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Die Erfindung betrifft eine Turbinenscheibe für eine Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenscheibe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Turbinen, die als Antriebe für Flugzeuge oder Raketen, aber auch als Generatoren bei der Energieerzeugung eingesetzt werden, sind extremsten physikalischen Bedingungen ausgesetzt. Bei den hier beschriebenen Turbinen handelt es sich insbesondere um Gasturbinen, die während des Betriebes sehr hohen Temperaturen standhalten müssen. Da sich die einzelnen Turbinenscheiben der Turbine mit einer hohen Frequenz um ihre Achse drehen, werden aufgrund der hohen mechanischen Kräfte, die Grenzen der Belastbarkeit des Materials erreicht. Um diesen Belastungen standzuhalten, werden die Turbinenscheiben typischerweise aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Allerdings sind diese metallischen Werkstoffe in der Regel sehr schwer, was sich wiederum nachteilig auf die entstehenden Fliehkräfte auswirkt.
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Es wurden zwar Versuche unternommen, für die Fertigung der Turbinenscheiben alternative Werkstoffe, wie beispielsweise keramische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe, die eine geringere Dichte und eine höhere Temperaturbeständigkeit bzw. geeignete Werkstoffeigenschaften aufweisen, zu verwenden, allerdings lassen sich diese Materialien aufgrund ihrer Härte nur sehr schwer bearbeiten. Auch wegen des extremen Arbeitsaufwandes für die Bearbeitung derartiger Materialien lassen sich Turbinenscheiben auf keine kostengünstige Art und Weise herstellen. Eine kostengünstige Methode zur Bearbeitung derart harter keramischer Werkstoffe stellt das Schleifen dar. Aufgrund der hochkomplexen Geometrie und Form der Turbinenscheiben und insbesondere der Turbinenschaufeln, ist das Schleifen einer Turbinenscheibe jedoch nicht möglich.
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Der Lastfall während des Betriebes der Turbine stellt eine Kombination aus den Zentrifugalkräften, bedingt durch die hohen Betriebsdrehzahlen und der hohen Massen, sowie der thermischen Belastungen durch den heißen Gasstrom dar. Ausschlaggebend für den Wirkungsgrad einer Turbine bzw. einer Turbinenscheibe ist eine optimierte Form der einzelnen Turbinenschaufeln. Die Geometrie dieser Schaufeln kann hochkomplex sein und Krümmungen um mehrere Achsen aufweisen. Die Forderung nach höchstmöglichen Gesamtwirkungsgraden diktiert die Geometrien der hochkomplexen, dreidimensional geformten Schaufeln, die nur durch Fräsen, Drehen, Gießen oder Funkenerosion realisierbar sind. Da durch eine Optimierung der Schaufelgeometrie höhere Leistungen und ein effektiv niedrigerer Kraftstoffverbrauch möglich sind, wird hierauf der Fokus der Entwicklung von neuartigen Turbinen gelegt. Das Problem der extremen thermischen sowie mechanischen Belastungen kann durch die Optimierung der Geometrie jedoch nicht bzw. nur bedingt gelöst werden.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Turbinenscheibe für eine Turbine sowie ein Herstellungsverfahren für eine Turbinenscheibe zu schaffen, durch welches hoch effiziente Turbinenscheiben auf eine besonders kostengünstige Art und Weise herstellbar sind.
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Eine Turbinenscheibe zur Lösung der genannten Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Demnach ist es vorgesehen, dass eine Turbinenscheibe für eine Turbine aus mehreren einzelnen Scheibenelementen zusammengesetzt ist, wobei sich die Geometrie der Schaufeln der Turbinenscheibe aus der Summe aller zusammengesetzten Scheibenelemente ergibt. Dabei entspricht die radiale Dimension, sprich der Durchmesser, der einzelnen Scheibenelemente der radialen Dimension der Turbinenscheibe. Auch ein zentraler Durchlass bzw. eine Aufnahme oder eine Bohrung für eine Welle kann sich für alle, insbesondere für einige, einzelnen Scheibenelemente an der gleichen Position befinden bzw. können diese gleichartig ausgebildet sein. Allerdings entspricht die Dicke bzw. die Stärke der einzelnen Scheibenelemente gerade der Dicke bzw. der Stärke der Turbinenscheibe, geteilt durch die Anzahl der einzelnen Scheibenelemente, aus der die Turbinenscheibe zusammengesetzt ist. Somit ist die Dicke bzw. die Stärke der einzelnen Scheibenelemente geringer als die Dicke bzw. Stärke der Turbinenscheibe. Die Anzahl der einzelnen Scheibenelemente ist eine Funktion der Turbinenscheibengröße und kann daher von Ausführungsform zu Ausführungsform variieren.
