DE69205119T2

DE69205119T2 - Verfahren zur Verbesserung der Belastbarkeit eines rotierenden Körpers.

Info

Publication number: DE69205119T2
Application number: DE69205119T
Authority: DE
Inventors: Edward Paul Eardley
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1991-11-15
Filing date: 1992-08-15
Publication date: 1996-05-09
Anticipated expiration: 2012-08-16
Also published as: CA2076243A1; ES2077312T3; EP0541911B1; JPH05263601A; KR930010348A; US5158435A; EP0541911A1; DE69205119D1; BR9203167A; CN1072754A; MX9204729A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Fähigkeit eines rotierenden Körpers, beim Betrieb auftretende Spannung auszuhalten, und insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren zum Einbringen einer vorteilhaften Eigenspannung an einer ausgewählten Stelle eines Turbomaschinenlaufrades, an welcher der Wert der Betriebsspannung eine Rolle spielt.

HINTERGRUND

Ein begrenzender Faktor bei der Verbesserung der Leistungsfähigkeit einer Turbomaschine besteht oft in der Rotationsgeschwindigkeit, bei welcher die Laufräder der Maschine betrieben werden können. Der sich in den Laufrädern entwickelnde Verspannungsgrad verbietet oft den Betrieb bei höheren Drehzahlen, welche für eine bessere Leistungsfähigkeit sorgen würden. Bei der Auslegung eines Laufrads stehen oft strukturelle Überlegungen aerodynamischen Überlegungen entgegen. Fortschrittliche aerodynamische Eigenschaften wie z.B. dünne Schaufeln, Schaufelummantelungen, eine rückwärtige Schaufelkrümmung und ein verringerndes Laufradgewicht führen alle zu höheren Betriebsspannungen als konservativere Merkmale und neigen deshalb dazu, die mögliche Betriebsdrehzahl zu verringern. Die rnit der Eintührung solcher fortschrittlicher Merkmale verbundenen Kosten sind ebenfalls hoch, und die geeigneten Materialien und Herstellungsverfahren sind beschränkt. Es ist deshalb wünschenswert, die beim Betrieb auftretenden Spannungswerte bei solchen Laufrädern zu verringern, um ihren Betrieb bei höheren Drehzahlen zu ermöglichen.
Während des Betriebs eines Turbomaschinenlaufrades treten Spannungen auf und variieren kontinuierlich über das Laufrad, wobei sie als Kombination von Primär- und Sekundärspannungen auftreten, welche von den angelegten Kräften und der Laufradkonfiguration erzeugt werden. Primärspannungen werden durch an dem Laufrad anliegende Lasten, wie z.B. der von der Drehung des Laufrades erzeugten Zentrifügalkraft, erzeugt. Eine grundlegende Eigenschaft einer Primärspannung besteht darin, daß sie nicht selbstbeschränkend ist. Primärspannungen, welche die Fließfestigkeit des Laufradmaterials beträchtlich übersteigen, führen zu einem insgesamten Verziehen oder zu einem Bruch des Laufrades, was im folgenden als Ausfall des Laufrades bezeichnet wird.
Sekundärspannungen werden in dem Laufrad durch die von benachbarten Teilen oder dem Laufrad selbst, d.h. mittels Selbstbeschränkung, auferlegten Zwangsbedingungen erzeugt. Eine grundlegende Eigenschaft einer Sekundärspannung besteht darin, daß sie selbstbeschränkend ist. Ein lokales Fließen und lokale Verzerrungen können als Ergebnis von Sekundärspannungen auftreten, jedoch rührt ein Ausfall gewöhnlich nicht von Sekundärspannungen her. Eigenspannungen sind naturgemäß Sekundärspannungen, die durch das Einwirken von sowohl Primär- als auch Sekundärspannungen auf das Laufrad entwickelt werden können.
Beim Betrieb werden auch Vibrationsspannungen durch die dynamische Umgebung des Laufrades erzeugt und sind den stationären Spannungen überlagert. Vibrationsspannungen können schnell zu einem Ermüdungsbruch des Laufrades führen.
Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "Eigenspannung" eine in einem Material ohne angelegte äußere Kräfte vorliegende interne Spannung, die von dem Material selbst, d.h. durch Selbstbeschränkung in dem Material, erzeugt wird.
Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "Druckspannung" eine Spannung, welche bewirkt, daß sich ein Material in Richtung der die Spannung erzeugenden angelegten Kraft verkürzt.
Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "Zugspannung" eine Spannung, die bewirkt, daß sich ein Material in Richtung der die Spannung erzeugenden angelegten Kraft dehnt.
Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "stationäre Spannung" eine Spannung, die sich nicht mit der Zeit verändert, wenn alle externen Kräfte stationär sind, d.h. sich nicht mit der Zeit ändern, im Gegensatz zu alternierenden Spannungen oder Vibrationsspannungen.
Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "Fließen" eine plastische Verformung oder eine dauerhafte Form- oder Größenänderung eines Materials ohne Bruch, welche von dem Anliegen einer Spannung herrührt.
Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "tolerierbares Fließen" ein Fließen nur bis zu einem Grad, welches ein Objekt nicht ungeeignet zum weiteren Ertüllen der ihm zugedachten Funktion macht, wie z.B. Fließen, welches die Form oder Größe oder die Auswuchtung eines Objekts nicht in einer Weise ändert, die es ungeeignet zur weiteren beabsichtigten Funktionserfüllung macht.
Diese Erfindung kann auf jede Struktur oder jede Vorrichtung angewendet werden, bei welcher die angelegte Last ein verteiltes Primärspannungsfeld erzeugt, so daß voneinander entkoppelte, lokalisierte Bereiche mit hoher Primär- und Sekundärspannung existieren, wobei diese in dem Sinn entkoppelt sind, daß sie keine gemeinsame geometrische Zwangsbedingung teilen. Ferner muß die Struktur oder die Vorrichtung aus einem Material bestehen, welches eine adäquate Duktilität aufweist, welche ein angemessenes Fließen oder eine angemessene plastische Verformung erlaubt, ohne daß ein Ausfall beftirchtet werden müßte. Ein typisches Turbomaschinenlaufrad aus Metall stellt solch eine Struktur dar.
Die bei einem typischen Turbomaschinenlaufrad aus Metall während des Betriebs auftretenden stationären Spannungen können mit bekannten Verfahren, wie z.B. der Finite-Elemente-Analyse berechnet werden. Stationäre Spannungen werden von Zentriftigalkräften aufgrund der Rotation des Laufrades, Temperaturunterschieden zwischen verschiedenen Bereichen des Laufrads und von dynamischen Druckkräften erzeugt, die von Fluiden erzeugt werden, die in Kontakt mit dem Laufrad treten.
Beim Drehbetrieb eines Laufrades treten Spitzenspannungen an verschiedenen Stellen des Laufrades auf Ein Erhöhen der Fähigkeit genau dieser spezifischen Stellen, Spannung zu widerstehen, erhöht die Betriebsfähigkeit des Laufrades. Ein Verfahren zum Verbessern der Fähigkeit einer spezifischen Stelle, Spannung während der Rotation zu widerstehen, besteht darin, eine vorteilhafte Eigenspannung an der Stelle zu induzieren. Ein Verfahren zur Verbesserung der Fähigkeit eines Körpers, Spannung während der Rotation zu widerstehen, ist aus FR-A-1 026 815 bekannt, wobei das Verfahren darin besteht, daß der Körper bis zu einer Spitzendrehzahl gedreht wird, welche geringer als die normale Betriebsdrehzahl ist, um ein tolerierbares Fließen und eine Druckeigenspannung an einer ausgewählten Stelle des Körpers zu induzieren. Da die Spitzenspannungen gewöhnlich Zugspannungen sind, ist das Induzieren einer Druckeigenspannung gewöhnlich vorteilhaft. Ein Verfahren zum Induzieren einer Druckeigenspannung an einer spezifischen ausgewählten Stelle besteht darin, die Stelle zu überspannen, so daß ein lokales Fließen an der Stelle auftritt. Beim Abbau der momentanen Überspannung übt das das fließende Material umgebende nichtfließende Material eine Druckeigenspannung auf das fließende Material aus. Dies kann bei einem Laufrad an einer Stelle, die die höchste stationäre Zugspannung erfährt, dadurch erzielt werden, daß das Laufrad mit einer Spitzendrehzahl gedreht wird, die höher als die Auslegungsdrehzahl ist, um eine Zugspannung zu entwickeln, die ein tolerierbares lokales Fließen an dieser Stelle induziert.
