DE102009006229B4

DE102009006229B4 - Verfahren zur Herstellung von Turbinen- oder Verdichterscheiben

Info

Publication number: DE102009006229B4
Application number: DE102009006229.7A
Authority: DE
Inventors: Anrold Kühhorn; Marcel Springmann
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: DE102009006229A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Turbinen- oder Verdichterscheiben für Gasturbinen, insbesondere Fluggasturbinen, bei dem ein Schmiederohling mit bestimmter Schmiedekontur (1) einem Wärmebehandlungs- und einem anschließenden Abkühlungsprozess unterworfen und danach auf die Einbaukontur (2) abgedreht wird, wobei der Schmiederohling zur Erzielung bestimmter Temperaturgradienten während des Abkühlprozesses und damit zur gezielten Beeinflussung der Höhe und Verteilung der Druck- und Zugeigenspannungen in der Einbaukontur (2) in einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet wird, indem zunächst die in der aus einer herkömmlichen Schmiedekontur abgedrehten Einbaukontur vorhandene Höhe und Verteilung der Eigenspannungen ermittelt und bewertet wird und auf dieser Basis in bestimmten Oberflächenbereichen der Schmiedekontur die Oberflächenbeschaffenheit zur Erzielung eines mehr oder weniger großen Wärmeübergangs und Einprägung bestimmter Eigenspannungen eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Turbinen- oder Verdichterscheiben für Gasturbinen, insbesondere Fluggasturbinen, bei dem ein Schmiederohling mit bestimmter Schmiedekontur einem Wärmebehandlungs- und einem anschließenden Abkühlungsprozess unterworfen und danach auf die Endkontur abgedreht wird.
Turbinen- und Verdichterscheiben von Gasturbinen sind während des Betriebs aufgrund der hohen Drehzahlen und Temperaturen erheblichen Belastungen unterworfen. Unabhängig von der äußeren Belastung sind in dem Scheibenkörper zudem durch plastische Verformung des Materials erzeugte Eigenspannungen vorhanden. Die mit der äußeren Belastung verbundenen Zugspannungen, die sich mit den unabhängig von den äußeren Kräften in der Scheibe vorliegenden Zugeigenspannungen überlagern können, führen zu einer Schädigung des Scheibenmaterials und – insbesondere in den hoch beanspruchten äußeren Bereichen der Scheiben – zur Rissbildung und damit zur Verringerung der Lebensdauer. Wenn die aus der äußeren Belastung resultierenden Zugspannungen im hoch belasteten Randbereich der Scheibe jedoch von dort vorhandenen Druckeigenspannungen überlagert werden, verringert sich die Zugspannung und damit die Beanspruchung in diesen Gebieten, so dass die Lebensdauer der Scheiben erhöht wird bzw. das Gewicht der Scheiben verringert werden kann.
Die Herstellung der Verdichter- oder Turbinenscheiben erfolgt bekanntermaßen in einem ersten Verfahrensschritt durch Schmieden eines zugeschnittenen Rohlings zu einem Schmiedeteil mit bestimmter Schmiedekontur. Infolge der plastischen Verformung während des Schmiedens wird in der Schmiedekontur ein Eigenspannungszustand mit in der Höhe und Verteilung undefinierten Zugeigenspannungen und Druckeigenspannungen erzeugt. In den darauf folgenden Verfahrensschritten wird die Schmiedekontur zum Abbau der Eigenspannungen zunächst einer Wärmebehandlung und anschließend einem Abkühlprozess in einem Öl- oder Wasserbad unterworfen. Während des Kühlvorgangs durchläuft die wärmebehandelte Schmiedekontur in dem Kühlmedium drei aufeinander folgende, als Filmsieden, als Übergangssieden und als Blasensieden des Kühlmediums bezeichnete Abkühlphasen. Die letzte Abkühlphase, das sogenannte Blasensieden, bewirkt einen hohen Wärmeübergang von der Schmiedekontur auf das Kühlmedium und führt zu einem entsprechend großen, mit der Entstehung hoher Spannungen verbundenen Temperaturgradienten in der Schmiedekontur. Aufgrund der Spannungen und daraus resultierender Dehnungen infolge Plastifizierung entstehen auf der Außenseite der Schmiedekontur Druckspannungen und in deren Innerem Zugspannungen, die miteinander im Gleichgewicht stehen.