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Es hat sich gezeigt, dass die Turbinenscheibe sich idealerweise aus zwei bis zehn, insbesondere drei bis acht, vorzugsweise aus fünf, einzelnen Scheibenelementen zusammensetzt. Das Zusammensetzen einer einzigen Turbinenscheibe aus fünf Scheibenelementen führt zu einer besonders effizienten und mechanisch belastbaren Turbinenscheibe.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat gezeigt, dass die einzelnen Scheibenelemente idealerweise axial mechanisch zusammenklemmbar, zusammenfügbar, verschraubbar oder miteinander verschmelzbar sind. Ein weiteres besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel besteht darin, dass ein Verkleben der Turbinenscheibe besonders wirksam ist.
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Erfindungsgemäß stellen somit die einzelnen Scheibenelemente jeweils ein einzelnes Element der Turbinenscheibe und der Schaufelgeometrie dar. Die Summe aller in der richtigen Reihenfolge zusammengesetzter Scheibenelemente bildet die Turbinenscheibe mitsamt der Schaufeln. Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass um die zusammengesetzten einzelnen Scheibenelemente noch ein Außenring gesetzt wird. Dieser Außenring ist ebenfalls mit den zusammengesetzten Scheibenelementen verklemmbar, verschraubbar, verklebbar oder verschmelzbar. Durch diese Aufteilung einer komplexen Turbinenscheibe in einzelne Scheibenelemente lässt sich die Geometrie der Schaufelabschnitte der einzelnen Scheibenelemente in ihrer Komplexität stark vereinfachen, was insbesondere für das Herstellungsverfahren ein großer Vorteil darstellt.
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Die erfindungsgemäß aus mehreren einzelnen Elementen zusammengesetzte Turbinenscheibe widerspricht vielen gängigen Auffassungen, wonach das Zusammenfassen mehrerer einzelner Elemente zu einer einzigen Komponente, die extremen Bedingungen ausgesetzt ist, mit großen Nachteilen behaftet ist. So wurde beispielsweise bisher davon ausgegangen, dass die Haftfestigkeit zwischen einzelnen Elementen, insbesondere bei Beaufschlagung mit einem heißen Medium, wie beispielsweise Gas, nicht ausreichend groß ist, um Beschädigungen und ein daraus resultierendes Risiko, zu unterbinden. Eine Verbindung einzelner Elemente führt, so die herrschende Meinung, zu einer reduzierten Lebensdauer der Komponente. Insbesondere die hohe mechanische Belastung, die bei einer Rotation der Komponenten auftritt, kann zu einer Schädigung der Haftung zwischen den einzelnen Elementen führen. Darüber hinaus wird die Meinung vertreten, dass eine exakte Ausrichtung der einzelnen Komponenten, die insbesondere bei rotierenden Elementen essenziell ist, nicht exakt gewährleistet werden kann. Bei einer mangelnden Rotationsausrichtung kann die Komponente allerdings nicht effizient arbeiten, was sie insbesondere für die oben genannten Anwendungen unbrauchbar machen würde.
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Es hat sich nun gezeigt, dass die erfindungsgemäße Turbinenscheibe in ihrer Anwendung nicht durch die genannten vermeintlichen Nachteile begrenzt wird. Vielmehr hat sich bestätigt, dass sowohl eine genügend genaue Ausrichtung der einzelnen Scheibenelemente möglich ist, die Haftfestigkeit zwischen den einzelnen Scheibenelementen ausreichend ist und eine Lebensdauer erreichbar ist, die mit der von konventionellen Turbinenscheiben vergleichbar ist. Insbesondere die Tatsache, dass sich aus den einzelnen Scheibenelementen Schaufelgeometrien nahezu beliebiger Turbinenscheiben zusammensetzen lassen, führt nicht zu einer geringeren Effizienz oder zu einem niedrigeren Wirkungsgrad. Vielmehr konnte festgestellt werden, dass der Turbinenwirkungsgrad und somit auch der Kraftstoffverbrauch für die hier beschriebenen Turbinenscheiben weiter optimierbar ist.
