WO2010000238A1

WO2010000238A1 - Verfahren zum herstellen von gasturbinenschaufeln

Info

Publication number: WO2010000238A1
Application number: PCT/DE2009/000920
Authority: WO
Inventors: Dirk Zajaczkowski-Feige
Original assignee: Mtu Aero Engines Gmbh
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2010-01-07
Also published as: DE102008031329A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gasturbinenschaufeln, insbesondere von Laufschaufeln oder Leitschaufeln einer Turbine oder eines Verdichters eines Flugtriebwerks, mit zumindest folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines geschmiedeten Schaufelgrundkörpers umfassend einen Schaufelfuß und ein Schaufelblatt; b) anschließendes Materialabtragen vom Schaufelgrundkörper im Bereich des Schaufelblatts unter Ausbildung einer fachwerkartigen Stützstruktur; c) anschließendes Beplanken der Stützstruktur zur Bereitstellung einer Schaufelblattoberfläche.

Description

Verfahren zum Herstellen von Gasturbinenschaufeln

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gasturbinenschaufeln.

Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle. Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titan- legierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Teile des Flugtriebwerks geeignet. Als Fertigungsverfahren für Gasturbinenbauteile aus Titanlegierungen, Nickellegierung oder sonstigen Legierungen sind aus dem Stand der Technik in erster Linie das Feingießen sowie Schmieden bekannt. Alle hochbeanspruchten Gasturbinenbauteile, wie zum Beispiel die Schaufeln für einen Verdichter, sind Schmiede- teile. Laufschaufeln und Leitschaufeln der Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt.

Die Masse von Leitschaufeln sowie Laufschaufeln eines Flugtriebwerks trägt wesentlich zum Gesamtgewicht desselben bei. Kann das Gewicht der Schaufeln reduziert werden, so kann das Flugtriebwerk leichter ausgeführt werden. Je leichter ein Flugtriebwerk ausgeführt werden kann, desto günstiger fällt das sogenannte Schub-Gewichtsverhältnis des Flugtriebwerks aus, welches ein entscheidendes Wettbewerbsmerkmal für Flugtriebwerke darstellt.

Zur Reduzierung des Gewichts von Gasturbinenbauteilen ist es aus dem Stand der Technik

WO 2005/056220 Al bereits bekannt, Leitschaufeln sowie Laufschaufeln für einen Ver- dichter oder eine Turbine eines Flugtriebwerks zumindest teilweise in Metallschaum auszuführen. Die Verwendung von Metallschäumen ermöglicht durch die Porosität des Metallschaums eine deutliche Gewichtseinsparung.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von leichten Gasturbinenschaufeln vorzuschlagen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß um- fasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines geschmiedeten Schaufelgrundkörpers umfassend einen Schaufelfuß und ein Schaufelblatt; b) anschließendes Materialabtragen vom Schaufelgrundkörper im Bereich des Schaufelblatts unter Ausbildung einer fachwerkartigen Stützstruktur; c) anschließendes Beplanken der Stützstruktur zur Bereitstellung einer Schaufelblattoberfläche.

Die hier vorliegende Erfindung stellt ein neuartiges Verfahren zur Herstellung leichter Gas- turbinenschaufeln vor. Die fachwerkartige Stützstruktur der Gasturbinenschaufel, die durch Materialabtragen von einem geschmiedeten Schaufelgrundkörper bereitgestellt wird, dient der Aufnahme von auf die Gasturbinenschaufel im Betrieb einwirkenden statischen und dynamischen Belastungen.

Die Beplankung der Stützstruktur übernimmt in erster Linie aerodynamische Aufgaben, so z. B. im Bereich einer Turbine, die Umwandlung von thermischer Energie eines Heißgases in Rotationsenergie und im Bereich eines Verdichters die Umwandlung von Rotationsenergie zur Komprimierung eines gasförmigen Mediums.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer teilgefertigten Gasturbinenschaufel zur

Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Gasturbinenschaufeln.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenschaufel, wobei es sich bei der herzustellenden Gasturbinenschaufel sowohl um eine rotor- seitige Laufschaufel als auch um eine statorseitige Leitschaufel einer Turbine oder eines Verdichters einer Gasturbine, vorzugsweise eines Flugtriebwerks, handeln kann.

In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein geschmiedeter Schaufelgrundkörper bereitgestellt, der einen Schaufelfuß 10 und ein Schaufelblatt 11 umfasst. Vorzugsweise wird ein gesenkgeschmiedeter Schaufelgrundkörper bereitgestellt.

In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anschließend vom Schaufelgrundkörper im Bereich des Schaufelblatts 11 Material abgetragen, nämlich unter Ausbildung einer fachwerkartigen Stützstruktur 12.

Die Stützstruktur ist dabei auf die statischen und dynamischen Belastungen ausgelegt, die während des Betriebs auf die herzustellende Gasturbinenschaufel einwirken und damit von derselben abgefangen werden müssen.

