WO2010003404A2 - Verfahren zum herstellen von integral beschaufelten gasturbinenrotoren - Google Patents

Verfahren zum herstellen von integral beschaufelten gasturbinenrotoren Download PDF

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    • F05B2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F05B2230/239—Inertia or friction welding

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing integrally bladed gas turbine rotors.
  • Modern gas turbines in particular aircraft engines, must meet the highest demands in terms of reliability, weight, performance, economy and service life.
  • aircraft engines have been developed, particularly in the civil sector, which fully meet the above requirements and have achieved a high degree of technical perfection.
  • the most important materials used today for aircraft engines or other gas turbines are titanium alloys, nickel alloys and high-strength steels.
  • the high strength steels are used for shaft parts, gear parts, compressor casings and turbine casings.
  • Titanium alloys are typical materials for compressor parts.
  • Nickel alloys are suitable for the hot parts of the aircraft engine.
  • gas turbine components made of titanium alloys nickel alloy or other alloys are known from the prior art primarily investment casting and forging. All highly stressed gas turbine components, such as the blades for a compressor, are forgings. Blades and vanes of the turbine, however, are usually designed as precision castings.
  • Integrally bladed rotors are also referred to as blisk (bladed disk) or bling (bladed ring), depending on whether there is a disk-shaped rotor body or a ring-shaped rotor body.
  • Gas turbine rotors are known in which a blade ring from several guide is finely connected to a rotor body by the fact that the blade ring is connected to a material at least in sections, so as to fix the blade ring when connecting to the rotor body to the material. After bonding the blade ring to the rotor body by friction welding, the material is removed from the blade ring.
  • the present invention is based on the problem of proposing a novel method for producing integrally bladed gas turbine rotors.
  • this problem is solved by a method for manufacturing integrally bladed gas turbine rotors according to claim 5. Thereafter, the blade ring is connected to a plastic, in such a way that at least one solid plastic molding is connected to the blade ring by gluing.
  • this problem is solved by a method for
  • this problem is solved by a method for. Manufacture of integrally bladed gas turbine rotors according to claim 12. Thereafter, the blade ring is connected to a plastic, in such a way that solid plastic granules are introduced into cavities of the blade ring, wherein subsequently the plastic granules are melted and connected to the blade ring.
  • All aspects of the present invention have in common that when connecting the blade ring with the material of the blade ring is not exposed to high temperatures. As a result, a negative effect on the material structure of the blade ring can be avoided. Furthermore, the invention is characterized in that the material can be removed easily without negative effects on the blade ring of the same.
  • the second and third aspect of the present invention according to which either at least one solid plastic molding or a metal foam is connected to the blade ring.
  • the connection of the or each plastic molding or metal foam with the blade ring the same is exposed to any heat load. It is also possible to remove the or each plastic molded part or the metal foam from the blade ring by simple means. Negative effects on the blade ring can be safely avoided.
  • the present invention relates to a method for producing integrally bladed gas turbine rotors, wherein for this purpose a blade ring of a plurality of blades is connected to a rotor base body by friction welding, in particular by linear friction welding.
  • this material is removed from the blade ring.
  • the blade ring is connected to a plastic, in such a way that liquid plastic is connected by injection molding with the blade ring.
  • liquid polystyrene is preferably injected by means of a plastic injection molding machine into cavities or spaces of the blade ring, wherein after curing of the liquid plastic, the blade ring can be fixed to the plastic for friction welding.
  • the removal of the polystyrene from the blade ring after it has been connected to the rotor base body is preferably carried out with the aid of liquid nitrogen using the so-called embrittlement effect.
  • the blade ring is connected to a plastic such that at least one solid plastic molding with the blade ring is connected by gluing. In this case, then the blade ring is not exposed to any thermal stress.
  • the blade ring can be fixed to the or each plastic molding.
  • the or each plastic molded piece is removable from the rotor base body in such a way that the adhesive, via which the or each plastic molded piece is connected to the rotor base body, is dissolved by means of a solvent.
  • the blade ring is connected to a metal foam, which is introduced into cavities or clearances of the blade ring, so as to fix the blade ring for friction welding to the metal foam.
  • the metal foam is thereby connected to the blade ring, that between the blade ring and the metal foam in advance a release agent is positioned, which prevents a cohesive connection of the metal foam with the blade ring.