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Ein weiteres besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es vorsehen, dass die einzelnen Scheibenelemente aus einem Metall oder einer metallischen Legierung wie Monel oder Inconel oder einem keramischen Verbundwerkstoff wie SiC/SiC oder einem C/C-SiC-Verbund hergestellt sind. Insbesondere die keramischen Verbundwerkstoffe eignen sich besonders für die Herstellung der Scheibenelemente, da sie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen als metallische Werkstoffe. Darüber hinaus lassen sich aufgrund der geringeren Masse wesentlich höhere Betriebsgeschwindigkeiten erreichen, was zu einer erhöhten Effizienz der gesamten Turbine führt.
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Dementsprechend ist es insbesondere durch die Verwendung eines keramischen Verbundwerkstoffes möglich, eine Turbinenscheibe zu schaffen, die sich einfach herstellen lässt. Außerdem lässt sich ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielen. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die Turbinenscheibe einstückig aus einem keramischen Verbundwerkstoff hergestellt ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung kann es vorsehen, dass die einzelnen Scheibenelemente der Turbinenscheibe aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. So ist es denkbar, dass die Scheibenelemente, die innenliegend angeordnet sind, d. h. jeweils zu beiden Seiten von mindestens einem weiteren Scheibenelement umfasst sind, aus einem anderen Material hergestellt sind als die außenliegenden Scheibenelemente. Durch eine entsprechende Materialwahl der inneren Scheibenelemente könnte dadurch das Gewicht der gesamten Turbinenscheibe reduziert werden. Gleichermaßen ließen sich die Scheibenelemente, welche der größten thermischen Energie ausgesetzt sind, aus einem entsprechenden hitzeresistenten Material herstellen. Beispielsweise könnten die inneren Scheibenelemente aus einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff hergestellt werden, welches besonders temperaturstabil ist.
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Weiter ist es erfindungsgemäß denkbar, dass die einzelnen Scheibenelemente strukturierte Aussparungen, wie beispielsweise Löcher, aufweisen. Diese strukturierten Aussparungen könnten derart beschaffen sein, dass sich eine optimale Kombination aus Gewicht und Stabilität erzeugen lässt. So ist es auch hier denkbar, dass die innenliegenden Scheibenelemente derartige Aussparungen aufweisen, während die außenliegenden Scheibenelemente keine oder andersartige Aussparungen aufweisen. Gleichermaßen kann es vorgesehen sein, dass die mehreren Scheibenelemente unterschiedliche Aussparungen aufweisen.
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Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung kann es vorsehen, dass die einzelnen Aufnahmen bzw. Bohrungen der Scheibenelemente unterschiedlich ausgebildet sind. Durch diese unterschiedlich großen und/oder unterschiedlich geformten Aufnahmen bzw. Durchgangslöcher kann beispielsweise eine effiziente Kühlung der einzelnen Scheibenelemente realisiert bzw. verbessert werden. Durch entsprechend ausgebildete Aufnahmen lassen sich Kanäle realisieren, durch welche Luft zum Kühlen der Turbinenscheibe strömen kann.
