DE102015210014A1

DE102015210014A1 - Gehäusestruktur einer Strömungsmaschine mit einem Bauteil mit gerichteter Mikrostruktur

Info

Publication number: DE102015210014A1
Application number: DE102015210014.6A
Authority: DE
Inventors: Petra Kufner; Thomas Hess
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2035-06-02
Also published as: DE102015210014B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, mit einem Gehäusebauteil (4) mit einer dreidimensionalen Form, welches im eingebauten Zustand in der Strömungsmaschine eine Dimension in radialer Richtung, eine Dimension in axialer Richtung und eine Dimension in Umfangsrichtung aufweist, wobei die axiale Richtung (A) der Strömungsmaschine eine Richtung parallel zu einer Drehachse eines Rotors ist, die radiale Richtung (R) sich quer zur axialen Richtung von dieser erstreckt und die Umfangsrichtung umlaufend um die axiale Richtung ist und wobei das Gehäusebauteil durch mindestens einen entsprechend der Form des Gehäusebauteils angeordneten Werkstoff gebildet ist, wobei der Werkstoff zumindest teilweise eine Mikrostruktur aufweist, die anisotrope mechanische Eigenschaften aufweist, wobei die Mikrostruktur so ausgerichtet ist, dass die elastische Dehnbarkeit in radialer Richtung größer ist als in Umfangsrichtung und/oder axialer Richtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäusebauteils einer entsprechenden Strömungsmaschine.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, wie eine stationäre Gasturbine oder ein Flugtriebwerk, mit einer Gehäusestruktur aus Gehäusebauteilen sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
STAND DER TECHNIK
Bei Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken, wird der Strömungskanal, durch den das Fluid strömt, mit dem die Strömungsmaschine betrieben wird, durch einen Gehäusestruktur begrenzt, die aufgrund der im Strömungskanal herrschenden Bedingungen vielfältigen Anforderungen genügen muss. Da im Strömungskanal üblicherweise zum Teil sehr hohe Temperaturen auftreten, muss die Gehäusestruktur insbesondere dafür sorgen, dass die Temperaturunterschiede zwischen dem Strömungskanal und der Umgebung aufrechterhalten werden können. Entsprechend ist die Gehäusestruktur üblicherweise mindestens zweischalig mit einer inneren Gehäusewand und einer äußeren Gehäusewand aufgebaut, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Abstände zum Strömungskanal unterschiedlich stark temperaturbelastet sind und somit auch eine unterschiedlich starke thermische Ausdehnung erfahren. Dadurch ergibt sich für Verbindungselemente, die die innere Gehäusewand und die äußere Gehäusewand verbinden, die Notwendigkeit, dass die bei verschiedenen Betriebszuständen der Strömungsmaschine unterschiedlichen Positionen der inneren Gehäusewand und der äußeren Gehäusewand relativ zueinander kompensiert werden müssen.
Entsprechend werden bei bekannten Strömungsmaschinen häufig Verbindungselemente 9 mit einem sogenannten Hairpin – Design eingesetzt, wie dies in 5 zu sehen ist.
