DE102004059904A1 - Moving blade e.g. for turbo machine, has blade point which faces stator in turbo machine and contacts into channel of stator with blade point provided in such way that blade contacts channel at its edges and into rotor - Google Patents
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-
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Abstract
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbomaschinen. Sie betrifft eine Laufschaufel für die Rotorbeschaufelung einer Turbomaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The The present invention relates to the field of turbomachinery. It concerns a blade for the rotor blading of a turbomachine according to the preamble of claim 1 and a process for their preparation.
Für den Wirkungsgrad einer Turbomaschine, z.B. einer Turbine oder einem Kompressor, ist es wichtig, dass das Spiel zwischen den Schaufelspitzen der Laufschaufeln der Rotorbeschaufelung und der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche am Stator möglichst gering ist. Durch Fertigungstoleranzen und thermomechanische Veränderungen kann es dazu kommen, dass die Rotorbeschaufelung mit dem Stator kollidiert.For the efficiency a turbomachine, e.g. a turbine or a compressor It is important that the game between the blade tips of the blades the rotor blading and the opposite boundary surface on the stator preferably is low. Through manufacturing tolerances and thermomechanical changes It can happen that the rotor blading with the stator collided.
Um
bei einer Kollision der Rotorbeschaufelung mit dem Stator einen
kontrollierten Einreibvorgang zu gewährleisten ist die Rotorbeschaufelung meist
gemäss
Entlang
der Laufschaufel
Im
Bereich der Strömungseintrittskante
Durch
die oben beschriebenen Umstände, nämlich den
erheblichen negativen Einfluss der Strömungsverwirbelungen an den
Ein- und Austrittskanten
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION THE INVENTION
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Laufschaufel für eine Turbomaschine zu schaffen und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, durch welche die Nachteile bekannter Schaufeln im Hinblick auf das Einreiben der Schaufelspitzen in den Stator vermieden werden und insbesondere ein verbesserter Wirkungsgrad der Turbomaschine erreicht wird.It The object of the invention is to provide a blade for a turbomachine and to provide a method of producing the same by which the Disadvantages of known blades with regard to rubbing the Vane tips are avoided in the stator and in particular an improved efficiency of the turbomachine is achieved.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Schaufelspitze so auszubilden, dass die von der Schaufelspitze in den Rotor eingeriebene Nut an ihren Rändern auslaufend ausgebildet ist. Hierdurch werden Abrisse der Strömung und Verwirbelungen im Bereich der eingeriebenen Nut reduziert, während gleichzeitig das Spiel zwischen Rotorbeschaufelung und Stator weiterhin im mittleren Bereich der Schaufelspitze so gering wie möglich gehalten werden kann.The The object is achieved by the entirety of the features of claims 1 and 14 solved. The essence of the invention is to form the blade tip in such a way that rubbed by the blade tip in the rotor groove their edges is formed expiring. This will break the flow and Whirling in the area of the grooved groove is reduced while at the same time the game between rotor blading and stator continues in the middle Area of the blade tip can be kept as low as possible.
Bevorzugt wird dieses Verhalten dadurch erreicht, dass die Schaufelspitze ein vorgegebenes Schneidvermögen aufweist, welches entlang der Schaufelspitze variiert. Insbesondere ist das Schneidvermögen an den Strömungseintritts- und -austrittskanten minimal und erreicht in der Mitte zwischen den Strömungseintritts- und -austrittskanten ein Maximum. Besonders günstig ist es, wenn das Schneidvermögen an den Strömungseintritts- und -austrittskanten gegen Null geht.Prefers this behavior is achieved by the blade tip a given cutting capacity which varies along the blade tip. Especially is the cutting ability to the flow entrance and exit edges minimally and reaches in the middle between the flow entry and exit edges Maximum. Very cheap is it when the cutting ability to the flow entrance and -austrittskanten goes to zero.
Es hat sich als ideal herausgestellt, wenn das Schneidvermögen entlang der Schaufelspitze in Abhängigkeit von der Ortskoordinate einer Kurve folgt, die der Kurve der Druckdifferenz an der Schaufelspitze in Abhängigkeit von der Ortskoordinate entspricht.It has proven to be ideal when cutting power along the blade tip in dependence from the location coordinate follows a curve that the curve of the pressure difference at the blade tip in dependence from the location coordinate.
