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| 024 | 7 | _ | |2 Laufende Nummer |a 37273 |
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| 245 | _ | _ | |a Design- und Gießprozessoptimierung von near-net-shape Niederdruckturbinenschaufeln aus dem Hochleistungswerkstoff Titanaluminium |c Rüdiger Erwin Tiefers |h online |
| 246 | _ | 3 | |a Design and casting process optimization of near-net-shape low pressure turbine blades made of the high performance material titanium aluminum |y English |
| 260 | _ | _ | |a Aachen |b Gießerei-Institut der RWTH Aachen |c 2018 |
| 300 | _ | _ | |a 1 Online-Ressource (xviii, 194 Seiten) : Illustrationen |
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| 490 | 0 | _ | |a Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung |v 22 (2018) |
| 500 | _ | _ | |a Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University |
| 502 | _ | _ | |a Dissertation, RWTH Aachen University, 2018 |b Dissertation |c RWTH Aachen University |d 2018 |g Fak05 |o 2018-04-20 |
| 520 | 3 | _ | |a Die vorliegende Arbeit beschreibt vertiefende Untersuchungen zum Schwerpunktthema Gießbarkeit von TiAl-Schaufeln. Hierzu wurde zunächst eine prozessspezifische Prüfmethodik zur Ermittlung der Gießeigenschaften von zwei für die Luftfahrt bereits zertifizierten -TiAl-Gusslegierungen (GE 48-2-2 und 45-2-2 XD) entwickelt. Darüber hinaus sind erste gießtechnische Gestaltungslimits bei der Auslegung von Turbinenschaufeln unter Verwendung von Probekörpern herausgestellt worden. Mit Hilfe der entworfenen Probekörper ist es im Laufe der Untersuchungen gelungen, die oben genannten Legierungen eingehend in ihren gießspezifischen Eigenschaften (Formfüllungs- und Fließvermögen sowie Lunkerverhalten) zu charakterisieren. So deutet sich bei einem gegenüberstellenden Vergleich ein generell besseres Formfüllungs- und Fließvermögen für die Legierung GE 48-2-2 an. Angelehnt an das Design und die Auslegung realer Niederdruckturbinenschaufeln sind weiterhin diverse Probekörpergeometrien entwickelt worden, welche einerseits möglichst realitätsnah gestaltet und dimensioniert sind, andererseits aber eine verhältnismäßig einfache mathematische Beschreibbarkeit erlauben. Die Ergebnisse der Experimente mit derartig simplifizierten Turbinenschaufeln zeigen, dass insbesondere die Hinterkante eines Schaufelblattes aufgrund ihrer filigranen Dimensionierung für die Formfüllung als kritischer Bereich zu erachten ist. Das Ausmaß einer unvollständigen Formfüllung hängt allerdings entscheidend von der Gestaltungsart ab. So hat die Hinterkantendicke des Schaufelprofils einen deutlich größeren Einfluss auf die Ausschussrate als die Profilparallelität an der Hinterkante. Folglich ist nicht so sehr der nahezu parallel verlaufende Längenabschnitt an der Hinterkante eines Schaufelprofilschnittes als kritisch zu erachten, sondern viel mehr die absolute Dicke an der Hinterkante. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen fand eine Kalibrierung der internen Simulationssoftware STAR-Cast mit Hilfe der realen Abgußergebnisse statt. Angedacht war eine optimierte Parametrisierung der Anfangs- und Randbedingungen bei der Simulation für beide untersuchten Legierungen. Die numerische Simulation für die Legierung GE 48-2-2 erscheint im Zuge der Arbeit erfolgversprechend parametrisiert worden zu sein. Für die Legierung 45-2-2 XD fällt es dagegen schwer auf Grundlage der Simulationsergebnisse Defekte zielgerichtet vorauszusagen. Weiterhin konnten im Zuge dieser Arbeit wichtige und interessante Ergebnisse bezüglich der Schaufelblattgeometrie und deren Einfluss auf die Gießbarkeit ermittelt werden. Es wurde festgestellt, dass die ermittelten Parameter (Fläche, Skelettlinienlänge etc.) fast aller untersuchten Schaufeln in einer ähnlichen Größenordnung liegen und sich (meist) mit zunehmender Schaufelhöhe tendenziell ähnlich verändern. Ein Zusammenhang zwischen den geometrischen Parametern und den aufgetretenen Kaltläufen bei den abgegossenen Schaufeln konnte partiell gefunden werden. Dabei sind die Ergebnisse mit einer großen