In dem nachfolgenden Verfahrensschritt, in dem die Schmiedekontur auf die Endkontur abgedreht wird, wird der bei der Wärmebehandlung und Abkühlung in die Schmiedekontur eingeprägte Eigenspannungszustand infolge der Materialentfernung wieder geändert, da sich die Eigenspannungen zur Aufrechterhaltung des Kräftegleichgewichts im Innern der fertig bearbeiteten Scheibe (Endkontur) umlagern. Infolge dieser Umlagerung der im Abkühlungsprozess eingeprägten Eigenspannungsverteilung können daher in oberflächennahen Bereichen der Scheibe Zugspannungen entstehen, die zu der eingangs erwähnten Verringerung der Lebensdauer von Turbinen- und Verdichterscheiben führen können.
Durch verschiedene Kühlparameter kann zwar der Eigenspannungszustand geändert werden, jedoch ist eine gezielte Einflussnahme auf die Eigenspannungsverteilung über den Querschnitt der Scheibenkontur mittels der bekannten Kühlprozessparameter wie Anströmgeschwindigkeit oder Strömungsführung des Kühlmediums an der Werkstückoberfläche und die Art oder die Anfangstemperatur des Kühlmittels nicht möglich, so dass durch die in Randbereichen auftretenden Zugspannungen Materialschädigungen auftreten können bzw. das tatsächliche Festigkeitspotential der Scheibe nicht genutzt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Herstellung von Turbinen- und Verdichterscheiben anzugeben, das eine lange Lebensdauer der Scheibe und die Nutzung des Festigkeitspotentials der Scheibe in vollem Umfang gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass bestimmte Oberflächenbereiche des Schmiederohlings zur Erzielung bestimmter Temperaturgradienten während des Abkühlprozesses und damit zur gezielten Beeinflussung der Höhe und Verteilung der Druck- und Zugeigenspannungen in der Schmiedekontur in einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet werden. Auf der Grundlage des jeweiligen Temperaturgradienten und der daraus resultierenden plastischen Deformation werden die in der Einbaukontur vorhandenen Druck- und Zugeigenspannungen so beeinflusst, dass die Lebensdauer und Sicherheit erhöht wird. Darüber hinaus kann das Festigkeitspotential der Scheibe besser genutzt und dadurch das Scheibengewicht reduziert werden. Erfindungsgemäß wird zunächst die in der aus einer herkömmlichen Schmiedekontur abgedrehten Einbaukontur vorhandene Höhe und Verteilung der Eigenspannungen ermittelt und bewertet und auf dieser Basis in bestimmten Oberflächenbereichen der Schmiedekontur die Oberflächenbeschaffenheit zur Erzielung eines an die angestrebte Eigenspannungsverteilung angepassten, mehr oder weniger großen Wärmeübergangs eingestellt.
Die lokale Änderung der Oberflächenbeschaffenheit einschließlich der Ermittlung und Bewertung der entsprechenden Eigenspannungen wird so oft wiederholt, bis der in der jeweils zugehörigen Einbaukontur ermittelte Eigenspannungsverlauf den Anforderungen an ein geringes Schädigungsverhalten genügt.
Die Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur ist in Druckspannungsrandbereichen der entsprechenden Einbaukontur glatt und glänzend und in Zugeigenspannungsrandbereichen der entsprechenden Einbaukontur zur Erzielung eines hohen Wärmeübergangs und dementsprechend großen Temperaturgradienten rau und dunkel ausgebildet.
In weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden – ausgehend von einer Schmiedekontur mit üblicher Oberflächenausbildung – auf der Grundlage einer numerischen Simulation der realen Wärmebehandlungs- und Abkühlungsbedingungen mit CFD-Methoden zunächst die Temperaturfelder der Schmiedekontur ermittelt.
Auf der Basis der zuvor ermittelten zeitabhängigen Temperaturverteilung werden anschließend die in die Schmiedekontur eingeprägten Zug- und Druckeigenspannungen nach der „Finite-Elemente-Methode” berechnet. Danach wird in einer numerischen Simulation durch Entfernen der entsprechenden finiten Elemente die Schmiedekontur zur Einbaukontur abgedreht und die sich in dieser einstellende Eigenspannungsverteilung nach der „Finite-Elemente-Methode” berechnet. Schließlich wird die ermittelte Eigenspannungsverteilung auf der Basis der Scheibenbelastung im Betrieb hinsichtlich des zu erwartenden Schädigungsverhaltens bewertet und gegebenenfalls eine geänderte Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur eingestellt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ablaufschema zur Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit mit optimaler Eigenspannungsverteilung in der Endkontur einer Verdichterscheibe;
2 eine übliche erste Schmiedekontur eines Schmiederohlings mit der Verteilung der Zug- und Druckeigenspannungen über der Querschnittsfläche;
3 die Endkontur einer Verdichterscheibe nach dem Abdrehen des Schmiederohlings gemäß 2 mit über deren Querschnittsfläche dargestellter Eigenspannungsverteilung;
4 die Endkontur der Verdichterscheibe mit einer durch Änderung der Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur erzielten optimalen Eigenspannungsverteilung; und
5 eine schematische Darstellung des Wärmeübergangs bei glatt oder rau ausgebildeten Oberflächenbereichen einer Schmiedekontur.