Die 5 zeigt einen teilweisen Schnitt einer Gehäusestruktur 1 einer Strömungsmaschine mit einer inneren Gehäusewand 2 und einer äußeren Gehäusewand 3, die jeweils aus mehreren Teilen und Segmenten aufgebaut sein können. Zwischen der inneren Gehäusewand 2 und der äußeren Gehäusewand 3 ist in dem Ausführungsbeispiel der 5 ein Verbindungselement 9 angeordnet, welches im Schnitt eine U-förmige Struktur aufweist, sodass aufgrund der Form des Verbindungselements 9 eine gute elastische Verformbarkeit des Verbindungselements in radialer Richtung R sowie teilweise in axialer Richtung A gegeben ist, aber die Festigkeit in Umfangsrichtung umlaufend um den Strömungskanal 8 nicht beeinträchtigt ist, sodass dort eine geringere elastische Dehnbarkeit gegeben ist. Allerdings erzeugt das sogenannte Hairpin – Design des Verbindungselements 9 die Problematik, dass das Verbindungselement einen großen Platzbedarf aufweist, sodass die Gestaltungsfreiheit für die Konstruktion der Gehäusestruktur stark begrenzt ist und der frei verfügbare Bauraum stark eingeschränkt ist, sodass insgesamt eine geringe Konstruktionsflexibilität gegeben ist. In der vorliegenden Beschreibung sind Richtungsangaben, wie „axiale Richtung“ bzw. „Axialrichtung“, „radiale Richtung“ bzw. „Radialrichtung“ und „Umfangsrichtung“, stets auf die Maschinenlängsachse bzw. Drehachse der Strömungsmaschine bezogen, sofern aus der Beschreibung nichts anderes hervorgeht.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein anderes Design für ein Verbindungselement zwischen einer inneren Gehäusewand und einer äußeren Gehäusewand einer Gehäusestruktur für Strömungsmaschinen zu finden, welches eine größere Flexibilität bei der Konstruktion der Gehäusestruktur ermöglicht und einen geringeren Platzbedarf aufweist. Gleichwohl soll mit einer entsprechenden Gehäusestruktur bzw. einem darin angeordneten Gehäusebauteil erreicht werden, dass eine ausreichende elastische Dehnbarkeit in radialer Richtung sowie gleichzeitig eine hohe Festigkeit in Umfangsrichtung bezogen auf den Strömungskanal der Strömungsmaschine erzielbar sind.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Strömungsmaschine mit einem Gehäusebauteil gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren zur Herstellung eines Gehäusebauteils einer Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche
Die Erfindung schlägt zur Lösung der oben genannten Aufgabe vor, mindestens ein Gehäusebauteil in einer Gehäusestruktur einer Strömungsmaschine vorzusehen, welches zumindest teilweise aus mindestens einem Werkstoff gebildet ist, der eine Mikrostruktur aufweist, die anisotrope mechanische Eigenschaften bedingt, wobei die Mikrostruktur so in dem Gehäusebauteil ausgerichtet ist, dass bezogen auf den Strömungskanal die elastische Dehnbarkeit in radialer Richtung größer ist als in Umfangsrichtung und/oder axialer Richtung. Dadurch kann vermieden werden, dass die notwendige größere elastische Verformbarkeit eines Gehäusebauteils in radialer Richtung durch eine besondere Formgestaltung des Gehäusebauteils erzielt werden muss, sondern dies wird erfindungsgemäß durch Materialeigenschaften bewirkt, die in dem Material ausgebildet sind, aus dem das Gehäusebauteil gefertigt ist. Entsprechend kann die Form des Gehäusebauteils sehr einfach gehalten werden und muss nicht mehr alleine durch die Form bestimmte mechanische Eigenschaften bewirken. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Einsparung an erforderlichem Bauraum, was die Flexibilität der Konstruktionen und das Design der Gehäusestruktur verbessert.
Insbesondere kann dadurch ein Gehäusebauteil in Form eines Verbindungselements zwischen einer inneren Gehäusewand und einer äußeren Gehäusewand einer Gehäusestruktur einer Strömungsmaschine geschaffen werden, welches eine hohe elastische Dehnbarkeit in radialer Richtung aufweist, die größer ist als die elastische Dehnbarkeit in Umfangsrichtung, wobei auch die elastische Dehnbarkeit in axialer Richtung größer sein kann als in Umfangsrichtung.
Die Mikrostruktur des Werkstoffs, die die anisotrope mechanischen Eigenschaften bedingt und somit auch die in verschiedene Richtungen unterschiedliche elastische Verformbarkeiten, kann somit in dem Gehäusebauteil so orientiert sein, dass das Gehäusebauteil die gewünschten mechanischen Eigenschaften in entsprechenden Richtungen bezogen auf seine äußere Form aufweist. Werkstoffe, die eine entsprechende Mikrostruktur mit anisotropen Eigenschaften aufweisen, können durch einkristalline Werkstoffe, Werkstoffe mit bevorzugter Gefügetextur, Werkstoffe mit laminarem Gefüge, Verbundwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe oder Schichtverbundwerkstoffe bereitgestellt werden.
