Blisk-Entwicklung: wie sich Schau­feln und Scheibe fanden

Rotorscheiben im Verdichter mit integrierten Schaufeln machen Trieb­werke leistungs­fähiger, leichter und sparsamer. Die Erfolgs­ge­schichte der Blisks begann im Euro­fighter-Triebwerk EJ200.

05.2019 | Autor: Denis Dilba

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Denis Dilba studierte Mechatronik, besuchte die Deutsche Jour­na­listen­schule und gründete das digitale Wissen­schafts­magazin Sub­stanz. Er schreibt über ver­schieden­ste Themen aus Technik und Wissen­schaft.

Schau­feln und Schei­ben aus ei­nem Stück, so ge­nann­te Bla­de In­te­gra­ted Disks oder kurz Blisks, sind längst nicht mehr aus Flug­trieb­wer­ken weg­zu­den­ken. Die Hoch­tech­no­lo­gie-Bau­tei­le, die in Ver­dich­tern zum Ein­satz kom­men, sind zum ei­nen platz­spa­ren­der und wie­gen we­ni­ger als kon­ven­tio­nel­le Ro­to­ren mit Ein­zel­schau­feln, zum an­de­ren er­mög­li­chen sie bes­se­re Schau­fel-Ae­ro­dy­na­mi­ken und ver­rin­gern oben­drein auch noch den Mon­ta­ge­auf­wand. Die Fol­ge: Trieb­wer­ke wer­den ins­ge­samt kom­pak­ter, leich­ter, und ver­brau­chen we­ni­ger Kraft­stoff, was wie­der­um den CO2-Aus­stoß senkt und der Um­welt zu­gu­te­kommt.

AEROREPORT-Serie: 50 Jahre Innovation bei der MTU

1995, als Ar­thur Schäff­ler den vier Eu­ro­figh­ter-Kun­den zum ers­ten Mal den neu­en Full-Blisk-Nie­der­druck­ver­dich­ter für ihr Jet-Trieb­werk EJ200 prä­sen­tier­te, war die Be­geis­te­rung al­ler­dings sehr ver­hal­ten. „Es gab so­fort hef­ti­ge Dis­kus­sio­nen“, er­in­nert sich der da­ma­li­ge Tech­ni­sche Di­rek­tor des EJ200-Kon­sor­ti­ums Eu­ro­jet an das Tref­fen in Lon­don. Die Ver­tre­ter Spa­ni­ens, Deutsch­lands, Ita­li­ens und Groß­bri­tan­ni­ens wa­ren nicht grund­los skep­tisch. Zwar kam ei­ne ers­te Blisk schon da­mals in ei­nem Hub­schrau­ber­trieb­werk zum Ein­satz. Die Blisks, die ih­nen MTU-Mann Schäff­ler vor­schlug, hat­ten aber ei­nen er­heb­lich grö­ße­ren Durch­mes­ser als das He­li­ko­pter­bau­teil. „Wir ha­ben uns mit den EJ200-Blisks an vor­ders­ter Ent­wick­lungs­front be­wegt“, sagt der heu­te 81-jäh­ri­ge In­ge­nieur. Not­ge­drun­gen, denn um die Le­bens­dau­er-Vor­ga­ben für das EJ200 er­fül­len zu kön­nen, muss­ten die MTU-In­ge­nieu­re auf die neue Tech­no­lo­gie set­zen. Die Um­fangs­ge­schwin­dig­kei­ten der Ro­to­ren in dem Jet-Trieb­werk – und da­mit die Flieh­kräf­te – wa­ren so groß, dass die Reib­kor­ro­si­on bei der kon­ven­tio­nel­len Ein­zel­schau­fel-Tech­nik zum Pro­blem wur­de. Da­bei bil­den sich auf den Ober­flä­chen von Schau­fel­fuß und Ro­tor­nut klei­ne Grüb­chen, die zu Ris­sen und letzt­end­lich zum Schau­fel­ver­lust füh­ren kön­nen.

**Momentaufnahme:** Gut zu sehen, wie diese Blisk aus dem vollen Werk­stück gefräst wird. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Momentaufnahme: Gut zu sehen, wie diese Blisk aus dem vollen Werk­stück gefräst wird.

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Momentaufnahme: Gut zu sehen, wie diese Blisk aus dem vollen Werk­stück gefräst wird.