Besonders einfach lässt sich das gewünschte Verhalten der Schaufel erreichen, wenn das Schneidvermögen der Schaufelspitze durch eine abrasive Schicht vorgegeben wird, mit welcher die Schaufelspitze versehen ist, wobei die abrasive Schicht insbesondere aus einem in ein geeignetes Füllmaterial eingebetteten Abrasivstoff besteht. Als Abrasivstoff hat sich dabei beispielsweise kubisches Bornitrid bewährt.Especially just lets the desired Behave the blade when the cutting capacity of the Blade tip is given by an abrasive layer, with which the blade tip is provided, wherein the abrasive layer in particular from an abrasive material embedded in a suitable filling material consists. For example, cubic boron nitride has as abrasive substance proven.
Die Variation im Schneidvermögen wird vorzugsweise durch eine Variation in der abrasiven Schicht hervorgerufen, die auf der Schaufelspitze selektiv aufgebracht ist. Um ein verschwindendes Schneidvermögen an den Kanten der Schaufelspitze zu erzielen, ist die abrasive Schicht bevorzugt nur in einem mittleren Abschnitt der Schaufelspitze aufgebracht.The Variation in cutting ability is preferably by a variation in the abrasive layer caused selectively on the blade tip. To a vanishing cutting power at the edges of the blade tip achieve, the abrasive layer is preferably only in a middle Applied portion of the blade tip.
Grundsätzlich kann die abrasive Schicht auf der Schaufelspitze erhaben aufgebracht werden. Besonders günstig ist es jedoch, wenn die selektiv aufgebrachte abrasive Schicht Ausnehmungen in der Schaufelspitze auffüllt; derart, dass die Länge der Schaufel über die Schaufelbreite einheitlich ist.Basically the abrasive layer applied raised on the blade tip become. Very cheap However, it is when the selectively applied abrasive layer recesses fills in the blade tip; such that the length the shovel over the blade width is uniform.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, die Dicke der abrasiven Schicht und/oder die Dichte des Abrasivstoffs in der abrasiven Schicht und/oder die Einbindung des Abrasivstoffs in die abrasive Schicht ortsabhängig auszugestalten.Farther exists within the scope of the invention, the possibility of the thickness of the abrasive Layer and / or the density of the abrasive in the abrasive layer and / or the incorporation of the abrasive in the abrasive layer location-dependent embody.
Eine
bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich
dadurch aus, dass zum Beschichten der Schaufelspitze mit dem abrasiven
Material ein Abrasivstoff in ein geeignetes Füllmaterial eingebettet und
auf die Schaufelspitze (
Besonders vorteilhaft ist es, wenn beim Beschichten der Schaufelspitze mit der abrasiven Schicht die abrasive Schicht ortsabhängig so variiert wird, dass sich ein ortsabhängig variierendes Schneidvermögen der Schaufelspitze ergibt.Especially It is advantageous if when coating the blade tip with the abrasive layer the abrasive layer depending on location so is varied, that a locally dependent varying cutting capacity of Blade tip results.
Insbesondere kann die abrasive Schicht selektiv nur in einem bestimmten Abschnitt der Schaufelspitze aufgebracht werden, wobei die abrasive Schicht vorzugsweise nur in einem mittleren Abschnitt der Schaufelspitze aufgebracht wird, und die Schaufelspitze an der Strömungseintrittskante und Strömungsaustrittskante frei bleibt.Especially The abrasive layer can be selective only in a specific section the blade tip are applied, the abrasive layer preferably only in a central portion of the blade tip is applied, and the blade tip at the flow inlet edge and flow outlet edge remains free.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn in dem bestimmten Abschnitt zunächst, insbesondere durch Fräsen oder Schleifen, eine Ausnehmung in die Schaufelspitze eingebracht wird, und wenn dann die Ausnehmung mit der abrasiven Schicht, insbesondere auf die ursprüngliche Höhe, aufgefüllt wird. Die Ausnehmung ist vorzugsweise muldenförmig und weist eine Tiefe zwischen 0,1 und 0,5 mm auf.In In this context, it is advantageous if in the particular section first, especially by milling or grinding, a recess introduced into the blade tip is, and then when the recess with the abrasive layer, in particular to the original one Height, is refilled. The recess is preferably trough-shaped and has a depth between 0.1 and 0.5 mm.
