DE102004037608A1

DE102004037608A1 - Unwuchtkompensation von rotierenden Bauteilen

Info

Publication number: DE102004037608A1
Application number: DE200410037608
Authority: DE
Inventors: Gregor Dr. Kappmeyer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2006-03-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Wuchten von rotierenden Bauelementen von Gasturbinentriebwerken, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Wuchtprüfung erfolgt und dass in einem zweiten Schritt auf der Basis der Ergebnisse der Wuchtprüfung mittels eines Materialauftragsverfahrens Werkstoff an ausgewählten Stellen mit ausgewählter Masse aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Unwuchtkompensation von rotierenden Bauteilen.
Insbesondere bei rotierenden Bauteilen von Luftfahrtgeräten, von Gasturbinentriebwerken oder von stationären Gasturbinen ergibt sich die Notwendigkeit, Unwuchten zu kompensieren.
Derartige Unwuchten können bei hoch beanspruchten rotierenden Bauteilen, beispielsweise durch Positionsabweichungen beim Aufspannen der Bauteile, in verschiedenen Arbeitsgängen auftreten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Unwuchten bei der Bearbeitung der Bauteile durch freiwerdende Eigenspannungen auftreten, welche zu geometrischen Ungenauigkeiten und Asymmetrien führen.
Zur Kompensation (Auswuchtung) von Unwuchten ist es erforderlich, das Bauteil in einer oder in mehreren Ebenen auszuwuchten.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Auswuchtung durch gezielte lokale Veränderung der Masseverteilung im Bauteil vorzunehmen. Dies kann beispielsweise durch spanende Fertigungsverfahren, beispielsweise Drehen, Fräsen oder Bohren, erfolgen. Eine Alternative ist das Anbringen von Wucht-Gewichten oder das gezielte Verschieben von variablen Massen, beispielsweise Bauteilbereichen, die zum Zwecke des Auswuchtens verschiebbar oder verstellbar sind, um eine ungleichmäßige Massenverteilung am Bauteil zu kompensieren. Darüber hinaus ist eine gezielte, die Unwucht kompensierende Montage von Bauteilen in der Art üblich, dass sich die Unwuchten der miteinander verschraubten Bauteile gegenseitig aufheben. Dies wird vor allem bei mehrteiligen Rotoren angewendet.
Bei einer spanenden Bearbeitung eines Bauteils erfolgt die Kompensation oder Korrektur einer Unwucht meist durch außermittiges Drehen. Bei Fräsvorgängen wird ein Umfangssegment entsprechend der Unwuchtmasse entfernt. Dabei wird bei Luftfahrtkomponenten aus Gewichtsgründen häufig das maximal zulässige Materialvolumen entfernt, um insgesamt ein minimiertes Bauteilgewicht zu erreichen.

Verfahren zur Entfernung von Bauteilbereichen durch spanende Bearbeitungsverfahren zeigen beispielsweise die US 6,354,780 B1 oder die EP 1 188 900 A2 . Bei diesen Verfahren wird ein ursprünglich überschüssiges Materialvolumen entsprechend abgetragen. Dies bedingt, dass das Bauteil ursprünglich eine größere Masse aufweist, als eigentlich erforderlich. Zudem lassen sich derartige Verfahren nicht beliebig oft anwenden, da der abzutragende Materialbereich erschöpft wird.

Die US-Patente 5,285,700 und 5,584,659 beschreiben die Anbringung von Zusatzgewichten. Derartige Vorgehensweisen sind konstruktiv aufwendig und in der Durchführung teuer, da sehr viel manuelle Arbeit erforderlich ist, um eine entsprechende feine Unwuchtkompensation vorzunehmen. Zudem ist ein erhöhter Herstellungsaufwand erforderlich. Auch sind die Bauteile insgesamt voluminöser, um die Zusatzgewichte unterbringen zu können.

Gebräuchlich sind im Stand der Technik weiterhin Verfahren, bei welchen an rotierenden Bauteilen Nuten oder Aussparungen vorgesehen sind, um Wuchtgewichte vorbestimmter Masse und Geometrie an unterschiedlichen Stellen am Bauteil anzubringen. Das Anbringen derartiger Wuchtgewichte in einer umlaufenden Nut zeigt die EP 1 052 424 A3 . Ähnliche Verfahren zeigen auch die US 2002/0028141 A1 und die GB 2 287 510 A . Das US-Patent 5,018,943 beschreibt ebenfalls die Gestaltung und Befestigung von Wuchtgewichten an Turbinenscheiben. Der Materialabtrag zum Wuchten von Blisks mittels Drehen ist aus der US 6,354,780 B1 vorbekannt.

