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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Blisk („Bladed Disk”) oder eines Blings („Bladed Ring”) einer Gasturbine oder eines Hoch- oder Niederdruckverdichters. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mittels des Verfahrens hergestelltes Bauteil.
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Blisk („Bladed Disk) und Bling („Bladed Ring”) bezeichnen Rotor-Konstruktionen, bei denen Schaufeln integral mit einer tragenden Scheibe oder einem tragenden Ring hergestellt werden. Der Vorteil dieser Rotor-Konstruktionen besteht darin, dass die Scheiben- oder Ringform für geringe Randlasten optimiert werden kann und insgesamt zu einem geringeren Gewicht der entsprechenden Bauteile führt. Dabei werden Verdichter-Blisks aus Titan- oder Nickelbasislegierungen insbesondere durch Fräsen sowie vereinzelt durch lineares Reibschweißen oder elektrochemisches Abtragen hergestellt. Bei Verdichter-Blisks sind im Allgemeinen der Scheiben- und der Schaufelwerkstoff identisch. Dagegen müssen im Turbinenbereich die Scheiben- und Schaufelwerkstoffe grundsätzlich voneinander verschieden sein. Dadurch konnen Turbinen-Blisks nur fügetechnisch realisiert werden. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass Fügeverfahren, wie zum Beispiel das lineare Reibschweißen aufgrund der erforderlichen Stauchkräfte nicht oder wenig geeignet sind, um derartige Turbinen-Blisks herzustellen. Entsprechendes gilt für Blings. Aufgrund der genannten Einschränkungen sind die bekannten Herstellverfahren nur eingeschränkt verwendbar, wenn unterschiedliche konstruktive Gestaltungen von Blisks oder Blings gefordert sind. Zudem sind die bekannten Verfahren zum Teil sehr aufwändig und gehen mit einem entsprechenden hohen Kostenaufwand einher.
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Die
DE 30 20 580 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Turbinenläufers. Die Nabenscheibe des Turbinenlaufers ist aus einem ersten Werkstoff hergestellt und die Schaufeln sind aus einem zweiten Werkstoff hergestellt.
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Die
DE 28 24 369 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hyprid-Turbinenrades. Diese Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein isostatisches Heißpressen eines Schaufelkranzes und einer Tragscheibe stattfindet.
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Die
DE 37 25 132 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorbaugruppe. Diese Offenlegungsschrift stellt ebenso darauf ab, dass eine Rotorscheibe mit einem Schaufelkranz mittels isostatischem Heißpressen verbunden wird.
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Die
GB 2 109 274 A offenbart Ring und Scheibe eines Rotors, wobei vor dem Verbinden dieser Bauteile durch isostatisches Heißpressen ein sogenanntes „high melting point sealant” aufgetragen wird.
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Die Offenlegungsschrift
DE 30 40 578 A1 offenbart ebenso ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenrädern. Ein Ring wird dabei auf die Tragscheiben aufgeschrumpft.
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Die
US 4,096,615 offenbart die Herstellung eines Turbinenrotors. Zur Herstellung des Turbinenrotors wird ein Unterstützungsring vorgesehen, in den die Schaufeln in Nuten eingebracht werden. Der Ring wird daraufhin mit der Scheibe verbunden.
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Die
GB 1,064,399 beschreibt einen geschweißten Rotor. Die Erfindung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass in Scheibe und Ring eine Umfangsnut vorgesehen ist, welche die Schweißflächen von einander trennt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Blisk („Bladed Disk”) oder eines Blings („Bladed Ring”) bereitzustellen, welches sowohl bei der Herstellung einer Blisk oder einer Bling einer Gasturbine oder eines Hoch- oder Niederdruckverdichters verwendet werden kann und eine Vielzahl konstruktiver Gestaltungen dieser Bauteile ermöglicht.
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Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Bauteil bereitzustellen, welches kostengünstig in einer Vielzahl unterschiedlicher Gestaltungen herstellbar ist.
