DE102009033618A1 - Verfahren zur Frequenzverstimmung eines Rotorkörpers einer Gasturbine und ein Rotor einer Gasturbine - Google Patents

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Frequenzverstimmung eines Rotorkörpers (2) einer Gasturbine mit integraler Beschaufelung, der eine Vielzahl von Schaufeln (6, 8) aufweist, wobei vor dem Ausbilden der Schaufeln (6, 8) zumindest ein Außenumfangsabschnitt eines Rotorrohkörpers (20) aus einem Basismaterial mit einem andersartigen Zusatzmaterial (14) versehen wird, sowie ein Rotor, der eine Vielzahl von Rotorkörpern (2) mit integraler Beschaufelung aus einem Basismaterial hat, wobei zumindest zwei Schnem Zusatzmaterial (14) versehen sind, die zueinander unterschiedliche Schichtdicken oder Geometrien aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzverstimmung eines Rotorkörpers einer Gasturbine und ein Rotor einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 13.
  • Die Abstimmung des Schwingverhaltens von Gasturbinenkomponenten wie Rotor und Schaufeln zueinander gehört zu den anspruchvollsten Aufgaben beim Auslegen einer Gasturbine. Insbesondere bei Gasturbinen wie Flugzeugtriebwerken, die in unterschiedlichen Drehzahlbereichen betrieben werden, ist die Frequenzverstimmung sehr schwierig. Bekannte Verfahren zur Frequenzverstimmung sehen vor, Laufschaufeln mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen zu versehen. Dies erfolgt über das Hinzufügen oder die Entnahme von Massen oder über die Änderungen der Schaufelgeometrie benachbarter Schaufeln. Hierzu werden, wie in dem Patent US 5,407,326 oder den Patentanmeldungen DE 10 2007 014 886 A1 und EP 1 640 562 A1 gezeigt, in die Schaufelblätter aus einem Basismaterial Bohrungen bzw. Taschen eingebracht und diese mit einem andersartigen Zusatzmaterial aufgefüllt. Ebenso kann das Zusatzmaterial wie in der WO 03/062606 beschrieben als eine Beschichtung auf der Druckseite und der Saugseite im Bereich der Schaufelspitze aufgetragen werden. Diese bekannten Arten der Frequenzverstimmung sind jedoch fertigungstechnisch aufwendig, da sie als ein nachfolgender Verfahrensschritt nach der eigentlichen Herstellung der Schaufel ausgeführt werden. Der nachfolgende Verfahrensschritt umfasst dabei beispielsweise das Programmieren der notwendigen Fertigungsmaschinen, die Erprobung, die Optimierung und das Vermessen der modifizierten Schaufeln. Ferner muss in aerodynamischer Hinsicht ein Kompromiss bei der Schaufelauslegung eingegangen werden.
  • Insbesondere bei Rotoren, die aus scheiben- oder ringartigen Rotorkörpern mit integraler Beschaufelung bestehen, sogenannte Blisks (Bladed Disks) oder Blings (Bladed Rings), hat sich diese nachträgliche Frequenzverstimmung aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit der Saug- und Druckseiten der Schaufeln als sehr zeitintensiv herausgestellt. Darüber hinaus sind die Rotorkörper in einer sehr hohen Genauigkeit herstellbar, so dass sie bereits im Schwingverhalten sehr gut abgestimmt sind. Aufgrund von fehlender Dämpfung, insbesondere fehlender mechanischer Dämpfung, neigen die Rotorkörper jedoch zu einer Resonanzüberhöhung, die zu einer Schaufelschädigung in bestimmten Drehzahlbereichen führen kann.
  • In der deutschen Anmeldung DE 103 26 533 A1 der Anmelderin wird vorgeschlagen, die Schaufeln einer Rotorscheibe nicht gleichmäßig über den Umfang zu verteilen, sondern in unterschiedlichen Abständen zueinander bzw. mit unterschiedlicher Schaufelteilung anzuordnen. Dies soll insbesondere das Schwingverhalten der stehenden Komponenten wie Leitschaufeln verbessern.
