EP2198128A1 - Verfahren zur herstellung einer blisk oder eines blings, mittels eines angeschweissten schaufelfusses - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer blisk oder eines blings, mittels eines angeschweissten schaufelfusses

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EP2198128A1
EP2198128A1 EP08839201A EP08839201A EP2198128A1 EP 2198128 A1 EP2198128 A1 EP 2198128A1 EP 08839201 A EP08839201 A EP 08839201A EP 08839201 A EP08839201 A EP 08839201A EP 2198128 A1 EP2198128 A1 EP 2198128A1
Authority
EP
European Patent Office
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ring
blade
rotor
turbine
turbine blades
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08839201A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Bamberg
Karl-Hermann Richter
Thomas Uihlein
Joachim Wulf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2198128A1 publication Critical patent/EP2198128A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3061—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers by welding, brazing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046—Welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/006—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass turbine wheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/34—Rotor-blade aggregates of unitary construction, e.g. formed of sheet laminae
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001—Turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a blisk ("bladed disk”) or a bling ("bladed ring") of a gas turbine.
  • the invention further relates to a component produced by means of the method and to a turbine blade consisting of an airfoil and a blade root.
  • Bladed (Bladed Disk) and Bling (Bladed Ring) designate rotor designs where blades are made integral with a load bearing disk or bearing ring
  • the advantage of these rotor designs is that the disks or ring shape are designed for low edge loads
  • compacting blisks made of titanium or nickel-based alloys are produced, in particular by milling, and occasionally by linear friction welding or electrochemical ablation
  • the disc and blade materials must be different from each other in order to meet the mechanical and thermal requirements.
  • turbine blades produced by casting have a polycrystalline, directionally solidified or monocrystalline structure and are alsgrun d of the very high ⁇ 'content in the material is not suitable for fusion welding.
  • Turbine discs are often made from materials that are suitable for molten-ash, such as Inconel 718.
  • molten-ash such as Inconel 718.
  • turbine blisks can only be realized by means of joint technology. It should be noted, however, that joining methods, such as linear friction welding due to the required compression forces are not or are poorly suited to produce such turbine blisks. The same applies to bling. Due to the mentioned limitations, the known production methods are only limited usable. In addition, the known methods sometimes very complex and go with a corresponding high cost.
  • a method for producing a bladed disk or a bladed ring of a gas turbine comprises the following steps: a) producing at least one turbine blade by joining an airfoil to an adapter element consisting of a weldable metallic material, wherein the adapter element serves to form a blade root of the turbine blade; and b) connecting the turbine blade or a plurality of turbine blades to a rotor disk made of a fusion-weldable metallic material or a rotor ring made of a fusion-weldable metallic material, such as the turbine blade (s) on the outer circumference of the rotor disk or the rotor ring are arranged.
  • step b) a production of an annular blade ring from a plurality of turbine blades produced by the process step a), wherein in step b) then connecting the annular blade ring with the existing of a melt-weld metal material rotor disk or the rotor ring made of a fusion weldable metallic material is performed, such that the blade ring is arranged on the outer circumference of the rotor disk or the rotor ring.
  • the formation of the blade ring is advantageously carried out by a segment-wise joining of the formed as a blade feet adapter of the individual turbine blades.
  • the adapters are made of a melt-weldable metallic material, a fusion welding process, in particular an electron beam welding process, can be used for this purpose.
  • a fusion welding process in particular an electron beam welding process
  • the connection of the turbine blades or the annular blade ring with the rotor disk or the rotor ring which also consist of a melt-weldable metallic material.
  • the same joining process namely a fusion welding process, in particular an electron beam fusion welding process can be used.
  • the material of the adapter element of the material of Rotor disc and the rotor ring correspond.
  • the material is a wrought alloy or forging material component, in particular a high-temperature resistant nickel alloy.
  • the material of the blades consists of a cast alloy, in particular a high temperature resistant nickel alloy.
  • the positioning of the blade ring on the rotor disk and the rotor ring by means of shrinking takes place.
  • the blade ring, the rotor disk and the rotor ring have the necessary radii.
  • the shrinkage ensures an intimate connection between the individual elements of the blisk or the bling.
  • the removal of the intermediate regions of the turbine blades or of the blade ring and / or the rotor disk or the rotor ring takes place, for example, by means of an electrochemical removal method and / or an electroerosive removal method (spark erosion). But other methods such as drilling or milling methods can be used.
