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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Gasturbinenbauteils, ein Gasturbinenbauteil, insbesondere eine Scheibe einer Turbinen- oder Verdichterstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit einer Bohrung, die nach einem solchen Verfahren bearbeitet worden ist, sowie eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Gasturbinenbauteils nach einem solchen Verfahren.
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Gasturbinenbauteile wie Verdichter- oder Turbinenscheiben können neben Bolzenbohrungen zum Einführen eines Bolzens verschiedene Kühl-, Schmier-, Steuerfluid- oder andere Arbeitsfluidbohrungen aufweisen, durch die im Betrieb der Gasturbine Arbeitsfluid, beispielsweise Luft, Öl oder dergleichen strömt. Zusätzlich können sie Hohlbohrungen aufweisen, um Gewicht zu reduzieren und/oder eine Gewichtsverteilung zu verändern.
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Solche Bohrungen können im Betrieb der Gasturbine insbesondere im Bereich ihrer Bohrungsöffnungen hoch beansprucht werden, beispielsweise durch die die Gasturbine durchströmende, komprimierte und/oder erhitzte Luft- bzw. Abgasströmung.
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Daher werden die Bohrungsöffnungen nach betriebsinterner Praxis durch Kugelstrahlen, Festwalzen oder Aufdornen oberflächenverfestigt. Diese Verfahren sind jedoch bei Bohrungen, die häufig Absätze, kleine Radien und/oder nicht kreisförmige Querschnitte aufweisen, ungünstig.
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Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gasturbinenbauteil zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 12 stellt ein Gasturbinenbauteil, das nach einem solchen Verfahren hergestellt ist, und Anspruch 13 eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Gasturbinenbauteils nach einem solchen Verfahren unter Schutz. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Gasturbinenbauteil eine oder mehrere Bohrungen auf, insbesondere Bolzen- oder, insbesondere miteinander kommunizierende, Fluidbohrungen.
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Das Gasturbinenbauteil kann insbesondere eine oder mehrere Lauf- oder Leitschaufeln einer Turbinen- oder Verdichterstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, aufweisen. Es kann insbesondere eine solche Schaufel, ein Segment mit mehreren solchen Schaufeln, oder ein Rotor, insbesondere eine Scheibe, sein, an der solche Laufschaufeln lösbar befestigbar oder dauerhaft, insbesondere integral befestigt sind. Gleichermaßen kann das Gasturbinenbauteil beispielsweise auch ein Dichtring oder dergleichen sein.
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Eine Bolzenbohrung ist in einer Ausführung dazu vorgesehen bzw. eingerichtet, im Betrieb der Gasturbine dauernd oder zeitweise, vorzugsweise reibschlüssig, einen Bolzen, aufzunehmen.
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Eine Fluidbohrung ist in einer Ausführung dazu vorgesehen bzw. eingerichtet, im Betrieb der Gasturbine dauernd oder zeitweise von einem flüssigen und/oder gasförmigen Arbeitsfluid durchströmt zu werden. Eine solche Fluidbohrung wird vorliegend als Arbeitsfluidbohrung bezeichnet.
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Sie kann insbesondere eine Kühl(fluid)bohrung sein, die dazu vorgesehen bzw. eingerichtet ist, im Betrieb von einem Kühlfluid, insbesondere Kühlluft, durchströmt zu werden, vorzugsweise, um das Gasturbinenbauteil zu kühlen. Zusätzlich oder alternativ kann sie eine Schmier(mittel- bzw. –fluid)bohrung, insbesondere eine Ölschleuderbohrung sein, die dazu vorgesehen bzw. eingerichtet ist, im Betrieb von einem Schmiermittel bzw. -fluid, insbesondere Öl, durchströmt zu werden, vorzugsweise, um ein Lager des Gasturbinenbauteils zu schmieren. Gleichermaßen kann die Fluidbohrung eine Steuerfluidbohrung sein, die dazu vorgesehen bzw. eingerichtet ist, im Betrieb von einem Steuerfluid, insbesondere Hydrauliköl oder Pneumatikgas, durchströmt zu werden, vorzugsweise, um die Gasturbine zu steuern, beispielsweise eine Schaufel zu verstellen.
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Das Fluid kann insbesondere auch das Arbeitsmedium der Gasturbine sein, insbesondere verdichtete Luft in einer Verdichterstufe oder Abgas aus der Brennkammer in einer Turbinenstufe. Entsprechend kann die Arbeitsfluidbohrung insbesondere eine Zuführ-, Bypass- oder Abführbohrung sein, die dazu vorgesehen bzw. eingerichtet ist, im Betrieb von Luft bzw. Abgas durchströmt zu werden, vorzugsweise, um dieses in axialer und/oder radialer Richtung der Gasturbine weiterzuleiten.
