DE69712014T2 - Faserverstärkte Turbomaschinestufe - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Turbotriebwerk-Rotorscheibe des Typs mit dünner Felge, die faserhaltige Verstärkungsringe aufweist, und insbesondere, aber nicht ausschließlich, solche Rotorscheiben, deren Schaufeln mit der Felge dieser Schaufeln nur einen einzigen, nicht herausnehmbaren Block bilden.
• Um die Kompressorrotoren der Turbotriebwerke von Luftfahrzeugen leichter zu machen und ihre Drehgeschwindigkeit zu erhöhen, verleiht man heute diesen Rotoren die Form einer dünner Felge, die durch faserhaltige Ringe verstärkt wird, und an deren Umfangslinie die Schaufeln sitzen.
• Mit einem solchen Aufbau konnten sehr hohe Drehgeschwindigkeiten erreicht werden, er hat jedoch zwei prinzipielle Nachteile:
• 1. Auf Grund der Dünne der Felge sind diese Rotoren sehr biegsam, und diese Biegsamkeit ist der Grund für Schwingungen, von denen die stärksten in radialen Richtungen verlaufen. Diese Schwingungen können mit 1d, 2d, 3d usw. stattfinden, d. h. bei 1d mit zwei Resonanzbäuchen, die einander diametral gegenüber liegen, bei Zd mit vier Resonanzbäuchen, die in einem Winkel von 90º zueinander stehen, bei 3d mit sechs Resonanzbäuchen die in einem Winkel von 60º zueinander stehen, usw. Solche Schwingungen können eine große Stärke erreichen. Sie bewirken eine vorzeitige Ermüdung des Werkstoffs des Rotors, was dessen Betriebsdauer verkürzt. Außerdem pflanzen sich diese Schwingungen über die Lager auch zum Turbomotor fort, was es erforderlich macht, diese Lager sowie den Aufbau des Turbomotors zu verstärken, mit wiederum eine Erhöhung von dessen Herstellungskosten und Gewicht verbunden ist.
• Dieses Phänomen wird noch dadurch verschärft, dass die Schaufeln am Umfang des Rotors sitzen. Diese Schaufeln stellen nämlich eine zusätzliche Werkstoffmasse dar, die nicht zur Steifigkeit des Rotors beiträgt, was ein Sinken der Resonanzfrequenzen des Rotors und eine entsprechende Erhöhung der Amplitude der Schwingungen zur Folge hat.
• Ein erstes Problem, das gelöst werden muss, besteht also darin, die Steifigkeit des Rotors zu erhöhen, ohne dadurch dessen Leistungen zu senken.
• 2. Die faserhaltigen Verstärkungsringe sind aus zwei Gründen sehr teuer: Zum ersten der hohe Preis für die verwendeten Fasern, die im Allgemeinen aus Siliziumkarbid bestehen; zum zweiten die Konstitution dieser faserhaltigen Ringe selbst, da die Fasern, deren Durchmesser in einer Größenordnung von 100 um liegt, sehr regelmäßig beabstandet in einer Metallmatrix, im Allgemeinen eine Titanlegierung Ta6V, angeordnet werden müssen. Es können zwei Kategorien faserhaltiger Verstärkungsringe unterschieden werden:
• In einer ersten Kategorie bestehen die faserhaltigen Verstärkungsringe aus gewickelten Fasern, die von dem Metall der Matrix beabstandet sind, wobei die Gesamtanordnung sodann durch ein Pressen oder ein Schmieden in der geometrischen Achse der Spiralen heißverdichtet wird. Diese Verstärkungsringe werden dann an dem Rotor festgeschweißt oder in dem Rotor angeordnet, der einem Arbeitsgang des Hochtemperatur-Pressens unterzogen wird, welcher dazu gedacht ist, den Rotor zu formen und die Ringe an den Werkstoff des Rotors zu schweißen.
• Derartige faserhaltigen Ringe haben im Allgemeinen einen rechtwinkeligen Querschnitt, dessen aneinandergrenzende Seiten sich in der Länge wenig unterscheiden. Die Zugfestigkeit bei Belastungen entlang des Außenumfangs ist sehr hoch, da in dieser Richtung die Fasern verlaufen, während die Zugfestigkeit bei radialen Belastungen gering ist, da diese quer zu dem Faserverlauf einwirken. Da die Ringe in axialer Richtung nur eine geringe Breite haben, halten sie einer radialen Krafteinwirkung, die die Tendenz hat, die Faserschichten zu trennen, nur schlecht stand. Solche Ringe werden daher gewöhnlich so angeordnet dass sie den Körper des Rotors einklemmen, d. h. am Außenumfang des Rotors, an seinen Seiten oder im Inneren des Rotors in der Nähe des Schwerpunkts des Querschnitts dieses Rotors.