Bei einem Laufrad ist eine Stelle, die insbesondere der Entwicklung von Vibrationsspannung, und somit Ermüdungsausfall, ausgesetzt ist, die Stelle, an welcher die größte Schaufellänge auftritt, welche als das Auge des Laufrads bezeichnet wird. Somit ist dies eine Stelle, an welcher es oft wünschenswert ist, Druckeigenspannungen zu induzieren, welche die während der Rotation auftretende stationäre Zugspannung verringert, womit die Fähigkeit dieser Stelle, Vibrationsspannung zu widerstehen, erhöht wird. Jedoch ist die Stelle des Auges gewöhnlich nicht die Stelle, an welcher während der Rotation die höchste Zugspannung auftritt. Andere Stellen des Laufrades sind gewöhnlich höheren stationären Zugspannungen während der Rotation ausgesetzt als die Stelle des Auges. Wenn ein Versuch unternommen wird, eine Druckeigenspannung genau an der Stelle des Auges mittels dem Bewirken eines lokalen Fließens an der Stelle des Auges einzuführen, kann ein übermäßiges Fließen an anderen Stellen des Laufrades auftreten, welche größeren stationären Zugspannungen ausgesetzt sind, was das Laufrad unbrauchbar macht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaftung eines Verfahrens zum Verbessern der Fähigkeit eines rotierenden Körpers, der beim Betrieb auftretenden Spannung zu widerstehen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung der Fähigkeit eines Körpers geschaffen, Spannung während Rotation zu widerstehen> indem an einer ausgewählten Stelle in dem Körper tolerierbares Fließen und Druckeigenspannung induziert werden, wobei:
(a) der Körper bis zu einer Spitzendrehzahl gedreht wird, um an der ausgewählten Stelle tolerierbares Fließen und Druckeigenspannung zu induzieren,
und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß
(b) die ausgewählte Stelle eine Stelle ist, die während der Rotation des Körpers nicht die höchste lokale stationäre Zugspannung eriährt; und
(c) vor dem Verfahrensschritt (a) der Körper mit einer Folge von zunehmenden Spitzendrehzahlen gedreht wird, um tolerierbares Fließen und Druckeigenspannung an jeder Stelle zu induzieren, die während der Rotation eine höhere stationäre Zugspannung als die ausgewählte Stelle erfiihrt, wobei die Abfolge von der Stelle mit der höchsten Spannung oberhalb derjenigen Spannung, die an der ausgewählten Stelle auftritt, zu der Stelle fortschreitet, welche die niedrigste Spannung oberhalb deijenigen Spannung auf\veist, die an der ausgewählten Stelle auftritt.
Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Fähigkeit eines rotierenden Körpers, einer beim Betrieb auftretenden Spannung zu widerstehen, einfach durch eine Reihe von aufeinanderfolgenden Rotationen bei ausgewählten Spitzendrehzahlen oberhalb der Auslegungsdrehzahl verbessert. Insbesondere weist das Verfahren den Schritt auf, den Körper in einer Folge von ansteigenden Spitzendrehzahlen rotieren zu lassen, um ein tolerierbares Fließen und eine Druckeigenspannung an jeder Stelle zu induzieren, welche einer größeren stationären Zugspannung als die ausgewählte Stelle ausgesetzt ist. Die Folge schreitet von der Stelle mit der größten stationären Zugspannung oberhalb der Zugspannung an der ausgewählten Stelle zu der Stelle mit der niedrigsten stationären Zugspannung oberhalb der Zugspannung an der ausgewählten Stelle fort. Wenn eine Druckeigenspannung an allen solchen Stellen induziert wird, so daß keine Stellen mit einer stationären Zugspannung oberhalb der Zugspannung an der ausgewählten Stelle verbleiben, wird der Körper mit einer Spitzendrehzahl rotiert, um tolerierbares Fließen und eine Druckeigenspannung an der ausgewählten Stelle zu induzieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Laufrads, auf welches das Verfahren dieser Erfindung beispielhaft angewendet wird.
