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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Strömungsstruktur mit einem Grundkörper und einem Schaufelblatt.
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Stand der Technik
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Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Dabei entzieht die Turbine dem Heißgas anteilig auch Energie, um den Verdichter und im Falle des Mantelstromtriebwerks den Fan anzutreiben.
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Zusätzlich zur Durchströmung des Gaskanals gibt es ein sogenanntes Sekundärluftsystem, das bspw. der Bereitstellung von Kühlluft dienen, aber auch weitergehende Aufgaben übernehmen kann. Unabhängig von der Funktion im Einzelnen ergeben sich damit radial inner- und/oder außerhalb des Gaskanals Fluidpfade, wobei die vorliegende Strömungsstruktur insbesondere in diesem Sekundärluftsystem Anwendung finden kann. Dies soll ein besonders vorteilhaftes Einsatzgebiet illustrieren, den Gegenstand aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen einer Strömungsstruktur für eine Strömungsmaschine anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei wird das Schaufelblatt durch Fügen an dem Grundkörper befestigt, wobei es während des Fügens in einem ersten Abschnitt gegriffen, also gehalten wird. Dieser erste Abschnitt liegt an jenem Ende des Schaufelblatts, an dem die Fügeverbindung hergestellt wird („erstes Ende“), also dem dem Grundkörper zugewandten Ende. In einem dem ersten Ende distalen (vom Grundkörper abgewandten) Abschnitt hat das Schaufelblatt, bezogen auf einen Umlauf um seine Längsachse, eine hohlzylindrische Form (Hohlprofil) mit einer Wanddicke dhohl, was sich bspw. über die Anwendung, also strömungstechnisch motiviert. Es kann sich dabei um ein geschlossenes Hohlprofil oder um ein in Umlaufrichtung offenes Hohlprofil handeln. Am ersten Ende in dem ersten Abschnitt ist das Schaufelblatt hingegen entweder als Vollkörper oder im Falle einer hohlzylindrischen Ausgestaltung zumindest mit einer Wanddicke d1 ausgeführt, die größer als dhohl ist.
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Mit dieser Ausgestaltung kann bspw. die mechanische Stabilität des Schaufelblatts am ersten Ende erhöht sein, kann es also beim Fügen zuverlässig gehalten werden. Das Schaufelblatt lässt sich z. B. gut in ein Haltewerkzeug einspannen. Zudem kann, etwa im Vergleich zu einem Schaufelblatt, das über seine gesamte Länge hohlzylindrisch mit der Wanddicke dhohl ist, eine Wechselwirkungsfläche beim Fügen an den Grundkörper größer sein. Im Falle eines bevorzugten Schweißverbindens kann also bspw. die Verbindungs- bzw. Schweißfläche größer sein und können damit bspw. je nach Schweißverfahren die notwendigen Reib- bzw. Stauchkräfte erhöht werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in der gesamten Offenbarung und insbesondere in den abhängigen Ansprüchen, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Verfahrens- und Vorrichtungs- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung stets hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
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Generell kann das Fügeverbinden von Schaufel und Grundkörper verglichen mit einer Herstellung aus dem Vollen bspw. dahingehend von Vorteil sein, dass bei letzterer aufgrund der dünnwandigen Struktur des Schaufelblatts das abzutragende Volumen um ein Vielfaches größer als das Volumen des endbearbeiteten Bauteils wäre.
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Dies würde lange Bearbeitungszeiten und auch einen hohen Werkzeugverschleiß bedeuten, zumal die fraglichen Materialien in der Regel vergleichsweise hart sind (siehe unten im Detail). Deshalb wird erfindungsgemäß gefügt und ist das Schaufelblatt daraufhin geometrisch optimiert. Die Wanddicke d1 kann bspw. mindestens das 2-Fache, 4-Fache, 6-Fache, 8-Fache oder 10-Fache der Wanddicke dhohl ausmachen (mit theoretischen Obergrenzen bei z. B. dem 500-, 300- oder 100-Fachen).
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Die „hohlzylindrische Form“ des Schaufelblatts ist bevorzugt die Form eines im Schnitt kreisförmigen Hohlzylinders (im Allgemeinen ist aber bspw. auch eine Abweichung von der Kreisform denkbar, etwa ein ellipsenförmiger Querschnitt). Die hohlzylindrische Form liegt zumindest in einem „Segment“ vor, also bezogen auf eine Längsachse des Schaufelblatts zumindest in einem Abschnitt des Umlaufs um diese Längsachse. In dem anderen Segment ist das Schaufelblatt dann jedenfalls in der fertig hergestellten Umströmungsstruktur geöffnet, liegt dort also kein Schaufelblattmaterial vor. Dabei kann das Schaufelblatt diese offene, z. B. halbzylindrische Form im distalen Abschnitt bereits während des Fügens haben, es kann aber andererseits auch als geschlossener Hohlzylinder an den Grundkörper gefügt und anschließend geöffnet werden.
