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Dokumentenidentifikation DE19956444A1 07.06.2001
Titel Leichtbauteil in Verbundweise
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Steinhardt, Erich, Dr., 81377 München, DE;
Eibl, Helmut, 82256 Fürstenfeldbruck, DE
DE-Anmeldedatum 24.11.1999
DE-Aktenzeichen 19956444
Offenlegungstag 07.06.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.06.2001
IPC-Hauptklasse F01D 5/16
Zusammenfassung Leichtbauteil in Verbundbauweise für Turbomaschinen, mit einer dünnen, metallischen Wandschicht sowie mit einer metallischen Kernstruktur mit einem hohen Leervolumenanteil, wobei die Wandschicht und die Kernstruktur fest miteinander verbunden sind.
Die Kernstruktur weist einen räumlichen, filz- und/oder geflechtartigen Aufbau auf und besteht aus einem oder mehreren Drähten, Bändern, Spänen bzw. vergleichbaren Elementen.
Die Kernstruktur ist in sich sowie mit der Wandschicht versintert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Leichtbauteil in Verbundbauweise für Turbomaschinen, mit einer dünnen, metallischen Wandschicht sowie mit einer metallischen Kernstruktur mit einem hohen Leervolumenanteil, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Leichtbauteile in Verbundbauweise mit einer dünnen, äußeren Wandschicht und mit einer leichten Kernstruktur sind in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt, sei es in Metall- und/oder Kunststoffbauweise. Der Großteil der mechanischen Lasten wird von der Wandschicht aufgenommen, die Kernstruktur hat primär eine Stützfunktion in Relation zur Wandschicht und schützt letztere vor Beulen, Knicken etc.. Als Kernstrukturen werden bevorzugt Hartschäume und Honigwabengeometrien angewendet und mit der Wandschicht mechanisch fest verbunden, häufig durch Kleben. Je nach Art und Richtung der Bauteilbelastung kommen auch rippen-, holm- und stringerartige Kernstrukturen zur Anwendung, insbesondere bei reiner Metallbauweise. Aus der DE 40 41 104 C1 ist eine Leichtbauschaufel für Strömungsmaschinen bekannt, die eine Schaufelschale und einen Schaufelkern umfaßt, wobei letzterer aus einem Bündel von Röhrchen besteht, die untereinander und mit der Außenschale fest verbunden sind.

Die genannten Bauweisen zeichnen sich zwar durch geringes Gewicht und hohe Biegesteifigkeit aus, aber ihre Eigendämpfung im Falle dynamischer Belastung/Erregung ist in der Regel gering. Schaufeln und Strukturen in Turbomaschinen unterliegen hohen dynamischen Belastungen, insbesondere für unvermeidbare Resonanzzustände ist daher eine hohe Eigendämpfung des Bauteils vorteilhaft bzw. lebensdauerentscheidend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Leichtbauteil in Verbundbauweise für Turbomaschinen vorzuschlagen, das sowohl ein geringes Strukturgewicht und eine hohe Struktursteifigkeit, als auch eine hohe Eigendämpfung aufweist und somit für hohe dynamische Belastungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.

Die gewünschte, optimale Kombination aus Festigkeit und Eigendämpfung in Verbindung mit Leichtbauweise wird durch den Aufbau der Kernstruktur sowie durch die Art ihrer inneren Konsolidierung und Anbindung an die Wandschicht erreicht. Die Kernstruktur soll einen räumlichen filz- und/oder geflechtartigen Aufbau aus Drähten (auch Endlosdraht), Bändern, Spänen usw. aufweisen, wobei die gewünschte Dämpfung i. w. durch innere Reibung, d. h. durch Reibung der Metallelemente aneinander, erzielt wird. Die erforderliche Formbeständigkeit und Steifigkeit der Kernstruktur und der Gesamtstruktur wird durch Versintern der sie bildenden Metallelemente (Drähte etc.) untereinander sowie mit der Wandschicht erreicht. Der Begriff "Sintern" bzw. "Versintern" hat im vorliegenden Fall nichts mit Pulvermetallurgie zu tun, sondern weist auf ein oberflächliches Verschweissen, d. h. ein stoffschlüssiges Verbinden sich berührender Metallelemente, unter Hitze und gewissem Druck hin.

Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Leichtbauteils nach dem Hauptanspruch.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1 ein Leichtbauteil in Form einer Schaufel in vorgefertigtem Zustand,

