EP3997309A1 - Triebwerksbauteil mit modifikationsbereich zur beeinflussung einer rissausbreitung und herstellungsverfahren - Google Patents

Triebwerksbauteil mit modifikationsbereich zur beeinflussung einer rissausbreitung und herstellungsverfahren

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EP3997309A1
EP3997309A1 EP20736606.3A EP20736606A EP3997309A1 EP 3997309 A1 EP3997309 A1 EP 3997309A1 EP 20736606 A EP20736606 A EP 20736606A EP 3997309 A1 EP3997309 A1 EP 3997309A1
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EP
European Patent Office
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engine component
engine
zone
blade
modification area
Prior art date
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Pending
Application number
EP20736606.3A
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English (en)
French (fr)
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Sven Klaus Spanrad
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the proposed solution relates to an engine component for an engine, in particular a gas turbine engine for an aircraft, as well as a method for producing an engine component.
  • Components with different loads are used in an engine.
  • engine components are provided which are exposed to comparatively complex dynamic loads when the engine is in operation.
  • Corresponding engine components are, for example, rotors for a compressor or a turbine.
  • a crack that occurs does not spread in an uncontrolled manner in the engine component and in particular in a stress zone classified as critical.
  • a stress zone classified as critical can lead to parts of the engine component tearing off in an uncontrolled manner and causing critical errors within the engine or the respective engine component failing completely in such a way that the engine itself fails.
  • EP 3 480 430 A1 provides for a rotor as an engine component to provide different material or layer thicknesses on a rotor blade of the rotor in order to define a defined crack edge at a transition between different thick sections along which a crack that develops on the rotor blade spreads should. This is intended to ensure that at most a defined upper part of the rotor blade tears off in the event of failure, but that a crack that occurs does not spread into a blade carrier of the rotor that carries the rotor blade.
  • EP 3 480 430 A1 different first and second load zones are defined, each of which is designed to be adapted to the dynamic loads that occur, but with different material or layer thicknesses to ensure that a crack that may develop during operation of the engine will develop the rotor blade is not prepared within a load zone that is considered to be critical in the area of the transition from the rotor blade to the blade carrier.
  • the solution known from EP 3 480 430 A1 is, however, associated with not inconsiderable additional material costs and increased weight. In addition, this can result in losses in the efficiency and thus in the performance of the engine, e.g. due to flow losses and / or turbulence.
  • the proposed solution is based on the object of providing an engine component and an improved manufacturing method which are improved in this regard.
  • At least one spatially delimited modification area with internal tensile stress is formed, via which a crack spreading in the engine component - to avoid crack propagation in a first stress zone - is directed to and / or within a second stress zone.
  • the proposed solution is thus based on the one hand on the basic idea that at least one first load zone and at least one spatially spaced second load zone are provided on the engine component.
  • the first and second load zones can each be designed (adapted) for dynamic loads occurring on the engine component when the engine component is properly installed in an engine and when the engine is in operation.
  • a modification area with defined internal tensile stresses (so-called positive internal stresses) is formed, via which crack propagation is specifically guided in one of these stress zones or to one of these stress zones, here the second stress zone.
  • positive internal stresses any crack that may arise on the engine component should be prevented from spreading into the one (first) stress zone, for example, which is classified as critical.
  • the internal tensile stresses that have already been introduced can be used to superimpose the stresses present at the crack tip and the internal tensile stresses so that a preferred direction for further crack propagation on the engine component can be predefined.
  • the internal tensile stresses introduced in a targeted manner border, for example, internal compressive stresses and adjoin them and were introduced into the engine component through material processing and / or heat input.
  • Crack propagation outside the first load zone can be conducted via the modification area with the internal tensile stresses introduced.
  • the engine component is designed at least in the first load zone for the dynamic loads occurring when the engine component is properly installed in an engine and during operation of the engine with a surface contour adapted to the dynamic loads occurring. This includes, for example, that a surface in the first load zone is at least partially wavy, in particular concave and / or convexly arched, in order to counteract vibration-induced load peaks occurring during operation on the engine component in the first load zone.
  • a targeted hub contouring in a transition area of a blade integrally formed on a blade carrier is possible.
  • a correspondingly adapted surface contour in this transition area can easily be combined with the proposed solution, in which outside or even within this adapted surface contour residual tensile stresses can be introduced specifically for a modification area in order to guide any cracks that may arise out of the first load zone or one outside the The first load end zone caused crack to continue to keep outside the first load zone.
  • the proposed solution can thus be combined in particular with what is known as “hub contouring”.
  • an internal tensile stress of the at least one modification area can be introduced into the engine component by mechanical processing of a material forming the engine component and / or by heat input.
  • Mechanical processing is understood to mean, in particular, a mechanical surface treatment, such as, for example, deep cold rolling or blasting, here in particular shot peening (English: “shoot peening”) and laser shock peening (English: “laser shock peening”) .
  • the at least one modification area with specifically introduced internal tensile stresses can be provided in the second loading zone, in particular it can be provided completely in the second loading zone. If the modification area is provided completely in the second stress zone, any crack that may arise can be retained above this, especially specifically outside the first stress zone, and can thus be conducted within the second stress zone. Accordingly, in a further development based on this, the at least one modification area can also be provided on the engine component and run at a distance from the first load zone.
  • Sections of the modification area with internal tensile stresses introduced can in principle follow a predetermined course on a surface of the engine component. This includes, for example, that sections of the modification area with introduced residual tensile stresses follow one another along a line. For example, adjacent sections with residual tensile stresses are provided on the engine component following a predetermined line, in particular following a line that runs completely in the second load zone.
  • the engine component comprises a blade carrier with rotor blades arranged on it.
  • the engine component can comprise a blade carrier manufactured in a blisk or bling design with rotor blades integrally formed thereon.
  • the blade carrier is thus, for example, disc-shaped or ring-shaped and has rotor blades which are formed integrally on the blade carrier and which follow one another along a circumferential direction about an axis of rotation of the blade carrier.
  • the first load zone and the second load zone can be provided on at least one of the rotor blades in the case of an engine component comprising a blade carrier.
  • the first load zone in this case lies radially further inward than the second load zone, based on an axis of rotation of the blade carrier.
  • the first load zone is thus provided closer to the blade carrier or, in relation to a platform of the blade carrier (possibly circumferentially circumferential) from which the plurality of rotor blades extend radially outward, closer to the platform.
  • the second loading zone is thus in turn closer to a blade tip of the respective moving blade than the first loading zone.
  • the second loading zone can comprise, for example, a large part of an airfoil of the moving blade and / or in particular the blade tip of the moving blade.
  • One proposed embodiment variant aims, for example, above all at preventing the spread of cracks in a first load zone of the rotor blade near the disk and thus preventing the spread of cracks in the blade carrier. This can be particularly advantageous in the case of a blisk or a bling in order to avoid critical failure of the (entire) engine component.
  • the at least one modification area is provided on a rotor blade at a predetermined distance from a platform of the blade carrier, from which the rotor blade extends radially outward with respect to an axis of rotation of the blade carrier.
  • the at least one modification area can run along the blade at the predetermined distance from the platform of the blade carrier.
  • the modification area is provided at a distance from the platform that is in the range from 2.5 mm to 9 mm.
  • the distance can be in a range from 3.0 mm to 7.5 mm.
  • the respective distance can vary in particular as a function of the material and the dimensions of the rotor blade.
  • the at least one modification area is provided in a specific area of an airfoil.
  • the at least one modification region is provided in a lower third of the rotor blade close to the platform, ie in particular in the region of a lower end of an airfoil of the rotor blade.
  • the blade length extends from the platform of the blade carrier to a blade tip of the blade and the at least one modification area is provided in a lower, platform-near area of the blade that extends over a maximum of 20%, extends a maximum of 15% or a maximum of 10% of the blade length.
  • the lower area can include a lower end of an airfoil of the rotor blade with which the rotor blade is in contact with the platform of the blade carrier, in particular with which the rotor blade merges into the blade carrier when the rotor blade is formed integrally with the blade carrier is.
  • the proposed solution also covers an engine with at least one embodiment variant of a proposed engine component. In particular, it can be an engine for an aircraft. In such an engine, an engine component configured as proposed and dynamically loaded during operation can be part of a rotor in a compressor or in a turbine of the engine, for example.
