DE102007022467A1

DE102007022467A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schaufelspitzenschleifen eines in BLISK-Bauweise ausgebildeten Laufrades

Info

Publication number: DE102007022467A1
Application number: DE102007022467A
Authority: DE
Inventors: Rainer Mielke
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-13
Also published as: US7833086B2; EP1990131B1; EP1990131A1; US20080280546A1

Abstract

Das Spitzenschleifen von BLISK-Schaufeln wird in ruhendem Zustand der schrittweise drehbaren BLISK mit quer zum Verlauf der Schaufeloberkante ausgerichteter Rotationsachse (9) der entlang der Schaufeloberkante verfahrbaren Schleifscheibe (4) und somit in Richtung des größten Widerstandsmoments der Schaufeln durchgeführt. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist neben der von einem Hauptantrieb (2) angetriebenen Hochgeschwindigkeitswelle (3), auf der konventionell ausgebildete Laufräder zum Schaufelspitzenschleifen angebracht werden können, ein mittels Hilfsantrieb (8) schrittweise drehbares Halteelement (7) für eine BLISK auf. Die Schleifscheibe (4) ist in Y-Richtung verfahrbar und um eine sich in X-Richtung erstreckende Mittelachse schwenkbar, so dass die Schaufelspitzen in ruhendem Zustand in Richtung des größten Widerstandsmoments der Schaufeln geschliffen werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schaufelspitzenschleifen eines in BLISK-Bauweise ausgebildeten, mindestens einen Schaufelkranz umfassenden Laufrades, insbesondere für Kompressoren von Gasturbinentriebwerken, die ein drehbares Halteelement zur Aufnahme des Laufrades sowie eine um eine Rotationsachse rotierende Schleifscheibe umfasst, die an einem in Z-Richtung längs des Halteelements und senkrecht zu diesem in X-Richtung verstellbaren Schlitten angebracht ist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Schleifen der Schaufelspitzen von BLISKS.
Schleifvorrichtungen der eingangs erwähnten Art sind bekannt und werden zum Schleifen der Schaufelspitzen von separat gefertigten und an der Laufradscheibe montierten Schaufeln konventioneller Laufräder mit Erfolg eingesetzt. Aufgrund des zusammen mit dem Halteelement bei hoher Geschwindigkeit rotierenden Rotors bzw. der Rotortrommel (Laufrad oder Laufradtrommel) werden die Schaufeln infolge der Fliehkraft radial nach außen gedrückt und sind somit während des Schleifprozesses stabil und dennoch gedämpft an der Schleifscheibe positioniert.
Beim Schleifen der Schaufelspitzen von in Integralbauweise ausgeführten Rotoren oder Rotortrommeln der Kompressoren von Fluggasturbinen treten aufgrund der geringen Dämpfung zwischen der Scheibe und den einstückig angeformten Schaufeln gegenüber herkömmlichen Laufrädern und Schleifverfahren deutlich höhere Schwingungen auf. Die Schaufeln werden dadurch hoch belastet und können sich unter der Wirkung der Schleifscheibenkraft entwinden. Die Lebensdauer und die Maßgenauigkeit werden verringert. Das Spitzenschleifen von als BLISK ausgebildeten Laufrädern kann mit den bekannten Schleifvorrichtungen daher nur mit deutlich geringeren Schleifgeschwindigkeiten und dadurch verringerter Schleifleistung durchgeführt werden.
Um die durch das Schwingen der BLISK-Schaufeln beim Schleifen mit herkömmlichen Spitzenschleifvorrichtungen und -methoden bedingten Nachteile zu verhindern, ist es bereits bekannt, zwischen den Schaufeln elastische Dämpfungsmittel zu montieren. Abgesehen davon, dass sich die Dämpfungsmittel während des Betriebs aufgrund der hohen Fliehkräfte lösen können, ist deren Montage und Demontage mit einem erheblichen Arbeitsaufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Schaufelspitzenschleifen von Laufrädern oder Laufradtrommeln von Kompressoren für Gasturbinentriebwerke so auszubilden, dass auch in BLISK-Bauweise ausgebildete Rotoren in hoher Qualität und Lebensdauer bei verringertem Arbeitsaufwand hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass die Schaufelspitzen einer BLISK in ruhendem Zustand einzeln in Richtung des größten Widerstandsmoments der Schaufeln geschliffen werden, das heißt, die Schleifrichtung bzw. die Kraftwirkung der Schleifscheibe und die Ausrichtung bzw. der Verlauf der Schaufeloberkante