DE10361882B4

DE10361882B4 - Rotor für die Hochdruckturbine eines Flugtriebwerks

Info

Publication number: DE10361882B4
Application number: DE10361882A
Authority: DE
Inventors: Karl Schreiber; Dr. Rothkegel Wolfgang
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: DE10361882A1

Abstract

Rotor für die Hochdruckturbine eines Flugtriebwerks, der eine Turbinenscheibe (1) mit über Kühlkanäle (8) und Filmkühlbohrungen (9) gekühlten Turbinenschaufeln (2) umfasst, wobei am Umfang der Turbinenscheibe (1) angeformte Scheibenstümpfe (3) über eine Reibschweißverbindung (6) jeweils mit einem an einer Schaufelplattform (4) der jeweiligen Turbinenschaufel (2) angeformten Schaufelfingerstumpf (5) verbunden sind; und jeweils mindestens eine von der Turbinenscheibe (1) ausgehende Kühlluftbohrung (10), die durch den Scheibenstumpf (3), die Reibschweißverbindung (6) und den Schaufelfingerstumpf (5) verläuft und nach dem Schweißvorgang erzeugt ist, mit dem jeweiligen Kühlkanal (8) verbunden ist; und an die Kühlluftbohrungen (10) mindestens eine Plattformkühlbohrung (11) angeschlossen ist, die in den Raum unterhalb der Schaufelplattformen (4) mündet; dadurch gekennzeichnet, dass – sich die Reibschweißverbindung (6) in einem jeweils verdickten Endbereich des Scheiben- und des Schaufelfingerstumpfes (3, 5) befindet; – die Turbinenschaufeln aus einem von dem Scheibenwerkstoff unterschiedlichen Material bestehen; und – der Scheibenstumpf (3) ein polykristalliner Scheibenstumpf ist und der Schaufelfingerstumpf (5) ein monokristalliner Schaufelfingerstumpf ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für die Hochdruckturbine eines Flugtriebwerkes, der eine Turbinenscheibe mit über Kühlkanäle und Filmkühlbohrungen gekühlten Turbinenschaufeln, die aus einem von dem Scheibenwerkstoff unterschiedlichen Material bestehen, umfasst.
Die Rotoren des Hochdruckturbinenteils eines Gasturbinentriebwerks umfassen üblicherweise eine durch Schmieden und anschließende spanende Formgebung gefertigte Turbinenscheibe mit an deren Umfang vorgesehenen Scheibenfingern, die beispielsweise eine Tannenbaumverzahnung aufweisen. In den zwischen den Scheibenfingern gebildeten Ausnehmungen ist jeweils der gleichermaßen verzahnte Schaufelfuß einer Turbinenschaufel mit Befestigungsmitteln gehalten. Während die Turbinenscheibe wegen der hohen mechanischen Belastung aus einem hochfesten polykristallinen Material, beispielweise auf Nickelbasis, besteht, wird für das Schaufelblatt eine aus einem Einkristall bestehende, gegenüber den höheren Temperaturen im Bereich der Schaufel beständige Legierung verwendet. Die Schaufeln sind zwischen einem inneren und einem äußeren Deckband eingespannt. Zur Innenkühlung der sich im Betrieb stark erwärmenden Schaufeln gelangt über eine im Boden der Ausnehmung zwischen zwei Scheibenfingern mündende Bohrung und eine im Boden des Schaufelfußes befindliche Bohrung Luft zur Innenkühlung in die mit Kühlkanälen ausgebildete Schaufel, die zur Filmkühlung der Schaufelaußenflächen über feine Bohrungen wieder nach außen tritt. Nach dem Stand der Technik wird die aerodynamisch erzeugte Schaufelschwingung durch Reibbewegung der Tannenbaumverzahnung gedämpft. Das Gegenstück des Schaufelfußes, nämlich die Scheibenfinger, sind in diesem Fall ungekühlt und bilden die thermisch bedingte Lebensdauerschwachstelle der Turbinenscheibe.
Abgesehen von dem aufgrund der Verzahnung von Scheibe und Schaufeln bedingten hohen Material- und Fertigungsaufwand und dem damit verbundenen Kostenaufwand ist auch das Gewicht eines derart konstruierten Schaufelkranzes hoch. Zudem kann die zur Verfügung stehende Kühlluft nicht optimal zur Kühlung der Schaufeln und der Scheibenfinger genutzt werden.
