DE102017213326A1

DE102017213326A1 - Rotor für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit lösbarer Schaufelfußverbindung und Herstellungsverfahren für einen solchen Rotor

Info

Publication number: DE102017213326A1
Application number: DE102017213326.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Bussmann; Albin Platz; Steffen Gerloff; Nicole Feiling; Anna Carina Kuepper; Norbert Huber; Hermann Klingels
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2019-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, umfassend: einen Rotorgrundkörper (12), insbesondere eine Rotorscheibe, mit mehreren, entlang des Außenumfangs der Rotorscheibe verteilt angeordneten Ausnehmungen (10), insbesondere Schaufelfußaufnahmen, mehrere Laufschaufeln mit einem jeweiligen Schaufelfuß (30), wobei die Laufschaufeln mittels des jeweiligen Schaufelfußes (30) in einer jeweiligen Ausnehmung (10) des Rotorgrundkörpers (12) aufgenommen sind, wobei die Ausnehmungen (10) in Axialrichtung (AR) als Durchgang von einer Vorderseite des Rotorgrundkörpers (12) zu einer Rückseite des Rotorgrundkörpers (12) ausgebildet sind und eine Innenkontur (20) aufweisen mit mehreren im Betrieb des Rotors tragenden Flankenabschnitten und mehreren nicht-tragenden Flankenabschnitten, wobei jeder Schaufelfuß (30) einer betreffenden Laufschaufel eine zur Innenkontur (20) einer zugeordneten Ausnehmung (10) komplementäre Außenkontur (34) aufweist, derart, dass der Schaufelfuß (30) entlang einer zur Axialrichtung (AR) im Wesentlichen parallelen oder leicht geneigten Einführrichtung in die betreffende Ausnehmung (10) einführbar oder eingeführt ist, wobei die Innenkontur (20) der Ausnehmungen (10) entlang der Einführrichtung von der Vorderseite zur Rückseite des Rotorgrundkörpers (12) konisch ausgebildet ist und wobei die Außenkontur (34) der Schaufelfüße (30) entlang der Einführrichtung konisch ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass im betriebsfertigen Zustand des Rotors ein jeweiliger Schaufelfuß (30) formschlüssig und kraftschlüssig in einer betreffenden Ausnehmung (10) aufgenommen ist, insbesondere eingesteckt ist, derart, dass die formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung zwischen Schaufelfuß (30) und Ausnehmung (10) in einem Nichtbetriebszustand des Rotors zerstörungsfrei lösbar und wiederherstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, umfassend einen Rotorgrundkörper, insbesondere eine Rotorscheibe, mit mehreren, entlang des Außenumfangs der Rotorscheibe verteilt angeordneten Ausnehmungen, insbesondere Schaufelfußaufnahmen, mehrere Laufschaufeln mit einem jeweiligen Schaufelfuß, wobei die Laufschaufeln mittels des jeweiligen Schaufelfußes in einer jeweiligen Ausnehmung des Rotorgrundkörpers aufgenommen sind, wobei die Ausnehmungen in Axialrichtung als Durchgang von einer Vorderseite des Rotorgrundkörpers zu einer Rückseite des Rotorgrundkörpers ausgebildet sind und eine Innenkontur aufweisen mit mehreren im Betrieb des Rotors tragenden Flankenabschnitten und mehreren nicht-tragenden Flankenabschnitten, wobei jeder Schaufelfuß einer betreffenden Laufschaufel eine zur Innenkontur einer zugeordneten Ausnehmung komplementäre Außenkontur aufweist, derart, dass der Schaufelfuß entlang einer zur Axialrichtung im Wesentlichen parallelen oder leicht geneigten Einführrichtung in die betreffende Ausnehmung einführbar oder eingeführt ist, und wobei die Innenkontur der Ausnehmungen entlang der Einführrichtung von der Vorderseite zur Rückseite des Rotorgrundkörpers konisch ausgebildet ist und wobei die Außenkontur der Schaufelfüße entlang der Einführrichtung konisch ausgebildet sind.
Richtungsangaben wie „Axial-“ bzw. „axial“, „Radial-“ bzw. „radial“ und „Umfangs-“ sind grundsätzlich auf die Maschinenachse der Gasturbine bezogen zu verstehen, sofern sich aus dem Kontext nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
Laufschaufeln weisen in der Regel tannenbaumartige (engl. firtree) oder schwalbenschwanzförmige (engl. dovetail) Schaufelfußprofile (Außenkontur) auf, die in die Ausnehmungen von Turbinenscheiben (Rotorgrundkörper) eingeschoben werden. Die Außenkontur der Schaufelfüße und die Innenkontur der Ausnehmungen weisen dabei parallel zueinander und parallel zur Einführrichtung verlaufende Flächen auf und werden in kaltem Zustand mit Spiel montiert.
Ein Rotor der oben beschriebenen Art wurde von der Anmelderin in der DE 10 2010 048 732 B3 im Zusammenhang mit einem Herstellungsverfahren eines integral beschaufelten Rotors als Zwischenprodukt eingesetzt, bei dem die Laufschaufeln beim Einführen in die Ausnehmungen (Nuten) in gewissem Umfang fixiert sind bevor sie mit dem Rotorgrundkörper verschweißt werden. Bei einem solchen Verfahren sind die Laufschaufeln unlösbar mit dem Rotorgrundkörper verbunden und bei der Herstellung ist in der Regel das Vorsehen einer Schweißfuge erforderlich. Ferner kann es beim Verschweißen der Laufschaufeln mit dem Rotorgrundkörper aufgrund der Hitzeentwicklung lokal zu unerwünschten Veränderungen in der Materialstruktur des Rotorgrundkörpers oder/und der der Schaufelfüße der Laufschaufeln kommen, insbesondere kann bei einkristallinen (gegossenen) Laufschaufeln bereichsweise die einkristalline Materialeigenschaft durch Aufschmelzen verloren gehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor und ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, so dass die obigen Nachteile vermieden werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass im betriebsfertigen Zustand des Rotors ein jeweiliger Schaufelfuß formschlüssig und kraftschlüssig in einer betreffenden Ausnehmung aufgenommen ist, insbesondere eingesteckt ist, derart, dass die formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung zwischen Schaufelfuß und Ausnehmung in einem Nichtbetriebszustand des Rotors zerstörungsfrei lösbar und wiederherstellbar ist.
