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DE102024106894A1 - Method for producing a deformable blade of a turbomachine, deformable blade, use of a nickel-rich shape memory material, turbomachine, and computer program product - Google Patents

Method for producing a deformable blade of a turbomachine, deformable blade, use of a nickel-rich shape memory material, turbomachine, and computer program product

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Publication number
DE102024106894A1
DE102024106894A1 DE102024106894.9A DE102024106894A DE102024106894A1 DE 102024106894 A1 DE102024106894 A1 DE 102024106894A1 DE 102024106894 A DE102024106894 A DE 102024106894A DE 102024106894 A1 DE102024106894 A1 DE 102024106894A1
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DE
Germany
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blade
shape memory
trailing edge
leading edge
memory material
Prior art date
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Pending
Application number
DE102024106894.9A
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German (de)
Inventor
Oliver Kunc
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schaufelblatts (10) einer Turbomaschine (100), umfassend: Optimieren eines geometrischen Profils einer Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) einer wenigstens in einem Bereich ein Formgedächtnismaterial aufweisenden Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) eines Schaufelblatts (10) einer ausgewählten Turbokomponente (50, 51, 52, 54) für wenigstens einen, gegenüber einem Ausgangszustand (40) des Schaufelblatts (10) ausgelenkten Zustand (42, 44), dessen Betriebstemperaturen und/oder mechanische Lasten unter realen Betriebsbedingungen wenigstens bereichsweise an der Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials liegen; Fertigen des Schaufelblatts (10) in dem Ausgangszustand (40), wobei die Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) wenigstens bereichsweise aus dem vorgegebenen Formgedächtnismaterial gefertigt wird; Konditionieren des Schaufelblatts (10) für den wenigstens einen, insbesondere die wenigstens zwei ausgelenkten Zustände (42, 44).Ferner betrifft die Erfindung ein verformbares Schaufelblatt (10) einer Turbokomponente, eine Turbomaschine (100) mit wenigstens einem verformbaren Schaufelblatt (10) sowie ein Computerprogrammprodukt.The invention relates to a method for producing an airfoil (10) of a turbomachine (100), comprising: optimising a geometric profile of a trailing edge (12) and/or leading edge (14) of a trailing edge (12) and/or leading edge (14), said trailing edge (12) and/or leading edge (14) of an airfoil (10) of a selected turbo component (50, 51, 52, 54), said trailing edge (12) and/or leading edge (14) comprising a shape memory material at least in one region, for at least one state (42, 44) deflected relative to an initial state (40) of the airfoil (10), the operating temperatures and/or mechanical loads of which, under real operating conditions, lie at least in regions at the trailing edge (12) and/or leading edge (14) within a permissible operating range of a predetermined shape memory material; Manufacturing the blade (10) in the initial state (40), wherein the trailing edge (12) and/or leading edge (14) is manufactured at least partially from the predetermined shape memory material; conditioning the blade (10) for the at least one, in particular the at least two deflected states (42, 44). Furthermore, the invention relates to a deformable blade (10) of a turbo component, a turbomachine (100) with at least one deformable blade (10), and a computer program product.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines verformbaren Schaufelblatts einer Turbomaschine, insbesondere Dampfturbine oder einer Gasturbine, ein verformbares Schaufelblatt einer Turbokomponente einer Turbomaschine, insbesondere einer Dampfturbine oder einer Gasturbine, eine Turbomaschine mit wenigstens einem verformbaren Schaufelblatt, eine Verwendung eines nickelreichen Formgedächtnismaterials, sowie ein Computerprogrammprodukt.The invention relates to a method for producing a deformable blade of a turbomachine, in particular a steam turbine or a gas turbine, a deformable blade of a turbo component of a turbomachine, in particular a steam turbine or a gas turbine, a turbomachine with at least one deformable blade, a use of a nickel-rich shape memory material, and a computer program product.

Stand der TechnikState of the art

Turbinen entnehmen einer Strömung eines Strömungsmediums Energie und wandeln diese in Wellenleistung um. Turbinen können dabei Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Gasturbinen, prinzipiell aber auch Wärmekraftmaschinen, beispielsweise Dampfturbinen, sein. Im Folgenden wird nur Bezug auf Gasturbinen genommen.Turbines extract energy from a fluid flow and convert it into shaft power. Turbines can be internal combustion engines, such as gas turbines, but in principle also heat engines, such as steam turbines. In the following, reference is made only to gas turbines.

In Gasturbinen werden Schaufelräder von häufig mehreren hintereinanderliegenden Rotoren durch die heiße Strömung eines Strömungsmediums angetrieben, die an einer oder mehreren Wellen befestigt sind. Um den durch die Rotation bedingten Drall der Strömung zu vermindern und die Druckverhältnisse zu beeinflussen, befindet sich meistens eine Reihe nichtrotierender Schaufelblätter von Statoren zwischen je zwei Rotoren, wobei die Schaufelblätter der Statoren entgegengesetzt zu denen der Rotoren orientiert sind. In gas turbines, blade wheels are driven by the hot flow of a fluid, often by several rotors arranged one behind the other, which are attached to one or more shafts. To reduce the swirl of the flow caused by rotation and to influence the pressure conditions, a row of non-rotating stator blades is usually located between each pair of rotors, with the stator blades oriented opposite to those of the rotors.

In Strömungsrichtung vor der Turbine befindet sich eine Brennkammer. Im Fall von Luftfahrtantrieben befindet sich vor der Brennkammer ein Verdichter. Der Verdichter ist prinzipiell ähnlich aufgebaut wie die Turbine, d.h. mit mehreren Stufen von abwechselnd Rotoren und Statoren. Im Gegensatz zur Turbine hat der Verdichter die Aufgabe, die Strömung des Strömungsmediums, üblicherweise atmosphärische Luft, zu verdichten. Hierdurch werden Dichte, Druck, Temperatur und Geschwindigkeit des Strömungsmediums erhöht.Upstream of the turbine, in the direction of flow, is a combustion chamber. In the case of aircraft engines, a compressor is located upstream of the combustion chamber. The compressor is fundamentally similar in design to the turbine, i.e., with several stages of alternating rotors and stators. Unlike the turbine, the compressor's job is to compress the flow of the fluid, usually atmospheric air. This increases the fluid's density, pressure, temperature, and velocity.

Die dafür notwendige Energie kommt aus der Turbine, deren Welle(n) die Verdichterrotoren antreibt (bzw. antreiben). Der verdichteten Strömung wird in der Brennkammer Treibstoff zugesetzt und dieses Gemisch gezündet. Dadurch entsteht das Heißgas, welches in die Turbine eingeleitet wird.The energy required for this comes from the turbine, whose shaft(s) drive the compressor rotors. Fuel is added to the compressed flow in the combustion chamber, and this mixture is ignited. This creates the hot gas, which is then fed into the turbine.

Rotoren und Statoren können unter dem Begriff Turbokomponenten zusammengefasst werden.Rotors and stators can be summarized under the term turbo components.

Bei gewissen Anwendungen, insbesondere in der Luftfahrt, aber auch bei Bodenfahrzeugen sowie bei stationären Anlagen im Energiesektor, werden die Turbokomponenten derart ausgelegt, dass sie in mehreren Betriebszuständen möglichst effizient funktionieren. Betriebszustände können sich z.B. durch unterschiedliche Drehzahlen, Verbrennungstemperaturen, Umgebungstemperaturen, Massenströme etc. unterscheiden. Dabei ist häufig ein Kompromiss einzugehen, der darin besteht, unterschiedlichen Anforderungen insgesamt möglichst gerecht zu werden und dafür bei der Erfüllung von einzelnen dieser Anforderungen Abstriche hinzunehmen. Beispielsweise müssen Triebwerke für die Luftfahrt möglichst effizient im Reisemodus sein, andererseits aber gleichzeitig auch eine sehr hohe Maximalleistung für den Start zur Verfügung stellen.In certain applications, particularly in aviation, but also in ground vehicles and stationary systems in the energy sector, the turbo components are designed to function as efficiently as possible under multiple operating conditions. Operating conditions can differ, for example, due to different speeds, combustion temperatures, ambient temperatures, mass flows, etc. This often requires a compromise between meeting various requirements as best as possible overall and making compromises in meeting individual requirements. For example, aviation engines must be as efficient as possible in cruise mode, while simultaneously delivering very high maximum power for takeoff.

Die Effizienz kann dadurch gesteigert werden, dass die Geometrie von Rotor- und Statorschaufelblättern variiert wird, sodass sie in verschiedenen Betriebspunkten jeweils näher an ihrem aerodynamischen Optimum sind. So hat insbesondere ein variabler effektiver Anstellwinkel, d.h. der Winkel zwischen Strömung und der geraden Verbindungslinie Vorderkante-Hinterkante der Schaufel, Einfluss auf die Effizienz in jedem einzelnen Betriebspunkt.Efficiency can be increased by varying the geometry of the rotor and stator blades so that they are closer to their aerodynamic optimum at different operating points. In particular, a variable effective angle of attack, i.e., the angle between the flow and the straight line connecting the leading edge and trailing edge of the blade, influences efficiency at each individual operating point.

Bei Rotoren kann die geometrische Variabilität als Funktion in das Baumaterial der Rotorschaufeln integriert werden, beispielsweise durch Formgedächtnislegierungen oder piezoelektrische Materialien. Diese reagieren auf äußere Stimulation, wie z.B. Änderung der Temperatur oder anliegender elektrischen Spannungen, mit einer Bauteilverformung.In rotors, geometric variability can be integrated into the construction material of the rotor blades, for example, using shape memory alloys or piezoelectric materials. These react to external stimuli, such as changes in temperature or applied electrical voltages, with component deformation.

Die US 2023/0160307 A1 offenbart verformbare Rotorschaufelblätter für Turbomaschinen mit einem Schaufelfuß und einem Schaufelteil, welches einen Anschnitt mit einem verformbaren Material aufweist. Das Material ist eine Formgedächtnislegierung, welche aufgrund eines thermischen Stimulus ihre Form ändern kann. Der thermische Stimulus kann durch Erwärmen mittels eines elektrischen Stroms oder durch Einleiten einer temperierten Flüssigkeit in eine Rohrleitung des Schaufelblatts erfolgen.The US 2023/0160307 A1 discloses deformable rotor blades for turbomachinery, comprising a blade root and a blade portion having a gate formed with a deformable material. The material is a shape memory alloy that can change its shape due to a thermal stimulus. The thermal stimulus can be achieved by heating with an electric current or by introducing a temperature-controlled fluid into a pipe of the blade.

In der US 8,657,561 B2 ist ein Rotorblatt beschrieben, umfassend einen Kernblattabschnitt und einen Hinterkantenabschnitt, wobei der Hinterkantenabschnitt entlang einer Verbindungsschnittstelle am Kernblattabschnitt befestigt ist. Der Hinterkantenabschnitt umfasst ein Formgedächtnismaterial, das betätigbar ist, um eine selektive Verformung des Hinterkantenabschnitts zwischen einem ersten Zustand, in dem eine Hinterkante des Hinterkantenabschnitts einem im Wesentlichen glatten Profil folgt, und einem zweiten Zustand, in dem die Hinterkante gestört ist, zu bewirken. Die Richtung der Störung kann schräg oder senkrecht zur Strömungsrichtung über der Schaufel sein. Das Rotorblatt kann ein Lüfter oder Propeller für ein Gasturbinentriebwerk sein.In the US 8,657,561 B2 A rotor blade is described, comprising a core blade portion and a trailing edge portion, wherein the trailing edge portion is attached to the core blade portion along a connection interface. The trailing edge portion comprises a shape memory material operable to effect selective deformation of the trailing edge portion between a first state in which a trailing edge of the trailing edge portion follows a substantially smooth profile and a second state in which the trailing edge is perturbed. The direction of the disturbance can be oblique or perpendicular to the flow direction over the blade. The rotor blade can be a fan or propeller for a gas turbine engine.

Die US 11,549,383 B2 offenbart ein aerodynamisches Blattsystem mit variabler Geometrie, welches ein Blatt mit einer Vorderkante und einer Hinterkante aufweist. Eine Formgedächtnislegierungskomponente ist in das Blatt integriert, um eine oder beide der Vorder- und Hinterkanten aerodynamisch neu zu positionieren. Ein Heizelement interagiert mit der Formgedächtnislegierungskomponente, um eine Erwärmung für den Übergang zwischen einer austenitischen und einer martensitischen Phase bereitzustellen.The US 11,549,383 B2 discloses a variable geometry aerodynamic blade system comprising a blade with a leading edge and a trailing edge. A shape memory alloy component is incorporated into the blade to aerodynamically reposition one or both of the leading and trailing edges. A heating element interacts with the shape memory alloy component to provide heating for the transition between an austenitic and a martensitic phase.

Die Formgedächtnislegierungskomponente reagiert auf das Heizelement, um als Reaktion auf ein Steuersignal eine Wölbung oder eine Verdrehung des Blattes zu ändern. Ein Steuersystem ist operativ mit dem Heizelement verbunden, wobei das Steuersystem ein Befehlssignal empfängt und das Steuersignal als Reaktion auf das Befehlssignal ausgibt.The shape memory alloy component reacts to the heating element to change a camber or twist of the blade in response to a control signal. A control system is operatively connected to the heating element, the control system receiving a command signal and outputting the control signal in response to the command signal.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines verformbaren Schaufelblatts einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, anzugeben.The object of the invention is to provide an improved method for producing a deformable blade of a turbomachine, in particular a gas turbine or a steam turbine.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verformbares Schaufelblatt einer Turbokomponente einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, hergestellt mit dem verbesserten Verfahren, zu schaffen.A further object of the invention is to provide a deformable blade of a turbo component of a turbomachine, in particular a gas turbine or a steam turbine, produced by the improved method.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verwendung eines Materials für ein verformbares Schaufelblatt einer Turbokomponente einer Turbomaschine anzugeben.A further object of the invention is to provide a use of a material for a deformable blade of a turbo component of a turbomachine.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des verbesserten Verfahrens anzugeben.A further object of the invention is to provide a computer program product for carrying out the improved method.

Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.The objects are achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments and advantages of the invention emerge from the further claims, the description, and the drawings.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines verformbaren Schaufelblatts einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, vorgeschlagen, wenigstens umfassend: Optimieren eines geometrischen Profils einer Hinterkante und/oder Vorderkante einer wenigstens in einem oder mehreren Bereichen ein Formgedächtnismaterial aufweisenden Hinterkante und/oder Vorderkante eines Schaufelblatts einer ausgewählten Turbokomponente für wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei gegenüber einem Ausgangszustand des Schaufelblatts ausgelenkten Zustände, deren Betriebstemperaturen und/oder mechanische Lasten unter realen Betriebsbedingungen wenigstens bereichsweise an der Hinterkante und/oder Vorderkante innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials liegen; Fertigen des Schaufelblatts in dem Ausgangszustand, wobei die Hinterkante und/oder Vorderkante wenigstens bereichsweise aus dem vorgegebenen Formgedächtnismaterial gefertigt wird; sowie Konditionieren des Schaufelblatts für den wenigstens einen, insbesondere die wenigstens zwei ausgelenkten Zustände.According to one aspect of the invention, a method for producing a deformable blade of a turbomachine, in particular a gas turbine or a steam turbine, is proposed, at least comprising: optimizing a geometric profile of a trailing edge and/or leading edge of a trailing edge and/or leading edge of a blade of a selected turbo component, said trailing edge and/or leading edge comprising a shape memory material at least in one or more regions, for at least one, in particular at least two deflected states relative to an initial state of the blade, the operating temperatures and/or mechanical loads of which under real operating conditions lie at least partially at the trailing edge and/or leading edge within a permissible operating range of a predetermined shape memory material; manufacturing the blade in the initial state, wherein the trailing edge and/or leading edge is manufactured at least partially from the predetermined shape memory material; and conditioning the blade for the at least one, in particular the at least two deflected states.

Das vorgeschlagene Verfahren beschreibt die Auslegung und Herstellung von verformbaren Schaufelblättern bei Turbokomponenten von Turbomaschinen unter dem Einsatz von Formgedächtnismaterialien. Dadurch, dass alle oder wenigstens einzelne Bereiche der Schaufelblätter aus Formgedächtnismaterial gebildet werden, bei denen die Bereiche aus Formgedächtnismaterial ihre gewünschte Form aufgrund der jeweiligen Betriebstemperatur ohne zusätzliche Aktoren oder Stimuli, insbesondere passiv, erreichen, ergeben sich verschiedene Vorteile. Optional können die Schaufelblätter komplett aus Formgedächtnismaterial gebildet werden.The proposed method describes the design and manufacture of deformable blades for turbo components of turbomachinery using shape memory materials. The fact that all or at least individual areas of the blades are made of shape memory material, where the areas of shape memory material achieve their desired shape based on the respective operating temperature without additional actuators or stimuli, especially passively, results in various advantages. Optionally, the blades can be made entirely of shape memory material.

