Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau – Leitlinien und Versuch einer Priorisierung

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<ul><li><p>2. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 167-177 (1976) Overlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1976 </p><p>Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau 167 </p><p>Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau - Leitlinien und Versuch einer Priorisierung </p><p>P. Eglinger und H. Huff </p><p>Motoren- und Turbinen-Union, Munchen </p><p>Die werkstofftechnische Entwicklung im Triebwerkbau zielt auf a) die Entwicklung funktionsfahiger Komponenten aus neuen Werk- stoffen, b) quantitative Ermittlung des Werkstoffverhaltens f i r die sichere Auslegung der Triebwerke, c) die quantitative Ermittlung des Einflusses von Werkstoffehlern und d) die Sicherstellung einer gleichbleibenden Qualitat. Um die grol3e Zahl der denkbaren Einzel- themen im Sinne einer Priorisierung bewerten zu konnen, werden zunachst drei Themengmppen unterschieden und naher beschrieben, wobei als unterscheidendes Merkmal der Entwicklungsstand der Triebwerke eingefiihrt wurde, die f i r eine Anwendung in Frage kom- men. (Eine vierte Themengruppe mit Themen allgemeiner Art wird nur kurz gestreift). Die Themengruppen unterscheiden sich in der Gewichtung, mit der allgemeine Entwicklungsziele wie hohere Gastemperatur niedrigeres Gewicht, geringerer Preis, groRere Zuver- lkigkeit, langere Lebensdauer und Schwachstellenbeseitigung ver- folgt werden. Innerhalh jeder Gruppe wird eine Priorisierung nach der (vereinfachten) Formel P = T . E . D durchgefiihrt, wobei die zusammengesetzte GroRe T den technischen Fortschritt, E die Er- folgswahrscheinlichkeit und D die individuelle betriebliche Dring- lichkeit reprasentieren. Eine auf diese Weise durchgefuhrte und priorisierte Mittelfristplanung von Werkstoffentwicklungsprogrammen kann als Basis sowohl fiir betriebsinterne Budgetplanung als auch iir nationale und internatio- nale Kooperation dienen. </p><p>1. Einleitung </p><p>Die zunehrnende finanzielle Belastung der Betriebe durch gesetzlich bzw. tariflich erzwungene kostenintensive Auf- lagen und Burokratisierungen in Verbindung mit der allge- meinen wirtschaftlichen Situation zwingt zu irnrner spur- barer werdenden Rationalisierungs- und SparmaRnahrnen, sowohl im investiven als auch im personellen Bereich. Von dieser Tendenz ist auch die werkstofftechnische Entwick- lung fur die Luftfahrt betroffen, zumal dort bei der Vergabe offentlicher Mittel der Spielraum zusehends enger wird. Die f i r Zielvorgabe und Planung mittel- bis langfristiger Werk- stoffentwicklungsprograrnme Verantwortlichen sind dadurch starker als bisher gezwungen, in sorgfaltiger Anpassung an die allgerneine Zielrichtung des Betriebes das beirn vorge- gebenen Kosten- und Personalrahrnen Machbare aus dern Wunschbaren (leider aber auch nur zu of t aus dern Notwen- digen) auszuwahlen. </p><p>herrscht irn allgerneinen kein Mangel. Als schwierig erweist sich erst deren Priorisierung. Nichr nur weil es an einern ob- jektiven Bewertungssystem mangelt, sondern auch weil die individuellen Bewertungen irn Detail zuweilen recht weit auseinanderklaffen. Dies gilt naturgernaR insbesondere dann, wenn es sich urn weiter in die Zukunft reichende Entwick- lungen rnit hohem Erfolgsrisiko handelt. In der Folge sollen unsere eigenen -zweifellos noch nicht vollkommenen- Be- miihungen u m eine Priorisierung werkstofftechnischer Ent- wicklungen f i r den Triebwerkbau in groben Zugen vorgestellt </p><p>An dringlichen bis wiinschbaren Thernenstellungen </p><p>Development of materials used in gas turbine engines. Guide lines and proposal for a priority scheme. The development of materials used in gas turbine engines has the following aims: a) the development of functioning components from new materials, b) quantitative assess- ment of the behaviour