BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Strömungs- Struktur mit einem Grundkörper und einem Schaufelblatt.

Stand der Technik

Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantel Stromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten B rennkam - mer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mi schung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Dabei entzieht die Turbine dem Heißgas anteilig auch Ener gie, um den Verdichter und im Falle des Mantel Stromtriebwerks den Fan anzutrei ben. Zusätzlich zur Durchströmung des Gaskanals gibt es ein sogenanntes Sekundärluft system, das bspw. der Bereitstellung von Kühlluft dienen, aber auch weitergehende Aufgaben übernehmen kann. Einabhängig von der Funktion im Einzelnen ergeben sich damit radial inner- und/oder außerhalb des Gaskanals Fluidpfade, wobei die vorliegende Strömungs Struktur insbesondere in diesem Sekundärluftsystem Anwen- düng finden kann. Dies soll ein besonders vorteilhaftes Einsatzgebiet illustrieren, den Gegenstand aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen einer Strömungs Struktur für eine Strömungsmaschine an zugeben. Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei wird das Schaufelblatt durch Fügen an dem Grundkörper befestigt, wobei es während des Fügens in einem ersten Abschnitt gegriffen, also gehalten wird. Dieser erste Ab schnitt liegt an jenem Ende des Schaufelblatts, an dem die Fügeverbindung herge- stellt wird („erstes Ende“), also dem dem Grundkörper zugewandten Ende. In einem dem ersten Ende distalen (vom Grundkörper abgewandten) Abschnitt hat das Schau felblatt, bezogen auf einen Umlauf um seine Längsachse, eine hohlzylindrische Form (Hohlprofil) mit einer Wanddicke dhohi, was sich bspw. über die Anwendung, also strömungstechnisch motiviert. Es kann sich dabei um ein geschlossenes Hohlprofil oder um ein in Umlaufrichtung offenes Hohlprofil handeln. Am ersten Ende in dem ersten Abschnitt ist das Schaufelblatt hingegen entweder als Vollkörper oder im Falle einer hohlzylindrischen Ausgestaltung zumindest mit einer Wanddicke di ausgeführt, die größer als dhohi ist.

Mit dieser Ausgestaltung kann bspw. die mechanische Stabilität des Schaufelblatts am ersten Ende erhöht sein, kann es also beim Fügen zuverlässig gehalten werden. Das Schaufelblatt lässt sich z. B. gut in ein Haltewerkzeug einspannen. Zudem kann, etwa im Vergleich zu einem Schaufelblatt, das über seine gesamte Länge hohlzylind risch mit der Wanddicke dhohi ist, eine Wechselwirkungsfläche beim Fügen an den Grundkörper größer sein. Im Falle eines bevorzugten Schweißverbindens kann also bspw. die Verbindungs- bzw. Schweißfläche größer sein und können damit bspw. je nach Schweißverfahren die notwendigen Reib- bzw. Stauchkräfte erhöht werden.

Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in der gesamten Offenbarung und insbe sondere in den abhängigen Ansprüchen, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Verfahrens- und Vorrichtungs- bzw. Verwen- dungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung stets hin sichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.

Generell kann das Fügeverbinden von Schaufel und Grundkörper verglichen mit ei ner Herstellung aus dem Vollen bspw. dahingehend von Vorteil sein, dass bei letzte rer aufgrund der dünnwandigen Struktur des Schaufelblatts das abzutragende Volu- men um ein Vielfaches größer als das Volumen des endbearbeiteten Bauteils wäre. Dies würde lange Bearbeitungszeiten und auch einen hohen Werkzeugverschleiß bedeuten, zumal die fraglichen Materialien in der Regel vergleichsweise hart sind (siehe unten im Detail). Deshalb wird erfmdungsgemäß gefügt und ist das Schaufel blatt daraufhin geometrisch optimiert. Die Wanddicke di kann bspw. mindestens das 2-Fache, 4-Fache, 6-Fache, 8-Fache oder 10-Fache der Wanddicke dhohi ausmachen (mit theoretischen Obergrenzen bei z. B. dem 500-, 300- oder 100-Fachen).

Die „hohlzylindrische Form“ des Schaufelblatts ist bevorzugt die Form eines im Schnitt kreisförmigen Hohlzylinders (im Allgemeinen ist aber bspw. auch eine Ab weichung von der Kreisform denkbar, etwa ein ellipsenförmiger Querschnitt). Die hohlzylindrische Form liegt zumindest in einem „Segment“ vor, also bezogen auf eine Längsachse des Schaufelblatts zumindest in einem Abschnitt des Umlaufs um diese Längsachse. In dem anderen Segment ist das Schaufelblatt dann jedenfalls in der fertig hergestellten Um strömungs Struktur geöffnet, liegt dort also kein Schaufel blattmaterial vor. Dabei kann das Schaufelblatt diese offene, z. B. halbzylindrische Form im distalen Abschnitt bereits während des Fügens haben, es kann aber anderer seits auch als geschlossener Hohlzylinder an den Grundkörper gefügt und anschlie ßend geöffnet werden.

