contour in the cooling medium undergoes three consecutive cooling phases, referred to as film boiling, transition boiling, and nucleate boiling of the cooling medium. The last cooling phase, the so-called nucleate boiling, causes a high heat transfer from the forging contour to the cooling medium and leads to a correspondingly large, associated with the emergence of high voltages temperature gradient in the forging contour. Due to the stresses and resulting expansion due to plasticization, compressive stresses develop on the outside of the forging contour and tensile stresses in the interior thereof which are in equilibrium with one another.

In dem nachfolgenden Verfahrensschritt, in dem die Schmiedekontur auf die Endkontur abgedreht wird, wird der bei der Wärmebehandlung und Abkühlung in die Schmiedekontur eingeprägte Eigenspannungszustand infolge der Materialentfernung wieder geändert, da sich die Eigenspannungen zur Aufrechterhaltung des Kräftegleichgewichts im Innern der fertig bearbeiteten Scheibe (Endkontur) umlagern. Infolge dieser Umlagerung der im Abkühlungsprozess eingeprägten Eigenspannungsverteilung können daher in oberflächennahen Bereichen der Scheibe Zugspannungen entstehen, die zu der eingangs erwähnten Verringerung der Lebensdauer von Turbinen- und Verdichterscheiben führen können.In the subsequent process step in which the forging contour is turned to the final contour, the inherent stress state impressed on the forging contour during the heat treatment and cooling is changed again as a result of the removal of material, since the residual stresses in the interior of the finished disc (final contour) maintain the equilibrium of forces. rearrange. As a result of this rearrangement of the inherent stress distribution impressed in the cooling process, it is therefore possible to generate tensile stresses in areas near the surface of the disk which can lead to the reduction in the service life of turbine and compressor disks mentioned in the introduction.

Durch verschiedene Kühlparameter kann zwar der Eigenspannungszustand geändert werden, jedoch ist eine gezielte Einflussnahme auf die Eigenspannungsverteilung über den Querschnitt der Scheibenkontur mittels der bekannten Kühlprozessparameter wie Anströmgeschwindigkeit oder Strömungsführung des Kühlmediums an der Werkstückoberfläche und die Art oder die Anfangstemperatur des Kühlmittels nicht möglich, so dass durch die in Randbereichen auftretenden Zugspannungen Materialschädigungen auftreten können bzw. das tatsächliche Festigkeitspotential der Scheibe nicht genutzt werden kann.Although the residual stress state can be changed by different cooling parameters, a targeted influence on the residual stress distribution over the cross section of the disk contour by means of the known cooling process parameters such as flow velocity or flow control of the cooling medium on the workpiece surface and the type or the initial temperature of the coolant is not possible, so that the tensile stresses occurring in edge regions may result in material damage or the actual strength potential of the disk can not be used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Herstellung von Turbinen- und Verdichterscheiben anzugeben, das eine lange Lebensdauer der Scheibe und die Nutzung des Festigkeitspotentials der Scheibe in vollem Umfang gewährleistet.The invention has for its object to provide a method of the type mentioned for the production of turbine and compressor discs, which ensures a long life of the disc and the use of the strength potential of the disc in full.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention the object is achieved by a method according to the features of patent claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass bestimmte Oberflächenbereiche des Schmiederohlings zur Erzielung bestimmter Temperaturgradienten während des Abkühlprozesses und damit zur gezielten Beeinflussung der Höhe und Verteilung der Druck- und Zugeigenspannungen in der Schmiedekontur in einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet werden. Auf der Grundlage des jeweiligen Temperaturgradienten und der daraus resultierenden plastischen Deformation werden die in der Einbaukontur vorhandenen Druck- und Zugeigenspannungen so beeinflusst, dass die Lebensdauer und Sicherheit erhöht wird. Darüber hinaus kann das Festigkeitspotential der Scheibe besser genutzt und dadurch das Scheibengewicht reduziert werden. Erfindungsgemäß wird zunächst die in der aus einer herkömmlichen Schmiedekontur abgedrehten Einbaukontur vorhandene Höhe und Verteilung der Eigenspannungen ermittelt und bewertet und auf dieser Basis in bestimmten Oberflächenbereichen der Schmiedekontur die Oberflächenbeschaffenheit zur Erzielung eines an die angestrebte Eigenspannungsverteilung angepassten, mehr oder weniger großen Wärmeübergangs eingestellt.The basic idea of the invention is that certain surface areas of the forging blank are formed to achieve certain temperature gradients during the cooling process and thus for selectively influencing the height and distribution of the compressive and tensile residual stresses in the forging contour in a specific surface finish. On the basis of the respective temperature gradient and the resulting plastic deformation, the compressive and tensile residual stresses present in the installation contour are influenced in such a way that the service life and safety are increased. In addition, the strength potential of the disc can be better utilized, thereby reducing the weight of the disc become. According to the present invention, the height and distribution of the residual stresses present in the fitting contour turned off from a conventional forging contour is first of all determined and evaluated, and the surface finish is adjusted on this basis in certain surface areas of the forging contour to achieve a more or less large heat transfer adapted to the desired residual stress distribution.