Fig. 2 ist eine Auftragung von stationären Zugspannungen in einem Bereich des in Fig. 1 gezeigten Lauflades bei der Auslegungsdrehzahl, die mittels Finite-Elemente-Analyse erhalten wurden.
Fig. 3 ist ein Spannungsfoimänderungs-Diagramm, welches das Verhalten an einer im Inneren der Schaufel des Laufrads von Fig. 1 liegenden Stelle während der Anwendung des Verfahrens dieser Erfindung zeigt.
Fig. 4 ist ein Spannungsformänderungs-Diagramm, welches das Verhalten an einer Nabenstelle des Laufrads von Fig. 1 während der Anwendung des Verfahrens dieser Erfindung zeigt.
Fig. 5 ist ein Spannungsformänderungs-Diagramm, welches das Verhalten an der ausgewählten Stelle, insbesondere der Stelle des Auges, bei dem Laufrad von Fig. 1 während der Anwendung des Verfahrens dieser Erfindung zeigt.
Fig. 6 ist ein Goodman-Diagramm für das Material des Laufrads von Fig. 1, wobei in diesem Diagramm der Effekt des Anwendens des Verfahrens dieser Erfindung an dem Auge gezeigt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist eine typische Laufradkonfiguration dargestellt. Das Laufrad 10 weist eine Nabe 12 zum Anbringen auf einer Welle (nicht gezeigt) auf Eine innere Grenztläche 14 und ein äußerer Mantel 16 sind lokal mittels Schaufeln 18 verbunden, um mehrere identische Kanäle für den Fluidstrom zu bilden. Ein Ende eines jeden Kanals weist einen großen Strömungsquerschnitt 20 auf, der axial für einen Fluidstrom ausgerichtet ist und als das Auge des Laufrades bezeichnet wird. Das andere Ende eines jeden Kanals weist einen kleinen Strömungsquerschnitt 22 auf, der radial für einen Fluidstrom ausgerichtet ist. Vom Auge aus nimmt die Strömungsquerschnitt eines jeden Schaufelkanals kontinuierlich bis zu einer minimalen Querschnitt an dem anderen Ende des Kanals ab. Wenn das Laufrad in einem Kompressor verwendet wird, tritt Fluid an dem Auge des Laufrades ein und wird in dem Laufrad beschleunigt. Wenn das Laufrad in einer Turbine verwendet wird, tritt das Fluid an dem Auge 22 des Laufrades aus und wird in dem Laufrad gebremst.
In beiden Fällen weist das Auge in dem Laufrad eine Stelle 24 au?, die hinsichtlich Spannung von Bedeutung ist. Die Stelle 24 des Auges ist gewöhnlich nicht der größten stationären Spannung in dem Laufrad ausgesetzt. Jedoch weisen die Schaufeln in dem Bereich des Auges einen langen, nicht abgestützten Längenbereich auf Deshalb sind sie anfällig für Turbulenzen und andere starke Anregungen, die Vibrationsspannungen verursachen> welche rasch zu einem Ermüdungsausfall führen können. Deshalb ist es wünschenswert, die Spannungswiderstandsfähigkeit des Laufrades insbesondere an dieser Stelle zu verbessern.
Typischerweise ist ein Laufrad so ausgelegt, daß es bei einer maximalen beabsichtigten stationären Betriebsdrehzahl betrieben wird, welche als Auslegungsdrehzahl bezeichnet wird. Wenn ein Versuch unternommen wird, vorteilhafte Druckeigenspannungen an einer ausgewählten Stelle, wie beispielsweise der Stelle des Auges, einfach dadurch einzuführen, daß das Laufrad mit einer Drehzahl rotiert wird, bei welcher ein hinreichendes Fließen an dem Auge auftritt, können andere Stellen, die bei der Rotation einer größeren stationären Zugspannung ausgesetzt sind, übermäßig fließen. Übermäßiges Fließen kann sich als Verziehen, Unwucht oder Bruch des Laufiades manifestieren. Das Verfahren dieser Erfindung verhindert diese nicht tolerierbare Schwierigkeit.
