DE102019118072A1

DE102019118072A1 - Rotor und Verfahren zum Herstellen eines Rotors

Info

Publication number: DE102019118072A1
Application number: DE102019118072.4A
Authority: DE
Inventors: Gregor Kappmeyer; Guido Michael Schüler
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors (6B) in BLISK- oder BLING-Bauweise, insbesondere eines Rotors (6B) eines Flugtriebwerks (1), mit einer Rotor-Scheibe (6C), die an ihrem radial äußeren Bereich einen Annulus (6D) ausbildet, und ein solcher Rotor (6B) beschrieben. Der Rotor (6B) begrenzt radial innen einen Strömungskanal des Flugtriebwerks (1) und weist mehrere Rotor-Schaufeln (10) auf, die vom Annulus (6D) abstehen. Die Rotor-Scheibe (6C) und jeweils ein dem Annulus (6D) zugewandter Teil (10A) der Schaufeln (10) werden einstückig mittels Schmieden hergestellt. Jeweils ein weiterer Teil (10B) der Schaufeln (10), der sich jeweils radial außen an die dem Annulus (6D) zugewandten Teile (10A) der Schaufeln (10) anschließt, wird mittels eines generativen Fertigungsverfahrens erzeugt. Eine Form von Schnittstellen (13) zwischen den geschmiedeten Teilen (10A) der Schaufeln (10) und den generativgefertigten Teilen (10B) der Schaufeln (10) wird in Abhängigkeit von am Rotor (6B) im Betrieb angreifenden Lasten definiert.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors in BLISK-Bauweise sowie einen Rotor in BLISK- Bauweise.
Rotoren in BLISK- oder BLING-Bauweise von Axialverdichtern, die speziell im hinteren Bereich eines Verdichters eingesetzt werden, werden heute zumeist mittels abtragender Verfahren, wie einem Zerspanen oder einem elektrochemischen Abtragen, aus einem Schmiedeteil gefertigt. Derart gefertigte Rotoren weisen Schaufeln auf, die aus geschmiedetem Scheibenwerkstoff bestehen.
Die Herstellung von Rotoren mittels auftragender Verfahren, wie z.B. Laserauftragsschweißen, ist aus der US 2008/0182017 A1 bekannt.
Des Weiteren werden in der DE 10 2010 012 779 B3 additive Fertigungsverfahren, wie Auftragsschweißen, induktive Schweißverfahren oder Reibschweißverfahren, zur lokalen Reparatur von Schäden oder von Verschleiß an Schaufeln beschrieben.
Bei Rotoren, die mittels fügenden oder additiven Herstellverfahren gefertigt werden, ist der Nachweis der geforderten Werkstoffeigenschaften sowie der dynamischen Eigenschaften des fertigen Bauteils erforderlich. Das additiv aufgetragene Material unterliegt dabei den gleichen Kriterien, wie das verwendete Scheibenmaterial.
Nachteilig ist jedoch, dass Herstellmethoden, bei denen der Schaufelfußbereich und der Scheibenübergang beim Fügen der Schaufel oder beim additiven Auftragen der Schaufelgeometrie bereits ihre endgültige Geometrie aufweisen, eine aufwändige adaptive Anpassung der Schaufelgeometrie, der Schaufelposition und der Schaufelausrichtung an dem bereits fertiggestellten Bereich der Schaufel verursachen. Die damit einhergehende adaptive Bearbeitung, die das Vermessen des Schaufelfußes, eine adaptive Fräsbearbeitung der additiv hergestellten Schaufel und das Überblenden des Übergangsbereichs umfasst, erhöht den Fertigungsaufwand. Die zur Herstellung von Schaufeln oder Schaufelteilen bekannten fügenden Verfahren sind insbesondere bei kleinen Schaufeln, die beispielsweise im hinteren Teil von Verdichtern eingesetzt werden, meist unwirtschaftlich oder wegen geringer Schaufelabstände nicht einsetzbar.
