DE102008014726A1

DE102008014726A1 - Verfahren zur Kugelstrahlbehandlung von integral beschaufelten Rotoren

Info

Publication number: DE102008014726A1
Application number: DE102008014726A
Authority: DE
Inventors: Arno Secherling
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2009-09-24
Also published as: US20090235526A1

Abstract

Die Schaufeln von integral beschaufelten Rotoren werden zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in den Schaufeloberflächen zunächst mit einem Kugelstrahl beaufschlagt, der aus harten, schweren Kugeln, vorzugsweise Stahlkugeln, besteht. Zur Reinigung und Glättung der durch die aufschlagenden Kugeln verfestigten, aber auch kontaminierten und verformten Oberflächen werden diese anschließend mit einem aus weichen Kugeln, insbesondere Kunststoffkugeln, bestehenden Kugelstrahl bearbeitet. Das Polieren mit den aus weichen Kugeln bestehenden Kugelstrahlen kann unter Verwendung von entlang der beiden Schaufeloberflächen verfahrbaren Kugelstrahllanzen in der gleichen Anlage durchgeführt werden, in der auch die Kugelstrahlverfestigung erfolgt. Mit dem sehr effektiven Verfahren können integral beschaufelte Rotoren hergestellt werden, deren Schaufeln eine hohe Dauerfestigkeit aufweisen und aufgrund der glatten Oberflächen ein gutes aerodynamisches Verhalten zeigen, einen effizienten Betrieb gewährleisten. Die Kugelstrahlbehandlung zum Verfestigen und Polieren der Schaufelflächen kann auch in einem Arbeitsgang mit Kugeln durchgeführt werden, die aus einem mit einer weichen Schale ummantelten schweren Kern bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kugelstrahlbehandlung der Schaufeln von integral beschaufelten Rotoren mit einem auf die Schaufeloberflächen mit Hilfe eines Druckmediums geschleuderten Kugelstrahlgut.
Bei der Kugelstrahlbehandlung der Oberfläche von Werkstücken wird ein kugelförmiges Strahlgut mit Hilfe eines gasförmigen oder flüssigen Druckmediums mit hoher Geschwindigkeit gegen die zu behandelnde Werkstückoberfläche geschleudert. In der beim Kugelstrahlen durch eine Vielzahl von Kalotten verformten Werkstückoberfläche werden Druckeigenspannungen induziert, so dass die Dauerfestigkeit des Werkstücks erhöht wird. Das Kugelstrahlverfestigen wird bekanntermaßen seit langem bei Triebwerkskomponenten und hier auch zur Behandlung der Oberflächen der Schaufeln von integral beschaufelten, als Einzelblisk oder Blisktrommel ausgeführten Rotoren angewendet, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen und die Gefahr der Rissbildung durch Spannungsrisskorrosion zu verringern und letztlich die Lebensdauer der hoch beanspruchten Bliskschaufeln zu erhöhen.
Das Bestrahlen der in geringem Abstand angeordneten und zudem gewölbten und verdrehten Bliskschaufeln erfolgt mit einem von außen in die Schaufelzwischenräume eingebrachten Kugelstrahl. Die Wirkung des Kugelstrahls ist in diesem Fall, und zwar in verstärktem Umfang bei Blisktrommeln, aufgrund der ungenügenden Zugänglichkeit der in geringem Abstand angeordneten und sich gegenseitig abschirmenden Schaufeln und des schrägen Aufschlagwinkels der Kugeln begrenzt und zudem auf beiden Seitenflächen der Schaufeln und auf den einzelnen Schaufelflächen selbst ungleichmäßig verteilt.
Bei einem anderen bekannten Verfahren sind die einzelnen Schaufeln in hermetisch verschlossenen Kammern angeordnet, in denen sich ein durch Ultraschall in Bewegung versetztes Kugelstrahlmedium befindet, mit dem die Schaufelflächen auf beiden Seiten gleichmäßig behandelt werden.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die Bliskschaufeln unter Verwendung einer Doppelstrahldüseneinheit mit zwei im Abstand gegenüberliegenden Strahlgutdüsen an beiden Schaufelflächen einzeln entlang von nebeneinander verlaufenden Bestrahlungsbahnen gleichzeitig auf der Druck- und Saugseite an jeweils gegenüberliegenden Flächenabschnitten mit im Wesentlichen senkrecht auftreffenden Kugelstrahlen gleicher Intensität zu bearbeiten. Bei diesem Verfahren werden die Bliskschaufeln auf beiden Seiten gleichmäßig und mit hoher, beidseitig übereinstimmender Strahlintensität bearbeitet.