Die lokale Änderung der Oberflächenbeschaffenheit einschließlich der Ermittlung und Bewertung der entsprechenden Eigenspannungen wird so oft wiederholt, bis der in der jeweils zugehörigen Einbaukontur ermittelte Eigenspannungsverlauf den Anforderungen an ein geringes Schädigungsverhalten genügt.The local change of the surface condition, including the determination and evaluation of the corresponding residual stresses, is repeated until the residual stress profile determined in the respectively associated installation contour meets the requirements for a low damage behavior.

Die Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur ist in Druckspannungsrandbereichen der entsprechenden Einbaukontur glatt und glänzend und in Zugeigenspannungsrandbereichen der entsprechenden Einbaukontur zur Erzielung eines hohen Wärmeübergangs und dementsprechend großen Temperaturgradienten rau und dunkel ausgebildet.The surface finish of the forged contour is smooth and shiny in compressive stress margins of the corresponding installation contour and rough and dark in tensile residual stress margins of the corresponding installation contour to achieve a high heat transfer and correspondingly large temperature gradients.

In weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden – ausgehend von einer Schmiedekontur mit üblicher Oberflächenausbildung – auf der Grundlage einer numerischen Simulation der realen Wärmebehandlungs- und Abkühlungsbedingungen mit CFD-Methoden zunächst die Temperaturfelder der Schmiedekontur ermittelt.In a further embodiment of the method according to the invention, based on a numerical simulation of the real heat treatment and cooling conditions with CFD methods, the temperature fields of the forging contour are first determined on the basis of a forging contour with conventional surface formation.

Auf der Basis der zuvor ermittelten zeitabhängigen Temperaturverteilung werden anschließend die in die Schmiedekontur eingeprägten Zug- und Druckeigenspannungen nach der „Finite-Elemente-Methode” berechnet. Danach wird in einer numerischen Simulation durch Entfernen der entsprechenden finiten Elemente die Schmiedekontur zur Einbaukontur abgedreht und die sich in dieser einstellende Eigenspannungsverteilung nach der „Finite-Elemente-Methode” berechnet. Schließlich wird die ermittelte Eigenspannungsverteilung auf der Basis der Scheibenbelastung im Betrieb hinsichtlich des zu erwartenden Schädigungsverhaltens bewertet und gegebenenfalls eine geänderte Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur eingestellt.On the basis of the previously determined time-dependent temperature distribution, the tensile and compressive residual stresses impressed into the forging contour are then calculated according to the "finite element method". Then, in a numerical simulation, by removing the corresponding finite elements, the forging contour is turned off from the installation contour and the residual stress distribution which results in this calculation is calculated according to the "finite element method". Finally, the determined residual stress distribution on the basis of the wheel load during operation is evaluated with regard to the expected damage behavior and, if appropriate, a changed surface finish of the forging contour is set.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention will be explained in more detail in conjunction with the accompanying drawings. Show it:

1 ein Ablaufschema zur Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit mit optimaler Eigenspannungsverteilung in der Endkontur einer Verdichterscheibe; 1 a flow chart for determining the surface condition with optimal residual stress distribution in the final contour of a compressor disk;

2 eine übliche erste Schmiedekontur eines Schmiederohlings mit der Verteilung der Zug- und Druckeigenspannungen über der Querschnittsfläche; 2 a typical first forging contour of a forging blank with the distribution of tensile and compressive stresses over the cross-sectional area;

3 die Endkontur einer Verdichterscheibe nach dem Abdrehen des Schmiederohlings gemäß 2 mit über deren Querschnittsfläche dargestellter Eigenspannungsverteilung; 3 the final contour of a compressor disk after turning off the forging blank according to 2 with residual stress distribution represented over its cross-sectional area;

4 die Endkontur der Verdichterscheibe mit einer durch Änderung der Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur erzielten optimalen Eigenspannungsverteilung; und 4 the final contour of the compressor disk with an optimum residual stress distribution achieved by changing the surface condition of the forging contour; and

5 eine schematische Darstellung des Wärmeübergangs bei glatt oder rau ausgebildeten Oberflächenbereichen einer Schmiedekontur. 5 a schematic representation of the heat transfer in smooth or rough trained surface areas of a forging contour.

Gemäß dem in 1 dargestellten Ablaufschema wird in Schritt I für einen Schmiederohling mit bestimmter Schmiedekontur 1 (2) und entsprechender – unbehandelter – Oberflächenbeschaffenheit der temperaturabhängige Wärmeübergangskoeffizient experimentell ermittelt.According to the in 1 The flow chart shown in step I is for a forging blank with a specific forging contour 1 ( 2 ) and corresponding - untreated - surface condition of the temperature-dependent heat transfer coefficient determined experimentally.

Für diese Schmiedekontur 1 wird in Schritt II mit CFD-Methoden (Computational Fluid Dynamics/computergestützte numerische Strömungssimulation) auf der Grundlage der jeweiligen, den realen Verhältnissen entsprechenden Kühlmittel- und Scheibenparameter eine numerische Simulation der Wärmebehandlung der Schmiedekontur 1 des Schmiederohlings durchgeführt. Das heißt, nach der Wärmebehandlung in einem Ofen werden in Schritt II die Temperaturfelder der Schmiedekontur 1 während der Luftabkühlung des Schmiederohlings bei dessen Überführung in Luft vom Ofen in ein Kühlbad sowie beim Abkühlen des Schmiederohlings in dem in das Kühlbad eingetauchten Zustand rechnerisch ermittelt.For this blacksmith contour 1 In step II, computational fluid dynamics (CFD) methods are used to numerically simulate the forging contour heat treatment based on the respective real-world coolant and disk parameters 1 of the forging blank. That is, after the heat treatment in an oven, in step II, the temperature fields of the forging contour become 1 determined during the air cooling of the forging blank during its transfer in air from the furnace into a cooling bath and during cooling of the forging blank in the immersed in the cooling bath state.

In dem darauffolgenden Schritt III werden nun auf der Basis der in Schritt II ermittelten zeitabhängigen Temperaturverteilung – hier nach der „Finite-Elemente-Methode” (FEM) – die Eigenspannungen berechnet, die aufgrund plastischer Verformungen bei der Abkühlung infolge des hohen Temperaturgradienten und der damit verbundenen Ausdehnungen und Spannungen in die Schmiedekontur eingeprägt werden. Die Verteilung der Zug- und Druckeigenspannungen in der Schmiedekontur 1 ist in 2, in der dunkle Bereiche Druckeigenspannungen und helle Bereiche Zugeigenspannungen darstellen, beispielhaft wiedergegeben. Aus dieser Darstellung ist erkennbar, dass aufgrund der bei der Abkühlung auftretenden örtlichen Plastifizierung bzw. bleibenden Dehnungen am Rand der Schmiedekontur Druckeigenspannungen (dunkel) und im Innern der Schmiedekontur Zugeigenspannungen eingeprägt werden.In the following step III, based on the time-dependent temperature distribution determined in step II - here according to the "finite element method" (FEM) - the internal stresses are calculated, which due to plastic deformation during cooling due to the high temperature gradient and thus Associated expansions and stresses are imprinted in the forging contour. The distribution of tensile and compressive stresses in the forging contour 1 is in 2 , in which dark areas represent residual compressive stresses and bright areas indicate residual tensile stresses, reproduced by way of example. From this representation it can be seen that, due to the local plasticization or permanent strains occurring during the cooling, residual compressive stresses (dark) are impressed on the edge of the forging contour and tensile stresses in the interior of the forging contour are impressed.