Die ortsabhängige Variation der abrasiven Schicht kann insbesondere durch eine Variation eines oder mehrerer Prozessparameter beim Auftragen entlang der Schaufelspitze bewirkt werden. Wird die abrasive Schicht mittels Laserauftragsschweissen über die Schaufelspitze fahrend aufgebracht, wobei Abrasivstoff und Füllmaterial gleichzeitig als gebündelter Pulverstrahl auf die Schaufelspitze gerichtet und mit einem Hochleistungslaser lokal aufgeschmolzen werden, bietet es sich an, dass als Prozessparameter die Verfahrgeschwindigkeit bzw. Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Pulvermenge pro Zeiteinheit und/oder die Laserleistung variiert werden.The location-dependent Variation of the abrasive layer may in particular by a variation one or more process parameters when applied along the Blade tip can be effected. If the abrasive layer by means of Laser deposition welding via driving the blade tip driving, with abrasive and filler at the same time as bundled Powder jet directed to the blade tip and with a high power laser locally melted, it lends itself to being used as a process parameter the travel speed or feed rate and / or the amount of powder per unit time and / or the laser power varies become.
Besonders günstig ist es, wenn die Prozessparameter während des Auftragens der abrasiven Schicht entlang der Schaufelspitze vollautomatisch geregelt werden, wobei die Schmelzbadtemperatur entlang der Schaufelspitze so vorgegeben wird, dass es im mittleren Abschnitt der Schaufelspitze zur besonders effizienten Einbindung des Abrasivstoffes kommt, die Schmelzbadtemperatur während des Auftragsprozesses gemessen wird, und das Messsignal als Regelgrösse für die Steuerung der Laserleistung dient.Especially Cheap it is when the process parameters during the application of the abrasive layer be controlled fully automatically along the blade tip, wherein set the molten bath temperature along the blade tip so Make sure that it is in the middle section of the blade tip for extra efficient incorporation of the abrasive material, the melt bath temperature while of the order process is measured, and the measurement signal as a controlled variable for the controller the laser power is used.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENSHORT EXPLANATION THE FIGURES
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenThe Invention is intended below with reference to embodiments in connection closer to the drawing explained become. Show it
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS TO PERFORM THE INVENTION
Wie
bereits eingangs erwähnt,
entsteht entlang der Laufschaufel eine ortsabhängige Druckdifferenz dp(x)
gemäss
Es
ist daher möglich,
im Bereich Strömungsein-
und Strömungsaustrittskante
einen Verschleiss der Schaufelspitze (bzw. einen Wegfall der vor
Verschleiss schützenden
abrasiven Schicht) zuzulassen, um die Nut auslaufend in den Stator
einzureiben. Eine solche Konfiguration von Schaufel und Nut ist
in
Eine
Methode zur Optimierung des Schneidvermögens der Schaufeln bietet das
Beschichten der Schaufelspitzen mit abrasivem Material. Dazu können geeignete
Abrasivstoffe, wie z.B. kubisches Bornitrid, in ein geeignetes Füllmaterial
eingebettet und auf die Schaufelspitze
- – Gute Anbindung zwischen abrasiver Spitze und Schaufelkörper
- – Hohes Schneidvermögen
- – Geringe Beeinflussung der mech. Eigenschaften und Geometrie der Schaufel
- – Wirtschaftlichkeit
- - Good connection between abrasive tip and blade body
- - High cutting capacity
- - Low influence of the mech. Properties and geometry of the blade
- - Economics
Insbesondere
Laserauftragsschweissen (LMF: Laser Metal Forming) genügt all diesen
Erfordernissen. Dabei werden Abrasivstoff und Füllmaterial gleichzeitig als
gebündelter
Pulverstrahl auf die Schaufelspitze gerichtet und mit einem Hochleistungslaser
lokal aufgeschmolzen, wie dies in
Bei
geeigneter Wahl der Prozessparameter bleibt die blockige, scharfkantige
Form der Abrasivpartikel erhalten und es entsteht eine solide, rissfreie Verbindung
zwischen Schaufel und abrasiver Spitze. Besonders attraktiv ist
bei dieser Methode die Verwendung von modernen Festkörperlasern
(Nd-YAG, Diodenlaser, Faserlaser, Disklaser, etc...), da diese Energiequellen
durch Faserkopplung räumlich
vom Beschichtungsort getrennt werden können. Über eine flexible Glasfaser
als Lichtleiter kann die Laserstrahlung beispielsweise zu einer
CNC-Anlage oder einem
Roboter mit speziellem koaxialen Laser/Pulverkopf geführt werden
(siehe
Das geeignete Prozessfenster wird vor allem durch die Wahl des Materials und die Geometrie der zu beschichtenden Schaufel bestimmt. Es wird normalerweise eine gleichmässige Beschichtungsdicke angestrebt. Da die Dicke des Auftrags auch wesentlich von den Prozessparametern beeinflusst wird, ist es erforderlich, diese gezielt an die Erfordernisse anzupassen.The suitable process window is mainly due to the choice of material and determines the geometry of the blade to be coated. It will usually a uniform Desired coating thickness. Because the thickness of the job is also essential influenced by the process parameters, it is necessary to tailor these to the requirements.
