EP2734710B1 - Verfahren zur herstellung eines einlaufbelags sowie leitschaufel - Google Patents

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EP2734710B1
EP2734710B1 EP12759627.8A EP12759627A EP2734710B1 EP 2734710 B1 EP2734710 B1 EP 2734710B1 EP 12759627 A EP12759627 A EP 12759627A EP 2734710 B1 EP2734710 B1 EP 2734710B1
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EP
European Patent Office
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inlet
vane
blade
lining
ring
Prior art date
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Active
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EP12759627.8A
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English (en)
French (fr)
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EP2734710A1 (de
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Erwin Bayer
Thomas Hess
Sven-J. Hiller
Peter Geiger
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
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    • 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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • 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
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/006—Arrangements of brakes
    • 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
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an inlet lining for a turbomachine for braking a rotor at a shaft break according to the preamble of patent claim 1 and a guide vane with such an inlet lining.
  • turbomachines such as aircraft engines wave breakage of a turbo component must be prevented from uncontrollably moving the rotor out of position and radially or axially penetrates the housing surrounding it.
  • Aircraft engines are therefore regularly provided with an intake system that should slow down the kinetic energy of the rotor by a targeted axial shrinkage of the shaft fragments so far that no debris or fragments can be thrown through the housing in the outside environment.
  • Known intake systems are arranged, for example, in the turbine between an outer shroud of a blade row and the blades of a subsequent row of guide blades.
  • At one in the US 2008/0289315 A1 described alternative intake system is disposed in the downstream hub portion of a blade row, a circumferential ring gear, which engages in the shaft break in a guide vane-side inlet lining.
  • this intake system relieves the blades of the vanes, however, a plurality of punctiform contacts between the tooth profile and the inlet lining are also created by the ring gear.
  • the production of this intake system can be done by mechanical processing. Alternatively, the sprocket and the inlet lining can be applied later.
  • the object of the invention is to provide a method for producing an inlet lining for a turbomachine for decelerating a rotor at a shaft break, which eliminates the aforementioned disadvantages and is easy to perform. Furthermore, it is an object of the invention to provide a guide vane with an inlet lining. This object is achieved by a method having the features of patent claim 1 and by a stator blade with the features of claim 4. In a method according to the invention for producing an inlet lining for a turbomachine for decelerating a rotor in the event of a shaft break, the inlet lining in a generative production of the Shovel formed as an integral generative blade section.
  • the integral generative design of the inlet lining is formed in one step with the blade, whereby a subsequent connection or training of the inlet lining deleted.
  • the generative production of the inlet lining also allows a flexible shape and in particular a shape and positioning that allows optimal deceleration and optimal guidance of the rotor.
  • the generative production allows adjustment of individual process parameters for the formation of the inlet lining. This allows the inlet lining with a other internal structure or material structure than the actual blade and thus provided with their own specific properties. The material structure and thus the structural stability of the inlet lining and the blade can thus be optimally adapted to the particular technical requirements to be met despite a uniform material.
  • a generative auxiliary structure can be built up during the production of the blade, which is removed after the production of the blade.
  • the auxiliary structure is, for example, co-built as a blade stabilizing needles.
  • An inlet system has a multiplicity of integral, generatively produced, inlet linings which form a closed or open inlet ring extending over a row of blades and having a chamber-like material structure.
  • “Chamber-like” means a porous, cellular, honeycomb, skeletal, truss-like and similar material structure.
  • "chamber-like” means a structurally weaker internal structure than a support structure receiving the inlet lining and an abrasive element entering the inlet layers, such as a slip ring.
  • “Closed” means according to the wording of the invention, a circumferentially closed design of the inlet ring, wherein parting or circumferential gaps of the adjacent inlet linings are so small that they can be neglected or are closed via corresponding adapter.
  • the closed or circumferential training a circumferential Abbrems specification and guide surface is created, which allows a safe and fast braking and thus at least greatly reduces damage to the rotor and housing structure.
  • the chamber-like material structure prevents cracks from being introduced into a blade section receiving the inlet lining. Furthermore, the chamber structure reduces the heat input when rubbed into the blade row.
  • An influence on the rotating mass of the rotor through the inlet ring can be prevented if the inlet ring is arranged on a row of guide vanes.
  • this is arranged on the front sides of the outer shrouds of the guide vanes.
  • an open inlet ring this is arranged at leading edges of vanes.
  • the chamber-like material structure of the inlet ring also allows rear sides of outer shrouds of a blade row act as a slip ring, which is pressed against the inlet ring during shaft break. A special education or hardening of the rear sides as well as separate grinding elements are not necessary. Since the rear sides are flat, the largest possible contact area is created when the slip ring comes to rest on the inlet ring, which accelerates the deceleration in particular.
  • the inlet ring may have different local material structures.
  • the inlet ring can, for example, be subdivided into layers which, in terms of structure, are optimally adapted to individual deceleration phases.