Bei einkristallinen Werkstoffen ist unmittelbar ersichtlich, dass entsprechend der unterschiedlichen kristallographischen Richtungen des einkristallinen Bauteils unterschiedliche mechanische Eigenschaften gegeben sind, sodass lediglich die kristallographische Orientierung auf die Bauteilform bzw. auf das sich daraus ergebende Anforderungs- bzw. Belastungsprofil angepasst werden muss. Bei Werkstoffen mit bevorzugter Gefügetextur weist das Bauteil eine Vielzahl von Körnern bzw. Kristalliten auf, die jedoch eine Vorzugsorientierung der Kristallite und/oder in bestimmten Richtungen besonders ausgestaltete Formen der Körner bzw. der Kristallite aufweisen. Bei einer bevorzugten Kristallorientierung können die Körner bzw. Kristallite beispielsweise gleichachsig ausgebildet sein, aber durch die bevorzugte Orientierung der Kristallstruktur der Kristallite ergibt sich eine Anisotropie der mechanischen Eigenschaften ähnlich wie bei einem Einkristall. Dies kann beispielsweise bei gerichtet erstarrten Werkstoffen der Fall sein.
Werkstoffe mit bevorzugter Formgestaltung der Kristallite weisen beispielsweise keine gleichachsigen, globularen Körner und Kristallite auf, sondern langgestreckte, lamellar ausgebildete Kristallite, wobei sich auch durch die besondere Form mit entsprechender Ausbildung von Grenzflächen und dergleichen eine anisotrope mechanische Eigenschaft des Bauteils ergibt, die erfindungsgemäß genutzt werden kann.
Darüber hinaus können auch Verbundwerkstoffe, wie Faserverbundwerkstoffe oder Schichtverbundwerkstoffe eingesetzt werden, da durch eine spezielle Anordnung der Fasern und Schichten die mechanische Eigenschaften in bestimmten Bauteilrichtungen besonders eingestellt werden können, wie beispielsweise eine hohe oder geringe elastische Dehnbarkeit.
Die entsprechenden Werkstoffe mit anisotropen mechanischen Eigenschaften, insbesondere anisotrope elastischer Dehnbarkeit können aus vielen unterschiedlichen Materialien wie metallischen Werkstoffen, Keramiken, Kunststoffen und dergleichen gefertigt werden, wobei als Fertigungsverfahren sämtliche Verfahren, die anisotrope mechanische Eigenschaften erzeugen können, in Frage kommen, nämlich Verfahren die richtungsabhängig sind bzw. mit Bezug auf eine bestimmte Richtung funktionieren, sodass sich daraus anisotrope mechanische Eigenschaften ergeben. Hierzu sind für die verschiedenen Arten von Werkstoffen unterschiedliche Herstellverfahren möglich, wie einkristallines Erstarren, gewichtetes Erstarren, Walzen, Strangpressen, Tiefziehen, Laminieren von Faserverbundwerkstoffen, Wickeln von Fasern für Faserverbundwerkstoffe oder auch der generative Aufbau von Bauteilen aus Pulvern beispielsweise durch selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, selektives Elektronenstrahlschmelzen oder selektives Elektronenstrahlsintern. Bei generativen Herstellverfahren, bei denen Bauteile schichtweise aus Pulvermaterial aufgebaut werden, kann durch entsprechende Einstellung der Parameter beim schichtweisen Aufbau in einfacher Weise eine gerichtete Mikrostruktur mit anisotropen mechanischen Eigenschaften aufgebaut werden, sodass entsprechende Gehäusebauteile leicht herstellbar sind.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
1 eine teilweise Schnittansicht durch eine Gehäusestruktur einer Strömungsmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gehäusebauteils,
3 eine Schnittdarstellung mit dem Gehäusebauteil aus 2 im eingebauten Zustand in einer Gehäusestruktur ähnlich der 1,
4 ein Schliffbild einer Nickelbasislegierung mit einer ausgebildeten Gefügetextur und in
5 eine Darstellung einer Gehäusestruktur einer Strömungsmaschine ähnlich der Darstellung aus 1 gemäß dem Stand der Technik.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich, wobei die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr Abwandlungen hierzu möglich sind.
Die 1 zeigt einen teilweisen Querschnitt einer Gehäusestruktur 1 einer Strömungsmaschine, die einen Strömungskanal 8 umgibt.