stimmen im Wesentlichen überein. Die einzelnen Schaufeln, deren Schwingungsneigung infolge der gewählten Schleifrichtung stark verringert wird, werden dadurch beim Schleifen deutlich weniger belastet. Die Bearbeitungsgenauigkeit kann erhöht werden und die Schleifzeit und der Energieverbrauch können gesenkt werden. Aufgrund der verringerten Belastung beim Schleifen kann die Lebensdauer der Schaufeln bzw. der BLISK erhöht werden. Darüber hinaus wird die Qualität der jeweils beim Schleifen benachbarter. Schaufeln nicht durch Funkenflug beeinträchtigt. Vorzugsweise erfolgt das Schleifen jeweils ausgehend von der Vorderkante und der Hinterkante der Schaufel bis zur Mitte der Schaufeloberkante, so dass bei spröden Werkstoffen oder empfindlichen Geometrien die Gefahr einer Beschädigung beim Spitzenschleifen weiter verringert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst ein schrittweise antreibbares Halteelement für die BLISK bzw. BLISK-Trommel und eine in Längsrichtung der BLISK-Trommel sowie senkrecht zu dieser anstellbare Schleifscheibe, die in der Höhe verfahrbar und um eine waagerechte Achse verschwenkbar ist, so dass sie beim Schleifen entsprechend dem Verlauf der Schaufeloberkante, das heißt in Richtung des größten Widerstandsmoments der Schaufel ausgerichtet werden kann. Darüber hinaus ist die Schleifscheibe auch um eine senkrechte Achse verschwenkbar, so dass deren Stellung an den Kegel der benachbarten Schaufelkränze einer BLISK-Trommel angepasst werden kann.
Zum Schleifen von herkömmlichen Laufrädern kann die Vorrichtung über eine Hochgeschwindigkeitswelle verfügen, um ein auf dieser gehaltenes und mit hoher Geschwindigkeit rotierendes herkömmliches Laufrad mittels der in diesem Fall stationären und nicht verschwenkten Schleifscheibe in bekannter Weise an den Schaufelspitzen zu schleifen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur eine Vorrichtung zum Schaufelspitzenschleifen von in BLISK-Bauweise gefertigten als auch von konventionell ausgebildeten Rotoren schematisch dargestellt ist, näher erläutert.
Wie die Zeichnung zeigt, ist auf einem Maschinenbett 1 ein Hauptantrieb 2 mit einer Hochgeschwindigkeitswelle 3 angeordnet, auf der zum Schaufelspitzenschleifen ein in herkömmlicher Weise ausgebildetes Laufrad, bestehend aus einer Scheibe mit in dieser lösbar montierten, separat gefertigten Schaufeln, oder eine entsprechend gestaltete Laufradtrommel (jeweils nicht dargestellt), angebracht werden kann. Während in diesem Fall der an den Schaufelspitzen zu bearbeitende Schaufelkranz mit hoher Geschwindigkeit rotiert und die Schaufeln aufgrund der Fliehkraft radial nach außen gedrückt werden, können die Spitzen der auf diese Weise gedämpft gelagerten Schaufeln mit einer in der gleichen Ebene (nicht dargestellt) wie die Hochgeschwindigkeitswelle 3 rotierenden Schleifscheibe 4 mit hoher Schleifgeschwindigkeit und in guter Qualität geschliffen werden. Die Schleifscheibe 4 ist auf einem Schlitten 5 angebracht, der auf dem Maschinenbett 1 in Längsrichtung (Z-Richtung gemäß Doppelpfeil Z) der Hochgeschwindigkeitswelle 3 und senkrecht zu dieser in X-Richtung gemäß Doppelpfeil X verfahrbar ist, um die Schleifscheibe 4 entsprechend der Schaufelhöhe an die Schaufelspitzen heranfahren zu können (X-Richtung) und – bei einer Rotortrommel – zum benachbarten Schaufelkranz verfahren zu können (Z-Richtung).
Zum Schleifen der Schaufelspitzen eines in BLISK-Bauweise ausgebildeten Laufrades bzw. einer Laufradtrommel sind diese auf einem vom Hauptantrieb 2 der Hochgeschwindigkeitswelle 3 unabhängigen drehbaren Halteelement 7, das von einem auf dem Maschinenbett 1 angeordneten Hilfsan trieb 8 schrittweise angetrieben wird, angebracht. Das Halteelement 7 ist hier – wie die Hochgeschwindigkeitswelle 3 – der Einfachheit halber lediglich in Form einer Mittelachse dargestellt.