  • a front layer can serve as a damping layer for absorbing shock during emergence of the slip ring on the inlet ring and have a correspondingly soft material structure.
  • a rear layer may have a solid material structure for optimizing deceleration.
  • the inlet ring may have different cross-sections and thus be adapted to the respective technical requirement, alternatively or in combination with the local material structure.
  • an annular region of the inlet ring can be designed as a predetermined breaking point be to achieve the fastest possible deceleration of the rotor at unexpectedly high forces in case of destruction of intact rotor structure sections.
  • a turbomachine according to the invention has an intake system with an integral, generatively produced, inlet ring and with a slip ring for running on the inlet ring in a shaft break, wherein the inlet ring is arranged in the front region of a row of vanes and has a chamber-like material structure, and the slip ring in an inlet ring opposite upstream rear portion of a blade row is formed.
  • Such a turbomachine is characterized by an optimal guidance and deceleration of a rotor at a shaft break. A risk of the housing of the turbomachine penetrating debris is prevented or at least greatly reduced.
  • a guide vane according to the invention has an integral inlet lining in a front region, which has a chamber-like material structure and thus enables at least optimal kinetic energy reduction.
  • the inlet lining is arranged on a front side of an outer shroud and formed closed over the circumference, whereby a maximum friction surface between the inlet lining and the inlet ring is formed.
  • the inlet lining is arranged radially outward on a front edge of an airfoil and thus formed open. In order to further complicate a fragmentation of the blades and guide vanes in the case of a shaft break, it is advantageous if the inlet lining is arranged virtually in front of the blade.
  • the inlet lining is displaced upstream or forms an edge section of the front edge, which is displaced upstream compared to a radially inner edge section.
  • the front edge is step-shaped, wherein the blade through the inlet lining radially outward has a greater axial extent than radially inside.
  • this is an axial distance between the blades and reduces the vanes, whereby a frictional contact is made quickly and a quick deceleration is initiated.
  • FIG. 1 shows a side view of a blade 2 and an adjacent downstream vane segment 4 of a rotor in the compressor of an aircraft engine.
  • the blade 2 forms with a plurality of other blades a blade ring or a blade row, which has a foot-side hub 6 and a receiving disc is arranged on a shaft 10 rotating about a rotation axis 8.
  • the rotor blades 2 each have an airfoil 12, which is arranged in an annular space between an inner shroud 14 and an outer shroud 16 of the rotor blade 2.
  • the shrouds 14, 16 each define the annulus flowed through by a main flow and each have an oppositely oriented front side 18 to the flow direction and a rear side 20 oriented in the flow direction.
  • the guide vanes 4 are fixed in position in this embodiment in each case with their foot sections 24a, 24b in a housing-side receptacle.
  • the vanes 4 are integrally contained or bolted to the housing. They each have, according to the blades 2, an airfoil 22 disposed in the annulus between an inner shroud 26 and an outer shroud 28 of the vanes 4, each having an upstream-oriented front 30 and a downstream-oriented rear 32.
  • a plurality of airfoils 22 are disposed between each of an inner shroud 26 and an outer shroud 28. As shown in FIG. 1 is disposed between the outer shrouds 16 of the blade row and the outer shrouds 28 of the guide blade row a highlighted by a dashed circle inlet system 34 for guiding and braking the rotor at a shaft break.
  • the intake system 34 has an inlet ring 36 arranged in the front region of the guide vane row and an opposing slip ring 38 arranged in the rear region of the upstream vane row, which are spaced apart in the axial direction when the rotor is undamaged.
  • the inlet ring 36 and the slip ring 38 are closed in this first embodiment over the circumference.
  • the inlet ring 36 is formed of a plurality of preferably generative inlet linings 40 which are respectively formed on the front sides 30 of the outer shrouds 28 as integral blade sections and laterally spaced from each other over a narrow circumferential gap 42a, 42b.
  • a narrow circumferential gap 42a, 42b For reasons of clarity, only two circumferential gaps 42a, 42b are shown, which can be closed via corresponding adapters.
  • everyone Inlet covering 40 thus forms a ring segment of the inlet ring 36 and covers only a radially inner region of the front sides 30.
  • the inlet linings 40 have a chamber-like material structure.
  • “Chamber-like” means a porous, cellular, honeycomb, skeletal, truss-like and similar material structure.
  • “chamber-like” means a structurally weaker internal structure than a wear pad 40 receiving support structure and an inlet pads 40 incoming abrasive element such as the slip ring 38. They go with a the annular space facing peripheral surface 44 flush in a annular space facing cylindrical or conical shroud surface 46 on , They have a maximum radial extent, which corresponds to a radial extent or thickness of the outer shrouds 16 of the blades 2 in the region of their trailing edges 20 (s. FIGS.
  • slip ring 38 is formed by the outer rear sides 20 of the blades 2.
  • the blades 2 are also each spaced from each other by a small circumferential gap 42a, 42b, which may be closed via corresponding adapters.
