DE102019216073A1

DE102019216073A1 - Verfahren zur Herstellung einer Leichtbau-Turbinenschaufel als Verbundbauteil sowie eine mit dem Verfahren hergestellte Leichtbau-Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE102019216073A1
Application number: DE102019216073.5A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Scholz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2039-10-19
Also published as: DE102019216073B4

Abstract

Bei der Herstellung einer Leichtbau-Turbinenschaufel als Verbundbauteil wird in ein zweiteiliges Formwerkzeug (5), dessen Kavität der Außenkontur der herzustellenden Leichtbau-Turbinenschaufel entspricht, eine an die Kontur der Kavität des Formwerkzeuges angepasste textile Preform (2), die aus einer oder mehreren Lagen eines textilen Flächenhalbzeugs mit Verstärkungsfasern besteht, mit mindestens einem metallischen Blechteil (3), das die textile Preform (2) vollständig oder teilweise umschließt, eingesetzt. lim Anschluss daran wird die von dem mindestens einem Blechteil umschlossene textile Preform (2) im Inneren des dann geschlossenen Formwerkzeugs (5) mit einem fließfähigen polymeren Werkstoff (6) getränkt und daran anschließend wird eine Druckerhöhung des zugeführten fließfähigen polymeren Werkstoffs (6) durchgeführt. Dadurch wird eine Umformung des metallischen Blechteils (3) erreicht, bei der das mindestens eine metallische Blechteil (3) die Form der Innenkontur an einer Oberfläche der Kavität des Formwerkzeugs (5) annimmt. Nach Vernetzung oder Aushärtung des polymeren Werkstoffs (6) wird ein Faser-Kunststoff-Verbund-Element (2') gebildet, das mit dem mindestens einen metallischen Blechteil (3) form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leichtbau-Turbinenschaufel als Verbundbauteil sowie eine mit dem Verfahren hergestellte Leichtbau-Turbinenschaufel insbesondere für Dampfturbinen, die vorrangig im Niederdruckbereich Einsatz finden.
Die Verringerung der rotierenden Massen einer Dampfturbine hat einen entscheidenden Einfluss auf die Steigerung des Wirkungsgrades zur Energiegewinnung und somit zur Ressourceneffizienz. Dabei trägt eine Masseverringerung der Turbinenschaufel gleichzeitig zu einer Vereinfachung und somit Masse- und Kosteneinsparung am Turbinenrotor bei. Turbinenschaufeln für den Niederdruckbereich einer Dampfturbine lassen sich durch den Einsatz leichtbaugerechter Werkstoffsysteme auf Basis der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) und belastungsgerechter Bauweisen in ihrer Masse deutlich reduzieren. Die Steigerung des Leichtbaugrades von Turbinenschaufeln durch eine lastpfadgerechte FKV-Bauweise konnte in Untersuchungen und an entwickelten Prototypen im Stand der Wissenschaft und Technik bereits erfolgreich unter Beweis gestellt werden. Weitere Vorteile von Leichtbau-Turbinenschaufeln sind eine einfachere Montage mit reduziertem Vorrichtungsaufwand sowie ein schnelleres Anlaufen der Turbine, was direkt zu einer Flexibilisierung der Kraftwerke und einer Steigerung der Stabilität des Verbundnetzes zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit beiträgt.
Den Vorteilen des Einsatzes von Faser-Kunststoff-Verbunden bei Turbinenschaufeln für Dampfturbinen stehen jedoch zwei wesentliche Nachteile gegenüber: Die hohen Prozesstemperaturen von bis zu 250°C sowie die Beanspruchung der Oberfläche durch Tröpfchenerosion. Die verhältnismäßig geringe Temperaturbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit der Kunststoffmatrix verhindern bisher den erfolgreichen industriellen Einsatz von FKV-Turbinenschaufeln in Dampfturbinen.
Der Einsatz hochtemperaturbeständiger Harzsysteme sowie die nachträgliche metallische Beschichtung für einen höheren Verschleißwiderstand sind durchaus technische Lösungen des Problems, führen jedoch zu höheren Bauteilkosten und somit zu einer mangelnden Wirtschaftlichkeit. Darüber hinaus stellt eine nachträgliche Beschichtung der Struktur hohe Anforderungen an die Einhaltung der Bauteiltoleranzen sowie an das Schichtsystem selbst, da hohe Steifigkeitssprünge zwischen FKV und Oberflächenschicht bei Verformung schnell zu Delaminationen und Rissen der Schicht führen kann.
Bisherige Verfahren zur Umsetzung einer Leichtbauweise in Schaufelblättern zielen auf einen Verbund von Werkstoffen in einzelnen Sektoren der Schaufel ab.