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Das Fluid kann insbesondere auch Umgebungsluft sein, wobei insbesondere in diesem Fall eine Durchströmung auch im Wesentlichen statisch sein bzw., wenigstens im Wesentlichen, entfallen kann. Eine solche Fluidbohrung wird vorliegend als Hohlbohrung bezeichnet. Sie kann insbesondere dazu vorgesehen bzw. ausgebildet sein, das Gewicht des Gasturbinenbauteils zu reduzieren oder dessen Gewichtsverteilung zu verändern.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Bohrung, insbesondere die Fluid- oder Bolzenbohrung beim Bearbeiten wenigstens im Bereich einer Bohrungsöffnung zur Verfestigung mit Hydraulikdruck über ihre Fließgrenze hinaus beaufschlagt. In einer Ausführung wird sie im Bereich zweier gegenüberliegender Bohrungsöffnungen zur Verfestigung mit Hydraulikdruck über ihre Fließgrenze hinaus beaufschlagt. Zusätzlich oder alternativ kann sie auch auf einer Bohrungsinnenseite zur Verfestigung mit Hydraulikdruck über ihre Fließgrenze hinaus beaufschlagt werden, insbesondere über ihre gesamte Bohrungslänge.
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Unter einem Bohrungsrand wird vorliegend insbesondere in fachüblicher Weise ein Schnitt der Bohrungskontur mit einer Außenfläche des Gasturbinenbauteils, insbesondere einer Stirn- oder Umfangsfläche, bezeichnet. Der Bereich einer Bohrungsöffnung im Sinne der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vorzugsweise von dem Bohrungsrand um wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 25%, einer Bohrungslänge in Richtung der Bohrungsachse in die Bohrung hinein und/oder von dem Bohrungsrand in radialer Richtung senkrecht zu der Bohrungsachse um wenigstens 1%, insbesondere wenigstens 5%, eines hydraulischen Durchmessers des Bohrungsrandes von der Bohrungsachse weg. Unter einem hydraulischen Durchmesser einer Kontur wird vorliegend in fachüblicher Weise derjenige Durchmesser verstanden, den ein Kreis aufweist, der denselben Flächeninhalt aufweist wie die Kontur. Bei einer Kreiskontur bzw. einem kreisförmigen Bohrungsrand entspricht der hydraulische Durchmesser dem Durchmesser der Kreiskontur bzw. des Bohrungsrandes. Bei einer quadratischen Kontur mit der Kantenlänge a entspricht der hydraulische Durchmesser dhyd beispielsweise (4a2/π)1/2.
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Die Fließgrenze bezeichnet insbesondere in fachüblicher Weise diejenige (Druck)beaufschlagung, bei der das Material nach Wegfall der Beaufschlagung eine bleibende, plastische Verformung aufweist, vorzugsweise von wenigstens 0,2%. In einer Ausführung ist die Fließgrenze die 0,2-%-Dehngrenze bzw. Elastizitätsgrenze Rp,0,2, die aus dem (Nenn)Spannungs-(Total)Dehnungs-Diagramm ermittelt werden kann und diejenige einachsige mechanische Spannung ist, bei der die auf die Anfangslänge der Probe bezogene bleibende Dehnung nach Entlastung genau 0,2 % beträgt.
