ROTOR FOR A TURBOMACHINE, AND METHOD FOR THE PRODUCTION OF SUCH A ROTOR

Rotor für eine Turbomaschine und Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Turbomaschine, insbesondere für eine Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Nach dem Stand der Technik unterscheidet man prinzipiell zwei Arten von Rotoren für eine Turbomaschine, nämlich sogenannte integral beschaufelte Rotoren von solchen Rotoren, bei welchen die Laufschaufeln über Schaufelfüße in den Rotor eingesetzt sind. Die hier vorliegende Erfindung betrifft integral beschaufelte Rotoren. Die integral beschaufelten Rotoren werden abhängig davon, ob ein scheibenförmiger oder ein ringförmiger Rotorgrundkörper vorliegt, entweder als Biisk (Bladed Disk) oder als Bling (BJaded Ring) bezeichnet. Bei solchen integral beschaufelten Rotoren sind die Laufschaufeln fest mit dem ringförmigen oder scheibenförmigen Rotorgrundkörper verbunden und demnach integraler Bestandteil des Rotorgrundkörpers.

Moderne Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen wie Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Um die obigen Anforderungen an eine Gasturbine, insbesondere ein optimiertes Gewicht derselben, zu erzielen, muss insbesondere auch der Rotor im Hinblick auf die obigen Anforderungen optimiert werden. Hierbei spielt unter anderem die Werkstoffauswahl sowie die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen eine entscheidende Rolle. Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, zur Gewichtsoptimierung als Werkstoff für einen Rotor einer Gasturbine sogenannte faserverstärkte Verbundwerkstoffe zu verwenden. Derartige Verbundwerkstoffe verfügen über ein Trägermaterial, welches als eine Metallmatrix ausgebildet ist, sowie über in das Trägermaterial eingebettete Fasern. Einen derartigen Verbundwerkstoff bezeichnet man auch als Metallmatrix- Verbundwerkstoff - kurz MMC. Bei hochfesten M MC-Werkstoffen, bei denen Titan als Trägermaterial zum Einsatz kommt, kann das Gewicht von Bauteilen um bis zu 50 % gegenüber herkömmlichen Titanlegierungen reduziert werden. Als Verstärkungen werden Fasern mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul, zum Beispiel SiC-Fasern, verwendet.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten, integral beschaufelten Rotoren in MMC- Bauweise sind die Faserverstärkungen in Form eines oder mehrerer relativ dünnwandiger, zylindrischer Ringe in ein Bauteil mit Laufschaufeln eingebracht. Dies erfolgt nach dem Stand der Technik dadurch, dass zuerst die Ringe separat gewickelt und in einem Füge- prozess zu einem faserverstärkten M MC-Werkstoff verdichtet und verschweißt werden. Diese Ringe werden bearbeitet, zusammengesteckt und wiederum durch einen Füge- prozess untereinander sowie mit dem zu tragenden, die Laufschaufeln aufweisenden Bauteil verbunden. Eine derartige Ausgestaltung eines integral beschaufelten Rotors in MMC- Bauweise verfügt über den Nachteil, dass zwischen den Laufschaufeln und den MMC- Ringen Fügezonen ausgebildet sind. Diese Fügezonen verfügen über eine relativ geringe Festigkeit, weshalb nur beschränkte Zentrifugalkräfte aufgenommen werden können. Fügezonen stellen immer potentielle Fehlstellen dar, die sich mithilfe der verfügbaren, zerstörungsfreien Prüfverfahren nicht immer ausreichend detektieren lassen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass das Herstellverfahren für derartige, aus dem Stand der Technik bekannte, integral beschaufelte Rotoren in M MC-Bauweise aufwendig und kostspielig ist.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, einen neuartigen Rotor für eine Turbomaschine, insbesondere für eine Gasturbine, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben vorzuschlagen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass der eingangs genannte Rotor durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß ist der Rotorgrundkörper ringförmig ausgebildet, wobei der ringförmige Rotorgrundkörper in einem radial innenliegenden Abschnitt mindestens eine nutartige Ausnehmung aufweist, die von radial innen mit zugfesten Fasern befüllt ist. Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals ein integral beschaufelter Rotor in kombinierter Bling-Bauweise und MMC-Bauweise vorgeschlagen, der zwischen den Laufschaufeln und den MMC-Ringen keine Fügezone aufweist und demnach über verbesserte Festigkeitseigenschaften verfügt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines solchen integral beschaufelten Rotors ist im unabhängigen Patentanspruch 8 definiert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen stark schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotor nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt; und

Fig. 2 einen stark schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt.

Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor 10, wobei der Rotor 10 ein integral beschaufelter Rotor ist. Der Rotor 10 wird von einem ringförmigen Rotorgrundkörper 1 1 gebildet, wobei der Rotorgrundkörper 1 1 über einen radial innenliegenden Abschnitt 12 und einen radial außenliegenden Abschnitt 13 verfügt. Der radial außenliegende Abschnitt 13 dient der Bereitstellung mehrerer Laufschaufeln. Der radial innenliegende Abschnitt 12 ist aus einem MMC-Verbundwerkstoff hergestellt.