  • Another aspect of the proposed solution relates to a manufacturing method for manufacturing an engine component.
  • At least one first load zone for dynamic loads occurring on the engine component when the engine is properly installed in an engine and when the engine is in operation on the engine component, for example with an adapted surface contour in the first load zone
  • a second load zone is provided on the engine component at a spatial distance from the first load zone and is designed for dynamic loads occurring on the engine component when the engine component is properly installed in an engine and when the engine is in operation.
  • At least one spatially delimited modification area with internal tensile stress is formed on the engine component, via which a crack spreading in the engine component - to avoid crack propagation in the first stress zone - is directed to and / or within the second stress zone.
  • Internal tensile stresses to form the modification area can be introduced into the engine component, for example, by heat treatment and / or surface treatment.
  • a surface treatment includes, for example, in particular a mechanical surface treatment, such as blasting, here in particular shot peening or laser shock peening.
  • internal tensile stresses can be introduced in a targeted manner by (local) deep rolling of the engine component.
  • the internal tensile stresses on a surface of the engine component are introduced along a line in order to guide crack propagation along this line.
  • the engine component to be produced comprises a rotor and the modification area with the internal tensile stresses is provided in the area of at least one rotor blade, here in particular in a lower third of the rotor blade.
  • a proposed production method is particularly suitable for the production of a proposed engine component. Accordingly, the advantages and features of design variants of a proposed engine component explained above and below also apply to design variants of a proposed manufacturing method and vice versa.
  • FIG. 1 shows a section and a perspective view of a blisk with a view of a single rotor blade (of several identical rotor blades) showing an exemplary stress distribution for the dynamic loads occurring during operation and a crack beginning on a leading edge of the rotor blade that extends over a modification area has spread toward a trailing edge of the blade;
  • FIG. 2 shows a section and on an enlarged scale, the blisk with the individual rotor blade of FIG. 1, illustrating different stress zones in the lower third of a blade of the rotor blade;
  • FIG. 3 shows schematically and in a side view the rotor blade of FIGS. 1 and
  • FIG. 4 shows exemplary curves of internal stresses introduced in a modification area according to FIG. 1 and FIG. 3 transversely to the surface;
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of a (gas turbine) engine in which variant embodiments of the proposed solution can be used;
  • FIG. 5 illustrates schematically and in a sectional view an engine T in the form of a turbofan engine, in which the individual engine components are arranged one behind the other along an axis of rotation or central axis M.
  • a fan F At an inlet or intake E of the engine T, air is sucked in along an inlet direction R by means of a fan F.
  • This fan F which is arranged in a fan housing FC, is driven via a core or rotor shaft S which is set in rotation by a turbine TT of the engine T.
  • the turbine TT is connected to a compressor V, which has, for example, a low-pressure compressor 11 and a high-pressure compressor 12, and possibly also a medium-pressure compressor.
  • the fan F supplies air to the compressor V on the one hand and a secondary flow duct or bypass duct B on the other hand to generate the thrust.
  • the bypass duct B runs around a core engine which includes the compressor V and the turbine TT and which includes a primary flow channel for the air supplied to the core engine by the fan F.
  • the air conveyed into the primary flow duct via the compressor V reaches a combustion chamber section BK of the core engine, in which the drive energy for driving the turbine TT is generated.
  • the turbine TT has a high pressure turbine 13, a medium pressure turbine 14 and a low pressure turbine 15 for this purpose.
  • the turbine TT uses the energy released during the combustion to drive the rotor shaft S, which carries a rotor, and thus the fan F, in order to generate the required thrust via the air conveyed into the bypass duct B.
  • Both the air from the bypass duct B and the exhaust gases from the primary flow duct of the core engine flow out via an outlet A at the end of the engine T.
  • the Outlet A usually has a thrust nozzle with a centrally arranged outlet cone C.
  • the fan F can also be coupled to and driven by the low-pressure turbine 15 via a connecting shaft and an epicyclic planetary gear.
  • gas turbine engines can also be provided in which the proposed solution can be used.
  • such engines can have an alternative number of compressors and / or turbines and / or an alternative number of connecting shafts.
  • the engine may have a split flow nozzle, meaning that the flow through bypass duct B has its own nozzle that is separate from the engine core nozzle and is radially outward.
  • any aspect of the present disclosure may also apply to engines in which the flow through the bypass duct B and the flow through the core are mixed in front of (or upstream) a single nozzle, which can be referred to as a mixed flow nozzle or combined.
  • a mixed flow nozzle or combined can have a fixed or variable range.
  • the example described relates to a turbo engine, the proposed solution can be applied to any type of gas turbine engine, such as e.g. B. in an open rotor (in which the fan stage is not surrounded by an engine nacelle) or a turboprop engine.
  • a mixer 20 as part of a mixer assembly 2 is provided in the area of outlet A, in particular to reduce noise.
  • a first fluid flow f1 from the primary flow duct which leaves the core engine behind the low-pressure turbine 15, and a second fluid flow f2 from the bypass duct B are mixed.
  • parts of the first (primary) fluid flow f1 from the core engine and the second (secondary) fluid flow f2 from the bypass duct B are directed inwards alternately via a flower-shaped or meander-shaped contour of the mixer 20.
  • hot and cold flow zones are generated in segments and the two fluid flows f1 and f2 are mixed.
  • the turbulence that occurs during mixing reduces low-frequency noise and amplifies higher-frequency noise in order to lower the audible noise level as a result.
  • different engine components are used which are subject to complex dynamic loads during the operation of the engine T. This applies in particular to rotors that have quasi-static LCF loads (resulting from the peripheral speed of the engine component, with high amplitudes and long holding times) and HCF loads (resulting from the excitation of a particular engine component by a fluid flow, with lower amplitudes, however high number of cycles and thus high frequency and high cycle). This results in a complex, superimposed field of tension.
  • At least one spatially delimited modification area with deliberately introduced internal tensile stresses is formed on an engine component, so that a crack that is created can propagate along the internal tensile stresses, the crack propagation over the course of the internal tensile stresses is guided in such a way that a crack does not grow in a certain stress zone or at least does not grow easily into a certain stress zone.
  • FIG. 6 shows an example of a blisk 3 as an engine component on which the proposed solution is used.
  • the blisk 3 here comprises a blade carrier 30 with rotor blades 31 formed integrally thereon.
  • the blisk 3 thus defines an integral blade-disk rotor which is arranged, for example, in the fan F, the compressor V or the turbine TT of the engine T.
  • FIG. 1 shows a detail of an embodiment variant of the proposed solution with the blisk 3.
  • rotor blades 31 are integrally formed in a circumferential direction around an axis of rotation of the blisk 3, each of which is radially relative to the axis of rotation extend outwards.
  • FIG. 1 shows one of these rotor blades 31 as an example.
  • the illustrated rotor blade 31 has a blade length L which is measured from a platform 300 of the blade carrier 30, on which the rotor blade 31 is formed, to a blade tip.
  • the rotor blade 31 extends along this blade length L with an airfoil 310 which forms a leading edge 31a (located upstream during operation of the engine) with a trailing edge 31b (located downstream) of the rotating blade 31.
  • the airfoil 310 is subjected to a stress distribution 31s due to dynamically occurring loads.
  • these dynamic loads in particular influence the growth of a crack 4 that may arise on the rotor blade 31 and in particular on the record sheet 310.
  • FIG. 1 shows a crack 4 beginning in the lower third of the leading edge 31a, which has spread in the direction of the trailing edge 31b.
  • a first load zone 33 lies in a lower third of the rotor blade 31 and comprises in particular a transition area 32 with a so-called “fillet”, at which the rotor blade 31 merges into the platform 300 and thus into the blade carrier 30 with which the rotor blade 31 is integrally formed . If the crack 4 were to spread into this first load zone 33 and, via this, even into the blade carrier 30, a highly critical failure of the blisk 3 during the operation of the engine T can result.
  • the first load zone 33 which on the one hand includes the transition area 32 and typically extends over an area of the blade 310 that spans less than 20%, in particular less than 15% and in particular less than 10% of the total blade length L, is classified as critical.