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Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil gemaß den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Blisk („Bladed Disk”) oder eines Blings („Bladed Ring”) einer Gasturbine oder eines Hoch- oder Niederdruckverdichters umfasst folgende Schritte: a) Herstellung eines ringförmigen Schaufelkranzes und b) Verbinden des ringförmigen Schaufelkranzes mit einer Rotorscheibe oder einem Rotorring, derart, dass der Schaufelkranz am Außenumfang der Rotorscheibe oder des Rotorrings angeordnet ist. Durch die zunächst separate Herstellung des Schaufelkranzes ist es vorteilhafterweise möglich, eine Vielzahl von bekannten Verfahren zum Verbinden des Schaufelkranzes mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring zur Herstellung der Blisk oder des Blings zu verwenden. Auf das Fügen einzelner Schaufeln auf die entsprechende Rotorscheibe oder den entsprechenden Rotorring – wie dies bei bekannten Herstellungsverfahren für Blisks oder Blings durchgeführt wird – kann verzichtet werden. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei der Herstellung von Blisks oder Blings für eine Gasturbine oder aber auch für einen Hoch- oder Niederdruckverdichter verwendet werden. Die separate Herstellung des Schaufelkranzes und das anschließende Verbinden des Schaufelkranzes mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring erlaubt zudem eine Vielzahl konstruktiver Gestaltungen dieser Bauteile. So können zum Beispiel Kühlkanäle, die bei einer Turbinenblisk sowohl die Schaufeln und die Scheibe durchziehen um Kühlluft aus dem Luftsystem im Inneren durch die Schaufeln nach außen zu leiten, ohne Weiteres hergestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schaufelkranz durch Fügen von gießtechnisch hergestellten Einzelschaufeln oder Schaufelsegmenten hergestellt. Dabei ist es möglich, dass ein ringformiges Element mit den Einzelschaufeln bestückt wird oder einzelne Schaufelsegmente zu einem ringförmigen Schaufelkranz gefügt werden. Als Fügeverfahren kann dabei ein Hochtemperatur-Löten oder ein Diffusionslöten eingesetzt werden. Es ist aber auch moglich, dass der Schaufelkranz einstückig mittels eines Gieß- oder Frasverfahrens hergestellt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemaßen Verfahrens erfolgt die Verbindung des ringformigen Schaufelkranzes mit der Rotorscheibe und dem Rotorring mittels eines Fügeprozesses. Dabei kann der Fügeprozess mittels eines Elektronenstrahlschweißverfahrens, eines Rotationsreibschweißverfahrens, eines Diffusionslotverfahrens oder eines Diffusionsschweißverfahrens durchgeführt werden. Auch andere geeignete Fügeprozesse sind denkbar. Dabei hat sich bei der Verwendung des Elektronenstrahlschweißverfahrens herausgestellt, dass die Verbindungsqualität erheblich verbessert werden kann, wenn zum Beispiel metallische Zwischenschichten auf der zu fügenden Fläche verwendet werden. Die metallischen Zwischenschichten werden verwendet, da der Schaufelwerkstoff im Allgemeinen nicht schmelzschweißbar ist. Es ist aber auch möglich, dass der Elektronenstrahl in Richtung eines schmelzschweißbaren Scheibenwerkstoffs versetzt gelenkt wird. Bei der Anwendung des Diffusionslötverfahrens wird auf einer der zu fügenden Flächen ein geeignetes Lot aufgebracht (zum Beispiel mit Lotfolie oder einem physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahren) und anschließend in einem Vakuumofen integral oder mit einem zum Beispiel ringförmigen Induktor lokal die erforderliche Wärmeenergie eingebracht. Bei der Verwendung eines Rotationsreibschweißverfahrens als Fügeprozess zur Verbindung des Schaufelkranzes mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring kann die Fügefläche zwischen Turbinenkranz und Scheibe konisch gestaltet werden. Dabei weist die Rotorscheibe oder der Rotorring in axialer Richtung ein Aufmaß auf und kann anschließend endbearbeitet werden. Insbesondere wird als Rotationsreibschweißverfahren ein