DE102009052783A1

DE102009052783A1 - Verfahren zum Herstellen einer Blisk oder eines Blings für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102009052783A1
Application number: DE200910052783
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dr. Richter
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Blisk ("Bladed Disk") oder eines Blings ("Bladed Ring") für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine thermische Gasturbine, wobei das Verfahren zumindest die Schritte a) Bereitstellen eines Schaufelkranzes (14), welcher wenigstens einen Schaufeladapter (16) umfasst, wobei der Schaufeladapter (16) mit wenigstens einem aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial (CFK) gefertigten Rotorschaufelkörper (18) verbunden wird, und b) Fügen des Schaufelkranzes (14) mit einer Rotorscheibe (12) zum Herstellen der Blisk (10) oder mit einem Rotorring zum Herstellen der Bling umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil (10) für eine Strömungsmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Blisk („Bladed Disk”) oder eines Blings („Bladed Ring”) für eine Strömungsmaschine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil für eine Strömungsmaschine sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Bauteil.
Blisk („Bladed Disk”) und Bling („Bladed Ring”) bezeichnen Rotor-Konstruktionen, bei denen Schaufeln mit einer tragenden Scheibe oder einem tragenden Ring integral verbunden sind. Der Vorteil dieser Rotorkonstruktionen besteht darin, dass die Scheiben- und Ringform für geringe Randlasten optimiert werden kann und insgesamt ein vergleichsweise geringes Gewicht besitzt. Dabei werden üblicherweise Verdichter- und Turbinenblisks und -blings aus Titan- oder Nickellegierungen hergestellt. Die einzelnen Rotorschaufelkörper und die Rotorscheibe bzw. der Rotorring können dabei grundsätzlich aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sein. So ist es beispielsweise bekannt, zur Herstellung einer Turbinenblisk Rotorschaufelkörper aus einer nicht schmelzschweißbaren Nickelgusslegierung mit einer schmelzschweißbaren Rotorscheibe fügetechnisch zu verbinden.
Als nachteilig an den bekannten Verdichter- und Turbinenblisks bzw. -blings ist jedoch der Umstand anzusehen, dass diese für moderne Strömungsmaschinen weiterhin ein zu hohes Gewicht aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem eine gewichtsreduzierte Blisk oder ein gewichtsreduzierter Bling für eine Strömungsmaschine herstellbar ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein gewichtsreduziertes Bauteil für eine Strömungsmaschine zu schaffen.
Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Bauteil für eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch eine Strömungsmaschine gemäß Patentanspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen des Bauteils und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Blisk („Bladed Disk”) oder eines Blings („Bladed Ring”) für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine thermische Gasturbine, umfasst zumindest die Schritte a) Bereitstellen eines Schaufelkranzes, welcher wenigstens einen Schaufeladapter umfasst, wobei der Schaufeladapter mit wenigstens einem aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial (CFK) gefertigten Rotorschaufelkörper verbunden wird, und b) Fügen des Schaufelkranzes mit einer Rotorscheibe zum Herstellen der Blisk oder mit einem Rotorring zum Herstellen der Bling. Durch die erfindungsgemäße Herstellung der Blisk oder des Blings aus einer Rotorscheibe bzw. einem Rotorring, dem wenigstens einen Schaufeladapter und CFK-Rotorschaufelkörpern wird eine signifikante Gewichtsreduzierung erzielt, wodurch entsprechende Gewichts- und Verbrauchsvorteile für eine mit dieser Blisk oder diesem Bling versehene Strömungsmaschine erzielbar sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schaufelkranz vor Schritt a) dadurch hergestellt wird, dass wenigstens zwei schmelzschweißgeeignete Schaufeladapter in Form des Schaufelkranzes angeordnet und miteinander verschweißt werden und/oder dass ein einstückiger, ring- oder scheibenförmiger Schaufeladapter verwendet wird, welcher alle Rotorschaufelkörper trägt und den Schaufelkranz bildet. Hierdurch wird eine erhöhte konstruktive Flexibilität bei der Gestaltung des Schaufelkranzes ermöglicht, wobei es im Fall eines einstückigen Schaufeladapters zusätzlich vorteilhafterweise ermöglicht wird, auf einen als separates Bauteil ausgebildeten Schaufelkranz zu verzichten.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem ein schmelzschweißbarer Schaufelkranz und eine schmelzschweißbare Rotorscheibe oder ein schmelzschweißbarer Rotorring verwendet werden. Hierdurch ergibt sich eine einfache, schnelle und kostengünstige Möglichkeit, den Schaufelkranz und die Rotorscheibe oder den Rotorring in Schritt b) durch Verschweißen zu fügen.
Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn die Rotorscheibe oder der Rotorring mittels eines Elektronenstrahl-Schweißverfahrens (EB-Schweißen) mit dem Schaufelkranz verbunden wird. Hierdurch sind hohe Schweißgeschwindigkeiten mit sehr tiefen und schmalen Schweißnähten möglich, wodurch der Schweißverzug sehr klein gehalten werden kann. Zudem können mithilfe des EB-Schweißens auch unterschiedliche Werkstoffe und insbesondere auch Titan-Legierungen problemlos verschweißt werden, wodurch neben einer hohen konstruktiven Flexibilität auch zusätzliche Gewichtsvorteile erzielt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Rotorscheibe oder der Rotorring mittels eines Reibschweißverfahrens, insbesondere mittels eines zirkulären Reibschweißverfahrens, mit dem Schaufelkranz gefügt wird. Auch hierdurch können vorteilhafterweise unterschiedliche Materialkombinationen schnell und präzise miteinander verbunden werden, sodass sich eine erhöhte konstruktive Freiheit hinsichtlich der Materialauswahl der Schaufeladapter und der Rotorscheibe bzw. dem Rotorring ergibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schaufelkranz vor Schritt a) durch EB-Schweißen der wenigstens zwei Schaufeladapter hergestellt wird. Die sich hieraus ergebenden Vorteile im Hinblick auf hohe Schweißgeschwindigkeiten, präzise und schmale Schweißnähte sowie geringen Verzug sind den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die wenigstens zwei Schaufeladapter vor Schritt a) entlang bezüglich einer Drehachse der Blisk oder des Blings radialer Fügeflächen verschweißt werden. Dies stellt eine einfache, schnelle und mechanisch stabile Möglichkeit zur Herstellung des Schaufelkranzes dar.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem wenigstens einer der Schaufeladapter durch Klemmen und/oder durch Verkleben und/oder durch Ultraschallschweißen und/oder durch Verschrauben mit seinem zugeordneten Rotorschaufelkörpers verbunden wird. Hierdurch ist eine konstruktiv besonders variable und gleichzeitig mechanisch stabile und prozesssichere Anbindung des Rotorschaufelkörpers an seinem zugeordneten Schaufeladapter ermöglicht. Vorzugsweise werden alle Rotorschaufelkörper in der genannten Weise mit ihrem jeweils zugeordneten Schaufeladapter verbunden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Schaufeladapter vor Schritt a) mit einer Vorspannung versehen werden. Hierdurch können den während des Betriebs der späteren Blisk bzw. des späteren Blings auftretenden Fliehkräften vorteilhaft Rechnung getragen werden. Durch eine Torsion der Schaufeladapter gegeneinander ergibt sich eine vorteilhafte Verspannung, wodurch die Schaufeladapter mechanisch gekoppelt und schwingungsmechanisch im späteren Betrieb der Blisk oder des Blings leicht beherrschbar sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schaufelkranz in Schritt b) entlang einer bezüglich der Drehachse der Blisk oder des Blings axialen Fügefläche mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring gefügt wird. Hierdurch ist eine vollumfängliche, mechanisch stabile Anbindung des Schaufelkranzes an die Rotorscheibe bzw. den Rotorring ermöglicht, wodurch die Blisk oder der Bling im späteren Betrieb eine entsprechend hohe mechanische Stabilität aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, welches eine mit einem Schaufelkranz gefügte Rotorscheibe oder einen mit einem Schaufelkranz gefügten Rotorring umfasst, wobei das Bauteil eine mit einem Schaufelkranz gefügte Rotorscheibe oder einen mit einem Schaufelkranz gefügten Rotorring umfasst. Der Schaufelkranz umfasst seinerseits wenigstens einen Schaufeladapter, wobei der Schaufeladapter mit wenigstens einem, aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial (CFK) gefertigten Rotorschaufelkörper verbunden ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Bauteils, insbesondere die mittelbare Anbindung der CFK-Rotorschaufelkörper über den wenigstens einen Schaufeladapter mit der Rotorscheibe bzw. dem Rotorring ist es möglich, das Bauteil gewichtsoptimiert und gleichzeitig vergleichsweise unaufwändig und kostengünstig herzustellen.
Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Schaufelkranz wenigstens zwei miteinander verbundene Schaufeladapter umfasst und/oder dass ein einstückiger, ring- oder scheibenförmiger Schaufeladapter alle Rotorschaufelkörper trägt und den Schaufelkranz bildet. Hierdurch ist eine erhöhte konstruktive Freiheit bei der Ausbildung des Schaufelkranzes ermöglicht, wobei es im Fall eines einstückigen Schaufeladapters zusätzlich vorteilhafterweise ermöglicht ist, auf einen als eigenständiges Bauteil ausgebildeten Schaufelkranz zu verzichten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Bauteil als Blisk („Bladed Disk”) oder als Bling („Bladed Ring”) für einen Verdichter und/oder für eine Turbine einer thermischen Gasturbine ausgebildet ist. Dies erlaubt die Herstellung von gewichts- und verbrauchsoptimierten Gasturbinen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Schaufeladapter und/oder der Rotorring und/oder die Rotorscheibe aus einer Titanlegierung und/oder einer Aluminiumlegierung und/oder einer Nickelbasislegierung besteht bzw. bestehen. Auf diese Weise können die mechanischen und thermischen Eigenschaften der die CFK-Rotorschaufelkörper tragenden Teile des Bauteils optimal an ihr jeweiliges Anforderungsprofil angepasst werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine thermische Gasturbine, mit einem Bauteil, welches durch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele hergestellt und/oder gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den entsprechenden Beschreibungen zu entnehmen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung, in welcher gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend im Ausführungsbeispiel genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind dabei nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Frontalansicht eines erfindungsgemäßen und als Verdichterblisk ausgebildeten Bauteils.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Frontalansicht eines erfindungsgemäßen und als Verdichterblisk für eine Strömungsmaschine ausgebildeten Bauteils 10. Das Bauteil 10 umfasst eine Rotorscheibe 12, welche mit einem Schaufelkranz 14 gefügt ist. Der Schaufelkranz 14 besteht dabei aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Schaufeladaptern 16, von welchen jeder mit jeweils einem Rotorschaufelkörper 18 verbunden ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass ein Schaufeladapter 16 mehrere Rotorschaufelkörper 16 trägt und/oder dass mehrere Schaufeladapter 16 mehrere Rotorschaufelkörper 16 tragen. Ebenso kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass ein einstückiger ring- oder scheibenförmiger Schaufeladapter 16 alle Rotorschaufelkörper 16 trägt und somit selbst den Schaufelkranz 14 bildet. Indem der einstückige Schaufeladapter 16 auf der Rotorscheibe 12 bzw. einem Rotorring angeordnet ist und selbst den Schaufelkranz 14 bilden, muss der Schaufelkranz 14 vorteilhafterweise nicht als eigenständiges Bauteil bereitgestellt werden.
Die Rotorschaufelkörper 18 bestehen aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial (CFK), wohingegen die Schaufeladapter 16 und die Rotorscheibe 12 jeweils aus einem schmelzschweißgeeigneten Material bestehen. Hierbei kann es sich grundsätzlich um identische oder unterschiedliche Materialien, beispielsweise Aluminium-, Titan- oder Nickelbasislegierungen handeln.
Zur Herstellung des Bauteils 10 werden zunächst die die Rotorschaufelkörper 18 tragenden Schaufeladapter 16 und in Form des Schaufelkranzes 14 angeordnet. Alternativ kann wie vorstehend erläutert vorgesehen sein, dass zunächst ein die Rotorschaufelkörper 16 tragender Schaufeladapter 16 bereitgestellt wird oder dass mehrere Schaufeladapter 16 bereitgestellt werden, die jeweils mehrere Rotorschaufelkörper 16 tragen. Wenn zwei oder mehr Schaufeladapter 16 verwendet werden, wird der Schaufelkranz 14 anschließend durch paarweises Verschweißen der Schaufeladapter 16 mittels eines Elektronenstrahl-Schweißverfahrens (EB-Schweißen) hergestellt. Das Verschweißen erfolgt dabei entlang bezüglich einer Drehachse A des Bauteils 10 radialer Fügeflächen I. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass zunächst der Schaufelkranz 14 durch Verschweißen der Schaufeladapter 16 hergestellt und anschließend die Rotorschaufelkörper 18 an den Schaufeladapter 16 befestigt werden. Die Rotorschaufelkörper 18 können beispielsweise durch Klemmen und/oder durch Verkleben und/oder durch Ultraschallschweißen und/oder durch Verschrauben mit ihren jeweiligen Schaufeladaptern 16 verbunden werden.
