DE102018110632A1

DE102018110632A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils

Info

Publication number: DE102018110632A1
Application number: DE102018110632.7A
Authority: DE
Inventors: Sebastian MOTSCH
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2018-05-03
Publication date: 2019-11-07
Also published as: US20190338643A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (100A-100D) umfasst folgende Schritte: a) Formen (S1) des Bauteils (100A-100D); b) Abtragen (S3) von Material von dem Bauteil (100A-100D); c) Wärmebehandeln (S4) des Bauteils (100A-100D) nach dem Schritt b; d) Abtragen (S5) von weiterem Material vom Bauteil (100A-100D) nach dem Schritt c.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß Anspruch 1, auf eine Scheibe für ein Gasturbinentriebwerk und auf ein Gasturbinentriebwerk.
Nach einem Formen eines Bauteils liegen innerhalb des Bauteils regelmäßig mechanische Spannungen vor, auch ohne äußere Krafteinwirkung. Derartige Spannungen werden als Eigenspannungen oder Residualspannungen (auf Englisch: „residual stresses“) bezeichnet. Die Art und Weise, in der Eigenspannungen in einem Bauteil herrschen, kann Auswirkungen auf die Stabilität und die Lebensdauer des Bauteils haben, insbesondere, wenn es sich bei dem Bauteil um ein stark mechanisch und/oder thermisch beanspruchtes Bauteil handelt, z.B. ein bewegliches Bauteil eines Gasturbinentriebwerks. Bei Gasturbinentriebwerken ist eine Tendenz zu kleineren radialen Abmessungen von inneren Bauteilen bei höheren Drehgeschwindigkeiten und Temperaturen zu beobachten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellung eines Bauteils zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bereitgestellt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

a) Formen eines Bauteils;
b) Abtragen von Material von dem Bauteil;
c) Wärmebehandeln des Bauteils nach dem Schritt b;
d) Abtragen von weiterem Material vom Bauteil nach dem Schritt c.

Es hat sich gezeigt, dass durch dieses Verfahren die Eigenspannungen des Bauteils so beeinflusst werden können, dass das Bauteil eine höhere strukturelle Stabilität und in der Folge eine verlängerte Lebensdauer aufweist. Alternativ kann das Bauteil bei gleichbleibender Lebensdauer mit weniger Material und damit geringerem Gewicht hergestellt werden.
Insbesondere ist es möglich, Druckeigenspannungen gleichmäßiger über das Bauteil zu verteilen oder gezielt an vorgegebenen Bereichen des Bauteils stärker auszubilden, insbesondere an spezifischen, z.B. hochbelasteten Bereichen. Erreicht wird dies insbesondere dadurch, dass ein Abtragen von Material sowohl vor als auch nach dem Wärmebehandeln des Bauteils erfolgt. Bei dem Abtragen von Material wird die Form des Bauteils zumindest abschnittsweise verändert. Beispielsweise wird in den Schritten b und/oder d Material an einem Bereich oder benachbart zu einem Bereich abgetragen, an dem stärkere Druckeigenspannungen erzeugt werden sollen. Das in Schritt b abgetragene Materialvolumen beträgt z.B. 1/20 (ein Zwanzigstel) bis 1/2 (die Hälfte), insbesondere 1/10 (ein Zehntel) bis 1/3 (ein Drittel) des in Schritt b abgetragenen Materialvolumens.
Optional umfasst das Verfahren ferner den Schritt des (nichtzerstörenden) Prüfens, insbesondere des Ultraschallprüfens des Bauteils nach dem Schritt d. Durch das Ultraschallprüfen kann ermittelt werden, ob das Bauteil Fehler aufweist, die z.B. während des Formens entstanden sein können. Optional wird nach dem Ultraschallprüfen ein dritter Schritt eines Abtragens von Material vom Bauteil durchgeführt.
Optional wird ferner eine Berechnung oder Simulation eines Eigenspannungsfeldes des Bauteils durchgeführt, insbesondere nach einer Finite-Elemente-Methode. Hierdurch kann bestimmt werden, an welchen Bereichen des Bauteils das Eigenspannungsfeld verbessert werden kann.