  • a component of a gas turbine according to the invention in particular a blisk ("bladed disk”) or a bling ("bladed ring”) consists of separately produced turbine blades or a ring made of a plurality of separately produced turbine blades.
  • a rotor blade formed therefrom or made of a metallic material suitable for fusion welding the turbine blades or the blade ring being arranged on the outer circumference of the rotor disk or of the rotor ring, and the turbine blades each being composed of a rotor blade Airfoil and an attached thereto, made of a fusion weldable metallic material consisting adapter element, wherein the adapter element is designed to form a blade root of the turbine blade.
  • the inventive design of the component in particular the design of the turbine blades, it is possible to manufacture the component relatively inexpensively and inexpensively.
  • the number of different joining methods can be significantly reduced in comparison with previously known production methods.
  • Due to the design of the blade root or the adapter element made of a weldable suitable metallic material these can be joined to the blade ring consisting of a plurality of turbine blades by means of a fusion welding process, in particular an electron beam fusion welding process.
  • the same joining methods can be used for the connection of the individual turbine blades or the blade ring with the corresponding rotor disk or the corresponding rotor ring, since these e- b consult each consist of a weldable suitable metallic material.
  • the material of the adapter element may correspond to the material of the rotor disk or the rotor ring.
  • the material may be a wrought alloy, in particular a high-temperature resistant nickel alloy.
  • the connection of the airfoil to the adapter element usually takes place by means of a pressure welding process, an inductive low-frequency or high-frequency compression welding process, a linear friction welding process or a diffusion welding process, since the material of the airfoil is usually non-fusion-weldable and can consist of a casting alloy, in particular a high-temperature-resistant nickel alloy ,
  • this has at least one shroud for shielding the rotor disk or the rotor ring.
  • the cover Band serves in particular for shielding the hot gas in the gas turbine.
  • the component may have an outer shroud.
  • the components according to the invention are produced by one of the methods described above.
  • a turbine blade according to the invention of a gas turbine consists of an airfoil and a blade root, wherein the airfoil consists of a non-meltable metallic material and the blade root of a weldable suitable metallic material.
  • the airfoil consists of a non-meltable metallic material and the blade root of a weldable suitable metallic material.
  • the blade root is designed in particular as a separate adapter element, such that a plurality of interconnected adapter elements form a ring of a turbine blade ring.
  • the airfoil consists of a cast alloy and the adapter element of a wrought alloy.
  • the wrought alloy and / or the casting alloy may be a high-temperature-resistant nickel alloy.
  • Figure 1 is a schematic representation of a turbine blade according to the invention as part of a component according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a blade ring according to the invention joined
  • Figure 3 is a schematic representation of an inventive joined component according to a first embodiment
  • Figure 4 is a schematic representation of an inventive joined component according to a second embodiment
  • Figure 5 is a schematic representation of an inventive joined component according to a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a turbine blade 10 as part of a gas turbine, in particular as part of a blisk or a bling. It can be seen that the turbine blade 10 has a two-part construction.
  • An airfoil 12 consisting of a non-melt-weldable material is connected to an adapter element 16 via a first weld seam 18.
  • the adapter element 16 forms a blade root of the turbine blade 10.
  • the joining of the blade 12 to the adapter element 16 takes place either by a pressure welding process, in particular a linear friction welding or an inductive high frequency pressure welding or by a diffusion welding process.
  • the blade 12 is made of a cast alloy, in particular a high temperature resistant nickel alloy.
  • the adapter element 16 is also made of a high temperature resistant nickel alloy, but the alloy is designed as a wrought alloy.
  • the turbine blade has elements of an inner shroud 14.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a turbine blade ring 28 joined from the turbine blades 10 shown in FIG. 1. It can be seen that a multiplicity of adapter elements 16 connected to one another form a ring of the turbine blade ring 28. The individual adapter elements 16 are joined together via corresponding second weld seams 20. The joining can take place by means of a fusion welding process, in particular an electron beam fusion welding process. It can be seen that the second welds extend in the radial direction, wherein in each case the side surfaces of the adapter elements 16 are joined. Since low-pressure turbine blades generally have outer and inner shrouds 14, the electron beam welding must be performed from the inside to the outside.
  • the angle of the electron beam with respect to the axis of rotation is less than 90 °
  • the effective welding depth is given by t / sin ⁇ , where t is the height of the adapter element 16 and ⁇ is the angle between the axis of rotation and the electron beam.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a joined component 30, namely a blisk, consisting of a rotor disk 22 and the turbine ring 28 joined to the outer circumference 26 of the rotor disk 22.
