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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verkleidungselementes für eine Brennkammer einer Strömungsmaschine und ein derartiges Verkleidungselement.
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Brennkammern in Strömungsmaschinen wie Flugzeugtriebwerken sollen eine stabile Verbrennung bei optimaler Brennstoffausnutzung auf kleinstem Raum und für einen großen Bereich eines Brennstoff/Luft-Verhältnisses ermöglichen. Je nach Anwendung und Anforderung existieren verschiedene Brennkammerbauarten.
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Eine Ringbrennkammer wird häufig bei Triebwerken mit Axialverdichter eingesetzt. Sie hat ein ringförmiges Flammrohr und beispielsweise zwei ringförmige Sekundärluftkanäle zur Kühlung. Rohrbrennkammern hingegen werden häufig bei Triebwerken mit Radialverdichtern eingesetzt, da der Luftstrom bereits durch Austrittsdiffusoren des Radialverdichters geteilt ist. Eine gesamte Triebwerksbrennkammer hat beispielsweise acht bis zwölf konzentrisch um das Triebwerk angeordnete Rohrbrennkammern, denen jeweils ein eigener Sekundärluftkanal zugeordnet ist. Eine Ringrohrbrennkammer ist eine Kombination von Rohr- und Ringbrennkammer. Sämtlichen Flammrohren der Ringrohrbrennkammern ist ein gemeinsamer Sekundärluftkanal zugeordnet.
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Das Flammrohr bzw. die Flammrohre der Brennkammern ist/sind wegen der hohen Temperatur mit Schindeln aus warmfestem Material ausgekleidet. Die Schindeln bzw. Verkleidungselemente haben einen plattenförmigen Grundkörper, welcher mittels rückseitigen Befestigungsmitteln an einem Tragelement lösbar befestigbar ist. Aufgrund der hohen thermischen Beanspruchung sind die Verkleidungselemente jedoch einem hohen Verschleiß ausgesetzt. Dieser äußert sich beispielsweise in abgebrannten Bereichen der Grundkörper, was regelmäßig einen Austausch des jeweils beschädigten Verkleidungselementes erfordert. Aufgrund des warmfesten Grundmaterials sind die Verkleidungselemente jedoch sehr teuer.
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Aus der Druckschrift
US 2005/0 028 527 A1 ist ein Verfahren zur Reparatur eines luftgekühlten Verkleidungselements für eine Brennkammer einer Strömungsmaschine bekannt. Das Verkleidungselement weist eine Vielzahl von integralen, wechselseitig beabstandeten, radial nach Außen vorstehenden Vorsprüngen bzw. Stiften auf, die im Betrieb von Kühlluft umströmt werden. Häufig sind solche Verkleidungselemente z. B. durch Abbrand im Randbereich beschädigt. Im vorliegenden Lösungsvorschlag wird ein beschädigter Randbereich abgetrennt und durch ein entsprechendes Reparaturelement ersetzt. Beim Anfügen des Reparaturelements ist darauf zu achten, dass im Fügebereich die Strömungspfade zwischen den Stiften nicht gestört bzw. unterbrochen werden. Anders gesagt sollte das Stiftmuster im Fügebereich möglichst unverändert bleiben.
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Die Druckschrift
DE 199 59 292 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Gasturbinenbrennkammer. Dabei werden die Verkleidungselemente durch Laserschweißen integral miteinander verbunden. Eine solche Bauweise erschwert später erforderliche Reparaturen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Verkleidungselementes für eine Brennkammer einer Strömungsmaschine mit einer reduzierten Neumaterialmenge sowie ein derartiges Verkleidungselement zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verkleidungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verkleidungselementes für eine Brennkammer einer Strömungsmaschine, das einen Grundkörper und mehrere integrale Befestigungsmitteln zur Befestigung an einem Tragelement hat, wird zumindest ein altes Befestigungsmittel von einem alten Verkleidungselement abgetrennt. Zudem wird ein Grundkörper hergestellt, an dem mindestens ein Anbindungsbereich zur Anbindung des alten Befestigungsmittels vorgesehen wird. Anschließend wird das zumindest eine alte Befestigungsmittel an dem Grundkörper im Anbindungsbereich mittels Rotationsreibschweißens angebunden.
