Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Schaufeln zum Lenken von Strömungen. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schaufeln zum Lenken von Strömungen, z. B. für Turbinen, Kompressoren und ähnliche, mit Schaufeln versehene Strömungsmaschinen, wobei die Schaufel ein Profil aufweist, welches an der einen Sehaufelkante von Flächen begrenzt ist, die relativ zum Profil-Krümmungsradius an der Kante einen inehrf ach grösseren Krüm- mungsradius aufweisen. Das Verfahren kann auch bei der Herstellung von Leitsehaufeln in durehströmten Apparaten angewendet werden, z.
B. bei der Herstellung der einzelnen Um- lenksehaufeln eines Sehaufel-itters in einem Rohrkrümmer.
Die Profile solcher Schaufeln werden unter Berücksichtigung ihrer Funktion, das heisst der Aufnahme oder Umlenkung der Strömung, und der Bedingung einer möglichst weitgehenden Herabsetzung ihres Strömungs widerstandes entworfen. In manchen Fällen ist die Gestaltung einer Schaufel höchst kri- tiseh in bezug auf das Profil im allgemeinen und in bezuc auf Teile des Profils. Die in den Zonen der Vorder- und Hinterkante der Schaufeln lie-enden Profilteile sind von be sonderem Einfluss auf die Wirkung der Schau feln.
Das übliche Verfahren zur Herstellung solcher Schaufeln besteht darin, das verwen dete Material durch Schmieden, Giessen oder durch Vorbearbeiten eines Rohlings annähernd in die gewünschte Form zu bringen, wobei an- C schliessend, z. B. unter Verwendung einer Lehre, die Schaufel durch Honen oder einen ähnlichen Arbeitsgang fertig bearbeitet wird-, letzteres benötigt aber einen beträchtlichen Aufwand an Zeit und Geld.
Die Profile der Schaufeln weisen ferner an den Vorder- und Hinterkanten im allgemeinen einen sehr klei nen Krümmungsradius auf in bezug auf den übrigen Profilteil und sind mittels des ge nannten Verfahrens nur schwer genau her- stellbar, da kleine Formabweiehungen von der Form der Lehre nicht leicht messbar sind. Diese Schwierigkeiten treten besonders bei der Herstellung von Schaufeln kleiner Abmessun gen auf <B>.</B>
Ferner ergeben sich bei der Formung der Kanten mittels rotierender Messer oder Zieh steine noch folgende Schwierigkeiten. Erstens müssen die vorgeformten Schaufeln<B>f</B> estgehal- ten und genau auf das Werkzeug eingestellt werden, damit das letztere eine genaue End bearbeitung ausführen kann. Dieser Nachteil, der in der genauen Einstellung jeder Schau fel liegt, überwiegt zu einem grossen Teil die Vorteile dieses Verfahrens.
Zweitens können die Sehauf eln zufolge ihrer allgemeinen Form, das heisst ihrer in bezug auf die Länge ge ringen Dicke, unter dem Druck des Werk- zeuges verborgen werden, und zwar um einen genügenden Betrag, um eine falsch geformte Schaufel zu ergeben. In vielen Fällen ändern die Sehaufelquerschnitte über die Schaufel- länge, und zwar bezüglich Grösse, Form und der Ein- und Austrittswinkel. Ein rotierendes Werkzeug, das sieh zur Bildung des einen Sehaufelquersehnittes eignet, kann für andere Querschnitte ungeeignet sein.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Herstellung von Schaufeln vor, bei welchem die Kanten der Schaufeln rasch und innerhalb genügender Genauigkeitsgren zen herstellbar sind, wobei von der Tatsache Gebrauch gemacht wird, dass der restliche Teil des Sehaufelprofils vor der Endfertigung der Vorder- und Hinterkante der Schaufel mit der gewünschten Genauigkeit hergestellt werden kann, wie dies auch meistens der Fall ist.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird von der Vorder- und Hinterkante einer Schau fel wenigstens die eine durch Pressen mittels eines Werkzeuges mit einer die Schaufel kante umfassenden Nut, unter plastischer Ver formung des Schaufelmaterials auf die end gültige Form gebracht.
Das -Werkzeug, das die Verformung des Sehaufelmaterials bewirkt, wird dabei zweek- mässig durch Berührung zwischen dem Werk zeug und Teilen des Sehaufelprofils geführt, die in bezug auf den Krümmungsradius an der Kante einen grösseren Krümmungsradius aufweisen und die an das Kantenprofil an schliessen.
