DE102013214932A1

DE102013214932A1 - Verfahren zum Herstellen einer Turbomaschinenschaufel

Info

Publication number: DE102013214932A1
Application number: DE201310214932
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Richter; Herbert Hanrieder
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Turbomaschinenschaufel (1) mit den Schritten: Einführen eines Impulskörpers (3) in eine Stoßkammer (2) in der Turbomaschinenschaufel durch einen Einführkanal (4); und Verschließen des Einführkanals durch einen Deckel (5); wobei der Deckel und der Einführkanal eine Presspassung aufweisen und/oder ohne Zusatzwerkstoff stoffschlüssig verbunden werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Turbomaschinenschaufel, eine Turbomaschinenschaufel, die nach einem solchen Verfahren hergestellt ist, sowie eine Turbinen- oder Verdichterstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit einer solchen Lauf- oder Leitschaufel.
Insbesondere Leit- und Laufschaufeln von Flugtriebwerk-Gasturbinen können aerofluiddynamisch, thermisch und/oder strukturmechanisch zu Schwingungen angeregt werden. Dabei kann es insbesondere zu selbsterregten Schwingungen kommen.
Die unveröffentlichte eigene europäische Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 13 002 703.2 [bitte prüfen!] betrifft eine Turbomaschinenschaufel mit einer Stoßkammer, in der ein Impulskörper angeordnet ist, der zur Schwingungsdämpfung im Betrieb der Turbomaschine Stöße mit der Stoßkammerwand ausführt. Die Stoßkammer ist durch einen Deckel verschlossen, der in einer Ausführung mit dem Stoßkammerrand verklebt, verschweißt oder verlötet ist.
Dabei kann es zu einem Eintritt von Zusatzwerkstoff wie Klebstoff, Lot oder Schweißzusatzwerkstoff in die Stoßkammer kommen, der das Stoßverhalten beeinträchtigen, insbesondere den Impulskörper an der Stoßkammerwand oder der Deckelinnenseite festlegen kann.
Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbomaschine zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 10 stellt eine Turbomaschinenschaufel, die nach einem solchen Verfahren hergestellt ist, Anspruch 11 eine Turbinen- oder Verdichterstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit einer oder mehreren solchen Lauf- oder Leitschaufeln unter Schutz. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Turbinen- oder Verdichterstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, eine oder mehrere Lauf- oder Leitschaufeln mit je einer oder mehreren Stoßkammern, in denen je ein oder mehrere Impulskörper aufgenommen bzw. angeordnet sind bzw. werden, und einen oder mehrere Einführkanälen zu der jeweiligen Stoßkammer zum Einführen des bzw. der Impulskörper auf, der bzw. die durch einen Deckel verschlossen werden bzw. sind.
Eine Stoßkammer kann in einer Ausführung in einem Schaufelblatt, einem Schaufelfuß oder einem Deckband der Schaufel angeordnet sein. Sie kann mit der Schaufel urgeformt oder durch Materialabtrag, insbesondere spanend, in dieser ausgebildet werden bzw. sein. Ein Einführkanal kann in einer Ausführung mit einer Saug- oder Druckseite eines Schaufelblatts, einer Stirnseite eines Schaufelfußes oder Deckbandes der Schaufel in Umfangs-, Axial- oder Radialrichtung kommunizieren.
In einer Ausführung ist die Stoßkammer gegenüber dem Einführkanal verjüngt. Hierdurch kann vorteilhaft ein größerer Einführkanal und entsprechender Deckel mit einer kleineren Stoßkammer kombiniert werden bzw. sein, wobei ein größerer Einführkanal bzw. Deckel festigkeits-, fertigungs- und/oder montage-, insbesondere fügetechnisch vorteilhaft sein kann. Eine demgegenüber kleinere Stoßkammer kann insbesondere eine bessere Stoßcharakteristik ergeben. In einer Ausführung weist die Stoßkammer eine maximale Innenabmessung auf, die höchstens das 1,5fache einer maximalen Außenabmessung des Impulskörpers aufweist. In einer Ausführung ist der Impulskörper, wenigstens im Wesentlichen, kugelförmig, so dass seine maximale Außenabmessung durch seinen (maximalen) Außendurchmesser definiert ist. In einer Ausführung ist die Stoßkammer, wenigstens im Wesentlichen, quader- oder zylinderförmig, so dass ihre maximale Innenabmessung durch ihre (maximale) Kantenlänge oder ihren (maximalen) Innendurchmesser definiert ist.
