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Fertigungsgerechtes Konstruieren von Hochdruckverdichterschaufeln in Blisk-Bauweise

Hubig, Christoph (2012):
Fertigungsgerechtes Konstruieren von Hochdruckverdichterschaufeln in Blisk-Bauweise.
erschienen in der Schriftenreihe des PTW: " Innovation Fertigungstechnik" im Shaker-Verlag, Aachen, zugl. Diss. TU Darmstadt, ISBN 978-3-8440-1548-5,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Für die Konstruktion von Hochdruckverdichterstufen von Flugzeugtriebwerken setzt sich die Bauweise der aus einem Stück gefertigten Schaufeln und Scheibe (Blisk-Bauweise) immer weiter durch. Neben vielen wirtschaftlichen Vorteilen gibt es allerdings auch – unter anderem bedingt durch den geringen Abstand der Schaufeln zueinander – den Nachteil der erhöhten Komplexität in der Fertigung. Als Bearbeitungsmethode für die Schaufeln kommt dabei zum größten Teil die fräsende Fertigungstechnologie zum Einsatz. Geometrisch anspruchsvolle Schaufelprofile in Kombination mit schwer zerspanbaren Materialien sind dabei maßgeblich verantwortlich, dass dieser Fertigungsschritt zu den Prozessen mit der höchsten Wertschöpfung gehört.

Zur Senkung dieser Produktionskosten werden oftmals neu entwickelte Werkzeuge und Maschinen eingesetzt, ohne jedoch die Potenziale einer fertigungsgerechten Beeinflussung des Schaufeldesigns vollständig auszunutzen. In dieser Arbeit wird nun eine Methode eingeführt, welche es erlaubt, die Rahmenbedingungen der fräsenden Fertigung bereits in der Auslegungsphase von Hochdruckverdichterschaufeln zu berücksichtigen. Auf diese Weise lassen sich schon in der Konstruktionsphase besonders schwierige – und in der Konsequenz entsprechend teuer herzustellende – Schaufelgeometrien vermeiden.

Aufbauend auf technologischen Zusammenhängen zwischen den Einflussgrößen des Fräsens, dem Verschleiß und dem Zeitspanvolumen wird eine Kenngröße für die Beurteilung von Schaufelprofilen hinsichtlich der Fertigbarkeit entwickelt. Diese Kenngröße repräsentiert dabei nicht nur die wesentlichen Kostentreiber der fräsenden Verarbeitung, sondern kann darüber hinaus auch ausschließlich mit Informationen aus den aerodynamischen Systemen ermittelt werden. Sie ist daher auch als Optimierungsgröße bei der geometrischen Auslegung von Hochdruckverdichterschaufeln geeignet.

Am Beispiel einer Hochdruckverdichterstufe aus einer Nickelbasislegierung wird neben der Berechnung der Kenngröße auch aufgezeigt, wie diese als Optimierungsgröße in den aerodynamischen Berechnungszyklus eingebettet werden kann. Bei der Entwicklung des vorgestellten Algorithmus wird dabei nicht nur auf die Möglichkeit der Implementierung in die aerodynamischen Auslegungssysteme, sondern auch auf eine möglichst zeiteffiziente Berechnung geachtet. Hierdurch ist es möglich die Fertigbarkeit von Hochdruckverdichterschaufeln schon in der Auslegungsphase zu berücksichtigen, ohne dabei die sowieso schon zeitintensive Auslegung der Schaufeln weiter zu verlängern.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2012
Creators: Hubig, Christoph
Title: Fertigungsgerechtes Konstruieren von Hochdruckverdichterschaufeln in Blisk-Bauweise
Language: German
Abstract:

Für die Konstruktion von Hochdruckverdichterstufen von Flugzeugtriebwerken setzt sich die Bauweise der aus einem Stück gefertigten Schaufeln und Scheibe (Blisk-Bauweise) immer weiter durch. Neben vielen wirtschaftlichen Vorteilen gibt es allerdings auch – unter anderem bedingt durch den geringen Abstand der Schaufeln zueinander – den Nachteil der erhöhten Komplexität in der Fertigung. Als Bearbeitungsmethode für die Schaufeln kommt dabei zum größten Teil die fräsende Fertigungstechnologie zum Einsatz. Geometrisch anspruchsvolle Schaufelprofile in Kombination mit schwer zerspanbaren Materialien sind dabei maßgeblich verantwortlich, dass dieser Fertigungsschritt zu den Prozessen mit der höchsten Wertschöpfung gehört.

Zur Senkung dieser Produktionskosten werden oftmals neu entwickelte Werkzeuge und Maschinen eingesetzt, ohne jedoch die Potenziale einer fertigungsgerechten Beeinflussung des Schaufeldesigns vollständig auszunutzen. In dieser Arbeit wird nun eine Methode eingeführt, welche es erlaubt, die Rahmenbedingungen der fräsenden Fertigung bereits in der Auslegungsphase von Hochdruckverdichterschaufeln zu berücksichtigen. Auf diese Weise lassen sich schon in der Konstruktionsphase besonders schwierige – und in der Konsequenz entsprechend teuer herzustellende – Schaufelgeometrien vermeiden.

Aufbauend auf technologischen Zusammenhängen zwischen den Einflussgrößen des Fräsens, dem Verschleiß und dem Zeitspanvolumen wird eine Kenngröße für die Beurteilung von Schaufelprofilen hinsichtlich der Fertigbarkeit entwickelt. Diese Kenngröße repräsentiert dabei nicht nur die wesentlichen Kostentreiber der fräsenden Verarbeitung, sondern kann darüber hinaus auch ausschließlich mit Informationen aus den aerodynamischen Systemen ermittelt werden. Sie ist daher auch als Optimierungsgröße bei der geometrischen Auslegung von Hochdruckverdichterschaufeln geeignet.

Am Beispiel einer Hochdruckverdichterstufe aus einer Nickelbasislegierung wird neben der Berechnung der Kenngröße auch aufgezeigt, wie diese als Optimierungsgröße in den aerodynamischen Berechnungszyklus eingebettet werden kann. Bei der Entwicklung des vorgestellten Algorithmus wird dabei nicht nur auf die Möglichkeit der Implementierung in die aerodynamischen Auslegungssysteme, sondern auch auf eine möglichst zeiteffiziente Berechnung geachtet. Hierdurch ist es möglich die Fertigbarkeit von Hochdruckverdichterschaufeln schon in der Auslegungsphase zu berücksichtigen, ohne dabei die sowieso schon zeitintensive Auslegung der Schaufeln weiter zu verlängern.

ISBN: 978-3-8440-1548-5
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Production Management, Technology and Machine Tools (PTW)
Date Deposited: 01 Mar 2013 12:39
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2012
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