Der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors in BLISK- oder in BLING-Bauweise zur Verfügung zu stellen, mittels dem Rotoren mit geringem Aufwand herstellbar sind. Des Weiteren liegt der vorliegenden Offenbarung die Aufgabe zugrunde einen kostengünstig herstellbaren Rotor in BLISK- oder BLING-Bauweise zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird jeweils mit einem Verfahren sowie einem Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 13 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren bereitgestellt, mittels dem ein Rotor in BLISK- oder BLING-Bauweise, insbesondere eines Rotors eines Flugtriebwerks, mit einer Rotor-Scheibe auf einfach Art und Weise herstellbar ist. Die Rotor-Scheibe bildet an ihrem radial äußeren Bereich einen Annulus aus, der einen Strömungskanal des Flugtriebwerks radial innen begrenzt. Des Weiteren stehen mehrere Rotor-Schaufeln vom Annulus ab. Jeweils ein der Rotorscheibe und dem Annulus zugewandter Teil der Schaufeln wird mittels Schmieden einstückig mit der Rotor-Scheibe hergestellt. Zusätzlich wird jeweils ein weiterer Teil der Schaufeln, der sich jeweils radial außen an die dem Annulus zugewandten Teile der Schaufeln anschließt, mittels eines generativen Fertigungsverfahrens erzeugt. Eine Form von Schnittstellen zwischen den geschmiedeten Teilen der Schaufeln und den generativ hergestellten Teilen der Schaufeln wird in Abhängigkeit von am Rotor im Betrieb angreifenden Lasten definiert.
Die geometrische Gestaltung der Schnittstelle bzw. des Übergangs zwischen den geschmiedeten Teilen und den generativ bzw. additiv hergestellten Teilen der Schaufeln kann dabei von einer Ausrichtung parallel zur Bauteilrotationsachse des Rotors abweichen und als eine gerade oder gekrümmte Linie ausgeführt sein sowie weitere geeignete Formen aufweisen.
Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Schnittstelle zwischen einem geschmiedetem Schaufelfußbereich und einem additiv gefertigtem Schaufelbereich gerade, geneigt oder gekrümmt gestaltet wird, die beispielsweise eine gezielte Positionierung hochbelasteter Schaufelbereiche im Bereich der Scheibenschmiedegeometrie berücksichtigt.
Der generativ gefertigte Teil der Bliskschaufeln umfasst nur einen Teilbereich der gesamten Schaufelgeometrie. Die Schnittstelle berücksichtigt beispielsweise die durch Simulation und/oder Schwingungsmessungen ermittelten Eigenschwingungsformen der Schaufelgeometrie in der Form, dass die Bereiche mit der größten Belastung, die zur Rissbildung oder zum Versagen der Schaufel führen können, während der Herstellung Bestandteil des Scheibenkörpers und somit des durch Schmieden hergestellten Bauteilbereichs sind. Dem additiv gefertigten Bereich der Schaufeln können somit weniger stringente Qualitätsanforderungen zugeordnet werden.
Werden die Schnittstellen in Bereichen geringer Biege- und Torsionslasten und außerhalb hochbelasteter Schaufelbereiche unter Berücksichtigung aerodynamischer, kinematischer und schwingungsdynamischer Betriebslasten des Rotors angeordnet, sind Folgebearbeitungen nach der generativen Fertigstellung der Schaufeln im Vergleich zu bekannten Herstellverfahren auf einfache Art und Weise reduziert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung werden die Form der Rotor-Scheibe sowie die Geometrie der Schaufeln zunächst konstruiert. Anschließend daran werden mittels einer Simulation Eigenschwingungsformen des Rotors ermittelt und hochbelastete Bereich der Schaufeln bestimmt. Mittels dieser Vorgehensweise ist die Schnittstelle auf einfache Art und Weise außerhalb hochbelasteter Bereiche der Schaufeln positionierbar, womit die additiv bzw. generativ hergestellten Teile der Schaufeln sowie die Verbindungsbereiche zwischen den Teilen der Schaufeln jeweils geringere Festigkeitsanforderungen erfüllen müssen.
Werden die Geometrie der Schaufeln und von Schaufelfußbereichen in Abhängigkeit der Simulation derart modifiziert, dass Bauteilspannungen bei anliegender Betriebslast und dynamische Schwingungsanregungen bei unterschiedlichen Eigenformen gering sind, sind hohe Dauerfestigkeiten mit geringem Aufwand erzielbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Herstellung eines Rotors dadurch einfach umsetzbar, dass eine 2D-Scheibenkontur der Rotor-Scheibe und 2D-Geometrie der Schnittstellen der Schaufeln mittels eines spanenden und/oder mittels eines elektrochemisch materialabtragenden und/oder mittels eines elektroerosiven Prozesses oder eines laserabtragenden Prozesses bearbeitet werden.
