DE102006027506B4

DE102006027506B4 - Gasturbinengehäuse und Verfahren zur Herstellung eines Gasturbinengehäuses

Info

Publication number: DE102006027506B4
Application number: DE200610027506
Authority: DE
Inventors: Reinhold Meier; Siegfried Sikorski
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2026-06-15
Also published as: DE102006027506A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Gasturbinengehäuses (1), insbesondere eines Gasturbinengehäuses (1) für Flugtriebwerke, mit den Schritten:
– Formen eines metallischen Blechs zu einem umfangsmäßig im Wesentlichen geschlossenen Mantel (2);
– Verbinden der in Umfangsrichtung des Mantels (2) gelegenen freien Enden dieses Mantels (2) miteinander; und
– Erzeugen einer vorbestimmten Kontur des Mantels (2) durch Gegenrollendrücken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinengehäuse, wie Gasturbinengehäuse für ein Flugtriebwerk, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gasturbinengehäuses.
Gasturbinengehäuse, wie beispielsweise Gasturbinengehäuse für Flugtriebwerke, werden heutzutage aus geschmiedeten Ringen durch spanende Bearbeitung hergestellt. Zu diesem Zweck weisen die geschmiedeten Ringe zunächst ein entsprechend großes Ausmaß auf. Die einzelnen geschmiedeten Ringe werden zur Bildung des Gehäuses axial durch Verschrauben aneinander gefügt.
Nachteilig an derartigen Gestaltungen ist, dass ein verhältnismäßig großer Werkstoffaufwand notwendig ist, um den sicheren Schmiedeprozess zu gewährleisten. Die Werkstoffkosten sind somit relativ hoch und der Schmiedeprozess recht teuer. Der hierbei durchgeführte Dreh- bzw. Fräsprozess ist bei diesen Gestaltungen ferner risikobehaftet. Ferner sind derartige Gehäuse relativ labil und mit hohen Eigenspannungen behaftet. Das Einhalten der geforderten Maß- und Geometrietoleranzen ist bei diesen bekannten Gestaltungen meist relativ schwierig.
Aus der Druckschrift EP 0 486 133 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zu Herstellung eines Bauteils für ein Turbinengehäuse bekannt. In der Druckschrift EP 1 512 470 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Einlasskante eines Turbinengehäuses mittels konkavem Drücken offenbart. Ferner zeigt die Druckschrift DE 2 333 917 A eine Biegevorrichtung zur Herstellung von vorbestimmten Krümmungsradien von Gasturbinenbauteilen. In der Druckschrift von R. Pernpeintner: Raumfahrttechnologie, Schwerpunkte aus Sicht MAN Technologie; Raumfahrttechnologietage DLR, 4./.5 November 2003 in Köln, ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks mittels Gegenrollendrückens beschrieben.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinengehäuse, wie Gasturbinengehäuse eines Flugtriebwerks, bereitzustellen, das sich kostengünstig bzw. materialsparend herstellen lässt und dennoch eine ausreichende Festigkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie ein Gasturbinengehäuse gemäß Anspruch 7 oder gemäß Anspruch 8 vorgeschlagen. Bevorzugte Gestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der Erfindung wird also zunächst ein Verfahren zur Herstellung eines Gasturbinengehäuses vorgeschlagen. Dieses Gasturbinengehäuse kann beispielsweise ein Gasturbinengehäuse eines Flugtriebwerks sein. Beispielsweise ist dieses Gasturbinengehäuse ein Turbinengehäuse oder ein Verdichtergehäuse. Zunächst wird eine metallische Platte bzw. ein metallisches Blech zu einem umfangsmäßig im Wesentlichen geschlossenen Mantel geformt. Dieses Formen kann beispielsweise durch ein Rollen erfolgen. Das metallische Blech ist in vorteilhafter Ausgestaltung aus einer Superlegierung. Beispielsweise kann das metallische Blech aus einer nickel- und/oder kobaltbasierten Superlegierung bestehen. Der Mantel kann beispielsweise so geformt werden, dass er eine im Wesentlichen zylindrische oder kegelförmige oder kegelstumpfförmige Kontur aufweist und hohl ausgebildet ist. Nach dem Formen des Mantels werden die in dessen Umfangsrichtung gelegenen freien Enden miteinander verbunden. Dieses Verbinden kann beispielsweise durch Schweißen, wie insbesondere Pressschweißen oder Reibschweißen, erfolgen.
