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Diese
Erfindung betrifft im Wesentlichen Gasturbinentriebwerke, und insbesondere
mit Gasturbinentriebwerken verwendete Rotorwellen.
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Wenigstens
einige von bekannten Gasturbinentriebwerken enthalten ein Kerntriebwerk,
das, in serieller Strömungsanordnung,
eine Bläserbaugruppe,
einen Hochdruckverdichter, der in das Triebwerk eintretende Luft
verdichtet, eine Brennkammer, die ein Gemisch aus Brennstoff und
Luft verbrennt, und Nieder- und Hochdruckturbinen enthält, die
jeweils mehrere Rotorlaufschaufeln enthalten, die der aus den der
Brennkammer austretenden Gasstrom Rotationsenergie entziehen. Die
Bläserbaugruppe
und die Niederdruckturbine sind über
eine erste Welle verbunden, und der Hochdruckverdichter und die
Hochdruckturbine sind über
eine zweite Welle verbunden.
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Während des
Triebwerkbetriebs sind die Bläserbaugruppe
und die Niederdruckturbine anderen Betriebstemperaturen, Drücken und
Spannungen als diejenigen der Hochdruckturbine und des Verdichters unterworfen.
Demzufolge wird bei wenigstens einigen bekannten Gasturbinentriebwerken
die Rotorwellenverbindung der Niederdruckkomponenten aus einem anderen
Material hergestellt, als das schwerere, haltbarere Material, das
zur Fertigung der Rotorwelle verwendet wird, die die Hochdruck-Komponenten verbindet.
Da sich jedoch die Niederdruckwelle über die Länge des Gasturbinentriebwerkes
erstreckt, ist ein Abschnitt der Niederdruckwelle denselben Temperaturen
und Drücken
wie die Hochdruckturbinenkomponenten ausgesetzt. Um eine Optimierung
von Triebwerkgewichtsbetrachtungen mit Betriebsbeanspruchungen,
die in die Welle induziert werden kön nen, zu ermöglichen,
enthalten wenigstens einige bekannte Niederdruckwellen einen stromaufseitigen
Abschnitt, der aus einem ersten Material gefertigt ist und einen
stromabseitigen Abschnitt, der aus einem zweiten Material gefertigt
ist. Beispielsweise kann ein vorderer Abschnitt der mit der Bläserbaugruppe
verbundenen Niederdruckwelle und der hintere Abschnitt der mit der
Niederdruckkabine verbundenen Niederdruckwelle aus einer Nickellegierung
gefertigt sein, während
ein sich durch den Verdichter und die Hochdruckturbine erstreckender
Zwischenabschnitt der Welle aus einer Titanlegierung gefertigt sein
kann. Da derartige Materialien unähnlich sind, wird eine Sprengverbindung
angewendet, um eine Verbindungsstelle zu erzeugen, die dann dazu
verwendet wird, die zwei Nickel-Wellenabschnitte mit dem dazwischen
liegenden Titanlegierungsabschnitt der Welle so zu verbinden, dass
sich die Verbindungsstelle dazwischen erstreckt.
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Ein
Innenschichtmaterial geringer Festigkeit wird dazu verwendet, die
bei der Ausbildung der Verbindungsstelle verwendeten Platten zu
trennen. Das Innenschichtmaterial ermöglicht die Verhinderung der
Erzeugung schädlicher
intermetallischer Verbindungen quer zur Verbindungsstelle. Insbesondere
erstreckt sich das Innenschichtmaterial geringer Festigkeit diametral über die
Verbindungsstelle so, dass, wenn die Rotorwellenabschnitte an der
Verbindungsstelle verbunden werden, sich die Innenschicht des Materials
im Wesentlichen senkrecht zu einer Mittelliniensymmetrieachse der
Welle erstreckt. In bekannten Verbindungsstellen befindet sich,
wenn die Welle gedreht wird, das Material geringer Festigkeit vollständig in
einer Ebene einer maximalen Scherungsbeanspruchung. Demzufolge kann
während
eines Triebwerkbetriebs das Innenschichtmaterial erheblich das Verhalten
der Verbindungsstelle einschränken.