So kann ein Zustand, welcher von dem Schaufelblatt eingenommen wird, ein Ausgangszustand sein und ein demgegenüber ausgelenkter Zustand durch die Verformung des Formgedächtnismaterials eingenommen werden, so dass danach der Ausgangszustand wieder eingenommen werden kann. Alternativ kann eine Konditionierung ausgehend vom Ausgangszustand so erfolgen, dass ein erster ausgelenkter Zustand und ein zweiter ausgelenkter Zustand eingenommen werden kann, wobei der Ausgangszustand nur bei der Herstellung des Schaufelblatts vorliegt und im Betrieb nicht zwangsläufig wieder eingenommen werden muss..For example, a state assumed by the blade can be an initial state, and a deflected state can be assumed by deforming the shape memory material, so that the initial state can be resumed afterwards. Alternatively, conditioning can be performed starting from the initial state in such a way that a first deflected state and a second deflected state can be assumed, whereby the initial state only exists during the manufacture of the blade and does not necessarily have to be resumed during operation.

Optional kann das Verfahren ein Auswählen wenigstens einer Turbokomponente umfassen, deren Betriebstemperaturen und/oder mechanische Lasten unter realen Betriebsbedingungen wenigstens bereichsweise an einer Hinterkante und/oder Vorderkante eines Schaufelblatts innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials liegen. Ferner kann das Verfahren optional ein Durchführen einer aerodynamischen Bewertung von wenigstens einem, insbesondere wenigstens zwei, abhängig von einer Betriebstemperatur der Bereiche des Schaufelblatts, gegenüber einem Ausgangszustand ausgelenkten Zuständen der Hinterkante und/oder Vorderkante des Schaufelblatts der ausgewählten Turbokomponente umfassen.Optionally, the method may comprise selecting at least one turbo component whose operating temperatures and/or mechanical loads under real operating conditions are at least partially at a trailing edge and/or leading edge of an airfoil within a permissible operating range of a predetermined shape memory material. Furthermore, the method may optionally comprise performing an aerodynamic evaluation of at least one, in particular at least two, depending on a Operating temperature of the areas of the blade, deflected states of the trailing edge and/or leading edge of the blade of the selected turbo component compared to an initial state.

Insbesondere kann vor dem Auswählen der Turbokomponenten ein Festlegen eines geometrischen Profils von Schaufelblättern von Turbokomponenten der Turbomaschine; sowie ein Bestimmen von Betriebstemperaturen und/oder mechanischen Lasten der Schaufelblätter der Turbokomponenten in einer Simulation von realen Betriebsbedingungen der Turbomaschine vorgesehen seinIn particular, prior to selecting the turbo components, a geometric profile of blades of turbo components of the turbomachine can be defined; as well as a determination of operating temperatures and/or mechanical loads of the blades of the turbo components in a simulation of real operating conditions of the turbomachine can be provided.

Die Bereiche aus Formgedächtnismaterial lassen sich nahtlos in die Profile von bestehenden Schaufelblättern integrieren, sodass sich, im Gegensatz zu sonstigen mechanischen Verstellmechanismen von Turbokomponenten bzw. deren Hinterkanten, keine Spalte ergeben, welche zu Druckverlusten, Turbulenzen und anderen strömungsmechanischen Nachteilen führen können. Auch ist keine aufwändig zu fertigende Mechanik nötig, welche gewichtserhöhend, bauraumbeanspruchend, potentiell fehleranfällig und wartungsintensiv ist. Auch kann so eine bauraumsparende Lösung erzielt werden, welche insbesondere bei den Verdichterstufen nahe an einer Brennkammer einer Gasturbine von Vorteil ist, wo der Bauraum oftmals sehr knapp ist.The shape-memory material sections can be seamlessly integrated into the profiles of existing blades, eliminating gaps that can lead to pressure losses, turbulence, and other fluid mechanics disadvantages, unlike other mechanical adjustment mechanisms of turbo components or their trailing edges. Furthermore, complex mechanical components are not required, which increase weight, take up space, are potentially prone to failure, and require intensive maintenance. This also allows for a space-saving solution, which is particularly advantageous for compressor stages close to a gas turbine combustion chamber, where installation space is often very limited.

Es ist kein Verstellmechanismus nötig, der insbesondere bei Rotoren zwangsweise mitrotieren müsste. Dadurch wird die technische Umsetzung entscheidend erleichtert.There's no need for an adjustment mechanism, which would necessarily rotate, especially with rotors. This significantly simplifies the technical implementation.

Die Fertigung von Hinterkanten oder Vorderkanten von Schaufelblättern aus Formgedächtnismaterial bietet auch Vorteile gegenüber der Verwendung von funktionalen Materialien in Rotoren, bei denen nur eine geringe Verformbarkeit möglich ist, wenn nur eine dünne äußere Schicht aus funktionalem Material besteht. Außerdem ist die Funktionalität dauerbeständig auch unter erhöhten Temperaturen.Manufacturing blade trailing or leading edges from shape memory material also offers advantages over the use of functional materials in rotors, where only a thin outer layer of functional material allows for limited deformability. Furthermore, the functionality is durable, even at elevated temperatures.

Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich vorteilhaft für verformbare Schaufeln von Verdichtern, Niederdruckturbinen und Leistungsturbinen mit hinreichend geringen Temperaturen in den Bereichen zivile und militärische Luftfahrtantriebe, stationäre Gasturbinen im Energiesektor, Dampfturbinen im Energiesektor oder in der Verfahrenstechnik einsetzen.The proposed method can be advantageously used for deformable blades of compressors, low-pressure turbines and power turbines with sufficiently low temperatures in the areas of civil and military aircraft engines, stationary gas turbines in the energy sector, steam turbines in the energy sector or in process engineering.

Anwendungen auf diesen Gebieten können vorteilhaft von höherer Effizienz profitieren, da durch die geometrische Variabilität sowohl im Auslegungspunkt als auch im Teillastbetrieb oder unter Spitzenlast weniger Kompromisse eingegangen werden müssen.Applications in these areas can benefit from higher efficiency, as geometric variability means fewer compromises have to be made both at the design point and during partial load or peak load operation.

Nach dem vorgeschlagenen Verfahren werden im Vorentwurf nach bereits erfolgter Auslegung der Schaufelprofilierung diejenigen Turbokomponenten ausgewählt, bei denen die realen thermischen Betriebsbedingungen des Bauteils einen Einsatz eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials mit dem sogenannten Zwei-Wege-Formgedächtnis-Effekt zulassen. Dieser bezeichnet das Phänomen, dass unter gewissen Umständen ein Bauteil aus Formgedächtnismaterial zwei Zustände annehmen kann. Dabei erfolgt der Übergang vom einen zum anderen Zustand durch eine Änderung der thermischen und der mechanischen Belastung des Bauteils. Der eine Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass sich das Formgedächtnismaterial in der austenitischen Phase befindet. Diese wird durch eine Formgedächtnismaterial-typische martensitische Transformation (abnehmende Temperatur und/oder zunehmende mechanische Belastung) in eine martensitische Phase überführt, wodurch sich der andere Zustand des Bauteils ergibt. Diese Transformation des Materials und die damit einhergehende Formänderung des Bauteils sind beim Zwei-Wege-Formgedächtnis-Effekt zyklisch näherungsweise reversibel.According to the proposed method, after the blade profile has been designed, those turbo components are selected in the preliminary design phase for which the actual thermal operating conditions of the component allow the use of a given shape memory material with the so-called two-way shape memory effect. This refers to the phenomenon that, under certain circumstances, a component made of shape memory material can assume two states. The transition from one state to the other occurs through a change in the thermal and mechanical loading of the component. One state is characterized by the shape memory material being in the austenitic phase. This is converted into a martensitic phase by a martensitic transformation typical of shape memory materials (decreasing temperature and/or increasing mechanical loading), resulting in the other state of the component. This transformation of the material and the associated change in shape of the component are cyclically approximately reversible with the two-way shape memory effect.

Beispielsweise kann so ein nickelreiches Formgedächtnismaterial mit den Hauptbestandteilen Ni, Ti, sowie Hf und/oder Zr, insbesondere mit einer nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20 vorgesehen sein und so ein Anteil x von Zirconium bestimmt werden, bei dem der Einsatz der Formgedächtnislegierung vorteilhaft ist.For example, a nickel-rich shape memory material with the main components Ni, Ti, as well as Hf and/or Zr, in particular with a nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x with 0≤x≤20 can be provided and thus a proportion x of zirconium can be determined at which the use of the shape memory alloy is advantageous.

Dies hängt von den Temperaturen und den mechanischen Lasten, beispielsweise Gasdruck und Rotation, ab, da die Transformationstemperaturen der Übergänge zwischen der martensitischen und der austenitischen Phase im Phasendiagramm des Formgedächtnismaterials lastabhängig sind. Es ist deshalb günstig, die erwarteten mechanischen Lasten wenigstens näherungsweise zu kennen. Dies kann durch Berechnungen oder Erfahrungen bekannt sein.This depends on the temperatures and mechanical loads, such as gas pressure and rotation, since the transformation temperatures of the transitions between the martensitic and austenitic phases in the phase diagram of the shape memory material are load-dependent. It is therefore advantageous to have at least an approximate knowledge of the expected mechanical loads. This can be determined through calculations or experience.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann zum Auswählen der wenigstens einen Turbokomponente wenigstens eines der Kriterien herangezogen werden: eine maximale Betriebstemperatur des Schaufelblatts der Turbokomponente unter realen Betriebsbedingungen ist kleiner als eine Endtemperatur der Konditionierung; es existieren Betriebspunkte, bei denen die Betriebstemperatur des Schaufelblatts größer als eine Austenit-Endtemperatur ist; es existieren Betriebspunkte, bei denen die Betriebstemperatur des Schaufelblatts kleiner als eine Martensit-Endtemperatur des Formgedächtnismaterials ist.According to a favorable embodiment of the method, at least one of the following criteria can be used to select the at least one turbo component: a maximum operating temperature of the blade of the turbo component under real operating conditions is lower than a final conditioning temperature; there are operating points at which the operating temperature of the blade is higher than an austenite final temperature; there are operating points at which the operating temperature of the blade is smaller than a martensite end temperature of the shape memory material.

Für ein Schaufelblatt, auf welches wenigstens eines dieser Kriterien zutrifft, können dann aerodynamische Bewertungen mit dem wenigstens einen, insbesondere den wenigstens zwei ausgelenkten Zustände der Hinterkante und/oder Vorderkante durchgeführt werden. Die aerodynamische Bewertung kann dabei anhand einer rechnergestützten Bewertung, oder anhand einer analytischen Berechnung oder anhand von Erfahrungswerten erfolgen. Beispielsweise ist ein erster Zustand für die heißen Betriebspunkte und ein zweiter Zustand für die kalten Betriebspunkte zu optimieren.For an airfoil to which at least one of these criteria applies, aerodynamic evaluations can then be performed with the at least one, in particular the at least two deflected states of the trailing edge and/or leading edge. The aerodynamic evaluation can be performed using a computer-aided evaluation, an analytical calculation, or empirical values. For example, a first state is to be optimized for the hot operating points and a second state for the cold operating points.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Optimieren des geometrischen Profils der Hinterkante und/oder Vorderkante für den wenigstens einen, insbesondere die wenigstens zwei ausgelenkten Zustände iterativ durchgeführt werden, bis ein Abbruchkriterium der Iteration erreicht ist. Das Schaufelblatt kann nur bereichsweise oder auch komplett aus Formgedächtnismaterial gebildet werden.According to a favorable embodiment of the method, the optimization of the geometric profile of the trailing edge and/or leading edge for the at least one, in particular the at least two deflected states can be performed iteratively until an iteration termination criterion is reached. The blade can be formed from shape memory material only in certain regions or completely.

Gegebenenfalls ist die thermodynamische Modellierung im Konzeptentwurf iterativ auf diese Variabilität anzupassen, was auch eine Wiederholung des Vorentwurfs und des vorherigen Schritts der Auslegung des Schaufelblatts erfordern würde.If necessary, the thermodynamic modeling in the conceptual design must be iteratively adapted to this variability, which would also require a repetition of the preliminary design and the previous step of blade design.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Optimieren des geometrischen Profils der Hinterkante und/oder Vorderkante des Schaufelblatts unter einer Bedingung erfolgen, dass mit dem wenigstens einen, insbesondere den wenigstens zwei ausgelenkten Zuständen weniger als ein vorgegebener Grenzwert, insbesondere weniger als 5%, einer zusätzlichen lokalen Dehnung erzeugt werden.According to a favorable embodiment of the method, the optimization of the geometric profile of the trailing edge and/or leading edge of the blade can be carried out under a condition that with the at least one, in particular the at least two deflected states, less than a predetermined limit value, in particular less than 5%, of an additional local strain is generated.

Bei der Geometrieoptimierung ist zu berücksichtigen, dass günstigerweise beim Übergang zwischen den Zuständen nur weniger als 5% zusätzliche lokale Dehnung erzeugt wird. Die Grenze von 5% zusätzlicher lokaler Dehnung kann je nach angestrebter Lebensdauer auch niedriger liegen.When optimizing the geometry, it is important to consider that, ideally, the transition between the states generates less than 5% additional local strain. The limit of 5% additional local strain may be lower depending on the desired lifetime.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können Hohlräume im Profil des Schaufelblatts, insbesondere Hohlräume mit einem glatt berandeten, insbesondere einem kreisförmigen oder elliptischen oder ovalen, Querschnitt im Profil des Schaufelblatts, vorgesehen werden. Dadurch kann erreicht werden, dass der Grenzwert der zusätzlichen lokalen Dehnung eingehalten wird.According to a favorable embodiment of the method, cavities can be provided in the profile of the blade, in particular cavities with a smooth-edged, particularly circular, elliptical, or oval, cross-section in the profile of the blade. This ensures that the limit value for additional local strain is maintained.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann ein nickelreiches Formgedächtnismaterial mit den Hauptbestandteilen Ni, Ti, sowie Hf und/oder Zr, insbesondere mit einer nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20 gewählt werden.According to a favorable design of the process, a nickel-rich shape memory material with the main components Ni, Ti, as well as Hf and/or Zr, in particular with a nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x with 0≤x≤20 can be selected.

Grundsätzlich müssen für alle Turbokomponenten Materialien gewählt werden, die den thermischen und mechanischen Belastungen während einer gewählten Mindestlebensdauer standhalten. Aufgrund der erhöhten Temperaturen im Triebwerk kann hier vorteilhaft die Formgedächtnislegierungsfamilie mit der nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx gewählt werden. Diese besteht zumindest im Ausgangszustand vor der Herstellung des Schaufelblatts zu 50,3% aus Nickel, zu 29,7% aus Titan, zu 20-x% aus Hafnium und zu x% aus Zirconium, wobei 0≤x≤20 gilt. Die %-Angaben sind Atom-Prozent, d.h. sie beziehen sich auf die Anzahl der entsprechenden Atome. Das Formgedächtnismaterial kann durch Verunreinigungen sowie durch Veränderung der Zusammensetzung während des Fertigungsprozesses nach der Herstellung des Schaufelblatts Abweichungen von der nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx aufweisen. Günstigerweise ist der Gehalt an Nickel jedoch auch nach dem Fertigungsprozess größer als der von Titan.Fundamentally, materials must be selected for all turbo components that can withstand the thermal and mechanical stresses over a selected minimum service life. Due to the elevated temperatures in the engine, the shape memory alloy family with the nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x can be advantageous. At least in the initial state before manufacture of the airfoil, this consists of 50.3% nickel, 29.7% titanium, 20-x% hafnium, and x% zirconium, where 0≤x≤20. The percentages are atomic percent, i.e. they refer to the number of corresponding atoms. The shape memory material can exhibit deviations from the nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x due to impurities as well as changes in composition during the manufacturing process after manufacture of the airfoil. Fortunately, the nickel content is higher than that of titanium even after the manufacturing process.