Mittels einer bevorzugten Form der eben falls Gegenstand der Erfindung bildenden Einrichtung zur Durchführung des Verfah rens wird die Schaufelkante durch Pressen mit einer drehbaren Rolle hergestellt, die längs der Sehaufelkante verschiebbar ist und die in ihrem Umfang eine Nut aufweist, derart, dass der Radialquerschnitt der Nut an jedem Um fangspunkt wenigstens teilweise dem ge wünschten Querschnitt an einer Stelle der Schaufel entspricht, an welcher die Rollen nut während einer Relativbewegung zwischen der Rolle und der Schaufel augenblicklich mit der Sehau41 in Berührung ist.
Eine vorge formte Schaufel wird dabei zweckmässig so eingespannt, dass ihre Vorderkante wenigstens annähernd senkrecht zür Axe der Rolle steht, so dass, wenn die Rolle gegen die Schaufel kante gedrückt und ein oder mehrere Male von einem Ende der Kante zum andern be wegt wird, die Rolle durch plastische Verfor mung des Sehaufelmaterials die Schaufel kante auf die gewünsehte Endform bringt.
Zweckmässig ist die Anordnung derart, dass das Formwerkzeug seitlich frei verschieb bar ist. Demzufolge ist in einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemässen Einrieb- tung die Rolle axial versehiebbar angeordnet. Dadurch ist die Notwendigkeit einer genauen Einstellung der Schaufel bezüglich der Rolle unnötig, da die axial bewegliche Rolle sieh selbst durch Kontakt zwischen den Seiten der Rollennut und den fertigen, an die Schaufel kante anschliessenden Profilfläehen genau einstellt. Sollte sich die Schaufel unter dem Druck der Rolle verschieben, so kann die letz tere der Schaufelbewegung folgen und so ihre genaue Lage bezüglich der Schaufel einhalten.
Damit die zur Erreiehung genauer Profile an den Sehaufelkanten auftretenden Schwie rigkeiten besser verständlich sind, sollen die Verhältnisse im fol-enden näher beschrieben werden, und zwar insbesondere mit Bezug auf die Vorderkante, wobei in der beiliegenden Zeichnung verschiedene Sehaufelquerschnitte und eine Einrichtung zur Endfertigung der Schaufelkante beispielsweise dargestellt sind.
Fig. <B>1</B> zeigt einen Sehaufelquersehnitt (voll ausgezogene Linie), wobei die entsprechende Schaufel zum Arbeiten in einem in Riehtung des Pfeils z-1 strömenden Fluidum bestimmt ist. Es ist zu bemerken, dass die Schaufel mit ihrer Vorderkante genau in der Anström- riehtung liegt, so dass sieh die Fluidströmung so genau wie möglich an die Schaufel anlegen kann.
Die gestriehelte Linie zeigt beispiels weise einen fehlerhaft hergestellten Schaufel- quersehnitt. Es ist ersichtlich, dass Fehler des Vorderkantenprofils dann auftreten, wenn die Schaufel einen andern als den gewünsch ten Eintrittswinkel aufweist, was Störungen im Strömungsverlauf über die ganze Schaufel zur Folge hat, wogegen ein Fehler der glei chen Grösse im Schaufelteil zwischen den Kan ten weniger schwerwiegende Folgen hat. Fig. 2 zeigt in kleinerem Massstab einen Schnitt durch eine Schaufel, bei welcher die Vorderkante noch nicht fertiggestellt ist.
Diese Schaufel wurde aus einer Stange mit dem Querschnitt<B>1</B> durch spanabhebende Bearbei tung vorgefertigt, und zwar dureh ein übli- ehes Verfahren, bei welchem das Profil 2 auf beiden Seiten<B>3</B> und 4, wo der Krümmungs- radius relativ gross ist, fertig bearbeitet wurde und wobei an der Vorderkantenzone noch ein gewisser Materialübersehuss belassen wurde.
Dies ist in Fig. <B>3</B> dargestellt (in grösserem Massstab), wobei das übersehussmaterial mit gestrielielten Linien und der Endquerschnitt mit ausgezogenen Linien dargestellt ist. Das f'bersehussmaterial kann durch einen Schnitt tangential zur Vorderkante teilweise entfernt werden, wie dies in Fig. 4 bei<B>5</B> gezeigt ist, wobei zwei kleine Teile<B>6</B> und<B>7</B> mit annähernd dreieekförmio-em Querschnitt verbleiben, die zur Bildung des genauen Vorderkantenprofils noch entfernt werden müssen.
Wie voran- 0,ehend erwähnt wurde, ergibt. das Entfernen e dieser Teile durch Honen oder einen ähnlichen Arbeitsvorgang gerne Ungenauigkeiten im Profil.