Fig. 2 die Schaufel aus Fig. 1 in fertigem Zustand,

Fig. 3 ein Leichtbauteil in Form eines Gehäuseteils.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Fertigungsstufen einer Schaufel 1 in Leichtbauweise für eine Turbomaschine, beispielsweise einer Verdichterschaufel für ein Gasturbinentriebwerk. Man erkennt eine dünne Wandschicht 3, welche aus Metall besteht und das Bauteil umhüllt, sowie eine filz- bzw. geflechtartige Kernstruktur 9, ebenfalls aus Metall. In Fig. 1 ist weiter zu erkennen, daß die Wandschicht 3 aus zwei gewölbten Deckblechen 5, 6 zusammengesetzt wird. Alternativ könnte ein vergleichbar geformtes, einteiliges und dünnwandiges Hohlprofil verwendet werden (nicht dargestellt). Die Kernstruktur 9 ist gemäß Fig. 1 nur vorgeformt aber in sich noch nicht stabilisiert und auch noch nicht mit der Wandschicht 3 integral verbunden. Der Übergang vom Fertigungszustand gemäß Fig. 1 zum - zustand gemäß Fig. 2 beinhaltet mehrere Schritte. Die Deckbleche 5, 6 werden im Bereich der Ein- und Austrittskante des Schaufelprofils integral verbunden, vorzugsweise durch Schweissen oder Löten. Der Formkörper aus Wandschicht 3 und eingeschlossener Kernstruktur 9 wird mittels eines geeigneten Werkzeugs sowie einer Presse durch Komprimieren in die gewünschte Schaufelprofilform gebracht und gesintert, d. h. unter Druck erhitzt, bis die verdichteten Kernstrukturelemente (Drähte, Späne, Bänder etc.) sich untereinander und mit der Wandschicht 3 oberflächlich stoffschlüssig verbinden (Versintern). Dadurch wird die Schaufel konsolidiert und sie behält ihre Form auch nach Entnahme aus dem Presswerkzeug. Eine gewisse, elastische Rückfederung/Dekompression des Schaufelprofils kann dadurch kompensiert werden, dass das Profil in der Pressform auf Untermaß verdichtet wird (Profildicke unter Nenndicke), so daß es nach Rückfederung die gewünschte Kontur aufweist. In aller Regel müssen auch die Ein- und Austrittskante des Schaufelprofils nachgearbeitet werden, sei es, um überstehende Enden der Deckbleche 5, 6 zu entfernen bzw. um die vorgegebenen Kantenradien zu erzielen.

Das fertige Profil der Schaufel 1 ist in Fig. 2 zu erkennen, welche einem Axialschnitt durch das Bauteil entspricht. Auch Leichtbauschaufeln in Verbundbauweise haben in aller Regel massive Bereiche, z. B. den Schaufelfuß bzw. ein Deckband. Bei der erfindungsgemäßen Leichtbauweise ist es am günstigsten, die massiven Bauteilzonen als separate Teile zu fertigen und anschließend in den eigentlichen Leichtbau-Verbund zu integrieren, sei es durch Schweissen, Löten, Kleben usw.

Fig. 3 zeigt anhand eines Gehäuseteils 2 u. a. die Integration eines Massivteils, hier eines Flansches 11, für eine Befestigung an benachbarten, nicht dargestellten Bauteilen. Es soll sich um ein rotationssymmetrisches Gehäuseteil 2 für eine Gasturbine handeln, wobei die Figur einem axialen Teilschnitt im Flanschbereich entspricht. Die Wandschicht 4 umfasst ein äusseres und ein inneres Deckblech 7 und 8, welche konzentrisch in konstantem, radialem Abstand A zueinander angeordnet sind. Die Kernstruktur 10 befindet sich in einem komprimierten, durch Versintern fixierten Zustand und ist auch mit den Deckblechen 7, 8 versintert. Der massive, metallische Flansch 11 reicht in die Leichtbaustruktur hinein, so daß sich ausreichende Verbindungsflächen zu den Deckblechen 7, 8 ergeben im Hinblick auf ein Fügen durch Schweissen, Löten, Kleben etc. Selbstverständlich können derartige Gehäuseteile in Umfangsrichtung auch mehrteilig ausgeführt, das heisst segmentiert sein. Allgemein gilt, daß sich die Eigenschaften erfindungsgemäßer Leichtbauteile auch über den Grad der Verdichtung der Kernstruktur vor dem Versintern beeinflussen lassen.


Anspruch[de]
  1. 1. Leichtbauteil in Verbundbauweise für Turbomaschinen, insbesondere als Laufschaufel für eine Gasturbine, mit einer dünnen, metallischen Wandschicht sowie mit einer metallischen Kernstruktur mit einem hohen Leervolumenanteil, wobei die Wandschicht das Leichtbauteil zumindest auf zwei sich gegenüberliegenden, den Großteil der Bauteiloberfläche erfassenden Seiten begrenzt und wobei die Wandschicht und die Kernstruktur aus dem selben Metall oder aus zwei basisgleichen Metallen bestehen sowie fest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,

    dass die Kernstruktur (9, 10) einen räumlichen, filz- und/oder geflechtartigen Aufbau aufweist sowie aus einem oder mehreren Drähten, Bändern, Spänen und/oder vergleichbaren Elementen besteht, und

    dass die Kernstruktur (9, 10) in sich sowie mit der Wandschicht (3, 4) versintert ist, das heisst durch oberflächliches Verschweissen stoffschlüssig stabilisiert und integral angebunden ist.
  2. 2. Leichtbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstruktur (9, 10) im fertigen Leichtbauteil (1, 2) in volumetrisch verdichteter Form vorliegt.
  3. 3. Leichtbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandschicht (3, 4) und die Kernstruktur (9, 10) aus einem Metall auf Basis von Aluminium, Titan, Eisen, Nickel oder Kobalt bestehen.
  4. 4. Leichtbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, in Form einer Schaufel für eine Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandschicht (3) aus zwei, im Bereich der Ein- und Austrittskante des Schaufelprofils verbundenen Deckblechen (5, 6) oder aus einem dünnwandigen Hohlprofil besteht.
  5. 5. Leichtbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, in Form eines Gehäuseteils für eine Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandschicht (4) aus zwei sich gegenüberliegenden, ebenen und/oder gekrümmten Deckblechen (7, 8) mit zumindest bereichsweise konstantem Abstand (A) besteht.






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