Die um eine Rotationsachse 9 drehbare Schleifscheibe 4 ist an einer auf dem Schlitten 5 um eine senkrechte Achse in Richtung des Pfeils B drehbaren Tragsäule 10 gehalten. Die drehbare Verbindung zwischen dem Schlitten 5 und der Tragsäule 10 erfolgt über einen Drehteller 6 mit in diesen integriertem Antrieb (nicht dargestellt). Die Schleifscheibe 4 ist so mit der Säule 10 verbunden, dass sie entsprechend dem Doppelpfeil Y entlang der Tragsäule 10 vertikal, das heißt höhenverstellbar ist und außerdem entsprechend dem Doppelpfeil A um eine in Bezug auf die senkrechte Achse der Tragsäule 10 waagerechte Achse (X-Richtung) verschwenkbar ist. Das heißt mit anderen Worten, die Rotationsachse 9 der Schleifscheibe 4 kann in Pfeilrichtung A verschwenkt werden, so dass die Schleifscheibe 4 nicht in einer Ebene mit dem jeweiligen Schaufelkranz der BLISK bzw. BLISK-Trommel liegt, sondern auf den jeweiligen Verlauf der Schaufelspitzen des zu bearbeitenden Schaufelkranzes ausgerichtet werden kann.
Das Verfahren zum Schleifen der Schaufelspitzen von Laufrädern bzw. einer Laufradtrommel mit der zuvor anhand der Zeichnung erläuterten Vorrichtung wird nachfolgend wie folgt beschrieben:
Die Schaufelspitzen herkömmlicher Laufräder, bestehend aus einer Scheibe mit an deren Umfang in einer Nut montierten, separat gefertigten Schaufeln, werden in bekannter Weise derart geschliffen, dass das zu bearbeitende Laufrad auf der Hochgeschwindigkeitswelle 3 befestigt und die Schleifscheibe 4 entsprechend dem Doppelpfeil Z auf die Höhe des zu bearbeitenden Schaufelkranzes und ent sprechend der Schaufelhöhe an den Schaufelspitzen positioniert wird. Die Schleifscheibe 4 befindet sich in einer senkrechten Lage, in der deren Rotationsachse 9 parallel zur Hochgeschwindigkeitswelle 3 bzw. zur Laufradachse verläuft. Während nun das Laufrad mit hoher Geschwindigkeit rotiert, werden die Schaufelspitzen der durch die Fliehkraft nach außen gedrückten Schaufeln in einer stoßgedämpften Lage geschliffen.
Zum Schleifen der Schaufelspitzen einer BLISK-Trommel wird diese auf dem mit dem Hilfsantrieb 8 verbundenen Halteelement 9 montiert. Der Schlitten 5 wird in X-Richtung und Z-Richtung so verfahren, dass die Schleifscheibe 4 an die Spitze einer Schaufel des zu bearbeitenden Schaufelkranzes angestellt ist. Die Rotationsachse 9 der Schleifscheibe 4 wird während des Schleifvorgangs so eingestellt, d. h. verschwenkt, sowie in Y-Richtung verfahren, dass ihre Schliffrichtung immer parallel zum Staggerwinkel der Schaufelspitze bzw. des Verlaufs der Schaufeloberkante ausgerichtet ist und somit die Schleifscheibe 4 beim Verfahren in Y-Richtung im Wesentlichen entsprechend dem Verlauf der Schaufelspitze ausgerichtet ist und diesem folgt. Die Schaufelspitze wird somit – energiesparend – in ruhendem Zustand in Richtung ihres höchsten Widerstandsmoments geschliffen, so dass die Schwingungsneigung beim Schleifen deutlich reduziert wird und dadurch die Maßgenauigkeit beim Schleifen verbessert und die Lebensdauer der Schaufeln erhöht wird. Aufgrund der Ausrichtung der Schleifscheibe 4 entlang der Schaufeloberkante trifft der Funkenflug beim Schaufelspitzenschleifen nicht mehr auf benachbarte Schaufeln, so dass deren Oberflächenausbildung nicht beeinträchtigt wird. Vorzugsweise wird das Spitzenschleifen jeweils ausgehend von der Vorderkante und der Hinterkante der Schaufel bis zur Schaufelmitte durchgeführt, so dass bei spröden Werkstoffen und/oder empfindlichen Geometrien die Gefahr des Ausbrechens der Schaufelspitze beim Schaufelspitzenschleifen minimiert wird. Ein Konturieren der Schleifscheibe gemäß der Anuluskontur ist nicht erforderlich.
Nachdem eine Schaufelspitze geschliffen ist, wird die BLISK-Trommel mit Hilfe des Hilfsantriebs 8 soweit gedreht, dass die nächste Schaufel des Schaufelkranzes geschliffen werden kann. Wenn sämtliche Schaufelspitzen eines Schaufelkranzes der BLISK-Trommel geschliffen sind, wird die Schleifscheibe 4 durch Verfahren des Schlittens 5 auf den benachbarten Schaufelkranz ausgerichtet, wobei die Schaufel durch Drehen der Tragsäule 10 mit dem Drehteller 6 so ausgerichtet wird, dass sie entsprechend dem Kegel des benachbarten Schaufelkranzes bzw. dem Kegel der BLISK-Trommel eingestellt ist. Anschließend wird der Schleifvorgang an den Schaufelspitzen dieses Schaufelkranzes in der zuvor beschriebenen Weise durchgeführt.
Abgesehen von den bereits beschriebenen Vorteilen werden die Schleifzeiten verkürzt und der für das Verspannen der Schaufeln erforderliche Aufwand entfällt.