Aus US 3 883 267 A ist eine Schaufel für eine fluiddynamische Maschine bekannt. Die Schaufel weist einen Luftfolienabschnitt auf, der aus der Überlagerung mehrerer übereinanderliegender Schichten aus Verbundfasermaterial auf einem Metallkern besteht. Der Metallkern weist einen Abschnitt auf, der über den Schaufelblattabschnitt hinausragt, um als eine Klingenbefestigungswurzel zu wirken, wobei die Schichten aus Faserverbundmaterial jeweils mit einer solchen Orientierung angeordnet sind, dass der Winkel Alpha, der zwischen der allgemeinen Richtung der Fasern in einer Schicht und der Achse der Klinge gebildet wird, absolut um einen Wert abnimmt, der einem Maximalwert für die innerste Schicht oder die innersten Schichten, die sich neben dem Kern befinden, bis zu einem Minimalwert für die äußerste Schicht oder die äußersten Schichten, die sich neben der Oberfläche des Schaufelblattabschnitts befinden, berücksichtigt. Dabei ist die komplizierte Herstellweise des Bauteils mit dem Faserverbundwerkstoff in Verbund mit dem metallischen Kern nachteilig.
Dies trifft auch auf die aus DE 195 35 713 A1 bekannte Hinterkantenverstärkung einer Fan-Verbundschaufel zu. Dabei weist ein Verbund-Flügel-Abschnitt, der insbesondere als eine Fanschaufel mit großer Sehnenlänge verwendbar ist, die einen hohen Verdrehungsrad in einem Turbofan-Triebwerk mit hohem Bypass Verhältnis auf. Die Verbundschaufel hat einen verstärkten Bereich seines Flügelabschnittes, der sich über einen Teil seiner Spannweite von seiner Spitze und einem Teil seiner Sehne von seiner Hinterkante erstreckt. Der Bereich ist mit einer dünnen metallischen Ummantelung überdeckt, die mit den Hinterkantenflächen der Schaufel in einer Weise verbunden ist, so dass dieser Teil der Verbundschaufel verstärkt wird.
Eine Turbinenschaufel für eine Dampfturbine mit einem Schaufelblattabschnitt sowie einem Fußabschnitt ist aus EP 1 788 197 A1 bekannt. Der Schaufelblattabschnitt zur Verwendung in einer Niederdruckstufe der Dampfturbine enthält zumindest bereichsweise Faserverbundwerkstoffe. Auch hier ist die aufwändige Herstellung eines Schaufelblattabschnitts sowie eines Fußabschnitts in Faserverbundbauweise nachteilig.
Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten aufzuzeigen, wie Leichtbau-Turbinenschaufeln aus Faser-Kunststoff-Verbunden mit metallischer Verschleißschutzschicht und ggf. mit belastungs- und konturangepassten Innenkernen, etwa mit integrierten Kühlkanälen, leichter und kostengünstiger hergestellt werden können.
Die Wettbewerbsfähigkeit von neuartigen Leichtbau-Turbinenschaufeln ist von einem wirtschaftlichen Herstellungsprozess abhängig. Dies wird in Hochlohnländern, wie Deutschland im Wesentlichen durch eine konsequente Prozesskettenkürzung und funktionsintegrierende Bauteilherstellung mit möglichst wenig manuellen Arbeitsschritten erzielt.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist gelöst. Erfindungsgemäß hergestellte Leichtbau-Turbinenschaufeln sind in Anspruch 9 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem Verfahren wird in ein zweiteiliges Formwerkzeug, dessen Kavität der Außenkontur der herzustellenden Leichtbau-Turbinenschaufel entspricht, ein konturgerechtes textiles Gebilde (Preform), das aus einer oder mehreren Lagen eines textilen Flächenhalbzeugs mit Verstärkungsfasern besteht, mit mindestens einem metallischen Blechteil (3), das die Preform vollständig oder teilweise umschließt, eingesetzt.
Im Anschluss daran wird die von dem mindestens einem Blechteil umschlossene textile Preform im Inneren des dann geschlossenen Formwerkzeugs mit einem fließfähigen polymeren Werkstoff getränkt und anschließend durch eine Druckerhöhung des zugeführten fließfähigen Polymers eine wirkmedienbasierte Umformung des metallischen Blechteils erreicht, bei der das mindestens eine metallische Blechteil die Form der Innenkontur der Kavität des Formwerkzeugs annimmt und das metallische Blechteil nach Vernetzung oder Aushärtung des polymeren Werkstoffes ein Faser-Kunststoff-Verbund-Element (FKV-Element) bildet, das mit dem mindestens einen metallischen Blechteil form- und stoffschlüssig verbunden ist.
Bei der Umformung des metallischen Blechteils im geschlossenen Formwerkzeug kann die mit dem fließfähigen polymeren Werkstoff getränkte textile Preform von diesem teilweise oder vollständig umschlossen werden, so dass eine partielle oder durchgängige äußere metallische Hülle an der Schaufel gebildet werden kann.
Das die textile Preform mit dem ggf. vorhandenen Kernelement umschließende Blechteil kann an zusammentreffenden Enden bevorzugt vor dem Einbringen in das Formwerkzeug verschweißt oder mehrere die textile Preform umschließende Blechteile können miteinander verschweißt werden.