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US 6,315,487 offenbart eine
Rotorwellenbaugruppe, welche mehrere Wellenabschnitte und ein Verfahren
für deren
Herstellung offenbart.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer Rotorwelle geschaffen, wobei das Verfahren die Schritte
umfasst:
Fertigen eines ersten Wellenabschnittes aus einem ersten
Material derart, dass sich die erste Welle axial von einem ersten
Ende zu einem zweiten Ende erstreckt;
Fertigen eines zweiten
Wellenabschnittes aus einem zweiten Material, das sich von dem ersten
Material unterscheidet, derart, dass sich der zweite Wellenabschnitt
axial von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt; und
Verbinden
des zweiten Wellenabschnittes mit dem ersten Wellenabschnitt mittels
einer Sprengverbindungsstelle derart, dass der zweite Wellenabschnitt im
Wesentlichen in Bezug auf den ersten Wellenabschnitt konzentrisch
ausgerichtet ist, sowie derart, dass sich die Verbindungsstelle
schräg
in Bezug auf eine Mittelliniensymmetrieachse der Rotorwelle erstreckt;
dadurch gekennzeichnet, dass
sich eine Materialschicht in der
Verbindungsstelle erstreckt, um den ersten Wellenabschnitt von dem zweiten
Wellenabschnitt zu trennen, wobei die Materialschicht aus einem
Material hergestellt ist, das sich von den ersten und zweiten Materialien
unterscheidet.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Rotorwelle geschaffen,
die einen ersten Wellenabschnitt aus einem ersten Material und sich
von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckend, und einen
zweiten Abschnitt aus einem zweiten Material, das sich von dem ersten Material
unterscheidet, und sich axial von einem ersten Ende zu einem zweiten
Ende erstreckend, aufweist, wobei der erste Wellenabschnitt mit
dem zweiten Wellenabschnitt an einer Verbindungsstelle derart verbunden
ist, dass der erste Wellenabschnitt im Wesentlichen axial in Bezug
auf den zweiten Wellenabschnitt ausgerichtet ist, wobei sich die
Verbindungsstelle in Bezug auf eine Mittelliniensymmetrieachse der
Rotorwelle schräg
erstreckt; dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindungsstelle
eine Materialschicht aufweist, die sich innerhalb der Verbindungsstelle
erstreckt, um den ersten Wellenabschnitt von dem zweiten Wellenabschnitt
zu trennen, wobei die Materialschicht aus einem Material gefertigt
ist, das sich von den ersten und zweiten Materialien unterscheidet.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks ist.
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2 eine
perspektivische Teilansicht einer bekannten Sprengverbindungsstelle
ist;
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3 eine
vergrößerte Seitenansicht
eines bekannten Wellenverbindungsstellen-Querschnittes ist, der
aus der in 2 dargestellten Sprengverbindungsstelle
erzeugt wird;
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4 eine
teilperspektivische Endansicht einer Verbindungsstelle ist, die
mit einer in 1 dargestellten Rotorwelle verwendet
werden kann; und
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5 eine
vergrößerte Seitenansicht
eines Wellenverbindungsstellen-Querschnittes ist, der aus der in 3 dargestellten
Sprengverbindungsstelle erzeugt wird.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 10,
das einen Niederdruckverdichter 12, einen Hochdruckverdichter 14 und
eine Brennkammer 16 enthält. Das Triebwerk 10 enthält auch
eine Hochdruckturbine 18 und eine Niederdruckturbine 20.
Der Verdichter 12 und die Turbine 20 sind über eine
erste Welle 21 verbunden, und der Verdichter 14 und
die Turbine 18 sind über
eine zweite Welle 22 verbunden. Eine (nicht dargstellte) Last
kann ebenfalls mit dem Gasturbinentriebwerk 10 über die
erste Welle 21 verbunden sein. In einer Ausführungsform
ist das Gasturbinentriebwerk 10 ein F110, das von General
Electric Aircraft Engines, Cincinnati, Ohio beziehbar ist.
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Im
Betrieb strömt
Luft durch den Niederdruckverdichter 12 und komprimierte
Luft wird aus dem Niederdruckverdichter 12 dem Hochdruckverdichter 14 zugeführt. Die
hoch komprimierte Luft wird an die Brennkammer 16 geliefert.
Die Luftströmung aus
der Brennkammer 16 treibt die Turbinen 18 und 20 an
und verlässt
das Gasturbinentriebwerk über eine
Düse 24.