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Ein Verfahren zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 11 auf. Demnach ist es vorgesehen, dass eine Turbinenscheibe aus mehreren einzelnen Scheibenelementen gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 zusammengesetzt wird, wobei sich eine Geometrie der Schaufeln der Turbinenscheibe aus der Summe aller zusammengesetzten Scheibenelemente ergibt. Durch das Zusammensetzen der Turbinenscheibe aus mehreren einzelnen Turbinenscheibenelementen wird die geometrische Komplexität der Schaufeln der Turbinenscheibe zerlegt in mehrere einfache, sprich weniger komplexe, Formen. Diese weit weniger komplexe Geometrie der Scheibenelemente lässt sich wesentlich einfacher und kostengünstiger herstellen als bekannte Turbinenscheiben. Es ist denkbar, dass auch die komplexesten Schaufelgeometrien, die mehrfach gekrümmte Oberflächen aufweisen, zerlegbar sind in Scheibenelemente mit einer sehr einfachen Geometrie, die durch ein Standard-Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise dem Schleifen, hergestellt werden können. Bedingt durch die Reduzierung der Komplexität lassen sich aufgrund der Vereinfachung der Herstellungsverfahren die einzelnen Scheibenelemente auf eine sehr präzisen Art und Weise herstellen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es vorsehen, dass die einzelnen Scheibenelemente miteinander axial mechanisch zusammengeklemmt, verschraubt, zusammengefügt, verklebt oder miteinander verschmolzen werden. Durch dieses Zusammenfügen der einzelnen Scheibenelemente entsteht eine einstückige Scheibe. Aufgrund der hohen erreichbaren Genauigkeit sind die einzelnen Scheibenelemente derart zusammenfügbar, dass im zusammengefügten Zustand keine Übergänge zwischen den einzelnen Scheiben erkennbar sind. Insbesondere die Übergänge zwischen zwei nebeneinanderliegenden Scheibenelementen verlaufen kontinuierlich. Beim Zusammenfügen hat sich gezeigt, dass insbesondere das Kleben der einzelnen Scheibenelemente als besonders zuverlässig sowie beständig gegen die genannten extremen Bedingungen, unter denen die Turbinenscheibe eingesetzt wird, ist.
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Weiter besteht eine wesentliche Maßnahme der Erfindung darin, dass die einzelnen Scheibenelemente durch einen Schleifprozess hergestellt werden. Dadurch, dass die einzelnen Scheibenelemente eine im Vergleich zu der Turbinenscheibe stark reduzierte Dicke aufweisen, lassen sich die einzelnen Schaufeln bzw. Abschnitte der Schaufeln des jeweiligen Scheibenelementes auf eine besonders präzise sowie kostengünstige Art und Weise herstellen. Da beim Schleifen das Material des Werkstücks abrasiv abgetragen wird, waren bisher für die einschlägigen Turbinenscheiben besonders große Schleifscheiben notwendig, die einen großen Durchmesser aufweisen. Typischerweise sind für die industrielle Herstellung die Schleifescheiben größer, als die einzelnen Komponenten. Aufgrund dieses Größenverhältnisses ist es jedoch unmöglich, komplizierte, dreidimensionale Schaufelgeometrien von Turbinenscheiben zu schleifen. Durch die hier beschriebene Zerlegung der Turbinenscheibe in einzelne Scheibenelemente lassen sich die einzelnen Scheibenelemente mit konventionellen Schleifmethoden leicht bearbeiten, da die Scheibenelemente im Vergleich zu der Schleifscheibe dünn sind. Durch die im Vergleich zu den einzelnen Scheibenelementen dünne Schleifscheibe lassen sich auch dreidimensionale Geometrien und sogar Doppelkrümmungen an den einzelnen Scheibenelementen auf eine einfache sowie sehr präzise Art und Weise herstellen. Letztendlich können durch die Zerlegung der Turbinenscheibe in einzelne Scheibenelemente einfache Schleiftechniken angewendet werden, die eine industrielle Fertigung der Turbinenscheiben zulässt.
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Weiter besteht insbesondere eine erfindungswesentliche Maßnahme darin, dass die einzelnen Scheibenelemente aus einem Metall oder einer metallischen Legierung wie Monel, Inconel oder einem keramischen Verbundwerkstoff wie SiC/SiC oder einem C/C-SiC-Verbund hergestellt werden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass Rohlinge der Scheibenelemente durch ein Infiltrationsverfahren hergestellt werden. Dabei kann es sich um ein Polymerinfiltration- und Pyrolyse-Verfahren (PIP) oder vorzugsweise um ein CVI-Verfahren (chemical vapour Infiltration) oder einer Kombination daraus handeln. Durch die Verwendung dieser Materialien, insbesondere der keramischen Verbundwerkstoffe, lassen sich wesentlich leichtere Turbinenscheiben herstellen, die aufgrund ihrer geringeren Masse gegenüber metallischen Turbinenscheiben mit einer höheren Rotationsgeschwindigkeit betrieben werden können.