Das Kugelstrahlverfestigen, das entscheidend zur Erhöhung der Lebensdauer der Bliskschaufeln beiträgt, ist andererseits insofern nachteilig, als dadurch in die Schaufelflächen kalottenförmige Vertiefungen eingeformt werden und somit die Oberflächenrauhigkeit der Bliskschaufeln vergrößert und damit das aerodynamische Verhalten der Schaufeln verschlechtert und der Wirkungsgrad der mit integral beschaufelten Rotoren bestückten Turbomaschine verringert wird. Um die Oberflächenrauhigkeit nach dem Kugelstrahlverfestigen zu verringern und die damit verbundenen nachteiligen Wirkungen zu vermeiden, werden die einzelnen Schaufeln in einem zeit- und kostenaufwändigen Verfahren mit robotergesteuerten Polierlanzen poliert.
Darüber hinaus wird die Oberfläche der Schaufeln bei der Verfestigung mittels – aufgrund der Effektivität bevorzugt eingesetzten – Stahlkugeln kontaminiert. Die Kontamination wird in der Regel durch ein Ätzverfahren beseitigt, das sich jedoch nachteilig auf die Geometrie und Lebensdauer der Schaufeln auswirken kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kugelstrahlbehandlung der Schaufeln von integral beschaufelten Rotoren anzugeben, das mit geringem Zeit- und Kostenaufwand durchgeführt werden kann und eine hohe Dauerfestigkeit sowie eine geringe, hohen aerodynamischen Anforderungen genügende Oberflächenrauhigkeit der Bliskschaufeln gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9 bzw. 11 und 12.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das Polieren der Schaufeloberflächen nach der Kugelstrahlverfestigung ebenfalls mit einem Kugelstrahl erfolgt. Die zum Polieren verwendeten Kugeln sind jedoch weicher und gegebenenfalls leichter als die für das Generieren der Druckeigenspannungen eingesetzten Verfestigungskugeln, so dass die bereits verfestigte Schaufeloberfläche lediglich geglättet und poliert wird. Gleichzeitig wird mit dem für die Polierkugeln verwendeten Material eine nach dem Verfestigen zurückbleibende Kontamination der Schaufeloberfläche, die durch die Verwendung von Stahl für die Verfestigungskugeln bedingt ist, beseitigt. Das zur Beseitigung der Verunreinigungen üblicherweise angewendete Ätzen und die damit verbundenen nachteiligen Auswirkungen entfallen. Durch die Oberflächenbearbeitung mit den Polierkugeln, die vorteilhafterweise in der für die Kugelverfestigung vorhandenen Anlage erfolgen kann, wird die durch die Kugelverfestigung erzeugte Rauhigkeit der Schaufelflächen soweit verringert, dass die Bliskschaufeln den an deren aerodynamisches Verhalten gestellten Anforderungen in vollem Umfang genügen.
Als Material für die Polierkugeln wird vorzugsweise Hartschaum oder Kunststoff eingesetzt.
Das Aufbringen der Verfestigungs- und der Polierkugeln erfolgt mittels an beiden gegenüberliegenden Oberflächen jeweils einer Bliskschaufel gleichzeitig und jeweils gegenüberliegend verfahrbarer Kugelstrahllanzen, denen das jeweilige Strahlgut aus einem Verfestigungskugelreservoir oder einem Polierkugelreservoir mit Hilfe eines Druckmediums, vorzugsweise Luft oder Wasser, zugeführt wird. Die Kugelstrahllanzen sind entsprechend dem jeweils verwendeten Strahlgut ausgeführt.
Vorzugsweise sind die Kugelstrahllanzen so ausgebildet, dass die Verfestigungskugeln und die Polierkugeln im Wesentlichen senkrecht auf die zu behandelnde Schaufeloberfläche auftreffen.
Die Polierwirkung des Kugelstrahls kann, abgesehen von dem jeweils eingesetzten Polierkugelmaterial, auch durch den Winkel, in dem die Polierkugeln auf die Schaufeloberflächen auftreffen, beeinflusst werden.