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Bei der fertig hergestellten Struktur kann das Schaufelblatt in dem ersten und dem distalen Abschnitt bevorzugt den gleichen Außendurchmesser haben, besonders bevorzugt kann dies auch bereits während des Fügens der Fall sein. Generell muss das Schaufelblatt in einem jeweilig betrachteten Abschnitt nicht zwingend eine konstante Wanddicke haben, sondern kann diese auch innerhalb eines Abschnitts unterschiedliche Werte annehmen. Für die Wanddickenbetrachtungen und -vergleiche wird dann ein über den entsprechenden Abschnitt gebildeter Mittelwert der Wanddicke zugrunde gelegt wird, wird also dhohl oder d1 (oder auch d2, siehe unten) durch Mittelung gebildet. Bevorzugt ist die Wanddicke in einem jeweiligen Abschnitt jedoch konstant.
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Der Grundkörper hat vorzugsweise eine Ringform, deren Ringachse dann besonders bevorzugt mit der Längs- bzw. Rotationsachse der Strömungsmaschine zusammenfällt und gewinkelt, insbesondere senkrecht zur Längsachse des Schaufelblatts liegt.
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Bezogen auf die Ringachse können umlaufend verteilt eine Mehrzahl Schaufelblätter an den Grundkörper gefügt sein, siehe unten im Detail. Bevorzugt erstreckt sich das bzw. erstrecken sich die Schaufelblätter, bezogen auf die Ringachse, von dem Grundkörper weg nach radial außen. In anderen Worten ist das Schaufelblatt bzw. sind die Schaufelblätter bevorzugt an einer Außenmantelfläche des Rings angeordnet.
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Unabhängig von diesen Details wird das Schaufelblatt in bevorzugter Ausgestaltung materialabtragend bearbeitet, nachdem es an den Grundkörper gefügt wurde. Dies kann im Allgemeinen bspw. auch elektrochemisch erfolgen, bevorzugt ist eine mechanische Materialbearbeitung, insbesondere spanende Materialbearbeitung, etwa durch Bohren oder Fräsen.
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Im Falle des Schaufelblatts, das während des Fügens in dem ersten Abschnitt als Vollkörper (Vollzylinder) ausgeführt ist, kann mit der materialabtragenden Bearbeitung eine hohlzylindrische Form geschaffen werden. Im Falle des im ersten Abschnitt bereits beim Fügen hohlzylindrischen Schaufelblatts kann mit der Bearbeitung ein Innendurchmesser im ersten Abschnitt erweitert werden. Mit der materialabtragenden Bearbeitung wird bevorzugt ein Kanal zwischen der zumindest segmentweise hohlzylindrischen Form des Schaufelblatts im distalen Abschnitt und einem Raum radial innerhalb des ringförmigen Grundkörpers geschaffen oder erweitert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Schaufelblatt nach der materialabtragenden Bearbeitung in dem ersten Abschnitt eine Wanddicke d2, die im Wesentlichen gleich der Wanddicke dhohl ist. Die Wanddicken können also bspw. um den Betrag nach weniger als 10 %, 5 % oder 3 % voneinander abweichen, wobei im Rahmen der technisch üblichen Genauigkeit auch exakt gleiche Wanddicken möglich sind (Abweichung von 0 %). Bei einer alternativ bevorzugten Variante kann hingegen bei der fertig hergestellten Struktur eine größere Wanddicke im ersten Abschnitt verbleiben (> dhohl), kann also die auf das Fügen optimierte Geometrie auch noch in der fertigen Struktur sichtbar sein.