Schwungrad-Reibschweißen verwendet. Schließlich ist bei der Verwendung des Diffusionsschweißverfahrens eine entsprechende Fügevorrichtung auszuwählen, die gewahrleistet, dass bei der entsprechenden Diffusionsschweißtemperatur die fügenden Komponenten zusammengepresst werden, so dass eine innige Verbindung zwischen dem Schaufelkranz und der Rotorscheibe bzw. dem Rotorring entsteht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Positionierung des Schaufelkranzes auf der Rotorscheibe und dem Rotorring mittels Schrumpfen. Um dies zu gewährleisten weisen der Schaufelkranz, die Rotorscheibe und der Rotorring die notwendigen Radien auf. Durch das Schrumpfen wird eine innige Verbindung zwischen den Einzelelementen der Blisk oder des Blings gewahrleistet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach dem Verbinden des ringförmigen Schaufelkranzes mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring Ausnehmungen in der Rotorscheibe und dem Rotorring ausgebildet, wobei die Ausnehmungen zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelschaufeln oder Schaufelsegmenten des Schaufelkranzes am Außenumfang der Rotorscheibe oder des Rotorrings umlaufend angeordnet sind. Durch eine derartige Ausgestaltung wird vorteilhafterweise ein Deckband zur Abschirmung der Rotorscheibe oder des Rotorrings ausgebildet. Dabei besteht das Deckband aus dem Ringelement bzw. ringformigen Bereich des Schaufelkranzes. Es ist aber auch möglich, dass nach dem Verbinden des ringförmigen Schaufelkranzes mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring diejenigen Bereiche des Schaufelkranzes, die zwischen den einzelnen Schaufeln liegen, entfernt werden, derart, dass nur noch jeweils ein Fußabschnitt der entsprechenden Schaufel mit der Rotorscheibe und dem Rotorring verbunden ist. Dieser Verfahrensschritt ist dabei mit oder ohne der Ausbildung der oben genannten Ausnehmungen in der Rotorscheibe oder dem Rotorring durchführbar. Man erkennt, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine Vielzahl konstruktiver Gestaltungsmöglichkeiten bereitstellt. Die Ausbildung der genannten Ausnehmungen oder das Entfernen der Zwischenbereiche des Schaufelkranzes erfolgt zum Beispiel mittels eines elektrochemischen Abtragverfahrens und/oder durch Funkenerosion. Aber auch andere Verfahren wie zum Beispiel Bohr- oder Fräsverfahren können verwendet werden.
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Ein erfindungsgemaßes Bauteil einer Gasturbine oder eines Hoch- oder Niederdruckverdichters, insbesondere einer Blisk („Bladed Disk”) oder eines Bling („Bladed Ring”) besteht aus einem separat hergestellten ringförmigen Schaufelkranz und einer damit verbundenen Rotorscheibe oder einem damit verbundenen Rotorring, wobei der Schaufelkranz im Außenumfang der Rotorscheibe oder des Rotorrings angeordnet ist. Durch die zweiteilige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils ist dessen kostengünstige Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Gestaltungen gewährleistet. Dabei kann der Schaufelkranz aus einer Vielzahl von segmentweise miteinander gefügten Einzelschaufeln oder Schaufelsegmenten bestehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils weist dieses ein Deckband zur Abschirmung der Rotorscheibe oder des Rotorrings auf. Das Deckband dient dabei insbesondere zur Abschirmung des Heißgases in der Gasturbine. Das Deckband kann dabei zum Beispiel durch einen ringförmigen Bereich des Schaufelkranzes gebildet werden, wobei nach dem Verbinden des ringförmigen Schaufelkranzes mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring Ausnehmungen in der Rotorscheibe oder dem Rotorring ausgebildet werden, wobei die Ausnehmungen zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelschaufeln des Schaufelkranzes am Außenumfang der Rotorscheibe oder Rotorrings umlaufend angeordnet sind. Daraus ergibt sich vorteilhafterweise eine besonders kostengunstige Herstellung eines Blisk oder eines Blings mit Deckband.