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Für das Ausführungsbeispiel einer Turbinenscheibe bzw. einzelner oder aller Scheibenelemente aus einem keramischen Verbundwerkstoff wie SiC/SiC oder einem C/C-SiC-Verbund gemäß Anspruch 5, wird die Turbinenscheibe bzw. einzelne oder alle Scheibenelemente beispielhaft folgendermaßen aufgebaut. Zunächst kann eine gemeinsame Aufnahme bzw. Passbohrungen in SiC/SiC oder C/C-SiC-Einzelplatten zur Fertigung der Strukturen eingebracht werden, wobei die Flügelstrukturen exakt an den Bohrungen auszurichten sind. Dazu werden beispielhaft vier SiC/SiC oder C/C-SiC-Einzelplatten gemeinsam verspannt. Dabei werden die Passbohrungen durch die verspannten Platten gefertigt. Diese sind in Art, Anzahl und relativer Position so zu wählen, dass bei der späteren Fügung die Reihenfolge keine Rolle spielt. Anschließend erfolgt die mechanische Bearbeitung der einzelnen Platten um die geometrischen Strukturen herzustellen. Die relative Ausrichtung der Flügelstrukturen erfolgt an den Passbohrungen. Damit wird sichergestellt, dass im späteren Prozess des Zusammensetzens, insbesondere des Klebeprozesses, die Flügelstrukturen exakt übereinanderliegen. Danach kann ein Klebemittel, vorzugsweise Phenolharz, Epoxidharz oder ein präkeramisches Polymer, einseitig auf die gesamte Fläche der Oberseite der SiC/SiC- oder C/C-SiC-Einzelpatten, insbesondere 1-3 mm, dünn mit einem Pinsel oder alternativen Methoden aufgetragen werden. Anschließend erfolgt die Stapelung der Platten aufeinander. Hierbei ist wiederum auf eine genaue Positionierung der Platten zu achten. Die Passbohrungen müssen übereinanderliegen. Um die relative Positionierung der Einzelplatten zu fixieren, können Passstifte in die einzelnen Passbohrungen eingeschrumpft werden. Dies kann entweder über die Unterkühlung der Passstifte, über die vorherige Aufheizung der SiC/SiC- oder C/C-SiC-Einzelplatten oder über eine Kombination aus Aufheizen und Abkühlen geschehen. Somit ist eine Querverschiebung in der folgenden Prozessierung ausgeschlossen und die Flügelelemente bleiben optimal ausgerichtet. Nach dem Einführen der Passstifte können die SiC/SiC- oder C/C-SiC-Einzelplatten verpresst werden, wodurch ein Spalt zwischen den Platten verschwindet. In dieser Konstellation erfolgt die Aushärtung des Klebemittels. Dies kann je nach Klebemittel unterschiedlich, entweder an Luft oder thermisch, geschehen. Abschließend wird das Klebemittel der Verbundplatte durch einen kontrollierten Pyrolyseprozess zu Kohlenstoff umgesetzt.
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Da auch die Temperaturbeständigkeit von Turbinenscheiben aus einem keramischen Verbundwerkstoff gegenüber Turbinenscheiben aus Metallen größer ist, können durch das hier beschriebene Herstellungsverfahren Scheiben hergestellt werden, die wesentlich effizienter betreibar und langlebiger sind als die bekannten Turbinenscheiben. Es ist darüber hinaus auch denkbar, dass eine Turbinenscheibe einstückig aus den genannten keramischen Verbundwerkstoffen hergestellt wird. Unter bestimmten geometrischen Voraussetzungen ist es möglich, dass auch komplexere Schaufelgeometrien mittels eines entsprechenden Materialbearbeitungsverfahrens, wie beispielsweise dem Schleifen, herstellbar sind.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Turbinenscheibe und das Verfahren zur Herstellung der Turbinenscheibe wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer bekannten Turbinenscheibe gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Turbinenscheibe hergestellt aus einzelnen Scheibenelementen,
- 3 eine perspektivische Darstellung eines Scheibenelementes, und
- 4 eine schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens.