In Ausgestaltung der Erfindung ist es auch denkbar, dass die Pollierkugeln in einem großflächigen Kugelstrahl von einer außerhalb des Schaufelkranzes liegenden Stelle in die Schaufelzwischenräume und auf die Schaufelflächen gelangen.
Gemäß einem noch anderen Merkmal der Erfindung erfolgt das Verfestigen und Polieren der Schaufeloberfläche mit ein und derselben Kugelausbildung in nur einem Verfahrensschritt. Die Kugeln umfassen in diesem Fall einen Kern aus hartem, schwerem Material und eine Schale aus einem weichen Material. Der Kern besteht vorzugsweise aus Stahl, während die Schale aus Kunststoff ist. Beim Aufschlagen der so ausgeführten Kugeln wird die Schaufeloberfläche zum einen verfestigt und gleichzeitig durch die weiche Schale nachgeglättet bzw. poliert. Das heißt mit anderen Worten, dass die mit dem weichen Material ummantelten Kugeln eine weniger tief gehende Verformung der Oberfläche bewirken. Die Oberfläche bleibt im Wesentlichen glatt, wird durch das schwere Kernmaterial nicht verunreinigt und zudem noch mit dem weichen Schalenmaterial poliert. Das Verfestigen und Polieren der Schaufelflächen erfolgt mit geringerem Zeit- und Kostenaufwand in nur einem Arbeitsgang, jedoch sind die in den Schaufeloberflächen erzeugten Druckeigenspannungen gegenüber dem zuvor dargestellten Verfahren mit nicht ummantelten Verfestigungskugeln etwas geringer. Auch mit diesem Verfahren kann die Dauerfestigkeit der Bliskschaufeln erhöht werden. Die Oberflächenausbildung genügt den an diese gestellten aerodynamischen Anforderungen, so dass nicht nur die Lebensdauer, sondern auch die Effizienz der Bliskschaufeln erhöht wird.
Das Aufbringen der Verfestigungs- und Polierkugeln auf die Schaufelflächen erfolgt mit an beiden Seiten einer Bliskschaufel gleichzeitig und gegenüberliegend und in gleichem Abstand von der Oberfläche verfahrbaren Kugelstrahllanzen, so dass alle Schaufelbereiche erfasst und in gleicher Stärke bestrahlt und in der Oberflächenschicht verformt werden, ohne dass jedoch die Bliskschaufeln als Ganzes verformt werden. Das Strahlgut schlägt im Wesentlichen senkrecht auf die Schaufeloberflächen auf, so dass eine hohe Verfestigungswirkung gewährleistet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in zwei Ausführungsbeispielen zur Herstellung von geschweißten Blisktrommeln anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur eine Anordnung zum Kugelstrahlverfestigen und Kugelstrahlpolieren der Schaufeln einer Blisktrommel schematisch dargestellt ist, näher erläutert.
Die in der Zeichnung dargestellte Anlage zum Kugelstrahlverfestigen und Kugelstrahlpolieren der Bliskschaufeln 1 einer aus mehreren miteinander verschweißten Blisks 2 bestehenden Blisktrommel 3 umfasst eine verschwenkbare (Pfeile X, Y) und linear bewegbare (Pfeile A, B) Bewegungseinheit 4, mit der über eine Halterung 5 eine aus zwei im Abstand gegenüberliegenden Kugelstrahllanzen 7 bestehende Bestrahlungseinheit 6 verbunden ist. Die Kugelstrahllanzen 7, von denen in der dargestellten Seitenansicht nur die vordere erkennbar ist, weisen gegenüberliegende, jeweils auf die Schaufelfläche gerichtete Strahlgutaustrittsöffnungen 8 auf, aus denen das Strahlgut senkrecht zur Strömungsrichtung in der Kugelstrahllanze 7 auf die Schaufeloberfläche umgelenkt wird.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die mehrstufige Blisktrommel 3 nach dem Schweißprozess zum Spannungsfreiglühen wärmebehandelt und anschließend zur Entfernung einer durch die Wärmebehandlung gebildeten spröden Schicht einer Ätzbehandlung unterzogen. Anschließend werden von jeder der hier dargestellten vier Blisks die einzelnen Bliskschaufeln 1, und zwar Schaufel für Schaufel auf beiden Seiten gleichzeitig und auf beiden Seiten genau gegenüberliegend, mit einem über die beiderseitigen, entlang der Schaufeloberfläche verfahrbaren Kugelstrahllanzen 7 aus einem Reservoir 9 für Verfestigungskugeln mit tels Druckluft zugeführten, senkrecht auf die Schaufelflächen auftreffenden Strahlgutstrom, bestehend aus mit der Druckluft beschleunigten Stahlkügelchen, beaufschlagt. Der senkrecht aus den Kugelstrahllanzen 7 ausgelenkte Strahlgutstrom trifft beim Verfahren der Strahlgutlanzen 7 über die Schaufeloberflächen beidseitig mit gleicher Intensität und immer senkrecht auf die betreffende Bliskschaufel 1, so dass hohe Druckeigenspannungen in den Schaufelflächen erzeugt werden und eine hohe Dauerfestigkeit der Bliskschaufeln 1 erreicht werden kann. Die Schaufelflächen haben aufgrund der Kugelverfestigung eine Rauhigkeit von – beispielsweise – Ra = 0,6, die den hohen aerodynamischen Anforderungen an die Schaufelgeometrie nicht genügt.