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Insbesondere werden die erfindungsgemäßen Bauteile nach einem der im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele. Dabei zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Schaufelkranzes als Teil eines erfindungsgemäßen Bauteils;
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2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß gefügten Bauteils gemaß einer ersten Ausführungsform;
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3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß gefügten Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß gefügten Bauteils gemäß einer dritten Ausführungsform;
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5 eine schematische Darstellung eines Fügeprozesses zur Verbindung eines ringförmigen Schaufelkranzes mit einer Rotorscheibe zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils gemäß einer ersten Ausführungsform; und
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6 eine schematische Darstellung eines Fügeprozesses zur Verbindung eines ringförmigen Schaufelkranzes mit einer Rotorscheibe zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaufelkranzes 12 als Teil einer Blisk oder eines Bling. Der Schaufelkranz 12 besteht dabei aus einer Vielzahl von Einzelschaufeln 14, die ringformig am Außenumfang eines ringförmigen Elementes 26 des Schaufelkranzes 12 angeordnet sind. Das ringförmige Element 26 wird dabei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Vielzahl von gekrümmten Schaufelbasiselementen 28 gebildet, die miteinander gefugt sind, wobei erste Fügenähte bzw. -stellen 30 entstehen. Die Schaufeln 14 sind dabei mittig an der Außenflache des jeweiligen Schaufelbasiselements 28 angeordnet. In der Verlängerung der jeweiligen Schaufel 14 ist in der Schaufelbasis 28 ein Fußabschnitt 22 der Schaufel 14 ausgebildet. Der dargestellte Schaufelkranz 12 wird dabei durch ein segmentweises Fügen der Einzelschaufeln 14 bzw. der Schaufelbasiselemente 28 hergestellt. Insbesondere wird hierzu ein Hochtemperaturlötverfahren oder ein Diffusionslötverfahren verwendet. Es ist aber auch möglich, dass entsprechende Schaufelkränze einstückig mittels eines Gieß- oder Fräsverfahrens hergestellt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines gefügten Bauteils 10, namlich einer Blisk für eine Gasturbine. Man erkennt, dass der Schaufelkranz 12 mit einer Rotorscheibe 16 verbunden ist, derart, dass der Schaufelkranz 12 am Außenumfang 18 der Rotorscheibe 16 zu liegen kommt. Die Rotorscheibe 16 und der Schaufelkranz 12 werden dabei mittels eines Fügeprozesses verbunden. Der Fügeprozess kann dabei ein Elektronenstrahlschweißverfahren, ein Rotationsschweißverfahren, ein Diffusionslötverfahren oder ein Diffusionsschweißverfahren sein. Durch das Fügen der Rotorscheibe 16 mit dem Schaufelkranz 12 entsteht eine umlaufende zweite Fügenaht 32.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Bauteils 10. Man erkennt, dass das Bauteil 10 wiederum als Blisk ausgebildet ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Blisk ein Deckband 24 zur Abschirmung der Rotorscheibe 16 auf. Dabei wird das Deckband 24 durch den ringförmigen Bereich 26 des Schaufelkranzes 12 gebildet. Hierfür werden nach dem Verbinden des ringförmigen Schaufelkranzes 12 mit der Rotorscheibe 16 Ausnehmungen 20 in der Rotorscheibe 16 ausgebildet, wobei die Ausnehmungen 20 zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelschaufeln 14 des Schaufelkranzes 12 am Außenumfang 18 der Rotorscheibe 16 umlaufend angeordnet sind. Die Ausbildung der Ausnehmungen 20 erfolgt dabei mittels eines präzisen elektrochemischen Abtragverfahrens und/oder durch Funkenerosion. Auch andere abtragende Verfahren sind denkbar.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Bauteils 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 10 eine Blisk. Man erkennt, dass diese Blisk im Vergleich zu der in 3 dargestellten Blisk kein Deckband 24 aufweist. Bei dem dargestellten Bauteil 10 wurden nach dem Verbinden des ringförmigen Schaufelkranzes 12 mit der Rotorscheibe 16 diejenigen Bereiche des Schaufelkranzes 12, die zwischen den Einzelschaufeln 14 bzw. Schaufelsegmenten liegen, entfernt, derart, dass nur noch jeweils der Fußabschnitt 22 der entsprechenden Schaufel 14 mit der Rotorscheibe 16 verbunden ist. Eine derart ausgebildete Blisk weist nur noch die zweiten Fügenähte 32 auf. Das Entfernen der Zwischenbereiche des Schaufelkranzes 12 kann dabei ebenfalls mittels eines elektrochemischen Abtragverfahrens und/oder durch Funkenerosion erfolgen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Fügeprozesses zur Verbindung des ringförmigen Schaufelkranzes 12 mit der Rotorscheibe 16 zur Herstellung eines Bauteils 10, nämlich einer Blisk. Bei dem dargestellten Fugeprozess handelt es sich um ein Reibschweißverfahren, insbesondere ein Schwungradreibschweißverfahren. Man erkennt, dass die Fügeflache zwischen dem Schaufelkranz 12 und der Rotorscheibe 16 konisch gestaltet ist. Entsprechendes gilt für die entstehende zweite Schweißnaht 32. Eine Scheibenachse 34 ist in dieser Figur ebenfalls schematisch dargestellt.
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Auch bei dem in 6 dargestellten Fügeprozess handelt es sich um ein Reibschweißverfahren, nämlich um ein Schwungradreibschweißverfahren. Man erkennt, dass auch in diesem Fall eine konische Schweißnaht 32, insbesondere eine Reibschweißnaht 32 bei der Verbindung des Schaufelkranzes 12 mit der Rotorscheibe 16 entsteht.