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Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Prinzip der Wiederverwendung. Hierzu werden intakte Teilbereiche eines alten Verkleidungselementes in ein neues Verkleidungselement integriert, wodurch Neumaterial zum Aufbau des Verkleidungselementes reduziert wird. Dabei sind insbesondere die Befestigungsmittel geeignet, da diese außerhalb eines Heißgaspfades angeordnet und somit thermisch nicht hochbelastet waren bzw. sind. Eine Materialermüdung der Befestigungsmittel ist somit nicht zu befürchten bzw. nahezu ausgeschlossen. Zudem werden die Befestigungsmittel intensiv durch einen Sekundärluftstrom gekühlt. Das Rotationsreibschweißen ermöglicht dabei die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung bei nicht schmelzschweißgeeigneten Werkstoffen, da beim Rotationsreibschweißen der Schmelzpunkt nicht überschritten wird und typische Fehlerbilder von Schmelzschweißverbindungen somit nicht entstehen können. Beispielhafte Werkstoffe sind Nickellegierungen wie die hochlegierte Nickellegierung B1900 + HF.
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Bei einem Ausführungsbeispiel werden bei der Herstellung des Grundkörpers neue Befestigungsmittel integral ausgebildet, die um die Anzahl der Anbindungsbereiche reduziert sind. Hierdurch sind nur so viele Rotationsreibschweißvorgänge notwendig, wie alte Befestigungsmittel wiederverwendet werden.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel werden nach der Herstellung des Grundkörpers neue Befestigungsmittel mittels Rotationsreibschweißens angebunden, die um die Anzahl der alten Befestigungsmittel reduziert sind. Dieses Ausführungsbeispiel erlaubt eine von dem Grundkörper getrennte und somit parallele Herstellung der Befestigungsmittel, wodurch die Fertigung des Verkleidungselementes zeitlich verkürzt wird.
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Bevorzugterweise wird der Grundkörper gegossen. Das Gießen ermöglicht insbesondere eine wiederholbare hohe Maßgenauigkeit und einen vollständigen bzw. nahezu vollständigen Verzicht auf Zugaben für eine mechanische Nachbearbeitung.
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Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen wird es bevorzugt, wenn flammenseitig eine Wärmeschutzschicht und/oder eine Haftschicht aufgetragen wird/werden. Vorzugsweise wird die zumindest eine Schweißnaht hierzu nachgearbeitet, bspw. geglättet und/oder gereinigt. Durch das nachträgliche Auftragen der zumindest einen Schicht kann der Grundkörper zum Rotationsreibschweißen bequem eingespannt werden, da keine Rücksicht auf irgendwelche vor Beschädigungen zu schützende Schichten genommen werden muss.
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Ein bevorzugtes Verkleidungselement für eine Brennkammer einer Strömungsmaschine hat einen Grundkörper und eine Vielzahl von integralen Befestigungsmitteln, wobei zumindest ein Befestigungsmittel ein wiederverwendbares altes Befestigungsmittel ist. Ein derartiges Verkleidungselement zeichnet sich durch eine reduzierte Verwendung von Neumaterial aus.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Verkleidungselements,
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2 eine Rückansicht des erfindungsgemäßen Verkleidungselements,
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3 eine Vorderansicht eines altes Verkleidungselements,
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4 eine Rückansicht des alten Verkleidungselements,
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5 Befestigungsmittel und Grundkörper des alten Verkleidungselements im voneinander getrennten Zustand,
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6 einen Grundkörper des neuen Verkleidungselements,
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7 eine Integration der alten Befestigungsmittel in den Grundkörper, und
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8 eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Verkleidungselements.
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In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente gleiche Bezugsziffern, wobei bei mehreren gleichen konstruktiven Elementen in einer Figur lediglich ein Element mit einer Bezugsziffer versehen ist.