Die Gehäusestruktur 1 weist eine innere Gehäusewand 2, die benachbart dem Strömungskanal 8 angeordnet ist und mehrere Teile oder Segmente aufweisen kann, und eine äußere Gehäusewand 3 auf, die beabstandet zum Strömungskanal 8 ist und ebenfalls mehrteilig ausgebildet sein kann. Durch den unterschiedlichen Abstand der inneren Gehäusewand 2 und der äußeren Gehäusewand 3 zum Strömungskanal 8 ergeben sich unterschiedliche Temperaturbelastungen der inneren Gehäusewand 2 und der äußeren Gehäusewand 3, sodass sich aufgrund der Temperaturunterschiede sowie zusätzlich möglicher Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der inneren Gehäusewand 2 und der äußeren Gehäusewand 3, Unterschiede in der relativen Position von innerer Gehäusewand 2 zu äußerer Gehäusewand 3 während verschiedener Betriebszustände der Strömungsmaschine ergeben. Diese müssen von den Verbindungselementen 4 und 5, die die innere Gehäusewand 2 mit der äußeren Gehäusewand 3 verbinden, kompensiert werden. Dies können sowohl das separate Verbindungselement 4 als auch das integral mit Teilen der inneren Gehäusewand 2 und Teilen der äußeren Gehäusewand 3 verbundene Verbindungselement 5 durch elastische Verformung bewirken. Um jedoch zu vermeiden, dass durch eine zu große elastische Verformbarkeit der Verbindungselemente 4 oder 5 die Stabilität und Festigkeit der Gehäusestruktur in Umfangsrichtung um den Strömungskanal 8 und/oder in axialer Richtung A entlang des Strömungskanals 8 beeinträchtigt wird, weisen die Verbindungselemente 4, 5 zumindest teilweise mindestens einen Werkstoff mit gerichteter Mikrostruktur auf, der eine mechanische Anisotropie zeigt und zwar derart, dass eine elastische Verformbarkeit in radialer Richtung R größer ist als in Umfangsrichtung umlaufend um den Strömungskanal 8 und/oder in axialer Richtung A.
Die anisotropen mechanischen Eigenschaften hinsichtlich der elastischen Verformbarkeit können durch gezielte Ausrichtung einer im Werkstoff erzeugten Mikrostruktur erreicht werden. In den 2 und 3 ist dies am Beispiel von Faserverbundwerkstoffen dargestellt, wie beispielsweise Kohlenstofffaser verstärkten Kunststoffen, Glasfaser verstärkten Kunststoffen, Kohlenstofffaser verstärkte Keramiken, sogenannten TiGr – Composites aus Titan, Kohlenstofffasern und Epoxidharz sowie Glasfaser verstärktem Aluminium und dergleichen.
In der 2 ist das Verbindungselement 4 als Platte dargestellt, die aus einem Matrixwerkstoff 6 und darin eingelagerten Fasern 7 gebildet ist. Durch die Fasern 7 ergibt sich in Längserstreckung der Fasern eine höhere Festigkeit und geringere Dehnbarkeit der Platte, als in einer Richtung quer zur Längserstreckung der Fasern 7. Dies kann für den Aufbau einer Gehäusestruktur 1 einer Strömungsmaschine in der Weise genutzt werden, dass, wie in 3 rein schematisch gezeigt ist, das Verbindungselement 4 aus der Platte gemäß 2 so eingebaut ist, dass die Fasern 7 mit ihrer Längserstreckung in Richtung der Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei mehrere Platten als Segmente eines umlaufenden Rings ausgebildet sind, sodass die Fasern 7 mit ihrer Längserstreckung tangential zu der kreisförmig umlaufenden Umfangsrichtung angeordnet sind. Entsprechend ergibt sich in radialer Richtung R sowie auch in axialer Richtung A eine größere Dehnbarkeit des Verbindungselements 4 als in Umfangsrichtung um den Strömungskanal 8.