Im
vorliegenden Fall wird nun dazu übergegangen,
die Schaufelspitze durch gezielte Kontrolle der Beschichtung gleichzeitig
auch hinsichtlich der Aerodynamik im Betrieb zu optimieren. Dazu
wird die Schneidwirkung durch lokale Veränderung der Beschichtung so
beeinflusst, dass ein Einreibverhalten resultiert, wie es in
Eine gezielte Beeinflussung des Schneidvermögens kann dabei durch folgende Methoden erreicht werden:
- 1. Selektives Beschichten:
Die Abrasivschicht wird nicht mehr entlang der ganzen Schaufel,
sondern nur im mittleren Abschnitt b von
2 aufgebracht. Dadurch bekommt die Schaufel in diesem Bereich verbesserte Schneideigenschaften, während an Strömungsein- und -austrittskante23 bzw.24 ein Abrieb von Schaufelmaterial auftritt. Als Ergebnis erhält die entstehende Nut22 im Stator15 den in3 dargestellten gewünschten Verlauf. - 2. Selektives Beschichten mit Vorbereitung: Die Beschichtung erfolgt im wesentlichen wie in 1.) beschrieben. Es wird jedoch vor der Beschichtung in die Schaufelspitze eine flache muldenartige Ausnehmung bzw. Mulde (Tiefe zwischen 0.1 und 0.5 mm) in die zu beschichtende Schaufelendfläche gefräst oder geschliffen. Abrasivmaterial wird lediglich in der vorbearbeiteten Zone aufgebracht. Mit dieser Variante erhält die Schaufel eine einheitliche Länge und gleichzeitig die gewünschten, entlang der Länge variierenden Schneideigenschaften.
- 3. Variation der Prozessparameter entlang der Schaufelspitze:
Hierzu eignet sich vor allem der Laserprozess aufgrund seiner guten
Kontrollierbarkeit. Es können
beim LMF-Prozess sowohl die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laser
und Schaufel, als auch Pulvermenge, Laserleistung und Kombinationen
dieser Parameter verändert werden.
Wichtig ist dabei die Zeitkonstante des zu verändernden Parameters, die klein
gegenüber den
typischen Beschichtungszeiten sein muss, damit die Beeinflussung
kontrolliert verläuft.
Bei der geschilderten Methode mit pulverförmiger Materialzufuhr eignet
sich deshalb insbesondere die Variation von Vorschubgeschwindigkeit
und Laserleistung. So wird bei konstanter Förderrate und Laserleistung
im Bereich der Strömungsein-
und -austrittskante
23 bzw.24 die Vorschubgeschwindigkeit erhöht, wodurch an diesen Orten weniger Abrasivmaterial aufgetragen wird und damit eine reduzierte Schneidwirkung bewirkt wird. Eine kontrollierte Veränderung der Vorschubgeschwindigkeit ist durch entsprechende Programmierung reproduzierbar erreichbar. - 4. Automatische Regelung der Prozessparameter entlang der Schaufelspitze:
Dazu wird durch on-line Bestimmung von Prozessparametern und Rückkopplung
an die Lasersteuerung eine vollautomatische Regelung entlang der
Schaufelspitze realisiert. Es wird ausgenützt, dass die Einbindung von
Abrasivteilchen besonders effizient erfolgt, wenn die Temperatur
der vom Laser aufgeschmolzenen Zone innerhalb festgelegter Grenzen
liegt. Die Schmelzbadtemperatur wird nun entlang der Schaufel so
vorgegeben, dass es im mittleren Bereich der Schaufel zur besonders
effizienten Einbindung von Abrasivteilchen kommt. Die Schmelzbadtemperatur
in der Wechselwirkungszone wird dabei während des Auftragsprozesses
mit einem Pyrometer gemessen. Das optische Temperatursignal
39 aus dem Schmelzbad34 wird dazu über einen Lichtleiter38 zu einem Pyrometer übertragen und dient als Regelgrösse für die Steuerung der Laserleistung (siehe4 und die Druckschrift WO-A2-2004/090290).