1: Maschinenbett
2: Hauptantrieb für 3
3: Hochgeschwindigkeitswelle
4: Schleifscheibe
5: Schlitten
6: Drehteller
7: Halteelement für BLIKS (BLISK-Drehachse)
8: Hilfsantrieb für 7
9: Rotationsachse von 4
10: Tragsäule von 4
Doppelpfeil X: Anstellen von 4 in X-Richtung
Doppelpfeil Z: Anstellen von 4 in Z-Richtung
Pfeil B: Drehrichtung v. 10 um senkrechte Achse
Doppelpfeil A: Schwenkrichtung von 9/4

Claims

Vorrichtung zum Schaufelspitzenschleifen eines in BLISK-Bauweise ausgebildeten, mindestens einen Schaufelkranz umfassenden Laufrades, insbesondere für Kompressoren von Gasturbinentriebwerken, die ein drehbares Halteelement (7) zur Aufnahme des Laufrades während des Schleifvorgangs sowie eine um eine Rotationsachse (9) rotierende Schleifscheibe (4) umfasst, die an einem in Z-Richtung (Doppelpfeil Z) längs des Halteelements (7) und senkrecht zu diesem in X-Richtung (Doppelpfeil X) verstellbaren Schlitten (5) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (7) mit einem Hilfsantrieb (8) schrittweise drehbar angetrieben ist, und die Schleifscheibe (4) zum Schleifen entlang der Schaufelspitze in Y-Richtung (Doppelpfeil Y) höhenverstellbar sowie zur Ausrichtung der Schleifscheibe (4) in Richtung des Verlaufs der Schaufeloberkante um eine sich in X-Richtung erstreckende Achse und zur Einstellung auf den Kegel benachbarter Schaufelkränze um eine sich in Y-Richtung erstreckende Achse schwenkbar (Pfeil B, Doppelpfeil A) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein als Hochgeschwindigkeitswelle (3) ausgebildetes zweites Halteelement zum Schleifen der Schaufelspitzen von konventionell ausgeführten, beim Schleifen mit hoher Drehzahl rotierenden Laufrädern.
Verfahren zum Schaufelspitzenschleifen von in BLISK-Bauweise ausgebildeten Laufrädern oder Laufradtrommeln mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln in ruhendem Zu stand einzeln entlang der Schaufeloberkante und mit quer zu deren Verlauf ausgerichteter Rotationsachse (9) der Schleifscheibe (4) in Richtung des größten Widerstandsmoments der Schaufel geschliffen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelspitzen jeweils von der Vorderkante und von der Hinterkante bis zur Mitte der Oberkante der Schaufel geschliffen werden.