Fertigungsverfahren von Turboflugtriebwerken

Frontmatter

1. Zielsetzung

Zusammenfassung

Das vorliegende Buch stellt eine Übersicht dar, die dem Studenten und dem Berufstätigen helfen soll, das Sachgebiet von der Seite der bestehenden Praxis kennenzulernen, ohne sich sofort in die Details einlesen zu müssen. Es wird versucht, aus der Erfahrung im Umgang mit Werkstoff- und Fertigungstechnik heraus, sofort auf übergeordnete Gesichtspunkte für wichtige Entscheidungen zu kommen, bevor Sachverhalte im einzelnen beschrieben werden.

Peter Adam

2. Einleitung

Zusammenfassung

Die Fertigungstechnik der Fluggasturbine zeichnet sich durch mehrere besondere Merkmale aus:

• — Sie bezieht sich hauptsächlich auf die Titan- und Nickelbasislegierungen und trägt deren Eigenschaften Rechnung.
• — Sie hat sich aufgrund der Werkstoffe in klassischen Sachgebieten wie z.B. Zerspanungstechnik in besondere Richtungen entwickelt.
• — Sie besitzt besondere Sachgebiete, die speziell nur für diese Legierungsgruppen und Maschinenteile entwickelt wurden.
• — Sie stellt sowohl bei der Roh- als auch bei der Fertigteilherstellung nicht nur die Form her, sondern bestimmt die Festigkeitswerte in weitem Maße, sowohl die Werkstoff- als auch die Bauteilfestigkeit.
• — Sie ist auf besondere Weise an qualitätssichernde und qualitätsprüfende Maßnahmen gebunden, um der Sicherheit im Betrieb und der sicheren Teilelebensdauer zu entsprechen.
• — Sie bedarf besonderer Maßnahmen, um die engen Maßtoleranzen, die hohe Gestalttreue und die hohe Oberflächengüte zu erreichen, die die Leichtbauweise im Flugzeugbau erfordert.
• — Sie stellt, von den Schaufeln abgesehen, eine Technik der kleinen Stückzahlen pro Zeiteinheit dar.
• — Sie unterliegt einem hohen Dokumentationszwang und infolgedessen auch einer Änderungsstabilität bei Triebwerken, die bereits eine Flugzulassung haben.

Peter Adam

3. Werkstoffe

Zusammenfassung

Es ist zweckmäßig, die Werkstoffe in vier Gruppen zu unterteilen:

• — Konstruktions-,
• — Zusatz-,
• — Beschichtungswerkstoffe und
• — Fertigungshilfs- und Betriebsstoffe.

Peter Adam

4. Werkstofftechnik

Zusammenfassung

Die Technik des Werkstoffeinsatzes für Fluggasturbinen ist von zahlreichen Zielkonflikten bestimmt, die sich meist nicht grundsätzlich lösen lassen. Die Lösungen sind abgestimmte Kompromisse, um diejenige Werkstoffeigenschaft, die weitestgehend die Bauteillebensdauer bestimmt, mit den besten Werkstoffkennwerten zu versehen, ohne dabei entscheidend an anderen Eigenschaften zu verlieren. Der häufigste, werkstoffspezifische Zielkonflikt ist die Abstimmung zwischen statischer Festigkeit (Streckgrenze, Bruchfestigkeit, Kriechfestigkeit) und dynamischer Festigkeit (Zeit- und Dauerfestigkeit), vereinfacht ausgedrückt zwischen Härte und Verformbarkeit (Duktilität).

Peter Adam

5. Schwingungsprobleme im Triebwerk

Zusammenfassung

Die Schwingungserzeugung in den Strömungsmaschinen hat ihre Hauptursache in der periodischen Veränderung des Gasdruckes in Verdichtern und Turbine durch den Vorbeilauf der Laufschaufelgitter an den Leitschaufelgittern.

Peter Adam

6. Dichtung zwischen Stator und Rotor

Zusammenfassung

Grundsätzlich führt jeder Spalt zwischen Beschaufelung einerseits, Gehäuse und Rotorringen andererseits zu einem Leistungsverlust durch Leckage. Die Minimalisierung der Betriebsspalte stellt ein vielfältiges schwieriges Problem dar, das erheblichen konstruktiven, werkstofftechnischen und verfahrenstechnischen Aufwand zur Lösung erfordert (Bild 6-1).

Peter Adam

7. Kritische Zonen an Scheiben und Rotoren

Zusammenfassung

Anrißgefährdete Teile, die bei Versagen eine unmittelbare Gefahr für das Flugzeug sind, werden in der höchsten Qualitätsklasse eingestuft. Sie erfordern besondere Maßnahmen der Absicherung gegen Bruch. Es sind dies in erster Linie Scheiben und Rotoren, die aufgrund der heute erforderlichen Schaufelspitzengeschwindigkeiten alle nur zeitfest ausgelegt sind. Die kritischen Zonen an Scheiben sind durch die thermo-mechanischen Zyklen beim Hochlauf und Zurücklauf der Umdrehungszahl kritisch. Jeder Zyklus stellt im Sinne der Werkstofftechnik einen LCF-(low cycle fatigue-)Zyklus dar. Sowohl im Wöhler-Diagramm als auch in einer Darstellung der Rißgröße lassen sich die Zyklen direkt als Werkstoffbelastungszyklen darstellen, wobei allerdings nicht vergessen werden darf, daß die thermo-mechanischen Betriebszyklen einer Rotorstufe für diese spezifisch sind und daher nicht ohne Normierung auf den Werkstoff als Ganzes übertragen werden dürfen. Die kritischen Zonen einer Scheibe sind die innere Bohrung, der äußere Umfang, Bohrungen und Übergänge an Tragflaschen (Bild 7-1).

Peter Adam

8. Triebwerktechnik und Fertigungstechnik

Zusammenfassung

Das Bild 8-1 zeigt die wesentlichen Baugruppen eines Flugtriebwerks. Dazu sind im Bild 8-2 Druck und Temperatur dargestellt. Fertigungstechnisch betrachtet ergibt sich folgende Gliederung:

• — Gehäuse,
• — Hohlwellen,
• — Verdichterschaufeln,
• — Turbinenschaufeln,
• — Scheiben und Ringe,
• — Lager,
• — Brennkammern,
• — Anbaugeräte,
• — Nachbrenner- und Schubumkehrerteile.

Peter Adam

9. Gießtechnik

Zusammenfassung

Sowohl Titan- als auch Nickellegierungen werden unter Vakuum erschmolzen. Vakuum-Lichtbogen-Erschmelzung (vacuum arc melting (VAM) und vacuum are remelting (VAR)) und Vakuum-Induktionsschmelzen (vacuum induction melting (VIM)) sind die üblichen Verfahren. Aufgrund der zahlreichen Legierungskomponenten können Dichte-und Konzentrationsseigerungen leicht auftreten. Infolgedessen wird mehrfach umgeschmolzen und zwischendurch werden Bereiche großer Abweichungen entfernt, z.B. Blockköpfe und Außenbereiche von Stangen. Die Kokillenbeheizung wird häufig genau angepaßt, um isotherme Verhältnisse bzw. kontrollierte Abkühlung zu erreichen.

Peter Adam

10. Umformtechnik

Zusammenfassung

Ähnlich wie bei der Gießtechnik stellt die Umformtechnik ein so großes und klassisches Gebiet der Fertigungstechnik dar, daß an dieser Stelle nur auf bestimmte Charakteristika und Sonderverfahren eingegangen wird, die für die Komponenten der Gasturbine wichtig sind und dies wiederum beschränkt auf Titan- und Nickellegierungen.

Peter Adam

11. Scheibenherstellung durch Pulvermetallurgie (PM-Technik) für Nickellegierungen

Zusammenfassung

Grundsätzlich, vom Standpunkt der erwünschten Isotropie der Werkstoffeigenschaften aus, bietet die PM-Technik Vorteile. Sie ermöglicht, alle Arten der Seigerungen bei der Erstarrung sowie Konzentrations- und Gefügegradienten eines großen Schmiedestücks zu vermeiden. Sie werden auf die Größe der Pulverpartikelgröße beschränkt und damit technisch unbedeutend.

Peter Adam

12. Wärmebehandlung

Zusammenfassung

Die Wärmebehandlung stellt ein komplexes Kapitel der Fertigungstechnik dar. Während sich die Werkstofftechnik mit der Wirkung von Temperatur, Haltezeiten, Aufheiz- und Abkühlraten auf die Gefüge und Festigkeitswerte beschäftigt, stellt die Fertigungstechnik der Wärmebehandlung einen Kompromiß zwischen Kosten, Zeiten, Genauigkeiten der Einstell- und Istwerte, Prozeßsicherheit, Reproduzierbarkeit, Maßhaltigkeit von Fertigteilen, Ofenatmosphäre und deren Einfluß auf die Teile dar.

Peter Adam

13. Zerspanungstechnik

Zusammenfassung

Die spanende Formgebung umfaßt 70–80% aller Fertigungsstunden in der Produktion von Triebwerken. Andere Formgebungsverfahren (ECM, Blechkonstruktionen, Gießen, Fertigschmieden) haben nicht den Erwartungen entsprechend substituieren können, was die Zerspanungstechnik zu leisten vermag. Einen erheblichen, wenn nicht entscheidenden Beitrag dazu hat die CAD/CAM/NC/CNC-Entwicklung in der Zerspanungstechnik beigetragen.

Peter Adam

14. Feinbearbeitung zum Glätten

Zusammenfassung

In Fällen, wo die Oberfläche nach dem spanenden Bearbeiten nicht glatt genug ist, werden Feinbearbeitungsverfahren angewendet. Die Auswahl des Verfahrens richtet sich nach der Größe und der Form der zu bearbeitenden Oberfläche. Das trockene Scheuern mit Scheuersteinen überwiegt bei konvexen und nicht zu stark gekrümmten konkaven Schaufeloberflächen, während das Druckfließläppen bevorzugt an inneren Oberflächen (Bohrungen und Kanälen) sowie lokal an großen Triebwerksteilen (Scheiben, Blisks) angewendet wird.

Peter Adam

15. Entgraten und Verrunden

Zusammenfassung

Die möglichen Entgratverfahren lassen sich systematisch wie folgt zuordnen:

• — Gezieltes Spanen,

  • Fräsen,
  • Schleifen,
  • Bürsten,
• — Ungezieltes Spanen,

  • Gleitschleifen,
  • Tauchschleifen,
  • Strahlen mit oder ohne feste Körper/Flüssigkeiten,
• — Elektrochemisches Abtragen,

  • EC-Entgraten,
  • Elektropolieren,
  • Ätzen,
• — Chemisch-thermisches Abtragen,

  • TEM (Thermische Entgratmethode).

Peter Adam

16. Electrochemical Machining (ECM)

Zusammenfassung

ECM wird häufig unter die Prozesse der „nicht traditionellen“ Verfahren eingeordnet. Dazu gehören auch die rein chemischen Abtragsprozesse „chemical machining“ ohne Feldunterstützung. Obwohl diese teilweise in Serie angewendet werden (Titanformteile, Schaufeln, Gehäuse), sind sie unbedeutend im Hinblick auf die Anwendungshäufigkeit und das Entwicklungspotential, da sie langsam sind und Umweltprobleme mit der Chemikalienentsorgung und Wasserreinhaltung verursachen. Letzteres gilt auch für ECM-Bearbeitung von Nickellegierungen wegen der Chromgehalte.

Peter Adam

17. Funkenerosion — Electro-Discharge-Machining (EDM)

Zusammenfassung

EDM wird für die Herstellung von Löchern, Schlitzen und anderen Formen an Schaufeln als Senkerodierverfahren eingesetzt. Des weiteren dient das Drahterodieren zur Herstellung zahlreicher Erprobungsteile, Rohteile und Proben. In Bild 17-1 ist das Verfahrensprinzip dargestellt. Die bei der Bearbeitung von Nickel- und Titanlegierungen angewen deten Werkzeuge und deren Werkstoffe, die Maschinen und Bearbeitungsparameter stellen keine Ausnahme dar, sondern entsprechen dem allgemeinen Stand der Technik.

Peter Adam

18. Laserbearbeitung

Zusammenfassung

Jede Art des Laserbearbeitens ist eine maschinelle Bearbeitung, deren Wirtschaftlichkeit erst möglich wird mit einer großen Wiederholfrequenz (Stückzahl), bei der es insbesondere auf Zeitersparnis ankommt. In seltenen Fällen ist allerdings das Werkzeug, der Laserstrahl, unersetzlich wegen der hohen Leistungsdichte und geringen Ausdehnung, zum Beispiel zum Schneiden von sehr feinen Ausschnitten mit relativ großer Materialdicke und sauberen Schnittoberfiächen. Technisch gesehen bietet eine Elektronenstrahl-anlage dieselben Eigenschaften. Wirtschaftlich jedoch ist eine Laseranlage meistens attraktiver, da kein Vakuum notwendig ist, das hohe Investitionskosten und einen Chargierbetrieb erfordert.

Peter Adam

19. Wasserstrahlbearbeitung und Ultraschallbearbeitung

Zusammenfassung

Das Hochdruckwasserstrahlbearbeiten (siehe Bild 19-1) gehört zu den noch entwicklungsfähigen Verfahren, ist jedoch nicht in serienmäßiger Anwendung. Schwerzerspan-bare Werkstoffe erfordern den Zusatz von Abrasivstoffen, um ausreichende Abtragsgeschwindigkeit zu erreichen. Diese müssen ebenso wie der Materialabtrag ausgefiltert und voneinander getrennt werden. Ein weiterer Nachteil ist die erforderliche Lärmdämpfung. Abrasivzusatzstoffe verschleißen die Maschinenteile, insbesondere die Austrittsdüsen.

Peter Adam

20. Elektronenstrahlbohren (EB-Bohren)

Zusammenfassung

Die hochentwickelte Technik des EB-Bohrens (EB, electron beam) hat sich nicht durchsetzen können, da die Lasertechnik bei weitgehend gleichen Eigenschaften der gebohrten Löcher wesentlich preiswerter ist. Die Kosten vergleichbarer Laserbohr- und EB-Bohrmaschinen liegen etwa im Verhältnis 1:5 bis 1:10, je nach Größe der Anlage.

Peter Adam

21. Vergleich thermischer Bohrverfahren

Zusammenfassung

In Tabelle 22 sind zum Vergleich die Verfahren anhand wesentlicher physikalischer und anwendungsbezogener Merkmale zusammengestellt.

Peter Adam

22. Elektrochemisches Bohren (EC-Bohren)

Zusammenfassung

Die Notwendigkeit, rißfreie Oberflächen in zähharten, gegossenen Nickellegierungen zu erzeugen, hat dazu geführt, daß im Triebwerkbau die Technik des EC-Bohrens durch Auflösung des Werkstoffs im Bohrloch als Anode in einem Elektrolyten entwickelt worden ist.

Peter Adam

23. Abtragen und Oberflächenzustand

Zusammenfassung

Betriebssicherheit und Lebensdauer von den meisten Triebwerkskomponenten, insbesondere Klasse A-Bauteile (höchste Gefährdung des Luftfahrtgeräts) stellen besondere Anforderungen an die Oberfläche der betroffenen Teile. Die herkömmliche Strategie der Vorgehensweise ist, daß die Teile nach Zeichnung so hergestellt werden, daß die Bedingungen der Fertigung erfüllt werden können (Kostenminimum, Verfügbarkeit von Maschinen, Vorrichtungen, Personal, Prüfbarkeit etc.) und die so hergestellten Teile die Schritte der Validierung für die Flugzulassung durchlaufen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß Mindestanforderungen erfüllt werden können, so wie sie in den Erprobungsläufen von Komponenten und Triebwerken festgelegt worden sind.

Peter Adam

24. Verfestigungsstrahlen

Zusammenfassung

Die Verfestigung der Oberflächen durch Strahlen wird sowohl bei Titan- als auch bei Nickellegierungen sehr umfangreich angewendet. Das häufigste Verfahren ist Stahlkugel- oder Drahtkornstrahlen. Bei Verdichterschaufelblättern ist aufgrund der hohen Rau-higkeitsforderungen an umströmten Profilen auch Glasperlenstrahlen in Anwendung.

Peter Adam

25. Beschichtungstechnik

Zusammenfassung

Soweit verfügbar, werden Beschichtungen in Flugtriebwerken eingesetzt, um funktioneile Verbesserungen herbeizuführen. Dies sind Schichten gegen Verschleiß, Korrosion, Heißgasoxidation, Titanfeuer sowie Schichten zur Verringerung des Wärmeübergangs und zur Verringerung des Betriebsspaltes zwischen Rotor und Stator.

Peter Adam

26. Reinigungstechnik

Zusammenfassung

Der Zweck der Reinigung ist vielfältig und die Reinigung wird dementsprechend unterschiedlich aufwendig. Reinigungsarbeitsschritte dienen

• — der Fertigungszwischenkontrolle,
• — der zerstörungsfreien Prüfung,
• — der Beschichtungsvorbehandlung,
• — der Reinigung vor dem Löten, Schweißen und Wärmebehandeln,
• — der Entschichtung zum Neubeschichten oder sonstigen Reparaturen,
• — der Entfernung von Fertigungshilfsstoffen oder Prüfstoffen,
• — der Entfernung von Konservierungsmitteln,
• — der Entfernung von betriebsbedingten Überzügen zur Instandsetzung,
• — der Sauberkeit vor der Montage,
• — der Entfernung von funktionsschädlichen Stoffen.

Peter Adam

27. Fügetechnik

Zusammenfassung

Löten und Schweißen im Triebwerksbau sind unverzichtbare Verfahren geworden, um

• — Masse zu reduzieren,
• — unterschiedliche Werkstoffe zu verbinden,
• — komplexe Gestaltungen von Leichtbauteilen zu ermöglichen,
• — Reparaturen auszuführen.

Peter Adam

28. Qualitätssicherung

Zusammenfassung

Die Aufgabe, Qualitätsansprüche zu erfüllen, liegt in zahlreichen Händen eines Triebwerkherstellers, zugeordnet zu deren spezifischer Sachaufgabe. Sie umfaßt praktisch das gesamte technische Geschehen von der Entwicklung bis zur Auslieferung. Ein wesentliches Merkmal ist die zugehörige Organisation, die der Sicherstellung dessen dient, was zur Erfüllung der Ansprüche notwendig ist. Die Organisation der Qualitätssicherung umfaßt die wesentlichen Elemente:

• — Qualitätsplanung,
• — Qualitätslenkung,
• — feststellende Kontrolle,
• — Zulassungsprozeduren,
• — Dokumentation,
• — Vorschriften-Wesen,
• — Auditierung.

Peter Adam

29. Zerstörungsfreies Messen und Prüfen

Zusammenfassung

Bevor die einzelnen Verfahren beschrieben werden, ist es zweckmäßig, einige allgemeine Aussagen vorauszuschicken. Viele Arten der zerstörungsfreien Prüfung sind nicht grundsätzlich neu und werden im Triebwerkbau in herkömmlicher, wenngleich auch modifizierter Form angewendet, z.B. Röntgendurchstrahlungsprüfung. Sie sind aber in Art und Umfang der Anwendung einem erheblichen Wandel mit steigender Anwendung mit fortlaufenden Verbesserungen unterworfen.

Peter Adam

30. Fertigungstechnik und betrieblicher Umweltschutz

Zusammenfassung

Die Reinerhaltung von Luft, Boden und Wasser sowie die Entsorgung betrieblicher Abfälle bedarf der Behandlung aus dreierlei Sicht: technisch, kostenseitig und gesetzlich. Sofern es sich nur um jeweils einen Aspekt handelt, sind Lösungen verfügbar. Normalerweise jedoch sind die Aspekte verbunden und erfordern eine integrale Behandlung, wenn es um die Umsetzung geht. Ein weiterer Aspekt ist die Verknüpfung mit dem Arbeitsschutz.

Peter Adam

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