In einer Ausführung ist der Deckel rotationssymmetrisch zu einer Einführrichtung, insbesondere einer Längsachse des Einführkanals, was insbesondere festigkeits-, fertigungs- und/oder montage-, insbesondere fügetechnisch vorteilhaft sein kann. In einer anderen Ausführung ist der Deckel nicht rotationssymmetrisch zur Einführrichtung bzw. formschlüssig gegen ein Verdrehen in dem Einführkanal gesichert.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bzw. ist der Impulskörper durch den Einführkanal in die Stoßkammer eingeführt. Der Einführkanal wird bzw. ist durch einen Deckel verschlossen, wobei der Deckel und der Einführkanal eine Presspassung aufweisen bzw. miteinander bilden.
Unter einer Press- bzw. Übermaßpassung wird vorliegend insbesondere in fachüblicher Weise ein Übermaß einer (minimalen) Außenabmessung des Deckel gegenüber einer (maximalen bzw. korrespondierenden) Innenabmessung des Einführkanals verstanden, beispielsweise H7-s6 nach DIN 7157 oder dergleichen. Entsprechend ist in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung eine, insbesondere minimale, Außenabmessung des Deckel größer als eine, insbesondere maximale und/oder korrespondierende, Innenabmessung des Einführkanals. Sind Deckel und Einführkanal in einer Ausführung rotationssymmetrisch, so stellt der minimale Außendurchmesser des Deckel dessen minimale Außenabmessung dar, der maximale Innendurchmesser des Deckel dessen maximale Innenabmessung. Weisen Deckel und Einführkanal in einer anderen Ausführung einen mehreckigen, insbesondere rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt auf, so stellen die einander kontaktierenden Kanten jeweils eine Außenabmessung des Deckel bzw. eine korrespondierende Innenabmessung des Einführkanals im Sinne der vorliegenden Erfindung dar. Allgemein wird unter einer Presspassung im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere auch ein Übermaß eines Außenumfangs des Deckels gegenüber einem Innenumfang des Einführkanals verstanden. Der Deckel weist in einer Ausführung eine Außenkontur auf, die – wenigstens im Wesentlichen – komplementär zu einer Innenkontur des Einführkanals ist. In einer Weiterbildung weisen Deckel und Einführkanal dieselbe Referenzkontur auf, wobei der Deckel gegenüber dieser ein Auf- bzw. Übermaß und/oder der Einführkanal gegenüber dieser ein Ab- bzw. Untermaß aufweist, so dass sie die Presspassung bilden.
In einer Ausführung weisen der Deckel und der Einführkanal die Presspassung wenigstens in einem Betriebstemperaturbereich der Turbomaschinenschaufel auf, der in einer Weiterbildung bei wenigstens 0°C, insbesondere bei wenigstens 10°C, insbesondere bei wenigstens 20°C beginnt und/oder bei höchstens 2500°C, insbesondere bei höchstens 1000°C endet. In einer Ausführung weisen der Deckel und der Einführkanal die Presspassung wenigstens zwischen 20°C und 2500°C, insbesondere zwischen 20°C und 1000°C auf. Dies kann in einer Ausführung dadurch realisiert werden bzw. sein, dass das Übermaß des Deckels entsprechend groß gewählt wird und/oder ein Wärmeausdehnungskoeffizient α_Deckel des Deckels, wenigstens in dem Betriebstemperaturbereich, stets größer oder gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizient α_{Einführkanal} des Einführkanals ist, so dass für korrespondierende Abmessungen von Deckel und Einführkanal gilt: α_Deckel × D_Deckel(T_Ref) = D_Deckel(T) > d_{Einführkanal}(T) = α_{Einführkanal} × d_{Einführkanal}(T_Ref) mit der Außenabmessung, beispielsweise dem minimalen Außendurchmesser, D_Deckel des Deckels, der Innenabmessung, beispielsweise dem maximalen Innendurchmesser, d_{Einführkanal} des Einführkanals, einer Referenztemperatur T_Ref und der Temperatur T innerhalb des Betriebstemperaturbereichs.