Unsicherheit behaftet, da die statistische Gesamtmenge an Schaufeln sehr gering war und die Gießversuche eher Stichproben-Charakter hatten. Des Weiteren wurde keine Betrachtung der Legierungseinflüsse (GE, XD, TNM) vorgenommen. Dabei haben die unterschiedlichen Legierungen aufgrund ihrer verschiedenen gießtechnischen Eigenschaften wie Formfüll- und Fließvermögen einen großen Einfluss auf den Guss eines fehlerfreien Bauteils. Dennoch konnten geometrische Grenzen für die Gießbarkeit von NDT-Schaufeln ermittelt werden. Diese Werte beziehen sich auf die Parameter Austrittskantenradius, maximale Profildicke, Keilgröße, Parallelität, Wölbung und Verdrehung der Schaufel bzw. des Schaufelblattprofils. Zudem konnten die verschiedenen Verläufe der Profildicke entlang der Skelettlinie dargestellt werden. Die im Zuge dieser Arbeit ermittelten Grenzen können bei der zukünftigen Auslegung von neuen Niederdruckturbinenschaufeln mit einbezogen werden, wodurch sich deren Entwicklungsdauer verkürzt. Eine kürzere Entwicklungsdauer der NDT-Schaufeln aus Titanaluminid ist dabei v.a. aus wirtschaftlicher Sicht erstrebenswert. Zum anderen steigert sie die Attraktivität des Werkstoffs TiAl für den Einsatz in der Turbinenschaufelherstellung. Dies ist wiederrum aus umweltschutztechnischen Gründen wünschenswert, da TiAl fast halb so schwer ist wie die im Turbinenbau gebräuchlichen Nickelbasislegierungen. Eine Verringerung des Turbinengewichts führt zu einem geringeren Treibstoffverbrauch, was wiederrum ökonomisch sinnvoll ist. Die Berücksichtigung der erarbeiteten Gießlimits wird bereits im entwickelten Auslegungstool berücksichtigt und liefert gute Ergebnisse in Bezug auf die Gießbarkeit eines Profils. Die Berücksichtigung von Verdrehung und Wölbung eines Schaufelblattprofils bei der Auslegung ist in Planung. Mit dem vernetzten Auslegungstool für die Herstellung von Niederdruckturbinenkomponenten aus dem Hochleistungswerkstoff TiAl ist es möglich, automatisiert eine Schaufelgeometrie zu generieren, die das Optimum aus effizienter Aerodynamik, wirtschaftlicher Herstellung, werkstoffgerechter Bauweise und langer Lebensdauer darstellt. Bisher ist diese aero-thermodynamische und strukturdynamische Auslegung von Turbinenschaufeln, insbesondere für den Werkstoff TiAl, von den Fertigungsprozessen aufgrund der Trennung von Turbinen- und Komponentenherstellern entkoppelt. Diese ganzheitliche Betrachtung führt zu einer Maximierung der Wirtschaftlichkeit im gesamten Lebensdauerzyklus. Mit dem Auslegungstool wird die Optimierung der Bauteile unter Einbeziehung aller Aspekte schneller und effizienter erreicht. Durch den frühzeitigen Einsatz kann die Anzahl der Iterationen zwischen Auslegung und Fertigung entscheidend reduziert werden. |l ger |
| 520 | _ | _ | |a The present work describes deeper investigations on the castability of TiAl blades. For this purpose, a process-specific test methodology was developed to determine the casting properties of two -TiAl cast alloys (GE 48-2-2 and 45-2-2 XD) already certified for aviation. In addition, the first design limitations for the design of cast turbine blades have been demonstrated using test specimens. With these designed test specimens, it has been possible during the course of the investigations to characterize the above mentioned alloys in detail in their casting-specific properties (shape filling and flow properties as well as cavity behavior). Thus, in a comparative comparison, a generally better shape filling and flowability for the GE 48-2-2 alloy is indicated. In addition to the shape and the design of real low-pressure turbine blades, various sample body geometries have been developed, which on the one hand are designed and dimensioned as realistically as possible, but on the other hand permit a relatively simple mathematical description. The results of the experiments with such simplified turbine blades show that, in particular, the rear edge of a blade is to be regarded as a critical area because of its filigree dimensioning for the mold filling. However, the extent of an incomplete form filling