  • Zusätzlich sind die Schaufeln im Turbinenbereich an ihrer Schaufelspitze mit einer Panzerung bzw. einer Feuerschutzschicht als Spitzenschutz versehen. Dieser Spitzenschutz besteht, wie zum Beispiel in dem Patent EP 1 741 876 B1 der Anmelderin gezeigt, aus zumindest einem anderen Material als das Basismaterial der Schaufel und wird in einheitlicher Schichtdicke ebenfalls in einem nachfolgenden Verfahrensschritt aufgetragen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieser Spitzenschutz die Frequenzverstimmung nachteilig beeinflussen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Frequenzverstimmung eines Rotorkörpers einer Gasturbine, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und ein flexibles Einstellen der Eigenfrequenzen der Schaufeln erlaubt, sowie einen Rotor einer Gasturbine zu schaffen, der frequenzverstimmt und mit einem Schaufelspitzenschutz versehen ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Frequenzverstimmung eines Rotorkörpers einer Gasturbine mit integraler Beschaufelung, der eine Vielzahl von Schaufeln aufweist, wird ein Rotorrohkörper bereitgestellt, der aus einem Basismaterial besteht. Dann wird auf zumindest einen Außenumfangsabschnitt des Rotorrohkörpers ein von dem Basismaterial andersartiges Zusatzmaterial aufgetragen. Anschließend wird die integrale Beschaufelung ausgebildet.
  • An dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, dass das Zusatzmaterial zur Frequenzverstimmung vor dem Ausbilden der Schaufeln aufgebracht wird. Hierdurch sind die Schaufeln im Hinblick auf ihr aerodynamisches Verhalten optimal auslegbar. Das aus dem Stand der Technik bekannte nachträgliche Auftragen des Zusatzmaterials nach der eigentlichen Herstellung der Schaufeln einschließlich der aufwendigen Prüfungen und Nacharbeiten entfällt, wodurch erhebliche Zeit- und Kostenersparnisse verbunden sind. Ferner vorteilhaft ist, dass die Gefahr von Titanbrand beim Anstreifen aufgrund des aufgebrachten Zusatzmaterials erheblich verringert ist.
  • Bevorzugterweise wird das Zusatzmaterial in zumindest eine Vertiefung eingebracht, deren Position der Schaufelspitze entspricht. Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Vertiefung eine derartige Erstreckung, dass sich das Zusatzmaterial von einer Anströmkante bis zu einer Abrisskante erstreckt. Dabei kann sich das Zusatzmaterial über die gesamte Breite der Schaufelspitze erstrecken und somit die Schaufelspitze bilden oder nur einen in Längsrichtung verlaufenden Teilbereich der Schaufelspitze.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Vertiefung nur lokal im Bereich der Schaufelspitzenposition, beispielsweise als eine Sacklochbohrung, ausgebildet, so dass das Zusatzmaterial nur abschnittsweise in der Schaufelspitze angeordnet ist. Beide Ausführungsbeispiele erlauben die gezielte Einstellung des Eigenschwingungsverhaltens der jeweiligen Schaufel, wobei das Zusatzmaterial sparsam eingesetzt wird.
  • Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die zumindest eine Vertiefung vollständig mit dem Zusatzmaterial aufgefüllt ist. Hierdurch wird eine Stufenbildung am Außenumfang des Rotorkörpers verhindert, so dass die Programmierung der entsprechenden Fertigungsmaschine zum Ausbilden der Schaufeln einheitlich und einfach erfolgen kann.
  • Vorzugsweise werden mehrere Vertiefungen mit einer einheitlichen Geometrie ausgebildet. Dies vereinfacht die Programmierung der zur Einbringung die Vertiefungen notwendigen Fertigungsmaschine.
  • Die Vertiefungen können jedoch auch mit unterschiedlicher Geometrie ausgebildet werden. Hierdurch kann das Eigenschwingungsverhalten der Schaufeln äußerst genau eingestellt werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Vertiefungen gleichmäßig über den Umfang des Rotorrohkörpers verteilt, wodurch die Programmierung der notwendigen Fertigungsmaschine weiter vereinfacht wird.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist an jeder zweiten Schaufelspitzenposition eine Vertiefung ausgebildet. Hierdurch befindet sich bei minimalen Zusatzmaterialeinsatz jede zweite Schaufel in einem anderen Schwingungszustand und eine Frequenzverstimmung ist erreichbar.
  • Das Zusatzmaterial wird bevorzugterweise generativ, beispielsweise mittels kinetischen Kaltgaskompaktierens (Cold Spray) aufgebracht. Es ist jedoch auch vorstellbar, das Zusatzmaterial aufzuschmieden. Dieses Verfahren ist an keine feste Vertiefungsgeometrie gebunden und ermöglicht eine verlässliche Verbindung zwischen dem Basismaterial und dem Zusatzmaterial.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Schaufeln aus dem Rotorrohkörper gefräst, was die Verwendung bestehender Fertigungsmaschinen und die Einstellung bekannter Verfahrensparameter erlaubt.