Durch eine Presspassung zwischen Deckel und Einführkanal kann ein unerwünschter Eintritt von Material, insbesondere Fügezusatzwerkstoff wie beispielsweise Klebstoff, Lot, Schweißzusatzwerkstoff oder dergleichen, in die Stoßkammer reduziert, vorzugsweise verhindert werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Deckel durch die Presspassung reibschlüssig mit dem verbunden werden bzw. sein.
In einer Ausführung wird zum Einführen des Deckels in den Einführkanal die Turbomaschinenschaufel vollständig oder nur lokal im Bereich des Einführkanals erwärmt, vorzugsweise auf wenigstens 100°C, insbesondere auf wenigstens 500°C, vorzugsweise auf wenigstens 1000°C. Zusätzlich oder alternativ kann der Deckel zum Einführen in den Einführkanal abgekühlt werden, vorzugsweise auf höchstens 0°C, insbesondere auf höchstens –10°C, vorzugsweise auf höchstens –50°C. Entsprechend ist in einer Ausführung die Presspassung zwischen Deckel und Einführkanal nur unter zusätzlicher Erwärmung fügbar. Hierdurch wird in einer Ausführung die Montage erleichtert und/oder die Verbindung verbessert.
Der Deckel kann in einer Ausführung in bzw. entgegen der Einführrichtung alleine durch die Presspassung reibschlüssig gesichert bzw. befestigt sein. Hierdurch kann ein unerwünschter Eintritt von Material, insbesondere Fügezusatzwerkstoff wie beispielsweise Klebstoff, Lot, Schweißzusatzwerkstoff oder dergleichen, in die Stoßkammer noch weiter reduziert, vorzugsweise verhindert werden.
Zusätzlich oder alternativ zu der Presspassung werden bzw. sind nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung der Deckel und der Einführkanal ohne Zusatzwerkstoff stoffschlüssig verbunden. Sie können in einer Weiterbildung ohne Zusatzwerkstoff miteinander verschweißt werden, insbesondere laser- oder elektronenstrahlgeschweißt, wobei das Elektronenstrahlschweißen insbesondere den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads, einer hohen Schweißgeschwindigkeit, schmaler Nähte und/oder eines geringen Verzugs aufweisen kann. In einer Weiterbildung werden bzw. sind Deckel und Einführkanal wärmeleitungsgeschweißt. Hierunter wird vorliegend insbesondere ein Schweißen mit einer Strahlintensität bis 100 kW/cm² verstanden, so dass die Strahlung nicht (tief) eindringt, wodurch die Wärme und somit das Schmelzbad weniger tief eindringen und so die Gefahr einer Beeinträchtigung des Stoßverhaltens, insbesondere einer Festlegung des Impulskörpers an der Stoßkammerwand oder der Deckelinnenseite reduziert, vorzugsweise vermieden werden kann. Allgemein erstreckt sich in einer Ausführung eine Schweißnaht zwischen Deckel und Einführkanal nicht bis zur Stoßkammer.