Eine Einrichtung zur Endfertigung der Schaufel unter Benützung eines rotierenden Sehleifwerkzeuges entspreehender Form ist in Fig. <B>5</B> teilweise dargestellt. In der Zeichnung ist ein Ziehsehleifrad <B>8</B> dargestellt, das eine Umfangsnut<B>9</B> aufweist und das um eine Axe <B>10</B> drehbar ist.
Das Rad<B>8</B> ist bezüglich der Schaufel<B>11</B> in Richtung des Pfeils B ver- sehiebbar, wobei diese Richtung mit der Rieh- tung des einen Schenkels des Einlasswinkels der Schaufel zusammenfällt. Die Schaufel<B>11</B> kann nur dann genau fertig bearbeitet wer den, wenn die Mittellinie 12 der Ziehsehleif- nut <B>9</B> genau mit der Mittellinie<B>13</B> des Vor- derkantenprofils übereinstimmt.
Wenn dies, wie in Fig. <B>5</B> gezeigt, nicht der Fall ist, wird ein Querschnitt hergestellt, wie er mit ausge- zo,-ener Linie in Fig. <B>6</B> dargestellt ist, an Stelle des genauen Quersehnittes, der in Fig. <B>6</B> gestriehelt eingezeichnet ist. Ein ähnlicher Fehler kann zufolge einer Abbiegung der Schaufel (in Richtung der Pfeile<B>C</B> oder<B>D</B> in Fig. <B>5)</B> auftreten, und zwar bei seitlichem Druck des Werkzeuges auf die Schaufel.
Es ist deshalb klar, dass die praktischen Sch-wie- rigkeiten, die bei diesem Verfahren auftreten, dieses zur Herstellung von Schaufeln in gro ssen Serien ungeeignet machen. Wird hin gegen das erfindungsgemässe Verf ahren an gewendet, so können die beim vorangehend beschriebenen Verfahren auftretenden Sehwie- rigkeiten behoben werden, wie dies aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässenEin- riehtung unter beispielsweiser Erläuterung des Verfahrens hervorgeht.
In Fig. <B>7</B> ist eine Einrichtung dargestellt, die bei der Herstellung von Schaufeln von konstantem Querschnitt über ihre ganze Länge benützt werden kann. Die dargestellte Schau- Tel 14 ist zum Teil nach dem an Hand der Fig. 2,<B>3</B> und 4 beschriebenen Verfahren vor fabriziert, wobei die Teile<B>15</B> der Stange, aus der die Schaufel gebildet ist, an beiden Enden zur Erleichterung des folgenden Arbeitsgan ges übriggelassen wurden. Auch der Fussteil <B>17</B> der Schaufel ist in diesem Stadium vorge fertigt.
Die Schaufel ist mit ihren Teilen <B>1.5</B> mittels Einspannmittel <B>16</B> der Einrichtung in geneigter Stellung derart angeordnet, dass ihre Vorderkante oben und in einer horizon talen Ebene liegt, und dass ihr Eintrittswin kel mit einer Vertikalen zusammenfällt, wie dies in Fig. <B>8</B> im Schnitt dargestellt ist. Über der Schaufel ist ein Tragarm<B>18</B> angeordnet, und zwar derart, dass er in einer Richtung parallel zur Sehaufelvorderkante hin -und her beweglich ist, wie dies durch den Doppelpfeil F, dargestellt ist, und dass er um einen ge ringen Betrag auch vertikal verschiebbar ist.
Der Tragarm<B>18</B> besitzt ferner ein Drehlager <B>1.9</B> für eine Rolle 20. Am Umfang der Rolle 20 ist eine Nut 21 angebracht, deren Radial- quersehnitt sich über einen Teil der Nuttiefe mit dem gewünschten Profil der Schaufel- vorderkante deckt.
Das Material der Rolle 20 ist so gewählt, dass seine Härte in bezug auf diejenige der Schaufel 14 grösser ist, so dass, wenn die Rolle -unter Druck in Berüh- run- mit der Schaufelkante gebracht wird, wie zn dies in Fig. <B>7</B> und<B>8</B> dargestellt ist, und wenn der Tragarm<B>18</B> in Richtung des Pfeils<B>E,</B> zwischen den Stellungen, die mit ausgezogenen bzw. gestriehelten Linien in Fig. <B>7</B> dargestellt sind, hin und her bewegt wird,
das übersehüs- sige Material an der Vorderkante der Schaufel gleichmässig verteilt und das Profil genau ge formt wird. Die Folge davon ist, dass erstens das Sehaufelmaterial örtlich gehärtet wird, was offensichtlich ein Vorteil ist, und dass zweitens die Profilmittellinie etwas vergrössert wird. In der Praxis liegt diese Zunahme innerhalb der Grenzen, der für die Profil mittellinie notwendigen Genauigkeit und kann deshalb ausser Acht gelassen werden. Die Be wegung des Tragarmes<B>18</B> in vertikaler Rieh- tung kann durch entsprechend angeordnete Anschläge begrenzt sein.