In einer Weiterbildung wird das Abtragen von Material in Schritt b gemäß einem Ergebnis der Berechnung oder Simulation durchgeführt. Hierdurch kann eine besonders zielgerichtete und effektive Modifikation des Eigenspannungsfeldes des Bauteils erzielt werden. In einer Ausgestaltung ist die Simulation eine iterative Prozesssimulation. Hierbei wird das Eigenspannungsfeld des Bauteils in aufeinanderfolgenden Iterationen berechnet. Die Prozesssimulation kann mittels eines numerischen Modells erfolgen, insbesondere anhand eines numerischen Modells des geformten Bauteils. Alternativ oder zusätzlich wird auch der Schritt des Formens des Bauteils gemäß einem Ergebnis der Berechnung oder Simulation durchgeführt. Beispielsweise kann die Berechnung oder Simulation die Größe eines Volumenzusatzes ermitteln, um den das Bauteil gegenüber einer vorgegebenen Ausgangsform (insbesondere lokal) erweitert wird. In diesem Fall wird das Bauteil in Schritt a mit dem Volumenzusatz geformt.
Optional wird in den Schritten b und d an denselben oder an benachbarten Bereichen des Bauteils Material abgetragen.
In Schritt b kann Material an einem lokal begrenzten Bereich des Bauteils abgetragen werden. So kann gezielt an benachbarten Bereichen das Eigenspannungsfeld beeinflusst werden.
Bei dem Formen in Schritt a kann es sich um ein Urformen und/oder um Umformen handeln. Das Formen kann ein Schmieden umfassen. Alternativ sind aber auch andere Prozesse möglich, z.B. Sintern oder Spritzgießen.
In zumindest einem von Schritt b und Schritt d kann Material durch ein spanendes Bearbeiten oder Nachbearbeiten abgetragen werden. Dabei kann es sich insbesondere um ein Drehverfahren handeln. Allerdings sind auch andere Umformmethoden denkbar.
Das Bauteil kann nach dem Schritt a und vor dem Schritt b eine äußere Form aufweisen, die in einer Richtung eine Gesamtabmessung (z.B. Höhe, Breite, Tiefe oder Durchmesser) aufweist, wobei in Schritt b in dieser Richtung der Gesamtabmessung über eine Strecke Material abgetragen wird, die 1/5 (ein Fünftel) bis 1/10 (ein Zehntel) der Gesamtabmessung beträgt, insbesondere 1/7 (ein Siebtel) der Gesamtabmessung.
Das Bauteil kann nach dem Schritt a und vor dem Schritt b eine äußere Form aufweisen, die in einer Richtung eine lokale Abmessung (z.B. die Dicke des Bauteils an einer Stelle des Bauteils) aufweist, wobei in Schritt b in dieser Richtung über eine Strecke Material abgetragen wird, die 1/2 bis 1/5, insbesondere 1/3 der lokalen Abmessung beträgt.
Bei dem Bauteil kann es sich um ein Bauteil für ein Gasturbinentriebwerk handeln, insbesondere um eine Scheibe für ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere um eine Turbinenscheibe oder eine Verdichterscheibe. Eine erhöhte Lebensdauer des Bauteils kann Service-Intervalle des Gasturbinentriebwerks vergrößern. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, durch einen geringeren Materialeinsatz Gewicht zu sparen.
In Schritt b kann Material an einem radial innen liegenden Bereich des als Scheibe ausgebildeten Bauteils abgetragen werden.
Ein Aspekt betrifft eine Scheibe für ein Gasturbinentriebwerk, wobei die Scheibe dazu ausgebildet ist, mehrere Schaufelblätter zu tragen, wobei die Scheibe gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt oder herstellbar ist.
Ein Aspekt betrifft ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug, umfassend ein Kerntriebwerk, das eine Turbine, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst; einen Fan, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist, wobei der Fan mehrere Fanschaufeln umfasst; ein Getriebe, das von der Kernwelle antreibbar ist, wobei der Fan mittels des Getriebes mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle antreibbar ist, und zumindest ein Bauteil, insbesondere eine Scheibe, nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausführung.