Aus der EP 0 887 143 B1 ist es bereits bekannt, einstückige BLISK-Scheiben (Kunstwort aus „blade” und „disk”) für den Verdichter oder auch die Turbine von Flugzeugtriebwerken entweder durch Schmieden und Zerspanen aus einem Rohling zu fertigen oder die Scheibe und die Schaufeln jeweils separat herzustellen und die Schaufeln durch Linearreibschweißen mit der Scheibe zu verbinden. Bei dem zuletzt erwähnten Verfahren zur Herstellung oder zur Reparatur von BLISK-Scheiben mittels Linearreibschweißen befindet sich die scheibenseitige Schweißfläche auf der Oberseite von hochstehenden, auf der Umfangsfläche der Scheibe gebildeten Stümpfen. In axialer und umfangsmäßiger Richtung weisen die Ränder des jeweiligen Stumpfes eine spezifische Form auf, die die Anwendung der bekannten Reibschweißvorrichtungen auch bei der Herstellung von BLISK-Scheiben gestattet. Die so ausgebildeten BLISK-Scheiben werden jedoch den Anforderungen in Bezug auf die Festigkeit im Schweißnahtbereich und die Temperaturbeständigkeit, die an einen für die Hochdruckturbine eines Flugtriebwerks vorgesehenen Rotor gestellt werden, nicht gerecht.
Die US 52 44 345 A beschreibt einen Rotor, der eine Rotorscheibe sowie eine Rotorschaufel aufweist. Rotorscheibe und Rotorschaufel können separat voneinander gefertigt werden und sodann durch Bonden miteinander verbunden werden. Alternativ können Scheibe und Schaufel als monolithisches Bauelement produziert werden. Zwischen Scheibe und Schaufel sind Kühlluftbohrungen vorgesehen.
Aus der WO 1999/021 681 A1 ist eine Schaufel für eine Turbine bekannt, welche ein monokristallines Material aufweist. Die DE 36 12 628 A1 beschreibt eine Schaufel einer Turbine, wobei die Schaufel gerichtet erstarrt hergestellt wurde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen im Bereich der Hochdruckturbine angeordneten Rotor, der eine aus polykristallinem Material bestehende Scheibe mit am Umfang angeordneten, aus einem Einkristall bestehenden Schaufeln umfasst, als BLISK-Scheibe mit hoher Festigkeit und Temperaturbeständigkeit auszubilden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Rotor gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, dass am Umfang der Turbinenscheibe angeformte Scheibenstümpfe und an den Turbinenschaufeln angeformte Schaufelfingerstümpfe zur Ausbildung einer BLISK-Scheibe durch Reibschweißen verbunden sind, wobei eine nach dem Reibschweißvorgang ausgehend von der Turbinenscheibe erzeugte Kühlluftbohrung durch den Scheibenstumpf, den Reibschweißbereich und den Schaufelfingerstumpf hindurch verläuft und mit Kühlkanälen in der Turbinenschaufel verbunden ist und optional eine quer verlaufende, von der Kühlluftbohrung ausgehende Plattformkühlbohrung jeweils in den Raum unterhalb von zwei benachbarten Plattformen mündet.
Die so ausgebildete BLISK-Scheibe für die Hochdruckturbine eines Flugtriebwerks zeichnet sich durch einen geringen Materialbedarf und geringes Gewicht sowie eine hohe Festigkeit aus und gewährleistet zudem eine lange Lebensdauer des Rotors. Die erforderliche Festigkeit im Reibschweißbereich ist durch die unmittelbare Innenkühlung des Scheiben- und des Schaufelfingerstumpfes – und damit auch des Reibschweißbereichs – gewährleistet. Zwar treten an den Kanten der Kühlluftbohrung hohe Spannungen auf, jedoch wird die Mittelspannung aufgrund der intensiven Kühlung gerade in dem Bereich höchster Spannung insgesamt gesenkt, so dass auch die Reibschweißverbindung die geforderten Festigkeitseigenschaften für eine sichere Verbindung erreicht.
Zur weiteren Spannungsentlastung und Verbesserung der Festigkeitseigenschaften der Reibschweißverbindung sind der jeweilige Scheibenstumpf und der entsprechende Schaufelfingerstumpf zur Verbindungsstelle hin verdickt ausgeführt, so dass ein großer Schweißbereich mit insgesamt verminderter Spannung erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Hochdruckturbinen-BLISK verwendet für den Scheibenkörper mit den angeformten Scheibenstümpfen eine hochfeste polykristalline Nickel-Basis-Legierung wie beispielsweise die handelsüblichen Legierungen U 720, IN 718 oder Waspaloy. Die maximale Einsatztemperatur dieser Legierungen liegt bei 630–670°C. Oberhalb dieses Temperaturbereiches führt Kriechschädigung zu vorzeitigem Versagen des Bauteils. Durch die Innenkühlung der thermisch am höchsten belasteten Finger kann das Festigkeitspotenzial der verfügbaren Scheibenlegierungen besser ausgenutzt werden. Die Turbinenschaufel besteht dagegen aus einer temperaturbeständigen Einkristall-Legierung wie beispielsweise CMSX-2 oder CMSX-4.