Um eine genaue Einstellung der Rolle 20 bezüglich der Vorderkante der Schaufel 14 zu gewährleisten, ist die Nut 21 tiefer als dies zur Bildung der Vorderkante notwendig wäre, so dass die radial äussersten Teile der Seiten wände der Nut mit den vorangehend fertig bearbeiteten Teilen des Sehaufelprofils in Be rührung sind. Indem der Rolle 20 in ihrer xrichtung eine gewisse Bewegungsfreiheit be lassen ist, ist ihre genaue Einstellung bezüg- lieh der Sehaufel gewährleistet.
Nach dem beschriebenen Arbeitsgang durch Rollen der Kante wird die Schaufel 14 durch Wegschneiden der Teile<B>15</B> (wie dies durch die Linien 22 nud <B>23</B> dargestellt ist) fertig hergestellt.
Obschon bei der vorhergehenden Einrich tung die Endbearbeitung der Kanten an durch spanabhebende Bearbeitung vorgefer tigten Schaufeln beschrieben ist, ist das Ver fahren in den meisten Fällen auch anwend bar, wenn die Schaufeln durch Sehmieden oder Giessen hergestellt werden, worauf ein Arbeitsgang folgt, der sie zur Bildung der Vorderkante vorbereitet.
Das Verfahren kann, mit geringen Ände rungen, auch bei der Herstellung einer Schau fel verwendet werden, deren Querschnitt sich über ihre ganze Länge ändert. Fig. <B>9</B> zeigt eine Schaufel 24, deren Querschnitt nach der Schaufelspitze kleiner wird und deren Vor derkante geformt werden soll.
Wie oben be schrieben, wurde die Schaufel durch Vorferti- gung in das notwendige Herstellungsstadhini. gebraeht, worauf eine Nutenrolle <B>25</B> über ihre Vorderkante geführt wird, Lind zwar in einer Hin- und Herbewegung zwisehen den zwei mit ausgezogenen bzw. gestriehelten Linien darge stellten Stellungen.
Entsprechend dem sieh ändernden Schaufelquersehnitt, ändert sieh in diesem Fall auch der RadialqLiersehnitt der Rollennut an jedem Punkt ihres Umfanges, und die Rolle wälzt sieh bei ihrer Translations- bewegung ohne jedes Gleiten auf der Kante ab, indem die beiden Bewegungen synehroni- siert sind.
Der Boden der Nut ist mit der Rollenaxe konzentriseh, wie dies durch die gestrichelte Linie<B>26</B> dargestellt ist, so dass die Schaufel derart angeordnet werden kann, dass ihre Vorderkante dem Beweglingsweg der Rolle parallel ist, während der Umfang<B>27</B> der Rolle von irgendeiner, von der Tiefe der Nut abhängenden Form sein kann. Im gezeieh- neten Beispiel bildet der Umfang<B>27</B> der Rolle aus Zweekmässigkeitsgründen einen Teil eines Zylinders, der zur Rollenaxe exzentrisch ist.
Die Länge der Nut rund um den Rollen umfang ist ungefähr gleich gross wie die Länge der Schaufel. Eine Einbuehtung <B>28</B> ist am Rollenumfang vorgesehen, und zwar zwi- sehen den Enden der Nut, um Platz zu sehaf- èn für den Sehaufelfuss, wenn sieh die Rolle am Fussende der Schaufel befindet.
Uni sicherzustellen, dass Rolle und Schaufel wäb- rend des Arbeitsganges in der richtigen Re lativlage verbleiben, trägt die Rollenspindel ein Ritzel, dessen Teilkreisdurehmesser gleieh dem mittleren Durchmesser der Rollennut ist und -welche mit einer Zahnstan-e im Eingriff ist, die in bezug auf die Schaufel feststeht.
<B>Auch</B> in diesem Fall kann die Rolle, wie im vorangehend beschriebenen Beispiel, begrenzt seitlich versehiebbar sein, und in beiden Fäl len kann die Hin- und Herbewegung natür- lieh auch der Schaufel selbst anstatt der Rolle mitgeteilt werden. Obschon das letztbesehrie- bene Verfahren vor allem zur Herstellung von Schaufeln angewendet werden kann, die ver- änderliehen Querschnitt aufweisen, so ist doch zu bemerken, dass es auch zur Herstellung von.
