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Dokumentenidentifikation DE102006008836A1 06.09.2007
Titel Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur eines integral beschaufelten Rotors
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Meier, Reinhold, 84405 Dorfen, DE;
Schütte, Wilfried, 82041 Oberhaching, DE
DE-Anmeldedatum 25.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006008836
Offenlegungstag 06.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse B23P 15/02(2006.01)A, F, I, 20060225, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23P 6/00(2006.01)A, L, I, 20060225, B, H, DE   B23K 13/01(2006.01)A, L, I, 20060225, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur eines integral beschaufelten Rotors, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Rotorgrundkörpers, wobei der Rotorgrundkörper mindestens einen höckerartigen Vorsprung zur Anbindung jeweils einer Laufschaufel an den Rotorgrundkörper aufweist; b) Bereitstellen mindestens einer Laufschaufel, wobei die oder jede Laufschaufel einen höckerartigen Vorsprung zur Anbindung derselben an einen höcherartigen Vorsprung des Rotorgrundkörpers aufweist; c) Fügen der oder jeder Laufschaufel an den Rotorgrundkörper durch induktives Hochfrequenzpressschweißen, wobei die oder jede Laufschaufel an ihrem höckerartigen Vorsprung mit einem höckerartigen Vorsprung des Rotorgrundkörpers verbunden wird; d) Konturbearbeiten der oder jeder an den Rotorgrundkörper gefügten Laufschaufel.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors.

Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Bei der Entwicklung von Gasturbinen spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle.

Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Turbinenteile des Flugtriebwerks geeignet. Als Fertigungsverfahren für Gasturbinenbauteile aus Titanlegierungen, Nickellegierung oder sonstigen Legierungen sind aus dem Stand der Technik in erster Linie das Feingießen sowie Schmieden bekannt. Alle hochbeanspruchten Gasturbinenbauteile, wie zum Beispiel die Schaufeln für einen Verdichter, sind Schmiedeteile. Bauteile für eine Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt.

Zur Steigerung des Wirkungsgrads von Gasturbinen werden die Rotoren derselben zunehmend als integral beschaufelte Rotoren ausgeführt. Integral beschaufelte Rotoren werden auch als Blisk (bladed disk) oder Bling (bladed ring) bezeichnet, und zwar abhängig davon, ob ein scheibenförmiger Rotorgrundkörper oder ein ringförmiger Rotorgrundkörper vorliegt. Alle bislang aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von integral beschaufelten Rotoren erfordern einen hohen Fertigungsaufwand und sind daher teuer. Des Weiteren bereitet die Reparatur integral beschaufelter Rotoren Schwierigkeiten.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur eines integral beschaufelten Rotors zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur eines integral beschaufelten Rotors gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Rotorgrundkörpers, wobei der Rotorgrundkörper mindestens einen höckerartigen Vorsprung zur Anbindung jeweils einer Laufschaufel an den Rotorgrundkörper aufweist; b) Bereitstellen mindestens einer Laufschaufel, wobei die oder jede Laufschaufel einen höckerartigen Vorsprung zur Anbindung derselben an einen höckerartigen Vorsprung des Rotorgrundkörpers aufweist; c) Fügen der oder jeder Laufschaufel an den Rotorgrundkörper durch induktives Hochfrequenzpressschweißen, wobei die oder jede Laufschaufel an ihrem höckerartigen Vorsprung mit einem höckerartigen Vorsprung des Rotorgrundkörpers verbunden wird; d) Konturbearbeiten der oder jeder an den Rotorgrundkörper gefügten Laufschaufel.

Mit der hier vorliegenden Erfindung wird eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung und/oder Reparatur eines integral beschaufelten Rotors vorgeschlagen, die in ihrer Gesamtheit gleichermaßen für die Herstellung sowie Reparatur von integral beschaufelten Rotoren geeignet ist und die sich des Weiteren über eine hohe Reproduzierbarkeit auszeichnet. Bei den zur Herstellung und/oder Reparatur von integral beschaufelten Rotoren in Kombination verwendeten Schritten, insbesondere beim induktiven Hochfrequenzpressschweißen, handelt es sich um in hohem Maße automatisierbare Prozessschritte, so dass integral beschaufelte Rotoren effektiv und kostengünstig hergestellt sowie repartiert werden können.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird insbesondere bei einer Reparatur eines integral beschaufelten Rotors nach dem Fügen gemäß Schritt c) und vor der Konturbearbeitung gemäß Schritt d) eine Warmbehandlung der oder jeder Fügestelle, nämlich der oder jeder Schweißstelle, durchgeführt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine schematisierte Darstellung eines integral beschaufelten Rotors;

2 einen schematisierten Axialschnitt durch einen höckerartigen Vorsprung von Rotorgrundkörper bzw. Laufschaufel;

3 einen schematisierten Radialschnitt durch den höckerartigen Vorsprung von Rotorgrundkörper bzw. Laufschaufel vor dem Fügen; und

4 einen schematisierten Radialschnitt durch den höckerartigen Vorsprung von Rotorgrundkörper bzw. Laufschaufel nach dem Fügen.