Die konische Formgebung für die Innenkontur der Ausnehmung und die korrespondierende bzw. komplementäre Außenkontur des Schaufelfußes dient dabei nicht nur als Zwischenschritt, sondern stellt eine im Betrieb der Gasturbine endgültige und wirksame Verbindung zwischen Schaufelfuß und Rotorgrundkörper dar. Durch die Verwendung von konisch verlaufenden Tannenbaumprofilen für die Außenkontur bzw. die Innenkontur können die Schaufelfüße spielfrei in die betreffende Ausnehmung eingefügt werden. Ferner können durch die konische Ausgestaltung, die auch als kegelförmig bezeichnet werden kann, Kräfte über im Wesentlichen die gesamte Fläche eines Schaufelfußes übertragen werden, wodurch die Spitzenbelastung für einzelne Bereich reduziert werden. Dies führt dazu, dass in einer Verdichterstufe oder einer Turbinenstufe, in welcher ein solcher Rotor eingesetzt wird, höhere Druckverhältnisse realisiert werden können, wodurch die Leistung und die Lebensdauer erhöht werden. Die form- und kraftschlüssige Verbindung von konisch ausgebildeten Schaufelfüßen mit komplementär ausgebildeten Ausnehmungen führen zu Eigenschaften des Rotors, die vergleichbar sind mit einem Rotor, der als Blisk (Blade Integrated Disk), ausgeführt ist, bei dem die Schaufeln und der Rotorkörper aus einem Stück gefertigt sind.
Um einen möglichst gute Kraftübertragung zwischen Schaufelfuß und Rotorgrundkörper mittels Formschluss und Kraftschluss zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass ein zwischen der Außenkontur eines jeweiligen Schaufelfußes und der Innenkontur einer betreffenden Ausnehmung im eingesetzten Zustand des Schaufelfußes gemessenes Toleranzmaß, insbesondere ein zwischen der Innenkontur und der Außenkontur gebildeter Konturspalt, kleiner oder gleich 50 Mikrometer, insbesondere kleiner oder gleich 20 Mikrometer, beträgt. Im Betrieb der Gasturbine, bei den dann herrschenden Temperaturen und wirkenden Fliehkräften, schmiegen sich die Außenkontur des Schaufelfußes und die Innenkontur der betreffenden Ausnehmungen aufgrund des geringen Toleranzmaßes optimal aneinander, so dass der gewünschte Formschluss und Kraftschluss optimal ermöglicht werden kann.
Um das gewünschte Toleranzmaß erreichen zu können, kann eine Endform der Innenkontur der Ausnehmungen wenigstens teilweise durch elektrochemisches Abtragen (ECM), insbesondere durch gepulstes elektrochemisches Abtragen (PECM), hergestellt sein. Ferner kann auch eine Endform der Außenkontur der Schaufelfüße wenigstens teilweise durch elektrochemische Abtragen (ECM), insbesondere durch gepulstes elektrochemischem Abtragen (PECM), hergestellt sein.
Es wird weiterbildend vorgeschlagen, dass die konische Ausbildung der Innenkontur und der Außenkontur einen Konuswinkel von 1° bis 15° aufweist, wobei der der Konuswinkel vorzugsweise kleiner als oder gleich 10° ist, insbesondere kleiner oder gleich 6° ist. Dabei kann der Konuswinkel insbesondere so gewählt werden, dass ein einfaches Einführen bzw. Einstecken eines Schaufelfußes in eine betreffende Ausnehmung ermöglicht wird und eine optimale relative Endlage von Schaufelfuß und Ausnehmung zueinander erreicht werden kann.
Eine schmale Öffnungsseite der konisch ausgebildeten Ausnehmungen kann immer auf der gleichen axialen Seite des Rotorgrundkörpers angeordnet sein. Alternativ können die schmalen Öffnungsseiten der Ausnehmungen wechselnd auf unterschiedlichen axialen Seiten des Rotorgrundkörpers angeordnet sein, insbesondere können die schmalen Öffnungsseiten benachbarter Ausnehmungen alternierend auf unterschiedlichen axialen Seiten des Rotorgrundkörpers angeordnet sein.
Damit in den Rotorgrundkörper, insbesondere in dessen Ausnehmungen aufgenommene bzw. eingesteckte Schaufelfüße, die durch ihre Außenkontur und die komplementäre Innenkontur der Ausnehmungen in Radialrichtung und Umfangsrichtung gesichert sind, auch in Axialrichtung festgelegt werden können, ist es denkbar, die Laufschaufeln bzw. die Schaufelfüße durch wenigstens eine Spanneinrichtung, insbesondere einen Spannring, zu sichern. Der wenigstens eine Spannring kann dabei nach dem Einsetzen bzw. Einstecken der Schaufelfüße in die Ausnehmungen am Rotorgrundkörper angebracht, insbesondere mit diesem verschraubt werden.
Die oben erwähnte Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorgrundkörpers eine Rotors für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, das folgende Schritte umfasst:

a) Bereitstellen einer Rotorscheibe;
b) Herstellen einer Vorform einer Ausnehmung im Bereich eines Umfangrandes der Rotorscheibe mittels eines abtragenden Verfahrens, insbesondere eines spanenden Verfahrens wie etwa Räumen oder vorzugsweise eines elektrochemischen Abtragens (ECM);
c) ausgehend von der Vorform Herstellen einer mit einem Aufmaß behafteten inneren Vorkontur der Ausnehmung mittels eines abtragenden Verfahrens, insbesondere eines spanenden Verfahrens, wie etwa Fräsen oder Schleifen, oder vorzugsweise eines elektrochemischen Abtragens (ECM);
d) ausgehend von der Vorkontur Herstellen einer Endkontur mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) oder gepulstem elektrochemischem Abtragen (PECM) unter Einsatz einer die Endkontur der Ausnehmung komplementär aufweisenden Elektrode, die in Vorschubrichtung der Elektrode konisch ausgebildet ist, so dass die Endkontur als konische Innenkontur der Ausnehmung ausgebildet wird.

Bei dem Verfahren können die Schritte b) bis d) an unterschiedlichen Positionen entlang des Umfangsrandes der Rotorscheibe wiederholt durchgeführt werden bis eine gewünschte Anzahl von Ausnehmungen in der Rotorscheibe hergestellt ist. Denkbar ist auch, dass die Schritte b) bis d) an unterschiedlichen Positionen entlang des Umfangrandes der Rotorscheibe gleichzeitig durchgeführt werden, etwa durch zwei oder mehr entsprechende Bearbeitungseinheiten, die beispielsweise um 120° oder 180° versetzt um die Rotorscheibe angeordnet sind.
Die Schritte b) bis d) können bei einem elektrochemischen Abtragen (ECM) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von jeweils etwa 0,01mm/min bis 10,0mm/min durchgeführt werden, insbesondere mit etwa 0,5mm/min bis 5mm/min für Schritt b) bei ECM, insbesondere mit etwa 0,1mm/min bis 1,0mm/min für Schritt c) bei ECM und insbesondere mit 0,05mm/min bis 0,5mm/min für Schritt d) bei PECM.
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen:

e) Verfestigungsstrahlen der Rotorscheibe zur Induzierung gezielter Druckeigenspannungen in die Oberfläche der Rotorscheibe, wobei der Schritt e) vorzugsweise erst dann durchgeführt wird, wenn die gewünschte Anzahl von Ausnehmungen hergestellt worden ist.

Die Erfindung betrifft ferner auch ein Verfahren zur Herstellung einer Laufschaufel für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit einem Schaufelfuß, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Laufschaufel mit Schaufelfuß, wobei der Schaufelfuß eine Aufmaß behaftete äußere Vorkontur aufweist, die mittels eines abtragenden Verfahrens hergestellt ist, insbesondere durch Schleifen oder Fräsen, oder vorzugsweise durch elektrochemisches Abtragen;
b) ausgehend von der äußeren Vorkontur des Schaufelfußes Herstellen einer Endkontur des Schaufelfußes mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) oder mittels gepulstem elektrochemischem Abtragen (PECM) unter Einsatz einer die Endkontur des Schaufelfußes komplementär aufweisenden Elektrode, die in Vorschubrichtung der Elektrode konisch ausgebildet ist, so dass die Endkontur als konische Außenkontur des Schaufelfußes ausgebildet wird.