Mit dem Formgedächtnismaterial mit der nominellen Ausgangszusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20 ergeben sich günstigerweise hinreichend hohe Transformationstemperaturen des Formgedächtniseffekts für den Einsatz in Turbokomponenten von Verdichtern und Turbinen. Hinreichend gute strukturelle und funktionale Dauerbeständigkeit unter hohen Temperaturen für den Einsatz in Turbokomponenten von Verdichtern und Turbinen kann vorteilhaft erreicht werden.The shape memory material with the nominal starting composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x with 0≤x≤20 advantageously results in sufficiently high transformation temperatures of the shape memory effect for use in turbo components of compressors and turbines. Sufficiently good structural and functional durability at high temperatures for use in turbo components of compressors and turbines can be advantageously achieved.

Des Weiteren kann vorteilhaft ein nickelreiches Formgedächtnismaterial wie Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx für diese Anwendung gewählt werden, um spezielle materielle Eigenschaften zu erzeugen. Beispielsweise kann ausgehend von NiTiHf eine teilweise Substitution von Hf durch Zr sinnvoll sein, da hierdurch das Gewicht verringert wird und dennoch eine hohe Temperaturbeständigkeit vorliegt. Zr ist leichter als Hf, aber Hf trägt stärker zur Temperaturbeständigkeit bei als Zr. Die genauen Verhältnisse der einzelnen Komponenten der Legierung können günstigerweise für die jeweilige Anwendung optimiert werden.Furthermore, a nickel-rich shape memory material such as Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x can be advantageously selected for this application to create specific material properties. For example, starting with NiTiHf, a partial substitution of Hf with Zr can be useful, as this reduces weight while still maintaining high temperature resistance. Zr is lighter than Hf, but Hf contributes more to temperature resistance than Zr. The exact ratios of the individual components of the alloy can be advantageously optimized for the respective application.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die materielle Zusammensetzung des Formgedächtnismaterials so gewählt werden, dass der Anteil x möglichst groß ist. Der Anteil x kann vorteilhaft so gering wie nötig und so hoch wie möglich gewählt werden, um einerseits die Transformationstemperaturen des Phasendiagramms der Formgedächtnismaterials Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx zu erreichen und andererseits das Materialgewicht zu minimieren.According to a favorable embodiment of the process, the material composition of the shape memory material can be selected so that the proportion x is as large as possible. The proportion x can advantageously be selected as low as necessary and as high as possible in order to, on the one hand, determine the transformation temperatures of the phase diagram of the shape memory material. memory material Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x and on the other hand to minimize the material weight.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Schaufelblatt mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt werden. Das Schaufelblatt kann mittels 3D-Druck mit einer zuvor identifizierten Legierung gefertigt werden. Dabei kann als Form ein Ausgangszustand des Profils des Schaufelblatts gewählt werden und bei Bedarf die zuvor identifizierten Hohlräume eingebracht werden.In a favorable configuration of the process, the airfoil can be manufactured using an additive manufacturing process. The airfoil can be manufactured using 3D printing with a previously identified alloy. An initial state of the airfoil profile can be selected as the mold, and the previously identified cavities can be incorporated as needed.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der Ausgangszustand des Schaufelblatts so angepasst werden, dass nach der Konditionierung bei den entsprechenden Temperaturen die Vorderkante und/oder Hinterkante des Schaufelblatts den wenigstens einen, insbesondere die beiden ausgelenkten Zustände einnimmt. Auf diese Weise kann das gewünschte aerodynamische Verhalten des Schaufelblatts unter den realen Betriebstemperaturen des Schaufelblatts erreicht werden.According to a favorable embodiment of the method, the initial state of the airfoil can be adjusted such that, after conditioning at the appropriate temperatures, the leading edge and/or trailing edge of the airfoil assumes at least one, in particular both, deflected states. In this way, the desired aerodynamic behavior of the airfoil can be achieved under the actual operating temperatures of the airfoil.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Konditionierung des Schaufelblatts wenigstens die Schritte umfassen: Einspannen des Schaufelblatts in seinem Ausgangszustand auf Saugseite und Druckseite; Anlegen eines Werkzeugs von der Saugseite oder der Druckseite des Schaufelblatts; Durchführen einer Temperaturbehandlung durch Erhöhen einer Temperatur des Schaufelblatts von einer Ausgangstemperatur niedriger als eine Martensit-Endtemperatur auf eine Endtemperatur höher als eine Austenit-Endtemperatur des Formgedächtnismaterials, gefolgt von einem Absenken der Temperatur auf die Ausgangstemperatur; Mehrmaliges zyklisches Durchführen der Temperaturbehandlung.According to a favorable embodiment of the method, the conditioning of the blade can comprise at least the following steps: clamping the blade in its initial state on the suction side and the pressure side; applying a tool from the suction side or the pressure side of the blade; carrying out a temperature treatment by increasing a temperature of the blade from an initial temperature lower than a martensite final temperature to a final temperature higher than an austenite final temperature of the shape memory material, followed by lowering the temperature to the initial temperature; cyclically carrying out the temperature treatment several times.

Das Bauteil kann gemäß dem oben beschriebenen Verfahren konditioniert werden. Je nachdem, welche Richtungsauslenkung der Hinterkante und/oder Vorderkante für das vorliegende Schaufelblatt vorteilhaft ist, kann eine Arbeitsrichtung des Werkzeuges gewählt sowie der Ausgangszustand und der wenigstens eine, insbesondere die beiden ausgelenkten Zustände festgelegt werden. Der Ausgangszustand ist so zu wählen, dass nach der Konditionierung der wenigstens eine, insbesondere die beiden ausgelenkten Zustände bei den entsprechenden Betriebstemperaturen angenommen werden. Der Ausgangszustand unterscheidet sich von dem zweiten ausgelenkten Zustand durch die während des Trainings eingebrachten plastischen Verformungen an gewissen Stellen der Mikrostruktur.The component can be conditioned according to the method described above. Depending on which directional deflection of the trailing edge and/or leading edge is advantageous for the particular blade, a working direction of the tool can be selected, and the initial state and the at least one, in particular the two, deflected states can be defined. The initial state must be selected such that, after conditioning, the at least one, in particular the two, deflected states are assumed at the corresponding operating temperatures. The initial state differs from the second deflected state due to the plastic deformations introduced at certain points in the microstructure during training.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können eine aufgewendete Kraft und/oder eine erzeugte Deformation des Schaufelblatts überwacht werden. Dadurch lassen sich die gewünschten Zustände des Schaufelblatts beim Konditionieren vorteilhaft einstellen.According to a favorable design of the method, the applied force and/or the deformation generated by the blade can be monitored. This allows the desired conditions of the blade to be advantageously adjusted during conditioning.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Werkzeug während der Temperaturbehandlung geregelt an die Saugseite oder Druckseite des Schaufelblatts nachgeführt werden. Dadurch lassen sich die gewünschten Zustände des Schaufelblatts beim Konditionieren vorteilhaft einstellen.According to a favorable design of the process, the tool can be controlled to the suction or pressure side of the blade during the heat treatment. This allows the desired conditions of the blade to be advantageously adjusted during conditioning.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können zum Bestimmen von Betriebstemperaturen und/oder mechanischen Lasten der Schaufelblätter der Turbokomponenten in der Simulation für reale Betriebsbedingungen gemittelte Betriebstemperaturen der Schaufelblätter bestimmt werden. Dabei wird für alle Schaufelblätter einer Turbokomponente dieselbe Temperatur angenommen.According to a favorable embodiment of the method, averaged operating temperatures of the blades can be determined in the simulation for real operating conditions to determine operating temperatures and/or mechanical loads on the blades of the turbo components. The same temperature is assumed for all blades of a turbo component.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Schaufelblatt eine Statorschaufel oder eine Rotorschaufel der Turbokomponente sein. Vorteilhaft lässt sich Formgedächtnismaterial auf feststehenden wie rotierenden Bauteilen der Turbokomponente einsetzen, um einen mit der Betriebstemperatur verformbaren Bereich zu realisieren.According to a favorable embodiment of the process, the blade can be a stator blade or a rotor blade of the turbo component. Shape memory material can advantageously be used on both stationary and rotating components of the turbo component to create a deformable area at the operating temperature.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein verformbares Schaufelblatt einer Turbokomponente einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, vorgeschlagen, hergestellt nach einem oben beschriebenen Verfahren, wenigstens umfassend einen Mittelteil, eine Vorderkante und eine Hinterkante, wobei die Vorderkante stromauf einer Strömungsrichtung bei bestimmungsgemäßem Einsatz an das Mittelteil anschließt und die Hinterkante in Strömungsrichtung an das Mittelteil anschließt. Dabei sind die Vorderkante und/oder die Hinterkante wenigstens bereichsweise aus einem Formgedächtnismaterial ausgebildet.According to a further aspect of the invention, a deformable blade of a turbo component of a turbomachine, in particular a gas turbine, is proposed, manufactured according to a method described above, comprising at least a center section, a leading edge, and a trailing edge, wherein the leading edge adjoins the center section upstream of a flow direction during intended use, and the trailing edge adjoins the center section in the flow direction. The leading edge and/or the trailing edge are formed at least partially from a shape memory material.

Dadurch, dass alle oder wenigstens einzelne Bereiche des Schaufelblatts aus Formgedächtnismaterial gebildet werden, bei dem die Bereiche aus Formgedächtnismaterial ihre gewünschte Form aufgrund der jeweiligen Betriebstemperatur ohne zusätzliche Aktoren oder Stimuli erreichen, ergeben sich verschiedene Vorteile.The fact that all or at least individual areas of the blade are formed from shape memory material, in which the areas of shape memory material achieve their desired shape due to the respective operating temperature without additional actuators or stimuli, results in various advantages.

Die Bereiche aus Formgedächtnismaterial lassen sich nahtlos in die Profile von bestehenden Schaufelblättern integrieren, sodass sich, im Gegensatz zu sonstigen mechanischen Verstellmechanismen von Turbokomponenten bzw. deren Hinterkanten, keine Spalte ergeben, welche zu Druckverlusten, Turbulenzen und anderen strömungsmechanischen Nachteilen führen können. Optional können die Schaufelblätter komplett aus Formgedächtnismaterial gebildet werden.The shape-memory material sections can be seamlessly integrated into the profiles of existing blades, eliminating gaps that can lead to pressure losses, turbulence, and other fluid mechanics disadvantages, unlike other mechanical adjustment mechanisms of turbo components or their trailing edges. Optionally, the blades can be made entirely of shape-memory material.

Auch ist keine aufwändig zu fertigende Mechanik nötig, welche gewichtserhöhend, bauraumbeanspruchend, potentiell fehleranfällig und wartungsintensiv ist. Auch kann so eine bauraumsparende Lösung erzielt werden, welche insbesondere bei den entgegen der Anströmrichtung vordersten Verdichterstufen einer Gasturbine von Vorteil ist, wo der Bauraum oftmals sehr knapp ist.Furthermore, it eliminates the need for complex, manufactured mechanical components, which increase weight, take up space, are potentially prone to failure, and require intensive maintenance. This also allows for a space-saving solution, which is particularly advantageous for the front compressor stages of a gas turbine, facing away from the flow direction, where installation space is often very limited.

Es ist kein Verstellmechanismus nötig, der insbesondere bei Rotoren zwangsweise mitrotieren müsste. Dadurch wird die technische Umsetzung entscheidend erleichtert.There's no need for an adjustment mechanism, which would necessarily rotate, especially with rotors. This significantly simplifies the technical implementation.

Die Fertigung von Hinterkanten und/oder Vorderkanten von Schaufelblättern aus Formgedächtnismaterial bietet darüber hinaus Vorteile gegenüber der Verwendung von funktionalen Materialien in Rotoren, bei denen nur eine geringe Verformbarkeit möglich ist, wenn nur eine dünne äußere Schicht aus funktionalem Material besteht. Außerdem ist die Funktionalität auch unter erhöhten Temperaturen dauerbeständig. Vorteilhaft können die Schaufelblätter auch komplett aus Formgedächtnismaterial gebildet werden.Manufacturing trailing and/or leading edges of blades from shape memory material also offers advantages over the use of functional materials in rotors, where only limited deformability is possible if only a thin outer layer of functional material is used. Furthermore, the functionality is durable even at elevated temperatures. Advantageously, the blades can also be made entirely of shape memory material.

Das Formgedächtnismaterial lässt sich vorteilhaft für verformbare Schaufeln von Verdichtern, Niederdruckturbinen und Leistungsturbinen mit hinreichend geringen Temperaturen in den Bereichen zivile und militärische Luftfahrtantriebe, stationäre Gasturbinen im Energiesektor, Dampfturbinen im Energiesektor oder in der Verfahrenstechnik einsetzen.The shape memory material can be used advantageously for deformable blades of compressors, low-pressure turbines and power turbines with sufficiently low temperatures in the areas of civil and military aircraft engines, stationary gas turbines in the energy sector, steam turbines in the energy sector or in process engineering.

Anwendungen auf diesen Gebieten können vorteilhaft von höherer Effizienz profitieren, da durch die geometrische Variabilität sowohl im Auslegungspunkt als auch im Teillastbetrieb oder unter Spitzenlast weniger Kompromisse eingegangen werden müssen.Applications in these areas can benefit from higher efficiency, as geometric variability means fewer compromises have to be made both at the design point and during partial load or peak load operation.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des verformbaren Schaufelblatts kann das Formgedächtnismaterial nickelreich mit den Hauptbestandteilen Ni, Ti, sowie Hf und/oder Zr, insbesondere mit einer nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20 ausgebildet sein.According to a favorable design of the deformable blade, the shape memory material can be nickel-rich with the main components Ni, Ti, as well as Hf and/or Zr, in particular with a nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x with 0≤x≤20.

Grundsätzlich müssen für alle Turbokomponenten Materialien gewählt werden, die den thermischen und mechanischen Belastungen während einer gewählten Mindestlebensdauer standhalten. Aufgrund der erhöhten Temperaturen im Triebwerk können hier vorteilhaft Materialien der Formgedächtnislegierungsfamilie mit der nominellen Ausgangszusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx gewählt werden. Diese besteht zu 50,3% aus Nickel, zu 29,7% aus Titan, zu 20-x% aus Hafnium und zu x% aus Zirconium, wobei 0≤x≤20 gilt. Die %-Angaben sind Atom-Prozent (at%), d.h. sie beziehen sich auf die Anzahl der entsprechenden Atome. Das Formgedächtnismaterial kann durch Verunreinigungen sowie durch Veränderung der Zusammensetzung während des Fertigungsprozesses nach der Herstellung des Schaufelblatts Abweichungen von der nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx aufweisen.Fundamentally, materials must be selected for all turbo components that can withstand the thermal and mechanical stresses over a selected minimum service life. Due to the elevated temperatures in the engine, materials from the shape memory alloy family with the nominal starting composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x can be advantageous. This consists of 50.3% nickel, 29.7% titanium, 20-x% hafnium, and x% zirconium, where 0≤x≤20. The percentages are atomic percent (at%), i.e. they refer to the number of corresponding atoms. The shape memory material can exhibit deviations from the nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x due to impurities as well as changes in composition during the manufacturing process after the airfoil has been produced.

Mit dem Formgedächtnismaterial der nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20 ergeben sich günstigerweise hinreichend hohe Transformationstemperaturen des Formgedächtniseffekts für den Einsatz in Turbokomponenten von Verdichtern und Turbinen. Hinreichend gute strukturelle und funktionale Dauerbeständigkeit unter hohen Temperaturen für den Einsatz in Turbokomponenten von Verdichtern und Turbinen kann vorteilhaft erreicht werden.The shape memory material with the nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x , where 0≤x≤20, advantageously results in sufficiently high transformation temperatures for the shape memory effect for use in turbo components of compressors and turbines. Sufficiently good structural and functional durability at high temperatures for use in turbo components of compressors and turbines can be advantageously achieved.