Zum Zwecke der Veranschaulichung wird diese Erfindung in der Anwendung auf ein Laufrad aus 7175-T74-Knet-Aluminium beschrieben, was ein häufig verwendetes Laufradmaterial ist. Dieses Material ist duktil und kann fließen oder sich lokal deformieren, bevor ein endgültiger Bruch auftritt, was eine Anforderung für die Praxis dieser Erfindung darstellt. Die Stelle 24 des Auges, welche die ausgewählte Stelle zum Einbringen von vorteilhaften Druckeigenspannungen ist, erfährt eine stationäre Spannung von 71,6 N/mm² (10 300 psi) bei einer Drehzahl von 23 580 U/min, wie mit Finite-Elemente-Analyse, wie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt, bestimmt wurde. Jedoch zeigt die Finite-Elemente-Analyse zwei Stellen, welche größere stationäre Spannungen als das Auge erfahren. Die Stelle mit der höchsten stationären Spannung oberhalb der Spannung an der Stelle 24 des Auges, ist eine Stelle 26 im Inneren der Schaufel, welche einer stationären Zugspannung von 102 N/mm² (14 680 psi) ausgesetzt ist. Die Stelle mit der nächsthöheren stationären Zugspannung oberhalb derjenigen an der Stelle 24 des Auges, ist eine Stelle 28 an der Nabe, die einer stationären Zugspannung von 84 N/mm² (12 100 psi) ausgesetzt ist.
Der Anfangsschritt zum Entwickeln von Druckeigenspannungen an dem Auge besteht darin, das Laufrad mit einer Spitzendrehzahl rotieren zu lassen, um ein hinreichendes lokales Fließen an der Stelle im Schaufelinneren zu bewirken, um Druckeigenspannungen zu entwickeln, so daß diese Stelle nachfolgenden höheren Drehzahlen standhalten kann, die so ausgewählt sind, daß Druckeigenspannungen an anderen Stellen, einschließlich dem Auge, entwickelt werden. Das Fließen muß tolerierbar, d.h. beschränkt, sein, so daß keine Unwucht des Laufrads besteht, so daß es nicht nachfolgend bei höheren Drehzahlen betrieben werden könnte, und sich nicht verzieht, so daß es unbrauchbar wäre. Ein oftmals nützliches Kriterium besteht darin, das Fließen auf 25% des Zugdehnungsvermögens des Laufradmaterials zu beschränken. Dies erfordert die Auswahl einer Spitzendrehzahl, welche ein Fließen von 25% oder weniger des Zugdehnungsvermögens des Materials induziert. 7175-T74-Aluminium ist jedoch sehr duktil und weist ein Zugdehnungsvermögen von 12% auf Folglich sind 25% dieses Vermögen 3%, was einen Betrag darstellt, der eine Unwucht oder ein inakzeptables Verziehen erzeugen kann. Ein alternatives Kriterium besteht darin, das Fließen auf 1% Formänderung des Laufradmaterials zu beschränken, wobei angenommen wird, daß dies in diesem Fall zu einem tolerierbaren Fließen führt. Dies erfordert die Auswahl einer Spitzendrehzahl, welche ein Fließen induziert, was zu 1% oder weniger Formänderung in dem Material führt. In der Praxis wird eine Drehzahl ausgewählt, welche kleiner oder gleich der niedrigsten Drehzahl ist, welche folgendes bewirkt Fließen von 25% des Zugdehnungsvermögens des Materials und Fließen, welches zu 1% Formänderung in dem Material führt.
Bei 7175-T74-Muminium wird 1% Formänderung von einer Spannung von 393 N/mm² (56 550 psi) erzeugt. Die entsprechende Drehzahl, welche diese Spannung erzeugt, wird aus der bekannten Beziehung, daß die Zentrifugalkraft, und somit die Spannung, proportional zum Quadrat der Drehzahl ist, berechnet. Wenn man die Spannung an der Stelle im Schaufelinneren bei Auslegungsbedingungen, wie sie von der Finite-Elemente-Analyse vorhergesagt werden, als Basis verwendet, ergibt sich die Drehzahl zur Erzeugung einer Spannung von 393 N/mm² (56 550 psi) an dieser Stelle zu:
N=Nd / d=23 580 56 550/14 680=46 200 U/min
wobei
N die Drehzahl,
Nd die Auslegungsdrehzahl,
die Spannung, und
d die Spannung bei der Auslegungsdrehzahl darstellt.