  • the positioning of the blade ring 28 on the rotor disk 22 preferably takes place by means of shrinking.
  • the connection of the annular blade ring 28 with the rotor disk 22 is again effected by means of a joining process, namely a fusion welding process such as an electron beam welding process.
  • the forming third weld 24 is either axial or slightly conical. In the first case (see FIG. 3), the electron beam source is stationarily positioned above a point of the seam 24 to be joined.
  • FIG. 3 shows a first embodiment of the component 30.
  • the adapter elements 16, which serve as blade roots of the turbine blades 10, are configured such that no further post-processing is necessary.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the component 30.
  • the component 30 according to the second embodiment is also a blisk.
  • FIG. 3 shows that after the annular blade ring 28 has been connected to the rotor disk 22, those regions of the blade ring 28 which lie between the individual turbine blades 10 have been partially removed such that only one respective foot portion 32 of the rotor blade 28 remains corresponding blade 10 is connected to the rotor disk 22.
  • the removal of these intermediate regions of the blade ring 28 can be effected by means of a milling process and / or an electrochemical removal process and / or an electrical discharge machining process.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the component 30.
  • the component 30 according to the third embodiment is also a blisk.
  • the turbine blades 10 have been directly, i. without the prior manufacture of a blade ring 28, connected to the rotor disk 22. After joining the turbine blades 10 to the rotor disk 22, those portions of the turbine blades 10 interposed between the individual turbine blades 10 have been partially removed such that the weld 24 formed between the turbine blades 10 and the rotor disk 22 is partially removed is interrupted.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Blisk ("Bladed Disk" ) oder eines Blings ("Bladed Ring") einer Gasturbine, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Herstellung einer Turbinenschaufel (10) durch Fugen von einem Schaufelblatt (12) an ein aus einem schmelzschweissgeeigneten metallischen Werkstoff bestehendes Adapterelement (IS), wobei das Adapterelement (16) zur Ausbildung eines Schaufelfusses der Turbinenschaufel (10) dient und b) Verbinden der Turbinenschaufel (10) mit einer aus einem schmelzschweissigeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorscheibe (22) oder einem aus einem schmelzschweissgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorring, derart, das die Turbinenschaufel (10) am Aussenumfang (26) der Rotorscheibe (22) oder des Rotorrings angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil einer Gasturbine oder eines Hoch- oder Niederdruckverdichters, insbesondere eine Blisk ("Bladed Disk" ) oder ein Bling ("Bladed Ring"). Erfindungsgemäss besteht das Bauteil (30) aus separat hergestellten Turbinenschaufeln (10) oder einem aus den Turbinenschaufeln (10) separat hergestellten ringförmigen Schaufelkranz (28) und einer damit verbundenen, aus einem schmelzschweissgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorscheibe (22) oder einem damit verbundenen, aus einem schmelzschweissgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorring.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER BLISK ODER EINES BLINGS MITTELS EINES ANGESCHWEISSTEN SCHAUFELFUSSES
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Blisk („Bladed Disk") oder eines Blings („Bladed Ring") einer Gasturbine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mittels des Verfahrens hergestelltes Bauteil sowie eine Turbinenschaufel bestehend aus einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß.
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 Scheibenoder 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 voneinander verschieden sein, um den mechanischen und thermischen Anforderungen genügen zu können. So weisen gießtechnisch hergestellte Turbinenschaufeln ein polykristallines, gerichtet erstarrtes oder einkristallines Gefüge auf und sind aufgrund des sehr hohen γ' -Anteils im Werkstoff nicht schmelzschweißgeeignet. Dagegen werden Turbinenscheiben häufig aus schmelzscheißge- eigneten Werkstoffen, wie zum Beispiel Inconel 718, gefertigt. Dadurch können Turbinen- Blisks nur fugetechnisch 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. Zudem sind die bekannten Verfahren zum Teil sehr aufwändig und gehen mit einem entsprechenden hohen Kostenaufwand einher.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Blisk („Bladed Disk") oder eines Blings („Bladed Ring") einer Gasturbine bereitzustellen, welches relativ einfach und kostengünstig durchführbar ist.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Bauteil bereitzustellen, welches relativ unaufwändig und kostengünstig herstellbar ist.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Turbinenschaufel bereitzustellen, welche relativ unaufwändig und kostengünstig herstellbar ist.
Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Bauteil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie eine Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 21.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Blisk („Bladed Disk") oder eines Blings („Bladed Ring") einer Gasturbine umfasst folgende Schritte: a) Herstellung mindestens einer Turbinenschaufel durch Fügen von einem Schaufelblatt an ein aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehendes Adapterelement, wobei das Adapterelement zur Ausbildung eines Schaufelfußes der Turbinenschaufel dient und b) Verbinden der Turbinenschaufel oder einer Vielzahl von Turbinenschaufeln mit einer aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorscheibe oder einem aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorring, derart, das der oder die Turbinenschaufeln am Außenumfang der Rotorscheibe oder des Rotorrings angeordnet sind. Durch die erfindungsgemäße Herstellung der Turbinenschaufel aus einem Schaufelblatt und einem daran angeordneten schmelzschweißgeeigne- ten Adapterelement kann bei der Herstellung des Turbinenkranzes auf bekannte Fügeverfahren wie Pressschweißverfahren, Hochtemperatur-Löten oder Diffusionslöten vorteilhafterweise verzichtet werden. Durch die Rückführung der grundsätzlichen Aufgabestellung bei der Herstellung einer Blisk oder eines Blings, nämlich das Fügen von Gussschaufeln an geschmiedete Scheiben oder Ringe auf eine minimale Anzahl etablierter Fügeverfahren, kann das erfindungemäße Verfahren einfach und kostengünstig durchgeführt werden. So kann einerseits die Herstellung der Turbinenschaufel gemäß Verfahrensschritt a) mittels eines Preßschweißverfahrens, eines induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpreßschweißverfahrens, eines linearen Reibschweißverfahrens oder eines Diffusionsschweißverfahrens erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vor dem Verfahrensschritt b) eine Herstellung eines ringförmigen Schaufelkranzes aus einer Vielzahl von nach dem Verfahrensschritt a) hergestellten Turbinenschaufeln, wobei im Verfahrensschritt b) dann ein Verbinden des ringförmigen Schaufelkranzes mit der aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorscheibe oder dem aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorring durchgeführt wird, derart, das der Schaufelkranz am Außenumfang der Rotorscheibe oder des Rotorrings angeordnet ist. Dadurch ist ein fertigungstechnisch relativ einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer Blisk („Bladed Disk") oder eines Blings („Bladed Ring") einer Gasturbine gewährleistet. Die Ausbildung des Schaufelkranzes erfolgt vorteilhafterweise durch ein segmentweises Fügen der als Schaufelfüße ausgebildeten Adapter der einzelnen Turbinenschaufeln. Da die Adapter aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehen, kann hierfür ein Schmelzschweißverfahren, insbesondere ein Elektronenstrahlschweißverfahren verwendet werden. Entsprechendes gilt auch für die Verbindung der Turbinenschaufeln oder des ringförmigen Schaufelkranzes mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring, welche ebenfalls aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehen. Hierfür kann erfmdungsgemäß und vorteilhafterweise derselbe Fügeprozess, nämlich ein Schmelzschweißverfahren, insbesondere ein Elektro- nenstrahlschmelzschweißverfahren verwendet werden. Dabei kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Werkstoff des Adapterelements dem Werkstoff der Rotorscheibe und des Rotorrings entsprechen. Insbesondere ist der Werkstoff dabei eine Knetlegierung bzw. Schmiedewerkstoffkomponente, insbesondere eine hochtemperaturbeständige Nickel-Legierung. Der Werkstoff der Schaufelblätter besteht dagegen aus einer Gusslegierung, insbesondere einer hochtemperaturbeständigen Nickel-Legierung.