depends decisively on the type of design. Thus, the rear edge thickness of the blade profile has a significantly greater effect on the reject rate than the profile parallelism at the rear edge. As a result, the almost parallel running length section at the rear edge of a blade profile section is not to be regarded as critical, but rather the absolute thickness at the rear edge. During the experimental investigations, a calibration of the internal simulation software STAR-Cast took place with the help of the real casting results. An optimized parameterization of the initial and boundary conditions during the simulation was considered for both investigated alloys. The numerical simulation for the alloy GE 48-2-2 appears to have been parameterized successfully in the course of the work. For the alloy 45-2-2 XD, on the other hand, it is difficult to predict defects on the basis of simulation results. Furthermore, important and interesting results concerning the blade geometry and its influence on the castability could be determined during the course of this work. It was found that the determined parameters (area, camber line length, etc.) of almost all the investigated blades lie in a similar order of magnitude and tend to vary in a similar manner with increasing blade height. A correlation between the geometric parameters and the occurring cold runs in the cast vanes could partially be found. The results are of great uncertainty, since the statistical total quantity of blades was very low and the casting experiments were rather random. Furthermore, the alloy influences (GE, XD, TNM) were not considered. The different alloys have a great influence on the casting of a defect-free component due to their different casting properties, such as mold filling and flow properties. Nevertheless, geometrical limits for the castability of NDT blades could be determined. These values refer to the parameters trailing edge radius, maximum profile thickness, wedge size, parallelism, bulge and twisting of the blade or the blade profile. In addition, the various courses of the profile thickness along the camber line were shown. The limits determined in the course of this work can be taken into account in the future design of new low-pressure turbine blades, to shorten the time of development. A shorter development time of the NDT blades made of titanium aluminide is in this case, for example, desirable from an economic point of view. On the other hand, it increases the attractiveness of the material TiAl for use in turbine blade production. This is again desirable for environmental protection reasons, since TiAl is almost half as heavy as the nickel base alloys commonly used in turbine construction. A reduction in the turbine weight leads to a lower fuel consumption, which is economically useful again. The consideration of the developed casting limits is already taken into account in the developed design tool and provides good results with regard to the castability of a profile. The consideration of twisting and bulging of a blade profile during the design process is planned. With the networked design tool for the production of low-pressure turbine components from the high-performance material TiAl, it is possible to automatically generate a blade geometry which is the optimum of efficient aerodynamics, economical production, material suited construction and long service life. Up to now, this aero-thermodynamic and structure-dynamic design of turbine blades, in particular for the material TiAl, has been decoupled from the production processes due to the separation of turbine and component manufacturers. This holistic view leads to a maximization of the economy during the whole life cycle. With the design tool, the optimization of the components is achieved faster and more efficiently taking into account all aspects. Due to the early use, the number of iterations between design and production can be decisively reduced. |l eng |
| 588 | _ | _ | |a Dataset connected to Lobid/HBZ |
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