  • the release agent is applied to the blade ring, then the metal foam is connected to the blade ring in the region of the release agent.
  • the removal of the metal foam from the blade ring after connecting the same with the rotor base body also takes place via the release agent.
  • release agents suitable waxes are used.
  • the blade ring is connected to a plastic in that a solid plastic granules is introduced into cavities or spaces of the blade ring, and then the plastic granules are melted and connected to the blade ring.
  • Removal of the plastic after connecting the blade ring with the rotor body is preferably carried out by chemical, mechanical or thermal means.
  • the invention allows a rotor blade assembly of a plurality of rotor blades to be connected to a rotor body for manufacturing integrally bladed gas turbine rotors without adverse effects on the rotor blade ring.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren, wobei ein Laufschaufelring aus mehreren Laufschaufeln mit einem Rotorgrundkörper derart verbunden wird, dass mit dem Laufschaufelring ein Werkstoff verbunden wird, um den Laufschaufelring beim Verbinden desselben mit dem Rotorgrundkörper über Reibschweißen an diesem Werkstoff zu fixieren, und wobei nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper der Werkstoff vom Laufschaufelring entfernt wird. Erfindungsgemäß wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass flüssiger Kunststoff über Spritzgießen mit dem Laufschaufelring verbunden wird. Alternativ wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass mindestens ein festes Kunststoffformstück mit dem Laufschaufelring durch Kleben verbunden wird. Alternativ wird der Laufschaufelring mit einem Metallschaum verbunden, und zwar derart, dass zwischen dem Metallschaum und dem Laufschaufelring ein Trennmittel positioniert wird, welches eine stoffschlüssige Verbindung des Metallschaums mit dem Laufschaufelring verhindert. Alternativ wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass festes Kunststoffgranulat in Hohlräume des Laufschaufelrings eingebracht wird, wobei anschließend das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und mit dem Laufschaufelring verbunden wird.

Description

Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren.
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. Titanlegierungen 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 Schmiedeteile. Laufschaufeln und Leitschaufeln der Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt.
Zur Steigerung des Wirkungsgrads von Gasturbinen werden die Rotoren derselben zuneh- mend als integral beschaufelte Rotoren ausgeführt. Integral beschaufelte Rotoren werden auch als Blisk (bladed disk) oder Bling (bladed ring) bezeichnet, und zwar abhängig davon, ob ein scheibenförmiger Rotorgrundkörper oder ein ringförmiger Rotorgrundkörper vorliegt.
Aus der US 2008/0016688 Al ist ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten
Gasturbinenrotoren bekannt, bei welchem ein Laufschaufelring aus mehreren Laufschau- fein mit einem Rotorgrundkörper dadurch verbunden wird, dass der Laufschaufelring mit einem Werkstoff zumindest abschnittsweise verbunden wird, um so den Laufschaufelring beim Verbinden mit dem Rotorgrundkörper an den Werkstoff zu fixieren. Nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper durch Reibschweißen wird der Werkstoff vom Laufschaufelring entfernt.
Nach der US 2008/0016688 Al wird als Werkstoff, mit welchem der Laufschaufelring verbunden wird, eine Metalllegierung oder ein Harz verwendet, wobei der Nachteil dieses Standes der Technik insbesondere darin zu sehen ist, dass einerseits beim Verbinden des Laufschaufelrings mit der Metalllegierung oder dem Harz der Laufschaufelring hohen
Temperaturen ausgesetzt ist, und dass andererseits die Entfernung der Metalllegierung sowie des Harzes nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper aufwendig ist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren vorzuschlagen.
Dieses Problem wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren gemäß Anspruch 1 gelöst. Hiernach wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass flüssiger Kunststoff über Spritzgießen mit dem Laufschaufelring verbunden wird.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren gemäß Anspruch 5 gelöst. Hiernach wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass mindestens ein festes Kunststoffformstück mit dem Laufschaufelring durch Kleben verbunden wird.
Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch ein Verfahren zum
Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren gemäß Anspruch 8 gelöst. Hier- nach wird der Laufschaufelring mit einem Metallschaum verbunden, und zwar derart, dass zwischen dem Metallschaum und dem Laufschaufelring ein Trennmittel positioniert wird, welches eine stoffschlüssige Verbindung des Metallschaums mit dem Laufschaufelring verhindert.