Bei dem Gasturbinentriebwerk kann die Turbine eine erste Turbine sein, der Verdichter ein erster Verdichter sein und die Kernwelle eine erste Kernwelle sein. Optional umfasst das Kerntriebwerk ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfasst; und die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle dahingehend angeordnet sind, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk, z.B. ein Flugzeugtriebwerk, beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Kerntriebwerk umfassen, das eine Turbine, eine Brennervorrichtung, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Fan (mit Fanschaufeln) umfassen, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Getriebe-Fans, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das über die Kernwelle angetrieben wird und dessen Abtrieb den Fan so antreibt, dass er eine niedrigere Drehzahl als die Kernwelle aufweist. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt über die Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich der Fan mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen aufweisen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen. Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Das Kerntriebwerk kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei einer solchen Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, eine Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen generell ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend ausgebildet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel). Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es lediglich von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel). Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es von einer oder mehreren Wellen angetrieben wird, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine Brennvorrichtung axial stromabwärts des Fans und des Verdichters (oder der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Brennervorrichtung direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Die Brennervorrichtung kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen, bei denen es sich um variable Statorschaufeln handeln kann (d.h. der Anstellwinkel kann variabel sein). Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Jede Fanschaufel kann eine radiale Spannweite aufweisen, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden, von Gas überströmten Stelle oder sich von einer Position einer Spannweite von 0 % zu einer Spitze mit einer Spannweite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann bei weniger als (oder in der Größenordnung von): 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei Werten im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an der vorderen Kante (oder der axial am weitesten vorne liegenden Kante) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Fanschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Fanschaufel an ihrer vorderen Kante gemessen werden. Der Durchmesser des Fans (der allgemein das Doppelte des Radius des Fans sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Fandurchmesser kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Fans kann im Betrieb variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Fans mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich der Fan (mit zugehörigen Fanschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Fanschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Fanschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Fanspitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über den Fan hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Fanspitze, beispielsweise an der vorderen Kante der Spitze, ist (die als Fanspitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Fanspitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Fanspitzenbelastung kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (oder in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Kerntriebwerks befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Fangehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Fans zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in die Brennervorrichtung) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 N kg^-1s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1s oder 80 Nkg^-1s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160 kN, 170 kN, 180 kN, 190 kN, 200 kN, 250 kN, 300 kN, 350 kN, 400 kN, 450 kN, 500 kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 °C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 °C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zur Brennvorrichtung, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400 K, 1450 K, 1500 K, 1550 K, 1600 K oder 1650 K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700 K, 1750 K, 1800 K, 1850 K, 1900 K, 1950 K oder 2000 K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Fanschaufel und/oder ein Blattabschnitt (aerofoil) einer Fanschaufel, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und/oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Fanschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Fanschaufel eine vordere Schutzkante aufweisen, die unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch eine vordere Kante kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Fanschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Fan, der hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Fanschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Fanschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Fanschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Fanschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und/oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Fanschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Fanschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben und/oder beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann im Betrieb eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals erlauben. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Der Fan einer Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Fanschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Fanschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, bedeuten. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Triebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit und/oder Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantgeschwindigkeitsbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantgeschwindigkeitsbedingung außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe entsprechen, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 °C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Fanbetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen der Fan (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Betrieb kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise zwei oder vier) Gasturbinentriebwerk(e) zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
3 eine zum Teil weggeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
4 ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils;
5A bis 5G ein Bauteil während mehrerer Bearbeitungsbeschritte im Verfahren gemäß 4;
6A einen Querschnitt durch ein Vergleichsbauteil in mehreren Phasen der Herstellung in einem Vergleichsverfahren;
6B einen Querschnitt durch ein Bauteil in mehreren Phasen der Herstellung nach dem Verfahren gemäß 4;
7A einen Querschnitt durch das fertiggestellte Vergleichsbauteil gemäß 6A mit eingezeichneten Isobaren;
7B einen Querschnitt durch das fertiggestellte Bauteil gemäß 6B mit eingezeichneten Isobaren;
8 einen Querschnitt durch ein Bauteil in mehreren Phasen der Herstellung nach dem Verfahren gemäß 4; und
9 einen Querschnitt durch ein Bauteil in mehreren Phasen der Herstellung nach dem Verfahren gemäß 4.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein epizyklisches Planetengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebe-Fan-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 des epizyklischen Planetengetriebes 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 führt die Planetenräder 32 so, dass sie synchron um das Sonnenrad 28 kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Fan 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht den Fan 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die verbindende Welle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann der Fan 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das epizyklische Planetengetriebe 30 wird in 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne an ihrem Umfang, um ein Kämmen mit den anderen Zahnrädern zu ermöglichen. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 3 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines epizylischen Planetengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Planetengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Planetengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird der Fan 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 2 und 3 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Gasturbinentriebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Gasturbinentriebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Gasturbinentriebwerks 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Gasturbinentriebwerks 10 (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 2 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder epizyklisch planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
4 veranschaulicht die einzelnen Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils 100A. In der nachfolgenden Beschreibung dieses Verfahrens wird ergänzend auf die 5A bis 5G Bezug genommen, welche das Bauteil 100A in mehreren Schritten der Herstellung zeigen.