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 gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach dem Verbinden der Turbinenschaufeln oder des ringförmigen Schaufelkranzes mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring diejenigen Bereiche der Turbinenschaufeln oder des Schaufelkranzes, die zwischen den einzelnen Schaufeln liegen, teilweise entfernt werden, derart, dass nur noch jeweils ein Fußabschnitt der entsprechenden Schaufel mit der Rotorscheibe und dem Rotorring verbunden ist. Es ist aber auch möglich, dass nach dem Verbinden der Turbinenschaufeln oder des ringförmigen Schaufelkranzes mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring diejenigen Bereiche der Turbinenschaufeln oder des Schaufelkranzes, die zwischen den einzelnen Turbinenschaufeln liegen, entfernt werden, derart, dass eine Schweißnaht, die zwischen den Turbinenschaufeln oder dem Schaufelkranz und der Rotorscheibe oder dem Rotorring ausgebildet ist, teilweise entfernt und unterbrochen wird. Das Entfernen der Zwischenbereiche der Turbinenschaufeln oder des Schaufelkranzes und/oder der Rotorscheibe oder dem Rotorring erfolgt zum Beispiel mittels eines elektrochemischen Abtragverfahrens und/oder eines elektroerosiven Abtragungsverfahrens (Funkenerosion). Aber auch andere Verfahren wie zum Beispiel Bohr- oder Fräsverfahren können verwendet werden.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil einer Gasturbine, insbesondere eine Blisk („Bladed Disk") oder eine Bling („Bladed Ring") besteht aus separat hergestellten Turbinenschaufeln oder einem aus einer Vielzahl von separat hergestellten Turbinenschaufeln hergestellten ring- förmigen Schaufelkranz sowie einer damit verbundenen, aus einem schmelzschweißgeeig- neten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorscheibe oder einem damit verbunden, aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorring, wobei die Turbinenschaufeln oder der Schaufelkranz am Außenumfang der Rotorscheibe oder des Rotorrings angeordnet sind und die Turbinenschaufeln jeweils aus einem Schaufelblatt und einem daran befestigten, aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Adapterelements bestehen, wobei das Adapterelement zur Ausbildung eines Schaufelfußes der Turbinenschaufel ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Bauteils, insbesondere der Ausgestaltung der Turbinenschaufeln ist es möglich das Bauteil relativ unaufwändig und kostengünstig herzustellen. Insbesondere kann bei der Herstellung des Bauteils die Anzahl unterschiedlicher Fügeverfahren im Vergleich zu bisher bekannten Herstellungsverfahren deutlich reduziert werden. Durch die Ausgestaltung des Schaufelfußes bzw. des Adapterelements aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff können diese mittels eines Schmelzschweißverfahrens, insbesondere eines Elektronenstrahlschmelzschweißverfahrens zu dem Schaufelkranz bestehend aus einer Vielzahl von Turbinenschaufeln gefügt werden. Die gleichen Fügeverfahren können für die Verbindung der einzelnen Turbinenschaufeln oder des Schaufelkranzes mit der entsprechenden Rotorscheibe oder dem entsprechenden Rotorring verwendet werden, da diese e- benfalls jeweils aus einem schmelzscheißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehen. Dabei kann der Werkstoff des Adapterelements dem Werkstoff der Rotorscheibe oder des Rotorrings entsprechen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Werkstoff eine Knetlegierung, insbesondere eine hochtemperaturbeständige Nickel-Legierung sein. Die Verbindung des Schaufelblatts mit dem Adapterelement erfolgt üblicherweise mittels eines Preßschweißverfahrens, einem induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpreßschweißverfahrens, einem linearen Reibschweißverfahrens oder eines Diffusionsschweißverfahrens, da der Werkstoff des Schaufelblatts üblicherweise nicht- schmelzschweißgeeignet ist und aus einer Gusslegierung, insbesondere einer hochtemperaturbeständigen Nickel-Legierung bestehen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Bauteils weist dieses mindestens ein Deckband zur Abschirmung der Rotorscheibe oder des Rotorrings auf. Das Deck- band dient dabei insbesondere zur Abschirmung des Heißgases in der Gasturbine. Zudem kann das das Bauteil ein Aussendeckband aufweisen.
Insbesondere werden die erfindungsgemäßen Bauteile nach einem der im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren hergestellt.
Eine erfmdungsgemäße Turbinenschaufel einer Gasturbine besteht aus einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß, wobei das Schaufelblatt aus einem nicht-schmelzgeeigneten metallischen Werkstoff und der Schaufelfuß aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehen. Durch die erfindungsgemäße zweitteilige Ausgestaltung der Turbinenschaufel aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen ist einerseits eine relativ unauf- wändige und kostengünstige Herstellung der Turbinenschaufel gewährleistet. Zudem ergeben sich durch die Ausbildung des Schaufelfußes aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff weitere Vorteile bei der Weiterverwendung und insbesondere bei der Herstellung eines Turbinenschaufelkranzes aus einer Vielzahl von Turbinenschaufeln, da ein entsprechendes Fügen der einzelnen Turbinenschaufeln ohne zu Hilfenahme von zum Beispiel Pressschweißverfahren oder den üblichen Lötverfahren durchgeführt werden kann. Eine Schweißbarkeit zwischen den einzelnen Schaufeln ist gegenüber bekannten Turbinenschaufeln gegeben. Der Schaufelfuß ist dabei insbesondere als separates Adapterelement ausgebildet, derart, dass eine Vielzahl von miteinander verbundenen Adapterelementen einen Ring eines Turbinenschaufelkranzes ausbilden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Schaufelblatt aus einer Gusslegierung und das Adapterelement aus einer Knetlegierung. Die Knetlegierung und/oder die Gusslegierung kann dabei eine hochtemperaturbeständige Nickel-Legierung sein.