Nach einem vierten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch ein Verfahren zum. Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren gemäß Anspruch 12 gelöst. Hiernach wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass festes Kunststoffgranulat in Hohlräume des Laufschaufelrings eingebracht wird, wobei an- schließend das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und mit dem Laufschaufelring verbunden wird.
Sämtlichen Aspekten der hier vorliegenden Erfindung ist gemeinsam, dass beim Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Werkstoff der Laufschaufelring keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Hierdurch kann eine negative Auswirkung auf das Werkstoffgefüge des Laufschaufelrings vermieden werden. Weiterhin zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Werkstoff einfach ohne negative Auswirkungen auf den Laufschaufelring von demselben entfernt werden kann.
Besonders bevorzugt sind der zweite sowie dritte Aspekt der hier vorliegenden Erfindung, nach welchem entweder mindestens ein festes Kunststoffformstück oder ein Metallschaum mit dem Laufschaufelring verbunden wird. Bei der Verbindung des oder jedes Kunststoffformstücks bzw. Metallschaums mit dem Laufschaufelring ist derselbe keinerlei Wärmebelastung ausgesetzt. Auch ist ein Entfernen des oder jedes Kunststoffformteils bzw. des Me- tallschaums vom Laufschaufelring mit einfachen Mitteln möglich. Negative Einwirkungen auf den Laufschaufelring können so sicher vermieden werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, nachfolgend näher erläutert. Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren, wobei hierzu ein Laufschaufelring aus mehreren Laufschaufeln mit einem Rotorgrundkörper durch Reibschweißen, insbesondere durch lineares Reibschweißen, verbunden wird.
Zum Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper muss der Laufschaufelring fixiert werden, wobei dies dadurch erfolgt, dass mit dem Laufschaufelring ein Werkstoff verbunden wird, an welchem dann der Laufschaufelring beim Reibschweißen fixiert werden kann.
Nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper wird dieser Werkstoff vom Laufschaufelring entfernt.
Nach einem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass flüssiger Kunststoff über Spritzgießen mit dem Laufschaufelring verbunden wird.
Hierbei wird vorzugsweise flüssiges Polystyrol mit Hilfe einer Kunststoffspritzgussmaschine in Hohlräume bzw. Zwischenräume des Laufschaufelrings gespritzt, wobei nach dem Aushärten des flüssigen Kunststoffs der Laufschaufelring am Kunststoff zum Reibschweißen fixiert werden kann.
Die Entfernung des Polystyrols vom Laufschaufelring nach dem Verbinden desselben mit dem Rotorgrundkörper erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von flüssigem Stickstoff unter Aus- nutzung des sogenannten Versprödungseffekts. Alternativ kann das Polystyrol nach dem
Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper auch unter mechanischer Zerstörung desselben vom Laufschaufelring entfernt werden. Ferner ist ein thermisches Entfernen des Polystyrols möglich.
Nach einem zweiten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff derart verbunden, dass mindestens ein festes Kunststoffformstück mit dem Laufschaufelring durch Kleben verbunden wird. In diesem Fall ist dann der Laufschaufelring keinerlei thermischer Belastung ausgesetzt. Zum Reibschweißen kann dann der Laufschaufelring an dem oder jedem Kunststoffformstück fixiert werden. Nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper ist das oder jedes Kunststoff- formstück derart vom Rotorgrundkörper entfernbar, dass mit Hilfe eines Lösungsmittels der Kleber, über welchen das oder jedes Kunststoffformstück mit dem Rotorgrundkörper verbunden ist, aufgelöst wird. Alternativ ist es auch möglich, zum Entfernen des oder jedes Kunststoffformstücks vom Laufschaufelring dasselbe mechanisch zu zerstören.
Nach einem dritten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird der Laufschaufelring mit einem Metallschaum verbunden, der in Hohlräume bzw. Freiräume des Laufschaufelrings eingebracht wird, um so den Laufschaufelring zum Reibschweißen am Metallschaum zu fixieren. Der Metallschaum wird dabei derart mit dem Laufschaufelring verbunden, dass zwischen Laufschaufelring und dem Metallschaum vorab ein Trennmittel positioniert wird, welches eine stoffschlüssige Verbindung des Metallschaums mit dem Laufschaufelring verhindert. Zuerst wird demnach das Trennmittel auf den Laufschaufelring aufgebracht, anschließend wird der Metallschaum mit dem Laufschaufelring im Bereich des Trennmittels verbunden. Das Entfernen des Metallschaums vom Laufschaufelring nach dem Verbinden desselben mit dem Rotorgrundkörper erfolgt ebenfalls über das Trennmittel. Als Trennmittel werden geeignete Wachse verwendet.