  • the slip ring 38 is made of a harder material such as the inlet ring 36 and thus leads to a removal of the inlet ring 36 at a shaft break.
  • FIG. 5 Shown in the shaft break, the blades 2 on their slip ring 38 and thus directly on their slip ring 38 forming the rear sides 20 according to the arrow in the flow direction on the inlet ring 36 of the vanes 4.
  • the slip ring 38 rubs into the inlet lining 40, whereby the rotor is decelerated and the inlet ring 36 as in FIG. 6 is at least partially abraded or abraded.
  • the inlet ring 36 has such a chamber-like material structure and such an extent in the axial direction that a direct emergence of the outer shrouds 16 of the blades 2 with their rear sides 20 on the front sides 30 of the outer shrouds 28 of the guide vanes 4 is prevented. A fragmentation of the blades 2 / or the guide vanes 4 is thus effectively prevented
  • the run-in pads 40 become integral with the respective vane 4 produced by a generative process.
  • a suitable metal powder is applied in layers to a base plate 48 and generates a hatched highlighted auxiliary structure 50 by means of a high-energy beam such as an electron beam or a laser beam.
  • the high-energy beam is guided in tracks over the upper powder layer, whereby it is melted and connected to the preceding powder layer.
  • the auxiliary structure 50 allows a compensation of, for example, unevenness of the base plate 48 and a stepwise structure of overlying structures and thus the creation of a defined reference plane for the respective vane 4.
  • the auxiliary structure 50 acts as a support for stabilizing the vane 4 in the generative production.
  • the respective guide vanes 4 are constructed in a layered manner by altering the process parameters lying from the front side 30 to the rear side 32 with the integrated inlet lining 40. After the complete construction of the respective guide blade 4, it is separated from the auxiliary structure 50.
  • the chamber-like material structure of the inlet coverings 40 is produced by varying the production parameters and thus with individualized process parameters compared with the other blade sections such as the foot sections 24a, 24b, the cover strips 26, 28 and the blade segments 22 or blade segments.
  • FIG. 8 a second embodiment of the intake system 34 according to the invention is shown.
  • an inlet ring 36 is arranged at leading edges 52 of the blades 22 of the guide vanes 4 and thus formed open over the circumference of the guide blade row.
  • the inlet ring 36 forming inlet linings 40 are radially outwardly and thus provided in the region of an opposing slip ring 38 with its largest axial extent.
  • the material structure of the other airfoil region 54 is conventional and thus provided with a structurally harder internal structure than the inlet lining 40.
  • the inlet linings 40 are arranged, as it were, in front of the respective airfoil 22, as a result of which the leading edges 52 each have an edge portion 56 which is radially outward or near the outer edge is disposed upstream relative to a radially inner edge portion 58.
  • the front edge 52 is thus formed like a step.
  • the slip ring 38 of the upstream blade row is identical to the slip ring 38 according to the first embodiment.
  • the slip ring 38 is thus also formed by outer shroud side rear sides 20 of the upstream blade row and consists of a harder material than the inlet ring 36th
  • the operation is the same as the first embodiment.
  • the rotor blades 2 run over their slip ring 38 and thus directly over their rear sides 20 forming the slip ring 38 onto the open inlet ring 36 of the guide vanes 4.
  • the slip ring 38 rubs into the inlet lining 36 or partially wears it off, as a result of which the rotor is braked.
  • the inlet ring 36 has such a chamber-like material structure and such an extent in the axial direction that a direct emergence of the outer cover strips 16 is prevented on the blade airfoil portion 54.
  • a fragmentation of the blades and / or vanes is thus effectively prevented.
  • the manufacture of the scoop-blade-side run-in pads 40 takes place generatively integrally in the production of the guide vanes 4, so that the above explanations to FIG. 7 to get expelled.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags für eine Strömungsmaschine zur Abbremsung eines Rotors bei einem Wellenbruch nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Leitschaufel mit einem derartigen Einlaufbelag. Bei Strömungsmaschinen wie Flugzeugtriebwerken muss beim Wellenbruch einer Turbokomponente verhindert werden, dass der Rotor unkontrolliert aus seiner Position bewegt und radial bzw. axial das ihn umgebende Gehäuse durchdringt. Flugzeugtriebwerke sind daher regelmäßig mit einem Einlaufsystem versehen, das durch ein gezieltes axiales Einlaufen der Wellenbruchstücke die kinetische Energie des Rotors so weit abbremsen sollte, dass keine Trümmer bzw. Fragmente durch das Gehäuse in die Außenumgebung geschleudert werden können. Bekannte Einlaufsysteme sind beispielsweise in der Turbine zwischen einem Außendeckband einer Laufschaufelreihe und den Schaufelblättern einer nachfolgenden Leitschaufelreihe angeordnet.