Bei diesem Verfahren kann der folgende Schritt angewendet werden:

c) Verfestigungsstrahlen der Laufschaufel, insbesondere des Schaufelfußes zur Induzierung gezielter Druckeigenspannungen in die Oberfläche des Schaufelfußes.

Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Rotor für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, umfassend wenigstens eine Rotorscheibe, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist und in deren Ausnehmungen Laufschaufeln eingesetzt sind, die nach dem weiteren oben beschriebenen Verfahren hergestellt sind.
Ferner wird auch eine erfindungsgemäße Gasturbine vorgeschlagen, insbesondere Fluggasturbine mit wenigstens einem Rotor der eines der oben beschriebenen Merkmale aufweist oder der nach dem oben beschrieben Verfahren hergestellt ist und wobei in Ausnehmungen Laufschaufeln eingesetzt sind, die nach dem weiteren oben beschriebenen Verfahren hergestellt sind.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.

1 zeigt schematisch und vereinfacht eine Schnittdarstellung einer Schaufelfußaufnahme.
2 zeigt schematisch und vereinfacht eine Schnittdarstellung eines Schaufelfußes einer Laufschaufel.
3 zeigt schematisch und vereinfacht ein Teil (Segment) einer Schaufelscheibe mit Ausnehmungen und Scheibenhöckern.
4 zeigt vereinfachte Schnittansichten entsprechend den Schnittlinien Iva-Iva und IVb-IVb der 3.
5 zeigt vereinfacht Verfahrensschritte zur Herstellung von Ausnehmungen in einer Schaufelscheibe.
6 zeigt schematisch und vereinfacht eine Schnittdarstellung eines Rotors mit eingesetzten Schaufelfüßen.