• In einer zweiten Kategorie bestehen die faserhaltigen Verstärkungsringe aus übereinandergelegten Matrix-Metallbändern, die zylinderförmig eingerollt und jeweils mit parallel verlaufenden Verstärkungsfasern bedeckt werden, die auf den Umfängen der Bänderzylinder angeordnet werden. Sobald ein Rohling des Rotors mit einer zylindrischen Innenwand hergestellt ist, wird der Stapel Bänder und Fasern an dieser Innenwand angeordnet, und dann wird die Gesamtanordnung einem radialen, zentrifugalen Schmieden unterzogen, um die Bänder und die Fasern zu verdichten und die so hergestellte faserhaltige Masse auf die Innenwand des Rotors zu schweißen. Diese Lösung wird insofern für rationeller gehalten, als die Verstärkungsfasern mit ihr an der Innenwand des Rotors konzentriert werden können, welches der am stärksten durch die Zentrifugalkraft der Drehbewegung belastete Bereich ist. Außerdem entsteht bei dieser Lösung ein Verstärkungsring mit einem sehr länglichen rechtwinkeligen Querschnitt, der sich über die gesamte Breite des Rotors erstreckt. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass die Fasern vor dem Zentrifugalschmieden auf die Länge des Umfangs, den sie einnehmen, geschnitten werden müssen, damit sie während des radialen Zentrifugalschmiedens nicht brechen. Zwar sind diese Schnitte gleichmäßig verteilt, so dass sie sich nicht überlappen, dennoch bilden sie Ungleichmäßigkeiten, die den Rotor schwächen.
• Mit dieser Erfindung wird eine faserverstärkte Rotorscheibe mit dünner Felge vorgeschlagen, wobei die Felge eine verbesserte radiale Steifheit und ein geringeres Volumen an Verstärkungsfaser aufweist.
• Ein solcher Rotor ist darin bemerkenswert, dass er mindestens einen Verstärkungsring aufweist, dessen Höhe h in einer radialen Richtung mindestens das 1,5-Fache der Breite 1 dieses Rings in einer axialen Richtung beträgt, wobei dieser Ring über die Innenwand des Rotors um eine Strecke e hinausragt, die mindestens gleich einem Drittel seiner Höhe h ist; und dass dieser Ring sowohl mit seinem Umfang als auch mit seinen beiden Seiten an dem übrigen Rotor angeschweißt ist.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Höhe h mindestens das 1,8-Fache der Breite 1, und der Ring ragt um die Hälfte seiner Höhe h hinaus.
• Es ist nachzuvollziehen, dass durch die Vergrößerung des Verhältnisses h/l die Steifigkeit des Rings und damit die des Rotors steigt.
• Dieses vergrößerte Verhältnis h/l ermöglicht es auch, den Durchmesser des Verstärkungsrings zu verringern und ihn dergestalt anzuordnen, dass er über die Innenwand des Rotors hinausragt, was die folgenden Vorteile erbringt:
• 1. Das quadratische Moment des Querschnitts des Rotors wird verstärkt, und damit seine Steifigkeit.
• 2. Diese Steifigkeit wird noch dadurch verbessert, dass der Verstärkungsring sich in Abstand von dem geometrischen Schwerpunkt des Querschnitts des Rotors befindet, während das Elastizitätsmodul der mit SiC-Fasern verstärkten Werkstoffe mit ca. 220 000 MPa im Vergleich zu dem übrigen Werkstoff des Rotors, der im Fall von TA6Vca. 120 000 MPa beträgt, hoch ist.
• 3. Die Verstärkungsfasern sind in dem am stärksten belasteten Bereich des Rotors vorgesehen, d. h. im Bereich der Innenwand des Rotors.
• 4. Der Durchmesser des Verstärkungsrings ist klein, wodurch sich bei konstantem Querschnitt noch die Menge der verwendeten SiC-Fasern verringert, und damit die Kosten für den Rotor.
• Die Erfindung und ihre Vorteile gehen näher aus einem detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiel, einem Leistungsvergleich zwischen einem erfindungsgemäßen Rotor und einem herkömmlichen Rotor mit den gleichen Abmessungen, der als Bezugsgröße dient, sowie aus den beigefügten Figuren hervor, wobei
• Fig. 1 einen Schaufelrotor mit einer erfindungsgemäßen Rotorscheibe zeigt, wobei der Innenradius des Rotors verkürzt wurde, um den Platzbedarf der Darstellung zu verringern,
• Fig. 2 die erfindungsgemäße Rotorscheibe zeigt,
• Fig. 3 ein Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Rotorscheibe zeigt,
• Fig. 4 eine herkömmliche Rotorscheibe mit den gleichen Abmessungen wie die der Versuchs- Rotorscheibe zeigt.
• Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Rotorscheibe 1 hat eine allgemein um ihre geometrische Drehachse 2 umlaufende Form und weist eine Felge 3 auf, an deren Umfangslinie 4 mehrere Schaufeln 5 sitzen, die sich radial nach außen erstrecken.
• Die Felge 3 weist an ihren Seiten 6 und 7 zwei Flansche 8 bzw. 9 auf, die durch Verschrauben, Elektronenstrahl-Schweißen oder ein beliebiges anderes Mittel an den angrenzenden Rotorscheiben 10 bzw. 11 befestigt sind. Diese Gesamtanordnung dreht sich im Inneren eines Gehäuses 12, das zwei feststehende Leitschaufelstufen 13 und 14 zu beiden Seiten der drehenden Schaufeln 5 trägt, um die geometrische Drehachse 2. Erfindungsgemäß ist die Felge 3 durch die faserhaltigen Ringe 15 verstärkt.
• Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Felge 3 besteht aus einem ersten Teil 20 mit rechtwinkeligem Querschnitt aus einer Titanlegierung TA6V sowie aus zwei Verstärkungsringen 15 aus einem Verbundwerkstoff mit Siliziumkarbid-Fasern SiC, die in eine Matrix aus einer Titanlegierung Ta6V versenkt sind. Mit der Bezugszahl 22 wird die Innenwand des Metallteils 20 dieser Felge 3 bezeichnet. Die Innenwand 22 und die Umfangslinie 4 sind zylinderförmig.
• Die Verstärkungsringe 15 sind auf der geometrische Achse 2 zentriert und weisen einen rechtwinkeligen Querschnitt mit einer Höhe h und einer Breite 1 in einer radialen Richtung bzw. einer axialen Richtung auf. Ein Teil 15a der Verstärkungsringe 15 ragt um eine Strecke e in einer zur Achse 2 radialen Richtung und zu dieser Achse 2 hin verlaufend über die Innenwand 22 hinaus. Unter dem Begriff "hinausragen" versteht man, dass die Innenwand 22 sich beiderseits der Verstärkungsringe 15 erstreckt und dass der Innenumfang dieser Ringe 15 sich näher an der Achse 2 befindet als die Wand 2 im Bereich der Ringe 15.
• Mit d wird der Durchmesser der Innenwand 22 bezeichnet. Eine ausreichende, aber nicht kritische Menge an Werkstoff wird zwischen der Umfangslinie 15b der Verstärkungsringe 15 und der Umfangslinie 4 der Felge 3 gelassen. Die Verstärkungsringe 15 werden mit ihrer Umfangslinie 15b sowie mit ihre beiden 15c über eine Höhe von h-e an das Metallteil 20 der Felge 3 geschweißt, so dass die Belastungen, die von dem Metallteil 20 der Felge 3 auf die Verstärkungsringe 15 ausgeübt werden, auf die größtmögliche Fläche verteilt werden und damit die Belastungen, die auf das Metallteil 20 im Bereich der Flächen 15b und 15c ausgeübt werden, reduziert werden.
• Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. Die Gesamtanordnung, die aus der Felge 3 mit den Ringen 15 besteht und von den Schaufeln 5 umgeben ist, ist in gestrichelten Linien dargestellt und folgendermaßen ausgeführt:
• a) Herstellung eines Rohlings 25 mit einer Überdicke 25a gegenüber dieser Gesamtanordnung, wobei dieser Rohling 25 eine Innenbohrung 26 aufweist, die sich seitlich zu einer Seite hin und in radialer Richtung zur geometrischen Achse 2 hin öffnet und an der anderen Seite durch einen inneren Absatz 27 begrenzt ist;
• b) Herstellung von zwei faserhaltigen Ringen 15 gemäß dem oben als Stand der Technik genannten Verfahren, wobei diese Ringe nach außen eine Überdicke 28a aufweisen, die im wesentlichen der Überdicke 25a gleicht;
• c) Herstellung von zwei Abstandshaltern 29 aus dem Werkstoff des Metallteils des Rotors;
• d) Nacheinander erfolgendes Einführen eines ersten faserhaltigen Rings 15. eines Abstandshalters 29 eines zweiten faserhaltigen Rings 15. und eines zweiten Abstandshalters 29 in die Bohrung 261 um die Bohrung 26 bis zum Rand dieser Bohrung 26 vollkommen zu füllen;
• e) Einsetzen der so hergestellten Gesamtanordnung des Rohlings 25 + Ring 15 + Abstandshalter 29 in einen Vakuumbehälter 30;
• f) isostatisches Pressen des so hergestellten Ganzen im Autoklaven bei der Temperatur des Isothermschmiedens der Metalllegierung der Felge 3. Mit diesem Vorgang kann durch Diffusion von Werkstoff zwischen dem Rohling 25, den Verstärkungsringen 15 und den Abstandshaltern 29 zusammengeschweißt werden.
