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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austauschen einer Schaufel
eines Rotors mit integraler Beschaufelung und einen Rotor mit einer
derartig ausgetauschten Schaufel.
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Rotoren
mit integraler Beschaufelung haben entweder einen scheibenförmigen
oder einen ringförmigen Rotorgrundkörper, an dessen
Außenumfang die Beschaufelung integral angeordnet ist.
Rotoren mit einem scheibenförmigen Rotorgrundkörper
werden als Blisk (Bladed Disk) und Rotoren mit einem ringförmigen
Rotorgrundkörper als Bling (Bladed Ring) bezeichnet.
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Verfahren
zur Herstellung von Rotoren mit integraler Beschaufelung sind in
der Patentanmeldung
WO 2005/024185 der
Anmelderin beschrieben. Ein Verfahren sieht vor, die Rotoren mit
ihrer Beschaufeln aus dem Vollen zu fräsen. Ein anderes
Herstellungsverfahren sieht vor, die Beschaufelung getrennt von dem
Rotorgrundkörper herzustellen und anschließend
durch ein Fügeverfahren an dem Rotorgrundkörper
anzuordnen. Beispiele für Fügeverfahren sind lineares
Reibschweißen, induktives Pressschweißen oder
Diffusionsschweißen. Bei dem letzteren Herstellungsverfahren
besteht die Beschaufelung aus Schmiedeteilen, die bereits an die
Sollform der Schaufeln derart angepasst sind, dass nach dem Anfügen
an dem Rotorgrundkörper nur noch eine Feinbearbeitung zu
erfolgen hat. Allerdings kann die Beschaufelung auch aus einer Vielzahl
von Schaufelrohlingen bestehen, die aus einem Pressprofil herausgetrennt
werden und erst nach dem Anfügen an dem Rotorgrundkörper
zu ihrer Sollform bearbeitet werden.
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Die
internationale Patentanmeldung
WO 2008/046388 der
Anmelderin beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors
mit integraler Beschaufelung, bei dem zumindest Abschnitte des Rotors
nach einem generativen Verfahren hergestellt werden. Die
WO 2008/046388 schlägt
insbesondere vor, die Beschaufelung oder den gesamten Rotor einschließlich
der Beschaufelung generativ herzustellen.
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Aufgrund
der integralen Anordnung der Beschaufelung an dem Rotorgrundkörper
ist jedoch der Austausch einer Altschaufel, beispielsweise eine
beschädigte Schaufel oder eine Schaufel, die ihre maximale
Lebensdauer erreicht hat, im Vergleich zu herkömmlich hergestellten
Rotoren mit am Rotorgrundkörper eingesetzten Schaufeln
verhältnismäßig aufwendig.
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Ein
bekanntes Verfahren zum Austauschen einer beschädigten
Schaufel eines Rotors mit integraler Beschaufelung ist in der deutschen
Patentanmeldung
DE
10 2005 033 625 A1 der Anmelderin offenbart. Nach diesem
Verfahren wird die beschädigte Schaufel abgetrennt und
durch eine Neuschaufel, die durch ein pulvermetallurgisches Spritzgießverfahren hergestellt
wird, ersetzt. Der
DE
10 2005 033 625 A1 ist jedoch nicht zu entnehmen, ob die
Neuschaufel unmittelbar am Außenumfang des Rotorgrundkörpers
angeordnet wird oder ob sie an einem rotorgrundkörperseitigen
Stumpf der zuvor abgetrennten beschädigten Schaufel angefügt
wird.
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Die
DE 39 09 733 A1 schlägt
ein Verfahren zum Austauschen einer Schaufel vor, bei dem die Neuschaufel
an einem rotorgrundkörperseitigen Stumpf angeschweißt
wird. Die beschädigte Schaufel wird in einem definierten
Abstand von dem Rotorgrundkörper abgetrennt, so dass ein
Stumpf stehen bleibt, dessen Radialfläche eine Schaufelanschlussfläche
für die Neuschaufel darstellt. Zur Stabilisierung des Stumpfes
beim Fügen der Neuschaufel wird der Stumpf umfangsseitig
durch eine mehrteilige metallische Einfassung stabilisiert, die
mit dem Stumpf und der Neuschaufel eine metallurgische Verbindung eingeht.
Die Höhe der Einfassung entspricht der radialen Länge
des Stumpfes, so dass der Stumpf und die Einfassung die Schaufelanschlussfläche
für die Neuschaufel schaffen. Nach dem Fügen wird überschüssiges
Material beispielsweise der Einfassung entfernt und die Verbindung
Stumpf-Neuschaufel auf Sollmaß endbearbeitet.
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Die
EP 1 535 692 B1 beschreibt
ebenfalls ein Verfahren zum Austauschen einer Schaufel, bei dem ein
rotorgrundkörperseitiger Stumpf einer zuvor abgetrennten
beschädigten Schaufel beim Fügen der Neuschaufel
stabilisiert wird. Es wird um den Stumpf herum eine Einrahmung errichtet,
in die ein Metallpulver eingefüllt wird. Die Neuschaufel
wird durch Reibschweißen an einer radialen Schaufelanschlussfläche
des Stumpfes befestigt, wobei das Metallpulver eine stabilisierende
Beschichtung für den Stumpf bildet. Nach dem Fügen
der Neuschaufel wird die Verbindung Stumpf-Neuschaufel auf Sollmaß endbearbeitet.
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Aus
der
EP 0 376 874 B1 ist
es jedoch auch bekannt, anstatt den rotorgrundkörperseitigen Stumpf
zu stabilisieren, die Neuschaufel im Bereich ihrer Fügefläche
mit einem Kragen zu versehen, der beim Fügen eine einheitliche
Erwärmung ermöglichen und eine Deformation verhindern
soll. Das Abtrennen der beschädigten Schaufel kann mittels
des Electrical Discharge Machining (EDM-Verfahren) erfolgen. Nach
dem Fügen der Neuschaufel wird der Kragen sowie überschüssiges
Material entfernt und die Verbindung Stumpf-Neuschaufel auf Sollmaß endbearbeitet.
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Das
US-Patent US 6,095,402 zeigt
ein Verfahren zum Austauschen eines Rotors mit integraler Beschaufelung,
bei dem ebenfalls eine Neuschaufel an einem rotorgrundkörperseitigen
Stumpf einer zuvor abgetrennten beschädigten Schaufel angeordnet wird.
Dabei ist der Gegenstand dieses US-Patents auf die besondere geometrische
Ausbildung der Schaufelanschlussfläche des Stumpfes gerichtet,
so dass auch bei nicht ebener Schaufelanschlussfläche die
Neuschaufel mittels linearen Reibschweißens gefügt
werden kann.
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Den
vorgenannten bekannten Verfahren ist gleich, dass die radiale Schaufelanschlussfläche
des Stumpfes beim Abtrennen der beschädigten Schaufel gebildet
wird. Eine beim Abtrennen der beschädigten Schaufel an
dem Stumpf entstehende Trennfläche dient als Schaufelanschlussfläche
für eine Neuschaufel. Die Trennfläche wird zur
Fügevorbereitung lediglich entsprechend gereinigt. Dies
hat den Nachteil, dass das Abtrennen der beschädigten Schaufel in
einem definierten Abstand vom Außenumfang des Rotorgrundkörpers
und zusätzlich sehr genau zu erfolgen hat, um ein passgenaues
Fügen der Neuschaufel zu ermöglichen. Entsprechend
technisch anspruchsvolle Trennverfahren sind anzuwenden. Ebenso
ist nachteilig, dass entweder der Stumpf beim Fügen aufwendig
stabilisiert werden muss oder die Neuschaufel besondere gestalterische
Merkmale aufzuweisen hat, da die endbearbeitete Form des Stumpfes
den beim Fügen auftretenden Belastungen nicht standhält.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Austauschen
einer Schaufel eines Rotors mit integraler Beschaufelung, das die
vorgenannten Nachteile beseitigt und ein einfaches passgenaue Fügen
einer Neuschaufel ermöglicht, sowie einen Rotor mit einer
derart ausgetauschten Schaufel zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Austauschen
einer Schaufel eines Rotors mit integraler Beschaufelung mit den
Schritten des Anspruchs 1 und durch einen Rotor mit den Merkmalen
des Anspruchs 10.
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In
einem ersten Schritt wird die Altschaufel von dem Rotorgrundkörper
abgetrennt. Hierbei entsteht an dem Rotorgrundkörper eine
Trennfläche, auf der erfindungsgemäß in
einem folgenden Schritt ein Sockel errichtet wird. Sobald der Sockel
seine radiale Solllänge bzw. Höhe erreicht hat,
wird an seiner von dem Rotorgrundkörper abgewandten Radialfläche die
Schaufelanschlussfläche für eine Neuschaufel ausgebildet.
Dann wird die Neuschaufel an die Schaufelanschlussfläche
gefügt.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, dass die Schaufelanschlussfläche neu gebildet wird
und nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, identisch mit
der beim Abtrennen der Altschaufel rotorgrundkörperseitig
entstehenden Trennfläche ist. Somit kann die Altschaufel
durch technisch einfache Trennverfahren von dem Rotorgrundkörper
entfernt werden. Ferner ist vorteilhaft, dass die Altschaufel nicht
zu nah über dem Außenumfang des Rotorgrundkörpers
abgetrennt werden kann, da die Neuschaufel nicht unmittelbar an
dem verbleibenden Stumpf gefügt wird, sondern ein Sockel
errichtet wird, dessen radiale Länge frei wählbar ist.
Weiterhin ist eine aufwendige Stabilisierung des Sockels beim Fügen
nicht notwendig, da seine Gestalt beim Errichten bzw. Aufbauen flexibel
gewählt werden kann. Der Sockel kann von seiner Gestalt
so aufbereitet werden, dass das Fügen und Endbearbeiten
der Neuschaufel dem Anordnen einer Schaufel in der Neuteilfertigung
entspricht.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel wird die Altschaufel derart vom
Rotorgrundkörper abgetrennt, dass die Trennfläche
an einem rotorgrundkörperseitigen Stumpf ausgebildet wird.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Altschaufel
derart von dem Rotorgrundkörper entfernt, dass die Trennfläche
bündig zum Außenumfang des Rotorgrundkörpers
verläuft.
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Der
Sockel kann sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung
mit Übermaß versehen werden.
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In
Abhängigkeit von dem Übermaß des Sockels,
der Fügeverbindung an sich und der Gestalt der Neuschaufel
kann eine Endbearbeitung auf Sollmaß durchgeführt
werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Errichten des Sockels
mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, beispielsweise
durch Laserauftragsschweißen.
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Das
Fügen der Neuschaufel an der Schaufelanschlussfläche
wird bei einem Ausführungsbeispiel mittels eines Schweißverfahrens
ausgeführt. Beispiele sind Elektronenstrahlschweißen,
lineares Reibschweißen, induktives Hochfrequenz-Pressschweißen
oder Diffusionsschweißen.
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Ein
erfindungsgemäßer Rotor mit integraler Beschaufelung
sieht einen Rotorgrundkörper vor, an dem eine Vielzahl
von Schaufeln angeordnet ist, wobei zumindest eine Altschaufel durch
eine Neuschaufel ersetzt ist. Erfindungsgemäß ist
die Neuschaufel an einer Schaufelanschlussfläche eines
Sockels angeordnet, der auf einer rotorgrundkörperseitigen Trennfläche
der zuvor abgetrennten Altschaufel errichtet ist.
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Sonstige
vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen
näher erläutert. Es zeigen
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1 einen
Querschnitt durch einen Rotor in der Neuteilfertigung mit integraler
Beschaufelung im Bereich einer gefügten Schaufel,
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2 den
Querschnitt nach 1 nach einer Endbearbeitung
der Fügeverbindung,
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3 einen
Querschnitt durch einen Rotor mit integraler Beschaufelung im Bereich
einer abgetrennten Altschaufel,
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4 den
Querschnitt nach 3 vor dem Fügen einer
Neuschaufel,
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5 den
Querschnitt nach 4 nach dem Fügen der
Neuschaufel, und
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6 den
Querschnitt nach 5 nach dem Endbearbeiten der
Fügeverbindung.
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1 zeigt
vereinfacht die Neufertigung eines Rotors 2 einer Gasturbine,
insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, mit integraler Beschaufelung. Der
Rotor 2 weist einen scheibenförmigen Rotorgrundkörper 4 mit
einer Vielzahl von radialen Vorsprüngen 6, 8, 10 auf,
an denen jeweils eine Schaufel 12 der integralen Beschaufelung
direkt gefügt ist bzw. noch gefügt wird. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit wird im Folgenden beispielhaft für
jeden Vorsprung 6, 8, 10 und für
jede Schaufel 12 lediglich der in der 1 dargestellte
mittlere Vorsprung 8 mit der Schaufel 12 betrachtet.
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Der
Vorsprung 8 weist eine radiale Schaufelanschlussfläche 14 auf
und ist mit einem in 2 gestichelt angedeuteten Übermaß versehen.
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Die
Schaufel 12 hat einen Fußabschnitt 16 und
einen von dem Fußabschnitt 16 entfernt liegenden
Kopfabschnitt 18, der hier mit einem Deckband versehen
ist. Der Fußabschnitt 16 weist eine dem Rotorgrundkörper 4 zugewandte
Fügefläche 20 auf und ist entsprechend
dem radialen Vorsprung 8 mit einem in 2 gestrichelt
dargestellten Übermaß versehen. Die Fügefläche 20 ist
komplementär zur Schaufelanschlussfläche 14 des
radialen Vorsprungs 8.
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Beim
Fügen der Schaufel 12 an dem Rotorgrundkörper 4 wird
diese mit ihrer Fügefläche 20 in Anlage
mit der Schaufelanschlussfläche 14 des Vorsprungs 8 gebracht
und durch ein geeignetes Verfahren metallurgisch mit dem Vorsprung 8 verbunden. Geeignete
Fügeverfahren sind zum Beispiel Elektronenstrahlschweißen
(Electrical Beam Welding, EB-Schweißen), lineares Reibschweißen,
das induktive Hochfrequenz-Pressschweißen (Inductiv High Frequency
Pressure Welding, IHFP) oder das Diffusionsschweißen.
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Gemäß 2 werden
nach dem Fügen der Vorsprung 8 und der Fußabschnitt 16 der
Schaufel 12 durch eine Endbearbeitung auf Endmaß gebracht. Hierbei
werden die gestrichelt angedeuteten Übermaße des
Vorsprungs 8 und des Fußabschnitts 16 sowie
beim Fügen entstehende Materialanhäufungen entfernt.
Beispielhafte Verfahren zur Endbearbeitung sind elektrochemisches
Bearbeiten (Electrical Chemical Machining, ECM) und Fräsen.
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Kommt
es im Betriebsfall zu einer Schädigung der Schaufel 12,
oder hat die Schaufel 12 ihre maximale Lebensdauer erreicht,
ist sie durch eine in 5 gezeigte Neuschaufel 22 auszutauschen.
Ein erfindungsgemäßer Austausch der bisherigen Schaufel
bzw. Altschaufel 12 gegen die Neuschaufel 22 wird
in den folgenden 3 bis 6 beschrieben.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch einen Rotor 2 mit integraler Beschaufelung.
Es ist ein Rotorgrundkörper 4 mit zwei nicht beschädigten
Schaufeln 24, 26 gezeigt, zwischen denen eine
in 2 gezeigte Altschaufel 12 angeordnet
war. Das Fügen der Schaufeln 24, 26 sowie
das Fügen der in der 3 nicht
dargestellten Altschaufel 12 erfolgte im Rahmen der Neuteilfertigung
wie vorstehend in den 1 und 2 erläutert.
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Zu
Beginn des Austausches der Altschaufel 12 wird eine Trennebene 28 bestimmt,
in der die Altschaufel 12 von dem Rotorgrundkörper 4 abgetrennt werden
soll. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Verlauf der Trennebene 28 derart gewählt,
dass ein Stumpf 30 des in 1 dargestellten radialen
Vorsprungs 8, an dem die Altschaufel 12 angeordnet
war, rotorgrundkörperseitig stehen bleibt. Das Entfernen
der Altschaufel 12 von dem Rotorgrundkörper 4 erfolgte
beispielsweise durch Funkenerosion (Electrical Discharge Machining,
EDM).
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Der
Stumpf 30 weist eine in der Trennebene 28 liegende
radiale Trennfläche 32 auf, auf der gemäß 4 ein
radialer Sockel 34 zur Aufnahme der Neuschaufel 22 errichtet
wird. Dabei ist der Stumpf 30 kleiner als der ursprüngliche
Vorsprung 6 ausgebildet. Seine Höhe bzw. radiale
Länge lässt sich jedoch beliebig einstellen. Zur
verbesserten Haftung des Sockels 34 auf der Trennfläche 32 wird
diese vor dem Errichten des Sockels 34 entsprechend gereinigt.
Das Errichten des Sockels 34 erfolgt mittels eines generativen
Herstellungsverfahrens, beispielsweise durch Laserstrahl- bzw. Laserauftragsschweißen.
Bei dem Errichten geht der Sockel 34 mit dem Rotorgrundkörper 4 eine
metallurgische Verbindung ein.
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Der
Sockel 34 erstreckt sich folglich über die Trennebene 28 hinaus
und bildet eine radiale Schaufelanschlussfläche 14 zum
Anordnen der Neuschaufel 22. Seine radiale Länge
bzw. Höhe hso richtet sich nach
der radialen Länge bzw. Höhe hst des
Stumpfes 30 und nach der Gestalt eines in 5 gezeigten Fußabschnitts 16 der
Neuschaufel 22, da die Summe der Höhen hso und hst den radialen
Abstand a der Schaufelanschlussfläche 14 vom Außenumfang 36 des
Rotorgrundkörpers 4 ergibt. Der Sockel 34 wird mit
in 6 gestrichelt angedeuteten Übermaßen
errichtet. Diese können sich sowohl in Umfangsrichtung
als auch in Axialrichtung des Rotorgrundkörpers 4 erstrecken.
Wenn der Fußabschnitt 16 der Neuschaufel 22 die
selbe Gestalt wie die Altschaufel 12 bei der Neuteilfertigung
aufweist, entsprechen die Gestalt des Sockels 34 mit dem
Stumpf 30 einschließlich der Übermaße
und insbesondere der Abstand a der Schaufelanschlussfläche 14 von
dem Außenumfang 36 des Rotorgrundkörpers 4 dem
in 1 gezeigten radialen Vorsprung 8 und
seiner radialen Länge l gemessen vom Außenumfang 36 des Rotorgrundkörpers 4.
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Sobald
die Schaufelanschlussfläche 14 ausgebildet ist,
wird gemäß 5 die Neuschaufel 22 mit
ihrem Fußabschnitt 16 bzw. ihrer zur Schaufelanschlussfläche 14 komplementären
Fügefläche 20 an dem Sockel 34 bzw.
der Schaufelanschlussfläche 14 positioniert und
an dem Rotorgrundkörper 4 angefügt. Das
Fügen erfolgt bevorzugterweise nach einem der in 1 genannten
direkten Fügeverfahren.
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Nach
dem Fügen der Neuschaufel 22 werden, wie in 6 gezeigt,
der Sockel 34 und der Fußabschnitt 16 der
Neuschaufel 22 sowie die Fügeverbindung endbearbeitet.