- 1. Selective coating: The abrasive layer is no longer along the entire blade, but only in the middle section b of
2 applied. This gives the blade in this area improved cutting properties, while at the flow inlet and outlet edge23 respectively.24 An abrasion of blade material occurs. The result is the resulting groove22 in the stator15 the in3 shown desired course. - 2. Selective coating with preparation: The coating is carried out essentially as described in 1.). However, a flat trough-like recess or depression (depth between 0.1 and 0.5 mm) is milled or ground into the blade end surface to be coated before coating into the blade tip. Abrasive material is applied only in the pre-machined zone. With this variant, the blade is given a uniform length and at the same time the desired cutting properties varying along the length.
- 3. Variation of the process parameters along the blade tip: This is especially the laser process due to its good controllability. In the LMF process, both the feed rate between the laser and the blade, as well as the amount of powder, laser power and combinations of these parameters can be changed. What is important here is the time constant of the parameter to be changed, which must be small compared to the typical coating times, so that the influence is controlled. In the described method with powdered material supply, therefore, in particular the variation of feed rate and laser power is suitable. Thus, at constant delivery rate and laser power in the area of the flow inlet and outlet edge
23 respectively.24 increases the feed rate, whereby less abrasive material is applied at these locations and thus a reduced cutting action is effected. A controlled change in the feed rate can be reproducibly achieved by appropriate programming. - 4. Automatic control of the process parameters along the blade tip: For this purpose, a fully automatic control along the blade tip is realized by on-line determination of process parameters and feedback to the laser control. It is exploited that the incorporation of abrasive particles is particularly efficient when the temperature of the melted by the laser zone within predetermined limits. The melt bath temperature is now set along the blade in such a way that particularly efficient incorporation of abrasive particles takes place in the middle region of the blade. The melt bath temperature in the interaction zone is measured during the application process with a pyrometer. The optical temperature signal
39 from the molten bath34 This is done via a light guide38 transferred to a pyrometer and serves as a controlled variable for the control of the laser power (see4 and document WO-A2-2004 / 090290).
- 1010
- Laufschaufelblade
- 1111
- StrömungseintrittskanteFlow inlet edge
- 1212
- StrömungsaustrittskanteFlow outlet edge
- 1313
- Schaufelspitzeblade tip
- 1414
- abrasive Schichtabrasive layer
- 1515
- Statorstator
- 16, 2216 22
- Nutgroove
- 1717
- Eintrittskanteleading edge
- 1818
- Austrittskantetrailing edge
- 1919
- Strömungsabrissstall
- 2020
- Rotorrotor
- 2121
- Strömungsrichtungflow direction
- 2323
- StrömungseintrittskanteFlow inlet edge
- 2424
- StrömungsaustrittskanteFlow outlet edge
- 25, 2625 26
- Rand (Nut)edge (Groove)
- 2727
- Strömungsabrissstall
- 28, 3328 33
- abrasive Schichtabrasive layer
- 2929
- Schaufelfussblade root
- 3030
- Laufschaufelblade
- 3131
- Plattformplatform
- 3232
- Schaufelblattairfoil
- 3434
- Schmelzbadmelting bath
- 3535
- Beschichtungsvorrichtungcoater
- 3636
- Laserstrahllaser beam
- 37, 3837, 38
- Lichtleiteroptical fiber
- 3939
- optisches Temperatursignaloptical temperature signal
- 4040
- dichroitischer Spiegeldichroic mirror
- 4141
- Zufuhrleitungsupply line
- 4242
- Pulver-TrägergasmischungPowder-carrier gas mixture
- 4343
- Schaufelspitzeblade tip
- SS
- Spielgame
- a, b, ca, b, c
- Abschnittsection
- dpdp
- Druckdifferenzpressure difference
- xx
- Ortskoordinate (Schaufelspitze)spatial coordinate (Blade tip)
Claims (25)
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---|---|---|---|
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ID=36500246
Family Applications (1)
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