1 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Schnittdarstellung eine einzelne Schaufelfußaufnahme 10 einer hier nur angedeuteten Schaufelscheibe 12 (eines Rotors) einer Gasturbine. Die Schaufelscheibe 12 ist in der Regel kreisförmig ausgebildet und mit einer Welle der Gasturbine verbunden. Entlang eines gestrichelt angedeuteten Umfangrandes 14 der Schaufelscheibe sind mehrere Ausnehmungen bzw. Schaufelfußaufnahmen 10 nebeneinander angeordnet. Jeweils zwei benachbarte Schaufelfußaufnahmen werden durch einen sogenannten Scheibenhöcker 16 voneinander getrennt. In 1 ist links und rechts der Schaufelfußaufnahme 10 jeweils ein Scheibenhöcker 16 etwa halb dargestellt.
Die Schaufelfußaufnahme 10 umfasst einen Aufnahmegrund 18 bzw. Grundabschnitt, der im Fachjargon auch als Nutgrund bezeichnet wird. Die Schaufelfußaufnahme 10 weist eine Innenkontur 20 auf. Die Innenkontur 20 ist so ausgebildet, dass sie im Betrieb der Gasturbine tragende Flankenabschnitte 22a, 22i und nicht tragende Flankenabschnitte 24a, 24i aufweist. Die Innenkontur 20 weist zwischen den tragenden Flankenabschnitten 22a, 22i und den nicht tragenden Flankenabschnitten 24a, 24i jeweilige Übergangsabschnitte 26a, 26i auf.
Die Schaufelfußaufnahme 10 ist dazu eingerichtet, einen in 2 schematisch dargestellten Schaufelfuß 30 einer Laufschaufel 32 aufzunehmen. Ein solcher Schaufelfuß 30 weist dabei eine zur Innenkontur 20 der Schaufelfußaufnahme 10 komplementäre Außenkontur 34 auf, so dass zwischen der Schaufelscheibe, insbesondere der Schaufelfußaufnahme 10, und dem Schaufelfuß 30 der Laufschaufel 32 eine formschlüssige Verbindung hergestellt werden kann bzw. hergestellt ist. Im Betrieb der Gasturbine wird der Schaufelfuß 30 aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte gegen die tragenden Flankenabschnitte 22a, 22i der Schaufelfußaufnahme 10 gedrückt und in dieser gehalten.
Entlang der Aufnahmekontur 20 bilden der Flankenabschnitt 22a, der Übergangsabschnitt 26a und der nicht tragende Flankenabschnitt 24a einen konkaven Abschnitt der Aufnahmekontur 20. Dies gilt auch für den Flankenabschnitt 22i, den Übergangsabschnitt 26i und den nicht tragenden Flankenabschnitt 24i. Der nicht tragende Flankenabschnitt 24i geht fließend in den Aufnahmegrund 18 über. Zwischen dem nicht tragenden Flankenabschnitt 24a und dem tragenden Flankenabschnitt 22i ist in der Aufnahmekontur 20 ein konvexer Übergangsabschnitt 26k ausgebildet.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier dargestellte Aufnahmekontur 20 einer Schaufelfußaufnahme 10 rein beispielhaft ist. Eine solche Ausgestaltung der Schaufelfußaufnahme wird auch als zweiflankiges Design bezeichnet. Die tragenden Flankenabschnitte 22a, 22i oder/und die nicht tragenden Flankenabschnitte 24a, 24i oder/und die Übergangsabschnitte 26a, 26i können aber anders ausgestaltet sein, insbesondere andere Neigungen oder/und Krümmungsverläufe aufweisen. Ferner kann eine Schaufelaufnahme bezogen auf eine Seite der Aufnahmekontur 20 mehr als die in 1 dargestellten zwei tragenden Flankenabschnitte 22a, 22i und nicht tragenden Flankenabschnitte 24a, 24i aufweisen. Insbesondere können auch drei oder mehr tragende bzw. nicht tragende Flankenabschnitte vorgesehen sein.
3 zeigt in einer schematischen und vereinfachten Weise eine perspektivische Darstellung eines Schaufelscheibensegments einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors bzw. einer erfindungsgemäßen Schaufelscheibe 12 mit mehreren Ausnehmungen 10 (Schaufelfußaufnahmen). Die Ausnehmungen 10 weisen im Wesentlichen den unter Bezugnahme auf die 1 beschriebenen Aufbau mit einer Innenkontur 20 auf. Ergänzend sind ganz rechts in der 3 die tragenden Flankenabschnitte 22a, 22i, die nicht tragenden Flankenabschnitte 24a, 24i und die Übergangsabschnitte 26a, 26i nochmals bezeichnet.