Schließlich wird der Schaufelkranz 14 mit der Rotorscheibe 12 gefügt, um das fertige Bauteil 10 zu erhalten. Im vorliegenden Beispiel erfolgt das Fügen durch Verschweißen des Schaufelkranzes 14 mit der Rotorscheibe 12 entlang einer bezüglich der Drehachse A axialen Fügefläche II. Als geeignete Schweißverfahren sind insbesondere EB-Schweißen und Reibschweißen zu nennen.
Bei der Herstellung des Schaufelkranzes 14 kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Schaufeladapter 16 mit einer Vorspannung versehen werden, um verbesserte mechanische Schwingungseigenschaften des Bauteils 10 zu erzielen und den später beim Betrieb des Bauteils 10 auftretenden Fliehkräften besser Rechnung tragen zu können.

Claims

Verfahren zur Herstellen einer Blisk (10, „Bladed Disk”) oder eines Blings („Bladed Ring”) für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine thermische Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Schaufelkranzes (14), welcher wenigstens einen Schaufeladapter (16) umfasst, wobei der Schaufeladapter (16) mit wenigstens einem aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial (CFK) gefertigten Rotorschaufelkörper (18) verbunden wird; und b) Fügen des Schaufelkranzes (14) mit einer Rotorscheibe (12) zum Herstellen der Blisk (10) oder mit einem Rotorring zum Herstellen der Bling.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkranz (14) vor Schritt a) dadurch hergestellt wird, dass wenigstens zwei schmelzschweißgeeignete Schaufeladapter (16) in Form des Schaufelkranzes (14) angeordnet und miteinander verschweißt werden und/oder dass ein einstückiger, ring- oder scheibenförmiger Schaufeladapter (16) verwendet wird, welcher alle Rotorschaufelkörper (16) trägt und den Schaufelkranz (14) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein schmelzschweißbarer Schaufelkranz (14) und eine schmelzschweißbare Rotorscheibe (12) oder ein schmelzschweißbarer Rotorring verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (12) oder der Rotorring mittels eines Elektronenstrahl-Schweißverfahrens (EB-Schweißen) mit dem Schaufelkranz (14) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (12) oder der Rotorring mittels eines Reibschweißverfahrens, insbesondere eines zirkulären Reibschweißverfahrens, mit dem Schaufelkranz (14) gefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkranz (14) vor Schritt a) durch EB-Schweißen der wenigstens zwei Schaufeladapter (16) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Schaufeladapter (16) vor Schritt a) entlang bezüglich einer Drehachse (A) der Blisk (10) oder des Blings radialer Fügeflächen (I) verschweißt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Schaufeladapter (16) durch Klemmen und/oder durch Verkleben und/oder durch Ultraschallschweißen und/oder durch Verschrauben mit seinem zugeordneten Rotorschaufelkörper (18) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Schaufeladapter (16) vor Schritt a) mit einer Vorspannung versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkranz (14) in Schritt b) entlang einer bezüglich der Drehachse (A) der Blisk (10) oder des Blings axialen Fügefläche (II) mit der Rotorscheibe (12) oder dem Rotorring gefügt wird.
Bauteil (10) für eine Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine mit einem Schaufelkranz (14) gefügte Rotorscheibe (12) oder einen mit einem Schaufelkranz (14) gefügten Rotorring umfasst, wobei der Schaufelkranz (14) wenigstens einen Schaufeladapter (16) umfasst, wobei der Schaufeladapter (16) mit wenigstens einem, aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial (CFK) gefertigten Rotorschaufelkörper (18) verbunden ist.
Bauteil (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkranz (14) wenigstens zwei miteinander verbundene Schaufeladapter (16) umfasst und/oder dass ein einstückiger, ring- oder scheibenförmiger Schaufeladapter (16) alle Rotorschaufelkörper (16) trägt und den Schaufelkranz (14) bildet.
Bauteil (10) nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Blisk (10, „Bladed Disk”) oder als Bling („Bladed Ring”) für einen Verdichter und/oder für eine Turbine einer thermischen Gasturbine ausgebildet ist.
Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaufeladapter (16) und/oder der Rotorring (12) und/oder die Rotorscheibe aus einer Titan-Legierung und/oder einer Aluminium-Legierung und/oder einer Nickelbasislegierung besteht.
Strömungsmaschine, insbesondere thermische Gasturbine, mit einem Bauteil (10), welches durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt und/oder gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14 ausgebildet ist.