Im anschließenden Schritt IV wird die wärmebehandelte Schmiedekontur 1 durch numerische Simulation zu einer Einbaukontur 2 der Verdichterscheibe abgedreht, indem die nicht zur Einbaukontur 2 gehörenden finiten Elemente der Schmiedekontur 1 entfernt werden. Die sich dabei ändernde Eigenspannungsverteilung in der Einbaukontur 2, das heißt, der abgedrehten Schmiedekontur bzw. der Endkontur der Verdichterscheibe, wird ebenfalls nach der oben erwähnten „Finite-Elemente-Methode” berechnet.In the subsequent step IV, the heat-treated forging contour becomes 1 by numerical simulation to an installation contour 2 the compressor disk turned off by the not to the installation contour 2 belonging finite elements of the blacksmith contour 1 be removed. The thereby changing residual stress distribution in the installation contour 2 , that is, the wrought forging contour and the final contour of the compressor disk, is also calculated according to the above-mentioned "finite element method".

Im nächsten Schritt V werden unter Einbeziehung der spezifischen Belastung der Verdichterscheibe im Betrieb die Höhe und der Verlauf der – in 3 dargestellten – Zugeigenspannungen und Druckeigenspannungen in der Einbaukontur 2 mit Blick auf die Lebensdauer, die Sicherheit oder mögliche Gewichtseinsparungen bewertet. Im vorliegenden Beispiel (Eigenspannungsverteilung gemäß 3) liegen Zugeigenspannungen (helle Bereiche) teilweise am Rand der Einbaukontur 2. Bei Belastung der Verdichterscheibe im Betrieb werden die äußeren Zugspannungen und die in den betreffenden Randbereichen vorhandenen Zugeigenspannungen überlagert. Dadurch kann es zu einer Schädigung der Scheibe kommen, so dass deren Lebensdauer begrenzt und die erforderliche Sicherheit nicht gewährleistet ist oder Gewichtseinsparungen nicht möglich sind. Die Bewertung der Eigenspannungen gemäß Schritt V wird in diesem Fall im Schritt VI mit „nein” beantwortet, so dass nun in Schritt VII eine auf der Basis der in Schritt V ermittelten Eigenspannungsverteilung gezielte lokale Änderung der Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur 1 erfolgt. Wie 5 zeigt, können bestimmte Oberflächenbereiche glatt und glänzend oder rau und dunkel ausgeführt sein. In rauen, dunklen Bereichen ist aufgrund des großen Wärmeübergangs und des hohen Temperaturgradienten (TK << TW, wobei TK die Temperatur des Kühlmediums und TW die Temperatur des Werkstücks ist) von großen plastischen Deformationen und demzufolge hohen Eigenspannungen auszugehen, während glatte bis glänzende Oberflächen bei entsprechend kleinerem Wärmeübergang und Temperaturgradienten geringere plastische Deformationen und dementsprechend geringere Eigenspannungen zur Folge haben.In the next step V, taking into account the specific load on the compressor disk during operation, the height and the course of the - in 3 shown - tensile residual stresses and internal compressive stresses in the installation contour 2 in terms of life, safety or possible weight savings. In the present example (residual stress distribution according to 3 ) tensile residual stresses (bright areas) are partly at the edge of the installation contour 2 , When the compressor disk is loaded during operation, the external tensile stresses and the residual tensile stresses present in the respective edge regions are superimposed. This can lead to damage to the disc, so that their life is limited and the required safety is not guaranteed or weight savings are not possible. The evaluation of the residual stresses according to step V is answered in this case in step VI with "no", so that now in step VII targeted on the basis of the determined in step V residual stress distribution local change in the surface texture of the forging contour 1 he follows. As 5 shows, certain surface areas may be smooth and shiny or rough and dark. In rough, dark areas due to the large heat transfer and the high temperature gradient (T K << T W , where T K is the temperature of the cooling medium and T W is the temperature of the workpiece) of great plastic deformation and consequently high residual stresses, while smooth until shiny surfaces with correspondingly smaller heat transfer and temperature gradients have lower plastic deformations and correspondingly lower residual stresses.

Die anhand der in 1 beschriebenen Verfahrensschritte II bis VI werden daher mit einer Schmiedekontur 1, die eine auf der Basis der zuvor ermittelten Eigenspannungsverteilung örtlich geänderte Oberflächenbeschaffenheit aufweist, wiederholt, und zwar so oft, bis die in der Einbaukontur 2 ermittelten Eigenspannungen beispielsweise gemäß der Darstellung in 4 verteilt sind und die Lebensdaueranalyse in Schritt VI mit „ja” beantwortet wird. Das heißt, es wurde für eine bestimmte Schmiedekontur 1 eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit gefunden, die nach der Wärmebehandlung des Schmiederohlings in der abgedrehten Einbaukontur eine optimale Eigenspannungsverteilung mit im Innern liegenden Zugeigenspannungen (helle Bereiche) und im Randbereich der Einbaukontur 2 liegenden Druckeigenspannungen aufweist. Die in dieser Form vorliegenden Druckeigenspannungen werden den an der Scheibe im Betrieb angreifenden äußeren Zugspannungen überlagert und mindern diese, so dass das Scheibenmaterial in geringerem Umfang belastet wird. Aufgrund der durch die spezifische Oberflächenausbildung der Schmiedekontur bedingten Abkühlungsbedingungen und dementsprechend optimal eingestellten Eigenspannungen kann somit eine Verdichterscheibe bereitgestellt werden, die eine lange Lebensdauer aufweist, eine hohe Sicherheit gewährleistet und aufgrund einer verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials eine Gewichtsreduzierung zulässt.The basis of the in 1 described method steps II to VI are therefore with a blacksmithing contour 1 , which has a spatially changed on the basis of the previously determined residual stress distribution surface texture, repeatedly, and that often, to those in the installation contour 2 determined residual stresses, for example, as shown in FIG 4 are distributed and the lifetime analysis in step VI is answered with "yes". That is, it was for a certain blacksmithing contour 1 found a certain surface finish, which after the heat treatment of the forging blank in the wacky installation contour an optimal residual stress distribution with internal tensile residual stresses (bright areas) and in the edge region of the installation contour 2 having residual compressive stresses. The compressive residual stresses present in this form are superimposed on and reduce the external tensile stresses acting on the disk during operation, so that the disk material is loaded to a lesser extent. Due to the cooling conditions due to the specific surface formation of the forging contour and correspondingly optimally adjusted residual stresses, a compressor disk can thus be provided which has a long service life, ensures high safety and permits weight reduction due to improved utilization of the strength potential.

Claims (4)

