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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Fan-Blisk einer Gasturbine und insbesondere auf ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einzelne Fan-Schaufeln mit einer Fan-Scheibe oder einem Ring zu verschweißen, um auf diese Weise eine Fan-Blisk herzustellen. Dabei werden die einzelnen Fan-Schaufeln sowie die Fan-Scheibe zunächst separat hergestellt und nachfolgend mittels des Schweißverfahrens gefügt.
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Generell ergeben sich zur Herstellung von Blisks unterschiedliche Herstellungsverfahren, wobei es aus dem Stand der Technik insbesondere vorbekannt ist, Rotoren von Kompressoren einer Gasturbine als Blisks auszubilden. Die Herstellung derartiger Kompressor-Blisks kann durch Zerspanung von Schmiederohlingen erfolgen. Hierbei werden die einzelnen Schaufeln separat gefräst. Eine derartige Vorgehensweise eignet sich aus Kostengründen im Wesentlichen nur für relativ kleine Kompressorschaufeln. In ähnlicher Weise können Kompressor-Blisks durch elektrochemische Bearbeitung aus einem Schmiederohling gefertigt werden. Der Stand der Technik zeigt auch Vorgehensweisen, bei welchen die Schaufeln auf einer zuvor hergestellten Scheibe durch additive Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch Laserauftragsschweißen (DLD) oder durch ALM (additive layer manufacturing).
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Zusätzlich zeigt der Stand der Technik die Verwendung von Reibschweißverfahren, mittels derer separat hergestellte Schaufeln mit einer Scheibe gefügt werden.
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Die Herstellungsverfahren, welche die Schaufelgeometrien aus einem vorgefertigten Schmiederohling erzeugen, sind nur bei kleinen Schaufeln wirtschaftlich anwendbar. Das gleiche gilt auch für die additiven Herstellungsverfahren. Bei der Herstellung eines Fans mit sehr großen Fan-Schaufeln sind diese Verfahren nicht anwendbar.
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Zur Herstellung von Fan-Blisks ist es bekannt, die Fan-Schaufeln mittels eines linearen Reibschweißverfahrens mit der Fan-Scheibe zu verbinden. Dies erfordert jedoch einen hohen apparatetechnischen Aufwand und ist im Hinblick auf die Geometrie der Fan-Schaufeln schwierig durchzuführen. Dabei ist insbesondere das sehr große Streckungsverhältnis von Scheibenaußendurchmesser und Schaufelaußendurchmesser zu berücksichtigen. Weiterhin ist es beim Reibschweißen erforderlich, die Fügebereiche zwischen der Scheibe und den Schaufeln stark zu vergrößern, wodurch sich ein erheblicher Nachbearbeitungsaufwand ergibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einfach und kostengünstig durchführbar ist und die Herstellung von Fan-Blisks mit großem Streckungsverhältnis ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit vorgesehen, dass die Fan-Scheibe und die Fan-Schaufeln zur Herstellung der Fan-Blisks mittels eines im Wesentlichen in Axialrichtung der Fan-Scheibe wirkenden Elektronenstrahls verschweißt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, in kostengünstiger Weise eine Fan-Blisk mit großen Fan-Schaufeln herzustellen, wobei die komplexe Geometrie der Fan-Schaufeln durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausrichtung des Elektronenstrahls im Wesentlichen in Axialrichtung der Fan-Scheibe berücksichtigt werden kann. Erfindungsgemäß ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn die Fan-Scheibe und die Fan-Schaufeln während des Elektronenstrahlschweißvorgangs mit einer vorgegebenen Anpresskraft gegeneinander verspannt werden. Die Schaufeln können in einer geeigneten Vorrichtung positioniert und fixiert werden und/oder mit einer Heftnaht, z. B. mit einem WIG-Prozess, fixiert und auch definiert an die Scheibe angepresst werden. Der Schweißvorgang erfolgt erfindungsgemäß üblicherweise in einem Hochvakuum. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, sämtliche Fan-Schaufeln in einem Arbeitsgang und in einer Aufspannung mittels zumindest einem Elektronenstrahl zu verschweißen. Hieraus ergeben sich erhebliche Kostenreduzierungen, die insbesondere aus der verkürzten Bearbeitungszeit und den erheblich geringeren Investitionskosten resultieren.