    Bei einem in der US 2008/0289315 A1 beschriebenen alternativen Einlaufsystem ist im stromabwärtigen Nabenbereich einer Laufschaufelreihe ein umlaufender Zahnkranz angeordnet, der beim Wellenbruch in einen leitschaufelseitigen Einlaufbelag eingreift. Dieses Einlaufsystem entlastet zwar die Schaufelblätter der Leitschaufeln, jedoch werden durch den Zahnkranz ebenfalls eine Vielzahl von punktuellen Kontakten zwischen dem Zahnprofil und dem Einlaufbelag geschaffen. Die Herstellung dieses Einlaufsystem kann durch mechanische Bearbeitung erfolgen. Alternativ können der Zahnkranz und der Einlaufbelag nachträglich aufgebracht werden. Sowohl die mechanische Bearbeitung, als auch das nachträgliche Anbinden stellen zudem zeitintensive Herstellungsvarianten dar.
    In der US 2009/0126336 A1 ist ein Einlaufsystem gezeigt, bei dem ein radial innenliegender leitschaufelseitiger ringartiger Einlaufbelag aus einem Granulat mittels Sintern unter Temperatur- und Druckeinwirkung hergestellt bzw. nachträglich angebunden wird. Das Sintern und insbesondere die nachträgliche Anbindung des Einlaufbelags sind jedoch verhältnismäßig aufwändig. Insbesondere kann bei einer fehlerhaften Anbindung ein Abschleifen bzw. Abreißen des Einlaufbelags und somit eine unkontrollierte Abbremsung der gebrochenen Wellenstücke erfolgen.
    Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags für eine Strömungsmaschine zur Abbremsung eines Rotors bei einem Wellenbruch zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und einfach durchzuführen ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung eine Leitschaufel mit einem Einlaufbelag zu schaffen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Leitschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags für eine Strömungsmaschine zur Abbremsung eines Rotors bei einem Wellenbruch wird der Einlaufbelag bei einer generativen Herstellung der Schaufel als ein integraler generativer Schaufelabschnitt ausgebildet.
    Durch die integrale generative Ausbildung des Einlaufbelags wird dieser in einem Schritt mit der Schaufel ausgebildet, wodurch eine nachträgliche Anbindung bzw. Ausbildung des Einlaufbelags entfällt. Die generative Herstellung des Einlaufbelags ermöglicht zudem eine flexible Form und insbesondere eine Form und eine Positionierung, die eine optimale Abbremsung und eine optimale Führung des Rotors ermöglicht.
    Darüber hinaus erlaubt die generative Herstellung eine Einstellung von individuellen Verfahrensparametern zur Ausbildung des Einlaufbelags. Hierdurch kann der Einlaufbelag mit einer anderen Innenstruktur bzw. Materialstruktur als die eigentliche Schaufel und somit mit eigenen, spezifischen Eigenschaften versehen werden. Die Materialstruktur und somit die Strukturstabilität des Einlaufbelags und der Schaufel können somit trotz eines einheitlichen Materials optimal an die jeweils zu erfüllenden technischen Anforderungen angepasst werden.
    Zur Schaffung einer Referenzebene und/oder einer die Schaufel bei deren Herstellung stützenden Stützstruktur kann während der Herstellung der Schaufel eine generative Hilfsstruktur aufgebaut werden, die nach der Herstellung der Schaufel entfernt wird. Die Hilfsstruktur wird bspw. als die Schaufel stabilisierende Nadeln mitgebaut.
  • Ein erfindungsgemäßes Einlaufsystem hat eine Vielzahl von integralen, generativ hergestellten, Einlaufbelägen, die einen sich über eine Schaufelreihe erstreckenden geschlossenen oder offenen Einlaufring mit einer kammerartigen Materialstruktur bilden. "Kammerartig" bedeutet dabei eine poröse, zelluläre, wabenartige, skelettartige, fachwerkartige und ähnliche Materialstruktur. Insbesondere bedeutet "kammerartig" eine strukturell schwächere Innenstruktur als eine den Einlaufbelag aufnehmende Tragstruktur und ein in die Einlaufbeläge einlaufendes Schleifelement wie ein Schleifring. "Geschlossen" bedeutet gemäß dem Wortlaut der Erfindung, eine umfangsseitig geschlossen Ausbildung des Einlaufrings, wobei Trennfugen bzw. Umfangsspalte der benachbarten Einlaufbeläge so klein sind, dass sie vernachlässigt werden können oder über entsprechende Adapter geschlossen sind. Durch die geschlossene bzw. umlaufende Ausbildung wird eine umlaufende Abbremsfläche und Führungsfläche geschaffen, was ein sicheres und schnelles Abbremsen ermöglicht und somit Schaden an der Rotor- und Gehäusestruktur zumindest stark reduziert. Die kammerartige Materialstruktur verhindert dabei unter anderem, dass Risse in einem den Einlaufbelag aufnehmenden Schaufelabschnitt eingeleitet werden. Ferner wird durch die Kammerstruktur die Wärmeeinleitung beim Anstreifen in die Schaufelreihe reduziert. "Offen" bedeutet gemäß dem Wortlaut der Erfindung, eine Beabstandung der Einlaufbeläge in Umfangsrichtung.