Des Weiteren kann vorteilhaft ein nickelreiches Formgedächtnismaterial wie Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx für diese Anwendung gewählt werden, um spezielle materielle Eigenschaften zu erzeugen. Beispielsweise kann ausgehend von NiTiHf eine teilweise Substitution von Hf durch Zr sinnvoll sein, da hierdurch das Gewicht verringert wird und dennoch eine hohe Temperaturbeständigkeit vorliegt. Zr ist leichter als Hf, aber Hf trägt stärker zur Temperaturbeständigkeit bei als Zr. Die genauen Verhältnisse der einzelnen Komponenten der Legierung können günstigerweise für die jeweilige Anwendung optimiert werden.Furthermore, a nickel-rich shape memory material such as Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x can be advantageously selected for this application to create specific material properties. For example, starting with NiTiHf, a partial substitution of Hf with Zr can be useful, as this reduces weight while still maintaining high temperature resistance. Zr is lighter than Hf, but Hf contributes more to temperature resistance than Zr. The exact ratios of the individual components of the alloy can be advantageously optimized for the respective application.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des verformbaren Schaufelblatts können die Hinterkante und/oder Vorderkante abhängig von einer Betriebstemperatur der Hinterkante und/oder Vorderkante jeweils wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei gegenüber einem Ausgangszustand ausgelenkte Zustände der Hinterkante und/oder Vorderkante aufweisen. Beispielsweise kann der erste Zustand für die heißen Betriebspunkte und der zweite Zustand für die kalten Betriebspunkte angenommen werden. Auf diese Weise kann das gewünschte aerodynamische Verhalten des Schaufelblatts unter den realen Betriebstemperaturen des Schaufelblatts erreicht werden.According to a favorable design of the deformable airfoil, the trailing edge and/or leading edge can each have at least one, in particular at least two, deflected states of the trailing edge and/or leading edge relative to an initial state, depending on the operating temperature of the trailing edge and/or leading edge. For example, the first state can be assumed for the hot operating points and the second state for the cold operating points. In this way, the desired aerodynamic behavior of the airfoil can be achieved under the actual operating temperatures of the airfoil.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des verformbaren Schaufelblatts können der wenigstens eine, insbesondere die wenigstens zwei ausgelenkten Zustände der Hinterkante und/oder Vorderkante mittels eines Werkzeugs nach der Fertigung konditioniert sein. Auf diese Weise kann das gewünschte aerodynamische Verhalten des Schaufelblatts unter den realen Betriebstemperaturen des Schaufelblatts erreicht werden.According to a favorable design of the deformable airfoil, the at least one, in particular the at least two deflected states of the trailing edge and/or leading edge can be conditioned by means of a tool after production. In this way, the desired aerodynamic behavior of the airfoil can be achieved under the actual operating temperatures of the airfoil.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des verformbaren Schaufelblatts können Hohlräume im Profil des Schaufelblatts, insbesondere Hohlräume mit einem glatt berandeten, insbesondere einem kreisförmigen oder elliptischen oder ovalen Querschnitt im Profil des Schaufelblatts, ausgebildet sein. Dadurch kann erreicht werden, dass der Grenzwert der zusätzlichen lokalen Dehnung eingehalten wird.According to a favorable design of the deformable airfoil, cavities can be formed in the airfoil profile, in particular cavities with a smooth-edged, particularly circular, elliptical, or oval cross-section in the airfoil profile. This can ensure that the limit value for additional local strain is maintained.

Nach einer günstigen Ausgestaltung kann das verformbare Schaufelblatt mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein. Das Schaufelblatt kann mittels 3D-Druck mit einer zuvor identifizierten Legierung gefertigt werden. Dabei kann als Form ein Ausgangszustand des Profils des Schaufelblatts gewählt werden und bei Bedarf die zuvor identifizierten Hohlräume eingebracht werden.In a favorable embodiment, the deformable airfoil can be manufactured using an additive manufacturing process. The airfoil can be manufactured using 3D printing with a previously identified alloy. An initial state of the airfoil profile can be selected as the mold, and the previously identified cavities can be incorporated as needed.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des verformbaren Schaufelblatts kann das Schaufelblatt eine Statorschaufel oder eine Rotorschaufel der Turbokomponente sein. Vorteilhaft lässt sich Formgedächtnismaterial auf feststehenden wie rotierenden Bauteilen der Turbokomponente einsetzen, um einen mit der Betriebstemperatur verformbaren Bereich zu realisieren.Depending on the design of the deformable blade, the blade can be a stator blade or a rotor blade of the turbo component. Shape memory material can be advantageously used on both stationary and rotating components of the turbo component to create a deformable area at the operating temperature.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Turbomaschine mit wenigstens einem verformbaren Schaufelblatt vorgeschlagen, wenigstens umfassend eine Turbokomponente mit dem wenigstens einen Schaufelblatt, welches nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist.According to a further aspect of the invention, a turbomachine with at least one deformable blade is proposed, at least comprising a turbo component with the at least one blade, which is manufactured according to the method described above.

Die vorgeschlagene Turbomaschine kann verformbare Schaufeln von Verdichtern, Niederdruckturbinen und Leistungsturbinen mit hinreichend geringen Temperaturen aufweisen. Eine solche Turbomaschine kann vorteilhaft in den Bereichen zivile und militärische Luftfahrtantriebe, stationäre Gasturbinen im Energiesektor, Dampfturbinen im Energiesektor oder in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden.The proposed turbomachinery can feature deformable blades for compressors, low-pressure turbines, and power turbines with sufficiently low temperatures. Such a turbomachinery can be advantageously used in civil and military aircraft engines, stationary gas turbines in the energy sector, steam turbines in the energy sector, or in process engineering.

Anwendungen auf diesen Gebieten können vorteilhaft von höherer Effizienz profitieren, da durch die geometrische Variabilität sowohl im Auslegungspunkt als auch im Teillastbetrieb oder unter Spitzenlast weniger Kompromisse eingegangen werden müssen.Applications in these areas can benefit from higher efficiency, as geometric variability means fewer compromises have to be made both at the design point and during partial load or peak load operation.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung eines nickelreichen Materials mit den Hauptbestandteilen Ni, Ti, sowie Hf und/oder Zr, insbesondere mit einer nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20 als Formgedächtnismaterial für ein verformbares Schaufelblatt einer Turbokomponente einer Turbomaschine, insbesondere in Bereichen einer Hinterkante und/oder Vorderkante des verformbaren Schaufelblatts, vorgeschlagen.According to a further aspect of the invention, the use of a nickel-rich material with the main components Ni, Ti, as well as Hf and/or Zr, in particular with a nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x with 0≤x≤20, is proposed as a shape memory material for a deformable blade of a turbo component of a turbomachine, in particular in regions of a trailing edge and/or leading edge of the deformable blade.

Das Formgedächtnismaterial lässt sich vorteilhaft für verformbare Schaufeln von Verdichtern, Niederdruckturbinen und Leistungsturbinen mit hinreichend geringen Temperaturen in den Bereichen zivile und militärische Luftfahrtantriebe, stationäre Gasturbinen im Energiesektor, Dampfturbinen im Energiesektor oder in der Verfahrenstechnik einsetzen.The shape memory material can be used advantageously for deformable blades of compressors, low-pressure turbines and power turbines with sufficiently low temperatures in the areas of civil and military aircraft engines, stationary gas turbines in the energy sector, steam turbines in the energy sector or in process engineering.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, Schritte eines Verfahrens zum Herstellen von verformbaren Schaufelblättern einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, durchzuführen, wenigstens umfassend: Optimieren eines geometrischen Profils einer Hinterkante und/oder Vorderkante einer wenigstens in einem oder mehreren Bereichen ein Formgedächtnismaterial aufweisenden Hinterkante und/oder Vorderkante eines Schaufelblatts einer Turbokomponente für wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei gegenüber einem Ausgangszustand des Schaufelblatts ausgelenkten Zustände, deren Betriebstemperaturen und/oder mechanische Lasten unter realen Betriebsbedingungen wenigstens bereichsweise an der Hinterkante und/oder Vorderkante innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials liegen.According to a further aspect of the invention, a computer program product is proposed, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out steps of a method for producing deformable blades of a turbomachine, in particular a gas turbine or a steam turbine, at least comprising: optimising a geometric profile of a trailing edge and/or leading edge of a trailing edge and/or leading edge of a blade of a turbo component, said trailing edge and/or leading edge having a shape memory material in at least one or more regions, for at least one, in particular at least two, deflected states relative to an initial state of the blade, the operating temperatures and/or mechanical loads of which under real operating conditions lie at least partially at the trailing edge and/or leading edge within a permissible operating range of a predetermined shape memory material.

Mit dem Computerprogrammprodukt lassen sich vorteilhaft die Schritte zum Auslegen und Optimieren des Profils der verformbaren Schaufelblätter einer Turbomaschine sowie zur Auswahl einer zum Einsatz eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials geeigneten Turbokomponente durchführen. Dabei können die Schritte durch das Programm teilautomatisiert oder automatisiert ablaufen.The computer program product advantageously enables the steps for designing and optimizing the profile of the deformable blades of a turbomachine, as well as for selecting a turbo component suitable for use with a given shape memory material. The program can execute these steps either semi-automatically or automatically.

Dabei kann optional ein Auswählen wenigstens einer Turbokomponente erfolgen, deren Betriebstemperaturen und/oder mechanische Lasten unter realen Betriebsbedingungen wenigstens bereichsweise an einer Hinterkante und/oder Vorderkante eines Schaufelblatts innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials liegen. Ferner kann optional ein Durchführen einer aerodynamischen Bewertung von wenigstens zwei, abhängig von einer Betriebstemperatur der Bereiche des Schaufelblatts, gegenüber einem Ausgangszustand ausgelenkten Zuständen der Hinterkante und/oder Vorderkante des Schaufelblatts der ausgewählten Turbokomponente erfolgen.Optionally, at least one turbo component can be selected whose operating temperatures and/or mechanical loads under real operating conditions are at least partially within a permissible operating range of a predetermined shape memory material at a trailing edge and/or leading edge of an airfoil. Furthermore, an aerodynamic evaluation of at least two deflected states of the trailing edge and/or leading edge of the airfoil of the selected turbo component relative to an initial state can be performed, depending on an operating temperature of the airfoil regions.

Die aerodynamische Bewertung kann dabei anhand einer rechnergestützten Bewertung, oder anhand einer analytischen Berechnung oder anhand von Erfahrungswerten erfolgen. Beispielsweise ist ein erster Zustand für die heißen Betriebspunkte und ein zweiter Zustand für die kalten Betriebspunkte zu optimieren.The aerodynamic evaluation can be performed using computer-aided analysis, analytical calculations, or empirical values. For example, a first state is optimized for the hot operating points and a second state for the cold operating points.

Zeichnungdrawing

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages will become apparent from the following description of the drawings. The figures illustrate exemplary embodiments of the invention. The figures, the description, and the claims contain numerous features in combination. Those skilled in the art will also expediently consider the features individually and combine them into useful further combinations.

Es zeigen beispielhaft:

  • 1 eine schematische Darstellung einer als Flugzeugstriebwerk ausgebildeten Turbomaschine;
  • 2 eine Schnittdarstellung der als Flugzeugstriebwerk ausgebildeten Turbomaschine nach 1;
  • 3 ein Schaufelprofil eines Schaufelblatts mit verformbarer Hinterkante nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und entsprechender Variation der Richtung der abfließenden Strömung;
  • 4 ein Schaufelprofil eines Schaufelblatts mit verformbarer Vorderkante nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 5 ein Phasendiagramm eines Formgedächtnismaterials im Spannungs-Temperatur-Raum;
  • 6 eine Konditionierung des Schaufelprofils eines Schaufelblatts mittels einer Einspannung und einem Werkzeug nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 7 ein Ausschnitt einer isometrischen Darstellung eines Stators einer Turbokomponente;
  • 8 eine Statorschaufel mit einer verformbaren Hinterkante nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht;
  • 9 die Statorschaufel nach 8 in einem Querschnitt;
  • 10 ein Ausschnitt einer isometrischen Darstellung eines Rotors einer Turbokomponente;
  • 11 eine Rotorschaufel mit einer verformbaren Hinterkante nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht; und
  • 12 die Rotorschaufel nach 11 in einem Querschnitt.
Examples include:
  • 1 a schematic representation of a turbomachine designed as an aircraft engine;
  • 2 a sectional view of the turbomachine designed as an aircraft engine according to 1 ;
  • 3 a blade profile of an airfoil with a deformable trailing edge according to an embodiment of the invention and corresponding variation of the direction of the outflowing flow;
  • 4 a blade profile of an airfoil with a deformable leading edge according to a further embodiment of the invention;
  • 5 a phase diagram of a shape memory material in the stress-temperature space;
  • 6 a conditioning of the blade profile of an airfoil by means of a clamping device and a tool according to an embodiment of the invention;
  • 7 a section of an isometric view of a stator of a turbo component;
  • 8 a stator blade with a deformable trailing edge according to an embodiment of the invention in a plan view;
  • 9 the stator blade 8 in a cross-section;
  • 10 a section of an isometric view of a rotor of a turbo component;
  • 11 a rotor blade with a deformable trailing edge according to an embodiment of the invention in a plan view; and
  • 12 the rotor blade 11 in a cross section.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.In the figures, components of the same type or function similarly are designated by the same reference numerals. The figures are merely examples and are not to be construed as limiting.

Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung beschränkt ist, da diese Bauteile variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.Before describing the invention in detail, it should be noted that it is not limited to the specific components of the device, as these components may vary. The terms used herein are intended solely to describe particular embodiments and are not intended to be limiting. Furthermore, when the singular or indefinite articles are used in the description or claims, this also refers to the plural of these elements, unless the overall context clearly indicates otherwise.

Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.The directional terminology used below, including terms such as "left," "right," "top," "bottom," "before," "behind," "after," and the like, is intended solely to enhance understanding of the figures and is in no way intended to limit the scope of the invention. The components and elements depicted, as well as their design and use, may vary according to the considerations of a person skilled in the art and may be adapted to specific applications.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer als Flugzeugstriebwerk ausgebildeten Turbomaschine 100. Die Strömungsrichtung 70 eines Strömungsmediums ist dabei durch einen Pfeil gekennzeichnet. 1 shows a schematic representation of a turbomachine 100 designed as an aircraft engine. The flow direction 70 of a flow medium is indicated by an arrow.

Der Entwurf von Turbomaschinen beginnt üblicherweise mit dem Aufstellen eines Konzepts der Maschine und der thermodynamischen Modellierung ihrer Komponenten. Um grundlegende Größen wie Temperatur, Druck, Massenfluss bei realen Betriebsbedingungen zu quantifizieren, werden Randbedingungen angenommen und etablierte numerische oder analytische Verfahren verwendet. Hierdurch werden die Größen an verschiedenen Stellen in der Maschine ermittelt, z.B. am, in Bezug auf die Strömungsrichtung 70, Anfang und am Ende einer jeden Komponente.The design of turbomachinery typically begins with the development of a machine concept and the thermodynamic modeling of its components. To quantify fundamental quantities such as temperature, pressure, and mass flow under real operating conditions, boundary conditions are assumed and established numerical or analytical methods are used. This allows the quantities to be determined at various points in the machine, e.g., at the beginning and end of each component (with respect to the flow direction).

1 skizziert grob einen möglichen schematischen Aufbau einer beispielhaften Turbomaschine 100 am Beispiel eines Flugzeugtriebwerks. Die Turbomaschine 100 kann tatsächlich auch anders aufgebaut sein und ein Triebwerk für ein anderes Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder auch eine stationäre Kraftmaschine wie eine Gasturbine oder eine Dampfturbine darstellen. 1 roughly outlines a possible schematic structure of an exemplary turbomachine 100 using the example of an aircraft engine. The turbomachine 100 can actually be constructed differently and be an engine for another aircraft, watercraft, or land vehicle or also represent a stationary power machine such as a gas turbine or a steam turbine.

Die dargestellte Turbomaschine 100 besteht aus einem so genannten Fan 50 als Vorverdichter, einem Verdichter 51, einer Brennkammer 56, einer Hochdruckturbine 52 und einer Niederdruckturbine 54. In dem Verdichter 52 erfolgt eine Strömungsverdichtung und Strömungsbeschleunigung des Strömungsmediums, in der Brennkammer 56 eine Energieerhöhung der Strömung durch Kraftstoffeinspritzung und Kraftstoffverbrennung, in der Hochdruckturbine 52 und der Niederdruckturbine 54 ein Energietransfer von der Strömung des Strömungsmediums in die Rotation der Turbinenrotoren.The illustrated turbomachine 100 consists of a so-called fan 50 as a pre-compressor, a compressor 51, a combustion chamber 56, a high-pressure turbine 52 and a low-pressure turbine 54. In the compressor 52, a flow compression and flow acceleration of the flow medium takes place, in the combustion chamber 56 an energy increase of the flow through fuel injection and fuel combustion, in the high-pressure turbine 52 and the low-pressure turbine 54 an energy transfer from the flow of the flow medium into the rotation of the turbine rotors.