1 zeigt in perspektivischer Ansicht stark schematisiert ein mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellenden bzw. zu reparierenden integral beschaufelten Gasturbinenrotor 10, wobei der integral beschaufelte Gasturbinenrotor 10 einen Rotorgrundkörper 11 sowie mehrere Laufschaufeln 12 aufweist.

Die Laufschaufeln 12 sind unlösbar an einer äußeren Nabe 13 des Rotorgrundkörpers 11 befestigt und demnach integraler Bestandteil desselben. Die Laufschaufeln 12 sind über den Umfang des Rotorgrundkörpers 11 bzw. dessen Nabe 13 äquidistant bzw. mit gleichem Abstand zueinander angeordnet.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Herstellung sowie Reparatur des in 1 dargestellten, integral beschaufelten Gasturbinenrotors 10.

Zur Herstellung eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors wird so vorgegangen, dass zuerst ein vorzugsweise geschmiedeter Rotorgrundkörper 11 bereitgestellt wird. Der geschmiedete Rotorgrundkörper 11 verfügt über höckerartige Vorsprünge zur Anbindung jeweils einer Laufschaufel an den Rotorgrundkörper 11, wobei die Anzahl der höckerartigen Vorsprünge der Anzahl der anzubindenden Laufschaufeln entspricht.

Bei dem in 1 dargestellten Gasturbinenrotor 10 befindet sich an einer Umfangsposition ein solcher höckerartiger Vorsprung 14 zur Anbindung einer Laufschaufel 12. An den anderen Umfangspositionen sind bereits entsprechende Laufschaufeln 12 an höckerartige Vorsprünge 14 gefügt.

Neben dem vorzugsweise geschmiedeten Rotorgrundkörper 11 wird im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin mindestens eine ebenfalls vorzugsweise geschmiedete Laufschaufel 12 bereitgestellt, wobei die oder jede geschmiedete Laufschaufel 12 ebenfalls einen höckerartigen Vorsprung 15 zur Anbindung derselben an einen höckerartigen Vorsprung 14 des Rotorgrundkörpers 11 aufweist.

Soll nun eine Laufschaufel 12 mit ihrem höckerartigen Vorsprung 15 an einen entsprechenden höckerartigen Vorsprung 14 des Rotorgrundkörpers 11 gefügt werden, so wird zuerst die entsprechende Laufschaufel 12 relativ zum Rotorgrundkörper 11 ausgerichtet (siehe 3), wobei hierbei die beiden höckerartigen Vorsprünge 14 und 15 von Laufschaufel 12 und Rotorgrundkörper 11 aneinander zur Anlage kommen, und wobei anschließend die Laufschaufel 12 mit dem Rotorgrundkörper 11 durch induktives Hochfrequenzpressschweißen unter Ausbildung einer Schweißzone 16 verbunden wird.

Um beim induktiven Hochfrequenzpressschweißen eine gute Schweißverbindung bereitstellen zu können, verfügen der höckerartige Vorsprung 14 des Rotorgrundkörpers 11 sowie der höckerartige Vorsprung 15 der an den Rotorgrundkörper 11 anzubindenden Laufschaufel 12 über eine gleichmäßige bzw. konstante Profildicke (siehe 2), so dass über das gesamte Profil der Laufschaufel 12 eine gute Schweißverbindung zum Rotorgrundkörper 11 gewährleistet werden kann. Wird mit derart gleichmäßigen Profildicken der höckerartigen Vorsprünge 14, 15 von Laufschaufel 12 und Rotorgrundkörper 11 gearbeitet, so ist eine optimale Auswahl der Schweißparameter des induktiven Hochfrequenzpressschweißens möglich. Das induktive Hochfrequenzpressschweißen arbeitet mit geringen Presskräften, so dass der geschmiedete Rotorgrundkörper 11 vorzugsweise endkonturgenau bereitgestellt wird.

Nach dem Fügen der oder jeder Laufschaufel 12 an den Rotorgrundkörper 11 durch induktives Hochfrequenzpressschweißen erfolgt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung eine Endkonturbearbeitung der oder jeder an den Rotorgrundkörper 11 gefügten Laufschaufel 12 vorzugsweise durch PECM, also durch Precise Elektro Chemical Machining. Beim PECM wird mit Hilfe von Elektroden von den Laufschaufeln 12 Material abgetragen, wobei die geometrische Kontur der verwendeten Elektroden der herzustellenden geometrischen Kontur entspricht. Hiermit können Schaufelblattkonturen hochgenau hergestellt werden, so dass eine Nachbearbeitung nach dem PECM nicht erforderlich ist.