Anschließend wird eine vorbestimmte Kontur des Mantels durch Gegenrollendrücken erzeugt. Insbesondere wird also die im Wesentlichen zylindrische oder kegelförmige oder kegelstumpfförmige Kontur modifiziert. Die dabei entstehende Kontur des Mantels, der in vorteilhafter Ausgestaltung rotationssymmetrisch gestaltet ist, kann beispielsweise so sein, dass in Längsrichtung des Mantels dessen Innendurchmesser variiert, und zwar insbesondere nicht-linear.
In zweckmäßiger Weiterbildung werden in den Mantel nach dem Gegenrollendrücken ein oder mehrere Ringe eingesetzt. Das Einsetzen dieses einen oder dieser mehreren Ringe erfolgt vorzugsweise so, dass sich dieser Ring radial außen an der Innenoberfläche der Mantelwand abstützt. Dieser oder jeder Ring, der in den Mantel eingesetzt wird, weist Aufnahmeabschnitte bzw. Aufnahmeeinrichtungen für die Aufnahme von Leitschaufeln auf. Der oder jeder Ring wird dabei fest mit der Mantelwand verbunden. Die Aufnahmebereiche bzw. Aufnahmeeinrichtungen werden dabei in vorteilhafter Ausgestaltung von Aufnahmehaken gebildet.
Das Verbinden des oder der Ringe mit dem Mantel erfolgt in vorteilhafter Gestaltung so, dass diese zunächst an Stellen, die radial oder axial außen an den Ringen gelegen sind, an der Innenkontur des Mantels fixiert werden, insbesondere gasdicht fixiert werden, was beispielsweise durch Kleben oder Schweißen, wie beispielsweise EB-Schweißen oder Laserschweißen, erfolgen kann, und zwar insbesondere entlang ihres Umfangs bzw. umfangsmäßig geschlossen. Dieses (gasdichte) Fixieren der Ringe an dem Mantel kann insbesondere im Vakuum erfolgen. Durch das gasdichte Fixieren der Ringe an der Innenkontur des Mantels in axial außen bzw. in axial beabstandeten und radial außen gelegenen Bereichen der Ringe, welches Fixieren insbesondere jeweils entlang einer im Wesentlichen umfangsmäßig geschlossenen Bahn erfolgt, im Vakuum kann erreicht werden, dass der axial zwischen den durch das Fixieren entstehenden Verbindungsbereichen und radial zwischen den Ringen und dem Mantel gelegenen Bereich im Wesentlichen gasfrei ist bzw. dass dort ein Vakuum entsteht. Aufgrund der Tatsache, dass das Fixieren gasdicht erfolgt verbleibt dieser Bereich gasdicht bzw. bleibt dieses Vakuum erhalten, wenn das (äußere) Vakuum, in dem das Fixieren stattfindet, nicht mehr vorhanden ist.
Anschließend kann dann unter Temperatur- und Druckanwendung, was in vorteilhafter Ausgestaltung in einer geschlossenen Kammer erfolgt, der jeweilige Ring mit der Innenkontur des Mantels in den axial zwischen den angesprochenen Fügestellen bzw. Schweiß- oder Klebstellen verbunden werden. Dies kann beispielsweise durch ein HIPen (= Isostatitisches Heißpressen) erfolgen. Die Temperatur kann dabei so gewählt werden, dass etwaige beim Drücken entstandenen Gefügeveränderungen geheilt werden.