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Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn am Außenumfang der Fan-Scheibe radial vorstehende Fügeansätze ausgebildet werden, welche mit Schaufelfüßen der Fan-Schaufeln verschweißt werden. Die Fügeansätze und die Schaufelfüße, welche bevorzugt eine rechteckige oder parallelogrammförmige Fügefläche aufweisen, können dann nachfolgend mechanisch bearbeitet werden. Besonders günstig ist es dabei, wenn die Fügeansätze und die Schaufelfüße jeweils mit ebenen Kontaktflächen (Fügeflächen) ausgebildet werden.
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Erfindungsgemäß ist es somit möglich, sehr tiefe Schweißnähte, bezogen auf die Axialrichtung, in bester Qualität zu erzeugen. So sind beispielsweise Nahttiefen von 300 mm (in Axialrichtung) mit einer Nahtbreite von 20 mm (in Umfangsrichtung) zu erzielen.
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Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Ausrichtung des Elektronenstrahls im Wesentlichen in Axialrichtung auch eine Anstellung des Schaufelfußes von ca. 15° bis 20° zur Axialrichtung ermöglicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, die Fan-Blisk, bezogen auf die Durchströmungsrichtung, von vorne oder von hinten zu verschweißen. Somit ermöglicht die Erfindung eine optimale Anpassung an unterschiedlichste Fan-Geometrien.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausrichtung des Elektronenstrahls in Axialrichtung handelt es sich somit nicht um eine übliche schweißtechnische Vorgehensweise des aus dem Stand der Technik bekannten Elektronenstrahlschweißens. Dort wird stets versucht, eine möglichst kurze oder möglichst wenig tiefe Schweißnaht zu erzeugen. Diese Vorgehensweise wird erfindungsgemäß dahingehend geändert, dass eine sehr große Schweißtiefe bei einer sehr geringen Breite der Schweißnaht zur Anwendung kommt.
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Der Fügevorgang erfolgt erfindungsgemäß üblicherweise unter Hochvakuum, beispielsweise 10–4 mbar. Somit wird eine Oxidation der Schweißnaht wirksam verhindert. Das Hochvakuum verhindert weiterhin eine Porenbildung in der Schweißnaht. Es sind somit hochqualitative Schweißnähte, insbesondere auch bei den verwendeten Titanwerkstoffen, realisierbar. Das Hochvakuum ist außerdem notwendig, um einen langen, kontrollierten Elektronenstrahl zu gewährleisten. D. h. es ist eine ausreichend lange „mittlere freie Weglänge” erforderlich.
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Hinsichtlich der Schweißparameter wird beispielsweise eine Strahlleistung des Elektronenstrahls in einem Bereich von 28 kW bis 150 kW eingesetzt. Hierdurch ergibt sich eine hohe Energiedichte, die die Ausbildung der erwähnten tiefen Schweißnähte mit geringer Eigenspannung ermöglicht. Die große Nahttiefe wird erfindungsgemäß zur Herstellung einer Fan-Blisk auch dadurch ermöglicht, dass der Wärmeleitkoeffizient der verwendeten Titanwerkstoffe, beispielsweise Ti64, sehr gering ist und deutlich unterhalb anderer technischer metallischer Werkstoffe liegt.
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Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene mechanische Nacharbeit der Fügeansätze und der Schaufelfüße ist im Wesentlichen nur erforderlich, um unerwünschte Randeffekte oder ähnliches zu beseitigen. Nachfolgend kann die so hergestellte Fan-Blisk einer Spannungsarmglühung unterzogen werden. Zur Qualitätssicherung erfolgt nachfolgend beispielsweise eine Ultraschallprüfung der Fügezone.
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Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn der Fügebereich bzw. der Übergangsbereich zwischen der Fan-Scheibe und der Fan-Schaufel mit einem Verfahren zur Oberflächenverfestigung behandelt wird, beispielsweise shotpeening, coldrolling, oder laser shockpeening.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 eine vereinfachte Schnittansicht in radialer Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Fan-Schaufel,
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3 eine Schnittansicht, längs der Linie A-A, von 2,
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4 eine Ansicht, analog 3, in fertigbearbeiteten Zustand, und
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5 eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlschweißanlage zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
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Der Mitteldruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Kerntriebwerksgehäuse 21 in einen ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Mitteldruckturbine 17 gekoppelt sind.
