DE102010033732A1 - A method of generating a design of a component and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Generieren eines Designs eines Bauteils, insbesondere eines umströmten Turbomaschinenbauteils, auf Grundlage dessen das Bauteil durch abtragende Bearbeitung, insbesondere durch Fräsen oder Schleifen, herstellbar ist, wobei bei der abtragenden Bearbeitung eine Oberfläche des Bauteils gebildet wird, wobei auf Grundlage eines aus nicht abwickelbaren Freiformflächen bestehenden, mathematischen Modells des zu fertigenden Bauteils mehrere aneinander grenzende Streifen zur abtragenden Bearbeitung in Form von abwickelbaren Regelflächen definiert werden, und wobei Grenzkurven zwischen den Streifen auf einer Ausgangsoberfläche des mathematischen Modells liegen.A method for generating a design of a component, in particular a turbomachine component with a flow around it, on the basis of which the component can be produced by removing machining, in particular by milling or grinding, wherein a surface of the component is formed during the removing machining, based on one of which cannot be developed Free-form surfaces existing, mathematical model of the component to be manufactured several adjoining strips for ablative processing are defined in the form of developable ruled surfaces, and wherein boundary curves between the strips are on an initial surface of the mathematical model.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Generieren eines Designs eines Bauteils, insbesondere eines umströmten Turbomaschinenbauteils, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fertigung eines solchen Bauteils durch abtragende Bearbeitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.The invention relates to a method for generating a design of a component, in particular a turbomachine component flown around, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a component by abrasive machining according to the preamble of claim 12.
Gasturbinenrotoren von zum Beispiel Flugtriebwerken werden zunehmend als integral beschaufelte Gasturbinenrotoren ausgeführt. Integral beschaufelte Gasturbinenrotoren verfingen über einen Rotorgrundkörper sowie über mehrere am Rotorgrundkörper integral ausgebildete Laufschaufeln, wobei abhängig davon, ob der Rotorgrundkörper als Scheibe oder als Ring ausgebildet ist, ein solcher integral beschaufelter Gasturbinenrotor als Blisk (bladed disk) oder Bling (bladed ring) bezeichnet wird.Gas turbine rotors of, for example, aircraft engines are increasingly being implemented as integrally bladed gas turbine rotors. Integrally bladed gas turbine rotors entangled via a rotor body and a plurality of integrally formed on the rotor body blades, depending on whether the rotor body is formed as a disc or as a ring, such integrally bladed gas turbine rotor is referred to as blisk (bladed disk) or bling (bladed ring) ,
Die Laufschaufeln eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors verfügen über eine Strömungseintrittskante, eine Strömungsaustrittskante sowie über zwischen der Strömungseintrittskante und der Strömungsaustrittskante ausgebildete Schaufeloberflächen, nämlich eine sogenannte Saugseite und eine sogenannte Druckseite. Insbesondere die Saugseite und die Druckseite der Laufschaufeln eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors werden über sogenannte Freiformflächen definiert, wobei es sich bei einer Freiformfläche um eine mehrfach gekrümmte, nicht abwickelbare Fläche handelt. Über ein auf Freiformflächen basierendes, strömungstechnisches bzw. mathematisches Modell eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors werden zu erfüllende, aerodynamische Eigenschaften desselben definiert.The rotor blades of an integrally bladed gas turbine rotor have a flow inlet edge, a flow outlet edge and blade surfaces formed between the flow inlet edge and the flow outlet edge, namely a so-called suction side and a so-called pressure side. In particular, the suction side and the pressure side of the blades of an integrally bladed gas turbine rotor are defined by so-called freeform surfaces, wherein a freeform surface is a multi-curved, non-developable surface. About a freeform surfaces based, fluidic or mathematical model of an integrally bladed gas turbine rotor to be fulfilled, aerodynamic properties thereof are defined.
Bei der Definition eines Designs für einen integral beschaufelten Gasturbinenrotor auf Grundlage eines auf Freiformflächen basierenden Modells besteht häufig das Problem, dass der so definierte Gasturbinenrotor, der strömungstechnisch optimiert ist, durch abtragende wie z. B. durch spanende Bearbeitung nicht oder nur mit äußerst großem Aufwand gefertigt werden kann. Bislang bleiben bei der Generierung eines Designs für einen integral beschaufelten Gasturbinenrotor fertigungstechnische Gesichtspunkte unberücksichtigt. Dies ist von Nachteil.When defining a design for an integrally bladed gas turbine rotor based on a free-form surface based model, there is often the problem that the thus defined gas turbine rotor, which is aerodynamically optimized, by erosion such. B. can not be made by machining or only with extremely great effort. So far, production-related aspects are not considered when generating a design for an integrally bladed gas turbine rotor. This is a disadvantage.