Die Endkonturbearbeitung der Laufschaufeln kann dabei über die gesamte radiale Erstreckung derselben zwischen einer radial außen liegenden Schaufelspitze und einem radial innen liegenden Anbindungsbereich derselben an den Rotorgrundkörper 11 und über die gesamte axiale Erstreckung Endkonturbearbeitung zwischen einer Strömungseintrittskante und einer Strömungsaustrittskante erfolgen. 2 und 4 zeigen in gestrichelter Linienführung bei der Endkonturbearbeitung herzustellende Sollkonturen 17.

Durch die höckerartigen Vorsprünge 14 und 15 im Bereich des Rotorgrundkörpers 11 sowie der Laufschaufeln 12 ist eine konstruktive Entkopplung von Rotorgrundkörper 11 und Schaufelblatt der Laufschaufeln 12 gewährleistet. Durch die höckerartigen Vorsprünge 14, 15 kann zwischen dem Rotorgrundkörper 11 und der Laufschaufel 12 ein gezielter Übergang ins aerodynamische Profil des Schaufelblatts der Laufschaufeln bereitgestellt werden. Die höckerartigen Vorsprünge 14, 15 mit ihren gleichmäßigen Profildicken ermöglichen weiterhin beim induktiven Hochfrequenzpressschweißen die Ausbildung hochgenauer Schweißnähte, so dass die Verbindung zwischen Rotorgrundkörper 11 und Laufschaufeln 12 durch eine hohe Festigkeit gekennzeichnet ist. Im Reparaturfall sind wiederholte Laufschaufeltausche möglich.

Insbesondere dann, wenn mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Rotor 10 zu reparieren ist, erfolgt nach dem Fügen durch induktives Hochfrequenzpressschweißen und vor der PECM-Bearbeitung der Laufschaufeln eine Warmbehandlung der Schweißstelle vorzugsweise durch induktive Erwärmung derselben.

Dann, wenn ein integral beschaufelter Rotor zu reparieren ist, wird eine beschädigte Laufschaufel unter Bildung eines höckerartigen Vorsprungs im Bereich des Rotorgrundkörpers vom Rotorgrundkörper getrennt, wobei dann an diesen höckerartigen Vorsprung eine neue Laufschaufel gefügt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung sowie Reparatur von integral beschaufelten Rotoren, wobei die Schmiedeprozesse für den Rotorgrundkörper sowie die Laufschaufeln optimal auf die gewünschte Bauteilfestigkeit dieser Bauteile abgestimmt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sicher, einfach prüfbar und gut reproduzierbar. Die Laufschaufeln können aus einem anderen Werkstoff geschmiedet werden wie der Rotorgrundskörper.

10
integral beschaufelter Rotor
11
Rotorgrundkörper
12
Laufschaufel
13
Nabe
14
höckerartiger Vorsprung
15
höckerartiger Vorsprung
16
Schweißzone
17
Sollkontur


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, mit folgenden Schritten:

a) Bereitstellen eines Rotorgrundkörpers, wobei der Rotorgrundkörper mindestens einen höckerartigen Vorsprung zur Anbindung jeweils einer Laufschaufel an den Rotorgrundkörper aufweist;

b) Bereitstellen mindestens einer Laufschaufel, wobei die oder jede Laufschaufel einen höckerartigen Vorsprung zur Anbindung derselben an einen höckerartigen Vorsprung des Rotorgrundkörpers aufweist;

c) Fügen der oder jeder Laufschaufel an den Rotorgrundkörper durch induktives Hochfrequenzpressschweißen, wobei die oder jede Laufschaufel an ihrem höckerartigen Vorsprung mit einem höckerartigen Vorsprung des Rotorgrundkörpers verbunden wird;

d) Konturbearbeiten der oder jeder an den Rotorgrundkörper gefügten Laufschaufel.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder höckerartige Vorsprung des Rotorgrundkörpers eine gleichmäßige Profildicke aufweist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der höckerartige Vorsprung der oder jeder Laufschaufel eine gleichmäßige Profildicke aufweist. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturbearbeitung gemäß Schritt d) durch PECM bzw. durch Precise Electro Chemical Machining erfolgt. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Konturbearbeitung der oder jeder Laufschaufel ein Schaufelblattbereich derselben und ein Übergangsbereich derselben zum Rotorgrundkörpers bearbeitet wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln und der Rotorgrundkörper geschmiedet sind. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln aus einem anderen Werkstoff geschmiedet sind wie der Rotorgrundskörper. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fügen gemäß Schritt c) und vor der Konturbearbeitung gemäß Schritt d) eine Warmbehandlung der oder jeder Fügestelle, nämlich der oder jeder Schweißstelle, durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmbehandlung durch induktive Erwärmung der oder jeder Schweißstelle erfolgt.






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