Die aus dieser Beziehung berechnete Drehzahl wurde konservativ auf 45 000 U/min gerundet. Diese Geschwindigkeit erzeugt eine Spannung von 372 N/mm² (53 500 psi) an der Stelle im Schaufelinneren, wie man aus der obigen Beziehung erhält.
Der Anfangsschritt des Verfahrens besteht darin, das Laufrad mit einer ersten Spitzendrehzahl von 45 000 U/min in einem mittels einer mechanischen Vorpumpe evakuierten Drehschacht rotieren zu lassen. Eine mechanische Vorpumpe erzeugt einen Druckpegel, der gewöhnlich mindestens geringer als 13 Pa (0, 1 mm Quecksilbersäule) ist, typischerweise einen Druckpegel von 0,67 Pa (0,005 mm Quecksilbersäule) bis 2,67 Pa (0,02 mm Quecksilbersäule). Der verringerte Druck schwächt viskose Pumpeffekte wie beispielsweise Turbulenz und adiabatisches Erwärmen des Laufrads ab. Die Rotation bis zu der ersten Spitzendrehzahl wird ausgeführt, um ein tolerierbares lokales Fließen an der Stelle im Schaufelinneren zu bewirken. In dem Spannungsformänderungs-Diagramm von Fig. 3, welches das Verhalten an der Stelle im Schaufelinneren darstellt, ist der Schritt des Rotierens des Laufrades bis zu der ersten Spitzendrehzahl als die Spanne entlang der Spannungs-Formänderungs-Linie für 7175-T74- Aluminium von Punkt 1 zu Punkt 2 dargestellt. Punkt 2 liegt auf dem gekrümmten Abschnitt der Spannungs-Formänderungs-Linie, was anzeigt, daß die elastische Grenze überschritten wurde und daß Material geflossen ist.
Optional kann die Drehzahl des Laufrades nun auf eine Drehzahl unterhalb derjenigen, bei welcher das Fließen begann, oder auf Null verringert werden. Bei einer Geschwindigkeit von Null wird die an dem Laufrad angelegte Last abgebaut und das Laufrad entspannt sich in einer linearen elastischen Weise von Punkt 2 zu Punkt 3 in Fig. 3. Das geflossene Material an der Stelle im Schaufelinneren wird durch das benachbarte Material, welches nicht geflossen ist, in einen Druckeigenspannungszustand gezwungen. Die Stelle im Schaufelinneren entwickelt auf diese Weise eine Druckeigenspannung von 52 N/mm² (7 500 psi), wie als Punkt 3 in Fig. 3 dargestellt ist. Die Lage des Punktes 3 in Fig. 3 wird dadurch abgeschätzt, daß ein Kräftegleichgewicht um das Material an der Stelle im Schaufelinneren herum betrachtet wird, wo das Fließen auftrat und nun eine Druckeigenspannung herrscht. Das Umgebungsmaterial liefert eine gleiche und entgegengesetzte Spannung und ist ebenso einer gleichen Formänderung ausgesetzt. Folglich muß die Druckspannung in dem geflossenen Material in gleichem Abstand unter der Null-Spannungslinie liegen, in welchem die Spannung in dem nicht geflossenen Material oberhalb der Null-Spannungslinie liegt. Letzterer Punkt ist als Punkt 3' in Fig. 3 gezeigt, welcher direkt oberhalb von Punkt 3 liegt.
Unter Verwendung der oben genannten quadratischen Beziehung wurde die durch die erste Spitzendrehzahl an der Stelle auf der Nabe und an der Stelle des Auges entwickelte Spannung zu 307 bzw. 262 N/mm² (44 200 bzw. 37 700 psi) berechnet. Diese Spannungen sind als Punkt 2 in Fig. 4 für die Nabe und in Fig. 5 für das Auge aufgetragen. Diese Spannungen liegen unterhalb der Fließgrenze für das Material, und folglich werden keine Druckspannungen an diesen Stellen erzeugt, wenn die Zentriftigalspannungen weggenommen werden.