So kann beispielsweise vor oder ggf. auch nach der wirkmedienbasierten Umformung des Blechteils, bei der die Leichtbau-Turbinenschaufel vom Metall des Blechteils vollständig umschlossen ist, an einem Stoß zwischen aufeinander zu weisenden Stirnkanten des Blechteils ein Verschweißen vorgenommen werden. Es können auch mehrere Blechteile miteinander durch Verschweißen miteinander verbunden werden.
Während der Zufuhr des fließfähigen polymeren Werkstoffs zum Tränken des textilen Gebildes kann dieser Prozess mittels im Formwerkzeug wirkendem Unterdruck unterstützt werden. Dadurch kann eine gleichmäßige homogene Verteilung der polymeren Matrix erreicht und Lufteinschlüsse zwischen der textilen Preform und dem mindestens einen Metallteil vermieden werden. Durch eine gesteuerte Unterdruckwirkung durch kleine Öffnungen oder Kanäle an der Oberfläche der Kavität, die mit dem Unterdruckerzeuger verbunden sind, kann sich zudem ein Blechteil an die innere Oberfläche der Kavität anlegen und dort fixiert werden.
Nach einem teilweisen oder vollständigen Tränken der textilen Preform mit dem fließfähigen polymeren Werkstoff kann eine Druckerhöhung des zugeführten noch fließfähigen polymeren Werkstoffs stufenlos oder in mehreren Druckstufen erfolgen, um das mindestens eine Blechteil gegen die Wand der Formwerkzeugkavität zu drücken und somit eine wirkmedienbasierte Umformung dessen zu erzielen.
Mit dem Verfahren kann eine Leichtbau-Turbinenschaufel in hybrider FKV/Metall-Bauweise hergestellt werden, bei der das FKV-Element im Schaufelbereich entweder vollständig oder zumindest an seiner Vorderkante, der strömungszugewandten Seite, mit dem metallischen Blechteil stoffschlüssig in Form einer Klebeverbindung verbunden ist. Darüber hinaus kann das FKV-Element an seiner Oberfläche sowohl an der strömungszugewandten Vorderkante der Turbinenschaufel als auch an der strömungsabgewandten Rückkante mit metallischen Blechteilen stoffschlüssig verbunden sein.
In Abhängigkeit der Geometrie der Turbinenschaufel ist es vorteilhaft, ein konturiertes Kernelement aus Kunststoff, Verbundwerkstoff oder Leichtmetall mit einzubringen, das von der Preform bzw. dem Metallblech umschlossen wird. Das Kernelement, dass vorzugsweise mittels 3D-Druck hergestellt ist, liegt entweder partiell oder vollständig im Inneren der Schaufelfläche oder erstreckt sich über die Schaufelfläche hinaus bis zum Schaufelfuß.
Kernelement und das Faser-Kunststoff-Verbund-Element (FKV) können so form- und stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
Darüber hinaus kann das Kernelement integrierte geschlossene oder offene Harzfließkanäle oder eine dreidimensionale offene Gitterstruktur aufweisen, um die fließfähige polymere Matrix in die textile Preform einzuleiten und anschließend eine definierte wirkmedienbasierte Umformung des Metallbleches zu bewirken.
So kann das Kernelement integrierte Harzfließkanäle aufweisen, die einerseits an der Injektionsöffnung der Kavität des Formwerkzeugs, wie vorzugsweise am Schaufelfuß oder am Schaufelende, mit mindestens einer Eintrittsöffnung beginnen und dann üblicherweise einfach oder mehrfach verzweigt durch das Kernelement verlaufen und an einer oder mehreren definierten Stellen an der Innenseite der textilen Preform an Austrittsöffnungen herauskommen.
Darüber hinaus kann das Kernelement auch derart gestaltet sein, dass es vollständig oder partiell aus einer dreidimensionalen offenen Gitterstruktur besteht, durch die der fließfähige polymere Werkstoff strömen kann und somit die textile Preform im Gitterbereich großflächig mit der polymeren Matrix getränkt werden kann.
Darüber hinaus kann das Kernelement integrierte Kühlkanäle aufweisen, um die Turbinenschaufel im Betrieb aktiv zu kühlen und somit eine höhere Wärmeformstabilität und Lebensdauer dieser zu erzielen. Die Kühlkanäle können bevorzugt entlang der Kernoberfläche verlaufen und sind entweder weit verzweigt und bündeln sich am Ende, sodass jeweils nur eine Ein- und Auslassöffnung erforderlich ist, oder es kann nur ein durchgängiger langer Kühlkanal schlaufenförmig durch das gesamte Kernelement verlaufend vorhanden sein. Die Eintritts- und Austrittsöffnung für das Kühlmedium ist dabei bevorzugt am Schaufelfuß positioniert, sodass ein direkter Übergang in die Turbinenwelle gewährleistet ist, die die Turbinenschaufeln mit dem zirkulierenden Kühlmedium versorgen. Während der Tränkung der textilen Preform mit dem fließfähigen Polymer und dem anschließenden Druckaufbau im Formwerkzeug sollten die Kühlkanäle druckdicht mit einem inkompressiblen Medium gefüllt sein, das nach der Entformung wieder entfernt werden kann, um eine unerwünschte Verformung des Kernelements zu vermeiden. Als inkompressibles Medium kann insbesondere eine Flüssigkeit oder Pulver eingesetzt werden.