Wie bereits erwähnt, zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch den Rotor 10 bzw. den Rotorgrundkörper 1 1, wobei die Axialrichtung des Rotors 10 in Fig. 1 durch einen Pfeil 14 visua- lisiert ist. Die Radialrichtung des Rotors 10 ist durch einen Pfeil 15 gezeigt. Die Umfangs- richtung des Rotors 10 steht senkrecht auf der Axialrichtung 14 sowie der Radialrichtung 15.

Gemäß Fig. 1 sind in den Rotorgrundkörper 1 1, nämlich in den radial innenliegenden Abschnitt 12 desselben, nutartige Ausnehmungen 16 eingebracht. Die nutartigen Ausnehmungen 16 erstrecken sich beginnend von einer radial innenliegenden Mantelfläche 17 radial nach außen. Fig. 1 kann entnommen werden, dass die Ausnehmungen 16 in radialer Richtung (Pfeil 15) eine größere Abmessung aufweisen als in axialer Richtung (Pfeil 14). Mehrere Ausnehmungen 16 sind in Axialrichtung des Rotors 10 bzw. Rotorgrundkörpers 1 1 hintereinander positioniert, erstrecken sich ausschließlich im radial innenliegenden Abschnitt 12 des Rotorgrundkörpers 1 1 und enden mit Abstand zum radial außenliegenden Abschnitt 13 desselben. Wie ebenfalls Fig. 1 entnommen werden kann, verfügen die nutartigen Ausnehmungen 16 an einer radial außenliegenden Begrenzung 18 über ein abgerundetes oder bogenförmiges Profil bzw. eine abgerundete bzw. bogenförmige Kontur.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind die sich im Wesentlichen in radialer Richtung sowie in Umfangsrichtung erstreckenden, nutartigen Ausnehmungen 16 von radial innen mit zugfesten Fasern befüllt. Bei diesen zugfesten Fasern kann es sich zum Beispiel um Siliziumcarbidfasern handeln. Der Rotorgrundkörper 1 1 ist aus einem metallischen Matrixmaterial, insbesondere aus Titan, gebildet. Durch die Befüllung der Ausnehmungen 16 mit Fasern werden sogenannte MMC-Ringe geschaffen.

Wie Fig. 1 entnommen werden kann, sind die mit Fasern befüllten, nutartigen Ausnehmungen 16 an der radial innenliegenden Mantelfläche 17 bzw. am radial innenliegenden Ende derselben von mindestens einer zylindrischen Schale 19 aus Matrixmaterial begrenzt. Die zylindrische Schale 19 ist aus Fertigungsgründen erforderlich, nimmt jedoch keine Kräfte auf und kann daher in einem späteren Bearbeitungsschritt zumindest teilweise abgearbeitet werden.

Durch das oben beschriebene, erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip für einen integral beschaufelten Rotor 10 werden quer verlaufende, also in Axialrichtung sowie in Umfangsrichtung verlaufende Fügezonen zwischen den MMC-Ringen, die in den radial innenliegenden Abschnitt 12 eingebracht sind, und den Laufschaufeln, die vom radial außenliegenden Abschnitt 13 bereitgestellt werden, vermieden. Hierdurch lassen sich verbesserte Festigkeitseigenschaften für den integral beschaufelten Rotor 10 erzielen.

Zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten, integral beschaufelten Rotors 10 wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung so vorgegangen, dass in einem ersten Schritt ein ringförmiger Rotorgrundkörper 1 1 bereitgestellt wird, der über einen radial innenliegenden Abschnitt 12 sowie einen radial außenliegenden Abschnitt 13 verfügt, wobei der radial außenliegende Abschnitt 13 der Bereitstellung der Laufschaufeln dient. In den radial innenliegenden Abschnitt 12 werden sodann die nutartigen Ausnehmungen 16 eingebracht, nämlich in die radial innenliegende Mantelfläche 17 desselben. Die nutartigen Ausnehmungen 16 sind demnach am radial innenliegenden Ende offen und erstrecken sich in radialer Richtung in das metallische Matrixmaterial des radial innenliegenden Abschnitts 12 des Rotorgrundkörpers 1 1 hinein. Des weiteren sind die Ausnehmungen 16 in Umfangsrichtung als geschlossene ringförmige Nuten ausgeführt. Wie bereits erwähnt, werden die Ausnehmungen 16 derart in den radial innenliegenden Abschnitts 12 des Rotorgrundkörpers 1 1 eingebracht, dass die Ausnehmungen 16 radial außen mit Abstand zum radial außenliegenden Abschnitt 13 enden und an der entsprechenden Begrenzung 18 eine abgerundete bzw. eine bogenförmige Kontur aufweisen.

Die am radial innenliegenden Ende, also an der radial innenliegenden Mantelfläche 17 des Rotorgrundkörpers 1 1, offenen und nutförmigen Ausnehmungen 16 werden in einem nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens von radial innen mit zugfesten Fasern befüllt. Bei diesen zugfesten Fasern handelt es sich insbesondere um Siliziumcarbidfasern. Es können jedoch auch andere zugfeste Fasern Verwendung finden.