of the material for a failsave design of the engine, c) quantitative assessment of the effect of defects in the material and d) the securing of a constant level of quality. In order to evaluate the large number of conceivable, individual sub- jects for the purpose of a priority scheme, first of all 3 subject groups are differentiated and described in more detail, the differen- tiating feature adopted being the development stage of the candidate engines for application. (A fourth group of general subjects is only touched on). The subject groups are distinguished by the stress put, in pursuing general development targets, on such factors as higher gas temperature, lower weight, lower price, greater reliability, longer working-life and elimination of weak spots. Within each group, a priority is given according to the (simplified) formula P = T . E . D, whereby the combined factor T represents the technical progress, E the probability of success and D the individual operational urgency. A medium-term planning of materials development programmes, carried out and alloting priorities in this way, can serve as a basis not only for in-house budget planning, but also for national and international cooperation. </p><p>zeugnissen wohl vor ahnlichen Problemen stehen, mogen sie von allgemeherem Interesse sein. </p><p>2. Erstellung der Themenliste </p><p>2.1. Themengruppen </p><p>Die werkstofftechnische Entwicklung eines Industriebe- triebes wird imrner vom Erzeugnis bestirnmt. Bei einern Be- trieb des Maschinenbaues wird zudem dem Ausdmck ,,Werk- stoffentwicklung" gewohnlich eine andere Bedeutung unter- legt wie in der werkstofferzeugenden Industrie. Man versteht darunter nicht die Entwicklung neuer Legierungen oder Legierungsvarianten. Diese werden vielrnehr als (zurnindest labormagig) bekannt vorausgesetzt. Im Blickpunkt steht a) die Entwicklung funktionsfahiger Komponenten aus solchen (neuen) Werkstoffen, b) die moglichst quantitative Ermittlung des Werkstoffverhaltens - als ,,Werkstoffmecha- nik" weit hinausgehend iiber die Ermittlung der einfachen Werkstoffkennwerte - irn Hinblick auf Komponenten als Basis f i r eine sichere Auslegung, c) die quantitative Bestirn- mung des Einflusses von Werkstoffehlern auf die Lebens- dauer und schlieMich d) die Sicherstellung einer gleich- bleibenden Qualitat. Diese allgerneine Zielrichtung der werkstofftechnischen Entwicklung irn Maschinenbaubetrieb beruht auf der Erkenntnis, daR Herstellung, Gestalt und (Werkstoff-)Eigenschaften von Kornponenten mehr oder weniger irnrner miteinander gekoppelt sind, am starksten </p><p>werden. D a Betriebe mit anderen rnaschinenbaulichen Er- ausgepragt bei Teilen aus Veibundwerkstoffen. </p></li><li><p>168 P. EBlinger und H. Huff Z. f. WerkstofftechniklJ. of Materials Technology 7, 167-1 77 (1976) </p><p>Im Maschinenbaubetrieb ist die werkstofftechnische Ent- wicklung somit letzten Endes eine Dienstleistung fur Kon- struktion, Festigkeitsberechnung, Produktion und Kontrolle. Im Hinblick auf das Erzeugnis unterscheidet man zweck- magig verschiedene Anforderungsbereiche, weil diese sich in Denkanstog, Themenstellung, Abwicklung und Bewertungs- magstab in charakteristischer Weise unterscheiden. </p><p>In der Sprache des Triebwerkbaues sind dies: - Die (kornponentenrnaRige) Vorbereitung zukunftiger </p><p>Triebwerkentwicklungen (Projektstadium). - Werkstoffdaten- und Kornponentenbereitstellung fur </p><p>laufende Triebwerkentwicklungen (Reigbrett- und Ent- wicklu ngsstadium). </p><p>- Verbesserung und Verbilligung von Triebwerken im P r o t o typen- oder Serienstadium. </p><p>- Sonstige Anforderungen (2. B. Rationalisierung, Umwelt- schutz). </p><p>Diesen vier Anforderungsbereichen entsprechend, werden in der Folge auch irnrner vier Themengruppen fur werkstoff- technische Entwicklungsaufgaben unterschieden. </p><p>2.2. Vorbereitung zukunftiger Triebwerkentwicklungen (Tbemengruppe 1 ) </p><p>Im