Dieser innovative Ansatz zur funktionsintegrierten aktiven Kühlung lässt sich auch auf andere Anwendungen etwa bei Flugzeugtriebwerken oder bei Anlagen in der Prozessindustrie übertragen.
Ein Kernelement kann vor dem Einlegen in das Formwerkzeug bevorzugt vollständig in die textile Preform eingebracht werden. Die Art und Weise des Einbringens ist abhängig vom Preforming-Verfahren und kann sowohl zwischen die konturierten Textillagen eingelegt, in angepasste Flechtschläuche eingebracht oder aber auch direkt im Flechtverfahren umflochten werden.
Die Herstellung des Kernelements mit integrierten Harz- und/oder Kühlkanälen erfolgt vorzugsweise mithilfe des 3D-Druckverfahrens. Die additive Fertigung des Kernelements erlaubt sowohl eine für Kleinserien wirtschaftliche, da werkzeuglose Herstellung der Struktur als auch eine thermodynamisch optimale Gestaltung der Kühlkanäle, fluiddynamisch optimale Gestaltung der Harzfließkanäle sowie einer belastungsangepassten Gestaltung von Hohlkammerstrukturen für einen hohen Leichtbaugrad.
Die Herstellung des Kernelements kann in Abhängigkeit der Stückzahl und des Komplexitätsgrades auch mit anderen Verfahren erfolgen. So etwa kann das Kernelement auch im Spritzgussverfahren großserientauglich hergestellt werden. Auch eine Herstellung im Fräsverfahren ist möglich. Weiterhin ist es denkbar, die Harzfließkanäle und/oder Kühlkanäle in Form eines teilweise perforierten Schlauchs manuell oder mittels Sticktechnik so anzuordnen, dass diese anschließend in die textile Preform eingebracht werden können.
Das Kernelement kann bevorzugt aus einem Polymer oder einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder Magnesium gebildet sein. Ein Kernelement kann mit einem gefüllten polymeren Werkstoff gebildet sein. Wobei zur Füllung bevorzugt metallische oder keramische Partikel im polymeren Werkstoff enthalten sein können, so dass eine verbesserte thermische Leitfähigkeit und Steifigkeit erreicht werden kann.
Eine textile Preform kann auch als ein textiles Gebilde bezeichnet werden, bei dem mit Verstärkungsfasern z.B. ein Gewebe, Gewirk, Gelege, Gestrick, Geflecht o.ä. ausgebildet worden ist.
Zur Erzielung eines möglichst hohen Leichtbaugrades kann die lasttragende Struktur der Turbinenschaufel aus faserverstärkten Kunststoffen, hier bezeichnet als FKV-Element und bevorzugt aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) hergestellt werden. Es können aber auch Glas-, Basalt und/oder Aramidfasern eingesetzt werden. Das FKV-Element kann mit einer textilen Preform, die als unidirektionales Gelege oder Gewebe oder mit Fasern, die schichtweise lastpfadgerecht entsprechend der auftretenden mechanischen, thermischen und hygroskopischen Belastungen angeordnet oder ausgerichtet sind, gebildet sein. Dabei sollte die gewählte Faserorientierung der einzelnen Lagen der textilen Preform auch die unterschiedliche thermische Ausdehnung des FKV-Elements und dem mindestens einen metallischen Blechteil berücksichtigen.
Am Turbinenfuß können Fasern der textilen Preform unidirektional und schlaufenförmig um einen Kern angeordnet sein, um einen optimalen Leichtbaugrad zu erreichen. Dieser konturierte Kern, der aus Metall, Kunststoff oder Verbundwerkstoffen besteht, kann aus einem Stück mit dem Kernelement im Schaufelbereich bestehen oder eine separate Komponente bilden. Die Kontur des Kerns entspricht der Geometrie des Schaufelfuß und ist bevorzugt tannenbaum-, rechteck- oder trapezförmig. Der Kern kann auch Öffnungen der Kühlkanäle enthalten, die in die Turbinenwelle übergehen, um einen Austausch des Kühlmediums zu gewährleisten.
Damit die Matrix des FKV-Elements den hohen Betriebstemperaturen der Dampfturbine standhält, sollten entweder temperaturbeständige polymere Werkstoffe als Matrixwerkstoff eingesetzt werden und/oder das FKV-Element kann aktiv durch ein integriertes Kernelement mit Kühlkanalstruktur gekühlt werden, sodass die erforderliche Wärmeformbeständigkeit gewährleistet ist.