  • the second load zone 35 which is classified as uncritical, lies radially spaced from the first load zone 33.
  • This second load zone 35 spans the remainder of the airfoil 310 and mostly comprises in particular the blade tip.
  • the propagation of cracks in this second stress zone 35 can be tolerated since, even in the event of a forced rupture, there is no risk of complete failure of the entire blisk 3, but rather only the blade 31 tears off. If it can now be achieved in a targeted manner that, in the worst case, when a crack 4 occurs, the blade 31 breaks off and this only with a limited length, this not only has a positive effect on operational safety. Rather, a housing that accommodates the blisk 3 can also be designed to be lighter, since this housing can be designed primarily for (smaller) pieces of the blade 310 that are torn off in terms of its absorption capacity.
  • a modification area 34 is formed, via which a spreading crack 4 is specifically kept outside the first stress zone 33 and the crack propagation as long as possible in the second stress zone 35 is performed.
  • the modification area 34 extends here as an example linearly between the leading edge 31a and the trailing edge 31b, here over a large part of the width of the blade 310.
  • a dividing line between the two stress zones 33 and 35 does not run in a straight line from the leading edge 31a to the trailing edge 31b. Rather, there is a curved or even wavy dividing line in the present case.
  • the first load zone 33 close to the platform can also be provided with an optimized surface contour and thus with additional elevations and depressions in order to avoid stress peaks in the transition area 32 when LCF and HCF loads overlap.
  • the modification region 34 extends at a defined distance Y from the platform 300 of the vane carrier 30 in a lower third of the vane space 310.
  • the modification area 34 with the deliberately introduced internal tensile stresses is thus located radially further out than a contour or dividing line 320 which defines a (virtual) boundary between the first and second stress zones 33 and 35.
  • the distance Y which determines the position of the motivation area 34, is in the range from 3.0 mm to 7.5 mm.
  • the so-called “fillet” of the blisk 3, toward which the propagation of a crack 4 is to be avoided, then lies radially inward with respect to the contour line 320.
  • a voltage is plotted against a parameter X, which is a measure of the extent transversely to the surface of the airfoil 310. It can be seen from the curves shown in FIG. 4 that there is a central internal compressive stress 34.3, which is bordered on both sides by (positive) internal tensile stresses 34.1, 34.2.
  • a stress field with positive internal tensile stresses 34.1 and 34.2 is therefore introduced into the surface of the rotor blade 31 at the modification area 34, so that a crack that occurs will preferably propagate along the course of an internal tensile stress 34.1, 34.2.
  • a mechanical surface treatment can be provided, for example.
  • a corresponding course can be implemented by shot peening or laser shock peening or by deep rolling.
  • a localized heat treatment can be provided for the generation of local internal tensile stresses (possibly without or significantly reduced compressive internal stresses compared to the variant in FIG. 4).

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Abstract

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Triebwerksbauteil (3), mit wenigstens einer ersten Belastungszone (33), die für im bestimmungsgemäß eingebauten Zustand des Triebwerksbauteils (3) in ein Triebwerk (T) und im Betrieb des Triebwerks (T) an dem Triebwerksbauteil (3) auftretende dynamische Belastungen ausgebildet ist, und einer zweiten Belastungszone (35), die zu der ersten Belastungszone (33) räumlich beabstandet an dem Triebwerksbauteil (3) vorgesehen ist und ebenfalls für im bestimmungsgemäß in ein Triebwerk (T) eingebauten Zustand des Triebwerksbauteils (3) und im Betrieb des Triebwerks (T) an dem Triebwerksbauteil (3) auftretende dynamische Belastungen ausgebildet ist. Es ist insbesondere vorgeschlagen, dass an dem Triebwerksbauteil (3) mindestens ein räumlich abgegrenzter Modifikationsbereich (34) mit eingebrachter Zugeigenspannung (34.1, 34.2) ausgebildet ist, über den ein sich in dem Triebwerksbauteil (3) ausbreitender Riss (4) zu der und/oder innerhalb der zweiten Belastungszone (35) geleitet wird.

Description

Triebwerksbauteil mit Modifikationsbereich zur Beeinflussung einer
Rissausbreitung und Herstellungsverfahren
Beschreibung
Die vorgeschlagene Lösung betrifft ein Triebwerksbauteil für ein Triebwerk, insbesondere ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Triebwerksbauteils.
In einem Triebwerk kommen unterschiedlich belastete Bauteile zum Einsatz. Insbesondere im Bereich eines Fans, eines Verdichters und einer Turbine des Triebwerks sind Triebwerksbauteile vorgesehen, die im Betrieb des Triebwerks vergleichsweise komplexen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Hierunter fallen insbesondere Triebwerksbauteile, bei denen sich im Betrieb des Triebwerks quasi statische Belastungen und hochfrequente und hochzyklische Belastungen überlagern. Hierbei handelt es sich um Belastungen die die Kurzzeitschwingfestigkeit (englisch:„low cycle fatigue“, LCF) und die Zeitschwingfestigkeit (englisch;„high cycle fatigue“, HCF) betreffen. Entsprechende Triebwerksbauteile sind beispielsweise Rotoren für einen Verdichter oder eine Turbine.
Bei derartigen, dynamisch belasteten Triebwerksbauteilen sind auftretende Beschädigungen an dem Triebwerksbauteil nur schwer vorherzusagen. Es ist jedoch gerade in diesem Zusammenhang wünschenswert, dass sich z.B. ein entstehender Riss nicht unkontrolliert in dem Triebwerksbauteil und insbesondere in eine als kritisch eingestufte Belastungszone ausgebreitet. So kann beispielsweise eine ungehinderte und unkontrollierte Rissausbreitung in einer als kritisch eingestuften Belastungszone dazu führen, dass unkontrolliert Teile des Triebwerksbauteils abreißen und innerhalb des Triebwerks kritische Fehler verursachen oder das jeweilige Triebwerksbauteil komplett derart versagt, dass das Triebwerk selbst versagt.
Die EP 3 480 430 A1 sieht für einen Rotor als Triebwerkbauteil vor, an einer Laufschaufel des Rotors unterschiedliche Material- oder Schichtdicken vorzusehen, um an einem Übergang zwischen unterschiedlichen dicken Abschnitten eine definierte Risskante zu definieren, entlang der sich ein entstehender Riss an der Laufschaufel ausbreiten sollen. Hierdurch soll erreicht werden, dass allenfalls ein definierter oberer Teil der Laufschaufel im Versagensfall abreißt, sich ein entstehender Riss jedoch nicht bis in einen die Laufschaufel tragenden Schaufelträger des Rotors ausbreitet. In der EP 3 480 430 A1 werden somit unterschiedliche erste und zweiten Belastungszonen definiert, die jeweils für auftretende dynamische Belastungen angepasst ausgebildet sind, wobei über unterschiedliche Material- oder Schichtdicken aber gewährleistet werden soll, dass sich ein im Betrieb des Triebwerks unter Umständen bildender Riss an der Laufschaufel nicht innerhalb einer als kritisch betrachteten Belastungszone im Bereich des Übergangs der Laufschaufel zu dem Schaufelträger ausbereitet. Die aus der EP 3 480 430 A1 bekannte Lösungen ist jedoch mit nicht unerheblichen zusätzlichen Material kosten und einem erhöhten Gewicht verbunden. Zudem können sich hierdurch Verluste beim Wirkungsgrad und damit der Leistung des Triebwerks, z.B. durch Strömungsverluste und/oder Verwirbelungen ergeben.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorgeschlagenen Lösung die Aufgabe zugrunde, ein in dieser Hinsicht verbessertes Triebwerksbauteil und ein verbessertes Herstellungsverfahren bereitzustellen.
Diese Aufgabe ist mit einem Triebwerksbauteil des Anspruchs 1 und mit einem Herstellungsverfahren des Anspruchs 16 gelöst.