Gemäß dem in 1 dargestellten Ablaufschema wird in Schritt I für einen Schmiederohling mit bestimmter Schmiedekontur 1 (2) und entsprechender – unbehandelter – Oberflächenbeschaffenheit der temperaturabhängige Wärmeübergangskoeffizient experimentell ermittelt.
Für diese Schmiedekontur 1 wird in Schritt II mit CFD-Methoden (Computational Fluid Dynamics/computergestützte numerische Strömungssimulation) auf der Grundlage der jeweiligen, den realen Verhältnissen entsprechenden Kühlmittel- und Scheibenparameter eine numerische Simulation der Wärmebehandlung der Schmiedekontur 1 des Schmiederohlings durchgeführt. Das heißt, nach der Wärmebehandlung in einem Ofen werden in Schritt II die Temperaturfelder der Schmiedekontur 1 während der Luftabkühlung des Schmiederohlings bei dessen Überführung in Luft vom Ofen in ein Kühlbad sowie beim Abkühlen des Schmiederohlings in dem in das Kühlbad eingetauchten Zustand rechnerisch ermittelt.
In dem darauffolgenden Schritt III werden nun auf der Basis der in Schritt II ermittelten zeitabhängigen Temperaturverteilung – hier nach der „Finite-Elemente-Methode” (FEM) – die Eigenspannungen berechnet, die aufgrund plastischer Verformungen bei der Abkühlung infolge des hohen Temperaturgradienten und der damit verbundenen Ausdehnungen und Spannungen in die Schmiedekontur eingeprägt werden. Die Verteilung der Zug- und Druckeigenspannungen in der Schmiedekontur 1 ist in 2, in der dunkle Bereiche Druckeigenspannungen und helle Bereiche Zugeigenspannungen darstellen, beispielhaft wiedergegeben. Aus dieser Darstellung ist erkennbar, dass aufgrund der bei der Abkühlung auftretenden örtlichen Plastifizierung bzw. bleibenden Dehnungen am Rand der Schmiedekontur Druckeigenspannungen (dunkel) und im Innern der Schmiedekontur Zugeigenspannungen eingeprägt werden.
Im anschließenden Schritt IV wird die wärmebehandelte Schmiedekontur 1 durch numerische Simulation zu einer Einbaukontur 2 der Verdichterscheibe abgedreht, indem die nicht zur Einbaukontur 2 gehörenden finiten Elemente der Schmiedekontur 1 entfernt werden. Die sich dabei ändernde Eigenspannungsverteilung in der Einbaukontur 2, das heißt, der abgedrehten Schmiedekontur bzw. der Endkontur der Verdichterscheibe, wird ebenfalls nach der oben erwähnten „Finite-Elemente-Methode” berechnet.
Im nächsten Schritt V werden unter Einbeziehung der spezifischen Belastung der Verdichterscheibe im Betrieb die Höhe und der Verlauf der – in 3 dargestellten – Zugeigenspannungen und Druckeigenspannungen in der Einbaukontur 2 mit Blick auf die Lebensdauer, die Sicherheit oder mögliche Gewichtseinsparungen bewertet. Im vorliegenden Beispiel (Eigenspannungsverteilung gemäß 3) liegen Zugeigenspannungen (helle Bereiche) teilweise am Rand der Einbaukontur 2. Bei Belastung der Verdichterscheibe im Betrieb werden die äußeren Zugspannungen und die in den betreffenden Randbereichen vorhandenen Zugeigenspannungen überlagert. Dadurch kann es zu einer Schädigung der Scheibe kommen, so dass deren Lebensdauer begrenzt und die erforderliche Sicherheit nicht gewährleistet ist oder Gewichtseinsparungen nicht möglich sind. Die Bewertung der Eigenspannungen gemäß Schritt V wird in diesem Fall im Schritt VI mit „nein” beantwortet, so dass nun in Schritt VII eine auf der Basis der in Schritt V ermittelten Eigenspannungsverteilung gezielte lokale Änderung der Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur 1 erfolgt. Wie 5 zeigt, können bestimmte Oberflächenbereiche glatt und glänzend oder rau und dunkel ausgeführt sein. In rauen, dunklen Bereichen ist aufgrund des großen Wärmeübergangs und des hohen Temperaturgradienten (T_K << T_W, wobei T_K die Temperatur des Kühlmediums und T_W die Temperatur des Werkstücks ist) von großen plastischen Deformationen und demzufolge hohen Eigenspannungen auszugehen, während glatte bis glänzende Oberflächen bei entsprechend kleinerem Wärmeübergang und Temperaturgradienten geringere plastische Deformationen und dementsprechend geringere Eigenspannungen zur Folge haben.