Als nächstes wird bei dem Verfahren eine Druckeigenspannung an der Stelle entwickelt, welche dann bei der Auslegungsdrehzahl die höchste stationäre Zugspannung oberhalb derjenigen an der ausgewählten Stelle erfährt, falls eine solche Stelle vorhanden ist. In diesem Beispiel tritt dies an einer Stelle an der Nabe auf. Die gleiche Analyse, wie sie für die Stelle im Schaufelinneren durchgeführt wurde, wird für die Nabenstelle durchgeführt. Dies führt zum Auswählen einer Spitzendrehzahl von 50 000 U/min für den nächsten Schritt bei dem Verfahren. Um ein tolerierbares Fließen an der Nabenstelle zu induzieren, wird das Laufrad mit einer zweiten Spitzendrehzahl von 50 000 U/min rotiert, welche in den Fign. 3, 4 und 5 als Punkt 4 gezeigt ist.
Optional wird die Drehzahl dann auf Null verringert, was in den Fign. 3, 4 und 5 als Punkt 5 gezeigt ist. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß an dem Schaufelinneren bei 50 000 U/min ein zusätzlicher Betrag an Fließen auftritt, welcher die Druckeigenspannung an dieser Stelle auf 196 N/mm² (28 200 psi) erhöht. Punkt 5' stellt die entsprechende Zugspannung dar, die von dem die Stelle im Schaufelinneren umgebenden Material aufgebracht wird. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß bei der Rotation mit 50 000 U/min an der Nabe eine Druckeigenspannung von 78 N/mm² (11 200 psi) auftritt. Aus Fig. 5 für das Auge ist ersichtlich, daß sich keine Druckspannung an dem Auge bei 50 000 U/min entwickelt.
Bei diesem Beispiel wiesen zwei Stellen stationäre Zugspannungen au?, die höher waren als an der ausgewählten Stelle. Jedoch könnten eine, zwei, drei oder mehr Stellen mit einer stationären Zugspannung größer als an der ausgewählten Stelle auftreten, worauf das Verfahren dieser Erfindung ebenfalls anwendbar ist. Wenn eine Druckeigenspannung an allen Stellen entwickelt wurde, die anfänglich eine Rotationsspannung größer als an der ausgewählten Stelle, insbesondere dem Auge, aufwiesen, ist es nun möglich, eine Druckeigenspannung an dem Auge zu entwickeln. Mittels der gleichen Art von Analyse wie vorher, wird eine dritte Spitzendrehzahl von 52 500 U/min ausgewählt, und man läßt das Laufrad mit dieser Spitzendrehzahl rotieren. Dieser Punkt ist als Punkt 6 in den Fign. 3, 4 und 5 gezeigt. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß an dem Schaufelinneren kein zusätzlicher Betrag an Fließen auftritt.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß kein zusätzliches Fließen an der Nabe auftritt. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß ein Fließen an dem Auge auftritt.
Wenn die Drehzahl auf Null verringert wird, wird das Laufrad wieder entlastet. Dieser Punkt ist als Punkt 7 in den Fign. 3, 4 und 5 gezeigt. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß das Fließen bei der letzten Spitzendrehzahl an dem Auge eine Druckeigenspannung von 39 N/mm² (5 600 psi) erzeugt. Somit beträgt die stationäre Spannung an dem Auge bei der Auslegungsdrehzahl 71,6 - 39,0 = 32,6 N/mm² (10 300 - 5 600 = 4 700 psi), eine Abnahme um 45 %.
Die Vorteile des Verwendens des Verfahrens gemäß dieser Erfindung können ferner unter Bezugnahme auf ein Goodman-Diagramm bewertet werden, worin die Materialausfall-Linie als Funktion von alternierender Spannung und stationärer Spannung, wie in Fig. 6 gezeigt, aufgetragen ist. Am Auge betrug die stationäre Spannung 71,6 N/mm² (10 300 psi) bei der Auslegungsdrehzahl, bevor das Verfahren zum Einbringen einer vorteilhaften Eigenspannung angewendet wurde. Gemäß dem Goodman-Diagramm in Fig. 6 beträgt am Punkt 7, bei einer stationären Spannung von 71,6 N/mm² (10 300 psi), die erlaubte alternierende Spannung, typischerweise durch Vibration eingebracht, 149 N/mm² (21 500 psi). Durch die Anwendung des Verfahrens dieser Erfindung wird eine Druckeigenspannung von 39 N/mm² (5 600 psi) eingebracht, wobei die stationäre Spannung an dem Auge bei der Auslegungsdrehzahl 32,6 N/mm² (4 700 psi) beträgt. Bei dieser stationären Spannung, in Fig. 6 als Punkt 8 bezeichnet, beträgt die erlaubte alternierende Spannung nun 168 N/mm² (24 200 psi), ein Anstieg um 12,6%.