Bei einem vorgeschlagenen Triebwerksbauteil ist mindestens ein räumlich abgegrenzter Modifikationsbereich mit eingebrachter Zugeigenspannung ausgebildet, über den ein sich in dem Triebwerksbauteil ausbreitender Riss - zur Vermeidung einer Rissausbreitung in einer ersten Belastungszone - zu einer und/oder innerhalb einer zweiten Belastungszone geleitet wird. Die vorgeschlagene Lösung geht somit zum einen von dem Grundgedanken aus, dass an dem Triebwerksbauteil wenigstens eine erste Belastungszone und wenigstens eine hierzu räumlich beabstandete zweiten Belastungszone vorgesehen sind. Die ersten und zweiten Belastungszonen können hierbei jeweils für im bestimmungsgemäß in ein Triebwerk eingebauten Zustand des Triebwerksbauteils und im Betrieb des Triebwerks an dem Triebwerksbauteil auftretende dynamische Belastungen (angepasst) ausgebildet sein. Zum anderen ist ein Modifikationsbereich mit definiert eingebrachten Zugeigenspannungen (sogenannten positiven Eigenspannungen) ausgebildet, über den eine Rissausbreitung gezielt in einer dieser Belastungszonen oder zu einer dieser Belastungszonen geführt wird, hier der zweiten Belastungszone. Über den mindestens einen Modifikationsbereich mit eingebrachten Zugeigenspannungen soll somit ein eventuell entstehender Riss an dem Triebwerksbauteil möglichst an einer Rissausbreitung in die eine (erste) und beispielsweise als kritisch eingestufte Belastungszone verhindert werden. Da erkannt wurde, dass für eine Ausbreitung eines Risses und insbesondere die Ausbreitungsrichtung eines Risswachstums mit entscheidend ist, welche Spannungen an einer Rissspitze vorliegen, kann über bereits gezielt eingebrachte Zugeigenspannungen eine Überlagerung der durch den entstandenen Riss an der Rissspitze vorhandenen Spannungen mit den Zugeigenspannungen erreicht und damit eine Vorzugsrichtung für die weitere Rissausbreitung an dem Triebwerksbauteil vordefiniert werden. Die gezielt eingebrachten Zugeigenspannungen beranden hierbei beispielsweise Druckeigenspannungen und grenzen an diese an und wurde durch eine Materialbearbeitung und/oder einen Wärmeeintrag in das Triebwerksbauteil eingebracht.
Über den Modifikationsbereich mit den eingebrachten Zugeigenspannungen kann eine Rissausbreitung außerhalb der ersten Belastungszone geleitet werden. Dies schließt insbesondere ein, dass (a) bei einem in der ersten Belastungszone entstandenen Riss über den Modifikationsbereich der Riss aus der ersten Belastungszone heraus und zu der zweiten Belastungszone hin geleitet wird oder (b) bei einem in der zweiten Belastungszone entstandenen Riss ist der Modifikationsbereich eingerichtet, diesen Riss über den mindestens einen Modifikationsbereich außerhalb der ersten Belastungszone zu halten und in der zweiten Belastungszone derart an dem Modifikationsbereich entlang zu leiten, dass sich der Riss nicht oder allenfalls verzögert in die erste Belastungszone ausbreiten kann. Über den Modifikationsbereich mit den eingebrachten Zugeigenspannungen wird somit eine Rissausbreitung an einem dynamisch belasteten Triebwerksbauteil entlang von definierten und gezielt eingebrachten Zugeigenspannungen geleitet, ohne hierfür Material- und/oder Schichtdicken in unterschiedlichen Belastungszonen variieren zu müssen. Ein Risswachstum wird hier vielmehr über die gezielt eingebrachten Eigenspannungen des Modifikationsbereichs kontrolliert, um einen eventuell an dem Triebwerksbauteil entstehenden Riss außerhalb der ersten Belastungszone zu halten, auch wenn das Triebwerksbauteil im Betrieb komplexen dynamischen Belastungen unterworfen ist.
In einer Ausführungsvariante ist das Triebwerksbauteil wenigstens in der ersten Belastungszone für die im bestimmungsgemäß in ein Triebwerk eingebauten Zustand des Triebwerksbauteils und im Betrieb des Triebwerks auftretenden dynamischen Belastungen mit einer an die auftretenden dynamischen Belastungen angepassten Oberflächenkontur ausgebildet. Dies schließt beispielsweise ein, dass eine Oberfläche in der ersten Belastungszone zumindest abschnittsweise wellig, insbesondere konkav und/oder konvex gewölbt ausgebildet ist, um im Betrieb auftretenden schwingungsinduzierten Belastungsspitzen an dem Triebwerksbauteil in der ersten Belastungszone entgegenzuwirken. So ist beispielsweise im Zusammenhang mit einem Rotor als Triebwerksbauteil, insbesondere einer sogenannten Blisk („blade integrated disk“), d.h., einem integralen Schaufel-Scheibe- Rotor, oder einer Bling („bladed ring“), d.h., einem integralen Schaufel-Ring, eine gezielte Nabenkonturierung in einem Übergangsbereich von einer an einem Schaufelträger integral ausgebildeten Laufschaufel möglich. Eine entsprechende angepasste Oberflächenkontur in diesem Übergangsbereich ist ohne Weiteres mit der vorgeschlagenen Lösung kombinierbar, bei der außerhalb oder sogar innerhalb dieser angepassten Oberflächenkontur gezielt Zugeigenspannungen für einen Modifikationsbereich eingebracht werden können, um einen eventuell entstehenden Riss aus der ersten Belastungszone weg zu leiten oder einen außerhalb der ersten Belastungsendzone entstandenen Riss auch weiterhin außerhalb der ersten Belastungszone zu halten. Die vorgeschlagene Lösung kann somit insbesondere mit einem sogenannten Anführung„hub contouring“ kombiniert werden.
Grundsätzlich kann eine Zugeigenspannung des mindestens einen Modifikationsbereichs durch mechanische Bearbeitung eines das Triebwerksbauteil bildenden Materials und/oder einen Wärmeeintrag in das Triebwerksbauteil eingebracht sein. Unter einer mechanischen Bearbeitung wird hierbei insbesondere eine mechanische Oberflächenbehandlung, wie zum Beispiel Festwalzen (englisch:„deep cold rolling“) oder Strahlen, hier insbesondere Kugelstrahlen (englisch: „shoot peening“) und Laserschockstrahlen (englisch:„laser shock peening“) verstanden. Der mindestens eine Modifikationsbereich mit gezielt eingebrachten Zugeigenspannungen kann in der zweiten Belastungszone vorgesehen sein, insbesondere vollständig in der zweiten Belastungszone vorgesehen sein. Ist der Modifikationsbereich vollständig in der zweiten Belastungszone vorgesehen, ist über diesen ein eventuell entstehender Riss vor allem gezielt außerhalb der ersten Belastungszone haltbar und damit innerhalb der zweiten Belastungszone leitbar. Dementsprechend kann in einer hierauf basierenden Weiterbildung der mindestens eine Modifikationsbereich auch an dem Triebwerksbauteil beabstandet zu der ersten Belastungszone verlaufend vorgesehen sein.
Abschnitte des Modifikationsbereichs mit eingebrachten Zugeigenspannungen können grundsätzlich an einer Oberfläche des Triebwerksbauteils einem vorgegebenen Verlauf folgen. Dies schließt beispielsweise ein, dass Abschnitte des Modifikationsbereichs mit eingebrachten Zugeigenspannungen entlang einer Linie aufeinanderfolgen. Beispielsweise sind aneinandergrenzende Abschnitte mit Zugeigenspannungen einer vorgegebenen Linie folgend an dem Triebwerksbauteil vorgesehen, insbesondere einer Linie folgend, die vollständig in der zweiten Belastungszone verläuft.
In einer Ausführungsvariante umfasst das Triebwerksbauteil einen Schaufelträger mit hieran angeordneten Laufschaufeln. Insbesondere kann das Triebwerksbauteil einen in Blisk- oder Bling-Bauweise gefertigten Schaufelträger mit hieran integral ausgebildeten Laufschaufeln umfassen. Der Schaufelträger ist somit beispielsweise scheibenförmig oder ringförmig und weist integral an dem Schaufelträger ausgebildete Laufschaufeln auf, die entlang einer Umfangsrichtung um eine Rotationsachse des Schaufelträgers aufeinanderfolgen.