    Um beim Einlaufen einen Schaden an der Rotorstruktur weiter zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn der Einlaufring außendeckbandseitig ausgebildet ist. Hierdurch erfolgt zum einen eine außenliegende radiale stabile Abstützung und zum anderen aufgrund der vergrößerten Ringfläche des radial außenliegenden Einlaufbelags gegenüber einem radial innenliegenden Einlaufbelag eine besonders schnelle kinetische Energieabsorption. Außerdem wird die Gefahr einer Schädigung des Rotors in Wesentlichen Bereichen und damit eine Gefährdung der Integrität des Rotors minimiert.
  • Ein Einfluss auf die rotierende Masse des Rotors durch den Einlaufring lässt sich verhindern, wenn der Einlaufring an einer Leitschaufelreihe angeordnet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel eines geschlossenen Einlaufrings wird dieser an Vorderseiten von Außendeckbändern der Leitschaufeln angeordnet.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel eines offenen Einlaufrings wird dieser an Vorderkanten von Leitschaufeln angeordnet.
  • Die kammerartige Materialstruktur des Einlaufrings erlaubt es zudem, dass Hinterseiten von Außendeckbändern einer Laufschaufelreihe als Schleifring wirken, der beim Wellenbruch gegen den Einlaufring gedrückt wird. Eine besondere Ausbildung bzw. Härtung der Hinterseiten sowie gesonderte Schleifelemente sind nicht notwendig. Da die Hinterseiten eben ausgebildet sind, wird beim Auflaufen des Schleifrings auf den Einlaufring ein größtmöglicher Kontaktbereich geschaffen, was insbesondere die Abbremsung beschleunigt.
  • Zur weiteren Optimierung und Führung des gebrochenen Rotors kann der Einlaufring verschiedene lokale Materialstrukturen aufweisen. Der Einlaufring kann bspw. in Schichten unterteilt sein, die strukturtechnisch optimal an einzelne Abbremsphasen angepasst sind. So kann bspw. eine vordere Schicht als Dämpfungsschicht zur Stoßabsorption beim Auflaufen des Schleifrings auf den Einlaufring dienen und eine entsprechend weiche Materialstruktur aufweisen. Eine hintere Schicht kann dagegen eine feste Materialstruktur zur Optimierung der Abbremsung aufweisen.
  • Ebenso kann der Einlaufring unterschiedliche Querschnitte aufweisen und somit alternativ oder in Kombination mit der lokalen Materialstruktur an die jeweilige technische Anforderung angepasst sein. Beispielsweise kann ein Ringbereich des Einlaufrings als eine Sollbruchstelle ausgeführt sein, um bei unerwartet hohen Kräften eine schnellstmögliche Abbremsung des Rotors bei eventueller Zerstörung intakter Rotorstrukturabschnitte zu erreichen.
  • Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine hat ein Einlaufsystem mit einem integralen, generativ hergestellten, Einlaufring und mit einem Schleifring zum Auflaufen auf den Einlaufring bei einem Wellenbruch, wobei der Einlaufring im vorderen Bereich einer Leitschaufelreihe angeordnet ist und eine kammerartige Materialstruktur hat, und der Schleifring in einem dem Einlaufring gegenüberliegenden stromaufwärtigen hinteren Bereich einer Laufschaufelreihe gebildet ist. Eine derartige Strömungsmaschine zeichnet sich durch eine optimale Führung und Abbremsung eines Rotors bei einem Wellenbruch aus. Eine Gefahr von das Gehäuse der Strömungsmaschine durchdringenden Trümmern wird verhindert bzw. zumindest stark reduziert.
    Eine erfindungsgemäße Leitschaufel hat in einem vorderen Bereich einen integralen Einlaufbelag, der eine kammerartige Materialstruktur aufweist und somit zumindest einen optimalen kinetischen Energieabbau ermöglicht.
    Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Einlaufbelag an einer Vorderseite eines Außendeckbandes angeordnet und über den Umfang geschlossen ausgebildet, wodurch eine größtmögliche Reibfläche zwischen dem Einlaufbelag und dem Einlaufring gebildet wird.
    Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Einlaufbelag radial außen an einer Vorderkante eines Schaufelblattes angeordnet und somit offen ausgebildet.