Die Komponenten 50, 51, 52, 54 der Turbomaschine 100, welche rotierende und/oder nicht-rotierende Schaufelreihen aufweisen, werden als Turbokomponenten bezeichnet.The components 50, 51, 52, 54 of the turbomachine 100, which have rotating and/or non-rotating blade rows, are referred to as turbo components.

2 zeigt eine Schnittdarstellung der als Flugzeugstriebwerk ausgebildeten Turbomaschine 100 nach 1. Dabei ist das Triebwerk entlang der Triebwerksachse 110 geschnitten und nur eine Hälfte des Triebwerks dargestellt. 2 shows a sectional view of the turbomachine 100 designed as an aircraft engine according to 1 . The engine is cut along the engine axis 110 and only one half of the engine is shown.

Das Triebwerk weist einen dreistufigen so genannten Fan 50 auf. Darauf folgt in Strömungsrichtung 70 ein weiterer dreistufiger Verdichter 51 und die Brennkammer 56. An den Ausgang der Brennkammer 56 sind eine einstufige Hochdruckturbine 52, gefolgt von einer zweistufigen Niederdruckturbine 54 angeschlossen.The engine has a three-stage fan 50. This is followed in the flow direction 70 by another three-stage compressor 51 and the combustion chamber 56. A single-stage high-pressure turbine 52, followed by a two-stage low-pressure turbine 54, is connected to the outlet of the combustion chamber 56.

Ein Nebenstromkanal 57 verläuft außerhalb des Verdichters 51 und den Turbinenstufen 52, 54.A bypass duct 57 runs outside the compressor 51 and the turbine stages 52, 54.

Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen eines verformbaren Schaufelblatts 10 einer Turbomaschine 100, insbesondere einer Gasturbine, kann zunächst ein geometrisches Profil von Schaufelblättern 10 von Turbokomponenten 50, 51, 52, 54 der Turbomaschine 100 festgelegt werden. Danach können Betriebstemperaturen und/oder mechanischen Lasten der Schaufelblätter 10 der Turbokomponenten 50, 51, 52, 54 in einer Simulation von realen Betriebsbedingungen der Turbomaschine 100 bestimmt werden.According to an advantageous embodiment of the method for producing a deformable blade 10 of a turbomachine 100, in particular a gas turbine, a geometric profile of blades 10 of turbo components 50, 51, 52, 54 of the turbomachine 100 can first be defined. Operating temperatures and/or mechanical loads of the blades 10 of the turbo components 50, 51, 52, 54 can then be determined in a simulation of real operating conditions of the turbomachine 100.

Zum Bestimmen von Betriebstemperaturen und/oder mechanischen Lasten der Schaufelblätter 10 der Turbokomponenten 50, 51, 52, 54 in der Simulation für reale Betriebsbedingungen können vorteilhaft gemittelte Betriebstemperaturen der Turbokomponenten 50, 51, 52, 54 bestimmt werden.To determine operating temperatures and/or mechanical loads of the blades 10 of the turbo components 50, 51, 52, 54 in the simulation for real operating conditions, averaged operating temperatures of the turbo components 50, 51, 52, 54 can advantageously be determined.

Auf dieser Basis wird wenigstens eine Turbokomponente 50, 51, 52, 54, deren Betriebstemperaturen und/oder mechanische Lasten unter realen Betriebsbedingungen wenigstens bereichsweise an einer Hinterkante 12 und/oder Vorderkante 14 eines Schaufelblatts 10 innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials liegen, ausgewählt.On this basis, at least one turbo component 50, 51, 52, 54 is selected, the operating temperatures and/or mechanical loads of which under real operating conditions are at least partially located at a trailing edge 12 and/or leading edge 14 of an airfoil 10 within a permissible operating range of a predetermined shape memory material.

Als Formgedächtnismaterial kann vorteilhaft ein nickelreiches Formgedächtnismaterial mit den Hauptbestandteilen Ni, Ti, sowie Hf und/oder Zr, insbesondere mit einer nominellen Zusammensetzung vor der Herstellung des Schaufelblatts Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20 wenigstens für Bereiche einer Hinterkante 12 und/oder Vorderkante 14 eines Schaufelblatts 10 einer Turbokomponente 50, 51, 52, 54 einer Turbomaschine 100 verwendet werden.As a shape memory material, a nickel-rich shape memory material with the main components Ni, Ti, as well as Hf and/or Zr, in particular with a nominal composition before manufacture of the blade Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x with 0≤x≤20 can be used at least for regions of a trailing edge 12 and/or leading edge 14 of a blade 10 of a turbo component 50, 51, 52, 54 of a turbomachine 100.

Optional kann das Schaufelblatt 10 auch komplett aus Formgedächtnismaterial gebildet werden.Optionally, the blade 10 can also be made entirely of shape memory material.

Zum Auswählen der wenigstens einen Turbokomponente 50, 51, 52, 54 kann vorteilhaft wenigstens eines der Kriterien herangezogen werden: eine maximale Betriebstemperatur des Schaufelblatts 10 der Turbokomponente 50, 51, 52, 54 unter realen Betriebsbedingungen ist kleiner als eine Endtemperatur 68 der Konditionierung; es existieren Betriebspunkte, bei denen die Betriebstemperatur des Schaufelblatts 10 größer als eine Austenit-Endtemperatur 88 ist; es existieren Betriebspunkte, bei denen die Betriebstemperatur des Schaufelblatts 10 kleiner als eine Martensit-Endtemperatur 84 des Formgedächtnismaterials ist.To select the at least one turbo component 50, 51, 52, 54, at least one of the following criteria can advantageously be used: a maximum operating temperature of the airfoil 10 of the turbo component 50, 51, 52, 54 under real operating conditions is less than a final conditioning temperature 68; there are operating points at which the operating temperature of the airfoil 10 is greater than an austenite final temperature 88; there are operating points at which the operating temperature of the airfoil 10 is less than a martensite final temperature 84 of the shape memory material.

Es wird eine aerodynamische Bewertung von wenigstens einem, insbesondere wenigstens zwei, abhängig von einer Betriebstemperatur der Bereiche des Schaufelblatts 10, gegenüber einem Ausgangszustand 40 ausgelenkten Zuständen 42, 44 der Hinterkante 12 und/oder Vorderkante 14 des Schaufelblatts 10 der ausgewählten Turbokomponente 50, 51, 52, 54 durchgeführt. Die aerodynamische Bewertung kann dabei anhand einer rechnergestützten Bewertung oder anhand von einer analytischen Berechnung oder anhand von Erfahrungswerten erfolgen.An aerodynamic evaluation of at least one, in particular at least two, deflected states 42, 44 of the trailing edge 12 and/or leading edge 14 of the blade 10 of the selected turbo component 50, 51, 52, 54 relative to an initial state 40, is performed, depending on an operating temperature of the regions of the blade 10. The aerodynamic evaluation can be carried out using a computer-aided evaluation, an analytical calculation, or empirical values.

Damit wird ein geometrisches Profil der Hinterkante 12 und/oder Vorderkante 14 für den wenigstens einen, insbesondere die wenigstens zwei ausgelenkten Zustände 42, 44 optimiert. Günstigerweise kann das Optimieren des geometrischen Profils der Hinterkante 12 und/oder Vorderkante 14 des Schaufelblatts 10 unter einer Bedingung erfolgen, dass mit dem wenigstens einen, insbesondere den wenigstens zwei ausgelenkten Zuständen 42, 44 weniger als ein vorgegebener Grenzwert, insbesondere weniger als 5%, einer zusätzlichen lokalen Dehnung erzeugt werden.Thus, a geometric profile of the trailing edge 12 and/or leading edge 14 is optimized for the at least one, in particular the at least two deflected states 42, 44. Advantageously, the optimization of the geometric profile of the trailing edge 12 and/or leading edge 14 of the blade 10 can be carried out under a condition that less than a predetermined limit value, in particular less than 5%, of additional local strain is generated with the at least one, in particular the at least two deflected states 42, 44.

Die Schritte Festlegen des geometrischen Profils der Schaufelblätter 10, Bestimmen von Betriebstemperaturen und/oder mechanischen Lasten der Schaufelblätter 10, Auswählen wenigstens einer Turbokomponente 50, 51, 52, 54 können günstigerweise iterativ durchgeführt werden, bis ein geeignetes Abbruchkriterium der Iteration erreicht ist.The steps of defining the geometric profile of the blades 10, determining operating temperatures and/or mechanical loads of the blades 10, and selecting at least one turbo component 50, 51, 52, 54 can advantageously be carried out iteratively until a suitable termination criterion of the iteration is reached.

Die verwendeten numerischen und analytischen Verfahren zur thermodynamischen Modellierung der Turbomaschine 100 liefern wichtige Strömungsgrößen wie Temperatur, Druck, Massenfluss des Strömungsmediums an den Turbokomponenten 50, 51, 52, 54 zu verschiedenen Betriebspunkten. Im Folgenden interessiert hier hauptsächlich die Temperatur der Strömung.The numerical and analytical methods used for the thermodynamic modeling of turbomachine 100 provide important flow parameters such as temperature, pressure, and mass flow of the flow medium at turbo components 50, 51, 52, and 54 at various operating points. In the following, the flow temperature is of primary interest.

Die Betriebstemperaturen sind stark abhängig von den tatsächlich getroffenen Annahmen an die Turbomaschine 100 und an die Einsatzbedingungen, welche an den Betriebspunkten herrschen. Diese Bedingungen sind meistens multifaktoriell und setzen sich u.a., aber nicht ausschließlich, aus Flughöhe, Geschwindigkeit, Umgebungstemperatur und Drehzahl zusammen. Ein Betriebspunkt kann einen sogenannten „Take-Off“-Betriebspunkt oder einen „Cruise“-Zustand unter Standardatmosphäre bezeichnen. Im Fall von Flugzeugtriebwerken können aber auch ganz andere Betriebspunkte betrachtet werden, wie z.B. ein sogenannter „Supercruise“-Betriebspunkt oder ein „Mach 1 at Sea Level“-Betriebspunkt. Es können auch nicht-standard atmosphärische Bedingungen in der thermodynamischen Analyse berücksichtigt werden. In diesen Fällen könnten die Betriebstemperaturen stark voneinander abweichen.The operating temperatures are highly dependent on the actual assumptions made regarding the turbomachine 100 and the operating conditions prevailing at the operating points. These conditions are usually multifactorial and include, but are not limited to, altitude, speed, ambient temperature, and rotational speed. An operating point can refer to a so-called "take-off" operating point or a "cruise" condition under standard atmosphere. In the case of aircraft engines, however, completely different operating points can also be considered, such as a so-called "supercruise" operating point or a "Mach 1 at sea level" operating point. Non-standard atmospheric conditions can also be considered in the thermodynamic analysis. In these cases, the operating temperatures could differ significantly.

Das aufgestellte Triebwerkskonzept kann mit den sich ergebenden thermodynamischen Ergebnissen auf seine Zweckmäßigkeit für den angedachten Missionszweck überprüft werden, u.a. hinsichtlich des erzeugten Schubs und des damit einhergehenden Kraftstoffverbrauchs. Üblicherweise werden iterativ mehrere Konzepte erstellt, überprüft und modifiziert, bis ein geeignetes Konzept gefunden ist. Aus dem Konzept und Abschätzungsmethoden ergibt sich auch, aus wie vielen Stufen jede Turbokomponente sinnvollerweise zu bestehen hat. Die Stufen werden in einer Vorentwurfsphase genauer untersucht.The resulting thermodynamic results can be used to test the engine concept for its suitability for the intended mission, including the generated thrust and the associated fuel consumption. Typically, several concepts are developed, tested, and modified iteratively until a suitable concept is found. The concept and estimation methods also determine how many stages each turbo component should reasonably consist of. The stages are examined in more detail in a preliminary design phase.

Im Vorentwurf werden die Komponenten geometrisch genauer definiert. In einer zweidimensionalen Modellierung des Triebwerks kann ein Querschnitt betrachtet werden.In the preliminary design, the components are defined more precisely geometrically. A cross-section of the engine can be viewed in a two-dimensional model.

Im Verdichter 50 wird die Strömung durch die gemeinsame Wirkung von Rotoren, Statoren und der Verkleinerung des Querschnitts des Strömungskanals verdichtet. Bei modernen Flugzeugtriebwerken liegen die Verdichtungsverhältnisse im Bereich 10:1 bis 60:1, d.h. der maximale Druck der Strömung im Triebwerk beträgt das Zehnfache bis Sechzigfache des atmosphärischen Drucks. Durch diese Kompression steigt auch die Strömungstemperatur des Strömungsmediums.In compressor 50, the flow is compressed through the combined action of rotors, stators, and the reduction of the flow channel's cross-section. In modern aircraft engines, compression ratios range from 10:1 to 60:1, meaning the maximum flow pressure in the engine is ten to sixty times atmospheric pressure. This compression also increases the flow temperature of the fluid.

Nach der Brennkammer 56 wird der Strömung durch die Turbinenrotoren 52, 54 Energie entzogen. Des Weiteren wird die Strömungstemperatur durch die gemeinsame Wirkung von Rotoren, Statoren, der Kühllufteinführung sowie der Vergrößerung des Querschnitts des Strömungskanals abgesenkt.After the combustion chamber 56, energy is extracted from the flow by the turbine rotors 52, 54. Furthermore, the flow temperature is reduced by the combined action of the rotors, stators, cooling air inlet, and the enlargement of the cross-section of the flow channel.

Etablierte Vorentwurfsmethoden, wie z.B. analytische, numerische und empirische Verfahren, können dazu herangezogen werden, die genaue Anzahl an Statoren und Rotoren in Verdichter 50, Hochdruckturbine 52 und Niederdruckturbine 54 festzulegen. Des Weiteren kann auch die Anzahl der Schaufelblätter 10 für jede Turbokomponente 50, 51, 52, 54 bestimmt werden. Nach dieser Festlegung können einschlägige, etablierte Verfahren angewendet werden, um die Temperaturen der Strömung an jeder Turbokomponente 50, 51, 52, 54 zu ermitteln. Tatsächlich ist der Temperaturverlauf der Strömung auf kleinen Längenskalen komplex, da es auf die genaue radiale, axiale und angulare Position des betrachteten Strömungspunkts ankommt. Beispielsweise unterscheidet sich die Strömungstemperatur an der Druckseite und der Saugseite jedes Schaufelblatts. In der Vorentwurfsphase sind solche kleinskaligen Effekte jedoch vernachlässigbar. Es wird günstigerweise nur eine gemittelte Betriebstemperatur pro Schaufelblatt 10, insbesondere dieselbe Betriebstemperatur an jedem Schaufelblatt 10 dieser Turbokomponente 50, 51, 52, 54, erhoben.Established preliminary design methods, such as analytical, numerical, and empirical procedures, can be used to determine the exact number of stators and rotors in the compressor 50, the high-pressure turbine 52, and the low-pressure turbine 54. Furthermore, the number of blades 10 for each turbo component 50, 51, 52, 54 can also be determined. Once this number has been determined, relevant, established methods can be applied to determine the flow temperatures at each turbo component 50, 51, 52, 54. In fact, the flow temperature profile is complex at small length scales because the precise radial, axial, and angular position of the flow point under consideration is important. For example, the flow temperature differs on the pressure side and the suction side of each blade. However, such small-scale effects are negligible in the preliminary design phase. Advantageously, only one average operating temperature per blade 10 is measured, in particular the same operating temperature at each blade 10 of this turbo component 50, 51, 52, 54.

Erfindungsgemäß wird die Temperaturvariation während des Betriebs der Turbokomponenten 50, 51, 52, 54 zur vorteilhaften Geometrieveränderung der Schaufelprofilierung genutzt.According to the invention, the temperature variation during operation of the turbo components 50, 51, 52, 54 is used to advantageously change the geometry of the blade profiling.

Vorteilhaft kann für die Auslegung von verformbaren Schaufelblättern 10 ein Computerprogrammprodukt eingesetzt werden, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen von verformbaren Schaufelblättern 10 einer Turbomaschine 100, insbesondere einer Gasturbine, durchzuführen.Advantageously, a computer program product can be used for the design of deformable blades 10, which includes instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out steps of the proposed method for producing deformable blades 10 of a turbomachine 100, in particular a gas turbine.