Schaufelzwischenräume und Bereiche des Annulus können vor der additiven Fertigung der Schaufeln auf einfache Art und Weise materialabtragend, d. h. spanend, elektrochemisch und/oder elektroerosiv, laserabtragend oder mit abrasivem Wasserstrahl, bearbeitet werden. Dies kann bis auf ein Aufmaß von etwa 0,5 mm bis 2 mm erfolgen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit die Bearbeitung vollständig oder unter Berücksichtigung lokaler Stütz- oder Versteifungsbereiche durchzuführen.
Gemäß weiterer Aspekte der vorliegenden Offenbarung können die Schaufeln vollständig nacheinander oder in einzelnen radial zur Rotor-Scheibe angeordneten Schichten und vorzugsweise einschließlich erforderlicher Stütz- und Versteifungsgeometrien in den Schaufelzwischenräumen gefertigt werden.
Bereiche des Rotors werden oder der gesamte Rotor wird bei weiteren Varianten des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung zur Reduzierung der Eigenspannungen im Schaufelbereich wärmebehandelt.
Eine spanende oder eine elektrochemisch oder eine elektroerosiv oder mittels eines Lasers erfolgende materialabtragende Zwischenbearbeitung der gesamten Schaufelgeometrie sowie des Schaufelzwischenraums vorzugsweise bis zu einem Aufmaß < 0,5mm wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung mit geringem Fertigungsaufwand durchgeführt.
Die Endgeometrie der Schaufeln kann wiederum mittels spanend und/oder elektrochemisch und/oder elektroerosiv oder mittels eines Lasers durchgeführten abtragenden Prozessen hergestellt werden.
Zur Verbesserung der Belastbarkeit des Rotors werden gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung Druckeigenspannungen in den Randzonen der Schaufelrandzone erzeugt. Dabei können die Schaufeln mittels Kugelstrahlen oder anderer geeigneter Druckeigenspannungen erzeugender Verfahren bearbeitet werden.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, Oberflächen der Schaufeln zur Erhöhung der Oberflächengüte zu polieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Rotor in BLISK- oder BLING-Bauweise, insbesondere eines Rotors eines Flugtriebwerks, mit einer Rotor-Scheibe bereitgestellt. Die Rotor-Scheibe bildet an ihrem radial äußeren Bereich einen Annulus aus, der einen Strömungskanal des Flugtriebwerks radial innen begrenzt. Des Weiteren umfasst der Rotor mehrere Rotor-Schaufeln, die vom Annulus abstehen. Dabei ist jeweils ein der Rotorscheibe und dem Annulus zugewandter Teil der Schaufeln einstückig mit der Rotor-Scheibe ausgeführt. Jeweils ein weiterer Teil der Schaufeln, der sich jeweils radial außen an die dem Annulus zugewandten Teile der Schaufeln anschließt, ist jeweils im Bereich einer Schnittstelle mit dem dem Annulus zugewandten Teil der Schaufel fest verbunden. Die Form der Schnittstelle ist in Abhängigkeit von am Rotor im Betrieb angreifenden Lasten definiert.
Sind die Schaufeln und/oder Teile der Rotor-Scheibe bereichsweise aus unterschiedlichen Materialien hergestellt, ist der Rotor mit geringem Aufwand belastungsgerecht ausführbar.
Diese weitere alternative Anwendung, bei der ein oder mehrere sich vom Werkstoff der Rotor-Scheibe unterscheidende Werkstoffes für den additiv hergestellten Schaufelbereich eingesetzt werden, ermöglicht die gezielte Verbesserung der Verschleißbeständigkeit, z. B. der Schaufelvorderkante oder des Schaufelspitzenbereichs durch Verwendung einer Legierung größerer Härte als die des Grundwerkstoffs der Rotor-Scheibe.
Vorliegend werden unter generativen Fertigungsprozessen bzw. sogenannten Rapid-Technologien Fertigungsverfahren verstanden, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und dadurch beispielsweise dreidimensionale Gegenstände, vorzugsweise Verdichterscheiben und -trommeln in BLISK-Bauweise erzeugt werden.
Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere die Herstellung von kleinen und mittleren Triebwerksanwendungen und Rotoren bevorzugt in BLISK-Bauweise. Dabei wird vorliegend eine Vorgehensweise zur Fertigung von Rotoren in BLISK-Bauweise mittels einer Kombination aus additiver Fertigung, z. B. Laserauftragsschweißen, und Fräsbearbeitung vorgeschlagen.
Die Vorgehensweise gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst dabei im Wesentlichen die technische Gestaltung der Bauteile, die Position und Ausgestaltung des Übergangsbereichs zwischen dem Schmiedeteil und den mittels additiver Verfahren hergestellten Teilen bzw. Bereichen der Schaufeln. Des Weiteren kann die Vorgehensweise auch eine Vor- und Fertigbearbeitung durch spanende oder abtragende Fertigungsverfahren umfassen.
Die vorgeschlagene Vorgehensweise nutzt additive Herstellverfahren, wie Laserauftragsschweißen oder Drahtauftragsschweißen, zur Fertigung eines Rotors in BLISK-Bauweise.
Dabei bietet die vorliegend vorgestellte Vorgehensweise gegenüber bekannten Vorgehensweisen die Möglichkeit einer vereinfachten Validierung der Fertigungsprozesse durch Nutzung eines validierten Klasse A Schmiederohteils, welches für die Herstellung eines Rotors in BLISK-Bauweise verwendet wird.
Des Weiteren können bei der Auslegung und Gestaltung des Rotors in BLISK-Bauweise gemäß der vorliegenden Offenbarung unter anderem die Dauerschwingfestigkeit bzw. Wechselschwingfestigkeit nach Wöhler im Anregungsbereich von ca. 5Hz berücksichtigt werden. Diese spielt vor allem eine Rolle im geometrischen Bereich des Schaufelfußes und entspricht in seiner Auswirkung den zyklischen Betriebslasten im Flugbetrieb. Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, die Hochfrequenz-Ermüdung (HCF = High Cycle Fatigue) im Bereich der Schaufelgeometrie im Frequenzbereich » 5Hz je nach Eigenfrequenzmodi der Schaufelgeometrie bei der Auslegung des Rotors zu berücksichtigen.
Darüber hinaus besteht durch die belastungsabhängige Positionierung der Schnittstelle die Möglichkeit, in weniger belasteten Bereichen der additiv aufgebauten Schaufeln eine Festigkeitsreduktion des Materials von mindestens 5% als akzeptabel anzusehen.
Die vorliegend vorgeschlagene Vorgehensweise bietet zusätzlich die Möglichkeit, hochbelastete Bereiche gezielt durch die Gestaltung als Schmiedeteil zu verstärken, womit erforderliche Festigkeitsanforderungen auf konstruktiv einfache Art und Weise erfüllbar sind.
Auch Werkstoffeinsparungen werden durch einen reduzierten Bauteildurchmesser des Scheibenrohmaterials bzw. des Schmiedeteils erzielt, da die oberen bzw. radial äußeren Schaufelbereiche mittels additiver Verfahren konturnah hergestellt werden.
Zusätzlich ist auch eine effizientere Schruppbearbeitung der Schaufelfußbereich mit reduzierter Bearbeitungszeit mittels kurzer und stabiler Werkzeuge möglich, da Kollisionen der Werkzeuge mit benachbarten Schaufeln während einer Fräsbearbeitung nicht vermieden werden müssen und die Werkzeuggröße somit deutlich größer und stabiler gewählt werden kann. Dadurch sind wiederum eine wesentliche Leistungssteigerung des spanenden Fräsprozesses und eine Kostenreduzierung erreichbar.
Werden die Schaufelfußbereiche beispielsweise mittels abtragender Fertigungsverfahren, z. B. ECM (Electro Chemical Machining), bearbeitet, ist eine effiziente Fertigung durch die vereinfachte Zugänglichkeit des Schaufelfußbereichs möglich.