Triebwerkbau ist die zukunftige Entwicklung durch die vier Schlagworte heiger, leichter, sicherer, billiger pau- schal gekennzeichnet. Die Reihenfolge stellt keine Priori- sierung dar. Diese hangt von vielen Faktoren ab, z. B. o b man sich auf Triebwerke fur Luft- oder Landfahrzeuge oder z. B. fur solche des zivilen oder militarischen Bereiches be- zieht. Die denkbaren technischen Problemlosungen lassen sich aber unabhangig davon angeben. </p><p>Tabelle 1 vermag den Fortschritt der letzten zwanzig Jahre in etwa zu charakterisieren. Dort sind typische Werte von Leistungsmerkmalen moderner militarischer Triebwerke mit dern Stand vor ca. 20 Jahren verglichen'). Das Verhalt- nis Schub/Gewicht konnte in diesem Zeitraum um ca. 40% erhoht werden, hauptsachlich infolge wesentlicher Fort- schritte in der Verfahrenstechnik (z. B. beim Fugen und irn FeinguR), Entwicklung neuer hochwarmfester Werkstoffe (z. B. IN 100 fur Schaufeln und Waspaloy bzw. Inco 718 fur Scheiben, siehe Tabelle 2 ) und wegen der inzwischen mog- lich gewordenen reichlichen Verwendung von Titan im Ver- dichter. Diese neuen Technologien ermoglichen eine fort- </p><p>Tabelle 1. beiden Jahrzehnten bei Triebwerken fur Kampfflugzeuge Table 1. aircraft engines in the last two decades </p><p>Leistungssteigerung und Aufwanderhohung in den letzten </p><p>lncreases in performance and in expenditure on combat </p><p>-~ ~ ~ </p><p>Leistungsmerkmale Aufwandsrnerkmale Jahr des Turbinen- Turbinen- Schub* / Preis/ Preis/ Erstfluges eintritts- schaufel- Gewicht %huh* Gewicht </p><p>temperatur temperatur DM/N DMIN O K OK </p><p>schrittliche Konstruktion, allerdings erkauft durch einen entsprechend hoheren Preis. </p><p>Interessant dabei ist noch folgendes Detail: Die Turbinen- eintrittstemperatur hat sich in den letzten 20 Jahren um ca 400 OC erhoht, die den Turbinenschaufeln zumutbare Werk- stofftemperatur nur u m ca. 7 0 O C . Daraus folgt, daf3 nur etwa ein Funftel der fur den Wirkungsgrad so wichtigen Stei- gerung der Gastemperatur als Erfolg der Legierungsentwick- lung zu buchen ist. Die restlichen 80% sind Fortschritten 1 in der Feingugtechnik, Hand in Hand mit konstruktiven Ent- wicklungen zuzurechnen. Sie fuhrten von der ungekiihlten Vollschaufel uber die innengekuhlte Hohlschaufel bis zur zusatzlich filrngekuhlten Schaufel mit komplizierter Gas- fuhrung im Innern (zusatzliche ,,Prallkuhlung") und elektro- chemisch gebohrten feinsten Kuhllochern in der Nahe von Ein- und Austrittskanten (Abb. 1 ) . Nachstes Ziel ist die effusionsgekuhlte Schaufel (Abb. l c ) . </p><p>Man kann mit ziemlicher Sicherheit voraussagen, daR die weitere Entwicklung der wichtigen Parameter Gastemperatur und Leistungsgewicht in der Zukunft nicht mehr so stiirmisch verlaufen wird wie in den letzten zwanzig Jahren. Die Erfolge werden kleiner, die Aufwendungen hierfiir hoher sein. Dies nicht nur deshalb, weil man zunehmend auf kaum uber- schreitbare Grenzen stoRt, sondern weil sich auch ernsthaft die Frage nach dem Sinn eines ohne Rucksicht auf die Kosten immer weiter getriebenen Leistungsfortschritts stellt. Arbei- ten mit dem Ziel, den Triebwerkspreis zu erniedrigen und die funktionssichere Laufzeit zwischen zwei Uberholungen (TBO = time between overhaul) zu erhohen, diirften daher kunftig mehr als bisher in den Vordergrund riicken. </p><p>Abb. 2 ist ein Versuch, den Zukunftsforderungen an das Erzeugnis - hohere Gasternperatur (bzw. Wirkungsgrad), hoheres Leistungsgewicht bei gleicher bzw. hoherer Sicher- heit und gleichem bzw. niedrigerem Preis - denkbare Pro- blemlosungen zuzuordnen2). </p><p>allgemeine Sachgebiete (mittlere Saule) zuordnen, aus denen Problemlosungen zu erwarten sind. Die EinfluRnahrne ist durch Pfeile angedeutet3) </p><p>zugeordnet, von denen wir prinzipiell einen Fortschritt bezug- lich der Generalziele erwarten und deren Bearbeitung wir daher fiir prinzipiell wiinschenswert halten. Uber die dem Themenkreis