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Die vorgeschlagene Lösung betrifft ein Triebwerksbauteil für ein Triebwerk, insbesondere ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Triebwerksbauteils.
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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 quasistatische 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.
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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.
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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 Materialkosten 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.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorgeschlagenen Lösung die Aufgabe zugrunde, ein in dieser Hinsicht verbessertes Triebwerksbauteil und ein verbessertes Herstellungsverfahren bereitzustellen.
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Diese Aufgabe ist mit einem Triebwerksbauteil des Anspruchs 1 und mit einem Herstellungsverfahren des Anspruchs 16 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein weiterer Aspekt der vorgeschlagenen Lösung betrifft ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Triebwerksbauteils.
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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.
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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.
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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.
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Beispielsweise werden die Zugeigenspannungen an einer Oberfläche des Triebwerkbauteils entlang einer Linie eingebracht, um eine Rissausbreitung entlang dieser Linie zu leiten.
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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.
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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.
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Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
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Hierbei zeigen:
- 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;
- 2 ausschnittsweise und in vergrößertem Maßstab die Blisk mit der einzelne Laufschaufel der 1 unter Veranschaulichung unterschiedlicher Belastungszonen im unteren Drittel eines Schaufelblattes der Laufschaufel;
- 3 schematisch und in Seitenansicht die Laufschaufel der 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;
- 4 exemplarische Verläufe von eingebrachten Eigenspannungen an einem Modifikationsbereich gemäß der 1 und der 3 quer zur Oberfläche;
- 5 in schematischer geschnittener Ansicht ein (Gasturbinen-) Triebwerk, bei dem Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung Verwendung finden können;
- 6 in perspektivischer, schematischer Ansicht eine Blisk als Ausführungsbeispiel für ein vorgeschlagenes Triebwerksbauteil;
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Die 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 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.
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Die 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 1 zeigt hierbei exemplarisch eine dieser Laufschaufeln 31.
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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 1 einen im unteren Drittel der Nasenleiste 31a beginnenden Riss 4, der sich in Richtung der Endleiste 31b ausgebreitet hat.
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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.
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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.
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Im Falle der Ausführungsvariante der 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 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.
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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.
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Wie in der vergrößerten Darstellung der 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.
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In der dargestellten Ausführungsvariante ist daher, wie anhand der Seitenansicht der 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.
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Anhand möglicher Eigenspannungsprofile entsprechend des Diagramms der 4 wird die Bildung eines Motivationsbereiches 34 nochmals näher veranschaulicht. In dem Diagramm der 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 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.
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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.
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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 4 reduzierten Druckeigenspannungen) vorgesehen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Niederdruckverdichter
- 12
- Hochdruckverdichter
- 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
- 31b
- 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
- TT
- Turbine
- U
- Umfangsrichtung
- V
- Verdichter
- Y
- Abstand / Höhe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 3480430 A1 [0004, 0034]