Neben der signifikanten Einsparung von Material des Schmiedeteils sind auch gleichbleibende und optimierte Bauteileigenschaften des Rotors in BLISK-Bauweise durch die Anwendung der hybriden Herstellmethode mit geringem Aufwand möglich. Die Schnittstelle zwischen den geschmiedeten Teilen der Schaufeln und den additiv gefertigten Teilen der Schaufeln kann so definiert werden, das ein definierter Schaufelbereich additiv gefertigt wird, der nach dem Einsatz des Bauteils im Service zu einem späteren Zeitpunkt durch z. B. spanende Bearbeitung entfernt und durch additive Verfahren und abschließende adaptive Fräsbearbeitung in der ursprünglichen Geometrie wieder hergestellt wird.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:

1 eine stark schematisierte Längsschnittansicht eines Strahltriebwerkes;
2 eine Teilschnittansicht eines Rotors in BLISK-Bauweise;
3 eine 2 entsprechende Darstellung des Teils des Rotors, der aus einem Schmiedeteil hergestellt ist und der eine Schnittstelle für einen generativ herzustellenden Teil einer Schaufel des Rotors aufweist;
4 eine 2 entsprechende Darstellung des Rotors, dessen Schaufeln zu einem Teil geschmiedet und zu einem weiteren Teil generativ hergestellt sind;
5 eine 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Rotors;
6 eine 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Rotors;
7 eine schematisierte Teilschnittansicht eines Bereiches einer Schaufel, die teilweise mittels Schmieden und teilweise generativ gefertigt ist;
8 eine 7 entsprechende Darstellung eines Bereiches einer Schaufel, deren Schnittstelle zwischen dem mittels Schmieden und dem generativ gefertigten Teil im Querschnitt einen wellenförmigen Verlauf aufweist; und
9 eine Seitenansicht eines Teilbereiches eine Rotors, der zwei Schaufeln umfasst.

1 zeigt ein Flugtriebwerk bzw. Strahltriebwerk 1 in einer Längsschnittansicht, wobei das Strahltriebwerk 1 mit einem Nebenstromkanal 2 und einem Einlaufbereich 3 ausgebildet ist. Stromab an den Einlaufbereich 3 schließt sich ein Bläser bzw. Fan 4 in an sich bekannter Art und Weise an. Wiederum stromab des Bläsers 4 teilt sich der Fluidstrom im Strahltriebwerk 1 in einen Nebenstrom und einen Kernstrom auf, wobei der Nebenstrom durch den Nebenstromkanal 2 und der Kernstrom in einen Triebwerkskern 5 strömt, der wiederum in an sich bekannter Art und Weise mit einer Verdichtereinrichtung 6, einem Brenner 7, einer Hochdruckturbine 8 und einer Niederdruckturbine 9 ausgeführt ist.
Die Verdichtereinrichtung 6 umfasst eine Verdichtertrommel 6A mit mehreren Rotoren 6B in BLISK-Bauweise, die in der nachfolgend näher beschriebenen Art und Weise hergestellt und im Anschluss daran miteinander verbunden werden.
Hiervon abweichend können die Rotoren der Verdichtereinrichtung auch als einzelne Rotorscheiben in BLISK-Bauweise ausgeführt sein. Neben der gezeigten Ausführung mit zwei Wellen kann das Triebwerk auch drei Wellen aufweisen, welches dann neben einer Niederdruckturbine auch eine Mitteldruckturbine sowie eine Hochdruckturbine umfasst.
In 2 ist eine Teilquerschnittansicht eines der Rotoren 6B mit einer Rotor-Scheibe 6C gezeigt, die an ihrem äußeren Bereich einen Annulus 6D ausbildet. Der Annulus 6D begrenzt einen Strömungskanal des Triebwerkskerns 5. Generell umfassen die Rotoren 6B jeweils eine Vielzahl von Schaufeln 10, die sich vom Annulus 6D radial nach außen erstrecken. Dabei sind in der Querschnittsfläche des Rotors 6B Linien 11 dargestellt, die mittels einer Simulation bestimmt werden und entlang den im Rotor 6B bei maximaler Belastung sowie bei Vorliegen einer eigenfrequenten Schwingung jeweils die gleiche Zugspannung im Rotor 6B wirkt. Dieser Lastzustand des Rotors 6B entspricht einer resultierenden Spannungsverteilung während einer HCF-(High Cycle Fatique)Schwingbelastung der Schaufeln 10. Mittels dieser Vorgehensweise werden zunächst die hoch zugspannungsbelasten Bereiche 12 des Rotors 6B sowie deren exakte Lage bestimmt.