Ähnliche Probleme bestehen bei anderen Bauteilen wie z. B. bei umströmten Laufschaufeln oder umströmten Leitschaufeln.Similar problems exist with other components such. B. in flow around blades or flow around vanes.
Es besteht daher Bedarf an einem Verfahren zum Generieren eines Designs für ein Bauteil, welches nicht nur strömungstechnisch sondern auch fertigungstechnisch optimiert ist.There is therefore a need for a method for generating a design for a component which is optimized not only in terms of flow technology but also in terms of manufacturing technology.
Nach Festlegung eines Designs für ein umströmtes Bauteil wird dasselbe durch abtragende Bearbeitung, z. B. durch Fräsen, gefertigt. Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Fräsverfahren bekannt, die zum Fertigen eines umströmten Bauteils zum Einsatz kommen können. Diesbezüglich sei auf die
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Generieren eines Designs eines Bauteils und ein Verfahren zur Fertigung desselben zu schaffen.On this basis, the present invention is based on the problem to provide a novel method for generating a design of a component and a method for manufacturing the same.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Generieren eines Designs eines Bauteils ist in Anspruch 1 definiert. Erfindungsgemäß werden auf Grundlage eines aus nicht abwickelbaren Freiformflächen bestehenden, mathematischen Modells des zu fertigenden Bauteils mehrere aneinander grenzende Streifen zur abtragenden Bearbeitung in Form von abwickelbaren Regelflächen definiert, wobei Grenzkurven zwischen den Streifen auf einer Ausgangsoberfläche des mathematischen Modells liegen.The method according to the invention for generating a design of a component is defined in claim 1. According to the invention, on the basis of a mathematical model of the component to be manufactured consisting of non-developable free-form surfaces, a plurality of adjacent strips are defined for abrading processing in the form of unwindable ruled surfaces, limit curves lying between the strips on an output surface of the mathematical model.
Die vorzugsweise in Radialrichtung des Turbomaschinenbauteils aneinander grenzenden Streifen erstrecken sich im Wesentlichen in Strömungsrichtung bzw. Umströmungsrichtung des Bauteils und damit im Wesentlichen in Axialrichtung und/oder Umfangrichtung des Bauteils.The strips which preferably adjoin one another in the radial direction of the turbomachine component extend essentially in the flow direction or flow direction of the component and thus substantially in the axial direction and / or circumferential direction of the component.
Flächenerzeugende Geraden jedes Streifens weisen eine definierte, konstante Länge auf, wobei die flächenerzeugende Geraden jedes Streifens sich im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung bzw. Umströmungsrichtung des Bauteils erstrecken.Area-generating straight lines of each strip have a defined, constant length, wherein the area-producing straight lines of each strip extend substantially transversely to the flow direction or flow direction of the component.
Die Grenzkurven zwischen den Streifen erstrecken sich ebenso wie die Streifen im Wesentlichen in Strömungsrichtung bzw. Umströmungsrichtung des Bauteils, wobei dieselben auf der Ausgangsoberfläche des mathematischen Modells liegen.The boundary curves between the strips as well as the strips extend substantially in the direction of flow or the direction of flow of the component, wherein they lie on the output surface of the mathematical model.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Generieren eines Designs eines Bauteils, insbesondere eines umströmten Turbomaschinenbauteils, erlaubt die Bereitstellung eines strömungstechnisch optimalen sowie gleichzeitig fertigungstechnisch optimalen Designs für das Bauteil.The method according to the invention for generating a design of a component, in particular of a turbomachine component flowed around, makes it possible to provide a flow-optimized and, at the same time, production-optimized design for the component.
Vorzugsweise werden anschließend sich unter Verwendung der durch die Streifen definierten Regelflächen einstellende aerodynamischen Eigenschaften des zu fertigenden Bauteils ermittelt und mit den gewünschten aerodynamischen Eigenschaften des aus den Freiformflächen aufgebauten Modells des zu fertigenden Bauteils für den heißen Betriebszustand desselben verglichen, wobei das mathematische Modell der Schaufeloberfläche und damit die Streifen und Regelflächen iterativ so angepasst werden, dass sich die unter Verwendung der Streifen und damit Regelflächen einstellenden aerodynamischen Eigenschaften den gewünschten aerodynamische Eigenschaften annähern.Preferably, then adjusting aerodynamic properties of the component to be manufactured are determined using the rule surfaces defined by the strips and with the desired aerodynamic properties of the built up from the free-form surfaces model of the component to be manufactured for the hot operating condition thereof, wherein the mathematical model of the blade surface and thus the stripes and control surfaces are iteratively adjusted so that the adjusting using the strips and thus ruled surfaces aerodynamic Properties to approximate the desired aerodynamic properties.