Die Breite der Schaufelplattformen ist ausreichend klein, so dass für das Linearreibschweißen genügend Platz zur Verfügung steht. Der zwischen den Seitenflächen der benachbarten Schaufelplattformen verbleibende Abstand wird nach der Herstellung der Schweißverbindung jeweils mit einem Dicht- und Dämpfungselement verschlossen, das die erforderliche Dichtheit gewährleistet und gleichzeitig die Schwingungen der Turbinenschaufeln dämpft.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, deren einzige Figur eine perspektivische, teilweise im Schnitt dargestellte Teilansicht des als BLISK ausgebildeten Rotors einer Hochdruckturbine zeigt, näher erläutert.
Gemäß der Zeichnung umfasst der Rotor eine Turbinenscheibe 1 aus einem polykristallinen Werkstoff, beispielsweise auf Nickelbasis, und am Umfang der Turbinenscheibe 1 befestigte Turbinenschaufeln 2, die aus einem hoch wärmebeständigen monokristallinen Werkstoff bestehen. An der gekrümmten Umfangsfläche der Turbinenscheibe 1 sind in regelmäßigem Abstand Scheibenstümpfe 3 ausgebildet, deren Stärke sich zur freien Umfangsseite hin erweitert. An der Unterseite der Turbinenschaufeln 2 sind eine Schaufelplattform 4 und ein von dieser ausgehender Schaufelfingerstumpf 5 einstückig angeformt. Die Stärke des Schaufelfingerstumpfes 5 vergrößert sich ebenfalls zu dessen freiem Ende hin. Die Verbindung des polykristallinen Scheibenstumpfes 3 und des monokristallinen Schaufelfingerstumpfes 5 erfolgt durch Linearreibschweißen an den verbreiterten, in der Größe übereinstimmenden Reibschweißflächen des Schaufelfingerstumpfes 5 und des Scheibenstumpfes 3. Durch die im Schweißbereich vergrößerte Materialstärke wird der – in der Zeichnung mit einer Strichlinie angedeutete – Reibschweißverbindungsbereich 6 vergrößert und eine feste Verbindung mit verminderter Spannung an der Oberfläche zwischen dem monokristallinen und dem polykristallinen Bauteil erzielt.
Um den für die Erzeugung der Reibschweißverbindung erforderlichen Freiraum zu der jeweils benachbarten, bereits befestigten Turbinenschaufel zur Verfügung zu stellen, besteht zwischen den Seitenflächen der Schaufelplattformen 4 ein bestimmter Abstand, der nach der Montage der Turbinenschaufeln 2 mit Hilfe eines Dicht- und Dämpfungselements 7 geschlossen wird.
Zur Kühlung der Turbinenschaufeln 2 sind in deren Innerem Kühlkanäle 8 ausgebildet, die mit an der Außenfläche der Turbinenschaufel mündenden Filmkühlbohrungen 9 verbunden sind. Die Kühlluftzufuhr in die Turbinenschaufeln 2 erfolgt über von den Seitenflächen der Turbinenscheibe 1 ausgehende, jeweils in Höhe der Scheibenstümpfe 3 angeordnete Kühlluftbohrungen 10. Die Kühlluftbohrungen 10, die nach der Ausbildung der Reibschweißverbindung erzeugt werden, verlaufen im Innern des Scheibenstumpfes 3 und des Schaufelfingerstumpfes 5, und zwar durch den Reibschweißverbindungsbereich 6 hindurch. Dadurch werden die thermisch hoch belasteten Verbindungsteile zwischen der Turbinenscheibe 1 und der Turbinenschaufel 2, das heißt, der Scheibenstumpf 3, der Schaufelfingerstumpf 5 und der Reibschweißverbindungsbereich 6, intensiv gekühlt. Aufgrund der im Scheiben- und im Schaufelfingerstumpf 3, 5 geführten, nach dem Linearreibschweißen eingebrachten Kühlluftbohrungen 10 werden Maximalspannungen aufgrund einer Zug- und Biegebeanspruchung in der Reibschweißverbindung an den Kanten der Kühlluftbohrungen 10, das heißt in unmittelbarer Kühlluftnähe, erzeugt. Dadurch wird die Mittelspannung im Bereich der Reibschweißverbindung aber insgesamt abgesenkt, so dass die Reibschweißverbindung 6 aufgrund der durch die intensive Kühlung bedingten Spannungsminderung dennoch über eine hohe Festigkeit verfügt.
In dem Scheibenstumpf 3 befindet sich optional eine Plattformkühlbohrung 11, die ausgehend von den Kühlluftbohrungen 10, in den Raum zwischen zwei benachbarten Schaufelfingerstümpfen 3 unterhalb der Schaufelplattformen 4 münden. Dadurch werden auch die Schaufelplattformen 4 gekühlt.
Bezugszeichenliste