• g) Bearbeitung der durch die Ringe h5 verstärkten Felge 3 sowie der Schaufeln 5.
• Es wird erneut auf Fig. 2 Bezug genommen. In diesem Beispiel bestehen die Ringe 15 aus Siliziumkarbid-Fasern SiC, die in eine Matrix aus einer Titanlegierung Ta6V versenkt sind. Das Übrige des Rotors besteht aus Titanlegierung Ta6V. Die Verstärkungsringe 15 haben ein Verhältnis h/l = 2 und ragen um eine Strecke wie z. B. e/h = 0,5 über die Innenwand 22 hinaus. Die Ringe 15 haben eine Länge 1 = 3,25 mm und eine Höhe h = 615 mm. Der Metallteil 20 der Felge 3 hat einen rechtwinkeligen Querschnitt, dessen zwischen den Seiten 6 und 7 abgenommene Länge 16 mm beträgt, dessen zwischen den Wänden 22 und 4 abgenommene Höhe 4,5 mm beträgt, während der Innendurchmesser der Wand 22d = 93 mm beträgt.
• Bei 400ºC kann das Ta6V einer maximalen Belastung σ&sub2; = 60·10&sup7; Pa standhalten, während die Verstärkungsringe, die aus Siliziumkarbid-Fasern SiC bestehen, die in eine Matrix aus Ta6V versenkt sind, nur einer maximalen tangentialen Belastung in der Richtung der Fasern von σ&sub2; = 95·10&sup7; Pa und einer maximalen radialen Belastung in Querrichtung zu den Fasern von σ&sub3; = 20·10&sup7; Pa standhalten können.
• Bei dem erfindungsgemäßen Rotor wird die maximale Belastung von σ&sub2; = 95·10&sup7; Pa in dem über die Innenwand 22 hinausragenden Teil 15a der Verstärkungsringe 15 erreicht, während die maximale Belastung von σ&sub1; = 48·10&sup7; Pa an der Umfangslinie 15b der Ringe 15 und an den Seiten 15c dieser Ringe 15 in der Dicke des Metallteils 20 der Felge 3 erreicht wird, und zwar bei einer Drehgeschwindigkeit von θ = 28350 U/mm. In dem Metallteil 20 der Felge 3 sinkt die Belastung σ&sub1; sehr rasch nach Maßgabe des Abstands von den Wänden 15b und 15c. In den Verstärkungsringen 15 ist die radiale Belastung an der Umfangslinie 15b maximal und erreicht einen Wert σ&sub3; = 7,8·10&sup7; Pa, der noch unter der Toleranzgrenze bleibt, im Gegensatz dazu, was die herausragende Anordnung der Verstärkungsringe befürchten ließ. Die anderen Belastungen bleiben unterhalb der oben genannten Toleranzgrenzen.
• Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, die eine herkömmliche Rotorscheibe mit den gleichen Abmessungen wie die der Versuchs-Rotorscheibe zeigt. Die Felge 3 und die Schaufeln 5 sind die gleichen wie in dem vorherigen Beispiel, außer, dass die Verstärkungsringe durch einen einzigen Ring 35 mit rechtwinkeligem Querschnitt ersetzt werden, welcher sich von einer Seite 6 zur anderen Seite 7 der Felge 3 erstreckt, wobei dieser Ring 35 innen durch die Wand 35a begrenzt wird und eine Höhe h = 3 mm hat; Es ist zu bemerken, dass die Dicke des Werkstoffs zwischen der Umfangslinie 4 der Felge 3 und der Umfangslinie 35b des Verstärkungsrings 35 gleich bleibt. Mit einem solchen Ring wird eine maximale Belastung von σ&sub2; = 95·10&sup7; Pa zu der Innenwand 35a hin erreicht, und eine maximale Belastung von σ&sub1; = 52·10&sup7; Pa wird in dem Metallteil 20 der Felge 3 zu der Umfangslinie 35b des Rings 35 hin erreicht, und zwar bei einer Drehgeschwindigkeit von θ = 27400 U/mm. Die Belastung σ&sub1; sinkt sehr rasch, wenn man sich der Umfangslinie 4 der Felge 3 annähert.