  • Ein erfindungsgemäßer Rotor einer Gasturbine hat eine Vielzahl von Rotorkörpern mit integraler Beschaufelung, die ein Basismaterial aufweisen. Die Schaufeln der Beschaufelung sind an ihrer Schaufelspitze mit einer Schicht aus einem von dem Basismaterial andersartigen Zusatzmaterial versehen. Erfindungsgemäß weisen zumindest zwei Schichten unterschiedliche Schichtdicken oder Geometrien auf.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors besteht darin, dass die beiden Funktionen Frequenzverstimmung und Panzerung der Schaufelspitzen über eine Schicht erfolgen. Hierdurch werden bisher getrennte Verfahrensschritte in einem gemeinsamen Schritt zusammengefasst, wodurch entsprechend die Herstellungsdauer der Rotorkörper bzw. des Rotors verkürzt wird. Eine eigene Panzerung bzw. Feuerschutzschicht ist nicht notwendig. Ferner wird vermieden, dass durch die Panzerung eine Veränderung der Schaufelfrequenz erfolgt, so dass die Schaufeln optimal einstellbar sind und weitere Prüfungen und Nacharbeiten entfallen.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Basismaterial aus einer Titanbasis und das Zusatzmaterial aus einer Nickelbasis oder Cobaltbasislegierung. Durch die Nickelbeschichtung kann ein Titanbrand sehr wirkungsvoll verhindert werden.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotorkörpers, und
  • 2 eine perspektivische Darstellung eines Rotorrohkörpers zur Herstellung des Rotorkörpers aus 1.
  • In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente die gleichen Bezugsziffern, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit bei mehren gleichen konstruktiven Elemente in einer Figur vorrangig nur ein Element mit einem Bezugszeichen versehen ist.
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotorkörper 2 zur Herstellung eines Rotors einer Gasturbine, insbesondere zur Herstellung eines Rotors eines Flugzeugtriebwerks. Der Rotorkörper 2 ist ringartig ausgeführt und weist an seinem Außenumfang 4 eine integrale Beschaufelung mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Schaufeln auf, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich zwei Schaufeln 6, 8 dargestellt sind. Die Schaufeln 6, 8 sind mit ihren Schaufelfüßen 10 am Außenumfang 4 angeordnet und erstrecken sich mit ihren Schaufelspitzen 12 radial vom Außenumfang 4 weg. Sie weisen einschließlich ihrer Schaufelspitzen 12 die gleiche Geometrie auf. Der Rotorkörper 2 und die Schaufeln 6, 8 bestehen aus einem Basismaterial, vorzugsweise aus einem Material auf Titanbasis.
  • Erfindungsgemäß weist jede zweite Schaufel 8 eine Schaufelspitze 12 aus einem von dem Basismaterial andersartigen Zusatzmaterial 14 auf, vorzugsweise aus der Nickellegierung IN 718. Das Zusatzmaterial 14 erstreckt sich von einer Anströmkante 16 bis zu einer Abrisskante 18 der modifizierten Schaufel 8 und über deren gesamte Breite. Mittels des Zusatzmaterials 16 weisen die modifizierten Schaufeln 8 ein von den unveränderten Schaufeln 6 unterschiedliches Eigenschwingungsverhalten auf, so dass eine Frequenzverstimmung und Dämpfung des Rotorkörpers 2 und somit des Rotors erreicht wird.
  • Die unveränderten Schaufeln 6 weisen zur Erhöhung ihrer Anstreiffestigkeit und insbesondere zur Vermeidung von Titanbrand jeweils einen nicht gezeigten Spitzenschutz aus einer Nickellegierung wie zum Beispiel IN 718 auf. Ein derartiger Spitzenschutz ist für die modifizierten Schaufeln 8 nicht notwendig, da ihre Schaufelspitzen 12 zur Frequenzverstimmung bereits aus dem Zusatzmaterial 14 bestehen.
  • Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des in 1 gezeigten Rotorkörpers 2 erläutert. Gemäß 2 wird ein ringartiger Rotorrohkörper 20 aus dem Basismaterial bereitgestellt. Am Außenumfang 4 des Rotorrohkörpers 20 wird im Bereich jeder zweiten Schaufelspitze eine U-förmige Nut 22 eingebracht, die sich etwa in axialer Richtung durch den Rotorrohkörper 20 erstreckt und deren Breite bzw. Ausdehnung in Umfangsrichtung der zu bildenden Schaufelspitze entspricht. Die Geometrie der Nuten 22 ist jeweils an das geforderte Eigenschwingverhalten der in 1 gezeigten modifizierten Schaufeln 8 angepasst. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Nuten 22 mit gleichen Geometrien ausgebildet und mit dem andersartigen Zusatzmaterial 14 vollständig aufgefüllt, so dass in dem Außenumfang 4 keine Stufen im Bereich der Nuten 22 gebildet sind. Das Auffüllen der Nuten 22 bzw. das Auftragen des Zusatzmaterials 14 erfolgt über kinetisches Kaltgaskompaktieren. Anschließend werden die in 1 gezeigten Schaufeln 6, 8 herausgefräst und der Rotorrohkörper 20 außen- und innenumfangsseitig auf Endmaß bearbeitet. Abschließend wird auf die unveränderten Schaufeln 6 jeweils ein Spitzenschutz aufgetragen.
  • Offenbart ist ein Verfahren zur Frequenzverstimmung eines Rotorkörpers (2) einer Gasturbine mit integraler Beschaufelung, der eine Vielzahl von Schaufeln (6, 8) aufweist, wobei vor dem Ausbilden der Schaufeln (6, 8) zumindest ein Außenumfangsabschnitt eines Rotorrohkörpers (20) aus einem Basismaterial mit einem andersartiges Zusatzmaterial (14) versehen wird, sowie ein Rotor, der eine Vielzahl von Rotorkörpern (2) mit integraler Beschaufelung aus einem Basismaterial hat, wobei zumindest zwei Schaufelspitzen (12) mit jeweils einer Schicht aus einem Zusatzmaterial (14) versehen sind, die zueinander unterschiedliche Schichtdicken oder Geometrien aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Rotorkörper
    4
    Außenumfang
    6
    Schaufel
    8
    Schaufel
    10
    Schaufelfuß
    12
    Schaufelspitze
    14
    Zusatzmaterial
    16
    Anströmkante
    18
    Abrisskante
    20
    Rotorrohkörper
    22
    Nut
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5407326 [0002]
    • - DE 102007014886 A1 [0002]
    • - EP 1640562 A1 [0002]
    • - WO 03/062606 [0002]
    • - DE 10326533 A1 [0004]
    • - EP 1741876 B1 [0005]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Frequenzverstimmung eines Rotorkörpers (2) einer Gasturbine mit integraler Beschaufelung, der eine Vielzahl von Schaufeln (6, 8) aufweist, mit den Schritten: – Bereitstellen eines Rotorrohkörpers (20) aus einem Basismaterial, – Auftragen eines von dem Basismaterial andersartigen Zusatzmaterials (14) auf zumindest einen Außenumfangsabschnitt des Rotorrohkörpers (20), und – Ausbilden der integralen Beschaufelung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zusatzmaterial (14) beim Auftragen in zumindest eine Vertiefung (22) eingebracht wird, deren Position der Schaufelspitze (12) entspricht.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, wobei die Vertiefung (22) derart ausgebildet wird, dass sich das Zusatzmaterial (14) von einer Anströmkante (16) bis zu einer Abrisskante (18) der Schaufel erstreckt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, wobei die Vertiefung (22) derart ausgebildet wird, dass das Zusatzmaterial (14) nur lokal in der Schaufelspitze (12) angeordnet ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vertiefung (22) vollständig mit dem Zusatzmaterial (14) aufgefüllt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Vertiefungen (22) mit gleicher Geometrie ausgebildet werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere Vertiefungen (22) mit unterschiedlicher Geometrie ausgebildet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Vertiefungen (22) gleichmäßig über den Außenumfang (4) des Rotorrohkörpers (20) verteilt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei an jeder zweiten Schaufelspitzenposition (12) eine Vertiefung (22) ausgebildet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zusatzmaterial (14) generativ aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Zusatzmaterial (14) mittels kinetischen Kaltgaskompaktierens aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaufeln (6, 8) aus dem Rotorrohkörper (20) gefräst werden.
  13. Rotor einer Gasturbine, der eine Vielzahl von Rotorkörpern (2) mit integraler Beschaufelung aus einem Basismaterial aufweist, wobei Schaufeln (6, 8) der Beschaufelung an ihrer Schaufelspitze (12) mit einer Schicht aus einem von dem Basismaterial andersartigen Zusatzmaterial (14) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Schichten unterschiedliche Schichtdicken oder Geometrien aufweisen.
  14. Rotor nach Anspruch 13, wobei das Basismaterial ein Material auf Titanbasis und das Zusatzmaterial (14) ein Material auf Nickelbasis oder Cobaltbasis ist.
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