Nach einem vierten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff dadurch verbunden, dass ein festes Kunststoffgranulat in Hohlräume bzw. Zwischenräume des Laufschaufelrings eingebracht wird, und das anschließend das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und mit dem Laufschaufelring verbunden wird. Die
Entfernung des Kunststoffs nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper erfolgt vorzugsweise auf chemischem, mechanischem oder thermischem Weg.
Die Erfindung erlaubt ein Verbinden eines Laufschaufelrings aus mehreren Laufschaufeln mit einem Rotorgrundkörper zur Herstellung von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren ohne negative Einwirkungen auf den Laufschaufelring.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren, wobei ein Laufschaufelring aus mehreren Laufschaufeln mit einem Rotorgrundkörper derart verbunden wird, dass mit dem Laufschaufelring ein Werkstoff verbunden wird, um den Laufschaufelring beim Verbinden desselben mit dem Rotorgrundkörper über Reibschweißen an diesem Werkstoff zu fixieren, und wobei nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper der Werkstoff vom Laufschaufelring entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden wird, und zwar derart, dass flüssiger Kunststoff über Spritzgießen mit dem Laufschaufelring verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff Polystyrol verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polystyrol nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper mittels flüssigem Stickstoff unter Versprödung desselben vom Laufschaufelring entfernt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polystyrol nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper unter mechanischer Zerstörung desselben vom Laufschaufelring entfernt wird.
5. Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren, wobei ein Laufschaufelring aus mehreren Laufschaufeln mit einem Rotorgrundkörper derart verbunden wird, dass mit dem Laufschaufelring ein Werkstoff verbunden wird, um den Laufschaufelring beim Verbinden desselben mit dem Rotorgrundkörper über Reibschweißen an diesem Werkstoff zu fixieren, und wobei nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper der Werkstoff vom Laufschaufelring entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden wird, und zwar derart, dass mindestens ein festes Kunststoffformstück mit dem Laufschaufelring durch Kleben verbunden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Kunststoffformstück nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper mit Hilfe eines Lösungsmittels für den Kleber vom Laufschaufelring entfernt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Kunststoffformstück nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper unter mechanischer Zerstörung desselben vom Laufschaufelring entfernt wird.
8. Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren, wobei ein Laufschaufelring aus mehreren Laufschaufeln mit einem Rotorgrundkörper derart verbunden wird, dass mit dem Laufschaufelring ein Werkstoff verbunden wird, um den Laufschaufelring beim Verbinden desselben mit dem Rotorgrundkörper über Reibschweißen an diesem Werkstoff zu fixieren, und wobei nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper der Werkstoff vom Laufschaufelring entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufschaufelring mit einem Metallschaum verbunden wird, und zwar derart, dass zwischen dem Metallschaum und dem Laufschaufelring ein Trennmittel positioniert wird, welches eine stoffschlüssige Verbindung des Metallschaums mit dem Lauf- schaufelring verhindert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper über das Trennmittel vom Laufschaufelring entfernt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel vorab auf den Laufschaufelring aufgebracht und anschließend der Metallschaum mit dem Laufschaufelring verbunden wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel als Wachs ausgebildet ist.
12. Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren, wobei ein Laufschaufelring aus mehreren Laufschaufeln mit einem Rotorgrundkörper derart verbunden wird, dass mit dem Laufschaufelring ein Werkstoff verbunden wird, um den Laufschaufelring beim Verbinden desselben mit dem Rotorgrundkörper über Reibschweißen an diesem Werkstoff zu fixieren, und wobei nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper der Werkstoff vom Laufschaufelring entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden wird, und zwar derart, dass festes Kunststoffgranulat in Hohlräume des Laufschaufelrings eingebracht wird, wobei anschließend das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und mit dem Laufschaufel- ring verbunden wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkör- per unter mechanischer Zerstörung desselben vom Laufschaufelring entfernt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper thermisch vom Laufschaufelring entfernt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper chemisch entfernt wird.
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