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Die Wanddicke dhohl im distalen Abschnitt beträgt in bevorzugter Ausgestaltung höchstens 5 mm, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 4 mm, 3 mm bzw. 2 mm. Mögliche Untergrenzen können bspw. bei 0,5 mm bzw. 0,75 mm liegen, besonders bevorzugt kann z. B. eine Wanddicke von rund 1 mm sein. Auch unabhängig von diesen Details bleibt die Wanddicke dhohl im distalen Abschnitt bevorzugt unverändert, entspricht also die Wanddicke während des Fügens jener bei der fertig hergestellten Struktur.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der erste Abschnitt eine Länge von mindestens 5 mm, wobei mindestens 8 mm bzw. mindestens 10 mm weiter und besonders bevorzugt sind. Vorteilhafte Obergrenzen, die auch unabhängig vom Vorsehen einer Untergrenze offenbart sein sollen, können bspw. bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 25 mm, 20 mm bzw. 15 mm liegen. Eine Untergrenze kann bspw. sicherstellen, dass der erste Abschnitt zuverlässig gegriffen bzw. eingespannt werden kann; eine Obergrenze kann z. B. den Nachbearbeitungsaufwand begrenzen helfen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Grundkörper und/oder das Schaufelblatt aus einem Nickelwerkstoff vorgesehen, bevorzugt sind es beide. Ein solcher Nickelwerkstoff, bspw. IN718, Udimet 720 oder ME16, kann vergleichsweise hart sein, sodass die eingangs erwähnten Vorteile gegenüber einer Herstellung aus dem Vollen im Besonderen zum Tragen kommen können.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird das Schaufelblatt durch Reibschweißen an den Grundkörper gefügt, also durch eine Relativbewegung unter Druck. Das Reibschweißen kann insbesondere ein Rotationsreibschweißen mit rotierender Bewegung des Schaufelblatts oder ein Orbitalreibschweißen mit einer zirkulären Kreisschwingbewegung sein. Unabhängig von der Verfahrensführung im Einzelnen kann das Schaufelblatt aufgrund der hauptanspruchsgemäßen Ausgestaltung für die hierbei notwendige Bewegungs- und Druckaufbringung zuverlässig eingespannt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Strömungsstruktur nach dem Fügen wärmebehandelt, bspw. bei einer Temperatur von mindestens 500 °C, 600 °C, 700 °C oder 800 °C. Mögliche Obergrenzen können bspw. bei 1200 °C bzw. 1000 °C liegen. Bevorzugt kann ferner eine Nachbearbeitung dahingehend sein, dass ein Fügewulst, insbesondere Reibschweißwulst, entfernt wird, insbesondere am Übergang einer Außenwandfläche des Schaufelblatts zu dem Grundkörper. Besonders bevorzugt wird zuerst der Fügewulst entfernt und wird die Struktur anschließend wärmebehandelt.
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Die fertig hergestellte Struktur weist in bevorzugter Ausgestaltung insgesamt mindestens vier Schaufelblätter auf, bevorzugt mindestens sechs Schaufelblätter. Vorteilhafte Obergrenzen können bspw. bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 20, 16, 14, 12 bzw. 10 Schaufelblättern liegen.
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Wie bereits erwähnt, betrifft die Erfindung auch eine Strömungsstruktur, die einen Grundkörper und ein daran gefügtes Schaufelblatt aufweist. Dabei ist in der fertig hergestellten Struktur das Schaufelblatt am ersten Ende entweder als Vollkörper oder mit einer Wanddicke d1 größer dhohl ausgeführt (d1 > dhohl). Es wird also nach dem Fügen gegebenenfalls gar nicht oder jedenfalls nicht in solchem Umfang materialabtragend am ersten Ende bearbeitet, dass der Durchmesser dort gleich dhohl wird. In anderen Worten verbleibt am ersten Ende eine erhöhte Wanddicke.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen Strömungsstruktur in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise einem Flugtriebwerk, insbesondere in deren bzw. dessen Sekundärluftsystem. Die Strömungsstruktur kann also radial inner- oder außerhalb des im Betrieb von dem Verdichter- bzw. Verbrennungsgas durchströmten Gaskanals angeordnet werden, in welchem die Leit- und Laufschaufeln platziert sind.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 eine Strömungsmaschine, nämlich ein Mantelstromtriebwerk in einem schematischen Schnitt;
- 2 eine Strömungsstruktur mit einem Grundkörper und mehreren Schaufeln;
- 3 eine der Schaufeln der Strömungsstruktur gemäß 2 im Detail;
- 4 ein Schaufelblatt zum Fügen an den Grundkörper in einem Längsschnitt;
- 5 ein weiteres Schaufelblatt zum Fügen an den Grundkörper in einem Längsschnitt;
- 6 die Positionierung der Strömungsstruktur als Anti-Verwirbelungsstruktur in einem schematischen Schnitt.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Strömungsmaschine 1 in schematischer Ansicht, konkret ein Mantelstromtriebwerk. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Dabei sind sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz zusammen. Im Betrieb rotieren die Laufschaufeln um die Längsachse 2 der Strömungsmaschine 1.