Die erste Belastungszone und die zweite Belastungszone können bei einem einen Schaufelträger umfassenden Triebwerksbauteil an wenigstens einer der Laufschaufeln vorgesehen sein. Beispielsweise liegt die erste Belastungszone hierbei, bezogen auf eine Rotationsachse des Schaufelträgers, radial weiter innen als die zweite Belastungszone. Die erste Belastungszone ist so mit schaufelträgernäher oder, bezogen auf eine (gegebenenfalls umfangsseitig umlaufende) Plattform des Schaufelträgers, von der die mehreren Laufschaufeln sich radial nach außen erstrecken, plattformnäher vorgesehen. Die zweite Belastungszone liegt somit wiederum näher an einer Schaufelspitze der jeweiligen Laufschaufel als die erste Belastungszone. Insbesondere kann die zweite Belastungszone beispielsweise einen Großteil eines Schaufelblattes der Laufschaufel und/oder insbesondere die Schaufelspitze der Laufschaufel umfassen. Eine vorgeschlagene Ausführungsvariante zielt z.B. vor allem darauf, eine Rissausbreitung in einen scheibennahen ersten Belastungszone der Laufschaufel und damit eine Rissausbreitung in den Schaufelträger zu vermeiden. Dies kann insbesondere bei einer Blisk oder einer Bling von besonderem Vorteil sein, um ein kritisches Versagen des (gesamten) Triebwerksbauteils zu vermeiden. Beispielsweise ist der mindestens eine Modifikationsbereich an einer Laufschaufel in einem vorgegebenen Abstand zu einer Plattform des Schaufelträgers vorgesehen, von der sich die Laufschaufel, bezogen auf eine Rotationsachse des Schaufelträgers, radial nach außen erstrecken. Der mindestens eine Modifikationsbereich kann hierbei in dem vorgegebenen Abstand zu der Plattform des Schaufelträgers an dem Schaufelblatt entlang verlaufen. Gleichwohl dies nicht zwingend ist, kann beispielsweise ein linienartiger Verlauf des Modifikationsbereichs und insbesondere ein geradliniger Verlauf des Modifikationsbereichs vorgesehen sein.
In einer Ausführungsvariante ist der Modifikationsbereich in einem Abstand zu der Plattform vorgesehen, der im Bereich von 2,5 mm bis 9 mm liegt. Insbesondere kann der Abstand in einem Bereich von 3,0 mm bis 7,5 mm liegen. Der jeweilige Abstand kann hierbei insbesondere in Abhängigkeit von dem Material und den Dimensionen der Laufschaufel variieren.
Mit Blick auf eine sinnhafte Trennung von erster (hinsichtlich eines Versagens als kritischer eingestufter) Belastungszone und zweiter (weniger kritisch eingestufter) Belastungszone an einer Laufschaufel kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Modifikationsbereich in einem spezifischen Bereich eines Schaufelblattes vorgesehen ist. Beispielsweise ist der mindestens eine Modifikationsbereich in einem unteren, plattformnahen Drittel der Laufschaufel, d.h. insbesondere im Bereich eines unteren Endes eines Schaufelblattes der Laufschaufel, vorgesehen. Dies schließt beispielsweise eine Variante ein, bei der sich die Laufschaufel mit einer Schaufellänge von der Plattform des Schaufelträgers bis zu einer Schaufelspitze der Laufschaufel erstreckt und der mindestens eine Modifikationsbereich in einem unteren, plattformnahen Bereich der Laufschaufel vorgesehen ist, der sich über maximal 20%, maximal 15% oder maximal 10% der Schaufellänge erstreckt. Der untere Bereich kann hierbei, wie bereits erläutert, ein unteres Ende eines Schaufelblattes der Laufschaufel einschließen, mit dem die Laufschaufel mit der Plattform des Schaufelträgers in Kontakt steht, insbesondere mit dem die Laufschaufel in den Schaufelträger übergeht, wenn die Laufschaufel integral mit dem Schaufelträger ausgebildet ist. Mit der vorgeschlagenen Lösung ist auch ein Triebwerk mit mindestens eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Triebwerksbauteils erfasst. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Triebwerk für eine Luftfahrzeug handeln. Bei einem solchen Triebwerk kann ein wie vorgeschlagen ausgestaltetes, im Betrieb dynamisch belastetes Triebwerksbauteil beispielsweise Teil eines Rotors in einem Verdichter oder in einer Turbine des Triebwerks sein.
Ein weiterer Aspekt der vorgeschlagenen Lösung betrifft ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Triebwerksbauteils.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass
- wenigstens eine erste Belastungszone für im bestimmungsgemäß in ein Triebwerk eingebauten Zustand des Triebwerks und im Betrieb des Triebwerks an dem Triebwerksbauteil auftretende dynamische Belastungen an dem Triebwerksbauteil ausgebildet wird, zum Beispiel mit einer angepassten Oberflächenkontur in der ersten Belastungszone, und
- eine zweite Belastungszone an dem Triebwerksbauteil zu der ersten Belastungszone räumlich beabstandet vorgesehen wird und für im bestimmungsgemäß in ein Triebwerk eingebauten Zustand des Triebwerksbauteils und im Betrieb des Triebwerks an dem Triebwerksbauteil auftretende dynamische Belastungen ausgebildet wird.
Ferner wird an dem Triebwerksbauteil mindestens ein räumlich abgegrenzter Modifikationsbereich mit eingebrachten Zugeigenspannung ausgebildet, über den ein sich in dem Triebwerksbauteil ausbreitender Riss - zur Vermeidung einer Rissausbreitung in der ersten Belastungszone - zu der und/oder innerhalb der zweiten Belastungszone geleitet wird.
Zugeigenspannungen zur Ausbildung des Modifikationsbereichs können hierbei beispielsweise durch eine Wärmebehandlung und/oder eine Oberflächenbehandlung in das Triebwerksbauteil eingebracht werden. Eine Oberflächenbehandlung schließt beispielsweise insbesondere eine mechanische Oberflächenbehandlung ein, wie zum Beispiel Strahlen, hier insbesondere Kugelstrahlen oder Laserschockstrahlen. Alternativ oder ergänzend können Zugeigenspannungen gezielt durch (lokales) Festwalzen des Triebwerksbauteils eingebracht werden. Beispielsweise werden die Zugeigenspannungen an einer Oberfläche des Triebwerkbauteils entlang einer Linie eingebracht, um eine Rissausbreitung entlang dieser Linie zu leiten.
Beispielsweise umfasst das herzustellende Triebwerksbauteil einen Rotor und der Modifikationsbereich mit den Zugeigenspannungen wird im Bereich wenigstens einer Laufschaufel des Rotors, hier insbesondere in einem unteren Drittel der Laufschaufel vorgesehen.
Ein vorgeschlagenes Herstellungsverfahren eignet sich insbesondere für die Herstellung eines vorgeschlagenen Triebwerksbauteils. Dementsprechend gelten vorstehend und nachstehend erläuterte Vorteile und Merkmale von Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Triebwerksbauteils auch für Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens und umgekehrt.
Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
Hierbei zeigen:
Figur 1 ausschnittsweise und in perspektivischer Ansicht eine Blisk mit Blick auf eine einzelne Laufschaufel (von mehreren identisch ausgebildeten Laufschaufeln) unter Darstellung einer exemplarischen Spannungsverteilung für die im Betrieb auftretenden dynamischen Belastungen sowie einem an einer Nasenleiste der Laufschaufel beginnenden Riss, der sich über einen Modifikationsbereich geführt in Richtung einer Endleiste der Laufschaufel ausgebreitet hat;
Figur 2 ausschnittsweise und in vergrößertem Maßstab die Blisk mit der einzelne Laufschaufel der Figur 1 unter Veranschaulichung unterschiedlicher Belastungszonen im unteren Drittel eines Schaufelblattes der Laufschaufel;
Figur 3 schematisch und in Seitenansicht die Laufschaufel der Figuren 1 und
2 unter Darstellung des Verlaufs des Modifikationsbereichs und einer radial weiter innen hierzu verlaufenden wellenförmigen Konturlinie für eine Grenze zwischen zwei Belastungszonen der Laufschaufel;
Figur 4 exemplarische Verläufe von eingebrachten Eigenspannungen an einem Modifikationsbereich gemäß der Figur 1 und der Figur 3 quer zur Oberfläche;
Figur 5 in schematischer geschnittener Ansicht ein (Gasturbinen-) Triebwerk, bei dem Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung Verwendung finden können;
Figur 6 in perspektivischer, schematischer Ansicht eine Blisk als
Ausführungsbeispiel für ein vorgeschlagenes Triebwerksbauteil;
Die Figur 5 veranschaulicht schematisch und in Schnittdarstellung ein Triebwerk T in Form eines Turbofantriebwerks, bei dem die einzelnen Triebwerkskomponenten entlang einer Rotationsachse oder Mittelachse M hintereinander angeordnet sind. An einem Einlass oder Intake E des Triebwerks T wird Luft entlang einer Eintrittsrichtung R mittels eines Fans F angesaugt. Dieser in einem Fangehäuse FC angeordnete Fan F wird über eine Kern- oder Rotorwelle S angetrieben, die von einer Turbine TT des Triebwerks T in Drehung versetzt wird. Die Turbine TT schließt sich hierbei an einen Verdichter V an, der beispielsweise einen Niederdruckverdichter 11 und einen Hochdruckverdichter 12 aufweist, sowie gegebenenfalls noch einen Mitteldruckverdichter. Der Fan F führt einerseits dem Verdichter V Luft zu sowie andererseits einem Sekundärstromkanal oder Bypasskanal B zur Erzeugung des Schubs. Der Bypasskanal B verläuft hierbei um ein den Verdichter V und die Turbine TT umfassendes Kerntriebwerk, das einen Primärstromkanal für die durch den Fan F dem Kerntriebwerk zugeführte Luft umfasst.
Die über den Verdichter V in den Primärstromkanal geförderte Luft gelangt in einen Brennkammerabschnitt BK des Kerntriebwerks, in dem die Antriebsenergie zum Antreiben der Turbine TT erzeugt wird. Die Turbine TT weist hierfür eine Hochdruckturbine 13, eine Mitteldruckturbine 14 und einen Niederdruckturbine 15 auf. Die Turbine TT treibt dabei über die bei der Verbrennung frei werdende Energie die einen Rotor tragende Rotorwelle S und damit den Fan F an, um über die die in den Bypasskanal B geförderte Luft den erforderlichen Schub zu erzeugen. Sowohl die Luft aus dem Bypasskanal B als auch die Abgase aus dem Primärstromkanal des Kerntriebwerks strömen über einen Auslass A am Ende des Triebwerks T aus. Der Auslass A weist hierbei üblicherweise eine Schubdüse mit einem zentral angeordneten Austrittskonus C auf.
Grundsätzlich kann der Fan F auch über eine Verbindungswelle und ein epizyklisches Planetengetriebe mit der Niederdruckturbine 15 gekoppelt und von dieser angetrieben werden. Ferner können auch andere, abweichend ausgestalte Gasturbinentriebwerke vorgesehen sein, bei denen die vorgeschlagene Lösung Anwendung finden kann. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein Beispiel kann das Triebwerk eine Teilungsstromdüse aufweisen, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal B seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse separat ist und radial außen liegt. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal B und der Strom durch den Kern vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die vorgeschlagene Lösung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden.
Insbesondere zur Lärmminderung ist im Bereich des Auslasses A ein Mischer 20 als Teil einer Mischerbaugruppe 2 vorgesehen. Über diese Mischerbaugruppe 2 und deren Mischer 20 werden ein erster Fluidstrom f1 aus dem Primärstromkanal, der das Kerntriebwerk hinter der Niederdruckturbine 15 verlässt, und ein zweiter Fluidstrom f2 aus dem Bypasskanal B vermischt. Hierfür werden über eine blütenförmige oder mäanderförmige Kontur des Mischers 20 Teile der erste (Primär-) Fluidstrom f1 aus dem Kerntriebwerk abwechselnd nach außen und der zweite (Sekundär-) Fluidstrom f2 aus dem Bypasskanal B nach innen gelenkt. Hierdurch werden segmentweise heiße und kalte Strömungszonen erzeugt und es wird eine Vermischung der beiden Fluidströme f1 und f2 erreicht. Durch die bei der Vermischung auftretenden Verwirbelungen wird niederfrequenter Lärm reduziert und höherfrequenter Lärm verstärkt, um im Ergebnis das hörbare Lärmniveau abzusenken. Im Bereich des Fans F, des Verdichters V und der Turbine TT des Triebwerks T kommen unterschiedliche Triebwerksbauteile zum Einsatz, die im Betrieb des Triebwerks T komplexen dynamischen Belastungen unterworfen sind. Dies trifft insbesondere für Rotoren zu, die quasi-statischen LCF-Belastungen (resultierend aus der Umfangsgeschwindigkeit des Triebwerksbauteils, mit hohen Amplituden bei langer Haltezeit) sowie HCF-Belastungen (resultierend aus einer Anregung eines jeweiligen Triebwerksbauteils durch einen Fluidstrom, mit geringeren Amplituden, jedoch hohen Zyklenzahlen und damit hochfrequent und hochzyklisch) ausgesetzt sind. Hieraus ergibt sich ein komplexes, überlagertes Spannungsfeld. Die überlagerten Spannungen können dazu führen, dass ein vermeintlicher Riss unter LCF-Belastung zu wachsen beginnt, bis ein so genannter HCF-Schwellwert erreicht wird, ab dem der Riss unter HCF- Belastungen weiter wächst. Da HCF-Belastungen hochfrequent sind, kommt es ab Erreichen des HCF-Schwellenwerts zu einem nahezu sofortigen Gewaltbruch an dem jeweiligen Triebwerksbauteil.
Es ist mithin zwingend, derartige Gewaltbrüche und ein damit unter Umständen einhergehendes Versagen eines kritischen Triebwerksbauteils auszuschließen. Gleichzeitig besteht jedoch durch Überlagerung von LCF- und HCF-Belastungen bei dynamisch belasteten Triebwerksbauteilen die Schwierigkeit, dass schwer vorausgesagt werden kann, wo ein Riss an dem Triebwerksbauteil entsteht und somit auch keine Angabe darüber gemacht werden kann, wie sich das Schwingungsverhalten des Triebwerksbauteils ändert. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise in der EP 3 480 430 A1 vorgeschlagen worden, über unterschiedliche Material- und Schichtdicken eine Rissausbreitung an einer Laufschaufel zu beeinflussen. Eine hiermit verbundene lokale Materialkonzentration ist jedoch nicht ohne weiteres umsetzbar, insbesondere nicht nachträglich im Rahmen von Wartungsarbeiten. Darüber hinaus ist eine etwaige lokale Materialanhäufung nicht ohne weiteres umsetzbar, ohne das Schwingungsverhalten des jeweiligen Triebwerksbauteils negativ zu beeinflussen und/oder unerwünschte Strömungsverluste und/oder Verwirbelungen zu verursachen, die zu Verlusten beim Wirkungsgrad und damit der Leistung des Triebwerks führen.
Bei der vorgeschlagenen Lösung ist demgegenüber mindestens ein räumlich abgegrenzter Modifikationsbereich mit gezielt eingebrachten Zugeigenspannungen (sogenannten positiven Eigenspannung) an einem Triebwerksbauteil ausgebildet, sodass sich an den eingebrachten Zugeigenspannungen entlang ein entstehender Riss gezielt ausbreiten kann, wobei über den Verlauf der Zugeigenspannungen die Rissausbreitung derart geleitet wird, dass ein Riss in einer bestimmten Belastungszone nicht wächst oder zumindest nicht ohne Weiteres in eine bestimmte Belastungszone hinein wächst.
Die Figur 6 veranschaulicht hierbei exemplarisch eine Blisk 3 als Triebwerksbauteil, an dem die vorgeschlagene Lösung zum Einsatz kommt. Die Blisk 3 umfasst hierbei einen Schaufelträger 30 mit hieran integral ausgebildeten Laufschaufeln 31. Die Blisk 3 definiert somit einen integralen Schaufel-Scheibe-Rotor, der zum Beispiel in dem Fan F, dem Verdichter V oder der Turbine TT des Triebwerks T angeordnet ist.