Die Oberflächenschicht zum dauerhaften Schutz der FKV-Struktur gegen die abrasive Belastung des Wasserdampfes (Tröpfchenerosion) besteht aus einem metallischen umgeformten Blechteil, beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder Titan, das haftfest mit dem lasttragenden FKV-Element verbunden ist. Dabei kann das mindestens eine Blechteil das Schaufelprofil vollständig umschließen oder es ist nur partiell entlang der strömungszugewandten Vorderkante der Schaufel, also im Bereich der in Bewegungsrichtung nach vorn weisenden Oberfläche, oder aber sowohl an der Vorderkante als auch an der Hinterkante der Schaufel, also im Bereich der in Bewegungsrichtung nach hinten weisenden Oberfläche, angebracht. Ein umschließendes Blechteil kann sowohl an den Enden offen als auch miteinander verschweißt sein.
Zur zusätzlichen Verstärkung abrasiv hochbelasteter Bereiche lassen sich auch weitere Blechteile partiell bevorzugt unterhalb eines Deckblechteils aufbringen, so dass ein mehrlagiger Metallaufbau erhalten werden kann.
Es sollte eine Vorbehandlung der Blechoberfläche, z.B. eine Plasmabehandlung oder eine mechanische Vorbehandlung, für eine hohe Verbundfestigkeit zwischen FKV-Element und Metallblech vor dem Einsetzen des jeweiligen Blechteils in das Formwerkzeug durchgeführt werden.
Im Nachgang wird die textile Preform mit oder ohne Kernelement und dem leicht vorgeformten Blechteil in das zweiteilige Formwerkzeug eingelegt und anschließend mit einem fließfähigen polymeren Werkstoff, z.B. einem Harz-Härter-Gemisch getränkt.
Neben dem Einsatz duromerer Harzsysteme lassen sich auch insitupolymerisierende Thermoplaste (z.B. Gusspolyamide) als fließfähige und nach der Umformung zu verfestigende polymere Werkstoffe verwenden.
Der fließfähige polymere Werkstoff sollte definiert in das poröse textile Gebilde eingeleitet werden, um zu vermeiden, dass er an die Oberfläche des Blechteils austritt. Geeignete Mittel sind hier etwa integrierte Harzfließkanäle, die im Kernelement und/oder in/an der textilen Preform ausgebildet sein können und die Erzeugung eines Unterdrucks in der Kavität für eine verbesserte Infiltrationswirkung und gleichzeitig Fixierung des mindestens einen Blechteiles an der Kavitätswand des Formwerkzeugs.
So etwa kann ein Kernelement integrierte Harzfließkanäle aufweisen, die einerseits an der Injektionsöffnung der Kavität des Formwerkzeugs, wie vorzugsweise am Schaufelfuß beginnen und dann üblicherweise einfach oder mehrfach verzweigt durch das Kernelement verlaufen und an einer oder mehreren definierten Stellen am Übergang vom Kernelement zur textilen Preform an Austrittsöffnungen herauskommen. Darüber hinaus kann das Kernelement auch derart gestaltet sein, dass es vollständig oder partiell aus einer offenen dreidimensionalen Gitterstruktur besteht, durch die der fließfähige polymere Werkstoff strömt und die textile Preform im Gitterbereich großflächig tränkt.
Auf diese Weise beginnt die Infiltration der Preform unterhalb des Blechteils und bei einem angepassten Fließfrontverlauf kann verhindert werden, dass das fließfähige Polymer an die Oberseite des Blechteils, also zwischen Blechteil und Kavitätswand gelangt. Nach beendeter Infiltration der fließfähigen polymeren Matrix kann der polymere Werkstoff in Harzfließkanälen oder Kanälen einer Gitterstruktur im Kernelement verbleiben und aushärten. Auch können eine Kombination aus sowohl fertigungsbedingten Harzfließkanälen oder einer dreidimensionalen Gitterstruktur als auch betriebsbedingten Kühlkanälen in nur einem Kernelement vorhanden sein. Das 3D-Druckverfahren etwa erlaubt die Herstellung derartiger komplexer Strukturen.
Integrierte Harzfließkanäle können allerdings auch aus schlauchförmigen Gebilden, die das fließfähige Polymer ausgehend von der Injektionsöffnung der Kavität in die von dem metallischen Blechteil umschließende textile Preform einleiten, gebildet sein.
Die Umformung eines partiell oder vollständig bzw. nahezu vollständig umschließenden Blechteiles zur Endkontur der Turbinenschaufel kann wirkmedienbasiert durch den Druckaufbau des injizierten fließfähigen polymeren Werkstoffs etwa mittels Hochdruck-(HD)-RTM-Verfahren erreicht werden. Üblicherweise sind hier Injektionsdrücke > 100 bar erforderlich. In Abhängigkeit von Umformgrad und Blechteildicke können deutlich höhere Drücke erforderlich sein, die durch nachgeschaltete Druckverstärker aufgebracht werden können.
Während der Aushärtung bzw. Verfestigung des bis dahin fließfähigen polymeren Werkstoffs verbindet sich das dann erhaltene FKV-Element mit einer bevorzugt oberflächenbehandelten Oberfläche eines Blechteils zu einem stoffschlüssigen Verbund. Nach der Entformung liegt ein endkonturgerechtes Verbundbauteil vor, das sämtliche Einzelkomponenten, wie z.B. Kühlkanäle, FKV-Element, metallische Verschleißschutzschicht, miteinander verbindet bzw. integriert, aufweist. Als nachfolgender Prozessschritt kann eine Endbearbeitung der Leichtbau-Turbinenschaufel, bei der die überlappenden Blechenden und Materialreste der Werkzeugtrennebene entfernt werden, erfolgen.