Sehauf eln mit über die Länge änderndem Ein trittswinkel verwendbar ist. Wenn die Ände rung des Eintrittswinkels nur klein ist, kann die Sehaufelkante an der Stelle, an der der mittlere Eintrittswinkel ist, vertikal und wie im beschriebenen Beispiel parallel zum Be wegungsweg der Rolle angeordnet werden. Die Änderung des Eintrittswinkels könnte dann durch Änderung des Nutenquersehnittes aus geglichen werden. Wenn jedoch die Änderun- geil des Eintrittswinkels gross sind, so ist die ses Verfahren ungeeignet.
Um deshalb solche Sehaufeln herstellen zu können, bedarf das Verfahren einer kleinen Modifikation, indem die Schaufeln eine kleine Drehbewegung rela tiv zur Rolle ausführen müssen, und zwar um eine Längsaehse, gleichzeitig mit der Hin- und Herbewegung der Rolle, so dass in jedem ge gebenen Querschnitt die Eintrittskante (das heisst der entsprechende Schenkel des Ein trittswinkels) im Augenblick, in welchem die Rolle diesen Querschnitt passiert, vertikal steht.
Zweckmässig führt die Verdrehachse der Schaufel durch einen Punkt in jedem Querschnitt, der wenigstens in der Nähe des Krümmungszentrums des Vorderkantenprofils liegt, wobei die Rolle um einen grösseren Be trag seitlieh versehiebbar sein muss als im Fall einer feststehenden Schaufel. Die Dreh bewegung der Schaufel muss natürlich mit dem Bewegungsnieehanismus der Rolle wir kungsverbunden und synchronisiert sein.
Im erstbesehriebenen Beispiel kann die Nut durch Drehen oder einen ähnlichen Ar beitsvorgang in der Rolle angebracht werden. Dies ist jedoch bei der Rolle des andern Bei spiels unmöglich. Ein Verfahren zur Bildung der Rollennut, die sich für alle Beispiele eignet, ist in den Fig. <B>10</B> und<B>11</B> dargestellt und soll im folgenden näher beschrieben wer den. Ein Randteil<B>29</B> eines Stahlstüekes <B>30</B> wird von Hand auf die Form eines Schaufel- kantenprofils, in diesem Fall mit abgerundet auslaufendem Querschnitt, gebracht und an schliessend gehärtet, um als Lehrschablone zu dienen.
Darauf wird sie auf einem hin und her bewegbaren Tisch angeordnet, über wel- ehem sieh die auf einer geeigneten Spindel befestigte Rolle<B>31</B> befindet, in welche die Form des Vorderkantenprofils eingearbeitet werden soll. Die Rolle<B>31</B> ist mit dem Tisch drehverbunden, wie dies an Hand der Fig. <B>9</B> beschrieben wurde, so dass die Rolle<B>31</B> und die Lehrschablone<B>30</B> in der richtigen Relativ lage gehalten sind.
Wenn die Rolle in Rieh- tung nach unten gleichmässig unter Druck ge setzt und die Schablone mit dem Tisch hin und her bewegt wird, drückt sieh die Form der gehärteten Lehrschablone<B>30</B> in die Rolle <B>31.</B> ein, die in diesem Stadium aus relativ wei- ehein Metall besteht. Anschliessend wird die Rolle gehärtet und fertigbearbeitet, so dass sie gebrauchsfertig ist. Soll eine grössere Anzahl gleicher Schaufeln hergestellt werden, so kön nen mittels der gleichen Lehrsehablone meh rere Rollen hergestellt werden.
Werden Rollen verlangt zur Herstellung von Schaufeln mit variablen Eintrittswinkeln, so wird dieses Ver fahren etwas abgeändert. Sind die Änderun gen der Eintrittswinkel nur klein, so wird die Lehrsehablone derart angeordnet, dass der eine Schenkel des mittleren Eintrittswinkels ver tikal ist; wenn dagegen die Eintrittswinkel- Änderungen grösser sind, wird der Lehr- sehablone zusätzlich noch die gleiche Dreh bewegung erteilt, wie dies nachfolgend bei der Bearbeitung der Schaufel durch die Rolle mit der Schaufel der Fall ist.
Obschon sieh die beschriebenen Beispiele speziell auf die Endfertigung der Vorderkante einer Schaufel beziehen, kann natürlich die Hinterkante einer Schaufel in gleicher Weise hergestellt werden.