In einem ersten Schritt S1 wird das Bauteil 100A geformt. Hier sind verschiedene Verfahren möglich, insbesondere ein Urformen und/oder ein Umformen. Im in 5A gezeigten Beispiel wird ein Schmiedematerial 300 in einer Schmiedevorrichtung 400 umgeformt. Das dabei erzeugte Produkt wird zur einfacheren Bezugnahme hier ab diesem Schritt als Bauteil 100A bezeichnet, auch wenn dessen abschließende Form erst nach mehreren weiteren Verfahrensschritten erreicht sein wird. Nach dem Umformen liegen innerhalb des Bauteils 100A Eigenspannungen (innere Spannungen, Residualspannungen, „residual stresses“) vor. Die Ausprägung der Eigenspannungen haben Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften und die Stabilität des Bauteils 100A.
In einem weiteren Schritt S2, der auch vor dem vorher beschriebenen Schritt S1 durchgeführt werden kann, wird eine Berechnung oder Simulation eines Eigenspannungsfeldes des Bauteils 100A durchgeführt (z.B. nach der Finite-Elemente-Methode). Die Berechnung/Simulation kann einen Optimierungsalgorithmus umfassen. Die Simulation kann eine iterative Prozesssimulation umfassen. Die Berechnung oder Simulation kann auf einem Modell, insbesondere einem numerischen Modell beruhen. Die Berechnung oder Simulation kann mittels eines Computers 402 (siehe insbesondere 5B) durchgeführt werden. Dabei wird beispielsweise das Eigenspannungsfeld berechnet oder simuliert, das das Bauteil 100A aufweisen würde, wenn an einer bestimmten Stelle des Bauteils eine bestimmte Menge an Material abgetragen wird. Es können dabei mehrere Varianten berechnet/simuliert werden und in mehreren Iterationen jeweils diejenige Variante oder diejenigen Varianten ausgewählt werden, die das beste Eigenspannungsfeld aufweist/aufweisen. Das beste Eigenspannungsfeld ist z.B. ein möglichst homogenes Eigenspannungsfeld und/oder ein Eigenspannungsfeld, das an Bereichen des Bauteils 100A, die in der späteren Verwendung des Bauteils 100A auf Zug belastet sind, eine Druckspannung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich werden auch Varianten berechnet/simuliert, die gegenüber einer Ausgangsform (insbesondere lokal) einen Volumenzusatz aufweisen. In diesem Fall wird das Bauteil in Schritt S1 mit dem Volumenzusatz geformt (und der Schritt S2 vor dem Schritt S1 durchgeführt, wie anhand der gestrichelten Linien in 4 veranschaulicht).
Ein Eingangsparameter der Simulation kann (neben einer Geometrie und einem Material des Bauteils, z.B. Stahl, eine Nickel- oder eine Titan-Legierung) die Angabe eines Bereichs sein, der verstärkte Druckeigenspannungen (oder je nach Anforderung alternativ Zugeigenspannungen) aufweisen soll. Die Simulation kann ferner eine Lebensdauerberechnung umfassen. Das Ergebnis der Simulation ist z.B. eine Angabe, wo am Bauteil 100A wie viel Material abzutragen ist und/oder wie groß die Ausgangsform des Bauteils 100A zu planen ist (z.B. 100A gemäß 5A).
Um die Eigenspannungen (genauer gesagt das Eigenspannungsfeld) im Bauteil 100A zu beeinflussen, wird in einem nachfolgenden Schritt S3 Material von dem Bauteil 100A abgetragen. Das Material kann an einem lokal begrenzten Bereich des Bauteils 100A abgetragen werden, z.B. nur an einer Seite oder nur einem Teil einer Seite des Bauteils 100A. Gemäß 5B wird das Material mittels einer Drehmaschine 401 abgetragen (alternativ sind andere Arten der spanenden Bearbeitung denkbar). Das Bauteil 100A wird an einem Antrieb befestigt und mittels des Antriebs rotiert. Ein Messer oder dergleichen wird, gesteuert durch einen Computer 402, an das rotierende Bauteil 100A gefahren, sodass Material des Bauteils 100A abgetragen wird. Der Computer 402 kann die Drehmaschine 401 in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Berechnung oder Simulation ansteuern.
In einem wesentlichen nachfolgenden Schritt S4 wird das Bauteil 100A wärmebehandelt. Dies erfolgt z.B. ein einem Ofen 403 (siehe 5C). Bei einem beispielhaften Bauteil aus Stahl kann eine Wärmebehandlung wie folgt durchgeführt werden. In einer Anwärmzeit von z.B. 4 Stunden wird das Bauteil auf z.B. 600 Grad Celsius angewärmt. Diese Temperatur wird z.B. für 6 Stunden gehalten. Daraufhin wird z.B. mit einer Rate von 35 Grad Celsius pro Stunde abgekühlt. Andere Materialien werden z.B. auf eine solche Temperatur erwärmt, dass sie plastisch zu fließen beginnen. Durch die Wärmebehandlung können die Eigenspannungen des Bauteils 100A reduziert werden.
Nach dem Wärmebehandeln in Schritt S4 wird in einem folgenden Schritt S5 erneut Material abgetragen. Gemäß 5D kann dies wieder mit einer Drehmaschine 401 erfolgen. Auch hierbei kann das Abtragen von Material in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Simulation erfolgen, z.B. angesteuert durch den Computer 402. Das Material wird optional an einer Stelle am Bauteil 100A abgetragen, die an den Bereich angrenzt, an dem bereits im vorherigen Schritt S3 Material abgetragen worden ist.
Optional wird das Bauteil 100A in einem Schritt S6 nach dem Schritt S5 ultraschallgeprüft. Gemäß 5E kann das mit einem Ultraschallprüfgerät 404 erfolgen. Das Ultraschallprüfgerät kann mit dem Computer 402 gekoppelt sein, um Messergebnisse des Ultraschallprüfgeräts 404 auszuwerten. Bei dem Ultraschallprüfen können z.B. Materialfehler aufgefunden werden. Bauteile 100A, bei denen ein Materialfehler aufgefunden worden ist, können aussortiert oder nachbearbeitet werden, z.B. durch erneutes Durchführen von einem oder mehreren der Schritte S3 bis S5 (optional wird dann in einem erneuten Schritt S6 geprüft).
In einem optionalen nachfolgenden Schritt S7 wird erneut Material vom Bauteil 100A abgetragen (siehe 5F), optional an einer Stelle am Bauteil 100A, die an einen Bereich angrenzt, an dem bereits in einem vorherigen Schritt S3, S5 Material abgetragen worden ist. In diesem Schritt kann die finale Geometrie des Bauteils 100A erzeugt werden, falls das nicht bereits zuvor geschehen ist.
5G zeigt das fertiggestellte Bauteil 100A, bei dem es sich hier beispielhaft um das Hohlrad 38 des Getriebes 30 gemäß 3 handelt.
6A zeigt ein Vergleichsbauteil V, auf das weiter unten näher eingegangen werden wird.
6B zeigt mehrere Umrisse eines Bauteils 100B bei der Herstellung im Verfahren gemäß 4. Bei diesem Bauteil 100B handelt es sich um eine Scheibe des Gasturbinentriebwerks 10 gemäß 1 und 2, konkret um eine Scheibe der Hochdruckturbine 17 (siehe 1). Das Bauteil 100B ist dazu ausgebildet, an einem Außenumfang Schaufeln zu tragen. Das Bauteil 100B weist eine innere Durchgangsöffnung auf (zur Aufnahme der Welle 26). 6B zeigt das Bauteil 100B im Querschnitt, wobei nur die eine Hälfte gezeigt ist. Der in der 6B linke Rand des Bauteils 100B begrenzt die Durchgangsöffnung.
Nach dem Schritt S1 des Formens des Bauteils 100B (im vorliegenden Beispiel durch Schmieden) weist das Bauteil 100B eine Form auf, die hier als Schmiedeform 200 („black forging shape“) bezeichnet wird. Nach dem Abtragen von Material in Schritt S3 weist das Bauteil 100B eine Form auf, die hier als Wärmebehandlungsform 201 bezeichnet wird. Wie anhand von 6B zu erkennen, ist dabei lokal im Bereich der Durchgangsöffnung Material abgetragen worden, z.B. unter Bildung einer (innen umlaufenden) Kerbe. Die Wärmebehandlungsform 201 ist verschieden von der Schmiedeform 200. Die Wärmebehandlungsform 201 weist zumindest eine lokale Abweichung von der Schmiedeform 200 auf. Im vorliegenden Beispiel weist die Wärmebehandlungsform 201 eine Vertiefung auf, die bei der Schmiedeform 200 nicht ausgebildet war. Durch das Abtragen von Material in Schritt S3 wird beispielsweise eine Krümmung in eine Oberfläche des Bauteils 100B eingebracht oder verstärkt. Alternativ oder zusätzlich wird eine Krümmung aus der Oberfläche des Bauteils 100B entfernt oder reduziert.
Die Schmiedeform 200 des Bauteils 100B weist eine Gesamtabmessung G auf (bezogen auf die im Querschnitt entlang der Richtung dieser Gesamtabmessung G miteinander verbundenen Abschnitte des Bauteils 100B). Die Gesamtabmessung G kann, wie in 6B dargestellt, in radialer Richtung des als Scheibe ausgebildeten Bauteils 100B gemessen werden.
An der Stelle, an der in Schritt S3 (vor dem Wärmebehandeln in Schritt S4) Material abgetragen wird, weist die Schmiedeform 200 des Bauteils 100B parallel zur Gesamtabmessung G eine lokale Abmessung L auf. Im Schritt S3 wird an dieser Stelle ein Materialvolumen bis zu einer Tiefe T (parallel zur Gesamtabmessung G und zur lokalen Abmessung L) vom Bauteil 100B abgetragen. Die Tiefe T beträgt z.B. 1/10 bis 1/2 der Gesamtabmessung G, insbesondere 1/9 bis 1/5, insbesondere 1/7. Die Tiefe T beträgt optional 1/4 bis 1/2 der lokalen Abmessung L, insbesondere 1/3.
Im Schritt S3 (vor dem Wärmebehandeln in Schritt S4) kann Material z.B. an einer solchen Stelle vom Bauteil 100B abgetragen werden, an der sich die Schmiedeform 200 und eine Prüfform 202 und/oder eine Endform 203 am stärksten voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten gesagt, kann vor dem Wärmebehandeln dort Material abgetragen werden, wo bis zur Bildung des fertigen Bauteils besonders viel, insbesondere am meisten Material abzutragen ist.
Die Wärmebehandlungsform 201 weist ein geringeres Volumen auf als die Schmiedeform 200. Nach der Wärmebehandlung im Schritt S4 wird erneut Material abgetragen. Dann weist das Bauteil die Prüfform 202 auf. Die Prüfform 202 weist ein kleineres Volumen auf als die Wärmebehandlungsform 201.
Nach dem Ultraschallprüfen wird erneut Material abgetragen, sodass das Bauteil 100B die Endform 203 aufweist.
7A zeigt das fertiggestellte Vergleichsbauteil V.
7B zeigt das Bauteil 100B mit der Endform 203. Das fertiggestellte Bauteil 100B weist einen Flansch 102 und einen Außenumfang 103 gegenüber der Durchgangsöffnung 101 auf. In 7 sind ferner Isobaren mit jeweils konstanter Eigenspannung eingezeichnet.
6A zeigt die Umrisse des Vergleichsbauteils V, das direkt nach dem Formen wärmebehandelt wird. Bei diesem Bauteil sind die Schmiedeform 200 und die Wärmebehandlungsform 201 daher identisch. 7A zeigt die Endform dieses Vergleichsbauteils V, wobei ebenfalls Isobaren eingezeichnet sind.
Im Vergleich der 7A und 7B zeigt sich, dass bei dem in 7B gezeigten Bauteil 100B, das nach dem Verfahren gemäß 4 hergestellt worden ist, im Bereich der Durchgangsöffnung 101 besonders gleichmäßig verlaufende Eigenspannungen ausgebildet sind, gleichmäßiger als im Vergleichsbauteil V. Zudem hat sich gezeigt, dass die Eigenspannungen im Bereich der Durchgangsöffnung 101 und des Flansches 102 stärker als Druckspannungen ausgebildet sind. Diese Druckspannungen können durch extern in der Benutzung des Bauteils 100B im Gasturbinentriebwerk 10 ausgeübte Zugspannungen ausgeglichen werden. Hierdurch kann das Bauteil 100B eine verlängerte Lebensdauer aufweisen.
8 zeigt ein Bauteil 100C, das in Schritt S1 mit einem Materialzusatz geformt wird. In diesem Fall weist die Schmiedeform 200 gegenüber der lokalen Abmessung L eines benachbarten Bereichs eine verstärkte lokale Abmessung L' auf. Der Bereich mit der verstärkten lokalen Abmessung L' grenzt an den Bereich an, an dem im Schritt S3 (vor dem Wärmebehandeln) Material abgetragen wird. Die Differenz zwischen der verstärkten lokalen Abmessung L' und der lokalen Abmessung L des benachbarten Bereichs beträgt z.B. 1/10 bis 1/2 der Gesamtabmessung G, insbesondere 1/9 bis 1/5, insbesondere 1/7. Alternativ kann die lokale Abmessung L' um 1/7 größer sein als eine lokale Abmessung an derselben Stelle einer Ausgangsform (vor einer entsprechenden Berechnung oder Simulation).
9 zeigt ein Bauteil 100D, das ähnlich dem Bauteil 100C gemäß 8 in Schritt S1 mit einem Materialzusatz geformt wird. Gegenüber einer Ausgangsform (z.B. der Schmiedeform 200 gemäß 6A oder 6B) weist die Schmiedeform 200 des Bauteils 100D einen (lokalen) Volumenzusatz auf. Der Volumenzusatz ist hier im Bereich des Außenumfangs 103 des Bauteils 100D vorgesehen (an dem später Schaufeln angebracht werden können). Die Größe dieses Volumenzusatzes stellt das Ergebnis einer Berechnung und/oder Simulation dar, in der insbesondere das Eigenspannungsfeld des Bauteils 100D optimiert worden ist. Die Gesamtabmessung G ist somit um beispielsweise um 1/6 bis 1/3, z.B. um 1/4 der ursprünglichen Gesamtabmessung gegenüber der ursprünglichen Gesamtabmessung vergrößert. Dabei ist auch die Wärmebehandlungsform 201 gegenüber der Ausgangsform (z.B. der Wärmebehandlungsform des Vergleichsbauteils V) lokal vergrößert. Optional ist die Prüfform 202 unverändert gegenüber der Prüfform des Vergleichsbauteils V gemäß 6A. Die Wärmebehandlungsform 201 weist ein kleineres Volumen auf als die Schmiedeform 200. Die Prüfform 202 weist ein kleineres Volumen auf als die Wärmebehandlungsform 201. Die Endform 203 weist ein kleineres Volumen auf als die Prüfform 202.
Alternativ zu der beschriebenen Simulation können Erfahrungswerte einbezogen werden. Ferner können Testmessungen an Bauteilen genommen werden, bei denen in Schritt S3 unterschiedlich viel Material oder an verschiedenen Stellen abgetragen worden sind. Das Material kann dann in den Schritten S3, S5 und/oder S7 gemäß einem jener Bauteile abgetragen werden. Optional wird eine Simulation oder werden Testmessungen mit einer Bauteilgröße durchgeführt und die Ergebnisse der Simulation oder Testmessungen auf eine andere Bauteilgröße extrapoliert. Das Verfahren gemäß 4 wird dann mit diesen Ergebnissen durchgeführt (optional ohne den Schritt S2).
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
Bezugszeichenliste

9: Hauptdrehachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Kerntriebwerk
12: Lufteinlass
14: Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter
16: Verbrennungseinrichtung
17: Hochdruckturbine
18: Bypassschubdüse
19: Niederdruckturbine
20: Kernschubdüse
21: Triebwerksgondel
22: Bypasskanal
23: Fan
24: stationäre Stützstruktur
26: Welle
27: Verbindungswelle
28: Sonnenrad
30: Getriebe
32: Planetenräder
34: Planetenträger
36: Gestänge
38: Hohlrad
40: Gestänge
100A-100D: Bauteil
101: Durchgangsöffnung
102: Flansch
103: Außenumfang
200: Schmiedeform
201: Wärmebehandlungsform
202: Prüfform
203: Endform
300: Schmiedematerial
400: Schmiedevorrichtung
401: Drehmaschine
402: Computer
403: Ofen
404: Ultraschallprüfgerät
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
G: Gesamtabmessung
L: lokale Abmessung
L': verstärkte lokale Abmessung
T: Tiefe
V: Vergleichsbauteil

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (100A-100D) mit folgenden Schritten: a) Formen (S1) des Bauteils (100A-100D); b) Abtragen (S3) von Material von dem Bauteil (100A-100D); c) Wärmebehandeln (S4) des Bauteils (100A-100D) nach dem Schritt b; d) Abtragen (S5) von weiterem Material vom Bauteil (100A-100D) nach dem Schritt c.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend folgenden Schritt: e) nichtzerstörendes Prüfen, insbesondere Ultraschallprüfen, (S6) des Bauteils (100A-100D) nach dem Schritt d.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ferner eine Berechnung oder Simulation eines Eigenspannungsfeldes des Bauteils (100A-100D) durchgeführt (S2) wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Abtragen von Material in Schritt b gemäß einem Ergebnis der Berechnung oder Simulation durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei den Schritten b und d an denselben oder an benachbarten Bereichen (101) des Bauteils (100A-1000) Material abgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt b Material an einem lokal begrenzten Bereich des Bauteils (100A-100D) abgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formen in Schritt a ein Schmieden umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in zumindest einem von Schritt b und Schritt d Material durch ein spanendes Bearbeiten abgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (100A-1000) nach dem Schritt a und vor dem Schritt b eine äußere Form aufweist, die in einer Richtung eine Gesamtabmessung (G) aufweist, wobei in Schritt b in dieser Richtung über eine Strecke Material abgetragen wird, die ein Siebtel der Gesamtabmessung (G) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (100A-1000) nach dem Schritt a und vor dem Schritt b eine äußere Form aufweist, die in einer Richtung eine lokale Abmessung (L) aufweist, wobei in Schritt b in dieser Richtung über eine Strecke Material abgetragen wird, die ein Drittel der lokalen Abmessung (L) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem fertiggestellten Bauteil (100B) um eine Scheibe für ein Gasturbinentriebwerk (10) handelt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei im Schritt b Material an einem radial innen liegenden Bereich des Bauteils (100B) abgetragen wird.
Scheibe für ein Gasturbinentriebwerk (10), wobei die Scheibe dazu ausgebildet ist, mehrere Schaufelblätter zu tragen, wobei die Scheibe nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt oder herstellbar ist.
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, umfassend: - ein Kerntriebwerk (11), das eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle (26) umfasst; - einen Fan (23), der stromaufwärts des Kerntriebwerks (11) positioniert ist, wobei der Fan (23) mehrere Fanschaufeln umfasst; - ein Getriebe (30), das von der Kernwelle (26) antreibbar ist, wobei der Fan (23) mittels des Getriebes (30) mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) antreibbar ist, und - zumindest eine Scheibe nach Anspruch 13.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 16, wobei: - die Turbine eine erste Turbine (19) ist, der Verdichter ein erster Verdichter (14) ist und die Kernwelle eine erste Kernwelle (26) ist; - das Kerntriebwerk (11) ferner eine zweite Turbine (17), einen zweiten Verdichter (15) und eine zweite Kernwelle (27), die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfasst; und - die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle dahingehend angeordnet sind, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.