Die vorbeschriebenen Verfahren zeichnen sich durch eine Vielzahl von Nachteilen aus. Bei rotierenden Luftfahrtbauteilen, wie etwa Triebwerksläuferkomponenten, können Fehler im Wuchtprozess zu irreparablen Unwuchten führen, da die in der jeweiligen Bauteilspezifikation geforderte höchstzulässige Unwucht nicht mehr mittels weiterer Materialabnahme verringert werden kann. Dies ist insbesondere bei hochkomplexen modernen Verdichtern in Blisk-Bauweise der Fall, die über ihre gesamte Lebensdauer aufgrund von Verschleiß oder Beschädigung im Betrieb mehrfach instandgesetzt werden müssen. Dabei werden Verfahren angewandt, die zu einer deutlichen Erhöhung der Unwucht führen können. Die Blisk-Verdichter-Scheiben müssen somit zusätzliche Wuchtmasse vorhalten, um die Kompensation zu ermöglichen. Hierdurch erhöht sich jedoch die Gesamtmasse des Bauteils.

Bei der Verwendung von Wuchtgewichten vergrößert sich die Anzahl der zu verwendenden Bauteile, wodurch sich wiederum ein erhöhter logistischer Aufwand und ein erhöhter Montageaufwand ergeben. Abgesehen von den Fehlermöglichkeiten ergeben sich somit ganz erhebliche Kostensteigerungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, betriebssicherer Anwendbarkeit die zuverlässige Kompensation von Unwuchten. ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, dass in einem ersten Schritt eine Wuchtprüfung erfolgt. Auf der Basis der Werte und Ergebnisse dieser Wuchtprüfung wird erfindungsgemäß mittels eines Materialauftragsverfahrens Werkstoff an ausgewählten Stellen des Bauteils aufgebracht, wobei der Werkstoff mit einer ausgewählten Masse aufgebracht wird. Es ist somit aus den Ergebnissen der Wuchtprüfung in einfacher Weise zu ermitteln, welche Massenbereiche an welchen Bauteil-Bereichen aufgetragen werden müssen. Eine Schwächung des Bauteils durch Materialabtrag erfolgt somit nicht. Vielmehr ist es möglich, den Materialauftrag durch den aufzubringenden Werkstoff exakt auszuwählen und an exakt den richtigen Stellen einzusetzen.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, ein auftragendes Fertigungsverfahren zum Zweck der Herstellung eines gleichmäßigen, konstruktions- und zeichnungsgerechten Wuchtzustandes einzusetzen.

Das erfindungsgemäße Materialauftragsverfahren kann beispielsweise ein Laserauftragsschweißverfahren, ein Plasmaspritzverfahren, ein TIG-Schweißverfahren oder ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren sein. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, vielmehr können sämtliche Materialauftragsverfahren eingesetzt werden.

Die aufzutragende Masse wird erfindungsgemäß durch Festlegen der Prozessparameter bestimmt. Hierzu ist es in einfacher Weise möglich, die Höhe und die Breite der aufzutragenden Materialbereiche zu bestimmen. Auch können mehrere Materialbahnen nebeneinander oder übereinander liegend aufgebracht werden, abhängig von der Geometrie des Bauteils. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit in hohem Maße variabel und kann sowohl an die Werkstoffe als auch an die Geometrien der einzelnen Bauteile in optimaler Weise angepasst werden. Somit ist es insbesondere möglich, den Materialauftrag an Positionen des Bauteils vorzunehmen, welche einerseits eine gute Zugänglichkeit für das Materialauftragsverfahren gewährleisten und andererseits eine nachfolgende Bearbeitung ermöglichen.

Bevorzugterweise erfolgt der Materialauftrag mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens an Planflächen und/oder an Außendurchmessern der rotierenden Bauelemente.

Das auftragende Verfahren wird erfindungsgemäß dazu eingesetzt, nicht vorhandenes Werkstoffmasse bzw. Werkstoffvolumen zum Zwecke des Massenausgleichs zu erzeugen.

In einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass nach dem Aufbringen des Werkstoffs eine nochmalige Wuchtprüfung durchgeführt wird und aufgrund der Ergebnisse dieser nochmaligen Wuchtprüfung eine Fein-Kompensation gegebenenfalls noch vorhandener Unwuchten beseitigt wird. Diese Fein-Kompensation kann durch einen weiteren Materialauftrag oder durch einen Materialabtrag erfolgen. So ist es möglich, einzelne Bereiche des aufgetragenen Werkstoffs, beispielsweise mittels eines spanenden Bearbeitungsverfahrens, abzutragen.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass dieses an einem Bauteil beliebig oft eingesetzt werden kann, da die Grundstruktur des Bauteils nicht abgetragen oder geschwächt wird. Sollte bei einem nachfolgenden Reparaturvorgang ein Abtrag von Massenbereichen erforderlich sein, so kann der in dem vorangegangenen Unwucht-Kompensationsverfahren aufgebrachte Werkstoff wieder abgetragen werden.

Erfindungsgemäß wird der Bereich, an dem der Materialauftrag erfolgt, in einen für die Bauteileigenschaften und Lebensdauer des Bauteils unkritischen Bereich liegen. Die konstruktive Auslegung des Bauteils berücksichtigt dabei eventuelle Einschränkungen der Bauteillebensdauer oder der Materialeigenschaften.

Erfindungsgemäß kann auf die Verwendung von zusätzlichen Bauteilen, wie beispielsweise Wuchtgewichten oder Ähnlichem vollständig verzichtet werden.

Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch, dass in einfacher Weise das an bestimmten Bereichen des Bauteils erforderliche Massen-Defizit ausgeglichen werden kann. Der Betrag der Unwucht kann hierbei in einfacher Weise als Äquivalent des aufzutragenden Werkstoffvolumens ermittelt werden. Dies kann beispielsweise als definierte Länge einer oder mehrerer Schweißraupen oder Materialschichten bestimmt werden, wodurch eine sehr präzise Unwuchtkompensation ermöglicht wird. Dabei ist es günstig, dass die hinzuzufügende Masse proportional zur hinzugefügten Materialmenge ist. Dieser Zusammenhang kann experimentell in einfacher Weise durch Gestaltung der Prozessparameter, beispielsweise aus der Prozesszeit des Materialauftragsverfahrens und aus der Geometrie des aufgetragenen Werkstoffs (Länge/Breite/Höhe) ermittelt und eingestellt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine Teil-Schnittansicht, in schematischer Darstellung, einer Blisk-Scheibe,
2 eine stirnseitige Ansicht, mit Blickrichtung von links, auf die Darstellung der 1, und
3 ein Ablaufdiagramm zweier Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1 zeigt in sehr schematischer Weise eine Schaufel 5 einer Blisk-Scheibe. Die Scheibe selbst ist mit dem Bezugszeichen 6 versehen, während das Bezugszeichen 7 die Drehachse oder Maschinenachse bezeichnet.
Die mit dem Bezugszeichen 1 bezeichneten Bereiche zeigen in der Schnittansicht zwei konzentrische Schweißraupen oder Material-Auftragsbahnen, welche an einer Stirnfläche der Scheibe 6 nebeneinander aufgebracht sind. Mit dem Bezugszeichen 2 ist eine Variante dargestellt, bei welcher mehrere Bahnen des aufzubringenden Werkstoffs übereinander aufgebracht sind, beispielsweise an einer radial nach innen weisenden Umfangsfläche der Scheibe 6.
Die 2 zeigt in schematischer Darstellung mit dem Bezugszeichen 3 zwei konzentrische Bahnen von aufgebrachtem Werkstoff. Mit dem Bezugszeichen 4 ist ein Teilbereich, analog dem Bereich der 2 der 1 gezeigt, bei welchem nach dem Materialauftrag und einer nochmaligen Wuchtprüfung eine vorgegebene Material-Masse mechanisch abgetragen wurde, beispielsweise durch ein spanendes Bearbeitungsverfahren.
Die 3 zeigt zwei Beispielabläufe erfindungsgemäßer Vorgehensweisen. Bei dem Beispielablauf 1 erfolgt eine Wuchtprüfung. Aufgrund der Ergebnisse dieser Wuchtprüfung erfolgt ein Materialauftragsverfahren, beispielsweise mittels Lasercladding oder Plasmaspritzen. Nachfolgend erfolgt nochmals eine Wuchtprüfung, bei der optional ein Werkstoffabtrag erfolgen kann, um eine optimale Unwuchtkompensation zu erzielen.
Bei dem Beispielablauf 2 erfolgt nach dem nochmaligen Wuchtprüfen die Entfernung eines größeren Werkstoffbereichs des in dem Materialauftragsverfahren aufgebrachten Werkstoffs, beispielsweise durch Wuchtdrehen oder Wuchtfräsen. Daraufhin wird eine nochmalige Wuchtprüfung durchgeführt, die optional von einer Feinwucht-Entnahme gefolgt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zum Auftragen von Werkstoff an Bereichen des Bauteils erfolgen, die wenig belastet sind und welche eine mehrfache erfindungsgemäße Unwuchtkompensation ermöglichen. Auch eine Gefügebeeinträchtigung des Bauteils ist an derartigen wenig belasteten Bereichen unkritisch.

Claims

Verfahren zum Wuchten von rotierenden Bauelementen von Gasturbinentriebwerken, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Wuchtprüfung erfolgt und dass in einem zweiten Schritt auf der Basis der Ergebnisse der Wuchtprüfung mittels eines Materialauftragsverfahrens Werkstoff (1 bis 3) an ausgewählten Stellen mit ausgewählter Masse aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialauftragsverfahren ein Laserauftragsschweißverfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialauftragsverfahren ein Plasmaspritzverfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialauftragsverfahren ein TIG-Schweißverfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialauftragsverfahren ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Ergebnis der Wuchtprüfung das aufzubringende Werkstoffvolumen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen des Werkstoffs eine nochmalige Wuchtprüfung durchgeführt wird und dass auf der Basis der nochmaligen Wuchtprüfung ein nochmaliger Auftrag von Werkstoff erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen des Werkstoffs eine nochmalige Wuchtprüfung durchgeführt wird und dass auf der Basis der nochmaligen Wuchtprüfung ein Abtrag von Werkstoff erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nicht vorhandene Werkstoffmasse bzw. Werkstoffvolumen zum Zwecke des Massenausgleichs durch auftragende Fertigungsverfahren erzeugt werden.