DE102008032726A1 - Method for manufacturing integrally bladed gas turbine rotors - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren, wobei ein Laufschaufelring aus mehreren Laufschaufeln mit einem Rotorgrundkörper derart verbunden wird, dass mit dem Laufschaufelring ein Werkstoff verbunden wird, um den Laufschaufelring beim Verbinden desselben mit dem Rotorgrundkörper über Reibschweißen an diesem Werkstoff zu fixieren, und wobei nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper der Werkstoff vom Laufschaufelring entfernt wird. Erfindungsgemäß wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass flüssiger Kunststoff über Spritzgießen mit dem Laufschaufelring verbunden wird. Alternativ wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass mindestens ein festes Kunststoffformstück mit dem Laufschaufelring durch Kleben verbunden wird. Alternativ wird der Laufschaufelring mit einem Metallschaum verbunden, und zwar derart, dass zwischen dem Metallschaum und dem Laufschaufelring ein Trennmittel positioniert wird, welches eine stoffschlüssige Verbindung des Metallschaums mit dem Laufschaufelring verhindert. Alternativ wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass festes Kunststoffgranulat in Hohlräume des Laufschaufelrings eingebracht wird, wobei anschließend das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und mit dem Laufschaufelring verbunden wird.The invention relates to a method for producing integrally bladed gas turbine rotors, wherein a blade ring of a plurality of blades is connected to a rotor body such that a material is connected to the blade ring to fix the blade ring when connecting it to the rotor body via friction welding to this material and wherein, after joining the blade ring to the rotor body, the material is removed from the blade ring. According to the invention the blade ring is connected to a plastic, in such a way that liquid plastic is connected by injection molding with the blade ring. Alternatively, the blade ring is connected to a plastic, in such a way that at least one solid plastic molding is connected to the blade ring by gluing. Alternatively, the blade ring is connected to a metal foam, in such a way that between the metal foam and the blade ring, a release agent is positioned, which prevents a cohesive connection of the metal foam with the blade ring. Alternatively, the blade ring is connected to a plastic, in such a way that solid plastic granules are introduced into cavities of the blade ring, wherein then the plastic granules are melted and connected to the blade ring.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren.The The invention relates to a method of manufacturing integrally bladed Gas turbine rotors.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken 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 Teile 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. Laufschaufeln und Leitschaufeln der Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt.modern Gas turbines, especially aircraft engines, must highest Claims in terms of reliability, weight, Achieve performance, cost-effectiveness and service life. In the In recent decades, especially in the civil sector, aircraft engines have been used designed to fully meet the above requirements and have achieved a high level of technical perfection. at the development of aircraft engines plays among other things the material selection, the search for new, suitable materials as well as the search for new ones Manufacturing processes a crucial role. The most important, nowadays used for aircraft engines or other gas turbines Materials include titanium alloys, nickel alloys and high strength Steels. The high strength steels are used for Shaft parts, gear parts, compressor housing and turbine housing used. Titanium alloys are typical materials for Compressor parts. Nickel alloys are for the hot ones Parts of the aircraft engine suitable. As a manufacturing process for Gas turbine components of titanium alloys, nickel alloy or other Alloys are from the prior art primarily the investment casting as well as blacksmiths known. All highly stressed gas turbine components, such as the blades for a compressor, are Forgings. Blades and vanes of the turbine are however, usually designed as investment castings.
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.to Increasing the efficiency of gas turbines become the rotors the same increasingly designed as integrally bladed rotors. Integrally bladed rotors are also called blisk (bladed disk) or Bling (bladed ring), depending of whether a disc-shaped rotor body or an annular rotor body is present.
Aus
der
Nach
der
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren vorzuschlagen.Of these, Based on the present invention, the problem underlying a novel method of manufacturing integrally bladed gas turbine rotors propose.
Dieses Problem wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren gemäß Anspruch 1 gelöst. Hiernach wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass flüssiger Kunststoff über Spritzgießen mit dem Laufschaufelring verbunden wird.This Problem becomes according to a first aspect of the invention by a method for manufacturing integrally bladed gas turbine rotors according to claim 1 solved. After that, the blade ring with a Plastic connected, in such a way that liquid plastic over Injection molding is connected to the blade ring.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren gemäß Anspruch 5 gelöst. Hiernach wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass mindestens ein festes Kunststoffformstück mit dem Laufschaufelring durch Kleben verbunden wird.To In a second aspect of the invention, this problem is addressed by Method for manufacturing integrally bladed gas turbine rotors solved according to claim 5. After that it will the blade ring is connected to a plastic in such a way that at least one solid plastic molding with the Blade ring is connected by gluing.
Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren gemäß Anspruch 8 gelöst. Hiernach wird der Laufschaufelring mit einem Metallschaum verbunden, und zwar derart, dass zwischen dem Metallschaum und dem Laufschaufelring ein Trennmittel positioniert wird, welches eine stoffschlüssige Verbindung des Metallschaums mit dem Laufschaufelring verhindert.To In a third aspect of the invention, this problem is addressed by Method for manufacturing integrally bladed gas turbine rotors solved according to claim 8. After that it will the blade ring connected to a metal foam, and indeed such that between the metal foam and the blade ring a release agent is positioned, which is a cohesive Connection of the metal foam with the blade ring prevented.
Nach einem vierten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem durch ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren gemäß Anspruch 12 gelöst. Hiernach wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass festes Kunststoffgranulat in Hohlräume des Laufschaufelrings eingebracht wird, wobei anschließend das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und mit dem Laufschaufelring verbunden wird.To In a fourth aspect of the invention, this problem is solved by Method for manufacturing integrally bladed gas turbine rotors solved according to claim 12. After that it will the blade ring is connected to a plastic in such a way that solid plastic granules in cavities of the blade ring is introduced, in which case the plastic granules is melted and connected to the blade ring.
Sämtlichen Aspekten der hier vorliegenden Erfindung ist gemeinsam, dass beim Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Werkstoff der Laufschaufelring keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Hierdurch kann eine negative Auswirkung auf das Werkstoffgefüge des Laufschaufelrings vermieden werden. Weiterhin zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Werkstoff einfach ohne negative Auswirkungen auf den Laufschaufelring von demselben entfernt werden kann.All aspects of the present invention have in common that when connecting the blade ring with the material of the blade ring is not exposed to high temperatures. As a result, a negative effect on the material structure of the blade ring avoided become. Furthermore, the invention is characterized in that the material can be removed easily without negative effects on the blade ring of the same.
Besonders bevorzugt sind der zweite sowie dritte Aspekt der hier vorliegenden Erfindung, nach welchem entweder mindestens ein festes Kunststoffformstück oder ein Metallschaum mit dem Laufschaufelring verbunden wird. Bei der Verbindung des oder jedes Kunststoffformstücks bzw. Metallschaums mit dem Laufschaufelring ist derselbe keinerlei Wärmebelastung ausgesetzt. Auch ist ein Entfernen des oder jedes Kunststoffformteils bzw. des Metallschaums vom Laufschaufelring mit einfachen Mitteln möglich. Negative Einwirkungen auf den Laufschaufelring können so sicher vermieden werden.Especially preferred are the second and third aspect of the present here Invention, according to which either at least one solid plastic molding or a metal foam is connected to the blade ring. at the connection of the or each plastic molding or Metal foam with the blade ring is the same no heat load exposed. Also is a removal of the or each plastic molding or the metal foam from the blade ring by simple means possible. Negative effects on the blade ring can do so safely avoided.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, nachfolgend näher erläutert.preferred Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the description below. Embodiments of the Invention are, but are not limited to, below explained in more detail.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren, wobei hierzu ein Laufschaufelring aus mehreren Laufschaufeln mit einem Rotorgrundkörper durch Reibschweißen, insbesondere durch lineares Reibschweißen, verbunden wird.The The present invention relates to a method for manufacturing of integrally bladed gas turbine rotors, a thereto Blade ring of several blades with a rotor body by friction welding, in particular by linear friction welding, is connected.
Zum Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper muss der Laufschaufelring fixiert werden, wobei dies dadurch erfolgt, dass mit dem Laufschaufelring ein Werkstoff verbunden wird, an welchem dann der Laufschaufelring beim Reibschweißen fixiert werden kann.To the Connecting the blade ring with the rotor body the blade ring must be fixed, this being done by that a material is connected to the blade ring on which then the blade ring are fixed during friction welding can.
Nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper wird dieser Werkstoff vom Laufschaufelring entfernt.To the connection of the blade ring with the rotor body this material is removed from the blade ring.
Nach einem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff verbunden, und zwar derart, dass flüssiger Kunststoff über Spritzgießen mit dem Laufschaufelring verbunden wird.To A first aspect of the present invention is the blade ring connected to a plastic, in such a way that liquid plastic over Injection molding is connected to the blade ring.
Hierbei wird vorzugsweise flüssiges Polystyrol mit Hilfe einer Kunststoffspritzgussmaschine in Hohlräume bzw. Zwischenräume des Laufschaufelrings gespritzt, wobei nach dem Aushärten des flüssigen Kunststoffs der Laufschaufelring am Kunststoff zum Reibschweißen fixiert werden kann.in this connection is preferably liquid polystyrene using a Plastic injection molding machine in cavities or spaces of the blade ring, wherein after curing the liquid plastic of the blade ring on the plastic to Friction welding can be fixed.