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2 zeigt eine Strömungsstruktur 20, die aus einem Grundkörper 21 aufgebaut ist, an dem mehrere Schaufelblätter 22 angeordnet sind. Die Strömungsstruktur 20 wird durch Fügen der Schaufeln 22 an den Grundkörper 21 hergestellt. Es sind schematisch angedeutete Fügewulste 25 zu erkennen.
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3 zeigt eine solche Schaufel 22 in einer Detailansicht. Diese ist an einem ersten Ende 31, das an den Grundkörper 21 gefügt wird, hohlzylindrisch, nämlich als in sich geschlossener Hohlzylinder ausgeführt. Vorliegend handelt es sich um eine kreiszylindrische Geometrie, liegt also in einem ersten Abschnitt 32 an dem ersten Ende 31 um eine Längsachse 33 eine Rotationssymmetrie vor. In einem distalen Abschnitt 34, der an den ersten Abschnitt 32 anschließt, ist die hohlzylindrische Form zu einer Seite hin geöffnet, in 3 nach links. Die geschlossen hohlzylindrische Form geht also in eine im Wesentlichen halbschalenförmige Geometrie über. Bezogen auf einen Umlauf 36 um die Längsachse 33 ist das Schaufelblatt 22 in dem distalen Abschnitt 34 damit nur über ein Segment 37 hohlzylindrisch und im Übrigen geöffnet.
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4 zeigt ein Schaufelblatt 22, das gemäß dem vorliegenden Gegenstand in dem ersten Abschnitt 32 mit einer Wanddicke d1 gefasst ist, die größer als eine Wanddicke dhohl im distalen Abschnitt 34 ist. Damit kann das Schaufelblatt 22 im ersten Abschnitt 32 zuverlässig eingeklemmt und durch Rotations- oder Orbitalreibschweißen mit dem ersten Ende 31 an den Grundkörper 21 gefügt werden. Der erste Abschnitt hat hierfür eine Länge 45 von rund 15 mm. Mit einer anschließenden materialabtragenden Nachbearbeitung kann danach der Innendurchmesser 46 im ersten Abschnitt 32 vergrößert, insbesondere an den distalen Abschnitt 34 angeglichen werden.
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Das Schaufelblatt 22 gemäß 5 ist im Unterschied zu jenem gemäß 4 beim Fügen in dem ersten Abschnitt 32 nicht hohlzylindrisch mit erhöhter Wanddicke, sondern als Vollkörper 55 ausgeführt ist. Dies erlaubt ebenfalls ein zuverlässiges Klemmen und ergibt eine großflächige Schweißung. Auch bei dieser Variante kann die gefügte Schaufel dann im ersten Abschnitt 32 materialabtragend nachbearbeitet werden. Damit lässt sich insbesondere eine Wanddicke d2 erreichen (strichliiert angedeutet), die im Wesentlichen der Wanddicke dhohl im distalen Abschnitt 34 entspricht.
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Sowohl das Schaufelblatt 22 gemäß 5 als auch jenes gemäß 4 kann zuvor, also vor dem Fügen an den Grundkörper 21, bspw. von einem Zylinder als Rohbauteil ausgehend hergestellt werden. Dies kann bspw. spanend, etwa durch Drehen und Bohren etc. erfolgen. Die dem Inneren des jeweiligen Schaufelblatts 22 zugewandte Fläche des ersten Abschnitts 32 muss dabei, anders als in den 4 und 5 dargestellt, nicht zwingend plan sein. Ferner können, anders als in 2 dargestellt, in den Grundkörper 21 auch noch zusätzliche Ausnehmungen bzw. Löcher eingebracht sein oder werden.
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6 illustriert die Positionierung der Strömungsstruktur 20 in der Strömungsmaschine, und zwar außerhalb von deren Gaskanal 60. Konkret ist die Strömungsstruktur 20 vorliegend radial innerhalb des Gaskanals 60 mit der Beschaufelung 61 vorgesehen und dient sie als Anti-Verwirbelungsstruktur.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungsmaschine
- 1a
- Verdichter
- 1b
- Brennkammer
- 1c
- Turbine
- 2
- Längsachse (Strömungsmaschine)
- 20
- Strömungsstruktur
- 21
- Grundkörper
- 22
- Schaufelblätter
- 25
- Fügewulst
- 31
- Erstes Ende
- 32
- Erster Abschnitt
- 33
- Längsachse (Schaufelblatt)
- 34
- Distaler Abschnitt
- 36
- Umlauf
- 37
- Segment
- 45
- Länge (erster Abschnitt)
- 46
- Innendurchmesser (erster Abschnitt)
- 55
- Vollkörper
- 60
- Gaskanal
- 61
- Beschaufelung