Die anhand der in 1 beschriebenen Verfahrensschritte II bis VI werden daher mit einer Schmiedekontur 1, die eine auf der Basis der zuvor ermittelten Eigenspannungsverteilung örtlich geänderte Oberflächenbeschaffenheit aufweist, wiederholt, und zwar so oft, bis die in der Einbaukontur 2 ermittelten Eigenspannungen beispielsweise gemäß der Darstellung in 4 verteilt sind und die Lebensdaueranalyse in Schritt VI mit „ja” beantwortet wird. Das heißt, es wurde für eine bestimmte Schmiedekontur 1 eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit gefunden, die nach der Wärmebehandlung des Schmiederohlings in der abgedrehten Einbaukontur eine optimale Eigenspannungsverteilung mit im Innern liegenden Zugeigenspannungen (helle Bereiche) und im Randbereich der Einbaukontur 2 liegenden Druckeigenspannungen aufweist. Die in dieser Form vorliegenden Druckeigenspannungen werden den an der Scheibe im Betrieb angreifenden äußeren Zugspannungen überlagert und mindern diese, so dass das Scheibenmaterial in geringerem Umfang belastet wird. Aufgrund der durch die spezifische Oberflächenausbildung der Schmiedekontur bedingten Abkühlungsbedingungen und dementsprechend optimal eingestellten Eigenspannungen kann somit eine Verdichterscheibe bereitgestellt werden, die eine lange Lebensdauer aufweist, eine hohe Sicherheit gewährleistet und aufgrund einer verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials eine Gewichtsreduzierung zulässt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Turbinen- oder Verdichterscheiben für Gasturbinen, insbesondere Fluggasturbinen, bei dem ein Schmiederohling mit bestimmter Schmiedekontur (1) einem Wärmebehandlungs- und einem anschließenden Abkühlungsprozess unterworfen und danach auf die Einbaukontur (2) abgedreht wird, wobei der Schmiederohling zur Erzielung bestimmter Temperaturgradienten während des Abkühlprozesses und damit zur gezielten Beeinflussung der Höhe und Verteilung der Druck- und Zugeigenspannungen in der Einbaukontur (2) in einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet wird, indem zunächst die in der aus einer herkömmlichen Schmiedekontur abgedrehten Einbaukontur vorhandene Höhe und Verteilung der Eigenspannungen ermittelt und bewertet wird und auf dieser Basis in bestimmten Oberflächenbereichen der Schmiedekontur die Oberflächenbeschaffenheit zur Erzielung eines mehr oder weniger großen Wärmeübergangs und Einprägung bestimmter Eigenspannungen eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Änderung der Oberflächenbeschaffenheit einschließlich der Ermittlung und Bewertung der entsprechenden Eigenspannungen so oft wiederholt wird, bis der in der jeweils zugehörigen Einbaukontur ermittelte Eigenspannungsverlauf den Anforderungen an ein geringes Schädigungsverhalten genügt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur in Druckspannungsrandbereichen der entsprechenden Einbaukontur glatt und glänzend und in Zugeigenspannungsrandbereichen der entsprechenden Einbaukontur zur Erzielung eines hohen Wärmeübergangs und dementsprechend großen Temperaturgradienten rau und dunkel ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – ausgehend von einer Schmiedekontur mit üblicher Oberflächenausbildung und zuvor bestimmtem Wärmeübertragungskoeffizienten (Schritt I); – auf der Grundlage einer numerischen Simulation der realen Wärmebehandlungs- und Abkühlungsbedingungen mit CFD-Methoden die Temperaturfelder der Schmiedekontur ermittelt werden (Schritt II); – auf der Basis der in Schritt II ermittelten zeitabhängigen Temperaturverteilung die in die Schmiedekontur eingeprägten Zug- und Druckeigenspannungen nach der „Finite-Elemente-Methode” berechnet werden (Schritt III); – danach in einer numerischen Simulation durch Entfernen der entsprechenden finiten Elemente die Schmiedekontur zur Einbaukontur abgedreht und die sich in dieser einstellende Eigenspannungsverteilung nach der „Finite-Elemente-Methode” berechnet wird (Schritt IV); – die ermittelte Eigenspannungsverteilung auf der Basis der Scheibenbelastung im Betrieb hinsichtlich des zu erwartenden Schädigungsverhaltens bewertet wird (Schritt V/VI); und – gegebenenfalls eine geänderte Oberflächenbeschaffenheit der Schmiedekontur eingestellt wird (Schritt VII) und die Schritte II bis VI wiederholt werden.