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Turbinen für die Antriebs- oder Energiegewinnungs-Technologie weisen eine Vielzahl von Turbinenscheiben 10 auf. Diese Turbinenscheiben 10 dienen dazu, dem sie umströmenden Fluid innere Energie zu entziehen und in nutzbare mechanische Energie zu wandeln. Dabei ist für die Effizienz des Antriebs und der Energiegewinnung die Geometrie der Turbinenschaufeln 11 wesentlich. Da bekannte Turbinen bzw. Turbinenscheiben 10 mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit betrieben werden und das durch die Turbine beförderte Gas sehr heiß ist, muss das Material, aus dem die Turbinenscheiben 10 gefertigt sind, höchste mechanische und thermische Belastungen standhalten. Insbesondere für die Verwendung in Turbinen für Antriebe oder in Generatoren zur Gewinnung von Energie ist es essenziell, dass die einzelnen Komponenten der Turbine eine hohe Lebenserwartung und geringe Verschleißerscheinungen aufweisen. Das erfordert die Verwendung von teuren Hochleistungsmaterialien sowie eine sehr präzise und somit aufwendige Fertigung. Da jedoch letztendlich derartige Turbinenscheiben aufgrund der hohen Nachfrage industriell hergestellt werden müssen, damit das gesamte Herstellungsverfahren wirtschaftlich ist, existiert ein Bestreben, die Herstellung der Turbinenscheibe zu vereinfachen und somit Kosten zu sparen.
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In der 1 ist eine bekannte Turbinenscheibe 10 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Diese einstückig ausgebildete Turbinenscheibe 10 weist eine axiale Bohrung 12 auf zur Aufnahme einer Welle der nicht dargestellten Turbine. In einem Außenbereich weist die Scheibe 10 eine Vielzahl von beabstandeten Schaufeln 11 auf, die konzentrisch ausgerichtet sind. Die einzelnen Schaufeln 11 weisen eine hochkomplexe Geometrie auf, die in mehrere Raumrichtungen gekrümmt ist. Bei der in der 1 dargestellten Turbinenscheibe 10 werden die Schaufeln 11 von einem Außenring 13 umfasst. Dieser Ring 13 stellt einen integralen Bestandteil der Turbinenscheibe 10 dar.
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Die Herstellung bekannter Turbinenscheiben 10 gemäß der 1 ist aufgrund der besonderen Geometrien der Schaufeln und des Materials sehr komplex und aufwendig und somit kostenintensiv. Darüber hinaus wird der Einsatz bekannter Turbinenscheiben 10, bedingt durch das Material, beschränkt durch das hohe Eigengewicht, das zu extremen Fliehkräften führt. Ein Überschreiten der maximal zulässigen Rotationsgeschwindigkeit kann nicht nur zu einer Schädigung der Turbine, sondern des gesamten Flugzeugs bzw. der Rakete oder des Generators führen.
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In der 2 ist eine erfindungsgemäße Turbinenscheibe 14 dargestellt. Diese Turbinenscheibe 14 setzt sich zusammen aus fünf einzelnen Scheibenelementen 15.
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Abgesehen von dem Außenring 13 ist die Form der Turbinenscheibe 14 wenigstens nahezu identisch zu der Form der Turbinenscheibe 10. Allerdings setzt sich die komplexe Geometrie der einzelnen Turbinenschaufeln 16 zusammen aus Teilschaufelelementen 17 der einzelnen Scheibenelemente 15. In der 3 ist ein einzelnes Scheibenelement 15 dargestellt, aus der sich die Turbinenscheibe 14 zusammensetzt. Die in der 2 dargestellten fünf Scheibenelemente 15 unterscheiden sich allesamt in ihren Teilschaufelelementen 17. Die Teilschaufelelemente 17 der einzelnen Scheibenelemente 15 sind gerade derart ausgebildet, dass sie im zusammengesetzten Zustand der Scheibenelemente 15 jeweils eine Turbinenschaufel 16 ergeben. Durch diese Zerlegung der Turbinenscheibe 14 in mehrere Scheibenelemente 15 lassen sich hochkomplexe Geometrien, wie in der 1 dargestellt, auf relativ einfache Formen der einzelnen Scheibenelemente reduzieren.