Bei der fertig hergestellten Struktur kann das Schaufelblatt in dem ersten und dem distalen Abschnitt bevorzugt den gleichen Außendurchmesser haben, besonders be- vorzugt kann dies auch bereits während des Fügens der Fall sein. Generell muss das

Schaufelblatt in einem jeweilig betrachteten Abschnitt nicht zwingend eine konstante Wanddicke haben, sondern kann diese auch innerhalb eines Abschnitts unterschiedli che Werte annehmen. Für die Wanddickenbetrachtungen und -vergleiche wird dann ein über den entsprechenden Abschnitt gebildeter Mittelwert der Wanddicke zugrun- de gelegt wird, wird also dhohi oder di (oder auch d2, siehe unten) durch Mittelung gebildet. Bevorzugt ist die Wanddicke in einem jeweiligen Abschnitt jedoch kon stant.

Der Grundkörper hat vorzugsweise eine Ringform, deren Ringachse dann besonders bevorzugt mit der Längs- bzw. Rotationsachse der Strömungsmaschine zusammen- fällt und gewinkelt, insbesondere senkrecht zur Längsachse des Schaufelblatts liegt. Bezogen auf die Ringachse können umlaufend verteilt eine Mehrzahl Schaufelblätter an den Grundkörper gefügt sein, siehe unten im Detail. Bevorzugt erstreckt sich das bzw. erstrecken sich die Schaufelblätter, bezogen auf die Ringachse, von dem Grundkörper weg nach radial außen. In anderen Worten ist das Schaufelblatt bzw. sind die Schaufelblätter bevorzugt an einer Außenmantelfläche des Rings angeord net.

Unabhängig von diesen Details wird das Schaufelblatt in bevorzugter Ausgestaltung materialabtragend bearbeitet, nachdem es an den Grundkörper gefügt wurde. Dies kann im Allgemeinen bspw. auch elektrochemisch erfolgen, bevorzugt ist eine me- chanische Materialbearbeitung, insbesondere spanende Materialbearbeitung, etwa durch Bohren oder Fräsen.

Im Falle des Schaufelblatts, das während des Fügens in dem ersten Abschnitt als Vollkörper (Vollzylinder) ausgeführt ist, kann mit der materialabtragenden Bearbei tung eine hohlzylindrische Form geschaffen werden. Im Falle des im ersten Ab schnitt bereits beim Fügen hohlzylindrischen Schaufelblatts kann mit der Bearbei tung ein Innendurchmesser im ersten Abschnitt erweitert werden. Mit der materialab tragenden Bearbeitung wird bevorzugt ein Kanal zwischen der zumindest segment weise hohlzylindrischen Form des Schaufelblatts im distalen Abschnitt und einem Raum radial innerhalb des ringförmigen Grundkörpers geschaffen oder erweitert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Schaufelblatt nach der material abtragenden Bearbeitung in dem ersten Abschnitt eine Wanddicke d2, die im Wesent lichen gleich der Wanddicke dhohi ist. Die Wanddicken können also bspw. um den Betrag nach weniger als 10 %, 5 % oder 3 % voneinander abweichen, wobei im Rahmen der technisch üblichen Genauigkeit auch exakt gleiche Wanddicken möglich sind (Abweichung von 0 %). Bei einer alternativ bevorzugten Variante kann hinge gen bei der fertig hergestellten Struktur eine größere Wanddicke im ersten Abschnitt verbleiben (> dhohi), kann also die auf das Fügen optimierte Geometrie auch noch in der fertigen Struktur sichtbar sein. Die Wanddicke dhohi im distalen Abschnitt beträgt in bevorzugter Ausgestaltung höchstens 5 mm, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 4 mm, 3 mm bzw. 2 mm. Mögliche Untergrenzen können bspw. bei 0,5 mm bzw.

0,75 mm liegen, besonders bevorzugt kann z. B. eine Wanddicke von rund 1 mm sein. Auch unabhängig von diesen Details bleibt die Wanddicke dhohi im distalen Ab schnitt bevorzugt unverändert, entspricht also die Wanddicke während des Fügens jener bei der fertig hergestellten Struktur.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der erste Abschnitt eine Länge von mindestens 5 mm, wobei mindestens 8 mm bzw. mindestens 10 mm weiter und be- sonders bevorzugt sind. Vorteilhafte Obergrenzen, die auch unabhängig vom Vorse hen einer Untergrenze offenbart sein sollen, können bspw. bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 25 mm, 20 mm bzw. 15 mm liegen. Eine Untergrenze kann bspw. sicherstellen, dass der erste Abschnitt zuverlässig gegriffen bzw. eingespannt werden kann; eine Obergrenze kann z. B. den Nachbearbeitungs- aufwand begrenzen helfen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Grundkörper und/oder das Schau felblatt aus einem Nickelwerkstoff vorgesehen, bevorzugt sind es beide. Ein solcher Ni ekel Werkstoff, bspw. IN718, Udimet 720 oder ME16, kann vergleichsweise hart sein, sodass die eingangs erwähnten Vorteile gegenüber einer Herstellung aus dem Vollen im Besonderen zum Tragen kommen können.

In bevorzugter Ausgestaltung wird das Schaufelblatt durch Reibschweißen an den Grundkörper gefügt, also durch eine Relativbewegung unter Druck. Das Reib schweißen kann insbesondere ein Rotationsreibschweißen mit rotierender Bewegung des Schaufelblatts oder ein Orbitalreib schweißen mit einer zirkularen Kreisschwing- bewegung sein. Unabhängig von der Verfahrensführung im Einzelnen kann das Schaufelblatt aufgrund der hauptanspruchsgemäßen Ausgestaltung für die hierbei notwendige Bewegungs- und Druckaufbringung zuverlässig eingespannt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Strömungsstruktur nach dem Fügen wärmebehandelt, bspw. bei einer Temperatur von mindestens 500 °C, 600 °C, 700 °C oder 800 °C. Mögliche Obergrenzen können bspw. bei 1200 °C bzw. 1000 °C liegen. Bevorzugt kann ferner eine Nachbearbeitung dahingehend sein, dass ein Fü gewulst, insbesondere Reibschweißwulst, entfernt wird, insbesondere am Übergang einer Außenwandfläche des Schaufelblatts zu dem Grundkörper. Besonders bevor- zugt wird zuerst der Fügewulst entfernt und wird die Struktur anschließend wärme behandelt.

Die fertig hergestellte Struktur weist in bevorzugter Ausgestaltung insgesamt min destens vier Schaufelblätter auf, bevorzugt mindestens sechs Schaufelblätter. Vor teilhafte Obergrenzen können bspw. bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 20, 16, 14, 12 bzw. 10 Schaufelblättern liegen.

Wie bereits erwähnt, betrifft die Erfindung auch eine Strömungsstruktur, die einen Grundkörper und ein daran gefügtes Schaufelblatt aufweist. Dabei ist in der fertig hergestellten Struktur das Schaufelblatt am ersten Ende entweder als Vollkörper oder mit einer Wanddicke di größer dhohi ausgeführt (di > dhohi). Es wird also nach dem Fügen gegebenenfalls gar nicht oder jedenfalls nicht in solchem Elmfang materialab tragend am ersten Ende bearbeitet, dass der Durchmesser dort gleich dhohi wird. In anderen Worten verbleibt am ersten Ende eine erhöhte Wanddicke.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen Strömungs Struktur in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise einem Flugtriebwerk, insbesondere in deren bzw. dessen Sekundärluftsystem. Die Strömungsstruktur kann also radial inner- oder außerhalb des im Betrieb von dem Verdichter- bzw. Verbrennungsgas durchströmten Gaskanals angeordnet werden, in welchem die Leit- und Laufschaufeln platziert sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im

Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.

Im Einzelnen zeigt Figur 1 eine Strömungsmaschine, nämlich ein Mantel Stromtriebwerk in einem schematischen Schnitt;

Figur 2 eine Strömungs Struktur mit einem Grundkörper und mehreren Schaufeln;

Figur 3 eine der Schaufeln der Strömungs Struktur gemäß Figur 2 im Detail; Figur 4 ein Schaufelblatt zum Fügen an den Grundkörper in einem Längsschnitt; Figur 5 ein weiteres Schaufelblatt zum Fügen an den Grundkörper in einem Längsschnitt;

Figur 6 die Positionierung der Strömungsstruktur als Anti-Verwirbelungsstruktur in einem schematischen Schnitt.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt eine Strömungsmaschine 1 in schematischer Ansicht, konkret ein Man telstromtriebwerk. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter la, Brennkammer lb und Turbine lc. Dabei sind sowohl der Verdichter la als auch die Turbine lc jeweils aus mehreren Stufen aufgeb aut, jede Stufe setzt sich aus ei nem Leit- und einem Laufschaufelkranz zusammen. Im Betrieb rotieren die Lauf- schaufeln um die Längsachse 2 der Strömungsmaschine 1.