Die Scheibenhöcker 16 weisen in einem bezogen auf die 3 axial vorderen Bereich eine erste Breite d1 auf und in einem axial hinteren Bereich eine zweite Breite d2. Dabei ist die Breite d2 größer als die erste Breite d1. Anders ausgedrückt, weisen die Ausnehmungen 10 in einem axial vorderen Bereich eine erste lichte Weite d3 auf und in einem axial hinteren Bereich eine zweite lichte Weite d4. Dabei ist die erste lichte Weite d3 größer als die zweite lichte Weite d4. Entlang der Axialrichtung weisen also die Ausnehmungen 10 bzw. die Scheibenhöcker 16 eine konische Ausgestaltung auf. Dabei wird die lichte Weite einer Ausnehmung 10 ausgehend von einem kleinsten Wert d3 kontinuierlich größer bis sie den Wert der zweiten lichten Weite d4 erreicht.
Die konische Ausgestaltung der Ausnehmungen 10 bzw. der Schiebenhöcker 16 ist rein schematischen und stark vereinfacht in den 4A und 4B dargestellt, die zwei Schnittdarstellungen zeigen entsprechend den Schnittlinien IVa-IVa und IVb-IVb der 3, die auf unterschiedlichen radialen Abständen zu einem Zentrum des Rotors gewählt worden sind.
4A zeigt den Schnitt im Bereich der tragenden Flankenabschnitte 22a. In diesem Bereich sind die Scheibenhöcker 16 in Umfangsrichtung weniger breit als die Ausnehmungen 10. Die Ausnehmungen 10 weisen axial vorne eine lichte Weite oder innere Breite d31 auf, die größer ist als eine axial hintere lichte Weite d41. Entsprechend weisen die Scheibenhöcker 16 ein vordere axiale Breite d11 auf, die kleiner ist als die axial hintere Breite d21. Die Ausnehmungen weisen also die bereits oben erwähnte konische Ausgestaltung auf, was aus der schematischen und vereinfachten Schnittdarstellung besonders gut ersichtlich ist.
4B zeigt den Schnitt im Bereich der Übergangsabschnitte 26k. In diesem Bereich sind die Scheibenhöcker 16 in Umfangsrichtung breiter als die Ausnehmungen 10. Entsprechend dem Konzept der konischen Ausgestaltung der Ausnehmungen 10, weise diese axial vorne eine lichte Weite oder innere Breite d32 auf, die größer ist als eine axial hintere lichte Weite d42. Entsprechend weisen die Scheibenhöcker 16 ein vordere axiale Breite d12 auf, die kleiner ist als die axial hintere Breite d22.
Der Öffnungswinkel α der konisch ausgestalteten Innenkontur 20 liegt im Bereich von 0,1° bis 10°, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1,0° bis 15°, insbesondere ist der Winkle kleiner oder gleich 10° bzw. kleiner oder gleich 6°. Zur Veranschaulichung ist der Öffnungswinkel exemplarisch und stellvertretend für weitere dargestellte Ausnehmungen in 4B eingezeichnet.
In der 4 sind die Ausnehmungen 10 in Bezug auf ihre konische Ausgestaltung immer gleich ausgerichtet dargestellt, das heißt, die größere lichte Weite d31 bzw. d32 liegt immer auf der gleichen axialen Seite der Schaufelscheibe. Es ist aber auch denkbar, dass die Ausrichtung der konischen Ausnehmungen 10 alternierend ausgestaltet ist, so dass die größere lichte Weite d31 bzw. d32 von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 10 auf unterschiedlichen axialen Seiten der Schaufelscheibe angeordnet sind.
Das Herstellen eines Rotors, insbesondere einer Schaufelscheibe 12 mit konischen Ausnehmungen erfolgt insbesondere nach dem bereits oben beschriebenen Herstellungsverfahren. Dabei wird zunächst eine Rotorscheibe bzw. Schaufelscheibe bereitgestellt. Anschließend wird eine Vorform einer Ausnehmung im Bereich eines Umfangrandes der Rotorscheibe mittels eines abtragenden Verfahrens, insbesondere eines spanenden Verfahrens wie etwa Räumen oder vorzugsweise eines elektrochemischen Abtragens (ECM) hergestellt. Ausgehend von der Vorform wird eine mit einem Aufmaß behaftete innere Vorkontur der Ausnehmung mittels eines abtragenden Verfahrens, insbesondere eines spanenden Verfahrens, wie etwa Fräsen oder Schleifen, oder vorzugsweise eines elektrochemischen Abtragens (ECM) hergestellt. Die Vorform der Ausnehmung weist dabei in der Regel parallel zueinander verlaufende Seiten bzw. Flankenabschnitte auf. Die Vorkontur weist in der Regel bereits konisch zueinander verlaufende Seitenwände bzw. Flankenabschnitte auf. Wird ECM oder PECM eingesetzt, ist es bevorzugt, aber nicht zwingend, dass alle Ausnehmungen an einer Schaufelscheibe gleichzeitig, also in einem gemeinsamen Arbeitsvorgang hergestellt werden.
Eine solche innere Vorkontur 40 ist reinschematisch und vereinfacht in der 5A dargestellt, die eine zur 4 ähnliche Schnittdarstellung mit zwei benachbarten Scheibenhöckern 16 und einer dazwischen entstehenden Ausnehmung 10 zeigt.