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Abgesehen von den einzelnen Teilschaufelelementen 17 sind die Scheibenelemente 15, die zu der Turbinenscheibe 14 zusammengesetzt werden, identisch zueinander. Insbesondere der Scheibenkörper 18 sowie der zentrale Durchlass bzw. die Bohrung 19 können für alle Scheibenelemente 15 baugleich sein. Es ist ebenfalls denkbar, dass der zentrale Durchlass bzw. die Bohrung 19 erst im zusammengesetzten Zustand der einzelnen Turbinenscheibe 14 hergestellt wird. Durch diese Ausformung der einzelnen Scheibenelemente 15 kann ein deckungsgleiches Zusammenfügen der Scheibenelemente 15 realisierbar sein. Durch das Zusammenfügen der einzelnen Scheibenelemente 15 kann eine Turbinenscheibe 14 herstellbar sein, welche wenigstens nahezu die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweist wie die Turbinenscheibe 10. Es ist auch denkbar, dass die Turbinenscheibe 14 im Nachhinein mit einem hier nicht dargestellten Außenring versehen wird.
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Durch die geringe Dicke der einzelnen Scheibenelemente 15 lassen sich diese besonders kostengünstig sowie präzise durch Schleifprozesse herstellen. Wie in der 4 dargestellt, ist es möglich, die einzelnen Teilschaufelelemente 17 mit einer Schleifscheibe 20 aus einem Rohling herauszuarbeiten. In der 4 rotiert die Schleifscheibe 20 beispielhaft um die Drehachse 21. Es ist aber darüber hinaus vorgesehen, dass sich die Schleifscheibe 20 für den Herstellungsprozess der Scheibenelemente 15 um mehrere Achsen dreht. Durch die reduzierte Komplexität der einzelnen Scheibenelemente 15 im Vergleich zu der Turbinenscheibe 10 kann jedes Teilschaufelelement 17 durch eine dreidimensionale Bewegung der Schleifscheibe 20 hergestellt werden. Dabei können auch doppelgekrümmte Oberflächen an den Teilschaufelelementen 17 realisiert werden.
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Für das hier beschriebene Schleifverfahren eignen sich auch keramische Werkstoffe, aus denen die Scheibenelemente 15 bevorzugt hergestellt werden. Insbesondere für extrem harte keramische Verbundwerkstoffe eignet sich das in der 4 skizzierte Schleifverfahren besonders gut.
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Nachdem die einzelnen Scheibenelemente 15 durch den beschriebenen Schleifprozess hergestellt wurden, werden die einzelnen Elemente 15 in der richtigen Reihenfolge zusammengefügt. Um die notwendige Haftung zwischen den einzelnen Scheibenelementen 15 zu erreichen, können diese verschraubt, verklebt, verklemmt oder miteinander verschmolzen werden. Aufgrund der hohen Passgenauigkeit der einzelnen Scheibenelemente 15 kann durch das Zusammenfügen der einzelnen Elemente 15 eine Turbinenscheibe 14 hergestellt werden, deren physikalische Belastbarkeit mindestens mit der Belastbarkeit der Turbinenscheibe 10 vergleichbar ist. Für das Zusammenfügen der einzelnen Scheibenelemente 15 können beispielsweise Passstifte eingesetzt werden, um die notwendige Passgenauigkeit realisieren zu können. Diese Passstifte können entweder in den Scheibenelementen 15 verbleiben oder nach der Montage der Elemente 15 wieder aus selbigen entnommen werden. Dabei ist es denkbar, dass die mindestens zwei, drei, vier oder mehr Passstifte lösbar mit den Scheibenelementen 15 verbindbar sind.
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Durch die Verwendung der keramischen Verbundwerkstoffe kann durch die hier beanspruchte Turbinenscheibe 14, aufgrund des geringeren Eigengewichts der Turbinenscheibe 14, eine hohe Rotationsgeschwindigkeit erreicht werden, was letztendlich zu einem effizienten Betrieb der Turbine führt. Darüber hinaus lassen sich durch die Zerlegung der Turbinenscheibe 14 in einzelne Scheibenelemente 15 die Herstellungskosten reduzieren, sodass eine industrielle Herstellung der Turbinenscheibe 14 realisierbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbinenscheibe
- 11
- Schaufel
- 12
- Bohrung
- 13
- Außenring
- 14
- Turbinenscheibe
- 15
- Scheibenelement
- 16
- Turbinenschaufel
- 17
- Teilschaufelelement
- 18
- Scheibenkörper
- 19
- Bohrung/Aufnahme
- 20
- Schleifscheibe
- 21
- Drehachse