Die Aufnahmeeinrichtungen für die Leitschaufeln können vor dem Einbringen der Leitschaufeln in den Mantel oder nach dem Einbringen der Leitschaufeln in den Mantel ausgeformt werden, und zwar beispielsweise durch Drehen und/oder Fräsen.
Im Folgenden sollen anhand der Fig. Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, ohne dass die Erfindung hierdurch auf diese eingeschränkt werden soll. Dabei zeigt:
1 beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasturbinengehäuses 1 in schematischer, geschnittener und teilweiser Darstellung; und
2 die Schritte eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.
1 zeigt eine erste, beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasturbinengehäuses 1 in geschnittener, teilweiser Darstellung. Die Gestaltung gemäß 1 lässt sich beispielsweise mittels einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens herstellen, wie beispielsweise mittels des anhand der 2 erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wie gut der 1 entnommen werden kann, bildet das Gasturbinengehäuse einen Mantel 2 aus, der aus einem metallischen Blech geformt wurde. Das metallische Blech kann dabei zunächst so geformt sein, dass dies im Wesentlichen einen umfangsmäßig geschlossenen Mantel ausbildet, der beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch oder kegelförmig bzw. kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Anschließend kann die Kontur des Mantels durch konkaves Drücken oder durch Gegenrolldrücken in die in 1 gezeigte Kontur dieses Mantels 2 gebracht werden, wobei der Mantel insbesondere umfangsmäßig geschlossen bleibt. Dieses kann insbesondere so sein, dass sich dabei der Querschnitts(flachen)verlauf in Längsrichtung des Mantels 2 verändert wird.
Der 1 kann ferner entnommen werden, dass auf der radial innen gelegenen Seite 3 des Mantels 2 mehrere Ringe 4 angeordnet sind, die Aufnahmehaken 5 für die Aufnahme von Leitschaufeln ausbilden.
Zum Halten der Ringe 4 an der radial innen gelegenen Seite 3 des Mantels 2 sind die Ringe 4 fixiert. Dies erfolgt so, dass die Ringe 4 radial außen in ihren beiden axial außen gelegenen Bereichen 6 dicht mit der radial innen gelegenen Seite bzw. Oberfläche 3 des Mantels 2 verschweißt werden und anschließend unter Aufbringen von Druck und Temperatur die axial zwischen den Bereichen 6 gelegenen Bereiche 7 des jeweiligen Ringes 4 mit der radial innen gelegenen Seite bzw. Oberfläche 3 des Mantels 2 verbunden werden. Dies kann beispielsweise durch HIPen erfolgen.
An den beiden axialen Enden des Mantels 2 sind Anbauflansche bzw. Anschlussstücke 8 angeformt.
Im Folgenden sollen anhand der 2 ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren erläutert werden. Mittels dieses beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise die in 1 gezeigte Gestaltung hergestellt werden.
In Schritt 10 wird zunächst ein Blech bzw. eine Platte aus gewälztem Blech zugeschnitten. Die Platte bzw. das Blech kann dabei auf dem im Folgenden noch angesprochenen Roll- und Drückprozess abgestimmt sein.
Im Schritt 12 wird die Blechdicke auf das Gehäuse und den Drückprozess abgestimmt bearbeitet.
Im Schritt 14 wird der Zuschnitt auf Zylinder oder Kegel gerollt.
Im Schritt 16 werden die Enden bzw. umfangsmäßig freien Enden (des Zylinders oder Kegels oder Kegelstumpfes) durch konduktives Press- oder Rührreibschweißen verbunden und ggf. angeglichen.
Im Schritt 18 wird durch konkaves oder Gegenrolldrücken die geforderte Kontur des Gasturbinengehäuses 1 bzw. dessen Mantel 2 hergestellt bzw. erzeugt.
Im Schritt 20 erfolgt ein Beschneiden des Gasturbinengehäuses 1 und im Schritt 22 erfolgt ein Richtglühen des Gasturbinengehäuses 1.