Nachdem die Ausnehmungen 16 mit zugfesten Fasern befüllt worden sind, wird in einem nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens der Rotorgrundkörper 1 1 aus dem metallischen Matrixmaterial zusammen mit den in den Ausnehmungen 16 des Rotorgrundkörpers 1 1 angeordneten, zugfesten Fasern durch Druckeinwirkung bei hoher Temperatur verdichtet. Hierzu wird zuerst der mit zugfesten Fasern befüllte Rotorgrundkörper im Vakuum positioniert, wobei im Vakuum die noch am radial innenliegenden Ende offenen, mit Fasern befüllten Ausnehmungen 16 durch mindestens eine zylindrische Schale 19 aus metallischem Matrixmaterial gasdicht verschlossen werden. Die so bereitgestellte, gasdichte Kapsel, wird dann durch heißisostatisches Pressen verdichtet. Hierdurch wird demnach lediglich eine Fügezone ausgebildet, nämlich im Bereich der radial innenliegenden Mantelfläche 17 des Rotorgrundkörpers 1 1. Fügezonen werden demnach in aus Festigkeitsgesichtspunkten unkritische Bereiche des Rotors 10 gelegt. Nach dem Verdichten werden im Bereich des radial außenliegenden, faserfreien Abschnitts 13 die Laufschaufeln durch insbesondere Fräsen herausgearbeitet. Es ist auch möglich, dass bereits zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens ein ringförmig ausgebildeter Rotorgrundkörper bereitgestellt wird, an dessen radial außenliegendem Abschnitt 13 die Laufschaufeln schon herausgearbeitet sind. In diesem Fall würde nach dem Verdichten des Rotorgrundkörpers lediglich eine Endbearbeitung der Laufschaufeln durchgeführt werden.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach ein integral beschaufelter Rotor in kombinierter Bling-Bauweise sowie MMC-Bauweise vorgeschlagen, der keine querverlaufenden Fügezonen zwischen den Laufschaufeln und den MMC-Verstärkungsringen aufweist. Dies ist aus Festigkeitsgründen besonders vorteilhaft.

Bedingt durch die bogenförmige Kontur der Ausnehmungen 16 an deren radial außenliegender Begrenzung 18 lassen sich Übergänge zwischen den MMC-Ringen und dem metallischen Matrixmaterial festigkeitsoptimiert gestalten. Festigkeitssprünge am Übergang von den MMC-Ringen zum Matrixmaterial werden demnach gemindert.

Durch die in radialer Richtung größeren Abmessungen der Ausnehmungen 16 als in axialer Richtung derselben werden Querschnitte der M MC-Verstärkungsringe so ausgelegt, dass die Verstärkungskraft vorwiegend über Schubkräfte übertragen wird.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 entspricht. Daher werden zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugziffern verwendet. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 lediglich durch die Querschnittsgestaltung der Ausnehmungen 16. Verlaufen beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die axial voneinander beabstandeten Begrenzungswände der Ausnehmungen 16 im Wesentlichen parallel zueinander, so schließen beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 diese Wände einen Winkel ein, derart, dass sich die Ausnehmungen 16 in radialer Richtung nach außen hin verjüngen, also im Querschnitt eine konische Kontur aufweisen. Dies resultiert dann nach Befüllung der Ausnehmung mit den zugfesten Faser in sich in radialer Richtung nach außen hin konisch zulaufende MMC-Ringe, wodurch die Festigkeitseigenschaften des Rotors nochmals verbessert werden können.

Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, dass im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ein integral beschaufelter Rotor in Bling-Bauweise vorgeschlagen wird, der keine fes- tigkeitsreduzierenden, in Axialrichtung bzw. in Umfangsrichtung verlaufenden Fügzonen zwischen den Laufschaufeln und den MMC-Verstärkungsringen aufweist. Der erfindungsgemäße, integral beschaufelte Rotor in Bling-Bauweise besteht aus einem ringförmigen Rotorgrundkörper, der in einem radial außenliegenden Abschnitt über einen Schaufelkranz bildende Laufschaufeln verfügt oder im radial außenliegenden Abschnitt über einen ausreichend großen Querschnitt verfügt, sodass die Laufschaufeln des Schaufelkranzes herausgearbeitet werden können. In einem radial innenliegenden Abschnitt des Rotorgrundkörpers sind die MMC-Verstärkungsringe angeordnet, wobei diese MMC-Verstärkungsringe dadurch hergestellt werden, dass nutartige Ausnehmungen von innen her mit zugfesten Fasern befüllt werden. Die Ausnehmungen sind demnach radial nach innen offen und werden nach dem Befüllen von mindestens einer zylindrischen Schale gasdicht verschlossen, um anschließend bei hohen Temperaturen unter Druckeinwirkung verdichtet zu werden. Auf diese Art und Weise ergibt sich eine besonders einfache Herstellung eines MMC- Blings.