Bei einer so komplexen Konfiguration wie einem Turbomaschinenlaufrad, können gewisse Stellen Druckspannungen während des Betriebs unterworfen sein. Solche Stellen können in der Praxis dieser Erfindung Zugeigenspannungen entwickeln. Gewöhnlich sind jedoch die stationären Spannungen an solchen Stellen nicht kritisch hoch. Ebenso sind die Zugeigenspannungen, die sich an solchen Stellen entwickeln, nicht groß, so daß beim Betrieb mit der Auslegungsdrehzahl die sich ergebende Betriebsspannung eine Druckspannung bleibt. Gemäß dem Goodman-Diagramm für 7175-T74-Aluminium in Fig. 6 ist die Ausfall-Linie für Druckspannungen flach, wie dies für duktile Materialien typisch ist. Somit wird typischerweise die Widerstandsfähigkeit des Laufrads gegen alternierende Spannung an jeder Stelle, die während der Praxis dieser Erfindung eine Zugeigenspannung entwickelt, nicht beeinflußt.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Fähigkeit eines Körpers (10), Spannung während Rotation zu widerstehen, indem an einer ausgewählten Stelle (24) in dem Körper tolerierbares Fließen und Druckeigenspannung induziert werden, wobei:

(a) der Körper bis zu einer Spitzendrehzahl gedreht wird, um an der ausgewählten Stelle (24) tolerierbares Fließen und Druckeigenspannung zu induzieren, dadurch gekennzeichnet, daß

(b) die ausgewählte Stelle (24) eine Stelle ist, die während der Rotation des Körpers (10) nicht die höchste lokale stationäre Zugspannung erfährt; und

(c) vor dem Verfahrensschritt (a) der Körper (10) mit einer Folge von zunehmenden Spitzendrehzahlen gedreht wird, um tolerierbares Fließen und Druckeigenspannung an jeder Stelle (26' 28) zu induzieren, die während der Rotation eine höhere stationäre Zugspannung als die ausgewählte Stelle (24) erfährt, wobei die Abfolge von der Stelle (26) mit der höchsten Spannung oberhalb deijenigen Spannung, die an der ausgewählten Stelle (24) auftritt, zu der Stelle (28) fortschreitet, welche die niedrigste Spannung oberhalb derjenigen Spannung auf\veist, die an der ausgewählten Stelle auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jede der dem Induzieren von Fließen dienenden Spitzendrehzahlen ein Fließen von 25 % oder weniger des Zugdehnungsvermögens des den Körper (10) bildenden Werkstoffs bewirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jede der dem Induzieren von Fließen dienenden Spitzendrehzahlen ein Fließen bewirkt, das zu einem Strecken von 1 % oder weniger in dem den Körper (10) bildenden Werkstoff führt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jede der dem Induzieren von Fließen dienenden Spitzendrehzahlen gleich der oder kleiner als die niedrigste der Drehzahlen ist, die ein Fließen von 25 % oder weniger des Zugdehnungsvermögens des den Körper (10) bildenden Werkstoffs bewirkt, und die ein Fließen bewirkt, das zu einem Strecken von 1 % in dem den Körper bildenden Werkstoff führt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Drehungen in einer Umgebung ausgeführt werden, in der ein Druck von etwa 13 Pa (0,1 mm Quecksilbersäule) oder weniger herrscht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach Drehen des Körpers (10) bis zu einer Spitzendrehzahl die Drehzahl auf eine Drehzahl gesenkt wird, die unter deijenigen liegt, die beim Hochfahren des Körpers auf die Spitzendrehzahl ein Fließen zu induzieren begann.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach Drehen des Körpers (10) bis zu einer Spitzendrehzahl die Drehzahl bis auf im wesentlichen eine Drehzahl von Null reduziert wird.

8. Laufrad, das entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 1 bearbeitet wurde.