Verwendung finden die im Vorhergehenden beschriebene erfindungsgemäßen Verfahren, erfindungsgemäßen Bauteile und erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln auch bei der Reparatur einer Blisk („Bladed Disk") oder eines Blings („Bladed Ring") einer Gasturbine. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer zeichnerisch dargestellter Ausfuhrungsbeispiele. Dabei zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel als Teil eines erfindungsgemäßen Bauteils;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß gefügten Schaufelkranzes;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß gefügten Bauteils gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß gefügten Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß gefügten Bauteils gemäß einer dritten Ausführungsform.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel 10 als Teil einer Gasturbine, insbesondere als Teil einer Blisk oder eines Bling. Man erkennt, dass die Turbinenschaufel 10 einen zweiteiligen Aufbau aufweist. Ein Schaufelblatt 12 bestehend aus einem nicht-schmelzschweißgeeigneten Werkstoff ist dabei mit einem Adapterelement 16 über eine erste Schweißnaht 18 verbunden. Das Adapterelement 16 bildet dabei einen Schaufelfuß der Turbinenschaufel 10 aus. Das Fügen des Schaufelblatts 12 an das Adapterelement 16 erfolgt entweder durch ein Pressschweißverfahren, insbesondere ein lineares Reibschweißen oder ein induktives Hochfrequenzpressschweißen oder auch durch ein Diffusionsschweißverfahren. Das Schaufelblatt 12 besteht aus einer Gusslegierung, insbesondere einer hochtemperaturbeständigen Nickel-Legierung. Das Adapterelement 16 besteht ebenfalls aus einer hochtemperaturbeständigen Nickel-Legierung, die Legierung ist jedoch als Knetlegierung ausgebildet. Des Weiteren weist die Turbinenschaufel Elemente eines inneren Deckbandes 14 auf.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines aus den in Figur 1 gezeigten Turbinen- schaufeln 10 gefügten Turbinenschaufelkranzes 28. Man erkennt, dass eine Vielzahl von miteinander verbundenen Adapterelementen 16 einen Ring des Turbinenschaufelkranzes 28 ausbilden. Die einzelnen Adapterelemente 16 sind dabei über entsprechende zweite Schweißnähte 20 miteinander gefügt. Das Fügen kann dabei mittels eines Schmelzschweißverfahrens, insbesondere eines Elektronenstrahlschmelzschweißverfahrens erfolgen. Man erkennt, dass die zweiten Schweißnähte in radialer Richtung verlaufen, wobei jeweils die Seitenflächen der Adapterelemente 16 gefügt werden. Da Niederdruckturbinen- Laufschaufeln im Allgemeinen ein äußeres und ein inneres Deckband 14 aufweisen, muss die Elektronstrahlschweißung von innen nach außen durchgeführt werden. Dadurch ist der Winkel des Elektronenstrahls bezüglich der Rotationsachse kleiner als 90°, die effektive Einschweißtiefe ist durch t/sin α gegeben, wobei t die Höhe des Adapterelementes 16 und α der Winkel zwischen der Rotationsachse und des Elektronenstrahls ist. Des Weiteren erkennt man, dass die Teilelemente 14 im zusammengefügten Zustand des Schaufelkranzes 28 ein umlaufendes inneres Deckband 14 ausbilden.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines gefügten Bauteils 30, nämlich einer Blisk, bestehend aus einer Rotorscheibe 22 und dem am Außenumfang 26 der Rotorscheibe 22 gefügten Turbinenkranz 28. Dabei erfolgt die Positionierung des Schaufelkranzes 28 auf der Rotorscheibe 22 bevorzugt mittels Schrumpfen. Die Verbindung des ringförmigen Schaufelkranzes 28 mit der Rotorscheibe 22 erfolgt wiederum mittels eines Fügeprozesses, nämlich eines Schmelzschweißverfahrens wie einem Elektronenstrahlschweißverfahren. Die sich ausbildende dritte Schweißnaht 24 ist entweder axial oder leicht konisch. Im ersten Fall (vergleiche Figur 3) ist die Elektronenstrahlquelle ortsfest oberhalb eines Punktes der zu fügenden Naht 24 positioniert. Im zweiten Fall ist die Elektronstrahlquelle oberhalb der Rotationsachse positioniert. Durch eine schnelle Strahlablenkung werden in letzterem Fall mehrere (z.B. drei) Einzelstrahlen generiert, die in Umfangsrichtung um 120° versetzt sind, während das Bauteil 30 auf einem Drehtisch um 360° gedreht wird. Dabei kann der axiale Verzug minimiert werden. Figur 3 zeigt eine erste Ausfuhrungsform des Bauteils 30. Die Adapterelemente 16, die als Schaufelfüße der Turbinenschaufeln 10 dienen, sind dabei derart ausgestaltet, dass keine weitere Nachbearbeitung notwendig ist.