3 zeigt ein Schaufelprofil eines Schaufelblatts 10 mit verformbarer Hinterkante 12 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und entsprechender Variation der Richtung der abfließenden Strömung. Das Schaufelblatt 10 kann eine Statorschaufel 20 (7) oder eine Rotorschaufel 30 (10) der Turbokomponente 50, 51, 52, 54 sein. 3 shows a blade profile of a blade 10 with a deformable trailing edge 12 according to an embodiment of the invention and corresponding variation of the direction of the outflowing flow. The blade 10 can have a stator blade 20 ( 7 ) or a rotor blade 30 ( 10 ) of the turbo component 50, 51, 52, 54.

Die Wahl des Schaufelprofils hat erheblichen Einfluss auf die Leistung von Verdichter 50 und Turbine 52, 54. Diverse geometrische Kenngrößen der Profile haben vielfältige Einflüsse auf die Strömungsverhältnisse und indirekt auf die gesamte Turbomaschine 100.The choice of blade profile has a significant influence on the performance of compressor 50 and turbine 52, 54. Various geometric characteristics of the profiles have a variety of influences on the flow conditions and indirectly on the entire turbomachine 100.

Die Verformbarkeit des Schaufelprofils bewirkt eine Umlenkung der Strömung 70, mit Pfeilen dargestellt. In 3 ist die Richtung eingezeichnet, aus der die Strömung 70 auf das Schaufelblatt 10 trifft. Weiter ist die Strömung 72 eingezeichnet, welche das Schaufelblatt 10 bei nicht verformtem Schaufelblatt 10 verlässt. Das zugehörige Profil (durchgezogene Profilkontur) wird als Ausgangszustand 40 bezeichnet.The deformability of the blade profile causes a deflection of the flow 70, shown with arrows. In 3 The direction from which the flow 70 hits the blade 10 is shown. Also shown is the flow 72, which leaves the blade 10 when the blade 10 is not deformed. The corresponding profile (solid profile contour) is referred to as the initial state 40.

Durch eine Veränderung der Geometrie im Bereich der Hinterkante 12 (gestrichelter Bereich) wird die Richtung der Abströmung 74, 76 geändert. Dieses veränderte Profil wird als ausgelenkter Zustand 42, 44 bezeichnet.By changing the geometry in the area of the trailing edge 12 (dashed area), the direction of the outflow 74, 76 is changed. This changed profile is referred to as the deflected state 42, 44.

Der Ausgangszustand 40 des Schaufelblatts 10 kann dabei so angepasst werden, dass nach der Konditionierung bei den entsprechenden Temperaturen die Hinterkante 12 des Schaufelblatts 10 die beiden ausgelenkten Zustände 42, 44 einnimmt.The initial state 40 of the blade 10 can be adjusted so that after conditioning at the corresponding temperatures, the trailing edge 12 of the blade 10 assumes the two deflected states 42, 44.

4 zeigt ein Schaufelprofil eines Schaufelblatts 10 mit verformbarer Vorderkante 14 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist das unverformte Profil mit dem Zustand 40 bezeichnet. Gestrichelt ist ein verformter Zustand 42 der Vorderkante 14 dargestellt. 4 shows a blade profile of an airfoil 10 with a deformable leading edge 14 according to another embodiment of the invention. The undeformed profile is designated by state 40. A deformed state 42 of the leading edge 14 is shown in dashed lines.

Üblicherweise, d.h. bei nur einem möglichen Zustand, wird das Schaufelprofil derart gewählt, dass es unter Berücksichtigung des gesamten Missionsprofils des Triebwerks ein Optimum darstellt. Dabei werden Kompromisse zwischen den Leistungen des Profils an verschiedenen Betriebspunkten eingegangen.Typically, i.e., with only one possible condition, the blade profile is selected to represent an optimum considering the overall mission profile of the engine. Compromises are made between the profile's performance at different operating points.

Mit einer Formvariabilität, d.h. bei wenigstens einem, insbesondere zwei möglichen Zuständen 42, 44, kann das Schaufelprofil im laufenden Betrieb an den Betriebszustand angepasst werden. Es müssen dadurch während des Profilentwurfs weniger Kompromisse bei der Profiloptimierung eingegangen werden, da die beiden Zustände 42, 44 jeweils für gewisse Betriebspunkte näher am Optimum liegen können.With shape variability, i.e., with at least one, especially two, possible states 42, 44, the blade profile can be adapted to the operating condition during operation. This reduces the need for compromises in profile optimization during profile design, since the two states 42, 44 can each be closer to the optimum for certain operating points.

Die Formvariabilität wird erfindungsgemäß mittels Formgedächtnislegierungen erreicht. Die Beschreibung der Materialauswahl, der Bauteilfertigung und der Bauteilkonditionierung wird im Folgenden beschrieben.According to the invention, the shape variability is achieved using shape memory alloys. The material selection, component manufacturing, and component conditioning are described below.

Grundsätzlich müssen für alle Turbokomponenten 50, 51, 52, 54 Materialien gewählt werden, die den thermischen und mechanischen Belastungen während einer gewählten Mindestlebensdauer standhalten. Aufgrund der erhöhten Temperaturen im Triebwerk kann hier vorteilhaft ein Material der Formgedächtnislegierungsfamilie Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx gewählt werden. Diese besteht zu 50,3% aus Nickel, zu 29,7% aus Titan, zu 20-x% aus Hafnium und zu x% aus Zirconium, wobei 0≤x≤20 gilt. Die %-Angaben sind Atom-Prozent, d.h. sie beziehen sich auf die Anzahl der entsprechenden Atome.Fundamentally, materials must be selected for all turbo components 50, 51, 52, and 54 that can withstand the thermal and mechanical stresses over a selected minimum service life. Due to the elevated temperatures in the engine, a material from the shape memory alloy family Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x can be advantageously selected. This alloy consists of 50.3% nickel, 29.7% titanium, 20-x% hafnium, and x% zirconium, where 0≤x≤20. The percentages are atomic percent, meaning they refer to the number of atoms.

Nach dem vorgeschlagenen Verfahren werden im Vorentwurf nach bereits erfolgter Auslegung der Schaufelprofilierung diejenigen Turbokomponenten ausgewählt, bei denen die realen thermischen Betriebsbedingungen des Bauteils einen Einsatz eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials mit dem sogenannten Zwei-Wege-Formgedächtnis-Effekt zulassen. Dieser bezeichnet das Phänomen, dass unter gewissen Umständen ein Bauteil aus Formgedächtnismaterial zwei Zustände annehmen kann. Dabei erfolgt der Übergang vom einen zum anderen Zustand durch eine Änderung der thermischen und der mechanischen Belastung des Bauteils. Der eine Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass sich das Formgedächtnismaterial in der austenitischen Phase befindet. Diese wird durch eine Formgedächtnismaterial-typische martensitische Transformation (abnehmende Temperatur und/oder zunehmende mechanische Belastung) in eine martensitische Phase überführt, wodurch sich der andere Zustand des Bauteils ergibt. Diese Transformation des Materials und die damit einhergehende Formänderung des Bauteils sind beim Zwei-Wege-Formgedächtnis-Effekt zyklisch näherungsweise reversibel.According to the proposed method, after the blade profile has been designed, those turbo components are selected in the preliminary design phase for which the actual thermal operating conditions of the component allow the use of a given shape memory material with the so-called two-way shape memory effect. This refers to the phenomenon that, under certain circumstances, a component made of shape memory material can assume two states. The transition from one state to the other occurs through a change in the thermal and mechanical loading of the component. One state is characterized by the shape memory material being in the austenitic phase. This is converted into a martensitic phase by a martensitic transformation typical of shape memory materials (decreasing temperature and/or increasing mechanical loading), resulting in the other state of the component. This transformation of the material and the associated change in shape of the component are cyclically approximately reversible with the two-way shape memory effect.

In 5 ist ein Phasendiagramm eines Formgedächtnismaterials im Spannungs-Temperatur-Raum dargestellt. Dabei ist die Spannung 90 über der Temperatur 80 aufgetragen. Übergangsbereiche zwischen der Martensitphase 94 und der Austenitphase 96 sind mit entsprechenden Temperaturen 82, 84, 86, 88 als schräge Linien eingezeichnet.In 5 A phase diagram of a shape memory material in stress-temperature space is shown. Stress 90 is plotted against temperature 80. Transition regions between the martensite phase 94 and the austenite phase 96 are shown as oblique lines with corresponding temperatures 82, 84, 86, and 88.

Wird das Martensit 94 (Kalttemperaturphase) unter konstanter mechanischer Last (Spannung 90) erwärmt, so beginnt die Phasentransformation zum Austenit 96 (Hochtemperatorphase) bei der austenitische Anfangstemperatur 86 und sie ist bei Erreichen der Austenit-Endtemperatur 88 abgeschlossen. Umgekehrt, wenn das Material in der Autenitphase 96 unter konstanter mechanischer Last 90 abgekühlt wird, beginnt die martensitische Transformation bei Erreichen der Martensit-Anfangstemperatur 82 und ist bei der Martensit-Endtemperatur 84 abgeschlossen. Die Temperaturen 82, 84, 86, 88 sind vom Spannungszustand abhängig, sie steigen mit diesem näherungsweise linear an.If martensite 94 (cold temperature phase) is heated under constant mechanical load (stress 90), the phase transformation to austenite 96 (high temperature phase) begins at the austenitic initial temperature 86 and is completed when the austenite final temperature 88 is reached. Conversely, if the material in the austenite phase 96 is cooled under constant mechanical load 90, the martensitic transformation begins when the martensite initial temperature 82 is reached and is completed at the martensite final temperature 84. The temperatures 82, 84, 86, 88 are from the chip voltage state, they increase approximately linearly with it.

Als Formgedächtnismaterial kann vorteilhaft beispielsweise ein nickelreiches Formgedächtnismaterial mit den Hauptbestandteilen Ni, Ti, sowie Hf und/oder Zr, insbesondere mit einer nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx gewählt werden, mit 0≤x≤20. Die materielle Zusammensetzung des Formgedächtnismaterials kann dabei so gewählt werden, dass der Anteil x möglichst groß ist. Der Anteil x kann vorteilhaft so gering wie nötig und so hoch wie möglich gewählt werden, um einerseits die Transformationstemperaturen des Phasendiagramms der Formgedächtnismaterials Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx zu erreichen und andererseits das Materialgewicht zu minimieren.A shape memory material that can be advantageously selected is, for example, a nickel-rich shape memory material with the main components Ni, Ti, as well as Hf and/or Zr, in particular with a nominal composition of Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x , where 0≤x≤20. The material composition of the shape memory material can be selected such that the proportion x is as large as possible. The proportion x can advantageously be selected as low as necessary and as high as possible in order to achieve the transformation temperatures of the phase diagram of the shape memory material Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x , on the one hand, and to minimize the material weight, on the other.

Bei der vorgeschlagenen Formgedächtnislegierung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx beträgt für unbelastete Komponenten und x=0 die Martensit-Endtemperatur 84 210°C und die Austenit-Endtemperatur 88 265°C, für x=20 beträgt die Martensit-Endtemperatur 84 150°C und die Austenit-Endtemperatur 88 210°C. Die Austenit-Endtemperatur 88 steigt unter Last teilweise auf knapp über 400°C, während die Martensit-Endtemperatur 84 nur um ca. 30-40°C mit der Last variiert.For the proposed shape memory alloy Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x , for unloaded components and x=0, the martensite end temperature 84 is 210°C and the austenite end temperature 88 is 265°C. For x=20, the martensite end temperature 84 is 150°C and the austenite end temperature 88 is 210°C. The austenite end temperature 88 sometimes rises to just over 400°C under load, while the martensite end temperature 84 only varies by approximately 30-40°C with load.

Die Formgedächtnismaterial-Familie Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx weist eine Reihe von Vorteilen auf: eine hinreichend hohe Temperaturbeständigkeit (geringe strukturelle Ermüdung unter thermisch-mechanischer Belastung), hinreichend hohe Transformationstemperaturen 82, 84, 86, 88, hinreichend hohe Dauerbeständigkeit der Transformationstemperaturen 82, 84, 86, 88 und des mikrostrukturellen Transformationsverhaltens (geringe funktionale Ermüdung, d.h. geringer Verlust des Zwei-Wege-Formgedächtnis-Effekts). Eine Gewichtsoptimierung ist möglich durch die Wahl des Parameters x (Zr-Gehalt): Zr ist leichter als Hf, führt jedoch zu einer Abnahme der Transformationstemperaturen 82, 84, 86, 88. Für x=0 werden die maximalen Transformationstemperaturen 82, 84, 86, 88 erreicht, welche, je nach Spannungszustand, im Fall der Austenit-Endtemperatur 88 bis zu ca. 25% höher sind als für x=20. Für x=20 ist das Gewicht um bis zu 23% reduziert im Vergleich zu x=0.The shape memory material family Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x has a number of advantages: sufficiently high temperature resistance (low structural fatigue under thermal-mechanical loading), sufficiently high transformation temperatures 82, 84, 86, 88, sufficiently high fatigue stability of the transformation temperatures 82, 84, 86, 88 and the microstructural transformation behavior (low functional fatigue, ie low loss of the two-way shape memory effect). Weight optimization is possible by choosing the parameter x (Zr content): Zr is lighter than Hf, but leads to a decrease in the transformation temperatures 82, 84, 86, 88. For x=0, the maximum transformation temperatures 82, 84, 86, 88 are reached, which, depending on the stress state, are up to approximately 25% higher in the case of the austenite final temperature 88 than for x=20. For x=20, the weight is reduced by up to 23% compared to x=0.

Das Schaufelblatt 10 wird nach der Auslegung in dem Ausgangszustand 40 gefertigt, wobei die Hinterkante 12 und/oder Vorderkante 14 wenigstens bereichsweise aus dem vorgegebenen Formgedächtnismaterial gefertigt wird. The blade 10 is manufactured after design in the initial state 40, wherein the trailing edge 12 and/or leading edge 14 is manufactured at least in regions from the predetermined shape memory material.

Nach dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines verformbaren Schaufelblatts 10 kann ein additives Fertigungsverfahren wie 3D-Druck gewählt werden. Hierzu wird die Formgedächtnislegierung in Pulverform verwendet. Dabei ist zu beachten, dass sich die Bestandteile der Formgedächtnislegierung während der Pulverisierung ändern können: Zum einen können Fremdstoffe als Verunreinigungen eindringen, wie z.B. Kohlenstoff, zum anderen können sich aufgrund der hohen Temperaturen lokal gewisse Bestandteile verflüchtigen (Verdampfung, Sublimation). Auch nach der Pulverisierung, während des 3D-Drucks, können Verflüchtigungen (Verdampfung, Sublimation) auftreten. Durch diese Effekte kann sich z.B. der Nickelgehalt und/oder der Titangehalt im fertigen Bauteil von dem im Ausgangsmaterial (aus der ursprünglichen Schmelze) unterscheiden. Die Verhältnisformel Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx kann deshalb günstigerweise auf das fertige Werkstück bezogen werden.According to the proposed method for producing a deformable airfoil 10, an additive manufacturing process such as 3D printing can be selected. For this purpose, the shape memory alloy is used in powder form. It should be noted that the components of the shape memory alloy can change during pulverization: On the one hand, foreign substances such as carbon can penetrate as impurities, and on the other hand, certain components can volatilize locally due to the high temperatures (evaporation, sublimation). Volatilization (evaporation, sublimation) can also occur after pulverization, during 3D printing. Due to these effects, for example, the nickel content and/or the titanium content in the finished component can differ from that in the starting material (from the original melt). The ratio formula Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x can therefore advantageously be related to the finished workpiece.

Im Bereich der Hinterkante 12 und/oder Vorderkante 14 des Schaufelblatts können günstigerweise Hohlräume ausgespart werden, um die Biegsamkeit der Hinterkante 12 und/oder Vorderkante 14 zu erhöhen und um das lokale Dehnungsmaximum bei einer Kantenbiegung zu verringern. Im übrigen Bereich, beispielsweise dem Mittelteil 11 können ebenfalls Hohlräume eingebracht werden, welche der Gewichtsersparnis dienen können.In the area of the trailing edge 12 and/or leading edge 14 of the blade, cavities can advantageously be provided to increase the flexibility of the trailing edge 12 and/or leading edge 14 and to reduce the local maximum strain during edge bending. Cavities can also be introduced in the remaining area, for example, the center section 11, which can serve to reduce weight.

Die Hohlräume können mit einem glatt berandeten Querschnitt, insbesondere mit einem kreisförmigen oder elliptischen oder ovalen Querschnitt im Profil des Schaufelblatts 10 ausgebildet sein.The cavities can be formed with a smoothly edged cross-section, in particular with a circular or elliptical or oval cross-section in the profile of the blade 10.