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Eine Hydraulikdruckbeaufschlagung über die Fließgrenze hinaus kann in einer Ausführung in Hinblick auf übliche Werkstoffe für Gasturbinenbauteile dadurch gekennzeichnet sein, dass der Hydraulikdruck wenigstens 0,3 GPa, insbesondere wenigstens 0,4 GPa, und/oder höchstens 1,6 GPa, insbesondere höchstens 1,5 GPa beträgt. Entsprechend wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung allgemein die Bohrung beim Bearbeiten wenigstens im Bereich einer Bohrungsöffnung zur Verfestigung mit Hydraulikdruck beaufschlagt, wobei der Hydraulikdruck wenigstens 0,3 GPa, insbesondere wenigstens 0,4 GPa, und/oder höchstens 1,6 GPa, insbesondere höchstens 1,5 GPa beträgt, da dadurch die Bohrung im Sinne der vorliegenden Erfindung über ihre Fließgrenze hinaus beaufschlagt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Beaufschlagung mit Hydraulikdruck wird die Bohrung – wenigstens im Bereich ihrer Bohrungsöffnung, in der sie im Betrieb hohen Umgebungsbeanspruchungen ausgesetzt sein kann – verfestigt. Entsprechend kann hierdurch in einer Ausführung die Lebensdauer und/oder Belastbarkeit des Gasturbinenbauteils erhöht werden. Vorteilhafterweise kann eine solche Verfestigung auch leichter kontrolliert werden als eine Verfestigung durch Kugelstrahlen, Festwalzen oder Aufdornen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Bearbeiten des Gasturbinenbauteils während seiner Herstellung eingesetzt werden. Gleichermaßen kann es auch bei einer Wartung oder Reparatur des benutzten Gasturbinenbauteils eingesetzt werden. Entsprechend wird die Bohrung vor und/oder nach einem Betrieb des Gasturbinenbauteils mit dem entsprechenden Hydraulikdruck beaufschlagt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist – im Gegensatz zu einem Kugelstrahlen, Festwalzen oder Aufdornen – in einer Ausführung auch zum Bearbeiten dünner Bohrungen geeignet, insbesondere von Bohrungen mit einem (minimalen) hydraulischen Durchmesser von höchstens 20 mm, insbesondere von höchstens 15 mm. Der (minimale) hydraulische Durchmesser weist in einer Ausführung wenigstens 1 mm, insbesondere wenigstens 2 mm auf.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist – wiederum im Gegensatz zu einem Kugelstrahlen, Festwalzen oder Aufdornen – in einer Ausführung auch zum Bearbeiten langer Bohrungen geeignet, insbesondere von Bohrungen mit einer Länge, die wenigstens das Doppelte, insbesondere wenigstens das Dreifache eines (minimalen) hydraulischen Durchmessers der Bohrung aufweist, d.h. mit einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von wenigstens 2, insbesondere von wenigstens 3.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist – wiederum im Gegensatz zu einem Kugelstrahlen, Festwalzen oder Aufdornen – in einer Ausführung auch zum Bearbeiten von Bohrungen mit nicht kreisförmigen und/oder variierenden Querschnitten, insbesondere Absätzen, geeignet, insbesondere von Bohrungen, die wenigstens einen ersten Abschnitt mit einem, insbesondere konstanten, ersten hydraulischen Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem, insbesondere konstanten, zweiten hydraulischen Durchmesser aufweisen, der von dem ersten hydraulischen Durchmesser verschieden ist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist – wiederum im Gegensatz zu einem Kugelstrahlen, Festwalzen oder Aufdornen – in einer Ausführung auch zum Bearbeiten von Bohrungen im Bereich einer Bohrungsöffnung besonders geeignet, die eine Verrundung aufweist. In einer Ausführung beträgt ein Radius der Verrundung wenigstens 0,25 mm, insbesondere wenigstens 0,45 mm, und/oder höchstens 5 mm, insbesondere höchstens 2,5 mm.
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In einer Ausführung werden der Bohrung, insbesondere wenigstens im Bereich einer Bohrungsöffnung, durch die Hydraulikdruckbeaufschlagung Druckspannungen von wenigstens 0,3 GPa, insbesondere wenigstens 0,45 GPa, und/oder höchstens 1,2 GPa, insbesondere höchstens 1,1 GPa aufgeprägt. Dies hat sich insbesondere für Arbeitsfluid- und Hohlbohrungen für Gasturbinenbauteile als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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In einer Ausführung wird die Bohrung, insbesondere wenigstens im Bereich einer Bohrungsöffnung, in einer Oberflächentiefe, gemessen von einer Oberfläche der Bohrung in das Material hinein, von wenigstens 0,1 mm, insbesondere wenigstens 0,15 mm, und/oder höchstens 1,5 mm, insbesondere höchstens 1,2 mm verfestigt. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass in dieser Tiefe die oben genannten Druckspannungen aufgeprägt sind und/oder außerhalb dieser Tiefe das Gasturbinenbauteile im Bereich der Bohrung – wenigstens im Wesentlichen – druckspannungsfrei ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Bearbeiten von Gasturbinenbauteilen geeignet, die eine Nickel- und/oder Titanlegierung aufweisen, insbesondere hieraus bestehen. In einer Ausführung besteht das Gasturbinenbauteil aus Ti64 und/oder IN718.