Figur 4 zeigt dagegen eine zweite Ausfuhrungsform des Bauteils 30. Auch bei dem Bauteil 30 gemäß der zweiten Ausfuhrungsform handelt es sich um eine Blisk. Im Gegensatz zu der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform wurden hier jedoch nach dem Verbinden des ringförmigen Schaufelkranzes 28 mit der Rotorscheibe 22 diejenigen Bereiche des Schaufelkranzes 28, die zwischen den einzelnen Turbinenschaufeln 10 liegen, teilweise entfernt, derart, dass nur noch jeweils ein Fußabschnitt 32 der entsprechenden Schaufel 10 mit der Rotorscheibe 22 verbunden ist. Das Entfernen dieser Zwischenbereiche des Schaufelkranzes 28 kann dabei mittels eines Fräsverfahrens und/oder eines elektrochemischen Abtragungsverfahrens und/oder eines elektroerosiven Abtragungsverfahrens erfolgen.
Figur 5 zeigt eine dritte Ausführungsform des Bauteils 30. Auch bei dem Bauteil 30 gemäß der dritten Ausführungsform handelt es sich um eine Blisk. Im Gegensatz zu der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform wurden hier jedoch die Turbinenschaufeln 10 direkt, d.h. ohne die vorherige Herstellung eines Schaufelkranzes 28, mit der Rotorscheibe 22 verbunden. Nach dem Verbinden der Turbinenschaufeln 10 mit der Rotorscheibe 22 wurden diejenigen Bereiche der Turbinenschaufeln 10, die zwischen den einzelnen Turbinenschaufeln 10 liegen, teilweise entfernt, derart, dass die Schweißnaht 24, die zwischen den Turbinenschaufeln 10 und der Rotorscheibe 22 ausgebildet ist, teilweise entfernt und unterbrochen wird.
Aus den gezeigten Ausführungsbeispielen wird zudem deutlich, dass die entstehenden Fügezonen mit bekannten ZfP -Techniken zu 100 % geprüft werden können. Auch die Abarbeitung möglicher Schweißwulste ist einfach möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Blisk („Bladed Disk") oder eines Blings („Bladed Ring") einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Herstellung mindestens einer Turbinenschaufel (10) durch Fügen von einem Schaufelblatt (12) an ein aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehendes Adapterelement (16), wobei das Adapterelement (16) zur Ausbildung eines Schaufelfußes der Turbinenschaufel (10) dient; und b) Verbinden der Turbinenschaufel (10) mit einer aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorscheibe (22) oder einem aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorring, derart, das die Turbinenschaufel (10) am Außenumfang (26) der Rotorscheibe (22) oder des Rotorrings angeordnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfahrensschritt b) eine Herstellung eines ringförmigen Schaufelkranzes (28) aus einer Vielzahl von nach dem Verfahrensschritt a) hergestellten Turbinenschaufeln (10) erfolgt und im Verfahrensschritt b) ein Verbinden des ringförmigen Schaufelkranzes (28) mit der aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorscheibe (22) oder dem aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorring durchgeführt wird, derart, das der Schaufelkranz (28) am Außenumfang (26) der Rotorscheibe (22) oder des Rotorrings angeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Turbinenschaufel (10) gemäß Verfahrenschritt a) mittels eines Preßschweiß Verfahrens, eines induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpreßschweißverfahrens, eines linearen Reibschweißverfahrens oder eines Diffusionsschweißverfahrens erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkranz (28) durch ein segmentweises Fügen der als Schaufelfüße ausgebildeten Adapter (16) der einzelnen Turbinenschaufeln (10) hergestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeverfahren ein Schmelzschweißverfahren, insbesondere ein Elektronenstrahlschweißverfahren ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Turbinenschaufeln (10) oder des ringförmigen Schaufelkranzes (28) mit der Rotorscheibe (22) oder dem Rotorring mittels eines Fügeprozesses erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügeprozess ein Schmelzschweißverfahren, insbesondere ein Elektronenstrahlschweißverfahren ist.