Die Entfernung des Polystyrols vom Laufschaufelring nach dem Verbinden desselben mit dem Rotorgrundkörper erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von flüssigem Stickstoff unter Ausnutzung des sogenannten Versprödungseffekts. Alternativ kann das Polystyrol nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper auch unter mechanischer Zerstörung desselben vom Laufschaufelring entfernt werden. Ferner ist ein thermisches Entfernen des Polystyrols möglich.The Removal of the polystyrene from the blade ring after connection the same with the rotor body is preferably carried out with the help of liquid nitrogen taking advantage of the so-called embrittlement effect. Alternatively, the polystyrene after connecting the blade ring with the rotor body even with mechanical destruction of the same from the blade ring be removed. Furthermore, a thermal removal of the polystyrene possible.
Nach einem zweiten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff derart verbunden, dass mindestens ein festes Kunststoffformstück mit dem Laufschaufelring durch Kleben verbunden wird. In diesem Fall ist dann der Laufschaufelring keinerlei thermischer Belastung ausgesetzt. Zum Reibschweißen kann dann der Laufschaufelring an dem oder jedem Kunststoffformstück fixiert werden. Nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper ist das oder jedes Kunststoffformstück derart vom Rotorgrundkörper entfernbar, dass mit Hilfe eines Lösungsmittels der Kleber, über welchen das oder jedes Kunststoffformstück mit dem Rotorgrundkörper verbunden ist, aufgelöst wird. Alternativ ist es auch möglich, zum Entfernen des oder jedes Kunststoffformstücks vom Laufschaufelring dasselbe mechanisch zu zerstören.To A second aspect of the present invention is the blade ring connected with a plastic such that at least one solid Plastic molding with the blade ring by gluing is connected. In this case, then the blade ring is no exposed to thermal stress. For friction welding can then the blade ring on the or each plastic molding be fixed. After connecting the blade ring with the Rotor body is the or each plastic molding so removable from the rotor body that with the help a solvent of the adhesive over which the or each plastic molding with the rotor body connected is dissolved. Alternatively, it is also possible for removing the or each plastic molding from the blade ring to mechanically destroy it.
Nach einem dritten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird der Laufschaufelring mit einem Metallschaum verbunden, der in Hohlräume bzw. Freiräume des Laufschaufelrings eingebracht wird, um so den Laufschaufelring zum Reibschweißen am Metallschaum zu fixieren. Der Metallschaum wird dabei derart mit dem Laufschaufelring verbunden, dass zwischen Laufschaufelring und dem Metallschaum vorab ein Trennmittel positioniert wird, welches eine stoffschlüssige Verbindung des Metallschaums mit dem Laufschaufelring verhindert. Zuerst wird demnach das Trennmittel auf den Laufschaufelring aufgebracht, anschließend wird der Metallschaum mit dem Laufschaufelring im Bereich des Trennmittels verbunden. Das Entfernen des Metallschaums vom Laufschaufelring nach dem Verbinden desselben mit dem Rotorgrundkörper erfolgt ebenfalls über das Trennmittel. Als Trennmittel werden geeignete Wachse verwendet.To A third aspect of the present invention is the blade ring connected with a metal foam, which is in cavities or open spaces of the blade ring is inserted so as to form the blade ring for friction welding to the metal foam to fix. The metal foam is thereby connected to the blade ring that between Blade ring and the metal foam in advance a release agent positioned which is a cohesive connection of the metal foam prevented with the blade ring. First, therefore, the release agent then applied to the blade ring the metal foam with the blade ring in the region of the release agent connected. Removing the metal foam from the blade ring after connecting the same takes place with the rotor body also on the release agent. As a release agent suitable waxes used.
Nach einem vierten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung wird der Laufschaufelring mit einem Kunststoff dadurch verbunden, dass ein festes Kunststoffgranulat in Hohlräume bzw. Zwischenräume des Laufschaufelrings eingebracht wird, und das anschließend das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und mit dem Laufschaufelring verbunden wird. Die Entfernung des Kunststoffs nach dem Verbinden des Laufschaufelrings mit dem Rotorgrundkörper erfolgt vorzugsweise auf chemischem, mechanischem oder thermischem Weg.To A fourth aspect of the present invention is the blade ring with a plastic connected by a solid plastic granules in cavities or spaces of the blade ring is introduced, and then the plastic granules is melted and connected to the blade ring. The Removal of the plastic after connecting the blade ring with the rotor main body is preferably carried out on chemical, mechanical or thermal way.
Die Erfindung erlaubt ein Verbinden eines Laufschaufelrings aus mehreren Laufschaufeln mit einem Rotorgrundkörper zur Herstellung von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren ohne negative Einwirkungen auf den Laufschaufelring.The invention allows a rotor blade assembly of a plurality of blades to be connected to a rotor body to make it integral Bladed gas turbine rotors without negative effects on the blade ring.
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2009
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