    Um eine Zertrümmerung der Laufschaufeln und Leitschaufeln bei einem Wellenbruch zusätzlich zu erschweren, ist es vorteilhaft, wenn der Einlaufbelag quasi vorm Schaufelblatt angeordnet ist. Dies wird bei einem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass der Einlaufbelag stromaufwärts versetzt ist bzw. einen Kantenabschnitt der Vorderkante bildet, der im Vergleich zu einem radial inneren Kantenabschnitt stromaufwärts versetzt ist. Somit ist die Vorderkante stufenförmig ausgebildet, wobei das Schaufelblatt durch den Einlaufbelag radial außen eine größere axiale Erstreckung als radial innen aufweist. Zudem wird hierdurch ein axialer Abstand zwischen den Laufschaufeln und den Leitschaufeln reduziert, wodurch schnell ein Reibkontakt hergestellt wird und eine schnelle Abbremsung eingeleitet wird.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen Teilschnitt durch eine Strömungsmaschine mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einlaufsystem,
    Figur 2
    eine axiale Draufsicht auf einen vorderen Bereich einer Leitschaufelreihe,
    Figur 3
    eine seitliche Detaildarstellung des vorderen Bereichs,
    Figur 4
    eine Draufsicht auf eine Laufschaufelreihe im Bereich ihrer äußeren Hinterkanten,
    Fig. 5 und 6
    Wirkungsweisen des Einlaufsystems bei einem Wellenbruch,
    Figur 7
    ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Einlaufbelags, und
    Figur 8
    einen Teilschnitt durch eine Strömungsmaschine mit einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einlaufsystems,
  • Der Teilschnitt in Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer Laufschaufel 2 und einer benachbarten stromabwärtigen Leitschaufel bzw. eines Leitschaufelsegmentes 4 eines Rotors im Verdichter eines Flugzeugtriebwerks.
  • Die Laufschaufel 2 bildet mit einer Vielzahl weiterer Laufschaufeln einen Laufschaufelkranz bzw. eine Laufschaufelreihe, der über eine fußseitige Nabe 6 und eine sie aufnehmende Scheibe an einer um eine Drehachse 8 rotierenden Welle 10 angeordnet ist. Die Laufschaufeln 2 haben jeweils ein Schaufelblatt 12, das in einem Ringraum zwischen einem Innendeckband 14 und einem Außendeckband 16 der Laufschaufel 2 angeordnet ist. Die Deckbänder 14, 16 definieren jeweils den von einer Hauptströmung durchströmten Ringraum und haben jeweils eine entgegengesetzt zur Strömungsrichtung orientierte Vorderseite 18 sowie eine in Strömungsrichtung orientierte Hinterseite 20.
    Die Leitschaufeln 4 sind bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils mit ihren Fußabschnitten 24a, 24b in einer gehäuseseitigen Aufnahme lagefixiert. Bei alternativen Ausführungsbeispielen sind die Leitschaufeln 4 integral am Gehäuse enthalten oder verschraubt. Sie haben entsprechend den Laufschaufeln 2 jeweils ein Schaufelblatt 22, das in dem Ringraum zwischen einem Innendeckband 26 und einem Außendeckband 28 der Leitschaufeln 4 angeordnet ist und die jeweils eine stromaufwärts orientierte Vorderseite 30 und eine stromabwärts orientierte Hinterseite 32 aufweisen. Wenn die Leitschaufeln 4 zu Leitschaufelsegmenten zusammengefasst sind, sind jedoch mehrere Schaufelblätter 22 zwischen jeweils einem Innendeckband 26 und einem Außendeckband 28 angeordnet.
    Gemäß der Darstellung in Figur 1 ist zwischen den Außendeckbändern 16 der Laufschaufelreihe und den Außendeckbändern 28 der Leitschaufelreihe ein durch einen gestrichelten Kreis hervorgehobenes Einlaufsystem 34 zum Führen und Abbremsen des Rotors bei einem Wellenbruch angeordnet. Das Einlaufsystem 34 hat einen im vorderen Bereich der Leitschaufelreihe angeordneten Einlaufring 36 und einen im hinteren Bereich der stromaufwärtigen Laufschaüfelreihe angeordneten gegenüberliegenden Schleifring 38, die bei unbeschädigtem Rotor in axialer Richtung voneinander beabstandet sind. Der Einlaufring 36 und der Schleifring 38 sind bei diesem ersten Ausführungsbeispiel über den Umfang geschlossen.
  • Wie in Figuren 2 und 3 gezeigt, wird der Einlaufring 36 von einer Vielzahl von bevorzugterweise generativen Einlaufbelägen 40 gebildet, die jeweils an den Vorderseiten 30 der Außendeckbänder 28 als integrale Schaufelabschnitte ausgebildet sind und seitlich über einen engen Umfangsspalt 42a, 42b voneinander beabstandet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich zwei Umfangsspalte 42a, 42b darstellt, die über entsprechende Adapter geschlossen sein können. Jeder Einlaufbelag 40 bildet somit ein Ringsegment des Einlaufringes 36 und bedeckt nur einen radial inneren Bereich der Vorderseiten 30.