Anschließend werden im Schritt 24 geschmiedete oder abbrennstumpfgeschweißte Ringe für Aufnahmehaken bereitgestellt.
Im Schritt 26 erfolgt dann ein adaptives Fräsen der Ringe nach der Gehäusekontur im Bereich der Hakenringe.
Im Schritt 28 werden das Turbinengehäuse 1 und die Ringe 4 gereinigt und im Bereich der Überdeckung von Gehäuse 1 und Hakenringen 4 oxidfrei gemacht.
Im Schritt 30 werden anschließend die Ringe 4 im Vakuum gasdicht verschlossen, was beispielsweise durch Schweißen, insbesondere durch EB-Schweißen oder durch Laserschweißen oder Kehlnahtschweißen oder Lineares Reibschweißen, oder durch Kleben erfolgen kann (vgl. Schweißnaht in den Bereichen 6 in 1). Dieses gasdichte Verschließen erfolgt insbesondere so, dass die dabei entstehenden Fügestellen 6 jeweils umfangsmäßig geschlossen sind. Wie gut 1 entnommen werden kann, sind die Fügestellen 6 jeweils radial außen und axial außen am jeweiligen Ring 4 positioniert, so dass je Ring 4 insbesondere zwei umfangsmäßig geschlossene Fügestellen 6 geben sind, die in axialer Richtung voneinander beabstandet sind. Der axial zwischen den, dem jeweils gleichen Ring 4 zugeordneten Fügestellen 6 gelegene und radial zwischen diesem jeweiligen Ring 4 und dem Mantel 2 gelegene Bereich 9 ist ein Bereich, der gasdicht abgeschlossen wird bzw. in dem sich – wenn das gasdichte Verschließen im Vakuum erfolgt – ein Vakuum ausbildet.
Im Schritt 32 wird das Gehäuse mit den Ringen 4 einer Temperatur- und Wärmebehandlung ausgesetzt, und zwar insbesondere in einer geschlossenen Kammer. Dies kann beispielsweise so sein, dass das Gehäuse 1 mit den Ringen 4 mittels HIPen, also mittels isostatischem Heißpressen, verbunden wird. Die Temperatur beim isostatischen Heißpressen bzw. HIPen wird vorzugsweise so gewählt, dass etwaige beim Drücken entstandene Gefügeveränderungen geheilt werden bzw. geheilt werden können.
Im Schritt 34 wird die Verbindung zwischen dem Gehäuse bzw. dem Mantel 2 und den Ringen 4 geprüft.
Im Schritt 36 werden anschließend die Haken 5 gedreht und gefräst.
In Schritt 38 werden die Anbauflansche 8 an richtiger Stelle im Fertigungsprozess angeschweißt und bearbeitet.
Das Gasturbinengehäuse 1 und insbesondere der Mantel 2 kann beispielsweise aus Titan oder einer Titanlegierung, wie beispielsweise kaltumformbare Titanlegierung, oder einer Nickelbasislegierung oder einer Kobaltbasislegierung bestehen.
Wie insbesondere die Ausführungsbeispiele zeigen, weist die Erfindung gegenüber bekannten Gestaltungen erhebliche Vorteile auf. So lässt sich gemäß den Ausführungsbeispielen ein hochfestes, leichtes, schnell und kostengünstig herstellbares Gasturbinengehäuse fertigen. Ferner kann der Zerspanungsaufwand reduziert werden, was insofern relevant ist, als hochwarmfeste Legierungen sich in der Regel schwer zerspanen lassen.
Erfindungsgemäß wird also die Herstellung eines dünnwandigen hochfesten Turbinengehäuses auf wirtschaftliche Weise ermöglicht.
Ferner ist die erfindungsgemäße Gestaltung materialsparender als bislang bekannte Gestaltungen, ohne dass bemerkenswerte Festigkeitseinbußen damit einhergehen.