Wenn in einer Ausführung der Deckel zum Einführen abgekühlt und/oder der Einführkanal erwärmt wird bzw. ist, kann in einer Ausführung die stoffschlüssige Verbindung während oder nach einem anschließenden Temperaturausgleich durchgeführt werden. Insbesondere kann zum stoffschlüssigen Verbinden des Deckels und des Einführkanals der Deckel vorgewärmt werden bzw. sein. Dies kann in einer Ausführung die Schweißbarkeit verbessern. In einer Weiterbildung wird der Deckel durch den zum Einführen erwärmten Einführkanal vorgewärmt, so dass diese Erwärmung sowohl zum Einführen als auch zum stoffschlüssigen Verbinden genutzt werden kann. Gleichermaßen kann der erwärmte Einführkanal, wenigstens im Wesentlichen, auf die Temperatur des Deckels abgekühlt werden bzw. sein, bevor beide stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Die Abkühlung kann passiv durch Wärmetausch mit dem Deckel und/oder der (Schaufel)Umgebung und/oder aktiv durch eine Kühlung erfolgen.
Turbomaschinenschaufeln sind häufig aus nicht oder nur schlecht schmelzschweißgeeigneten Materialien wie IN713, PW1480 oder MAR247. Daher weist in einer Ausführung der Deckel einen Werkstoff auf, der Nickel aufweist und/oder schmelzschweißgeeignet ist, insbesondere IN625, Hastelloy X und/oder Hayness230.
In einer Ausführung wird der Deckel zum Schweißen durch einen Strahlfokus beaufschlagt, der von einem Rand des Deckels nach innen versetzt ist, vorzugsweise um wenigstens 0,1 mm und/oder höchstens 0,3 mm. Hierdurch kann primär der bevorzugt schmelzschweißgeeignete Deckel beaufschlagt werden.
In einer Ausführung ist der Deckel zum Einführen mit einer Stütze verbunden, die vor, bei oder nach dem stoffschlüssigen Verbinden von dem Deckel getrennt wird. Dies kann die Montage verbessern. In einer Weiterbildung wird die Stütze selbsttätig von dem Deckel getrennt. Insbesondere hierzu kann sie stoffschlüssig mit dem Deckel verbunden, insbesondere verklebt oder -lötet, sein, wobei diese Verbindung sich bei Erwärmung des Deckels, insbesondere infolge einer Vorerwärmung durch den Einführkanal und/oder beim Schweißen, lösen kann.
In einer Ausführung wird bzw. ist ein Übergang zwischen dem Deckel und dem Einführkanal nivelliert, insbesondere durch Schleifen, Strahlen und/oder Hämmern. Hierdurch kann eine Oberfläche der Schaufel im Bereich des Deckels, insbesondere aerodynamisch, verbessert werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige:
1: Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Turbomaschinenschaufel einer Turbinen- oder Verdichterstufe einer Gasturbine nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
1a) zeigt einen Teil einer Turbomaschinenschaufel 1 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer Stoßkammer 2 und einem Einführkanal 4 sowie einen hiervon zunächst beabstandeten Deckel 5. Durch den Einführkanal wurde ein Impulskörper 3 in die Stoßkammer eingeführt und ist nun in dieser aufgenommen bzw. angeordnet. Schaufel 1 und Deckel 5 weisen beide Raumtemperatur T_R auf.
Vor, bei oder nach dem Einführen des Impulskörpers in die Stoßkammer wird der Einführkanal auf eine Temperatur T_H > T_R erwärmt, durch Erwärmung der gesamten Schaufel 1 oder lokal im Bereich des Einführkanals 4. Zusätzlich oder alternativ kann der Deckel auf eine Temperatur T_C < T_R abgekühlt werden.
Nun wird der Deckel in den Einführkanal eingeführt, der hierdurch verschlossen wird (1a) → 1b)). Der Deckel ist zum Einführen mit einer Stütze 6 verbunden, die mit diesem verklebt ist.
Durch den erwärmten Einführkanal wird der in diesen eingeführte Deckel vorgewärmt, bis er, wenigstens im Wesentlichen, ebenfalls die Temperatur T_H aufweist. Hierdurch löst sich die Verklebung der Stütze 6, so dass diese selbsttätig, von dem Deckel getrennt wird. Dann werden, wie in 1c) dargestellt, Deckel und Einführkanal miteinander ohne Zusatzwerkstoff durch einen Laser- oder Elektronenstrahl 7 wärmeleitungsgeschweißt. Hierzu wird der Deckel aus einem schmelzschweißgeeigneten Nickel-Werkstoff durch einen Strahlfokus beaufschlagt, der von einem Außenrand des Deckels 5 nach innen versetzt ist. Durch das Wärmeleitungsschweißen wird eine Schweißnaht 8 erzeugt, die sich nicht bis zur Stoßkammer 2 erstreckt, so dass die Gefahr eines unerwünschten Anschweißens des Impulskörpers minimiert ist.
Abschließend wird ein Übergang in Form der Schweißnaht 8 zwischen dem Deckel 5 und dem Einführkanal 4 durch Schleifen, (Kugel)Strahlen oder Hämmern nivelliert.
Deckel 5 und Einführkanal 4 weisen komplementäre Kreisquerschnitte auf, wobei ein Außendurchmesser D₅ des Deckels 5 gegenüber einem Innendurchmesser d₄ des Einführkanals ein solches Übermaß aufweist, dass zwischen diesen eine Presspassung ausgebildet ist, die nur unter Erwärmung fügbar ist und im gesamten Betriebsbereich der Gasturbine vorliegt.
Die zylinderförmige Stoßkammer 2 verjüngt sich radial gegenüber dem Einführkanal 4 und weist einen Innenradius auf, der höchstens das 1,5fache des Außendurchmessers des kugelförmigen Impulskörpers 3 aufweist.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Turbomaschinenschaufel
2: Stoßkammer
3: Impulskörper
4: Einführkanal
5: Deckel
6: Stütze
7: Laser-/Elektronenstrahl
8: Schweißnaht
T: Temperatur

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

EP 13002703 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 7157 [0012]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Turbomaschinenschaufel (1) mit den Schritten: Einführen eines Impulskörpers (3) in eine Stoßkammer (2) in der Turbomaschinenschaufel durch einen Einführkanal (4); und Verschließen des Einführkanals durch einen Deckel (5); dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel und der Einführkanal eine Presspassung aufweisen und/oder ohne Zusatzwerkstoff stoffschlüssig verbunden werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einführen des Deckels in den Einführkanal die Turbomaschinenschaufel vollständig oder lokal im Bereich des Einführkanals erwärmt und/oder der Deckel abgekühlt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zum stoffschlüssigen Verbinden des Deckels und des Einführkanals der Deckel, insbesondere durch den erwärmten Einführkanal, vorgewärmt und/oder der erwärmte Einführkanal, wenigstens im Wesentlichen, auf die Temperatur des Deckels abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel und der Einführkanal miteinander verschweißt, insbesondere laser- oder elektronenstrahlgeschweißt, insbesondere wärmeleitungsgeschweißt, werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel einen schmelzschweißgeeigneten und/oder Nickel-Werkstoff aufweist und/oder zum Schweißen durch einen Strahlfokus beaufschlagt wird, der vorzugsweise von einem Rand des Deckels nach innen versetzt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel zum Einführen mit einer Stütze (6) verbunden ist, die vor, bei oder nach dem stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere selbsttätig, von dem Deckel getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang (8) zwischen dem Deckel und dem Einführkanal nivelliert wird, insbesondere durch Schleifen, Strahlen und/oder Hämmern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßkammer gegenüber dem Einführkanal verjüngt ist und/oder eine maximale Innenabmessung aufweist, die höchstens das 1,5fache einer maximalen Außenabmessung des Impulskörpers aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel rotationssymmetrisch zu einer Einführrichtung oder formschlüssig gegen ein Verdrehen in dem Einführkanal gesichert ist.
Turbomaschinenschaufel (1) mit einer Stoßkammer (2), einem Einführkanal (4) zu der Stoßkammer, der durch einen Deckel (5) verschlossen ist, und einem Impulskörper (3), der in der Stoßkammer aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschinenschaufel nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Turbinen- oder Verdichterstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit wenigstens einer Lauf- oder Leitschaufel (1) nach dem vorhergehenden Anspruch.