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Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenrotorschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenrotorschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
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Die 2 zeigt eine radiale Draufsicht auf eine Fan-Schaufel 29 in schematischer Schnittdarstellung. Wie insbesondere in 3 ersichtlich, ist die Fan-Schaufel 29 einstückig mit einem Schaufelfuß 31 ausgebildet. Die 3 zeigt in einer Schnittansicht längs der Linien A-A von 2 einen Schnitt durch die Fan-Schaufel 29 sowie einen Teil einer Fan-Scheibe 25. Die Fan-Scheibe 25 ist mit einem radial nach außen vorstehenden Fügeansatz 30 versehen. Der Fügeansatz 30 und der Schaufelfuß 31 sind bevorzugt mit einer rechteckigen oder parallelogrammförmigen Fügefläche versehen. Zwischen dem Fügeansatz 30 und dem Schaufelfuß 31 wird eine Schweißnaht 33 mittels des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlschweißverfahrens erzeugt. Der Pfeil 32 in 2 zeigt in schematischer Weise die Richtung des Elektronenstrahls und verdeutlicht, dass erfindungsgemäß eine sehr lange oder tiefe Schweißnaht ausgebildet ist, welche beispielsweise 300 mm tief ist. Die Breite der Schweißnaht (s. die Darstellung der 3) ist im Vergleich hierzu sehr gering und beträgt beispielsweise 20 mm.
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Die 4 zeigt eine fertigbearbeitete Ansicht, analog 3. Dabei ist ersichtlich, dass der Fügebereich und dabei insbesondere der Schaufelfuß 31 und der Fügeansatz 30 nach dem Elektronenstrahlschweißen mechanisch bearbeitet wurden, um glatte Übergänge zu erzeugen.
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In 5 ist in schematischer Darstellung eine Elektronenstrahlschweißanlage zur Verwendung bei der Erfindung gezeigt. Diese umfasst eine Vakuumkammer 34 mit einem Vakuumanschluss 35, der mit zumindest einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) verbunden wird. Oberhalb der eine Arbeitskammer bildenden Vakuumkammer 34 ist eine Vorrichtung zur Strahlführung und zur Strahlfokussierung vorgesehen, um einen Elektronenstrahl 32 mittels elektromagnetischer Spulen 37 zu führen und zu fixieren. Die Vorrichtung 36 ist ebenfalls als Vakuumvorrichtung ausgebildet und mit einem Vakuumanschluss 35 versehen. Oberhalb der Vorrichtung 36 zur Strahlführung und Strahlfokussierung ist eine Strahlerzeugungsvorrichtung 38 angeordnet, welche eine Kathode 39 umfasst. Im Einzelnen entspricht der generelle Aufbau der Elektronenschweißanlage dem Stand der Technik.
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In der Vakuumkammer 34, welche als Arbeitskammer dient, ist ein Arbeitstisch 40 gelagert, welcher drehbar oder verfahrbar ist. Die schematische Darstellung der 5 zeigt eine Fan-Scheibe 25, welche auf den Arbeitstisch 40 aufgelegt ist, sowie Fan-Schaufeln 29, welche mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung gegen die Fan-Scheibe 25 gespannt und fixiert sind. Mittels des Elektronenstrahls 32 erfolgt somit eine Verschweißung der Fan-Schaufeln 29 mit der Fan-Scheibe 25 im Wesentlichen in Axialrichtung der Fan-Scheibe 25.
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Die 5 lässt erkennen, dass zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur ein geringerer apparatetechnischer Aufwand erforderlich ist, um die erfindungsgemäße vorgesehene große Schweißtiefe zu realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Triebwerksachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk/Kerntriebwerk
- 11
- Lufteinlass
- 12
- Fan
- 13
- Mitteldruckkompressor (Verdichter)
- 14
- Hochdruckkompressor
- 15
- Brennkammer
- 16
- Hochdruckturbine
- 17
- Mitteldruckturbine
- 18
- Niederdruckturbine
- 19
- Abgasdüse
- 20
- Leitschaufeln
- 21
- Kerntriebwerksgehäuse
- 22
- Kompressorlaufschaufeln
- 23
- Leitschaufeln
- 24
- Turbinenrotorschaufeln
- 25
- Fan-Scheibe
- 26
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 27
- Turbinenrotornabe
- 28
- Auslasskonus
- 29
- Fan-Schaufel
- 30
- Fügeansatz
- 31
- Schaufelfuß
- 32
- Elektronenstrahl
- 33
- Schweißnaht
- 34
- Vakuumkammer
- 35
- Vakuumanschluss
- 36
- Vorrichtung zur Strahlführung und -fokussierung
- 37
- Spule
- 38
- Strahlerzeugungsvorrichtung
- 39
- Kathode
- 40
- Arbeitstisch