Figur 2 zeigt eine Strömungs Struktur 20, die aus einem Grundkörper 21 aufgebaut ist, an dem mehrere Schaufelblätter 22 angeordnet sind. Die Strömungsstruktur 20 wird durch Fügen der Schaufeln 22 an den Grundkörper 21 hergestellt. Es sind schematisch angedeutete Fügewulste 25 zu erkennen. Figur 3 zeigt eine solche Schaufel 22 in einer Detailansicht. Diese ist an einem ers ten Ende 31, das an den Grundkörper 21 gefügt wird, hohlzylindrisch, nämlich als in sich geschlossener Hohlzylinder ausgeführt. Vorliegend handelt es sich um eine kreiszylindrische Geometrie, liegt also in einem ersten Abschnitt 32 an dem ersten Ende 31 um eine Längsachse 33 eine Rotationssymmetrie vor. In einem distalen Ab- schnitt 34, der an den ersten Abschnitt 32 anschließt, ist die hohlzylindrische Form zu einer Seite hin geöffnet, in Figur 3 nach links. Die geschlossen hohlzylindrische Form geht also in eine im Wesentlichen halbschalenförmige Geometrie über. Bezo gen auf einen Umlauf 36 um die Längsachse 33 ist das Schaufelblatt 22 in dem dista len Abschnitt 34 damit nur über ein Segment 37 hohlzylindrisch und im Übrigen geöffnet.

Figur 4 zeigt ein Schaufelblatt 22, das gemäß dem vorliegenden Gegenstand in dem ersten Abschnitt 32 mit einer Wanddicke di gefasst ist, die größer als eine Wanddi cke dhohi im distalen Abschnitt 34 ist. Damit kann das Schaufelblatt 22 im ersten Ab schnitt 32 zuverlässig eingeklemmt und durch Rotations- oder Orbitalreib schweißen mit dem ersten Ende 31 an den Grundkörper 21 gefügt werden. Der erste Abschnitt hat hierfür eine Länge 45 von rund 15 mm. Mit einer anschließenden materialabtra genden Nachbearbeitung kann danach der Innendurchmesser 46 im ersten Abschnitt 32 vergrößert, insbesondere an den distalen Abschnitt 34 angeglichen werden.

Das Schaufelblatt 22 gemäß Figur 5 ist im Unterschied zu jenem gemäß Figur 4 beim Fügen in dem ersten Abschnitt 32 nicht hohlzylindrisch mit erhöhter Wanddi cke, sondern als Vollkörper 55 ausgeführt ist. Dies erlaubt ebenfalls ein zuverlässiges Klemmen und ergibt eine großflächige Schweißung. Auch bei dieser Variante kann die gefügte Schaufel dann im ersten Abschnitt 32 material ab tragend nachbearbeitet werden. Damit lässt sich insbesondere eine Wanddicke d2 erreichen (strichliiert an- gedeutet), die im Wesentlichen der Wanddicke dhohi im distalen Abschnitt 34 ent spricht.

Sowohl das Schaufelblatt 22 gemäß Figur 5 als auch jenes gemäß Figur 4 kann zu vor, also vor dem Fügen an den Grundkörper 21, bspw. von einem Zylinder als Roh bauteil ausgehend hergestellt werden. Dies kann bspw. spanend, etwa durch Drehen und Bohren etc. erfolgen. Die dem Inneren des jeweiligen Schaufelblatts 22 zuge wandte Fläche des ersten Abschnitts 32 muss dabei, anders als in den Figuren 4 und 5 dargestellt, nicht zwingend plan sein. Ferner können, anders als in Figur 2 darge stellt, in den Grundkörper 21 auch noch zusätzliche Ausnehmungen bzw. Löcher eingebracht sein oder werden. Figur 6 illustriert die Positionierung der Strömungsstruktur 20 in der Strömungsma schine, und zwar außerhalb von deren Gaskanal 60. Konkret ist die Strömungsstruk tur 20 vorliegend radial innerhalb des Gaskanals 60 mit der Beschaufelung 61 vorge sehen und dient sie als Anti-Verwirbelungsstruktur.

BEZUGSZEICHENLISTE

Strömungsmaschine 1

Verdichter la

Brennkammer lb Turbine lc

Längsachse (Strömungsmaschine) 2

Strömungs Struktur 20

Grundkörper 21

Schaufelblätter 22 Fügewulst 25

Erstes Ende 31

Erster Abschnitt 32

Längsachse (Schaufelblatt) 33

Di stal er Ab schnitt 34 Umlauf 36

Segment 37

Länge (erster Abschnitt) 45

Innendurchmesser (erster Abschnitt) 46

Vollkörper 55 Gaskanal 60

Beschaufelung 61