D. h., die gestrichelt angedeuteten Übermaße und
sonstige beim Fügen entstehenden Materialanhäufungen
werden wie bei der Neuteilfertigung nach 2 entfernt.
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Nach
dem Endbearbeiten der Fügeverbindung ist somit ein Rotor 2 mit
integraler Beschaufelung geschaffen, der eine Neuschaufel 22 aufweist, die
an einer Schaufelanschlussfläche 14 eines Sockels 34 ausgebildet
ist, der auf einer rotorgrundkörperseitigen Trennfläche 32 einer
zuvor abgetrennten Altschaufel 12 errichtet ist und quasi einem
radialen Vorsprung 8 des Rotorgrundkörpers 4 entspricht,
an dem in der Neuteilfertigung die ursprünglich neuwertige
Altschaufel 12 angeordnet wurde.
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Es
sei erwähnt, dass die Trennebene 28 auch derart
gewählt werden kann, dass kein Stumpf 34 am Rotorgrundkörper 4 stehen
bleibt, sondern die Trennfläche 32 bündig
in den Außenumfang 36 der Rotorgrundkörpers 4 übergeht
und der Sockel 34 unmittelbar auf dem Außenumfang 36 errichtet
wird.
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Ebenso
sei erwähnt dass das erfindungsgemäße
Verfahren nicht auf scheibenförmige Rotoren 2 mit
integraler Beschaufelung beschränkt ist, sondern das es
sich auch auf ringförmige Rotoren mit integraler Beschaufelung
und auf Rotoren für Verdichter erstreckt.
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Des
Weiteren sei erwähnt, dass eine Neuschaufel im Sinne der
Erfindung auch eine aufbereite bzw. reparierte Altschaufel sein
kann.
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Weiterhin
ist es ebenfalls vorstellbar, dass beim Erreichen der maximalen
Lebensdauer des Rotorgrundträgers 4 sämtliche
Altschaufeln 12 von dem Rotorgrundkörper 4 abgetrennt
werden, ihre Fügeflächen 20 für
eine Verwendung an einer neuem Rotorgrundkörper bearbeitet
und die derart vorbereiteten Altschaufeln 12 an den neuen
Rotorgrundkörper angeordnet werden.
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Der
Rotorgrundkörper 4 kann aus dem Vollen gefräst
oder zum Beispiel mittels eines generativen Herstellungsverfahrens
hergestellt sein. Ebenso können die Schaufeln generativ
hergestellt sein oder beispielsweise Schmiedteile, Frästeile
oder Pressprofile sein.
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Ferner
ist es ebenfalls vorstellbar, den Sockel 34 nicht durch
Laserauftragsschweißen, sondern durch ein anderes generatives
Herstellungsverfahren zu errichten.
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Offenbart
sind ein Verfahren zum Austauschen einer Schaufel eines Rotors mit
integraler Beschaufelung, wobei eine Neuschaufel an einen auf einer
rotorgrundkörperseitigen Trennfläche errichteten Sockel
gefügt wird, sowie ein nach diesem Verfahren reparierter
bzw. instandgesetzter Rotor.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Rotor
- 4
- Rotorgrundkörper
- 6
- radialer
Vorsprung
- 8
- radialer
Vorsprung
- 10
- radialer
Vorsprung
- 12
- Schaufel/Altschaufel
- 14
- Schaufelanschlussfläche
- 16
- Fußabschnitt
- 18
- Kopfabschnitt
- 20
- Fügefläche
- 22
- Neuschaufel
- 24
- Schaufel
- 26
- Schaufel
- 28
- Trennebene
- 30
- Stumpf
- 32
- Trennfläche
- 34
- Sockel
- 36
- Außenumfang
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/024185 [0003]
- - WO 2008/046388 [0004, 0004]
- - DE 102005033625 A1 [0006, 0006]
- - DE 3909733 A1 [0007]
- - EP 1535692 B1 [0008]
- - EP 0376874 B1 [0009]
- - US 6095402 [0010]