Der Zwei-Wege-Formgedächtnis-Effekt muss einem Bauteil erst „antrainiert“ werden, hierbei spricht man auch von Konditionierung. Diese kann auf verschiedene Arten geschehen, ist jedoch im Wesentlichen immer ein zyklischer Prozess. Günstigerweise kann ein Standardverfahren gewählt werden, wie es in 5 dargestellt ist. Dabei wird eine konstante mechanische Belastung auf das Schaufelblatt 10 aufgebracht und die Temperatur zwischen einer Ausgangstemperatur 66 unterhalb der Martensit-Endtemperatur 84 und einer Endtemperatur 68 oberhalb der Austenit-Endtemperatur 88 zyklisch variiert. Die Ausgangstemperatur 66 wird der technischen Einfachheit wegen auf 20-30°C (Umgebungstemperatur) festgelegt. Die Zyklisierung ist in 5 schematisch mit dem gestrichelten Pfeil 92 dargestellt.The two-way shape memory effect must first be "trained" into a component; this is also referred to as conditioning. This can be done in various ways, but is essentially always a cyclical process. A standard procedure can be chosen, as described in 5 A constant mechanical load is applied to the blade 10 and the temperature is cyclically varied between an initial temperature 66 below the martensite final temperature 84 and a final temperature 68 above the austenite final temperature 88. The initial temperature 66 is set to 20-30°C (ambient temperature) for technical simplicity. The cyclization is in 5 shown schematically with the dashed arrow 92.

Das gefertigte Schaufelblatt 10 wird vor Inbetriebnahme für den wenigstens einen, insbesondere die wenigstens zwei ausgelenkten Zustände 42, 44 konditioniert.The manufactured blade 10 is conditioned for the at least one, in particular the at least two deflected states 42, 44 before commissioning.

In 6 ist eine Konditionierung des Schaufelprofils eines Schaufelblatts 10 mittels einer Einspannung 62, 64 und einem Werkzeug 60 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.In 6 is a conditioning of the blade profile of a blade 10 by means of a clamping device 62, 64 and a tool 60 according to an embodiment of the invention.

Zunächst wird das Schaufelprofil in seinem Ausgangszustand 40 (in welchem das Teil gefertigt wird) mittels der Einspannungen 62, 64 auf der Saugseite 16 und der Druckseite 18 eingespannt.First, the blade profile is clamped in its initial state 40 (in which the part is manufactured) by means of the clamps 62, 64 on the suction side 16 and the pressure side 18.

Das Werkzeug 60 wird von der Saugseite 16 her in Kontakt gebracht (durch den Pfeil angedeutet), wodurch sich die Hinterkante 12 biegt. Dabei wird die aufgewendete Kraft und/oder die erzeugte Bauteildeformation überwacht, um die Konstanz der mechanischen Belastung durch ein Regelungssystem einhalten zu können.The tool 60 is brought into contact from the suction side 16 (indicated by the arrow), causing the trailing edge 12 to bend. The applied force and/or the resulting component deformation are monitored to ensure the constant mechanical load is maintained by a control system.

Die Temperatur wird zyklisch von der Ausgangstemperatur 66 auf die Endtemperatur 68 erhöht und wieder auf die Ausgangstemperatur 66 abgesenkt. Eine Folge Ausgangstemperatur 66 → Endtemperatur 68 → Ausgangstemperatur 66 wird als ein Zyklus 92 bezeichnet. Bei der Endtemperatur 68 ist eine ausreichende Haltedauer zu wählen, um eine vollständige Durcherhitzung des Schaufelblatts 10 sicherzustellen. Während der Zyklen 92 gibt die Hinterkante 12 des Schaufelblatts 10 immer weiter nach, sodass das Werkzeug 60 durch die Regelung nachgeführt werden muss.The temperature is cyclically increased from the initial temperature 66 to the final temperature 68 and then decreased back to the initial temperature 66. A sequence of initial temperature 66 → final temperature 68 → initial temperature 66 is referred to as a cycle 92. At the final temperature 68, a sufficient holding time must be selected to ensure complete heating of the blade 10. During cycles 92, the trailing edge 12 of the blade 10 continues to yield, so that the tool 60 must be adjusted by the control system.

Am Ende der Konditionierung stellt sich der ausgelenkte Zustand 44 unterhalb der Martensit-Endtemperatur 84 und der ausgelenkte Zustand 42 oberhalb der Austenit-Endtemperatur 88 ein, da der Elastizitäts-Modul des Austenits 96 größer ist als der des Martensits 94.At the end of conditioning, the deflected state 44 is below the martensite end temperature 84 and the deflected state 42 is above the austenite end temperature 88, since the elastic modulus of austenite 96 is greater than that of martensite 94.

Bei der Gestaltung des Werkzeugs 60 können günstigerweise die üblichen Effekte bei der Biegeumformung berücksichtigt werden, wie z.B. die elastische Rückfederung. Aus diesem Grund ist die Krümmung des Werkzeugs 60 in 6 überhöht dargestellt.When designing the tool 60, the usual effects of bending, such as elastic springback, can be advantageously taken into account. For this reason, the curvature of the tool 60 is 6 exaggerated.

Das Schaufelprofil variiert je nach Position in Spannweitenrichtung des Schaufelblatts 10. Das Werkzeug 60 ist daran angepasst. Es ermöglicht auch unterschiedlich starke Verformungen, bspw. eine größere Verformung an der Blattspitze als in der Nähe der Blattwurzel, oder umgekehrt.The blade profile varies depending on the position in the spanwise direction of the blade 10. The tool 60 is adapted accordingly. It also allows for deformations of varying degrees, for example, greater deformation at the blade tip than near the blade root, or vice versa.

Je nach aerodynamischer Gegebenheit während des geplanten Betriebs des jeweiligen Schaufelblatts 10 kann das Werkzeug 60 alternativ von der Druckseite 18 her angewendet werden. Außerdem können sich die Bezeichnungen der Zustände 40, 42, 44 in 6 von Fall zu Fall unterscheiden.Depending on the aerodynamic conditions during the planned operation of the respective blade 10, the tool 60 can alternatively be applied from the pressure side 18. In addition, the designations of the states 40, 42, 44 can be 6 vary from case to case.

In 7 ist ein Ausschnitt einer isometrischen Darstellung eines Stators 120 einer Turbokomponente 50, 51, 52, 54 dargestellt. Die Statorschaufeln 20 sind in radialer Richtung zwischen einem äußeren Statorring 22 und einem inneren Statorring 24 angeordnet. Der Stator 120 kann beispielsweise einstückig ausgebildet sind. Eine Statorschaufel 20 ist beispielhaft mit Bezugszeichen versehen. Die Anströmrichtung 70 ist eingezeichnet.In 7 A section of an isometric view of a stator 120 of a turbo component 50, 51, 52, 54 is shown. The stator blades 20 are arranged radially between an outer stator ring 22 and an inner stator ring 24. The stator 120 can, for example, be formed in one piece. A stator blade 20 is provided with reference numerals as an example. The flow direction 70 is indicated.

8 zeigt eine Statorschaufel 20 einer Turbokomponente 50, 51, 52, 54 einer Turbomaschine 100 mit einer verformbaren Hinterkante 12 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht. 8 shows a stator blade 20 of a turbo component 50, 51, 52, 54 of a turbomachine 100 with a deformable trailing edge 12 according to an embodiment of the invention in a plan view.

Das verformbare Schaufelblatt 10 der Statorschaufel 20, umfasst einen Mittelteil 11, eine Vorderkante 14 und eine Hinterkante 12. Die Vorderkante 14 schließt stromauf der Strömungsrichtung 70 bei bestimmungsgemäßem Einsatz an das Mittelteil 11 an und die Hinterkante 12 schließt in Strömungsrichtung 70 an das Mittelteil 11 an. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Hinterkante 12 wenigstens bereichsweise aus einem Formgedächtnismaterial ausgebildet.The deformable airfoil 10 of the stator blade 20 comprises a central part 11, a leading edge 14, and a trailing edge 12. The leading edge 14 adjoins the central part 11 upstream of the flow direction 70 when used as intended, and the trailing edge 12 adjoins the central part 11 in the flow direction 70. In the illustrated embodiment, the trailing edge 12 is formed at least in some regions from a shape memory material.

Alternativ könnte auch die Vorderkante 14 aus dem Formgedächtnismaterial ausgebildet sein.Alternatively, the front edge 14 could also be formed from the shape memory material.

Als Formgedächtnismaterial kann dabei vorteilhaft ein nickelreiches Formgedächtnismaterial mit den Hauptbestandteilen Ni, Ti, sowie Hf und/oder Zr, insbesondere mit einer nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20 eingesetzt werden.As a shape memory material, a nickel-rich shape memory material with the main components Ni, Ti, as well as Hf and/or Zr, in particular with a nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x with 0≤x≤20 can be used advantageously.

Das Schaufelblatt 10 kann günstigerweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein.The blade 10 can advantageously be manufactured by means of an additive manufacturing process.

Der gestrichelte Bereich der Hinterkante 12 kann sich aufgrund des Zweiweg-Formgedächtniseffekts senkrecht zur Zeichnungsebene bewegen, je nach Betriebstemperatur des Bauteils.The dashed area of the trailing edge 12 can move perpendicular to the drawing plane due to the two-way shape memory effect, depending on the operating temperature of the component.

Das Schaufelblatt 10 ist auf einem äußeren Umfang an einem äußeren Statorring 22 und auf einem inneren Umfang an einem inneren Statorring 24 befestigt. Der äußere Statorring 22 und der innere Statorring 24 können zur Gewichtsersparnis beispielsweise aus NiTi, Ti, Ni oder einem anderen geeignetem Material bestehen, da hier kein Formgedächtniseffekt - insbesondere nicht mit hoher Dauerbeständigkeit bei hohen Temperaturen - erforderlich ist.The blade 10 is attached to an outer stator ring 22 on an outer circumference and to an inner stator ring 24 on an inner circumference. The outer stator ring 22 and the inner stator ring 24 can be made of NiTi, Ti, Ni, or another suitable material to reduce weight, for example, since no shape memory effect—especially not with high fatigue strength at high temperatures—is required here.

Im Querschnitt kann die Statorschaufel 20 wie in 9 dargestellt ausgebildet sein. Der markierte Bereich der Hinterkante 12 kann sich in dieser Darstellung nach oben oder nach unten bewegen, je nach Betriebstemperatur des Bauteils.In cross section, the stator blade 20 can be as in 9 The marked area of the trailing edge 12 can move upwards or downwards in this illustration, depending on the operating temperature of the component.

Die Hinterkante 12 kann so abhängig von einer Betriebstemperatur der Hinterkante 12 jeweils wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei gegenüber einem Ausgangszustand 40 ausgelenkte Zustände 42, 44 der Hinterkante 12 und/oder Vorderkante 14 aufweisen, wie in 6 dargestellt. Die zwei ausgelenkten Zustände 42, 44 der Hinterkante 12 können mittels eines Werkzeugs 60 nach der Fertigung konditioniert werden.The trailing edge 12 can thus have at least one, in particular at least two, deflected states 42, 44 of the trailing edge 12 and/or leading edge 14 relative to an initial state 40, as shown in 6 The two deflected states 42, 44 of the trailing edge 12 can be conditioned by means of a tool 60 after production.

Zur Erhöhung der Verformbarkeit sowie zur Gewichtsreduktion kann dieser Bereich diverse Hohlräume aufweisen, die sich sowohl in der Zeichnungsebene der Figur als auch senkrecht dazu ausdehnen. Die Hohlräume können mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt im Profil des Schaufelblatts 10 ausgebildet sein.To increase deformability and reduce weight, this area can have various cavities extending both in the plane of the drawing and perpendicular to it. The cavities can be formed with a circular or elliptical cross-section in the profile of the blade 10.

Der Mittelteil 11 des Schaufelblatts 10 kann zur Gewichtsersparnis ebenfalls Hohlräume aufweisen, die sich sowohl in der Zeichnungsebene der 9 als auch senkrecht dazu ausdehnen.The middle part 11 of the blade 10 can also have cavities to save weight, which are located both in the plane of the drawing of the 9 as well as perpendicular to it.

In 10 ist ein Ausschnitt einer isometrischen Darstellung eines Rotors 130 einer Turbokomponente 50, 51, 52, 54 dargestellt. Die Rotorschaufeln 30 sind an einem Schaufelfuß 32 angeordnet und erstrecken sich in radialer Richtung nach außen. Der Rotor 130 kann beispielsweise einstückig ausgebildet sind. Eine Rotorschaufel 30 ist beispielhaft mit Bezugszeichen versehen. Die Anströmrichtung 70 ist eingezeichnet.In 10 A section of an isometric view of a rotor 130 of a turbo component 50, 51, 52, 54 is shown. The rotor blades 30 are arranged on a blade root 32 and extend radially outward. The rotor 130 can, for example, be formed in one piece. A rotor blade 30 is provided with reference numerals as an example. The flow direction 70 is indicated.

In 11 ist eine Rotorschaufel 30 einer Turbokomponente 50, 51, 52, 54 einer Turbomaschine 100 mit einer verformbaren Hinterkante 12 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht dargestellt.In 11 a rotor blade 30 of a turbo component 50, 51, 52, 54 of a turbomachine 100 with a deformable trailing edge 12 according to an embodiment of the invention is shown in a plan view.

Der gestrichelte Bereich der Hinterkante 12 kann sich aufgrund des Zweiweg-Formgedächtniseffekts senkrecht zur Zeichnungsebene bewegen, je nach Betriebstemperatur des Bauteils.The dashed area of the trailing edge 12 can move perpendicular to the drawing plane due to the two-way shape memory effect, depending on the operating temperature of the component.

Der Schaufelfuß 32 stellt die Verbindung des Schaufelblatts 10 mit der Rotorscheibe her. Der Schaufelfuß 32 kann zur Gewichtsersparnis aus NiTi, Ti, Ni oder einem anderen geeigneten Material bestehen, da hier kein Formgedächtniseffekt - insbesondere nicht mit hoher Dauerbeständigkeit bei hohen Temperaturen - erforderlich ist.The blade root 32 connects the blade 10 to the rotor disk. The blade root 32 can be made of NiTi, Ti, Ni, or another suitable material to reduce weight, since no shape memory effect—especially not with high fatigue strength at high temperatures—is required.

Der Mittelteil 11 des Schaufelblatts 10 kann sich möglicherweise entgegengesetzt zu der Hinterkante 12 senkrecht zur Zeichnungsebene bewegen, je nach Temperatur des Bauteils. Diese Bewegungen sind aufgrund der geringeren Verformbarkeit in diesem Bereich geringer als die Bewegungen der Hinterkante 12.The center section 11 of the blade 10 may move perpendicular to the plane of the drawing, opposite to the trailing edge 12, depending on the component's temperature. These movements are smaller than the movements of the trailing edge 12 due to the lower deformability in this area.

Im Querschnitt kann die Rotorschaufel 30 wie in 12 dargestellt ausgebildet sein. Der markierte Bereich der Hinterkante 12 kann sich in dieser Darstellung nach oben oder nach unten bewegen, je nach Betriebstemperatur des Bauteils. Zur Erhöhung der Verformbarkeit sowie zur Gewichtsreduktion kann dieser Bereich diverse Hohlräume aufweisen, die sich sowohl in der Zeichnungsebene der 12 als auch senkrecht dazu ausdehnen.In cross section, the rotor blade 30 can be as in 12 The marked area of the rear edge 12 can move upwards or downwards in this illustration, depending on the operating temperature of the component. To increase the formability and to reduce weight, this area can have various cavities, which are located both in the drawing plane of the 12 as well as perpendicular to it.

Der Mittelteil 11 der Rotorschaufel 30 kann sich möglicherweise entgegengesetzt zu der Hinterkante 12 in der Zeichnungsebene in 12 nach unten oder nach oben bewegen, je nach Temperatur des Bauteils. Zur Erhöhung der Verformbarkeit sowie zur Gewichtsersparnis kann dieser Bereich Hohlräume enthalten, die sich sowohl in der Zeichnungsebene dieser Abbildung als auch senkrecht dazu ausdehnen.The central part 11 of the rotor blade 30 may possibly be opposite to the trailing edge 12 in the plane of the drawing in 12 Move downwards or upwards, depending on the component's temperature. To increase formability and reduce weight, this area can contain cavities that extend both in the plane of this figure and perpendicular to it.