Die wirkmedienbasierte Blechumformung zeitgleich mit der Formgebung der FKV-Struktur zur Ausbildung des FKV-Elements wird in nur einem Werkzeug erreicht und erspart viele zusätzliche Prozessschritte im Vergleich zu einer konventionellen Bauteilherstellung, bei der zunächst die Einzelkomponenten gefertigt und anschließend verbunden werden müssen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur prozessintegrierten Herstellung von Lauf- und Leitschaufeln aus Faser-Kunststoff-Verbunden mit Metallblechbeschichtung stellt sich den bekannten Defiziten und bietet eine gleichermaßen technische und wettbewerbsfähige Lösung zur Herstellung hybrider Leichtbau-Turbinenschaufeln. Die Herstellung bzw. Formgebung der lasttragenden FKV-Struktur zusammen mit der metallischen Verschleißschutzschicht in einem Prozessschritt und einem Formwerkzeug führt sowohl zu einer reproduzierbaren und definierten Bauteildimension als auch zu einer deutlichen Prozesskettenverkürzung durch Einsparung der aufwendigen Oberflächenbeschichtung.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäß hergestellten Leichtbau-Turbinenschaufel;
2 ein mögliches Vorgehen bei der Herstellung von Leichtbau-Turbinenschaufeln in hybrider FKV/Metall-Bauweise;
3 ein Beispiel eines bei der Erfindung einsetzbaren Kernelements mit integrierter dreidimensionaler offener Gitterstruktur und
4 ein weiteres Beispiel eines bei der Erfindung einsetzbaren Kernelements mit Harzfließkanälen für die definierte Einleitung des polymeren Werkstoffes in die textile Preform in schematischer Darstellung.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Leichtbau-Turbinenschaufel im Schaufelbereich bis zum Übergang des Schaufelfuß 4 vollständig von einem Blechteil 3, das mit einem Stahlblech mit einer Dicke von 0,7 mm gebildet ist, umschlossen und geschützt.
Im Inneren ist ein Kernelement 1, in dem Kühlkanäle 7 ausgebildet sind, angeordnet. Das Kernelement 1 wurde mit einem additiven Druckverfahren aus einem temperaturbeständigen Thermoplast hergestellt.
Wie man in 1 erkennen kann, ist das Kernelement 1 von einem FKV-Element 2' umschlossen, das aus einem Gelege mit Kohlenstofffasern (CF) und einer ausgehärteten Matrix aus Epoxidharz als polymerer Werkstoff 6 gebildet ist. Die äußere Oberfläche des FKV-Elements 2' ist dabei vollständig vom Metall des Blechteils 3, bis auf die Oberfläche der Stirnfläche am Schaufelfuß 4 der Turbinenschaufel umschlossen.
Kernelement 1, FKV-Element 2' und Blechteil 3 sind stoffschlüssig miteinander verbunden.
Im Bereich des Schaufelfusses 4 kann mindestens eine Öffnung 8 vorhanden sein, über die ggf. ein Kühlmedium den Kühlkanälen zugeführt werden kann. Über eine zweite nicht gezeigte Öffnung kann Kühlmedium wieder abgeführt und beispielsweise einem nicht gezeigten Wärmetauscher zugeführt werden, um nach Abkühlung im Kreislaufbetrieb wieder zur Kühlung genutzt werden kann.
Die 2 zeigt in der linken Darstellung schematisch den Zuschnitt des Blechteils 3 mittels Laser- oder Wasserstrahltechnik, bevor dieses vorgeformt und um die vorbereitete textile Preform 2, bestehend aus dem o.g. CF-Gelege, gebracht wird. Im Anschluss kann das vorgeformte Blechteil 3 an seinen offenen Enden miteinander verschweißt werden.
In der mittleren Darstellung ist gezeigt, dass in das Formwerkzeug 5 ein nicht verschweißtes Blechteil 3 zusammen mit der textilen Preform 2 und einem konturierten, 3D-gedruckten Kernelement 1 eingelegt worden ist. Im Anschluss daran schließt das Formwerkzeug 5, wobei das Blechteil 3 bereits einen Umformschritt erfährt.
In der rechten Abbildung wird die vom Blechteil 3 eingeschlossene textile Preform 2 durch das definierte Einbringen eines fließfähigen Harz-Härter-Gemisches als polymerer Werkstoff 6, über definierte Harzfließkanäle im Kernelement 1 (hier nicht angezeigt), getränkt. Dabei wird kontinuierlich der Injektionsdruck des Harzgemisches 6 erhöht und das Blechteil 3 bis zur Endkontur der Turbinenschaufel ausgeformt.
Nach dem Tränken der textilen Preform 2 wird der Druck, mit dem fließfähiger polymerer Werkstoff 6 zugeführt wird, weiter erhöht, wobei dabei ein Druck von mindestens 500 bar erreicht werden soll, um eine Umformung des Blechteils 3 in die gewünschte Außenkontur zu erreichen.
Nach abgeschlossener Umformung wird der Druck bis auf den Umgebungsdruck abgebaut und das Harz-Härter-Gemisch üblicherweise unter Temperatur im Formwerkzeug 5 ausgehärtet, so dass mit ihm und der textilen Preform 2 das FKV-Element 2' erhalten wird, das wiederum mittels des polymeren Werkstoffs 6 mit dem Kernelement 1 und dem Blechteil 3 stoffschlüssig verbunden worden ist.
Nach dem Entformen kann eine Nachbearbeitung an der Leichtbau-Turbinenschaufel, beispielsweise ein Entfernen von überschüssigem Polymer und Metallblech oder wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert eine Herstellung von Schweißverbindungen durchgeführt werden.
In 3 ist ein Beispiel eines bei der erfindungsgemäßen Leichtbau-Turbinenschaufel einsetzbaren Kernelements 1 gezeigt, bei dem im Kernelement 1 eine dreidimensionale offene Gitterstruktur 10 ausgebildet ist, über die fließfähiger polymerer Werkstoff 6 ausgehend von mindestens einer bei diesem Beispiel im Bereich des Schaufelfusses angeordneten Eintrittsöffnung 11 durch Kanäle der Gitterstruktur 10 bis zu mehreren gitterförmigen Austrittsöffnungen 12, von denen in der Darstellung nur einige mit Bezugsziffern definiert sind, zum Tränken der textilen Preform 2 und/oder Umformen mindestens eines Blechteils 3 geführt werden kann. Austrittsöffnungen 12 können über die Oberfläche des Kernelements 1 verteilt angeordnet sein. Die Eintrittsöffnung 11 ist über einen oder mehrere Kanäle mit der Gitterstruktur 10 und den Austrittsöffnungen 12 verbunden.
In 4 ist ein Beispiel eines Kernelements 1 gezeigt, bei dem ein Harzfließkanal 9, der sich ausgehend von einer Einlassöffnung 11 im Kernelement 1 in Richtung von Austrittsöffnungen 12 verzweigt, ausgebildet ist. Auch bei dieser Ausführungsform kann fließfähiger polymerer Werkstoff 6 über den einen verzweigten Harzfließkanal 9 oder mehrere Harzfließkanäle zu Austrittsöffnungen 12 zum Tränken der textilen Preform 2 und/oder zur Umformung mindestens eines Blechteils 3 strömen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3883267 A [0005]
DE 19535713 A1 [0006]
EP 1788197 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Leichtbau-Turbinenschaufel als Verbundbauteil, bei dem in ein zweiteiliges Formwerkzeug (5), dessen Kavität der Außenkontur der herzustellenden Leichtbau-Turbinenschaufel entspricht, eine an die Kontur der Kavität des Formwerkzeuges angepasste textile Preform (2), die aus einer oder mehreren Lagen eines textilen Flächenhalbzeugs mit Verstärkungsfasern besteht, mit mindestens einem metallischen Blechteil (3), das die textile Preform (2) vollständig oder teilweise umschließt, eingesetzt wird, und im Anschluss daran die von dem mindestens einem Blechteil umschlossene textile Preform (2) im Inneren des dann geschlossenen Formwerkzeugs (5) mit einem fließfähigen polymeren Werkstoff (6) getränkt und anschließend eine Druckerhöhung des zugeführten fließfähigen polymeren Werkstoffs (6) durchgeführt und dadurch eine Umformung des metallischen Blechteils (3) erreicht wird, bei der das mindestens eine metallische Blechteil (3) die Form der Innenkontur an einer Oberfläche der Kavität des Formwerkzeugs (5) annimmt und nach Vernetzung oder Aushärtung des polymeren Werkstoffs (6) ein Faser-Kunststoff-Verbund-Element (2') gebildet wird, das mit dem mindestens einen metallischen Blechteil (3) form- und/oder stoffschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Umformung des mindestens einen Blechteils (3) im geschlossenen Formwerkzeug (5), die mit dem fließfähigen polymeren Werkstoff (6) getränkte textile Preform (2) von dem Blechteil (3) vollständig umschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die textile Preform (2) umschließende Blechteil (3) an den zusammentreffenden Enden vor dem Einbringen in das Formwerkzeug verschweißt wird oder mehrere die textile Preform (2) umschließende Blechteile (3) miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zufuhr des fließfähigen polymeren Werkstoffs (6) zum Tränken der textilen Preform (2) mittels im Formwerkzeug (5) wirkendem Unterdruck unterstützt und nach einem vollständigen Tränken der textilen Preform (2) mit dem fließfähigen polymeren Werkstoff (6) eine Druckerhöhung, die bevorzugt in mehreren Druckstufen erfolgt, zur Umformung des mindestens einen metallischen Blechteils (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (1) mit einem additiven Herstellungsverfahren aus einem polymeren Werkstoff (6), einem Leichtmetall oder einem Verbundwerkstoff mit integrierten Kühlkanälen und/oder Harzfließkanälen (7) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einlegen in das Formwerkzeug (5) die Oberfläche eines Kernelements (1) bis auf die Oberfläche der Stirnfläche am Schaufelfuß (4) der Turbinenschaufel mit der textilen Preform (2) überdeckt wird, so dass mindestens eine Öffnung mindestens eines Kühlkanales (7) oder Harzfließkanales (9) an dieser Stirnfläche offen gehalten ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Kühlkanälen (7) eines Kernelements (1) während der Umformung des mindestens einen metallischen Blechelements (3) die Kühlkanäle (7) mit einem inkompressiblen Medium, insbesondere einer Flüssigkeit oder Partikeln ausgefüllt und druckdicht verschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass fließfähiger polymerer Werkstoff (6) über im Kernelement (1) intergierte Harzfließkanäle (9), die einerseits an einer Injektionsöffnung der Kavität des Formwerkzeugs (5), wie vorzugsweise am Schaufelfuß oder am Schaufelende, beginnen und dann einfach oder mehrfach verzweigt durch das Kernelement (1) verlaufen und an einer oder mehreren definierten Stellen an der Innenseite der textilen Preform (2) Austrittsöffnungen (12) aufweisen in die textile Preform (2) eingeleitet und die textile Preform (2) mit dem fließfähigen polymeren Werkstoff (6) getränkt wird.