Auf Basis der Kenntnis der hoch zugspannungsbelasteten Bereiche 12 des Rotors 6B sowie der exakten Lage der Bereiche 12 wird eine in 3 bis 9 jeweils dargestellte Schnittstelle 13 definiert. Dabei stellt die Schnittstelle 13 einen Grenzflächenbereich zwischen jeweils einem mittels Schmieden hergestellten Teil 10A der Schaufeln 10, die einstückig mit der Rotor-Scheibe 6C ausgeführt sind, und jeweils einem mittels eines generativen bzw. eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellten Teil 10B der Schaufel 10 dar. Bei der belastungsabhängigen Ermittlung der Schnittstelle 13 fließen besonders die im Betrieb im Rotor 6B wirkenden Zugspannungen und die Lage der hochbelasteten Bereiche des Rotors 6B ein. Um die erforderlichen Festigkeitsanforderungen erfüllen zu können, werden die hochbelasteten Bereiche des Rotors 6B mittels Schmieden hergestellt, da diese dann höheren Belastungen standhalten. Dabei ist in 4 eine Linie 22 dargestellt, die den Umriss des Schmiederohlings des Rotors 6C zeigt.
Die lastspezifisch geformte Schnittstelle 13 zwischen dem geschmiedeten Teil 10A und dem generativ hergestellten Teil 10B der Schaufel 10 wird unter Berücksichtigung aerodynamischer, kinematischer und schwingungsdynamischer Betriebslasten des Bauteils, d. h. unter Berücksichtigung von HCF und Eigenformen, im Bereich geringer Biege- und Torsionslasten und damit außerhalb der hochbelasteten Schaufelbereiche 12 vorgesehen.
Der generativ gefertigte Teil 10B der Schaufeln 10 stellt somit nur einen Teilbereich der Schaufelgeometrie dar. Die Schnittstelle 13 berücksichtigt die durch Simulation und/oder Schwingungsmessungen ermittelten Eigenschwingungsformen der Schaufelgeometrie in der Form, dass die Bereiche mit der größten Belastung, die zur Rissbildung oder zum Versagen der Schaufel führen können, während der Herstellung Bestandteil der geschmiedeten Rotor-Scheibe 6C bzw. des Scheibenkörpers des Rotors 6B und somit des durch Schmieden hergestellten Bauteilbereichs sind. Damit können dem additiv gefertigten Bereich 10B der Schaufeln 10 weniger stringente Qualitätsanforderungen zugeordnet werden.
Die geometrische Gestaltung des Übergangs bzw. der Schnittstelle 13 zwischen dem Schmiedematerial und dem additiv hergestellten Material der Schaufeln weicht dabei von einer Ausrichtung parallel zur Rotationsachse 14 des Rotors 6B ab und kann wie in 3 und 4 dargestellt eben oder wie in 7 und 8 gezeigt gekrümmt ausgeführt sein oder aber auch beliebige andere Formen aufweisen.
Zur Herstellung des Rotors 6B sind ein Entwicklungs- und ein Herstellprozess vorgesehen. Während des Entwicklungsprozesses werden zunächst die Form der Rotor-Scheibe 6C und die Geometrie der Schaufeln 10 festgelegt bzw. konstruiert. Im Anschluss daran erfolgt die Simulation der Eigenschwingungsformen und die Bestimmung der hochbelasteten Schaufelbereiche 12. Wiederum daran anschließend wird die Geometrie der Schaufeln 10 sowie die Geometrie von Schaufelfußbereichen 15A modifiziert, um Bauteilspannungen bei anliegender Betriebslast, bei Vorliegen einer dynamischen Schwingungsanregung und bei unterschiedlichen Eigenformen zu verringern.
Dann wird die Geometrie der Schnittstellen 13 zwischen den geschmiedeten Teilen 10A und den additiv herzustellenden Teilen 10B der Schaufeln 10 festgelegt und die Kontur des geschmiedeten Teils des Rotors 6B definiert. Des Weiteren erfolgt ein Nachweis der Belastungen der optimierten Geometrie der Schaufeln durch Simulation oder Belastungstests.