Durch das konkave Drücken bzw. Gegenrollendrücken wird eine verbesserte Festigkeit im Verhältnis zum Materialeinsatz ermöglicht. Dies erfolgt insbesondere so, dass die Gitterebenen des Metalls verspannt werden, was auch eine dünnwandige Ausbildung des Turbinengehäuses möglich macht.

1: Gasturbinengehäuse
2: Mantel von 1
3: radial innen gelegene Seite von 2
4: Ring
5: Aufnahmehaken bzw. -einrichtungen an 4
6: Verbindungsbereich bzw. Bereich
7: Bereich
8: Anbauflansch bzw. Anschlussstück
9: Bereich
10: Schritt
12: Schritt
14: Schritt
16: Schritt
18: Schritt
20: Schritt
22: Schritt
24: Schritt
26: Schritt
28: Schritt
30: Schritt
32: Schritt
34: Schritt
36: Schritt
38: Schritt

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gasturbinengehäuses (1), insbesondere eines Gasturbinengehäuses (1) für Flugtriebwerke, mit den Schritten: – Formen eines metallischen Blechs zu einem umfangsmäßig im Wesentlichen geschlossenen Mantel (2); – Verbinden der in Umfangsrichtung des Mantels (2) gelegenen freien Enden dieses Mantels (2) miteinander; und – Erzeugen einer vorbestimmten Kontur des Mantels (2) durch Gegenrollendrücken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der in Umfangsrichtung des Mantels (2) gelegenen freien Enden dieses Mantels (2) durch Schweißen, insbesondere durch – beispielsweise konduktives – Preß- oder Reibschweißen bzw. Rührreibschweißen, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der metallischen Platte geformte, umfangsmäßig im Wesentlichen geschlossene Mantel (2) derart geformt wird, dass er eine im Wesentlichen zylindrische oder kegelförmige bzw. kegelstumpfförmige Gestalt erhält, die anschließend durch dass Gegenrollendrücken verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ring (4) mit Aufnahmeeinrichtungen, wie Aufnahmehaken (5), für Leitschaufeln gefertigt und mit dem Mantel (2) nach dem Gegenrollendrücken verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden des mit Aufnahmeeinrichtungen, wie Aufnahmehaken (5), versehenen Ringes (4) mit dem Mantel (2) der Ring (4), insbesondere im Vakuum, in zwei axial beabstandeten, radial außen gelegenen Verbindungsbereichen (6) jeweils entlang einer im Wesentlichen umfangsmäßig geschlossenen Bahn mit dem Mantel (2) verbunden, insbesondere verschweißt oder verklebt, wird und anschließend in einem Bereich, der axial zwischen diesen Verbindungsbereichen (6) und radial zwischen dem Ring (4) und dem Mantel (2) gelegen ist, mit dem Mantel (2) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden in dem zwichen den axial beabstandeten Verbindungsbereichen gelegenen Bereich unter Druck- und Temperaturanwendung bzw. durch isostatisches Heißpressen (HIP) erfolgt.
Gasturbinengehäuse, das eine umfangsmäßig um eine Längsachse des Gasturbinengehäuses (1) geschlossene, in ihren Querschnitten im Wesentlichen kreisringförmige ausgebildete mantelförmige Wand ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die mantelförmige Wand von einem Blech ausgebildet ist, dessen in der sich um die Längsachse des Gasturbinengehäuses (1) erstreckenden Umfangsrichtung gelegenen Enden miteinander verschweißt sind, wobei eine vorbestimmte Kontur des Mantels (2) durch Gegenrollendrücken entstanden ist.
Gasturbinengehäuse mit einer umfangsmäßig um eine Längsachse des Gasturbinengehäuses (1) geschlossenen, in ihren Querschnitten im Wesentlichen kreisringförmigen Wand auf deren radialen Innenseite (3) Aufnahmeneinrichtungen (5) für Leitschaufeln ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasturbinengehäuse mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist.