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DE102008052030B4 - Verfahren zum Verbinden wenigstens einer Turbinenschaufel mit einer Turbinenscheibe oder einem Turbinenring - Google Patents

Verfahren zum Verbinden wenigstens einer Turbinenschaufel mit einer Turbinenscheibe oder einem Turbinenring Download PDF

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DE102008052030B4
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Erich Dr. Steinhardt
Thomas Dr. Uihlein
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MTU Aero Engines GmbH
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Abstract

Verfahren zum Verbinden wenigstens einer nicht oder nur sehr schwer schmelzschweißbaren Turbinenschaufel (10) mit einer schmelzschweißbaren Turbinenscheibe (18) oder einem schmelzschweißbaren Turbinenring für eine Turbinenstufe einer Strömungsmaschine, insbesondere einer thermischen Gasturbine, bei welchem zunächst mittels eines Kaltgasspritzverfahrens ein geometrisch definierter Verbindungskörper (16) an der wenigstens einen Turbinenschaufel (10) ausgebildet und der Verbindungskörper (16) anschließend mittels eines Schmelzschweißverfahrens mit der Turbinenscheibe (18) oder mit dem Turbinenring verbunden wird, wobei der Verbindungskörper (16) im Bereich eines Schaufelfußes (14) der Turbinenschaufel (10) und/oder als Schaufelfuß (14) der Turbinenschaufel (10) in Abhängigkeit einer Geometrie der Turbinenschaufel (10) und/oder der Turbinenscheibe (18) oder des Turbinenrings ausgebildet wird und vor dem Schmelzschweißverfahren feinbearbeitet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens einer Turbinenschaufel mit einer Turbinenscheibe oder einem Turbinenring für eine Turbinenstufe einer Strömungsmaschine, insbesondere einer thermischen Gasturbine. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Turbinenstufe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art für eine Turbine einer Strömungsmaschine sowie eine Strömungsmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
  • Ein derartiges Verfahren zum Verbinden wenigstens einer Turbinenschaufel mit einer Turbinenscheibe oder einem Turbinenring sowie eine derartige Turbinenstufe, welche eine Turbinenscheibe oder einen Turbinenring, die bzw. der zumindest mittelbar mit einer oder mehreren Turbinenschaufeln verbunden ist, umfasst, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Turbinenstufe dient ihrerseits zur Anordnung in einer ein- oder mehrstufigen Turbine einer insbesondere als thermische Gasturbine ausgebildeten Strömungsmaschine. Der Fortschritt im Gasturbinenbau stellt dabei jedoch immer höhere Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Die als Leit- oder Laufschaufeln dienenden Turbinenschaufeln werden daher im Wesentlichen als polykristalline, einkristalline oder gerichtet erstarrte Gussteile aus hochtemperaturfesten Basislegierungen hergestellt. Bekannt sind ebenfalls Turbinenschaufeln, die aus hochtemperaturfähigen Verbundwerkstoffen gefertigt sind.
  • Diese Ausgestaltung führt jedoch dazu, dass die Turbinenschaufeln nicht oder nur sehr schwer schmelzschweißbar sind. Eine Verbindung mit einer schmelzschweißbaren Turbinenscheibe oder einem entsprechenden Turbinenring, die bzw. der aus einer Nickel-Basislegierung gefertigt sein kann, ist daher nicht über herkömmliche Schmelzschweißverfahren möglich und führt zu erheblichen Mehrkosten. Alternativ sind zum zumindest mittelbaren Verbinden zwischen Turbinenschaufel und Turbinenscheibe bzw. Turbinenring Reibschweiß- oder Diffusionsschweißverfahren bekannt, die jedoch einen hohen apparativen Aufwand erfordern. Zudem können bei diesen Schweißverfahren Temperaturen auftreten, die für übliche Basislegierungen unverträglich sind.
  • Die Offenlegungsschrift EP 1 698 423 A1 aus dem Hause der Anmelderin betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Laufschaufel an einen Rotorgrundkörper. Zum Verbinden von Laufschaufel und Rotorgrundkörper wird ein Fügekörper vorgesehen, der zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen Schaufel und Rotorgrundkörper translatorisch bewegt wird.
  • Die Offenlegungsschrift DE 10 2006 060 021 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hochbelastbaren Beschichtung. Dabei wird ein sogenanntes Lagermetall durch Kaltgasspritzen aufgebracht.
  • Die Patentschrift 10 2006 029 619 B3 betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils durch Kaltgasspritzen. Bei dem patentierten Verfahren wird die Schichtdicke durch Schwingungen variiert.
  • Die Offenlegungsschrift DE 10 2006 056 489 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahl-/Aluminium-Verbundbauteils wie es insbesondere im Automobilbau erforderlich ist. Dabei werden Aluminiumpartikel auf Stahl aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird dann ein Schmelzschweißverfahren zwischen der aufgebrachten Schicht und dem Aluminiumbauteil angewendet.
  • Die Offenlegungsschrift EP 1 903 127 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen durch Kaltgasspritzen. Das Verfahren dient dazu generativ ein Turbinenbauteil aufzubauen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches kostengünstiger und flexibler durchführbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechende Turbinenstufe mit einer Turbinenscheibe oder einem Turbinenring und wenigstens einer Turbinenschaufel bereitzustellen, welche kostengünstiger und flexibler herstellbar ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Turbinenstufe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 sowie durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens – soweit anwendbar – als vorteilhafte Ausgestaltungen der Turbinenstufe und umgekehrt anzusehen sind.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden wenigstens einer Turbinenschaufel mit einer Turbinenscheibe oder einem Turbinenring für eine Turbinenstufe einer Strömungsmaschine, insbesondere einer thermischen Gasturbine, wird zunächst mittels eines Kaltgasspritzverfahrens ein Verbindungskörper an der wenigstens einen Turbinenschaufel ausgebildet und der Verbindungskörper anschließend mittels eines Schmelzschweißverfahrens mit der Turbinenscheibe bzw. dem Turbinenring verbunden. Als Kaltgasspritzverfahren wird dabei ein Beschichtungsverfahren bezeichnet, bei dem der Werkstoff des späteren Verbindungskörpers in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die Turbinenschaufel aufgebracht wird. Dazu kann vorgesehen sein, dass ein auf eine vergleichsweise geringe Temperatur aufgeheiztes Gas durch Expansion in einer Düse (sogenannte Lavaldüse) auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird. In dieses Gas werden anschließend die Pulverpartikel eingebracht und dabei auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, dass sie ohne An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf die Turbinenschaufel eine fest haftende Schicht mit einer hohen Dichte und Kompaktheit bilden. Das Kaltgasspritzverfahren wird dabei vorzugsweise derart durchgeführt, dass die kinetische Energie der Pulverpartikel zum Zeitpunkt des Aufpralls nicht für ein vollständiges Aufschmelzen ausreicht. Hierdurch wird gleichzeitig ein minimaler Wärmeeintrag in die als Substrat dienende Turbinenschaufel sichergestellt. Die Aufprallgeschwindigkeit der Pulverpartikel kann in Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffs beispielsweise durch eine optimierte Düsenauslegung, veränderte Gastemperaturen, höhere Gasdrücke oder veränderten Partikelgrößen gezielt angepasst werden. Indem der Werkstoff des hierdurch ausgebildeten Verbindungskörpers weder auf- noch angeschmolzen wird, wird eine Oxidation der beteiligten Materialen zuverlässig verhindert. Anschließend wird die Turbinenschaufel mit Hilfe des Schmelzschweißverfahrens über den Verbindungskörper mittelbar mit der Turbinenscheibe oder dem Turbinenring verbunden. Grundsätzlich können daher als Werkstoff des Verbindungskörpers alle Materialen verwendet werden, die plastisch verformt werden können, schmelzschweißbar sind und den späteren Belastungen während des Betriebs einer zugeordneten Strömungsmaschine standhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit ohne hohen apparativen Aufwand erheblich kostengünstiger durchgeführt werden. Da die Verbindung zwischen der Turbinenschaufel und der Turbinenscheibe bzw. mit dem Turbinenring vermittels des Verbindungskörpers erfolgt, ist darüber hinaus das Material und die Geometrie der Turbinenschaufel von untergeordneter Bedeutung, wodurch das Verfahren besonders flexibel durchführbar ist. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass der Verbindungskörper mehrteilig ausgebildet wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbindungskörper vor dem Schmelzschweißverfahren bearbeitet, insbesondere feinbearbeitet, wird. Unter feinbearbeitet wird hierbei eine vorzugsweise spanabhebende Bearbeitung verstanden, wodurch sowohl eine gewünschte Oberflächengüte als auch eine geforderte Maßhaltigkeit des Verbindungskörpers einfach und kostengünstig sichergestellt werden kann.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Verbindungskörper im Bereich eines Schaufelfußes der Turbinenschaufel und/oder als Schaufelfuß der Turbinenschaufel ausgebildet wird. Hierdurch ist eine einfache und mechanisch stabile Verbindung der Turbinenschaufel mit der Turbinenscheibe oder dem Turbinenring über den Verbindungskörper ermöglicht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbindungskörper in Abhängigkeit einer Geometrie der Turbinenschaufel und/oder der Turbinenscheibe oder des Turbinenrings ausgebildet wird. Hierdurch kann das Verfahren besonders flexibel zur Darstellung unterschiedlicher Turbinenstufen verwendet werden.
  • Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn als Schmelzschweißverfahren ein Elektronenstrahlschweißverfahren und/oder ein Laserschweißverfahren und/oder ein induktives Hochfrequenzpressschweißverfahren und/oder ein induktives Niederfrequenzpressschweißverfahren verwendet wird. Hierdurch sind hohe Schweißgeschwindigkeiten mit extrem tiefen und schmalen Nähten bei geringem thermischen Verzug möglich.
  • Indem mehrere Turbinenschaufeln über jeweilige Verbindungskörper mit der Turbinenscheibe oder dem Turbinenring verbunden werden, kann eine vollständige Turbinenstufe für eine Strömungsmaschine mit den erfindungsgemäßen Vorteilen und insbesondere mit verringerten Kosten und einer erhöhten Flexibilität hergestellt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbinenstufe für eine Turbine einer Strömungsmaschine, wobei die Turbinenstufe kostengünstiger und flexibler herstellbar ist, indem wenigstens eine Turbinenschaufel über einen mittels eines Kaltgasspritzverfahrens an der Turbinenschaufel ausgebildeten Verbindungskörper mit der Turbinenscheibe oder dem Turbinenring verbunden ist. Weitere sich ergebende Vorteile sind aus den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen.
  • Indem der Verbindungskörper mittels eines Schmelzschweißverfahrens mit der Turbinenscheibe oder dem Turbinenring verbunden ist, können die Herstellungskosten der Turbinenstufe zusätzlich reduziert werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Turbinenscheibe oder der Turbinenring und/oder die Turbinenschaufel aus einer Nickel-Basislegierung und/oder einer Kobalt-Basislegierung und/oder einem Titan-Aluminid und/oder einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff und/oder einem Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff gefertigt ist. Hierdurch besitzt die Turbinenstufe zuverlässig die geforderten mechanischen und thermischen Eigenschaften für den späteren Einsatz in einer zugeordneten Strömungsmaschine und kann zudem besonders flexibel an das jeweiligen Anforderungsprofils angepasst werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine thermischen Gasturbine, mit einer Turbine, welche eine Turbinenstufe mit einer Turbinenscheibe oder einem Turbinenring, die bzw. der zumindest mittelbar mit wenigstens einer Turbinenschaufel verbunden ist, umfasst, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Turbinenscheibe bzw. der Turbinenring und die wenigstens eine Turbinenschaufel der Turbinenstufe mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele miteinander verbunden sind bzw. dass die Turbinenstufe gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Merkmalskombinationen und deren Vorteile sind aus den entsprechenden Beschreibungen zu entnehmen.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
  • 1 eine perspektivische Frontalansicht einer Turbinenschaufel;
  • 2 eine perspektivische Schrägansicht eines an einem Schaufelfuß der in 1 gezeigten Turbinenschaufel ausgebildeten Verbindungskörpers; und
  • 3 eine ausschnittsweise und perspektivische Frontalansicht einer Turbinenscheibe, die über den Verbindungskörper mit der Turbinenschaufel verbunden ist.
  • 1 zeigt eine perspektivische Frontalansicht einer Turbinenschaufel 10, deren allgemeiner Aufbau aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Turbinenschaufel 10, die als Gussteil aus einer hochtemperaturfesten Nickel-Basislegierung gefertigt ist, umfasst ein radial äußeres Deckband 12 und einen radial inneren Schaufelfuß 14. Da das Material, aus dem die Turbinenschaufel 10 gefertigt ist, nicht oder nur sehr schwer schmelzschweißbar ist, wird mittels eines Kaltgasspritzverfahrens ein in 2 in perspektivischer Schrägansicht dargestellter Verbindungskörper 16 im Bereich des Schaufelfußes 14 der Turbinenschaufel 10 ausgebildet. Der Verbindungskörper 16, welcher aus einem plastisch verformbaren und schmelzschweißbaren Material ausgebildet wird, ermöglicht es, die Turbinenschaufel 10 in einem anschließenden Schritt über ein kostengünstiges Schmelzschweißverfahren mit einer Turbinenscheibe 18 zu verbinden. Grundsätzlich kann anstelle der Turbinenscheibe 18 ein Turbinenring (nicht gezeigt) vorgesehen sein, wobei sowohl die Turbinenscheibe 18 als auch der Turbinenring ein- oder mehrteilig ausgebildet sein können. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Verbindungskörper 16 den Schaufelfuß 14 bildet. Ebenso kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass der Verbindungskörper 16 mehrteilig bzw. mehrstückig ausgebildet ist bzw. wird, so dass die Verbindung zwischen der Turbinenschaufel 10 und der Turbinenscheibe 18 mittelbar über mehrere Teilverbindungskörper (nicht gezeigt) erfolgt.
  • 3 zeigt eine ausschnittsweise und perspektivische Frontalansicht der Turbinenscheibe 18, die im mit Pfeil III markierten Bereich über den vorliegend einstückig ausgebildeten Verbindungskörper 16 mit der Turbinenschaufel 10 verbunden ist. Als Schmelzschweißverfahren kann beispielsweise ein Elektronenstrahlschweißverfahren, ein Laserschweißverfahren, ein induktives Hochfrequenzpressschweißverfahren und/oder ein induktives Niederfrequenzpressschweißverfahren verwendet werden. Grundsätzlich können jedoch auch andere, dem Fachmann geläufige Schweißverfahren vorgesehen sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Verbindungskörper 16 vor dem Schmelzschweißen feinbearbeitet wird, wodurch eine einfache geometrische Anpassung zwischen der Turbinenschaufel 10 und der Turbinenscheibe 18 ermöglicht ist. Indem mehrere Turbinenschaufeln 10 in analoger Weise mit der Turbinenscheibe 18 verbunden werden, um eine vollständige Turbinenstufe für eine Turbine einer thermischen Gasturbine herzustellen. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass das Verfahren auch zur Herstellung von Verdichterstufen für einen Verdichter einer Strömungsmaschine bzw. zum Verbinden von Verdichterschaufeln mit einer Verdichterscheibe verwendet wird.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Verbinden wenigstens einer nicht oder nur sehr schwer schmelzschweißbaren Turbinenschaufel (10) mit einer schmelzschweißbaren Turbinenscheibe (18) oder einem schmelzschweißbaren Turbinenring für eine Turbinenstufe einer Strömungsmaschine, insbesondere einer thermischen Gasturbine, bei welchem zunächst mittels eines Kaltgasspritzverfahrens ein geometrisch definierter Verbindungskörper (16) an der wenigstens einen Turbinenschaufel (10) ausgebildet und der Verbindungskörper (16) anschließend mittels eines Schmelzschweißverfahrens mit der Turbinenscheibe (18) oder mit dem Turbinenring verbunden wird, wobei der Verbindungskörper (16) im Bereich eines Schaufelfußes (14) der Turbinenschaufel (10) und/oder als Schaufelfuß (14) der Turbinenschaufel (10) in Abhängigkeit einer Geometrie der Turbinenschaufel (10) und/oder der Turbinenscheibe (18) oder des Turbinenrings ausgebildet wird und vor dem Schmelzschweißverfahren feinbearbeitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelzschweißverfahren ein Elektronenstrahlschweißverfahren und/oder ein Laserschweißverfahren und/oder ein induktives Hochfrequenzschweißverfahren und/oder ein induktives Niederfrequenzschweißverfahren verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Turbinenschaufeln (10) über jeweilige Verbindungskörper (16) mit der Turbinenscheibe (18) oder dem Turbinenring verbunden werden.
  4. Turbinenstufe für eine Turbine einer Strömungsmaschine, insbesondere einer thermischen Gasturbine, mit einer Turbinenscheibe (18) oder einem Turbinenring, welche bzw. welcher zumindest mittelbar mit wenigstens einer Turbinenschaufel (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Turbinenschaufel (10) über einen mittels eines Kaltgasspritzverfahrens an der Turbinenschaufel (10) ausgebildeten, geometrisch definierten Verbindungskörper (16) mit der Turbinenscheibe (18) oder dem Turbinenring verbunden ist, wobei der Verbindungskörper (16) im Bereich eines Schaufelfußes (14) der Turbinenschaufel (10) und/oder als Schaufelfuß (14) der Turbinenschaufel (10) in Abhängigkeit einer Geometrie der Turbinenschaufel (10) und/oder der Turbinenscheibe (18) oder des Turbinenrings ausgebildet ist, für seine Verbindung mit der Turbinenscheibe (18) oder dem Turbinenring feinbearbeitet ist und mittels eines Schmelzschweißverfahrens mit der Turbinenscheibe (18) oder mit dem Turbinenring verbunden ist.
  5. Turbinenstufe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenscheibe (18) oder der Turbinenring und/oder die Turbinenschaufel (10) aus einer Nickel-Basislegierung und/oder einer Kobalt-Basislegierung und/oder einem Titan-Aluminid und/oder einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff und/oder einem Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff gefertigt ist.
  6. Strömungsmaschine, insbesondere thermische Gasturbine, mit einer Turbine, welche eine Turbinenstufe mit einer Turbinenscheibe (18) oder einem Turbinenring, die bzw. der zumindest mittelbar mit wenigstens einer Turbinenschaufel (10) verbunden ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenscheibe (18) oder der Turbinenring und die wenigstens eine Turbinenschaufel (10) der Turbinenstufe mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 miteinander verbunden sind und/oder dass die Turbinenstufe gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5 ausgebildet ist.
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