Während des Herstellprozesses werden zunächst eine 2D-Kontur der Rotor-Scheibe 6C und eine 2D-Geometrie der Fläche der Schnittstellen 13 entlang einer in 9 näher dargestellten und strichliert ausgeführten Linie 15 bearbeitet. Darüber hinaus wird in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles eine spanende Vorbearbeitung eines Schaufelzwischenraums 16 und des Annulus 6D bis auf etwa ein Aufmaß von 0,5 mm bis 2 mm durchgeführt, was in 9 durch die strichliert ausgeführte Linie 18 näher gezeigt ist. Dabei kann es vorgehen sein, dass die Vorbearbeitung vollständig oder unter Berücksichtigung lokaler Stütz- oder Versteifungsbereiche erfolgt.
Daran anschließend werden die Teile 10B der Schaufeln 10 durch additives Auftragen von Material entweder vollständig nacheinander oder in einzelnen radial zur Rotor-Scheibe 6C angeordneten Schichten 17 erzeugt. Dies kann gegebenenfalls einschließlich eventuell erforderlicher Stütz- und Versteifungsgeometrien in den Schaufelzwischenräumen 16 erfolgen.
Anschließend daran besteht die Möglichkeit, entweder den gesamten Rotor 6B oder lediglich Bereiche des Rotors 6B einer Wärmebehandlung zu unterziehen, um Eigenspannungen im Bereich der Schaufeln 10 zu reduzieren.
Des Weiteren kann auch eine optionale spanende oder abtragende Zwischenbearbeitung der gesamten Geometrie der Schaufeln 10, lediglich der additiv gefertigten Teile 10B oder lediglich der geschmiedeten Teile 10A der Schaufeln und der Schaufelzwischenräume 16 vorzugsweise bis zu einem Aufmaß < 0,5mm vorgesehen werden. Der dabei gegebenenfalls erfolgende Materialabtrag ist in 9 unter dem Bezugszeichen 19 und die strichpunktiert ausgeführte Linie 20 näher visualisiert. Im Anschluss daran wird die Endgeometrie der Schaufeln 10 mittels spanender und/oder abtragender Fertigbearbeitung hergestellt.
Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass z. B. mittels Kugelstrahlen oder anderer Druckeigenspannungen erzeugender Verfahren Druckeigenspannungen in die Schaufelrandzonen der Schaufeln eingebracht werden. Abschließend können die Oberflächen der Schaufeln 10 noch poliert werden.
Generell besteht während der einzelnen Fertigungsschritte des Rotors 6B auch die Möglichkeit, anstelle spanender Bearbeitungsprozesse abtragende Verfahren, wie elektrochemische, elektroerosive, Laser abtragende Verfahren oder das abrasive Wasserstrahlabtragen, einzusetzen.
Bezugszeichenliste

1: Flugtriebwerk
2: Nebenstromkanal
3: Einlaufbereich
4: Bläser
5: Triebwerkskern
6: Verdichtereinrichtung
6A: Verdichtertrommel
6B: Rotor
6C: Rotor-Scheibe
6D: Annulus
7: Brenner
8: Hochdruckturbine
9: Niederdruckturbine
10: Schaufel
10A: geschmiedeter Teil der Schaufel
10B: generativ gefertigter Teil der Schaufel
11: Linie
12: hoch zugspannungsbelasteter Bereich der Schaufel
13: Schnittstelle
14: Rotationsachse
15: Linie
15A: Schaufelfußbereich
16: Schaufelzwischenraum
17: Schicht
18: Linie
19: Materialabtrag
20: Linie
22: Umriss des Schmiederohlings des Rotors 6C

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0182017 A1 [0003]
DE 102010012779 B3 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Rotors (6B) in BLISK- oder BLING-Bauweise, insbesondere eines Rotors (6B) eines Flugtriebwerks (1), mit einer Rotor-Scheibe (6C), die an ihrem radial äußeren Bereich einen Annulus (6D) ausbildet, der einen Strömungskanal des Flugtriebwerks (1) radial innen begrenzt, und eine Mehrzahl von Rotor-Schaufeln (10), die vom Annulus (6D) abstehen, wobei die Rotor-Scheibe (6C) und ein jeweils dem Annulus (6D) zugewandter Teil (10A) der Schaufeln (10) einstückig mittels Schmieden hergestellt wird, während jeweils ein weiterer Teil (10B) der Schaufeln (10), der sich jeweils radial außen an die dem Annulus (6D) zugewandten Teile (10A) der Schaufeln anschließt, mittels eines generativen Fertigungsverfahrens erzeugt wird, und wobei eine Form von