eingeraurnte Prioritat ist aber damit noch nichts ausgesagt. Sie kann - wie sich spater zeigen wird - sehr gering sein. </p><p>eine Summe verschiedener Einzelaufgaben vorzustellen, die dann aber schon recht speziell auf bestirnrnte Triebwerksar- ten ausgerichtet sind. Auf diese weitere Detaillierung kann hier verzichtet werden. Dagegen erscheinen Erlauterungen z u einigen Punkten von Abb. 2 angebracht: </p><p>Es mag verwundern, daR vom Sachgebiet ,,Hochsttempera- turwerkstoffe" auch eine positive EinfluRnahme auf Gewicht </p><p>Den Generalzielen (linke Saule) lassen sich jeweils bestimmte </p><p>In der rechten Saule sind den Sachgebieten Themenkreise </p><p>Unter den Themenkreisen hat man sich selbstverstandlich </p><p>1955 ca. 1200 ca. 1200 ca. 2 ,5 ca. 20 ca. 5 0 und Preis erwartet wird. Diese Erwartung bezieht sich aus- 1975 ca. 1600 ca. 1270 ca. 3,s ca. 60 ca. 200 schlieRlich auf den Themenkreis Kerarnik. Gesetzt den Fall, Differenz ahsolut 400 70 1 ,o 40 150 prozentual 3 3 % 6% 40% 200% 300% </p><p>* Standschub bei Kampfleistung. Es sind nur werkstofftechnische Themen beriicksichtigt. Sie sind in Wirklichkeit noch durch mindestens ehenso hedeutsarne ver- </p><p>- fahrenstechnische Themen zu erEanzen. - ' Gestrichelter Pfeil hedeutet: Das betreffende Ziel wird in die5em Sachgehiet nicht prirnar angestrebt, sondern ergiht sich als erwiinsch- ter Nebeneffekt, teilweise nur bei einzelnen Themenkreisen. </p><p>') Es kann sich hier natiirlich nur um Anhaltswerte handeln, da die Einzelwerte von Triebwerk zu Triebwerk schwanken. </p></li><li><p>Z. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 167-177 (1976) Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau 169 </p><p>Tabelle 2. zugrundegelegt) Table 2. </p><p>Werkstoff- Gebrauchs- Mittelwerte der chemischen Analyse Gew.-% Leistungsmerkmale Anwendung bezeichnung C Cr Co Mo Ti Al B Zr V Fe Ni Nb Relative u 0,1/100 h </p><p>Leistungsvergleich zwischen alteren und neuen hochwarmfesten Werkstoffen (Es wurden jeweils sogenannte typische Werte </p><p>Comparison of performance between old and new high temperature materials. (So-called typical values were used in each case) </p><p>Einsatz- bei 600 OC temp. O C * N/mm 2 ___ </p><p>Turbinen- Udirnet 500 0,08 19 18 4 2,9 2,9 0,005 - - 4** Rest - ca. 850 - Schaufeln IN 100 0,18 10 1 5 3 4,7 5 , 5 0,014 0,06 1 1 * * Rest - ca. 950 - </p><p>Turbinen- A 286 0,05 1 5 - 1,25 2,15 0,2 0,003 - 0.3 Rest 26 - Scheiben Waspaloy 0,06 19,5 1 3 , 5 4.3 3 1.4 0,006 0,05 - 2** Rest - </p><p>4 5 0 700 </p><p>Info 718 0.04 19 - 3 , l 0,9 0,4 0,006 - - 18,5 Rest 5 - 720 </p><p>- </p><p>- </p><p>* * * Maximalwerte </p><p>Definiert als diejenige Temperatur, wo u 0,2, 100 hly = 2 km ist </p><p>Raktircher Einsau. ca. 1960 Temperaturgewinn: ca. 120 oc </p><p>ca. 1970 </p><p>ca. 350 O C </p><p>Praktircher Einsatz: 1985 7 Temperaturgewinn: ca. 500 OC 7 W IT51771 Abb. 1. Fortschritt in der Kuhltechnologie von Turbinenschaufeln. a) Konvektionskuhlung, b) Konvektions-, Prall- und Filmkiihlung, c) Effusionskiihlung, d ) praktisches Beispiel fur b: HDT-Leitschaufel des GE-Triebwerkes CF6 nach US-PS 36 28 880. Fig. 1. vection cooling, b) Convection-, impingement and film-cooling, c) effusion cooling, d) practical example of b : HPT vane of the CF6 GE engine according to US-patent 3628880. </p><p>Progress in the cooling technology for turbine blades. a) Con- </p><p>es gelange tatsachlich, gewisse heute aus teuren metallischen Werkstoffen hergestellte Heigteile der Turbine durch kerami- sche Bauteile zu ersetzen, so liege dies tatsachlich eine Ver- billigung dieser Teile bei geringerem Gewicht erwarten. </p><p>Das Thema Schutzschichten ist bei diesem Sachgebiet ausschlieRlich im Zusammenhang mit hochschmelzenden Metallen, insbesondere Niob, zu sehen. Der Einsatz von Niob- legierungen ist in Triebwerken nur dann ernsthaft in...</p></li></ul>

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