Die Figur 1 zeigt ausschnittsweise eine Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Lösung mit der Blisk 3. An dem scheibenförmigen Schaufelträger 30 der Blisk 3 sind hierbei entlang einer Umfangsrichtung um eine Rotationsachse der Blisk 3 umlaufend Laufschaufeln 31 integral ausgebildet, die sich jeweils, bezogen auf die Rotationsachse, radial nach außen erstrecken. Die Figur 1 zeigt hierbei exemplarisch eine dieser Laufschaufeln 31.
Die dargestellte Laufschaufel 31 weist eine Schaufellänge L auf, die von einer Plattform 300 des Schaufelträgers 30, an der die Laufschaufel 31 ausgebildet ist, bis zu einer Schaufelspitze auf gemessen ist. Die Laufschaufel 31 erstreckt sich entlang dieser Schaufellänge L mit einem Schaufelblatt 310, das eine (im Betrieb des Triebwerks stromauf liegende) Nasenleiste 31a mit einer (stromab liegenden) Endleiste 31b der Laufschaufel 31 ausbildet. Im Betrieb des Triebwerks T ist das Schaufelblatt 310 aufgrund dynamisch auftretender Belastungen einer Spannungsverteilung 31s unterworfen. Insbesondere durch diese dynamischen Belastungen wird, wie vorstehend bereits erläutert, ein eventuell entstehender Riss 4 in seinem Wachstum an der Laufschaufel 31 und insbesondere an dem Schaublatt 310 beeinflusst. Exemplarisch zeigt die Figur 1 einen im unteren Drittel der Nasenleiste 31a beginnenden Riss 4, der sich in Richtung der Endleiste 31 b ausgebreitet hat.
An der Laufschaufel 31 sind zwei Belastungszonen 33 und 35 voneinander unterschieden. Eine erste Belastungszone 33 liegt in einem unteren Drittel der Laufschaufel 31 und umfasst insbesondere einen Übergangsbereich 32 mit einem sogenannten„Fillet“, an den die Laufschaufel 31 in die Plattform 300 und damit in den Schaufelträger 30 übergeht, mit dem die Laufschaufel 31 integral ausgebildet ist. Würde sich der Riss 4 in diese erste Belastungszone 33 und hierüber sogar bis in den Schaufelträger 30 ausbreiten, kann es zu einem im Betrieb des Triebwerks T hochkritischen Versagen der Blisk 3 kommen. Hinsichtlich einer Rissausbreitung wird somit die erste Belastungszone 33, die einerseits den Übergangsbereich 32 umfasst und sich typischerweise über einen Bereich des Schaufelblattes 310 erstreckt, der weniger als 20%, insbesondere weniger als 15% und insbesondere weniger als 10% der gesamten Schaufellänge L überspannt, als kritisch eingestuft.
Radial beabstandete zu der ersten Belastungszone 33 liegt die als unkritisch eingestufte zweite Belastungszone 35. Diese zweite Belastungszone 35 überspannt den Rest des Schaufelblattes 310 und umfasst zumeist insbesondere die Schaufelspitze. Eine Rissausbreitung in dieser zweiten Belastungszone 35 kann toleriert werden, da selbst bei einem Gewaltbruch nicht ein komplettes Versagen der gesamten Blisk 3 droht, sondern lediglich das Schaufelblatt 31 abreißt. Kann nun gezielt erreicht werden, dass bei einem entstehenden Riss 4 schlimmstenfalls das Schaufelblatt 31 abreist und dies auch nur mit einer begrenzten Länge, wirkt sich dies nicht nur positiv auf die Betriebssicherheit aus. Vielmehr kann auch ein die Blisk 3 aufnehmendes Gehäuse leichter ausgestaltet werden, da dieses Gehäuse hinsichtlich seiner Absorptionsfähigkeit vornehmlich für (kleinere) abreißende Stücke des Schaufelblattes 310 ausgelegt werden kann.
Im Falle der Ausführungsvariante der Figur 1 ist in einem an die erste Belastungszone 33 angrenzenden Abschnitt der zweiten Belastungszone 35 ein Modifikationsbereich 34 ausgebildet, über den ein sich ausbreitender Riss 4 gezielt außerhalb der ersten Belastungszone 33 gehalten wird und die Rissausbreitung möglichst lange in der zweiten Belastungszone 35 geführt wird. Derart lässt sich - aufgrund der Dominanz der Radialspannungen - erreichen, dass ab einer gewissen Risslänge und der damit verbundenen Querschnittsreduzierung an dem Schaufelblatt 31 die anliegenden Zugspannungen den Riss 4 weitestgehend waagrecht verlaufend halten und schlimmstenfalls das Schaufelblatt 31 abgeschert wird. Der Modifikationsbereich 34 erstreckt sich hierbei exemplarisch linienartig zwischen der Nasenleiste 31a und der Endleiste 31b, hier über einen Großteil der Breite des Schaufelblattes 310. Derart hat sich der exemplarisch in der die Figur 1 dargestellte Riss 4 nur in einem letzten Endstück radial nach innen abknickend in die erste Belastungszone 33, aber nicht bis zu dem Schaufelträger 30 ausgebreitet.
An dem Modifikationsbereich 34 sind vorliegend gezielt Zugeigenspannungen in das Schaufelblatt 310 eingebracht, an denen entlang sich der Riss 4 ausbreitet. So überlagern die anliegenden dynamischen Belastungen eine entsprechende Zugeigenspannung. Da die positiven Spannungen maßgeblich für die Ausbreitungsrichtung des Risses an der Rissspitze sind, kann derart die Ausbreitungsrichtung eines entstehenden Risses 4 beeinflusst und gezielt radial außen und damit beabstandet zu der als kritisch eingestuften ersten Belastungszone 33 gehalten werden.
Wie in der vergrößerten Darstellung der Figur 2 ersichtlich ist, verläuft eine Trennlinie zwischen den beiden Belastungszonen 33 und 35 nicht geradlinig von der Nasenleiste 31a zu der Endleiste 31b. Vielmehr ist vorliegend eine geschwungene oder sogar gewellte Trennlinie vorhanden. Ferner kann die erste, plattformnahe Belastungszone 33 auch mit einer optimierten Oberflächenkontur und damit mit zusätzlichen Erhöhungen und Vertiefungen versehen sein, um in dem Übergangsbereich 32 Spannungsspitzen bei sich überlagernden LCF- und HCF-Belastungen zu vermeiden.
In der dargestellten Ausführungsvariante ist daher, wie anhand der Seitenansicht der Figur 3 näher veranschaulicht ist, vorgesehen, dass sich der Modifikationsbereich 34 in einem definierten Abstand Y zu der Plattform 300 des Schaufelträgers 30 in einem unteren Drittel des Schaufelplatzes 310 erstreckt. Damit liegt der Modifikationsbereich 34 mit den gezielt eingebrachten Zugeigenspannungen radial weiter außen als eine Kontur oder Trennlinie 320, die eine (virtuelle) Grenze zwischen den ersten und zweiten Belastungszonen 33 und 35 definiert. Beispielsweise liegt der Abstand Y, der die Position des Motivationsbereichs 34 bestimmt, im Bereich von 3,0 mm bis 7,5 mm. Radial innen bezüglich der Konturlinie 320 liegt dann das sogenannte„Fillet“ der Blisk 3, zu der hin die Ausbreitung eines Risses 4 vermieden werden soll.
Anhand möglicher Eigenspannungsprofile entsprechend des Diagramms der Figur 4 wird die Bildung eines Motivationsbereiches 34 nochmals näher veranschaulicht. In dem Diagramm der Figur 4 ist eine Spannung über einem Parameter X aufgetragen, der ein Maß für die Erstreckung quer zur Oberfläche des Schaufelblattes 310 ist. Hierbei ist aus den dargestellten Verläufe der Figur 4 ersichtlich, dass eine zentrale Druckeigenspannung 34.3 vorliegt, die beidseitig von (positiven) Zugeigenspannungen 34.1 , 34.2 berandet wird. Es ist mithin in die Oberfläche der Laufschaufel 31 an dem Modifikationsbereich 34 ein Spannungsfeld mit positiven Zugeigenspannungen 34.1 und 34.2 eingebracht, sodass sich ein entstehender Riss bevorzugt an dem Verlauf einer Zugeigenspannung 34.1 , 34.2 entlang ausbreiten wird.