Ausgehend von der Vorkontur 40 wird eine gewünschte Endkontur (Innenkontur 20) mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) oder gepulstem elektrochemischem Abtragen (PECM) unter Einsatz einer die Endkontur 20 der Ausnehmung 10 komplementär aufweisenden Elektrode 42, die in Vorschubrichtung VR der Elektrode konisch ausgebildet ist, so dass die Endkontur als konische Innenkontur 20 der Ausnehmung 10 ausgebildet wird. Die Elektrode 42 wird dabei über die gesamte axiale Tiefe der Schaufelscheibe in Vorschubrichtung VR eingeführt, was durch die 5A und 5B illustriert ist. Sobald die endgültige Innenkontur 20 hergestellt ist, wird die Elektrode entgegen der vorherigen Vorschubrichtung VR wieder aus der Ausnehmung 10 herausgeführt, was durch den Pfeil VGR illustriert ist. Es ist aus diesen Ausführungen klar, dass die Elektrode 42, die in der 5 lediglich im Schnitt dargestellt ist, eine Außenkontur aufweist, die im Wesentlichen einer vollständigen Innenkontur 20 einer Ausnehmung 10 entspricht. Insbesondere weist die Elektrode eine in Vorschubrichtung konische Ausgestaltung auf, um die Innenkontur 20 mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) oder gepulstem elektrochemischem Abtragen (PECM) ebenfalls konisch ausbilden zu können.
In einer hierzu analogen, wenn auch komplementär angewendeten Art und Weise, kann auch ein Schaufelfuß 30 (2) mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) oder gepulstem elektrochemischem Abtragen (PECM) hergestellt werden. Dabei wird zunächst eine Laufschaufel mit Schaufelfuß 30 bereitgestellt, wobei der Schaufelfuß 30 eine mit einem Aufmaß behaftete äußere Vorkontur aufweist, die mittels eines abtragenden Verfahrens hergestellt ist, insbesondere durch mechanisches Schleifen oder vorzugsweise durch elektrochemisches Abtragen. Ausgehend von der äußeren Vorkontur des Schaufelfußes wird eine Endkontur 34 des Schaufelfußes 30 mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) oder mittels gepulstem elektrochemischem Abtragen (PECM) unter Einsatz einer die Endkontur 34 des Schaufelfußes 30 komplementär aufweisenden Elektrode hergestellt, wobei die Elektrode die in Vorschubrichtung konisch ausgebildet ist, so dass die Endkontur 34 als konische Außenkontur des Schaufelfußes 30 ausgebildet wird.
6 zeigt vereinfacht und schematisch zur 4B analoge Darstellung einer Schaufelscheibe mit Scheibenhöckern 16, wobei in die Ausnehmungen 10 (3 und 4) nun komplementär ausgestaltete Schaufelfüße 30 eingesetzt sind. 6 ist eine zur 4B analoge Darstellung. Um ein Herausfallen der eingesetzten Laufschaufel bzw. des eingesetzten Schaufelfußes 30 zu verhindern, ist zumindest auf der axialen Seite, auf der die Ausnehmung 10 eine größere lichte Weite d32 (4B) aufweist, ein Sicherungselement 44, beispielsweise ein Sicherungsring oder Sicherungsringsegment bereitgestellt, das mit der Schaufelscheibe verbunden werden kann bzw. verbunden ist. Durch den Einsatz von elektrochemischem Abtragen (ECM bzw. PECM) bei der Herstellung der Ausnehmungen 10 bzw. der Herstellung der Schaufelfüße 30 der Laufschaufeln 32 wird eine hohe Präzision mit geringen Toleranzen erreicht. Daher kann im betriebsfertigen Zustand des Rotors 12 ein jeweiliger Schaufelfuß 30 formschlüssig und kraftschlüssig in einer betreffenden Ausnehmung 10 aufgenommen sein, insbesondere eingesteckt eingeführt sein, und zwar derart, dass die formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung zwischen Schaufelfuß 30 und Ausnehmung 10 in einem Nichtbetriebszustand des Rotors zerstörungsfrei lösbar und wiederherstellbar ist. Ein konische ausgebildeter Schaufelfuß 30 kann also aufgrund der präzisen konischen Ausgestaltung der betreffenden Ausnehmung 10, einfach in diese Ausnehmung eingeführt oder aus dieser entfernt werden. Dabei ist insbesondere das Risiko eines gegenseitigen Verkantens aufgrund der konischen Ausgestaltung verringert. Ferner wird durch die konische Ausgestaltung auch eine Art Zwangsanordnung bzw. Zwangszentrierung des Schaufelfußes 30 in der Ausnehmung 10 erreicht.
Bezugszeichenliste