**Bliskfertigung auf rund 10.000 Quadrat­metern:** In München be­treibt die MTU eines der größten und flexibelsten Fertigungs­systeme für die Produktion von Blisks für Hoch- und Mittel­druck­verdichter weltweit. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Bliskfertigung auf rund 10.000 Quadrat­metern: In München be­treibt die MTU eines der größten und flexibelsten Fertigungs­systeme für die Produktion von Blisks für Hoch- und Mittel­druck­verdichter weltweit.

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Bliskfertigung auf rund 10.000 Quadrat­metern: In München be­treibt die MTU eines der größten und flexibelsten Fertigungs­systeme für die Produktion von Blisks für Hoch- und Mittel­druck­verdichter weltweit.

„Die ers­ten 85 EJ200-Trieb­wer­ke, die im Hoch­druck­ver­dich­ter in Stu­fe 1 und 2 noch oh­ne Blisks aus­ge­lie­fert wur­den, wa­ren des­halb auf 400 Flug­stun­den Le­bens­dau­er li­mi­tiert – 4.000 Stun­den wa­ren de­sign­sei­tig vor­ge­se­hen“, sagt Chris­ti­an Köh­ler, der 1990 zur MTU kam und heu­te Chief En­gi­neer des EJ200-Pro­gram­mes ist. Die Blisks be­ho­ben das Pro­blem und über­zeug­ten die Kun­den voll­ends von der in­te­grier­ten Schei­be-Schau­fel-Lö­sung. Bis An­fang 2019 wur­den be­reits 558 Jets mit den EJ200-Trieb­wer­ken aus­ge­lie­fert – wei­te­re sind ge­or­dert. Die Blisk-Er­fah­rung der MTU ist dann wei­ter in ei­nen Ex­pe­ri­men­tal-Hoch­druck­ver­dich­ter ein­ge­flos­sen, der im Rah­men des Tech­no­lo­gie­pro­gramms HDV12 auf­ge­baut wur­de und der ziem­lich ge­nau in das A318-Trieb­werk PW6000 pass­te. „Da­mit konn­ten wir Pratt & Whit­ney un­se­re tech­no­lo­gi­schen Fä­hig­kei­ten zei­gen.“ Heu­te ist der Hoch­druck­ver­dich­ter mit ei­ni­gen Än­de­run­gen im PW6000 im Se­ri­en­ein­satz und für die Blisk-Tech­no­lo­gie be­deu­te­te dies der Sprung ins zi­vi­le Ge­schäft.

Spe­zi­el­les Fer­ti­gungs­ver­fah­ren für Blisks mit gro­ßen Schau­feln

Klas­si­scher­wei­se wer­den die Kon­tu­ren der Schau­feln aus ei­ner mas­si­ven Me­tall­schei­be her­aus­ge­fräst. Je wei­ter man sich im Trieb­werk aber nach vor­ne be­wegt – das heißt, da­hin wo die Schei­ben klei­ner und die Schau­feln grö­ßer wer­den – des­to un­wirt­schaft­li­cher wird das spa­nen­de Ver­fah­ren. „Viel teu­res Ma­te­ri­al lan­det hier im Aus­schuss, das Frä­sen dau­ert sehr lan­ge“, so Köh­ler. Die bis zu 20 Zen­ti­me­ter gro­ßen Schau­feln der ers­ten bei­den EJ200-Nie­der­druck­ver­dich­ter-Stu­fen wer­den da­her ein­zeln ge­schmie­det und erst an­schlie­ßend mit dem ei­gens da­für ent­wi­ckel­ten li­nea­ren Reib­schwei­ßen mit der Schei­be ver­eint. Die Ex­per­ten der MTU ent­wi­ckel­ten noch ein wei­te­res Ver­fah­ren zur Bliskher­stel­lung: „Mit dem Pre­cise Elec­tro Che­mi­cal Ma­chi­ning (PECM) kön­nen wir heu­te auch Blisks aus schwer schweiß- und span­ba­ren Ni­ckel-Le­gie­run­gen her­stel­len“, sagt Köh­ler. Bei dem Ver­fah­ren wird der Blisk-Roh­ling aus der Le­gie­rung un­ter Ver­wen­dung ei­nes flüs­si­gen Elek­tro­ly­ten mit Hil­fe elek­tri­schen Stroms und ei­nes 3D-Ab­form­werk­zeugs ge­zielt auf­ge­löst.