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In den 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßes Verkleidungselement 1 zum Auskleiden eines Flammrohres einer Strömungsmaschine wie ein Flugzeugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine gezeigt. Das Flammrohr bildet beispielsweise einen Teil einer Ringbrennkammer. Das Verkleidungselement 1 bzw. die Schindel hat einen plattenförmigen, leicht gebogenen Grundkörper 2 mit einer konkaven Vorder- bzw. Flammseite 4 sowie einer zu dieser entgegengesetzt angeordneten konvexen Rückseite 6. In Umfangsrichtung der Brennkammer und somit in Längsrichtung des Verkleidungselementes 1 sind in dem Grundkörper 2 eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Durchlässen 8 ausgebildet, die sich von der Rückseite 6 durch den Grundkörper 2 zur Flammseite 4 erstrecken. Insbesondere dienen die Durchlässe 8 zur Zuführung von Misch- und/oder Kühlluft in das Flammrohr. An der Rückseite 6 und somit rückseitig des Grundkörpers 2 sind eine Vielzahl von stiftartigen Befestigungsmitteln 10 angeordnet. Das gezeigte Ausführungsbeispiel weist vier Durchlässe 8 und fünf Befestigungsmittel 10 auf.
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Der Grundkörper 2 ist ein Gussteil und besteht aus einem warmfesten Grundmaterial wie einer hochlegierten Nickellegierung, insbesondere B1900 + HF. Im montierten Zustand sind eine Vielzahl von den Verkleidungselementen 1 derart nebeneinander, hintereinander und geschachtelt angeordnet, dass ein ausgekleidetes Flammrohr mit einer geschlossenen bzw. spaltfreien und stufenlosen Innenumfangsfläche gebildet ist.
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Zum Schutz des Grundkörpers 2 vor hohen Temperaturen ist die Flammseite 4 vollflächig mit einer Wärmeschutzschicht 12 versehen. Neben einer Erhöhung der Temperaturbeständigkeit des Grundkörpers 2 bewirkt die Wärmeschutzschicht 12 eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und Erosionsbeständigkeit sowie allgemein einen verbesserten Schutz des Grundkörpers 2 vor Fremdkörpern. Zudem schützt die Wärmeschutzschicht 12 den Grundkörper 2 insbesondere vor einem sogenannten Calcium-Magnesium-Aluminium-Silicate(CMAS)-Angriff, der beispielsweise dann auftritt, wenn sich Schmutz, der sich an stromaufwärtigen Schaufeln der Strömungsmaschine angesammelt hat, löst. Zur Verbesserung der Eigenschaften der Wärmeschutzschicht 12 ist diese über eine Haftschicht 14 auf die Flammseite 4 aufgetragen. Die Haftschicht 14 besteht vorzugsweise aus einem MCrAlY-Werkstoffsystem. „M” steht für den metallischen Basiswerkstoff Nickel oder Kobalt oder für eine Legierung dieser beiden Basiswerkstoffe. Beispiele für MCrAlY-Werkstoffsysteme sind NiCrAlY, CoCrAlY oder CoNiCrAlY. Die Haftschicht 14 kann jedoch auch alleine als korrosionsbeständige Schicht eingesetzt werden.
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Die Befestigungsmittel 10 dienen zur Befestigung der Verkleidungselemente 1 an einem nicht gezeigten Tragelement. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Befestigungsmittel 10 Gewindestifte, die stoffschlüssig mit dem Grundkörper 2 verbunden sind und somit mit diesem integral ausgebildet sind. Sie bestehen vorzugsweise aus dem gleichen warmfesten Werkstoff wie der Grundkörper 2 und somit aus einer warmfesten Nickelbasislegierung. Die Befestigungsmittel 10 sind mittels Rotationsreibschweißens an der Rückseite 6 des Grundkörpers 2 angebunden. Das Rotationsreibschweißen hat den Vorteil, dass der Schmelzpunkt des Grundmaterials des Grundkörpers 2 sowie der Befestigungsmittel 10 nicht überschritten wird und typische Fehlerbilder von Schmelzschweißverbindungen somit nicht entstehen können. Zudem ist die Schweißverbindung unempfindlich gegen in der Brennkammer auftretende hohe Temperaturen und es wird kein Schweißzusatzmaterial benötigt.
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In den 3 und 4 ist ein altes, im Betrieb gewesenes Verkleidungselement 16 gezeigt. Dieses weist an einer Längsseite seines Grundkörpers 18 zerstörte Bereiche 20 auf, die aufgrund der hohen thermischen Belastung innerhalb des Flammrohrs verbrannt sind. Rückseitige Befestigungsmittel 10 sind jedoch unbeschädigt.