10: Schaufelfußaufnahme bzw. Ausnehmung
12: Schaufelscheibe bzw. Rotor
14: Umfangsrand
16: Scheibenhöcker
18: Aufnahmegrund
20: Aufnahmekontur bzw. Innenkontur
22a, 22i: tragender Flankenabschnitt
24a, 24i: nicht tragender Flankenabschnitt
26a, 26i, 26k: Übergangsabschnitt
30: Schaufelfuß
32: Laufschaufel
34: Außenkontur
40: Vorkontur
42: Elektrode
44: Sicherungselement bzw. Sicherungsring
d[X]: Breite bzw. lichte Weite
AR: Axialrichtung
RR: Radialrichtung
UR: Umfangsrichtung
VR: Vorschubrichtung
VGR: Gegenrichtung zur Vorschubrichtung

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

DE 102010048732 B3 [0004]

Claims

Rotor für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, umfassend einen Rotorgrundkörper (12), insbesondere eine Rotorscheibe, mit mehreren, entlang des Außenumfangs der Rotorscheibe verteilt angeordneten Ausnehmungen (10), insbesondere Schaufelfußaufnahmen, mehrere Laufschaufeln (32) mit einem jeweiligen Schaufelfuß (30), wobei die Laufschaufeln (32) mittels des jeweiligen Schaufelfußes (30) in einer jeweiligen Ausnehmung (10) des Rotorgrundkörpers (12) aufgenommen sind, wobei die Ausnehmungen (10) in Axialrichtung (AR) als Durchgang von einer Vorderseite des Rotorgrundkörpers (12) zu einer Rückseite des Rotorgrundkörpers (12) ausgebildet sind und eine Innenkontur (20) aufweisen mit mehreren im Betrieb des Rotors tragenden Flankenabschnitten (22a, 22i) und mehreren nicht-tragenden Flankenabschnitten (24a, 24i), wobei jeder Schaufelfuß (30) einer betreffenden Laufschaufel (32) eine zur Innenkontur (20) einer zugeordneten Ausnehmung (10) komplementäre Außenkontur (34) aufweist, derart, dass der Schaufelfuß (30) entlang einer zur Axialrichtung (AR) im Wesentlichen parallelen oder leicht geneigten Einführrichtung in die betreffende Ausnehmung (10) einführbar oder eingeführt ist, wobei die Innenkontur (20) der Ausnehmungen (10) entlang der Einführrichtung von der Vorderseite zur Rückseite des Rotorgrundkörpers (12) konisch ausgebildet ist und wobei die Außenkontur (34) der Schaufelfüße (30) entlang der Einführrichtung konisch ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im betriebsfertigen Zustand des Rotors ein jeweiliger Schaufelfuß (30) formschlüssig und kraftschlüssig in einer betreffenden Ausnehmung (10) aufgenommen ist, insbesondere eingesteckt ist, derart, dass die formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung zwischen Schaufelfuß (30) und Ausnehmung (10) in einem Nichtbetriebszustand des Rotors zerstörungsfrei lösbar und wiederherstellbar ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Außenkontur (34) eines jeweiligen Schaufelfußes (30) und der Innenkontur (20) einer betreffenden Ausnehmung (10) im eingesetzten Zustand des Schaufelfußes gemessenes Toleranzmaß, insbesondere ein zwischen der Innenkontur (20) und der Außenkontur (34) gebildeter Konturspalt, kleiner oder gleich 50 Mikrometer, insbesondere kleiner oder gleich 20 Mikrometer, beträgt.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endform der Innenkontur (20) der Ausnehmungen (10) wenigstens teilweise durch elektrochemische Abtragen (ECM), insbesondere durch gepulstes elektrochemischem Abtragen (PECM), hergestellt ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endform der Außenkontur (34) der Schaufelfüße (30) wenigstens teilweise durch elektrochemische Abtragen (ECM), insbesondere durch gepulstes elektrochemischem Abtragen (PECM), hergestellt ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die konische Ausbildung der Innenkontur (20) und der Außenkontur (34) einen Konuswinkel (α) von 1° bis 15° aufweist, wobei der der Konuswinkel (α) vorzugsweise kleiner oder gleich 10° ist, insbesondere kleiner oder gleich 6° ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine schmale Öffnungsseite (d4, d41, d42) der konische ausgebildeten Ausnehmungen (10) immer auf der gleichen axialen Seite des Rotorgrundkörpers (12) angeordnet ist, oder dass die schmalen Öffnungsseiten der Ausnehmungen wechselnd auf unterschiedlichen axialen Seiten des Rotorgrundkörpers angeordnet sind, insbesondere dass die schmalen Öffnungsseiten benachbarter Ausnehmungen alternierend auf unterschiedlichen axialen Seiten des Rotorgrundkörpers angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Rotorgrundkörpers eine Rotors für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Rotorscheibe (12); b) Herstellen einer Vorform einer Ausnehmung im Bereich eines Umfangrandes der Rotorscheibe mittels eines abtragenden Verfahrens, insbesondere eines spanenden Verfahrens wie etwa Räumen oder vorzugsweise eines elektrochemischen Abtragens (ECM); c) ausgehend von der Vorform Herstellen einer mit einem Aufmaß behafteten inneren Vorkontur (40) der Ausnehmung (10) mittels eines abtragenden Verfahrens, insbesondere eines spanenden Verfahrens, wie etwa Fräsen oder Schleifen, oder vorzugsweise eines elektrochemischen Abtragens (ECM); d) ausgehend von der Vorkontur (40) Herstellen einer Endkontur (20) mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) oder gepulstem elektrochemischem Abtragen (PECM) unter Einsatz einer die Endkontur der Ausnehmung (10) komplementär aufweisenden Elektrode (42), die in Vorschubrichtung (VR) der Elektrode (42) konisch ausgebildet ist, so dass die Endkontur (20) als konische Innenkontur (20) der Ausnehmung (10) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) bis d) wiederholt durchgeführt werden an unterschiedlichen Positionen entlang des Umfangsrandes der Rotorscheibe (12) bis eine gewünschte Anzahl von Ausnehmungen (10) in der Rotorscheibe (12) hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) bis d) bei einem elektrochemischen Abtragen (ECM) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von jeweils etwa 0,1mm/min bis 10,0mm/min durchgeführt werden, insbesondere mit etwa 0,5mm/min bis 5mm/min für Schritt b) bei ECM, insbesondere mit etwa 0,1mm/min bis 1,0mm/min für Schritt c) bei ECM und insbesondere mit 0,05mm/min bis 0,5mm/min für Schritt d) bei PECM.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner umfassend den Schritt e) Verfestigungsstrahlen der Rotorscheibe zur Induzierung gezielter Druckeigenspannungen in die Oberfläche der Rotorscheibe, wobei der Schritt e) vorzugsweise erst dann durchgeführt wird, wenn die gewünschte Anzahl von Ausnehmungen hergestellt worden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Laufschaufel für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit einem Schaufelfuß (30), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Laufschaufel (32) mit Schaufelfuß (30), wobei der Schaufelfuß eine mit einem Aufmaß behaftete äußere Vorkontur aufweist, die mittels eines abtragenden Verfahrens hergestellt ist, insbesondere durch Schleifen oder Fräsen, oder vorzugsweise durch elektrochemisches Abtragen; b) ausgehend von der äußeren Vorkontur des Schaufelfußes Herstellen einer Endkontur des Schaufelfußes mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) oder mittels gepulstem elektrochemischem Abtragen (PECM) unter Einsatz einer die Endkontur des Schaufelfußes komplementär aufweisenden Elektrode, die in Vorschubrichtung der Elektrode konisch ausgebildet ist, so dass die Endkontur als konische Außenkontur des Schaufelfußes ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend den Schritt c) Verfestigungsstrahlen der Laufschaufel, insbesondere des Schaufelfußes zur Induzierung gezielter Druckeigenspannungen in die Oberfläche des Schaufelfußes.
Rotor für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, umfassend wenigstens eine Rotorscheibe (12), die nach dem Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10 hergestellt ist und in deren Ausnehmungen (10) Laufschaufeln (32) eingesetzt sind, die nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12 hergestellt sind.
Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine mit wenigstens einem Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder mit wenigstens einem Rotor nach Anspruch 13.