„In den kom­men­den Jah­ren wer­den wir
hier bis zu 6.000 Blisks pro Jahr her­stel­len. Oh­ne die gro­ße Er­fah­rung, die wir uns über die Jah­re er­ar­bei­tet ha­ben, und stän­di­ger Sorg­falt wä­re das nicht mög­lich.“

Dr. Stephan Bock, Leiter Vorauslegung zivile und militärische Programme bei der MTU Aero Engines, München

Ei­ner der Vor­tei­le von PECM ge­gen­über dem Frä­sen: Da das Bau­teil da­bei nicht be­rührt wird, ver­schlei­ßen die Werk­zeu­ge auch nicht. Dar­über hin­aus ent­fal­len durch die we­sent­lich hö­he­re Ab­bil­dungs­ge­nau­ig­keit der che­misch-elek­tri­schen Me­tho­de auch wei­te­re Nach­be­ar­bei­tungs­schrit­te. Bei­des spart Kos­ten ein. Mit dem in­no­va­ti­ven Prä­zi­si­ons-Ver­fah­ren stellt die MTU im Auf­trag von Pratt & Whit­ney die fünf­te und sechs­te Blisk-Stu­fe des ins­ge­samt acht­stu­fi­gen und in kom­plet­ter Blisk­bau­wei­se aus­ge­leg­ten Ge­trie­be­fan-(GTF)-Hoch­druck­ver­dich­ters her. „Zur Fer­ti­gung der Ti­tan-Blisks der ers­ten vier Stu­fen des GTF-Hoch­druck­ver­dich­ters, die von der MTU kon­stru­iert wur­den, ha­ben wir auf dem Münch­ner Werks­ge­län­de ei­ne ei­gens da­für kon­zi­pier­te Hal­le ge­baut“, sagt Dr. Ste­phan Bock, Lei­ter Vor­aus­le­gung zi­vi­le und mi­li­tä­ri­sche Pro­gram­me. Gro­ße Ti­tan-Blisk-Schau­feln wer­den hier mit­tels li­nea­rem Reib­schwei­ßen ein­zeln mit der Schei­be ver­bun­den und dann durch ad­ap­tives Frä­sen an­ge­passt, mitt­le­re und klei­ne Blisk-Schau­feln aus dem Me­tall wer­den aus dem Vol­len ge­fräst.

Interaction: Automatisierte Blisk­produktion

Automatisierte Blisk­produktion

Die Blisks für die Pratt&Whitney GTF™ Triebwerksfamilie werden in einer neu errichteten Fertigungshalle mit einem hohen Automatisierungsgrad produziert. Zur Interaktion ...

Bis zu 6.000 Blisks pro Jahr

Das so­ge­nann­te Kom­pe­tenz­zen­trum zur Fer­ti­gung von Ti­tan-Ver­dich­ter-Blisks ist ein Pa­ra­de­bei­spiel der Um­set­zung des In­dus­trie-4.0-Ge­dan­kens bei der MTU und welt­weit die mo­derns­te Pro­duk­ti­on die­ser Art. Die Hal­le ver­fügt über ei­nen ho­hen und in die­ser Art welt­weit ein­ma­li­gen Au­to­ma­ti­sie­rungs-, Di­gi­ta­li­sie­rungs-, Ver­net­zungs- und Selbst­steue­rungs­grad. Auch der hoch­funk­tio­na­le, en­er­gie­ef­fi­zi­en­te Hal­len­neu­bau ent­spricht mo­derns­ten Bau­stan­dards. „In den kom­men­den Jah­ren wer­den wir hier bis zu 6.000 Blisks pro Jahr her­stel­len“, sagt MTU-Ex­per­te Bock. „Oh­ne die gro­ße Er­fah­rung, die wir uns über die Jah­re er­ar­bei­tet ha­ben, und stän­di­ger Sorg­falt wä­re das nicht mög­lich. Die Pro­zes­se müs­sen ex­trem sta­bil sein: Ein Fer­ti­gungs­feh­ler an ei­ner ein­zi­gen Schau­fel kann das ge­sam­te Bau­teil un­brauch­bar ma­chen.“ Aus­ru­hen kön­ne man sich auf die­sen Er­fol­gen aber nicht, weiß der Ex­per­te: „Wir ar­bei­ten be­reits an den Blisks der nächs­ten GTF-Ge­ne­ra­ti­on.“

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