  • Wie anhand der Detaildarstellung in Figur 4 gezeigt, haben die Einlaufbeläge 40 eine kammerartige Materialstruktur. "Kammerartig" bedeutet dabei eine poröse, zelluläre, wabenartige, skelettartige, fachwerkartige und ähnliche Materialstruktur. Insbesondere bedeutet "kammerartig" eine strukturell schwächere Innenstruktur als eine die Einlaufbelag 40 aufnehmende Tragstruktur und ein in die Einlaufbeläge 40 einlaufendes Schleifelement wie der Schleifring 38. Sie gehen mit einer dem Ringraum zugewandten Umfangsfläche 44 bündig in eine dem Ringraum zugewandte zylindrische oder kegelige Deckbandfläche 46 über. Dabei haben sie eine maximale radiale Erstreckung, die einer radialen Erstreckung bzw. Dicke der Außendeckbänder 16 der Laufschaufeln 2 im Bereich ihrer Hinterkanten 20 entspricht (s. Figuren 5 und 6).
    Der in Figur 4 angedeutete Schleifring 38 wird von den äußeren Hinterseiten 20 der Laufschaufeln 2 gebildet. Die Laufschaufeln 2 sind ebenfalls jeweils über einen kleinen Umfangsspalt 42a, 42b voneinander beabstandet, die über entsprechende Adapter geschlossen sein können. Der Schleifring 38 besteht aus einem härteren Material wie der Einlaufring 36 und führt somit zu einem Abtrag des Einlaufrings 36 bei einem Wellenbruch.
    Wie in Figur 5 gezeigt, laufen beim Wellenbruch die Laufschaufeln 2 über ihren Schleifring 38 und somit unmittelbar über ihre den Schleifring 38 bildenden Hinterseiten 20 gemäß dem Pfeil in Strömungsrichtung auf den Einlaufring 36 der Leitschaufeln 4 auf. Der Schleifring 38 reibt sich in den Einlaufbelag 40 ein, wodurch der Rotor abgebremst und der Einlaufring 36 wie in Figur 6 gezeigt zumindest abschnittsweise abgerieben bzw. abgeschliffen wird. Dabei hat der Einlaufring 36 eine derartige kammerartige Materialstruktur und eine derartige Erstreckung in Axialrichtung, dass ein unmittelbares Auflaufen der Außendeckbänder 16 der Laufschaufeln 2 mit ihren Hinterseiten 20 auf die Vorderseiten 30 der Außendeckbänder 28 der Leitschaufeln 4 verhindert wird. Eine Zertrümmerung der Laufschaufeln 2 /oder der Leitschaufeln 4 wird somit wirkungsvoll verhindert
    Wie in Figur 7 dargestellt, werden die Einlaufbeläge 40 integral mit der jeweiligen Leitschaufel 4 mittels eines generativen Verfahrens hergestellt. Hierzu wird ein geeignetes Metallpulver schichtweise auf eine Grundplatte 48 aufgebracht und eine schraffiert hervorgehobene Hilfsstruktur 50 mittels eines hochenergetischen Strahls wie ein Elektronenstrahl oder ein Laserstrahl erzeugt. Der hochenergetische Strahl wird in Bahnen über die obere Pulverschicht geführt, wodurch diese aufgeschmolzen und mit der vorhergehenden Pulverschicht verbunden wird. Die Hilfsstruktur 50 erlaubt einen Ausgleich von bspw. Unebenheiten der Grundplatte 48 und einem schrittweisen Aufbau darüber liegender Strukturen und somit die Schaffung einer definierten Referenzebene für die jeweilige Leitschaufel 4. Zudem wirkt die Hilfsstruktur 50 als Stütze zur Stabilisierung der Leitschaufel 4 bei der generativen Herstellung.
    Während der Herstellung der Hilfsstruktur 50 wird die jeweilige Leitschaufeln 4 durch Veränderung der Verfahrensparameter liegend von der Vorderseite 30 zur Hinterseite 32 mit dem integrierten Einlaufbelag 40 generativ schichtweise aufgebaut. Nach dem vollständigen Aufbau der jeweiligen Leitschaufel 4 wird diese von der Hilfsstruktur 50 getrennt.
  • Die kammerartige Materialstruktur der Einlaufbeläge 40 wird durch eine Variation der Herstellparameter und somit mit individualisierten Verfahrensparametern gegenüber den sonstigen Schaufelabschnitten wie den Fußabschnitten 24a, 24b, den Deckbändern 26, 28 sowie dem bzw. bei Laufschaufelsegmenten den Schaufelblättern 22 hergestellt.
    In Figur 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einlaufsystems 34 gezeigt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist ein Einlaufring 36 an Vorderkanten 52 der Schaufelblätter 22 der Leitschaufeln 4 angeordnet und somit über den Umfang der Leitschaufelreihe offen ausgebildet. Den Einlaufring 36 bildende Einlaufbeläge 40 sind radial außen und somit im Bereich eines gegenüberliegenden Schleifrings 38 mit ihrer größten axialen Erstreckung versehen. Sie haben eine vorbeschriebene kammerartige bzw. zelulläre, poröse, wabenartige und ähnliche Materialstruktur und sind generativ mit den Leitschaufeln 4 ausgebildet. Die Materialstruktur des sonstigen Schaufelblattbereiches 54 ist herkömmlicher Art und somit mit einer strukturell härteren Innenstruktur als der Einlaufbelag 40 versehen. Die Einlaufbeläge 40 sind quasi vor dem jeweiligen Schaufelblatt 22 angeordnet, wodurch die Vorderkanten 52 jeweils einen radial außenliegenden bzw. außendeckbandnahen Kantenabschnitt 56 haben, der gegenüber einem radial inneren Kantenabschnitt 58 stromaufwärts versetzt angeordnet ist. Die Vorderkante 52 ist somit stufenartig ausgebildet.