Leichtbau-Turbinenschaufel hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das FVK-Element (2'), das mit einer textilen Preform (2) und einer Matrix aus verfestigtem polymeren Werkstoff (6) gebildet ist, stoffschlüssig zumindest an seiner Vorderkante und/oder Hinterkante mit dem metallischen umgeformten Blechteil (3) verbunden ist.
Leichtbau-Turbinenschaufel nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (1) mit dem FVK-Element (2') stoffschlüssig verbunden und mindestens teilweise im Schaufelbereich der Turbinenschaufel angeordnet ist.
Leichtbau-Turbinenschaufel nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kernelement (1) Kühlkanäle (7), die mit jeweils mindestens einer Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung (8), die am Fußabschnitt der Leichtbau-Turbinenschaufel angeordnet sind, ausgebildet sind.
Leichtbau-Turbinenschaufel nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kernelement (1) ein oder mehrere Harzfließkanäle (9), die jeweils mindestens eine Eintrittsöffnung (11), die im Fußabschnitt oder Schaufelabschnitt der Leichtbau-Turbinenschaufel angeordnet ist, und mindestens eine Austrittsöffnung (12), die im Schaufelbereich angeordnet ist, aufweisen, ausgebildet ist/sind.
Leichtbau-Turbinenschaufel nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kernelement (1) eine dreidimensionale offene Gitterstruktur (10), die jeweils mindestens eine Eintrittsöffnung (11), die im Fußabschnitt der Leichtbau-Turbinenschaufel angeordnet ist, und viele gitterförmige Austrittsöffnungen (10), die vollständig oder teilweise im Schaufelbereich angeordnet sind, aufweisen, ausgebildet ist.
Leichtbau-Turbinenschaufel nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (1) aus einem ganz oder teilweise perforierten flexiblen Schlauch gebildet ist, der schlaufenförmig entlang des Schaufelbereiches abgelegt ist und jeweils mindestens eine Eintrittsöffnung (11) und mindestens eine Austrittsöffnung (12), die beide im Fußabschnitt der Leichtbau-Turbinenschaufel angeordnet sind, aufweisen.
Leichtbau-Turbinenschaufel nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches Blechteil (3) aus Stahl oder Titan und/oder das Kernelement (1) aus einem Polymer und/oder einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder Magnesium gebildet ist/sind und/oder das FVK-Element (2') mit einer textilen Preform (2), die als Gelege, Gewebe, Gewirk oder Geflecht aus Verstärkungsfasern schichtweise lastpfadgerecht entsprechend der auftretenden mechanischen, thermischen und hygroskopischen Belastungen angeordnet ist, gebildet ist.
Leichtbau-Turbinenschaufel nach einem der sieben vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der textilen Preform (2) am Schaufelfuß in Form einer lastpfadgerechten Schlaufenverbindung um einen Metall- oder Kunststoffkern angeordnet sind.
Leichtbau-Turbinenschaufel nach einem der acht vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere umgeformte metallische Blechteile (3) vorhanden sind, die bevorzugt übereinander und sich teilweise überlappend angeordnet sind.
Leichtbau-Turbinenschaufel nach einem der neun vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blechteil (3) an der Vorderkante oder jeweils ein Blechteil (3) an der Vorderkante und ein weiteres Blechteil (3) an der Hinterkante angeordnet ist/sind.
Leichtbau-Turbinenschaufel nach einem der zehn vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernelement (1) mit einem gefüllten polymeren Werkstoff (6) gebildet ist, wobei zur Füllung bevorzugt metallische oder keramische Partikel im polymeren Werkstoff (6) enthalten sind.