Verfahren zur Herstellung von Turbinen- oder Verdichterscheiben für Gasturbinen, insbesondere Fluggasturbinen, bei dem ein Schmiederohling mit bestimmter Schmiedekontur (1) einem Wärmebehandlungs- und einem anschließenden Abkühlungsprozess unterworfen und danach auf die Einbaukontur (2) abgedreht wird, wobei der Schmiederohling zur Erzielung bestimmter Temperaturgradienten während des Abkühlprozesses und damit zur gezielten Beeinflussung der Höhe und Verteilung der Druck- und Zugeigenspannungen in der Einbaukontur (2) in einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet wird, indem zunächst die in der aus einer herkömmlichen Schmiedekontur abgedrehten Einbaukontur vorhandene Höhe und Verteilung der Eigenspannungen ermittelt und bewertet wird und auf dieser Basis in bestimmten Oberflächenbereichen der Schmiedekontur die Oberflächenbeschaffenheit zur Erzielung eines mehr oder weniger großen Wärmeübergangs und Einprägung bestimmter Eigenspannungen eingestellt wird.Process for the production of turbine or compressor disks for gas turbines, in particular aircraft gas turbines, in which a forging blank with a specific forging contour ( 1 ) subjected to a heat treatment and a subsequent cooling process and then to the installation contour ( 2 ), wherein the forging blank to achieve certain temperature gradients during the cooling process and thus for selectively influencing the height and distribution of the compressive and tensile residual stresses in the installation contour ( 2 ) is formed in a specific surface texture by first determining and evaluating the height and distribution of the residual stresses present in the fitting contour cut from a conventional forging contour and on this basis in certain surface areas of the forging contour the surface finish to achieve a more or less large heat transfer and embossing certain residual stresses is set. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Änderung der Oberflächenbeschaffenheit einschließlich der Ermittlung und Bewertung der entsprechenden Eigenspannungen so oft wiederholt wird, bis der in der jeweils zugehörigen Einbaukontur ermittelte Eigenspannungsverlauf den Anforderungen an ein geringes Schädigungsverhalten genügt.A method according to claim 1, characterized in that the local change of the surface condition including the determination and evaluation of the corresponding residual stresses is repeated until the determined in the respectively associated installation contour residual stress profile meets the requirements for a low damage behavior. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur in Druckspannungsrandbereichen der entsprechenden Einbaukontur glatt und glänzend und in Zugeigenspannungsrandbereichen der entsprechenden Einbaukontur zur Erzielung eines hohen Wärmeübergangs und dementsprechend großen Temperaturgradienten rau und dunkel ausgebildet ist.A method according to claim 1, characterized in that the surface texture of the forging contour in compressive stress edge regions of the corresponding installation contour smooth and shiny and in Zugigenspannungsrandbereichen the corresponding installation contour to achieve a high heat transfer and, accordingly, large Temperature gradient is rough and dark. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – ausgehend von einer Schmiedekontur mit üblicher Oberflächenausbildung und zuvor bestimmtem Wärmeübertragungskoeffizienten (Schritt I); – auf der Grundlage einer numerischen Simulation der realen Wärmebehandlungs- und Abkühlungsbedingungen mit CFD-Methoden die Temperaturfelder der Schmiedekontur ermittelt werden (Schritt II); – auf der Basis der in Schritt II ermittelten zeitabhängigen Temperaturverteilung die in die Schmiedekontur eingeprägten Zug- und Druckeigenspannungen nach der „Finite-Elemente-Methode” berechnet werden (Schritt III); – danach in einer numerischen Simulation durch Entfernen der entsprechenden finiten Elemente die Schmiedekontur zur Einbaukontur abgedreht und die sich in dieser einstellende Eigenspannungsverteilung nach der „Finite-Elemente-Methode” berechnet wird (Schritt IV); – die ermittelte Eigenspannungsverteilung auf der Basis der Scheibenbelastung im Betrieb hinsichtlich des zu erwartenden Schädigungsverhaltens bewertet wird (Schritt V/VI); und – gegebenenfalls eine geänderte Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur eingestellt wird (Schritt VII) und die Schritte II bis VI wiederholt werden.A method according to claim 1, characterized in that - starting from a forging contour with usual surface formation and previously determined heat transfer coefficient (step I); - the temperature fields of the forging contour are determined on the basis of a numerical simulation of the real heat treatment and cooling conditions with CFD methods (step II); On the basis of the time-dependent temperature distribution determined in step II, the tensile and compressive residual stresses impressed into the forging contour are calculated according to the "finite element method" (step III); - Then in a numerical simulation by removing the corresponding finite elements, the forging contour turned off to the installation contour and is calculated in this adjusting residual stress distribution according to the "finite element method" (step IV); - The determined residual stress distribution is evaluated on the basis of the disk load during operation with regard to the expected damage behavior (step V / VI); and - if necessary, a changed surface finish of the forging contour is set (step VII) and the steps II to VI are repeated.
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