Die 4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Mikrostruktur eines Werkstoffs, mit dem anisotrope mechanische Eigenschaften hinsichtlich einer unterschiedlichen elastischen Dehnbarkeit einstellbar sind. Das Gefügebild der 4 von einem Nickelbasiswerkstoff zeigt eine ausgeprägte Textur des Gefüges mit längsgestreckten Kristalliten, die durch ein generatives Verfahren, wie selektives Laserstrahlschmelzen, aufgebaut worden ist. Die Aufbaurichtung ist bei dem gezeigten Gefüge der 4 im Bild von unten nach oben und die Kornorientierung in Baurichtung führt zu Unterschieden in der Zugfestigkeit in Höhe von 10% zwischen einer Richtung entlang der Längserstreckung der Kristallite und einer Richtung quer dazu. Entsprechend kann auch ein Verbindungselement, welches aus einem Werkstoff mit dem Gefüge der 4 aufgebaut ist, entsprechend ausgerichtet ein Verbindungselement bilden, bei dem die elastische Verformung in radialer Richtung leichter möglich ist, als in Umfangsrichtung.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
Bezugszeichenliste

1: Gehäusestruktur
2: innere Gehäusewand
3: äußere Gehäusewand
4: Verbindungselement
5: Verbindungselement
6: Matrix
7: Faser
8: Strömungskanal
9: Verbindungselement im Hairpin – Design

Claims

Strömungsmaschine, insbesondere Flugtriebwerk mit einem Gehäusebauteil (4) mit einer dreidimensionalen Form, welches im eingebauten Zustand in der Strömungsmaschine eine Dimension in radialer Richtung, eine Dimension in axialer Richtung und eine Dimension in Umfangsrichtung aufweist, wobei die axiale Richtung (A) der Strömungsmaschine eine Richtung parallel zu einer Drehachse eines Rotors ist, die radiale Richtung (R) sich quer zur axialen Richtung von dieser erstreckt und die Umfangsrichtung umlaufend um die axiale Richtung ist und wobei das Gehäusebauteil durch mindestens einen entsprechend der Form des Gehäusebauteils angeordneten Werkstoff gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zumindest teilweise eine Mikrostruktur aufweist, die anisotrope mechanische Eigenschaften aufweist, wobei die Mikrostruktur so ausgerichtet ist, dass die elastische Dehnbarkeit in radialer Richtung größer ist als in Umfangsrichtung und/oder axialer Richtung.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gerichtete Mikrostruktur so angeordnet ist, dass die elastische Dehnbarkeit in axialer Richtung größer ist als in Umfangsrichtung.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe, die einkristalline Werkstoffe, Werkstoffe mit bevorzugter Gefügetextur, Werkstoffe mit lamellarem Gefüge, Verbundwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe und Schichtverbundwerkstoffe umfasst.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusebauteil ein Verbindungselement (4) zwischen einer äußeren, einen Strömungskanal zumindest teilweise umgebenden Gehäusewand (3) und einer inneren, den Strömungskanal zumindest teilweise umgebenden Gehäusewand (2) ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusebauteil (4) mindestens einen radial verlaufenden Wandabschnitt aufweist, wobei die anisotrope Eigenschaften erzeugende Mikrostruktur zumindest in dem radial verlaufenden Wandabschnitt vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gehäusebauteils (4) einer Strömungsmaschine, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das Gehäusebauteil dreidimensional entlang einer axialen und radialen Richtung sowie einer Umfangsrichtung bezüglich eines Strömungskanals der Strömungsmaschine erstreckt und wobei bei dem Verfahren ein Werkstoff mit einer Mikrostruktur bereit gestellt wird, die anisotrope mechanische Eigenschaften aufweist, und bei dem der Werkstoff so in eine Form des Gehäusebauteils gebracht wird, dass die Mikrostruktur so ausgerichtet ist, dass die elastische Dehnbarkeit in radialer Richtung größer ist als in Umfangsrichtung und/oder axialer Richtung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften durch Fertigung des Werkstoff nach mindestens einer Methode erzeugt wird, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die einkristallines Erstarren, gerichtetes Erstarren, Walzen, Strangpressen, Tiefziehen, Laminieren von Faserverbundwerkstoffen, Wickeln von Fasern für Faserverbundwerkstoffe, generatives Aufbauen aus Pulvern, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, selektives Elektronenstrahlschmelzen und selektives Elektronenstrahlsintern umfasst.