8. Verfahren nach einem Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionierung des Schaufelkranzes (28) auf der Rotorscheibe (22) oder dem Rotorring mittels Schrumpfen erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verbinden der Turbinenschaufeln (10) oder des ringförmigen Schaufelkranzes (28) mit der Rotorscheibe (22) oder dem Rotorring diejenigen Bereiche der Turbinenschaufeln (10) oder des Schaufelkranzes (28), die zwischen den einzelnen Turbinenschaufeln (10) liegen, teilweise entfernt werden, derart, dass nur noch jeweils ein Fußabschnitt (32) der entsprechenden Schaufel (10) mit der Rotorscheibe (22) oder dem Rotorring verbunden ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verbinden der Turbinenschaufeln (10) oder des ringförmigen Schaufelkranzes (28) mit der Rotorscheibe (22) oder dem Rotorring diejenigen Bereiche der Turbinenschaufeln (10) o- der des Schaufelkranzes (28), die zwischen den einzelnen Turbinenschaufeln (10) liegen, entfernt werden, derart, dass eine Schweißnaht (24), die zwischen den Turbinenschaufeln (10) oder dem Schaufelkranz (28) und der Rotorscheibe (22) oder dem Rotorring ausgebildet ist, teilweise entfernt und unterbrochen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Zwischenbereiche der Turbinenschaufeln (10) oder des Schaufelkranzes (28) und/oder der Rotorscheibe (22) oder dem Rotorring mittels eines Fräsverfahrens und/oder eines elektrochemischen Abtragungsverfahrens und/oder eines elektroerosiven Abtragungsverfahrens erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Adapterelements (16) dem Werkstoff der Rotorscheibe (22) oder des Rotorrings entspricht.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Knetlegierung, insbesondere eine hochtemperaturbeständige Nickel-Legierung ist.
14. Bauteil einer Gasturbine, insbesondere eine Blisk („Bladed Disk") oder ein Bling („Bladed Ring"), dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (30) aus separat hergestellten Turbinenschaufeln (10) oder einem aus einer Vielzahl von separat hergestellten Turbinen- schaufeln (10) hergestellten ringförmigen Schaufelkranz (28) sowie einer damit verbundenen, aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorscheibe (22) oder einem damit verbundenen, aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Rotorring besteht, wobei die Turbinenschaufeln (10) oder der Schaufelkranz (28) am Außenumfang (26) der Rotorscheibe (22) oder des Rotorrings angeordnet sind und die Turbinenschaufeln (10) aus jeweils einem Schaufelblatt (12) und einem daran befestigten, aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehenden Adapterelement (16) bestehen, wobei das Adapterelement (16) zur Ausbildung eines Schaufelfußes der Turbinenschaufel (10) ausgebildet ist.
15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (30) ein Deckband (14) zur Abschirmung der Rotorscheibe (22) oder des Rotorrings umfasst.
16. Bauteil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Adapterelements (16) dem Werkstoff der Rotorscheibe (22) oder des Rotorrings entspricht.
17. Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Knetlegierung, insbesondere eine hochtemperaturbeständige Nickel-Legierung ist.
18. Bauteil nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Schaufelblatts (12) eine Gusslegierung, insbesondere eine hochtemperaturbeständige Nickel-Legierung ist.
19. Bauteil nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (30) ein Aussendeckband aufweist.
20. Bauteil nach einem der Ansprüche 14 bis 19 hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
21. Turbinenschaufel einer Gasturbine bestehend aus einem Schaufelblatt (12) und einem Schaufelfuß, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (12) aus einem nicht- schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff und der Schaufelfuß aus einem schmelzschweißgeeigneten metallischen Werkstoff bestehen.
22. Turbinenschaufel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelfuß als ein separates Adapterelement (16) ausgebildet ist, derart, dass eine Vielzahl von miteinander verbundenen Adapterelementen (16) einen Ring eines Turbinenschaufelkranzes (28) ausbilden.
23. Turbinenschaufel nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (12) aus einer Gusslegierung und das Adapterelement (16) aus einer Knetlegierung besteht.
24. Turbinenschaufel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Knetlegierung und/oder die Gusslegierung eine hochtemperaturbeständige Nickel-Legierung ist.
25. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, eines Bauteils nach einem der Ansprüche 14 bis 20 oder einer Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 21 bis 24 zur Reparatur einer Blisk („Bladed Disk") oder eines Blings („Biaded Ring") einer Gasturbine.
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