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2 ist
eine perspektivische Teilansicht einer bekannten Sprengverbindungsstelle 40. 3 ist eine
vergrößerte Seitenansicht
eines aus der Sprengverbindungsstelle 40 erzeugten bekannten Wellenverbindungsstellen-Querschnittes 41.
Die Verbindungsstelle 40 wird durch Sprengschweißen erzeugt,
welches das Verbinden unähnlicher
oder metallurgisch inkompatible Metalle derart ermöglicht, dass
eine Rotorwelle, wie zum Beispiel die Welle 21, aus mehreren
unterschiedlichen Materialien gefertigt werden kann.
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Insbesondere
wird die Verbindungsstelle 40 durch Erzeugen einer sprenggeschweißten Schichtstruktur
von Platten 44 und 46 gefertigt, die jeweils aus
demselben entsprechenden Material gefertigt sind, wie es bei der
Herstellung eines stromaufseitigen Abschnittes 48 der Welle 21 und
eines stromabseitigen Abschnittes 50 der Welle 21 verwendet wird.
Insbesondere werden die Platte 44 und der stromaufseitige
Abschnitt 48 der Welle jeweils aus einem ersten Material
gefertigt, und eine Platte 46 und der stromabseitige Abschnitt 50 der
Welle jeweils aus einem zweiten Material gefertigt. In der exemplarischen
Ausführungsform
ist das erste Material eine Nickellegierung und das zweite Material
ist eine Titanlegierung.
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Bevor
die Platten 44 und 46 miteinander sprengverschweißt werden,
wird eine Innenschicht 52 niedriger Festigkeit zwischen
den Platten 44 und 46 positioniert, um die Platten 44 und 46 zu
trennen. Zusätzlich
ermöglicht,
da die Schicht 52 aus einem Material gefertigt ist, das
nicht dasselbe wie das jeweilige Material ist, das zum Fertigen
der Wellenabschnitte 48 und 50 verwendet wird,
die Schicht 52 die Verhinderung einer Erzeugung schädlicher
intermetallischer Verbindungen. In der exemplarischen Ausführungsform
ist die Schicht aus einer Nioblegierung gefertigt.
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Nachdem
die Platten 44 und 46 und die Schicht 52 in
einem bekanten Sprengschweißprozess
miteinander sprengverschweißt
worden sind, wird ein Wellenabschnitt 41 aus den Platten 44 und 46 ausgeschnitten
und zum Verbinden von Wellenabschnitten 48 und 50 verwendet.
Insbesondere erstreckt sich, wenn die Wellenabschnitte 48 und 50 miteinander
verbunden werden, der Wellenabschnitt 41 derart dazwischen,
dass sich eine Innenschicht 52 diametral quer zur Rotorwelle 21 erstreckt
und im Wesentlichen senkrecht zu einer sich durch die Welle 21 erstreckenden
Mittelliniensymmetrieachse ist. Jedoch wird während des Betriebs, sobald
sich die Welle 21 dreht, eine Scherungsspannung in die
Welle 21 induziert. Genauer gesagt befindet sich, aufgrund
einer Orientierung der Innenschicht 52 in Bezug auf die Welle 21,
die Innenschicht 52 vollständig in einer Ebene einer maximalen
Scherungsspannung sobald die Welle 21 gedreht wird. Demzufolge
kann das Innenschichtmaterial während
des Triebwerkbetriebs 52 erheblich das Verhalten der Verbindungsstelle einschränken.
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4 ist
eine teilperspektivische Endansicht einer Verbindungsstelle 100,
die mit einer Rotorwelle wie zum Beispiel der Welle 21 verwendet
werden kann. Alternativ kann die Verbindungsstelle 100 bei (nicht
dargstellten) Wellen verwendet werden, die nicht in der Luftfahrtindustrie
eingesetzt werden, wie zum Beispiel jedoch nicht darauf beschränkt, bei
in Wellen, die in Automobilmotoren eingesetzt werden. 5 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
eines Wellenverbindungsstellen-Querschnittes 102, der aus der
Sprengverbindungsstelle 100 erzeugt wird. Die Verbindungsstelle 100 wird
durch Sprengschweißen erzeugt,
welches das Verbinden von unähnlichen oder
metallurgisch inkompatiblen Metallen ermöglicht, so dass eine Rotorwelle,
wie zum Beispiel die Welle 21 aus mehreren unterschiedlichen
Materialien gefertigt werden kann.