Schnittstellen (13) zwischen den geschmiedeten Teilen (10A) der Schaufeln (10) und den generativen Teilen (10B) der Schaufeln (10) in Abhängigkeit von am Rotor (6B) im Betrieb angreifenden Lasten definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellen (13) in Bereichen geringer Biege- und Torsionslasten und außerhalb hochbelasteter Schaufelbereiche (12) unter Berücksichtigung aerodynamischer, kinematischer und schwingungsdynamischer Betriebslasten des Rotors (6B) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotor-Scheibe (6C) und die Geometrie der Schaufeln (10) konstruiert und anschließend mittels einer Simulation Eigenschwingungsformen ermittelt und hochbelastete Bereiche (12) der Schaufeln (10) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Schaufeln (10) und von Schaufelfußbereichen (15A) in Abhängigkeit der Simulation derart modifiziert wird, dass Bauteilspannungen im Rotor (6B) bei anliegender Betriebslast und dynamische Schwingungsanregungen bei unterschiedlichen Eigenformen gering sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine 2D-Geometrie der Rotor-Scheibe (6C) und eine 2D-Geometrie der Schnittstellen (13) mittels eines spanenden und/oder mittels eines elektrochemisch und/oder eines elektroerosiv materialabtragenden Prozesses bearbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Schaufelzwischenräume (16) und Bereiche des Annulus (6D) vor der additiven Fertigung der Schaufeln (10) spanend oder materialabtragend bearbeitet werden, vorzugsweise bis etwa 0,5 mm bis 2 mm Aufmaß.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (10) vollständig nacheinander oder in einzelnen radial zur Rotor-Scheibe (6C) angeordneten Schichten (17) und vorzugsweise einschließlich erforderlicher Stütz- und Versteifungsgeometrien in den Schaufelzwischenräumen (16) gefertigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche des Rotors (6B) oder der gesamte Rotor (6B) zur Reduzierung der Eigenspannungen im Bereich der Schaufeln (10) wärmebehandelt werden oder wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine spanende, eine elektrochemische, eine elektroerosive, eine mittels eines Lasers oder eine mittels eines abrasivem Wasserstrahls erfolgende materialabtragende Zwischenbearbeitung der gesamten Geometrie der Schaufeln (10) sowie der Schaufelzwischenräume (16) vorzugsweise bis zu einem Aufmaß < 0,5 mm durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgeometrie der Schaufeln (10) mittels spanend und/oder elektrochemisch, elektroerosiv und/oder mittels eines Laserstrahls durchgeführten abtragenden Prozessen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Druckeigenspannungen in Randzonen der Schaufeln (10) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das Oberflächen der Schaufeln (10) poliert werden.
Rotor (6B) in BLISK- oder BLING-Bauweise, insbesondere Rotor (6B) eines Flugtriebwerks (1), mit einer Rotor-Scheibe (6C), die an ihrem radial äußeren Bereich einen Annulus (6D) ausbildet, der einen Strömungskanal des Flugtriebwerks (1) radial innen begrenzt, und eine Mehrzahl von Rotor-Schaufeln (10), die vom Annulus (6D) abstehen, wobei jeweils ein der Rotor-Scheibe (6C) und dem Annulus (6D) zugewandter Teil (10A) der Schaufeln (10) einstückig mit der Rotor-Scheibe (6C) ausgeführt ist und jeweils ein weiterer Teil (10B) der Schaufeln (10), der sich jeweils radial außen an die dem Annulus (6D) zugewandten Teile (10A) der Schaufeln (10) anschließt, jeweils im Bereich einer Schnittstelle (13) mit dem dem Annulus (6D) zugewandten Teil (10A) der Schaufel (10) fest verbunden ist, wobei die Form der Schnittstelle (13) in Abhängigkeit von am Rotor (6B) im Betrieb angreifenden Lasten definiert ist.
Rotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (10) und/oder Teile der Rotor-Scheibe (6C) bereichsweise aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.