1: Turbinenscheibe
2: Turbinenschaufel
3: Scheibenstumpf
4: Schaufelplattform
5: Schaufelfingerstumpf
6: Reibschweißverbindung
7: Dicht- und Dämpfungselement
8: Kühlkanäle
9: Filmkühlbohrungen
10: Kühlluftbohrung
11: Plattformkühlbohrung

Claims

Rotor für die Hochdruckturbine eines Flugtriebwerks, der eine Turbinenscheibe (1) mit über Kühlkanäle (8) und Filmkühlbohrungen (9) gekühlten Turbinenschaufeln (2) umfasst, wobei am Umfang der Turbinenscheibe (1) angeformte Scheibenstümpfe (3) über eine Reibschweißverbindung (6) jeweils mit einem an einer Schaufelplattform (4) der jeweiligen Turbinenschaufel (2) angeformten Schaufelfingerstumpf (5) verbunden sind; und jeweils mindestens eine von der Turbinenscheibe (1) ausgehende Kühlluftbohrung (10), die durch den Scheibenstumpf (3), die Reibschweißverbindung (6) und den Schaufelfingerstumpf (5) verläuft und nach dem Schweißvorgang erzeugt ist, mit dem jeweiligen Kühlkanal (8) verbunden ist; und an die Kühlluftbohrungen (10) mindestens eine Plattformkühlbohrung (11) angeschlossen ist, die in den Raum unterhalb der Schaufelplattformen (4) mündet; dadurch gekennzeichnet, dass – sich die Reibschweißverbindung (6) in einem jeweils verdickten Endbereich des Scheiben- und des Schaufelfingerstumpfes (3, 5) befindet; – die Turbinenschaufeln aus einem von dem Scheibenwerkstoff unterschiedlichen Material bestehen; und – der Scheibenstumpf (3) ein polykristalliner Scheibenstumpf ist und der Schaufelfingerstumpf (5) ein monokristalliner Schaufelfingerstumpf ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschweißverbindung durch Linearreibschweißen hergestellt ist.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Linearreibschweißens zwischen benachbarten Schaufelplattformen (4) ein ausreichender Abstand verbleibt, der jeweils durch ein Dicht- und Dämpfungselement (7) geschlossen ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenscheibe (1) und die Turbinenschaufel (2) aus einem Material mit ähnlicher Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit bestehen.
Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenscheibe (1) aus einem polykristallinen Material und die Turbinenschaufel (2) aus einem Einkristall oder einem gerichtet erstarrten Material besteht.