Die Schaufelflächen werden nun in der gleichen Anlage ein zweites Mal mit einem beidseitig aufgebrachten Kugelstrahl behandelt, jedoch mit – über gegebenenfalls anders dimensionierte Kugelstrahllanzen 7' aus einem anderen Reservoir 10 zugeführten – leichteren, weicheren und gegebenenfalls größeren Polierkugeln aus Kunststoff oder einem Hartschaum. Mit dem Polierkugelstrahl werden die durch die Stahlkugelverfestigung verunreinigten Oberflächen zum einen gereinigt und darüber hinaus poliert, so dass die Rauhigkeit der Oberflächen auf einen Rauhigkeitswert von Ra ≤ 0,3 verringert werden kann, der den hohen Anforderungen an das aerodynamischen Verhalten der Bliskschaufeln genügt und letztlich die Effizienz des Triebwerks verbessert.
Die für das Polieren vorgesehenen Kugelstrahllanzen 7' sind zum einen an das veränderte Strahlgut angepasst und können zudem konstruktiv so gestaltet sein, dass das Strahlgut nicht wie bei der vorhergehenden Kugelstrahlverfestigung senkrecht, sondern schräg auf die Schaufelflächen auftrifft. Wie das hier beschriebene Ausführungs beispiel zeigt, können das Kugelstrahlverfestigen und das Kugelstrahlreinigen und -polieren in ein und derselben Anlage durchgeführt werden. Die Schaufelflächen werden in beiden Bearbeitungsschritten an beiden gegenüberliegenden Schaufelflächen vollständig und immer in direkt gegenüberliegenden Flächenbereichen mit der gleichen Strahlintensität bearbeitet, so dass die Bliskschaufeln durch den Druck des Verfestigungs- oder Polierstrahls nicht verformt werden können. Das Reinigen und Polieren der Oberflächen mit schräg auf die Schaufelflächen auftreffenden weichen Kugeln nach dem oben beschriebenen Kugelstrahlverfestigen könnte auch mit einem von außen in die Schaufelzwischenräume gerichteten breitflächigen Polierkugelstrahl (nicht dargestellt) durchgeführt werden, wobei dabei nicht in jedem Fall die Gleichmäßigkeit der Polierwirkung und die Formstabilität sehr dünner Schaufeln gewährleistet sein könnte.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Kugelstrahlverfestigung und das Kugelstrahlpolieren nach der Wärmebehandlung und dem Ätzen der Blisktrommel 3 in einem einzigen Verfahrensschritt durchgeführt. In diesem Fall besteht der über die Kugelstrahllanzen 7 im Wesentlichen senkrecht, gleichzeitig und gegenüberliegend auf die zu bearbeitenden Schaufelflächen auftreffende Strahlgutstrom aus in einem Druckmedium, zum Beispiel Druckluft oder Druckwasser, transportierten Kugeln mit einem harten schweren Kern und einer weichen, leichten Schale. Die sowohl zum Verfestigen als auch zum Polieren dienenden Kugeln sind in einem dritten Reservoir 11 bereitgestellt. Bei dieser Verfahrensvariante werden die beiderseitigen Schaufelflächen in nur einem Bearbeitungsschritt mit ein und demselben Kugelstrahl verfestigt und poliert. Eine Kontaminierung der Oberflächen durch die Kugelstrahlen tritt aufgrund der ummantelten Kugeln nicht auf. Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel liegen die Kosten bei diesem Verfahren etwas niedriger, jedoch zu Lasten geringerer Druckeigenspannungen in der Schaufeloberfläche und einer weniger hohen Dauerfestigkeit der Schaufeln. Der Kern dieser Verfestigungs- und Polierkugeln kann aus Stahl bestehen, während die Schale beispielsweise aus Hartschaum oder Kunststoff ist.