Nach einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Materialabtragen vom Schaufelgrundkörper im Bereich des Schaufelblatts derart, dass an einer Seite des Schaufelblatts 11, nämlich an der Saugseite oder der Druckseite desselben, der gesenkge- schmiedete Werkstoff des Schaufelgrundkörpers stehen bleibt, sodass eine einseitig offene

Stützstruktur 12 bereitgestellt wird. Nach dem Ausbilden der Stützstruktur 12 wird dann die einseitig offene Stützstruktur 12 in einem dritten Schritt des erfmdungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung einer Schaufelblattoberfläche an der entsprechenden Seite des Schaufelblatts 12 beplankt. Das Materialabtragen zur Bereitstellung einer einseitig offenen Stützstruktur 12 erfolgt dabei vorzugsweise durch Fräsen oder durch eine ECM (Electro

Chemical Machining)-Bearbeitung. Nach einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Materialabtragen vom Schaufelgrundkörper im Bereich des Schaufelblatts 11 derart, dass eine an beiden Seiten des Schaufelblatts 11 offene Stützstruktur 12 bereitgestellt wird, sodass demnach die Stützstruktur 12 sowohl im Bereich der Saugseite als auch im Bereich der Druckseite des Schaufelblatts 11 offen ist. In diesem Fall wird dann in einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Stützstruktur zur Bereitstellung von Schaufelblattoberfiä- chen im Bereich dieser beiden Seiten beidseitig beplankt. Das Materialabtragen vom Schaufelgrundkörper zur Bereitstellung der beidseitig offenen Stützstruktur erfolgt vor- zugsweise durch Fräsen oder eine ECM-Bearbeitung oder eine EDM (Electro Discharge Machining)-Bearbeitung, wie z. B. Erodieren.

Die Beplankung der einseitig offenen Stützstruktur oder beidseitig offenen Stützstruktur erfolgt mit einem Werkstoff, der leichter ist als der geschmiedete Werkstoff des Schaufel- grundkörpers. Vorzugsweise erfolgt die Beplankung mit einem Faserverbundwerkstoff, wie z. B. einem CFK-Werkstoff

Zum Beplanken der einseitig oder beidseitig offenen Stützstruktur 12 werden plattenförmi- ge Elemente hergestellt, die eine Kontur aufweisen, die der gewünschten Schaufelblatt- Oberfläche im Bereich der jeweiligen Seite des Schaufelblatts 11 entspricht. Diese platten- förmige Elemente werden beim Beplanken vorzugsweise auf die Stützstruktur 12 geklebt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auf einfache und kostengünstige Weise relativ leichte Gasturbinenschaufeln bereitgestellt werden, die sowohl den statischen und dy- namischen Belastungen während des Betriebs standhalten, als auch die gewünschten aerodynamischen Eigenschaften erfüllen. Gegenüber Vollschaufeln kann eine Gewichtserspa- rung von bis zu 30% realisiert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von Gasturbinenschaufeln, insbesondere von Laufschaufeln oder Leitschaufeln einer Turbine oder eines Verdichters eines Flugtriebwerks, mit zumindest folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines geschmiedeten Schaufelgrundkörpers umfassend einen Schaufelfuß und ein Schaufelblatt; b) anschließendes Materialabtragen vom Schaufelgrundkörper im Bereich des Schaufelblatts unter Ausbildung einer fachwerkartigen Stützstruktur; c) anschließendes Beplanken der Stützstruktur zur Bereitstellung einer Schaufelblattoberfläche.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein gesenkgeschmiedeter Schaufelgrundkörper bereitgestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das Materialabtragen vom Schaufelgrundkörpers im Bereich des Schau- felblatts derart erfolgt, dass an einer Seite des Schaufelblatts, nämlich an der Saugseite oder Drucksseite desselben, der gesenkgeschmiedete Werkstoff des Schaufelgrundkörpers stehen bleibt, sodass in Schritt c) die Beplankung der einseitig offenen Stützstruktur einseitig erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialabtragen durch Fräsen oder ECM-Bearbeitung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das Materialabtragen vom Schaufelgrundkörpers im Bereich des Schau- felblatts derart erfolgt, dass an beiden Seiten des Schaufelblatts, nämlich an der Saugseite und Drucksseite desselben, der gesenkgeschmiedete Werkstoff des Schaufelgrundkörpers entfernt wird, sodass in Schritt c) die Beplankung der beidseitig offenen Stützstruktur beidseitig erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialabtragen durch Fräsen oder ECM-Bearbeitung oder EDM-Bearbeitung erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Beplankung mit einem Werkstoff erfolgt, der leichter ist als der geschmiedete Werkstoff des Schaufelgrundkörpers.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Beplankung mit einem Faserverbundwerkstoff erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Beplankung auf die Stützstruktur geklebt wird.