BezugszeichenReference symbol

1010
Schaufelblattblade
1111
MittelteilMiddle part
1212
Hinterkantetrailing edge
1414
Vorderkanteleading edge
1616
Saugseitesuction side
1818
DruckseitePrint page
2020
StatorschaufelStator blade
2222
äußerer Statorringouter stator ring
2424
innerer Statorringinner stator ring
3030
Rotorschaufelrotor blade
3232
SchaufelfußBlade foot
4040
AusgangszustandInitial state
4242
ausgelenkter Zustanddeflected state
4444
ausgelenkter Zustanddeflected state
5050
Turbokomponente, FanTurbo component, fan
5151
Turbokomponente, VerdichterTurbo component, compressor
5252
Turbokomponente, TurbineTurbo component, turbine
5454
Turbokomponente, TurbineTurbo component, turbine
5656
Brennkammercombustion chamber
5757
Nebenstromkanalbypass channel
6060
WerkzeugTool
6262
Einspannung SaugseiteClamping suction side
6464
Einspannung DruckseiteClamping pressure side
6666
AusgangstemperaturInitial temperature
6868
Endtemperatur der KonditionierungFinal temperature of conditioning
7070
StrömungsrichtungFlow direction
7272
StrömungsrichtungFlow direction
7474
StrömungsrichtungFlow direction
7676
StrömungsrichtungFlow direction
8080
Temperaturtemperature
8282
Martensit-AnfangstemperaturMartensite onset temperature
8484
Martensit-EndtemperaturMartensite final temperature
8686
Austenit-AnfangstemperaturAustenite initial temperature
8888
Austenit-EndtemperaturAustenite final temperature
9090
SpannungTension
9292
ZyklisierungCyclization
9494
MartensitphaseMartensite phase
9696
AustenitphaseAustenite phase
100100
TurbomaschineTurbomachine
110110
TriebwerksachseEngine axis
120120
Statorstator
130130
Rotorrotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2023/0160307 A1 [0010]US 2023/0160307 A1 [0010]
  • US 8,657,561 B2 [0011]US 8,657,561 B2 [0011]
  • US 11,549,383 B2 [0012]US 11,549,383 B2 [0012]

Claims (23)

Verfahren zum Herstellen eines verformbaren Schaufelblatts (10) einer Turbomaschine (100), insbesondere einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, wenigstens umfassend - Optimieren eines geometrischen Profils einer Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) einer wenigstens in einem oder mehreren Bereichen ein Formgedächtnismaterial aufweisenden Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) eines Schaufelblatts (10) einer ausgewählten Turbokomponente (50, 51, 52, 54) für wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei gegenüber einem Ausgangszustand (40) des Schaufelblatts (10) ausgelenkten Zustände (42, 44), deren Betriebstemperaturen und/oder mechanische Lasten unter realen Betriebsbedingungen wenigstens bereichsweise an der Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials liegen; - Fertigen des Schaufelblatts (10) in dem Ausgangszustand (40), wobei die Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) wenigstens bereichsweise aus dem vorgegebenen Formgedächtnismaterial gefertigt wird; - Konditionieren des Schaufelblatts (10) für den wenigstens einen, insbesondere die wenigstens zwei ausgelenkten Zustände (42, 44).A method for producing a deformable blade (10) of a turbomachine (100), in particular a gas turbine or a steam turbine, at least comprising: - optimizing a geometric profile of a trailing edge (12) and/or leading edge (14) of a blade (10) of a selected turbo component (50, 51, 52, 54) comprising a shape memory material at least in one or more regions for at least one, in particular at least two, deflected states (42, 44) relative to an initial state (40) of the blade (10), whose operating temperatures and/or mechanical loads under real operating conditions are at least partially within a permissible operating range of a predetermined shape memory material at the trailing edge (12) and/or leading edge (14); - Manufacturing the blade (10) in the initial state (40), wherein the trailing edge (12) and/or leading edge (14) is manufactured at least partially from the predetermined shape memory material; - Conditioning the blade (10) for the at least one, in particular the at least two deflected states (42, 44). Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Auswählen wenigstens einer Turbokomponente (50, 51, 52, 54) nach wenigstens einem der Kriterien erfolgt: - eine maximale Betriebstemperatur des Schaufelblatts (10) der Turbokomponente (50, 51, 52, 54) unter realen Betriebsbedingungen ist kleiner als eine Endtemperatur (68) der Konditionierung; - es existieren Betriebspunkte, bei denen die Betriebstemperatur des Schaufelblatts (10) größer als eine Austenit-Endtemperatur (88) ist; - es existieren Betriebspunkte, bei denen die Betriebstemperatur des Schaufelblatts (10) kleiner als eine Martensit-Endtemperatur (84) des Formgedächtnismaterials ist.Procedure according to Claim 1 , wherein at least one turbo component (50, 51, 52, 54) is selected according to at least one of the following criteria: - a maximum operating temperature of the blade (10) of the turbo component (50, 51, 52, 54) under real operating conditions is less than a final conditioning temperature (68); - there are operating points at which the operating temperature of the blade (10) is greater than an austenite final temperature (88); - there are operating points at which the operating temperature of the blade (10) is less than a martensite final temperature (84) of the shape memory material. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Optimieren des geometrischen Profils der Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) für den wenigstens einen, insbesondere die wenigstens zwei ausgelenkten Zustände (42, 44) iterativ durchgeführt wird, bis ein Abbruchkriterium der Iteration erreicht ist.Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the optimization of the geometric profile of the trailing edge (12) and/or leading edge (14) for the at least one, in particular the at least two deflected states (42, 44) is carried out iteratively until a termination criterion of the iteration is reached. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Optimieren des geometrischen Profils der Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) des Schaufelblatts (10) unter einer Bedingung erfolgt, dass mit dem wenigstens einen, insbesondere den wenigstens zwei ausgelenkten Zuständen (42, 44) weniger als ein vorgegebener Grenzwert, insbesondere weniger als 5%, einer zusätzlichen lokalen Dehnung erzeugt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the optimization of the geometric profile of the trailing edge (12) and/or leading edge (14) of the blade (10) takes place under a condition that with the at least one, in particular the at least two deflected states (42, 44), less than a predetermined limit value, in particular less than 5%, of an additional local strain is generated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Hohlräume im Profil des Schaufelblatts (10), insbesondere Hohlräume mit einem glatt berandeten, insbesondere einem kreisförmigen oder elliptischen oder ovalen, Querschnitt im Profil des Schaufelblatts (10), vorgesehen werden.Method according to one of the preceding claims, wherein cavities are provided in the profile of the blade (10), in particular cavities with a smoothly edged, in particular a circular or elliptical or oval, cross-section in the profile of the blade (10). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein nickelreiches Formgedächtnismaterial mit den Hauptbestandteilen Ni, Ti, sowie Hf und/oder Zr gewählt wird, insbesondere mit einer nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20.Method according to one of the preceding claims, wherein a nickel-rich shape memory material with the main components Ni, Ti, and Hf and/or Zr is selected, in particular with a nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x with 0≤x≤20. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die materielle Zusammensetzung des Formgedächtnismaterials so gewählt wird, dass der Anteil x möglichst groß ist.Procedure according to Claim 6 , whereby the material composition of the shape memory material is chosen so that the proportion x is as large as possible. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaufelblatt (10) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the blade (10) is manufactured by means of an additive manufacturing process. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausgangszustand (40) des Schaufelblatts (10) so angepasst wird, dass nach der Konditionierung bei den entsprechenden Temperaturen die Vorderkante (14) und/oder Hinterkante (12) des Schaufelblatts (10) den wenigstens einen, insbesondere die beiden ausgelenkten Zustände (42, 44) einnimmt.Method according to one of the preceding claims, wherein the initial state (40) of the blade (10) is adapted such that after conditioning at the corresponding temperatures, the leading edge (14) and/or trailing edge (12) of the blade (10) assumes at least one, in particular the two deflected states (42, 44). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konditionierung des Schaufelblatts (10) wenigstens die Schritte umfasst: - Einspannen des Schaufelblatts (10) in seinem Ausgangszustand (40) auf Saugseite (16) und Druckseite (18); - Anlegen eines Werkzeugs (60) von der Saugseite (16) oder der Druckseite (18) des Schaufelblatts (10); - Durchführen einer Temperaturbehandlung durch Erhöhen einer Temperatur des Schaufelblatts (10) von einer Ausgangstemperatur (66) niedriger als eine Martensit-Endtemperatur (84) auf eine Endtemperatur (68) höher als eine Austenit-Endtemperatur des Formgedächtnismaterials, gefolgt von einem Absenken der Temperatur auf die Ausgangstemperatur (66); - Mehrmaliges zyklisches Durchführen der Temperaturbehandlung.Method according to one of the preceding claims, wherein the conditioning of the airfoil (10) comprises at least the following steps: - clamping the airfoil (10) in its initial state (40) on the suction side (16) and the pressure side (18); - applying a tool (60) from the suction side (16) or the pressure side (18) of the airfoil (10); - performing a temperature treatment by increasing a temperature of the airfoil (10) from an initial temperature (66) lower than a martensite final temperature (84) to a final temperature (68) higher than an austenite final temperature of the shape memory material, followed by lowering the temperature to the initial temperature (66); - cyclically performing the temperature treatment several times. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine aufgewendete Kraft und/oder eine erzeugte Deformation des Schaufelblatts (10) überwacht werden.Procedure according to Claim 10 , wherein an applied force and/or a generated deformation of the blade (10) are monitored. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Werkzeug (60) während der Temperaturbehandlung geregelt an die Saugseite (16) oder Druckseite (18) des Schaufelblatts (10) nachgeführt wird.Procedure according to Claim 10 or 11 , wherein the tool (60) is guided in a controlled manner to the suction side (16) or pressure side (18) of the blade (10) during the temperature treatment. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen von Betriebstemperaturen und/oder mechanischen Lasten der Schaufelblätter (10) der Turbokomponenten (50, 51, 52, 54) in der Simulation für reale Betriebsbedingungen gemittelte Betriebstemperaturen der Schaufelblätter (10) bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein, in order to determine operating temperatures and/or mechanical loads of the blades (10) of the turbo components (50, 51, 52, 54), averaged operating temperatures of the blades (10) are determined in the simulation for real operating conditions. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaufelblatt (10) eine Statorschaufel (20) oder eine Rotorschaufel (30) der Turbokomponente (50, 51, 52, 54) ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the blade (10) is a stator blade (20) or a rotor blade (30) of the turbo component (50, 51, 52, 54). Verformbares Schaufelblatt (10) einer Turbokomponente (50, 51, 52, 54) einer Turbomaschine (100), insbesondere einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenigstens umfassend einen Mittelteil (11), eine Vorderkante (14) und eine Hinterkante (12), wobei die Vorderkante (14) stromauf einer Strömungsrichtung (70) bei bestimmungsgemäßem Einsatz an das Mittelteil (11) anschließt und die Hinterkante (12) in Strömungsrichtung (70) an das Mittelteil (11) anschließt, wobei die Vorderkante (14) und/oder die Hinterkante (12) wenigstens bereichsweise aus einem Formgedächtnismaterial ausgebildet sind.Deformable blade (10) of a turbo component (50, 51, 52, 54) of a turbomachine (100), in particular a gas turbine or a steam turbine, produced by a method according to one of the preceding claims, at least comprising a central part (11), a leading edge (14) and a trailing edge (12), wherein the leading edge (14) adjoins the central part (11) upstream of a flow direction (70) when used as intended and the trailing edge (12) adjoins the central part (11) in the flow direction (70), wherein the leading edge (14) and/or the trailing edge (12) are formed at least in regions from a shape memory material. Verformbares Schaufelblatt nach Anspruch 15, wobei das Formgedächtnismaterial nickelreich mit den Hauptbestandteilen Ni, Ti, sowie Hf und/oder Zr ist, insbesondere mit einer nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20.Deformable blade according to Claim 15 , wherein the shape memory material is nickel-rich with the main components Ni, Ti, as well as Hf and/or Zr, in particular with a nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x with 0≤x≤20. Verformbares Schaufelblatt nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) abhängig von einer Betriebstemperatur der Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) jeweils wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei gegenüber einem Ausgangszustand (40) ausgelenkte Zustände (42, 44) der Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) aufweisen, insbesondere wobei der wenigstens eine, insbesondere die wenigstens zwei ausgelenkten Zustände (42, 44) der Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) mittels eines Werkzeugs (60) nach der Fertigung konditioniert sind.Deformable blade according to Claim 15 or 16 , wherein the trailing edge (12) and/or leading edge (14) each have at least one, in particular at least two, deflected states (42, 44) of the trailing edge (12) and/or leading edge (14) relative to an initial state (40), depending on an operating temperature of the trailing edge (12) and/or leading edge (14), in particular wherein the at least one, in particular the at least two deflected states (42, 44) of the trailing edge (12) and/or leading edge (14) are conditioned by means of a tool (60) after production. Verformbares Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei Hohlräume im Profil des Schaufelblatts (10), insbesondere Hohlräume mit einem glatt berandeten, insbesondere einem kreisförmigen oder elliptischen oder ovalen Querschnitt im Profil des Schaufelblatts (10), ausgebildet sind.Deformable blade according to one of the Claims 15 until 17 , wherein cavities are formed in the profile of the blade (10), in particular cavities with a smooth edge, in particular a circular or elliptical or oval cross-section in the profile of the blade (10). Verformbares Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 15 bis 18, welches mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist.Deformable blade according to one of the Claims 15 until 18 , which is manufactured using an additive manufacturing process. Verformbares Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei das Schaufelblatt (10) eine Statorschaufel (20) oder eine Rotorschaufel (30) der Turbokomponente (50, 51, 52, 54) ist.Deformable blade according to one of the Claims 15 until 19 , wherein the blade (10) is a stator blade (20) or a rotor blade (30) of the turbo component (50, 51, 52, 54). Turbomaschine (100) mit wenigstens einem verformbaren Schaufelblatt (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wenigstens umfassend eine Turbokomponente (50, 51, 52, 54) mit dem wenigstens einen Schaufelblatt (10), welches nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist.Turbomachine (100) with at least one deformable blade (10) according to one of the Claims 15 until 20 , at least comprising a turbo component (50, 51, 52, 54) with the at least one blade (10) which is produced according to the method according to one of the Claims 1 until 14 is manufactured. Verwendung eines nickelreichen Materials mit den Hauptbestandteilen Ni, Ti, sowie Hf und/oder Zr, insbesondere mit einer nominellen Zusammensetzung Ni50.3Ti29.7Hf20-xZrx mit 0≤x≤20, als Formgedächtnismaterial für ein verformbares Schaufelblatt (10) einer Turbokomponente (50, 51, 52, 54) einer Turbomaschine (100), insbesondere in Bereichen einer Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) des verformbaren Schaufelblatts (10).Use of a nickel-rich material with the main components Ni, Ti, and Hf and/or Zr, in particular with a nominal composition Ni 50.3 Ti 29.7 Hf 20-x Zr x with 0≤x≤20, as a shape memory material for a deformable blade (10) of a turbo component (50, 51, 52, 54) of a turbomachine (100), in particular in regions of a trailing edge (12) and/or leading edge (14) of the deformable blade (10). Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, Schritte eines Verfahrens zum Herstellen von verformbaren Schaufelblättern (10) einer Turbomaschine (100), insbesondere einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, durchzuführen, wenigstens umfassend - Optimieren eines geometrischen Profils einer Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) einer wenigstens in einem oder mehreren Bereichen ein Formgedächtnismaterial aufweisenden Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) eines Schaufelblatts (10) einer Turbokomponente (50, 51, 52, 54) für wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei gegenüber einem Ausgangszustand (40) des Schaufelblatts (10) ausgelenkten Zustände (42, 44), deren Betriebstemperaturen und/oder mechanische Lasten unter realen Betriebsbedingungen wenigstens bereichsweise an der Hinterkante (12) und/oder Vorderkante (14) innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs eines vorgegebenen Formgedächtnismaterials liegen.A computer program product comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to perform steps of a method for producing deformable blades (10) of a turbomachine (100), in particular a gas turbine or a steam turbine, at least comprising: - optimizing a geometric profile of a trailing edge (12) and/or leading edge (14) of a blade (10) of a turbo component (50, 51, 52, 54) comprising a shape memory material in at least one or more regions for at least one, in particular at least two, deflected states (42, 44) relative to an initial state (40) of the blade (10), the operating temperatures and/or mechanical loads of which, under real operating conditions, lie at least partially at the trailing edge (12) and/or leading edge (14) within a permissible operating range of a predetermined shape memory material.
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