• Der Leistungsvergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Rotor und einem Bezugsrotor mit den gleichen Abmessungen zeigt, dass diese Erfindung für die beiden sich stellenden Probleme eine Lösung schafft:
• a) Verringerung der Menge des faserhaltigen Werkstoffs, aus dem die Ringe 15 bestehen, gegenüber einem einzigen Ring 35: das sind 11% auf den Querschnitt bezogen und 15% auf das Volumen bezogen,
• b) Erhöhung der Grenz-Drehgeschwindigkeit,
• c) Verbesserung der Steifigkeit der Felge.
• Aus diesem Vergleich geht ein weiterer Vorteil hervor: Bei konstanter Geschwindigkeit ermöglicht es die Erfindung = die Belastungen im Rotor zu verringern und dadurch dessen Betriebszeit zu erhöhen und/oder dessen Masse zu verringern.
• Diese Erfindung ist jedoch nicht auf das soeben beschriebene Beispiel beschränkt, sondern deckt die Varianten ab, die an ihm vorgenommen werden können, ohne den Rahmen oder den Gedanken der Erfindung zu verlassen:
• Das vorgeführte Ausführungsbeispiel ist das eines Versuchsrotors mit vereinfachten Formen, der gewöhnlich verwendet wird, um unter Standardbedingungen Versuche mit einer neuen Technologie zu machen und Vergleiche mit bekannten Technologien durchzuführen. Durch die Anordnung eines oder mehrerer über die Innenwand eines erfindungsgemäßen Rotors hinausragenden Verstärkungsringe können die Leistungen des Rotors mit verschiedenen formen verbessert werden, wobei sich jedoch die Verteilungen der Belastungen je nach der Form ein wenig unterschieden können.
• Der Rotor kann einen einzigen Verstärkungsring 15 oder aber mehr als zwei Ringe aufweisen. Dabeibleibt die Lösung mit zwei Ringen jedoch die bevorzugte, da sie den besten Kompromiss zwischen der Steifigkeit der Felge und der Menge an verwendetem faserhaltigen Werkstoff darstellt.
• In allen Fällen wird der Rotor hergestellt, indem in der Bohrung 26 an dem Absatz 27 abwechselnd und in gleichen Anzahlen ein vorgefertigter faserhaltige Ring 15 und ein Abstandshalter 29 gestapelt wird, wobei man mit einem Ring 15 beginnt und mit einem Abstandshalter 29 endet.
• Bei einer Ausführungsvariante wird der Absatz 27 fortgelassen und durch einen zusätzlichen Abstandshalter 29 ersetzt.

Claims (2)

1. Faserverstärkte Rotorscheibe eines Turbotriebwerks, wobei diese Rotorscheibe (1) insbesondere eine dünne Felge (3) aufweist, an deren Umfangslinie (4) mehrere Schaufeln (5) angeordnet sind, wobei diese Felge (3) einen Teil (20) aus Metalllegierung und mindestens einen faserhaltigen Verstärkungsring(15) aufweist, dessen Fasern in Kreislinien angeordnet, die auf die geometrische Rotationsachse (2) der Rotorscheibe (1) zentriert sind,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Höhe h der Verstärkungsringe (15) mindestens das 1,5-Fache ihrer Breite 1 beträgt, und dass diese Ringe über die Innenwand (22) der Felge (3) um eine Strecke e hinausragen, die mindestens gleich einem Drittel der Höhe h ist, und dass jeder Ring (15) mit seinem Umfang (15b) und seinen beiden Seiten (15b) an dem Metallteil (20) der Felge (3) angeschweißt ist.

2. Verfahren zur Herstellung einer Rotorscheibe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass es insbesondere die folgenden Arbeitsschritte umfasst:

a) Herstellung eines Rohlings (25) mit einer Innenbohrung (26), die sich seitlich zu einer Seite hin und in radialer Richtung zur geometrischen Achse (2) hin öffnet,

b) abwechselndes Anordnen von vorgefertigten faserhaltigen Ringen (15) und von Abstandshaltern (29) in der Bohrung (26),

c) Einsetzen in Vakuumbehälter (30) und isostatisches Pressen im Autoklaven bei der Temperatur des Isothermschmiedens der Metalllegierung der Felge,

d) Bearbeitung der Felge (3) und der Schaufeln (5).