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Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des Verkleidungselementes 1 zum Ersatz des alten Verkleidungselementes 16 anhand von den 5 bis 8 näher erläutert:
Wie in 5 gezeigt, wird ein altes und auszutauschendes Verkleidungselement 16 bereitgestellt. Die Befestigungsmittel 10 des alten Verkleidungselementes 16 werden auf ihren Zustand hin begutachtet und im Falle einer Freigabe für eine weitere Verwendung bzw. Wiederverwendung von dem Grundkörper 18 abgetrennt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle fünf Befestigungsmittel 10 für eine Wiederverwendung geeignet. Um die axiale Länge der Befestigungsmittel 10 zu erhalten, werden sie an ihren Fußabschnitten 22 von dem Grundkörper 18 abgetrennt bzw. abgeschnitten. Sollten für die Herstellung des neuen Verkleidungselements 1 nicht ausreichend viele alte Befestigungsmittel 10 zur Verfügung, so können die fehlenden Befestigungsmittel von anderen alten Verkleidungselementen 16 abgetrennt werden oder die fehlenden Befestigungsmittel durch neue Befestigungsmittel ersetzt werden.
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Zudem wird, wie in 6 angedeutet, ein Grundkörper 2 frei von den Befestigungsmitteln 10 als Neuteil gegossen. Die Durchlässe 8 werden direkt beim Gießen des Grundkörpers 2 oder nachträglich als Bohrungen in diesen eingebracht. Ferner wird, wie durch die kleinen Kreise angedeutet, eine Vielzahl von Anbindungsbereichen 24 zur Anbindung der Befestigungsmittel 10 des alten Verkleidungselementes 16 rückseitig vorgesehen. Die Anbindungsbereiche 24 können als einfache, nicht besonders bearbeite Flächenbereiche der Rückseite 6 des Grundkörpers 2 oder bspw. mit Stumpfen zum Ausgleich von axialen Längenverlusten der Befestigungsmittel 10 ausgebildet sein. Da in dem gezeigten Ausführungsbeispiel alle fünf Befestigungsmittel 10 wiederverwendet werden, sind fünf Anbindungsbereiche 24 skizziert.
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Nach der Herstellung des Grundkörpers 2 werden, wie in 7 gezeigt, die Befestigungsmittel 10 in den Anbindungsbereichen 24 jeweils mittels ihres Fußabschnittes 22 angebunden. Die Anbindung erfolgt mittels Rotationsreibschweißens, wobei die Befestigungsmittel 10 jeweils in eine entsprechende Aufnahme eingespannt und um ihre Längsachse rotierend unter axialer Druckbeaufschlagung gegen den Grundkörper 2 im jeweiligen Anbindungsbereich 24 gepresst werden. Der Grundkörper 2 ist fest eingespannt und wird beim Rotationsreibschweißen nicht bewegt. Nach der Anbindung der Befestigungsmittel 10 an den Grundkörper 2 werden ihre Schweiß- bzw. Verbindungsnähte je nach Bedarf nachbearbeitet bspw. geglättet, gereinigt und dergleichen.
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Nach der Nacharbeit der Schweißnähte werden, wie in 8 gezeigt, die Haftschicht 14 und die Wärmeschutzschicht 12 auf die Flammseite 4 und somit vorderseitig aufgetragen. Das Verkleidungselement 1 ist nun hergestellt und kann als Ersatz für das alte Verkleidungselement 16 in dem Flammrohr montiert werden.
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Offenbart sind ein Verfahren zur Herstellung eines Verkleidungselementes für eine Brennkammer einer Strömungsmaschine, an dessen Grundkörper eine Vielzahl von integralen Befestigungsmitteln angebunden sind, wobei zumindest einige der Befestigungsmittel wiederverwendete benutzte Befestigungsmittel von auszutauschenden Verkleidungselementen sind, die mittels Rotationsreibschweißens an den Grundkörper angebunden werden, sowie ein derartig hergestelltes Verkleidungselement.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verkleidungselement
- 2
- Grundkörper
- 4
- Flammseite
- 6
- Rückseite
- 8
- Durchlass
- 10
- Befestigungsmittel
- 12
- Wärmeschutzschicht
- 14
- Haftschicht
- 16
- altes Verkleidungselement
- 18
- Grundkörper
- 20
- Bereich
- 22
- Fußabschnitt
- 24
- Anbindungsbereich