1: Bliskschaufel
2: Blisk
3: Blisktrommel
4: Bewegungseinheit
5: Halterung
6: Bestrahlungseinheit
7: Kugelstrahllanze
8: Strahlgutaustrittsöffnung
9: Reservoir für Verfestigungskugeln
10: Reservoir für Pollierkugeln
11: Reservoir Verfestigungs- und Polierkugeln

Claims

Verfahren zur Kugelstrahlbehandlung der Schaufeln von integral beschaufelten Rotoren mit einem auf die Schaufeloberflächen mit Hilfe eines gasförmigen oder flüssigen Druckmediums geschleuderten Kugelstrahlgut, bei dem in den Schaufeloberflächen durch das Aufschlagen von in einem Verfestigungskugelstrahl enthaltenen Verfestigungskugeln Druckeigenspannungen generiert werden und die dabei kalottenförmig eingeformten Schaufelflächen anschließend gereinigt und poliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigen und Polieren der Schaufeloberflächen mit einem Polierkugelstrahl, bestehend aus mit einem Druckmedium beschleunigten Polierkugeln, die aus einem weicheren Material als die Verfestigungskugeln sind, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polierkugeln aus einem leichteren Material als die Verfestigungskugeln bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polierkugeln aus einem Hartschaum bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polierkugeln aus einem Kunststoff bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Verfestigungskugeln und anschließend die Polierkugeln mittels entlang beider Seiten der einzelnen Schaufeln gleichzeitig und gegenüberliegend verfahrbaren Kugelstrahllanzen auf die zu bearbeitenden Oberflächen der betreffenden Bliskschaufel aufgetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungs- und Polierkugeln im Wesentlichen senkrecht auf die Schaufeloberflächen aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungskugeln im Wesentlichen senkrecht und die Polierkugeln in spitzem Winkel auf die Schaufeloberflächen auftreffen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelstrahlverfestigen und -polieren in ein und derselben Anlage aus unterschiedlichen Reservoirs für die Verfestigungs- und Polierkugeln sowie mit gleichen oder unterschiedlich ausgebildeten Kugelstrahllanzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungskugeln mittels entlang beider gegenüberliegender Schaufelflächen gleichzeitig verfahrbarer Kugelstrahllanzen aufgebracht werden und das anschließende Polieren mit einem von außen auf die Schaufelflächen aufgebrachten breitflächigen Polierkugelstrahl erfolgt.
Verfahren zur Kugelstrahlbehandlung der Schaufeln von integral beschaufelten Rotoren mit einem auf die Schaufeloberflächen mit Hilfe eines Druckmediums geschleuderten Kugelstrahlgut, bei dem in den Schaufeloberflächen durch das Aufschlagen von in einem Verfestigungskugelstrahl enthaltenen Verfestigungskugeln Druckeigenspannungen generiert werden und die dabei kalottenförmig eingeformten Schaufelflächen anschließend poliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungskugeln einen aus einem schweren, harten Material bestehenden Kern und eine aus einem weicheren Material bestehende Schale aufweisen, die gleichzeitig mit oder unmittelbar nach der Verfestigung ein Glätten und Polieren der im Rahmen der Verfestigung verformten Oberfläche bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus Stahl oder einem Material mit ähnlichem spezifischen Gewicht besteht und die Schale aus einem Hartschaum oder aus Kunststoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Polierfunktion aufweisenden Verfestigungskugeln mit an beiden Seiten der zu bearbeitenden Bliskschaufel gleichzeitig und jeweils gegenüberliegend verfahrbaren Kugelstrahllanzen im Wesentlichen senkrecht auf die Schaufeloberflächen aufgebracht werden.