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Insbesondere
wird die Verbindungsstelle 100 durch Erzeugen einer sprenggeschweißten Schichtstruktur
von Platten 104 und 106 gefertigt, die jeweils
aus demselben entsprechenden Material gefertigt sind, wie es bei
der Herstellung eines stromaufseitigen Abschnittes 108 der
Welle 21 und eines stromabseitigen Abschnittes 110 der
Welle 21 verwendet wird. Insbesondere werden die Platte 104 und
der stromaufseitige Abschnitt 108 der Welle jeweils aus
einem ersten Material gefertigt, und eine Platte 106 und
der stromabseitige Abschnitt 110 der Welle jeweils aus
einem zweiten Material gefertigt. In der exemplarischen Ausführungsform
der 4 und 5 ist das erste Material eine
Nickellegierung und das zweite Material ist eine Titanlegierung.
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Bevor
die Platten 104 und 106 miteinander sprengverschweißt werden,
wird eine Innenschicht 112 niedriger Festigkeit zwischen
den Platten 104 und 106 positioniert, um die Platten 104 und 106 zu trennen.
Zusätzlich
ermöglicht,
da die Schicht 112 aus einem Material gefertigt ist, das
nicht dasselbe wie das jeweilige Material ist, das zum Fertigen
der Wellenabschnitte 108 und 110 verwendet wird,
die Schicht 112 die Verhinderung einer Erzeugung schädlicher
intermetallischer Verbindungen. In der exemplarischen Ausführungsform
ist die Schicht aus einer Nioblegierung gefertigt.
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Nachdem
die Platten 104 und 106 und die Schicht 112 in
einem bekanten Sprengschweißprozess
miteinander sprengverschweißt
worden sind, wird ein Wellenabschnitt 102 aus den Platten 104 und 106 ausgeschnitten
und zum Verbinden von Wellenabschnitten 108 und 110 verwendet.
Insbesondere erstreckt sich, wenn die Wellenabschnitte 108 und 110 miteinander
verbunden werden, der Wellenabschnitt 112 derart dazwischen,
dass sich eine (in den 2 und 3 dargestellte)
Innenschicht 52 diametral quer zur Rotorwelle 21 erstreckt.
Jedoch erstreckt sich anders als die (in den 2 und 3 dargstellte)
Innenschicht 52 eine Innenschicht 112 schräg in Bezug
auf die Mittelliniensymmetrieachse, die sich durch die Welle 21 erstreckt.
Insbesondere ist die Innenschicht 52 in einem schrägen Winkel θ in Bezug
auf die Mittelliniensymmetrieachse 120 positioniert. In
einer Ausführungsform
ist der Winkel θ angenähert 105°.
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Während des
Betriebs wird, sobald sich die Welle 21 dreht eine Torsionsscherungsspannung
in die Welle 21 induziert. Da jedoch die Innenschicht 112 in
einem schrägen
Winkel θ angeordnet
ist, sind die Schicht 112 und die Verbindungsstelle 102 aus der
Ebene der maximalen Scherungsspannung verschoben, was es ermöglicht,
die Lastkapazität
der Welle 21 zu verbessern. Ferner ermöglicht der Innenschichtwinkel θ auch eine
Verbesserung der Torsions- und Biegesteifigkeit der Welle 21.
Zusätzlich stellt
der Winkel θ auch
eine Drehmomentbegrenzung für
die Welle 21 bereit. Demzufolge ermöglichen der Wellenabschnitt 102 und
die Verbindungsstelle 100 eine Verbesserung der Nutzungs-
und Lebensdauer der Welle 21.
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Die
vorstehend beschriebene Verbindungsstelle ist kosteneffektiv und
hochzuverlässig.
Der die Verbindungsstelle enthaltende Wellenquerschnitt ist in einem
schrägen
Winkel ausgebildet, der die Verschiebung der Verbindungsstelle aus
der Ebene der maximalen Scherungsspannung während der Wellendrehung ermöglicht.
Da ferner die Innenschicht der Verbindungsstelle schräg in Bezug
auf die Welle orientiert ist, stellt die Verbindungsstelle eine
Drehmomentbegrenzung für
die zugehörige
Welle 21 dar. Demzufolge ermöglicht die Verbindungsstelle
eine Verlängerung
der Nutzungslebensdauer der Welle in einer kosteneffektiven und
zuverlässigen
Art.