    Der Schleifring 38 der stromaufwärtigen Laufschaufelreihe ist identisch dem Schleifring 38 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Schleifring 38 wird somit ebenfalls von außendeckbandseitigen Hinterseiten 20 der stromaufwärtigen Laufschaufelreihe gebildet und besteht aus einem härteren Material als der Einlaufring 36.
    Die Funktionsweise ist gleich dem ersten Ausführungsbeispiel. Bei einem Wellenbruch laufen die Laufschaufeln 2 über ihren Schleifring 38 und somit unmittelbar über ihre den Schleifring 38 bildenden Hinterseiten 20 auf den offenen Einlaufring 36 der Leitschaufeln 4 auf. Der Schleifring 38 reibt sich in den Einlaufbelag 36 ein bzw. schleift diesen teilweise ab, wodurch der Rotor abgebremst wird. Dabei hat der Einlaufring 36 eine derartige kammerartige Materialstruktur und eine derartige Erstreckung in Axialrichtung, dass ein unmittelbares Auflaufen der Außendeckbänder 16 auf den Schaufelblattbereich 54 verhindert wird. Eine Zertrümmerung der Laufschaufeln und/oder der Leitschaufeln ist somit wirkungsvoll verhindert.
    Die Herstellung der schaufelblattseitigen Einlaufbeläge 40 erfolgt generativ integral bei der Herstellung der Leitschaufeln 4, so dass auf die vorstehenden Erläuterungen zur Figur 7 verwiesen werden.
    Offenbart sind ein Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags für eine Strömungsmaschine zur Abbremsung eines Rotors bei einem Wellenbruch, wobei der Einlaufbelag bei einer Herstellung einer Schaufel als ein integraler Schaufelabschnitt ausgebildet wird, sowie eine Leitschaufel mit einem derartigen Einlaufbelag.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Laufschaufel
    4
    Leitschaufel
    6
    Nabe
    8
    Drehachse
    10
    Welle
    12
    Schaufelblatt
    14
    Innendeckband
    16
    Außendeckband
    18
    Vorderseite
    20
    Hinterseite
    22
    Schaufelblatt
    24a, b
    Fußabschnitt
    26
    Innendeckband
    28
    Außendeckband
    30
    Vorderseite
    32
    Hinterseite
    34
    Einlaufsystem
    36
    Einlaufring
    38
    Schleifring
    40
    Einlaufbelag
    42a, b
    Umfangsspalt
    44
    Umfangsfläche
    46
    Deckbandfläche
    48
    Grundplatte
    50
    Hilfsstruktur
    52
    Vorderkante
    54
    Schaufelblattbereich
    56
    äußerer Kantenabschnitt
    58
    innerer Kantenabschnitt

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags (38) für eine Strömungsmaschine zur Abbremsung eines Rotors bei einem Wellenbruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (40) bei einer generativen Herstellung einer Schaufel (4) als ein integraler generativer Schaufelabschnitt ausgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei Ausbildung des Einlaufbelags (40) individuelle Verfahrensparameter eingestellt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mit der Herstellung der Schaufel (4) eine generative Hilfsstruktur (50) aufgebaut wird, die nach der Herstellung der Schaufel (4) entfernt wird.
  4. Leitschaufel (4) für eine Strömungsmaschine mit einem Einlaufbelag (40) zur Abbremsung eines Rotors bei einem Wellenbruch, wobei der Einlaufbelag (40) in einem vorderen Bereich der Leitschaufel (4) angeordnet ist und eine kammerartige Materialstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (40) bei einer generativen Herstellung der Schaufel (4) als ein integraler, generativer Schaufelabschnitt ausgebildet ist.
  5. Leitschaufel nach Anspruch 4, wobei die Leitschaufel (4) ein Außendeckband (28) umfasst, und wobei der Einlaufbelag (40) an einer Vorderseite (30) des Außendeckbandes (28) ausgebildet ist.
  6. Leitschaufel nach Anspruch 4, wobei die Leitschaufel (4) ein Schaufelblatt (22) umfasst, und wobei der Einlaufbelag (40) radial außen an einer Vorderkante (52) des Schaufelblattes (22) ausgebildet ist.
  7. Leitschaufel nach Anspruch 6, wobei der Einlaufbelag (40) einen Kantenabschnitt (56) der Vorderkante (52) bildet, der im Vergleich zu einem radial inneren Kantenabschnitt (58) stromaufwärts versetzt ist.
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