Für das Einbringen der Zugeigenspannungen 34.1 und 34.2 (einhergehend gegebenenfalls der in die Tiefe der Oberfläche reichenden Druckeigenspannungen 34.3) kann beispielsweise eine mechanische Oberflächenbehandlung vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein entsprechender Verlauf durch Kugelstrahlen oder Laserschockstrahlen oder durch Festwalzen realisiert sein. Alternativ oder ergänzend kann eine lokalisierte Wärmebehandlung für die Erzeugung lokaler Zugeigenspannungen (ggf. ohne oder deutlich gegenüber der Variante der Figur 4 reduzierten Druckeigenspannungen) vorgesehen werden.
Bezugszeichenliste
11 Niederdruckverdichter
12 H ochd ru ckve rd i chte r
13 Hochdruckturbine
14 Mitteldruckturbine
15 Niederdruckturbine
2 Mischerbaugruppe
20 Mischer
21 Schnittstelle
3 Blisk (Triebwerksbauteil)
30 Schaufelträger
300 Plattform
31 Laufschaufel
310 Schaufelblatt
31a Nasenleiste
31 b Endleiste
31s Spannungsverteilung
32 Übergangsbereich
320 Konturlinie
33 1. Belastungszone
34 Modifikationsbereich
34.1 , 34.2 Zugeigenspannung
34.3 Druckeigenspannung
35 2. Belastungszone
4 Riss
A Auslass
B Bypasskanal
BK Brennkammerabschnitt
C Austrittskonus
E Einlass / Intake
F Fan
f1 , f2 Fluidstrom
FC Fangehäuse
L Schaufellänge
M Mittelachse / Rotationsachse
R Eintrittsrichtung S Rotorwelle
T Triebwerk
T Turbine u Umfangsrichtung
V Verdichter
Y Abstand / Höhe

Claims

Ansprüche
1. Triebwerksbauteil, mit
- wenigstens einer ersten Belastungszone (33), die für im bestimmungsgemäß eingebauten Zustand des Triebwerksbauteils (3) in ein Triebwerk (T) und im Betrieb des Triebwerks (T) an dem Triebwerksbauteil (3) auftretende dynamische Belastungen ausgebildet ist, und
- einer zweiten Belastungszone (35), die zu der ersten Belastungszone (33) räumlich beabstandet an dem Triebwerksbauteil (3) vorgesehen ist und ebenfalls für im bestimmungsgemäß in ein Triebwerk (T) eingebauten Zustand des Triebwerksbauteils (3) und im Betrieb des Triebwerks (T) an dem Triebwerksbauteil (3) auftretende dynamische Belastungen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Triebwerksbauteil (3) mindestens ein räumlich abgegrenzter Modifikationsbereich (34) mit eingebrachter Zugeigenspannung (34.1 , 34.2) ausgebildet ist, über den ein sich in dem Triebwerksbauteil (3) ausbreitender Riss (4) zur Vermeidung einer Rissausbreitung in der ersten Belastungszone (33) zu der und/oder innerhalb der zweiten Belastungszone (35) geleitet wird.
2. Triebwerksbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Triebwerksbauteil (3) wenigstens in der ersten Belastungszone (33) für die im bestimmungsgemäß in ein Triebwerk (T) eingebauten Zustand des Triebwerksbauteils (3) und im Betrieb des Triebwerks (T) auftretenden dynamischen Belastungen mit einer an die auftretenden dynamischen Belastungen angepassten Oberflächenkontur ausgebildet ist.
3. Triebwerksbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugeigenspannung (34.1 , 34.2) des mindestens einen Modifikationsbereichs (34) durch mechanische Bearbeitung eines das Triebwerksbauteil (3) bildenden Materials und/oder Wärmeintrag in das Triebwerksbauteil (3) eingebracht ist.
4. Triebwerksbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Modifikationsbereich (34) in der zweiten Belastungszone (35) vorgesehen ist.
5. Triebwerksbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Modifikationsbereich (34) beabstandet zu der ersten Belastungszone (33) verläuft.
6. Triebwerksbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte des Modifikationsbereichs (34) mit eingebrachten Zugeigenspannungen (34.1 , 34.2) an einer Oberfläche des Triebwerksbauteils (3) einem vorgegebenem Verlauf folgen.
7. Triebwerksbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte des Modifikationsbereichs (34) mit eingebrachten Zugeigenspannungen (34.1 , 34.2) entlang einer Linie aufeinanderfolgen.
8. Triebwerksbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Triebwerksbauteil (3) einen Schaufelträger (30) mit hieran angeordneten Laufschaufeln (31) umfasst, insbesondere einen in Blisk- oder Bling- Bauweise gefertigten Schaufelträger (30) mit hieran integral ausgebildeten Laufschaufeln (31).
9. Triebwerksbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Belastungszone (33) und die zweite Belastungszone (35) an wenigstens einer der Laufschaufeln (31) vorgesehen sind.
10. Triebwerksbauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Belastungszone (33), bezogen auf eine Rotationachse (M) des Schaufelträgers (30), radial weiter innen liegt als die zweite Belastungszone (35).
11. Triebwerksbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Modifikationsbereich (34) an einer Laufschaufel (31) in einem vorgegebenem Abstand (Y) zu einer Plattform (300) des Schaufelträgers (30) vorgesehen ist, von der sich die Laufschaufeln (31), bezogen auf eine Rotationachse (M) des Schaufelträgers (30), radial nach außen erstrecken.
12. Triebwerksbauteil nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Modifikationsbereich (34) in einem Abstand (Y) zu der Plattform (300) vorgesehen ist, der im Bereich von 2,5 mm bis 9 mm.
13. Triebwerksbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Laufschaufel (31) von einer Plattform (300) des Schaufelträgers (30), von der sich die Laufschaufeln (31), bezogen auf eine Rotationachse (M) des Schaufelträgers (30), radial nach außen erstrecken, bis zu einer Schaufelspitze erstreckt und der mindestens eine Modifikationsbereich (34) in einem unteren, Plattform nahen Drittel der Laufschaufel (31) vorgesehen ist.
14. Triebwerksbauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Laufschaufel (31) mit einer Schaufellänge (L) von der Plattform (300) des Schaufelträgers (30) bis zu der Schaufelspitze erstreckt und der mindestens eine Modifikationsbereich (34) in einem unteren, plattformnahen Bereich der Laufschaufel (31) vorgesehen ist, der sich über maximal 20%, 15% oder 10% der Schaufellänge erstreckt.
15. Triebwerk mit mindestens einem Triebwerksbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
16. Verfahren zur Herstellung eines Triebwerksbauteils (3), wobei
- wenigstens eine erste Belastungszone (33) an dem Triebwerksbauteil (3) für im bestimmungsgemäß in ein Triebwerk (T) eingebauten Zustand des
Triebwerksbauteils (3) und im Betrieb des Triebwerks (T) an dem
Triebwerksbauteil (3) auftretende dynamische Belastungen ausgebildet wird und
- eine zweite Belastungszone (35) an dem Triebwerksbauteil (3) zu der ersten
Belastungszone (33) räumlich beabstandet vorgesehen und ebenfalls für im bestimmungsgemäß in ein Triebwerk (T) eingebauten Zustand des
Triebwerksbauteils (3) und im Betrieb des Triebwerks (T) an dem
Triebwerksbauteil (3) auftretende dynamische Belastungen ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Triebwerksbauteil (3) mindestens ein räumlich abgegrenzter Modifikationsbereich (34) mit eingebrachter Zugeigenspannung (34.1 , 34.2) ausgebildet wird, über den ein sich in dem Triebwerksbauteil (3) ausbreitender Riss (4) zur Vermeidung einer Rissausbreitung in der ersten Belastungszone (33) zu der und/oder innerhalb der zweiten Belastungszone (35) geleitet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Zugeigenspannungen
(34.1 , 34.2) zur Ausbildung des Modifikationsbereichs (34) durch eine Wärmebehandlung und/oder eine Oberflächenbehandlung, insbesondere durch Strahlen oder Festwalzen, in das Triebwerksbauteil (3) eingebracht werden.
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