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Insbesondere, um die Bohrung im Bereich beider Bohrungsöffnungen zu verfestigen, wird nach einer Ausführung die Bohrung zur Hydraulikdruckbeaufschlagung beidseitig von einem Bohrungsrand radial beabstandet durch Dichtmittel abgedichtet, wobei eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Gasturbinenbauteils einen oder mehrere Hydraulikfluidanschlüsse zum Beaufschlagen der Bohrung mit Hydraulikdruck aufweist. Die Vorrichtung kann insbesondere zwei Teile aufweisen, die ihrerseits mit den zwei Dichtmitteln versehen und dazu vorgesehen bzw. eingerichtet sind, beidseitig an das Gasturbinenbauteil angepresst zu werden und dadurch zwei Hydraulikfluidkammern zu definieren, die durch die Dichtmittel abgedichtet sind, miteinander durch die Bohrung des Gasturbinenbauteils kommunizieren und mit einer Hydraulikfluidquelle durch den bzw. die Hydraulikfluidanschlüsse kommunizieren.
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In einer Ausführung ist eine erfindungsgemäße bzw. erfindungsgemäß hergestellte Bohrung eine Fluid-, insbesondere eine Arbeitsfluid- oder Hohlbohrung. Entsprechend wird die Erfindung nachfolgend an einem entsprechenden Ausführungsbeispiel erläutert. In einer anderen Ausführung ist eine erfindungsgemäße bzw. erfindungsgemäß hergestellte Bohrung eine Bolzenbohrung.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1: eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Gasturbinenbauteils nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
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2: einen Schnitt durch das Gasturbinenbauteil der 1 längs einer Richtung x nach dem Bearbeiten.
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1 zeigt eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Gasturbinenbauteils mit einem Teil eines Gasturbinenbauteils 1, das gerade bearbeitet wird.
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Das Gasturbinenbauteil, beispielsweise eine Triebwerksturbinenscheibe aus Ti64 oder IN718, weist eine durchgehende Fluidbohrung mit einem hydraulischen Innendurchmesser dhyd von 7 mm und einer Bohrungslänge L auf, die wenigstens das Dreifache des Innendurchmessers beträgt (L/dhyd ≥ 3). Die Fluidbohrung weist einen elliptischen Querschnitt mit einem Achsenverhältnis von 1:3 auf.
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Die beiden Bohrungsöffnungen (oben, unten in 1) weisen jeweils eine Verrundung auf, deren Radius R beispielsweise 1 mm beträgt.
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Vor oder nach einem Betrieb des Gasturbinenbauteils, d.h. bei dessen Herstellung oder Wartung, werden zwei Teile 2.1, 2.2 der Vorrichtung derart beidseitig an das Gasturbinenbauteil 1 gepresst, dass beidseitig (oben, unten in 1) Dichtmittel, im Ausführungsbeispiel exemplarisch in Form von O-Ringen 2.6 dargestellt, die jeweils von einem Bohrungsrand radial nach außen bzw. von einer Bohrungsachse (vertikal in 1) weg beabstandet sind, miteinander durch die Bohrung kommunizierende Hydraulikfluidkammern 2.3 abdichten. Mit anderen Worten sind die beiden O-Ringe 2.6, die die Kammern 2.3 abdichten bzw. begrenzen, von den Bohrungsrändern nach außen versetzt, so dass die Kammern 2.3 die Bohrungsränder übergreifen. Das in 1 obere Teil 2.1 weist einen Hydraulikfluidanschluss 2.4 zum Beaufschlagen der Fluidbohrung mit Hydraulikdruck p auf. Hierzu weist der Hydraulikfluidanschluss 2.4 ein Außengewinde 2.5 auf, um mit einer Hydraulikdruckquelle (nicht dargestellt) verbunden zu werden.
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Beim Bearbeiten wird die Fluidbohrung über ihre gesamte Länge und somit insbesondere auch im Bereich ihrer hoch beanspruchten Bohrungsöffnungen zur Verfestigung mit Hydraulikdruck von etwa 1 GPa (= 10.000 bar) über ihre Fließgrenze hinaus beaufschlagt.
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Hierdurch werden, wie in 2 angedeutet, der Fluidbohrung bzw. dem Gasturbinenbauteil in einer bohrungsnahen Zone Druckspannungen σ von –0,7 GPa und in einer bohrungsfernen Zone Zugspannungen σ von 0,5 GPa aufgeprägt und hierdurch die Fluidbohrung in einer Tiefe von etwa 1 mm verfestigt.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasturbinenbauteil
- 2.1, 2.2
- Vorrichtungsteil
- 2.3
- Hydraulikfluidkammer
- 2.4
- Hydraulikfluidanschluss
- 2.5
- Außengewinde
- 2.6
- O-Ring (Dichtmittel)
- dhyd
- hydraulischer Durchmesser
- L
- Bohrungslänge
- p
- hydrostatischer Druck
- R
- Verrundungsradius