Im Anschluss werden die iterativ angepassten, auf Grundlage des Modells für den heißen Betriebszustand des fertigenden Bauteils ermittelten Streifen und damit Regelflächen vorzugsweise auf den kalten Ruhezustand des zu fertigenden Bauteils zur Bereitstellung eines strömungstechnisch und fertigungstechnisch optimalen Designs des zu fertigenden Bauteils umgerechnet.Subsequently, the iteratively adapted, determined on the basis of the model for the hot operating condition of the manufactured component strips and thus ruled surfaces are preferably converted to the cold resting state of the component to be manufactured to provide a fluidically and technically optimal design of the component to be manufactured.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fertigung eines Bauteils durch abtragende Bearbeitung ist in Anspruch 12 definiert. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) zunächst werden für die in Radialrichtung des zu fertigenden Bauteils gesehen radial äußersten Streifen die Vertiefungen mit einem definierten Aufmass zu den Seitenwänden und damit Oberflächen durch abtragende Bearbeitung im Sinne einer Schruppbearbeitung ausgebildet und darauffolgend die Seitenwände und damit Oberflächen durch abtragende Bearbeitung im Sinne einer Schlichtbearbeitung bearbeitet; b) anschließend wird diese Schruppbearbeitung mit darauffolgender Schlichtbearbeitung für die sich jeweils in Radialrichtung des zu fertigenden Bauteils gesehen radial innen anschließenden Streifen sukzessive wiederholt, und zwar bis von radial außen nach radial innen allein Radialrichtung des zu fertigenden Bauteils voneinander beabstandeten Streifen bearbeitet worden sind.The inventive method for manufacturing a component by abrasive machining is defined in claim 12. The method comprises at least the following steps: a) initially for the radially outermost strips seen in the radial direction of the component to be manufactured, the recesses are formed with a defined allowance to the side walls and thus surfaces by abrasive machining in the sense of roughing and subsequently the side walls and thus Surfaces processed by abrasive machining in the sense of finishing machining; b) Subsequently, this roughing with subsequent finishing processing for each seen in the radial direction of the component to be produced radially inwardly subsequent strips is successively repeated, namely from radially outward to radially inward alone radial direction of the component to be manufactured from each other spaced strips have been processed.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Fertigung eines Bauteils durch abtragende Bearbeitung wie z. B. Fräsen erlaubt eine fertigungstechnisch optimale Bearbeitung eines insbesondere umströmten Bauteils.The inventive method for manufacturing a component by abrasive machining such. B. milling allows a manufacturing technology optimal processing of a particular flow around the component.
Das Verfahren zur Fertigung eines Bauteils bewegt ein Werkzeug mit einer Vorschubbewegung entlang von Streifen auf einer geraden und/oder gekrümmten Bahn, wobei die Streifen vorzugsweise unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahren zum Generieren eines Designs eines umströmten Bauteils generiert werden.The method of manufacturing a component moves a tool with a feed motion along strips on a straight and / or curved path, which strips are preferably generated using the method of the present invention for generating a design of a flowed-around component.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:Preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the description below. Embodiments of the invention will be described in more detail below, with reference to the drawings, without being limited thereto. In the drawing shows:
Die hier vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Herstellung umströmter Turbomaschinenbauteile wie Laufschaufeln oder Leitschaufeln oder integral beschaufelte Rotoren. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Bauteilen zum Einsatz kommen.In particular, the present invention relates to the field of manufacturing recirculating turbomachinery components, such as blades or vanes, or integrally bladed rotors. However, the invention can also be used in other components.
Ein integral beschaufelter Rotor umfasst einen scheibenartigen oder ringartigen Rotorgrundkörper und mehrere am Rotorgrundkörper integral ausgebildete Laufschaufeln. Abhängig davon, ob der Rotorgrundkörper scheibenartig oder ringartig ausgebildet ist, wird ein solcher Rotor auch als Bling (bladed ring) oder Blisk (bladed disk) bezeichnet.An integrally bladed rotor includes a disk-like or annular rotor body and a plurality of rotor blades integrally formed on the rotor body. Depending on whether the rotor base body is disc-like or ring-shaped, such a rotor is also referred to as bling (bladed ring) or blisk (bladed disk).
Eine Schaufel
Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun einerseits ein Verfahren, mithilfe dessen ein strömungstechnisch sowie fertigungstechnisch optimales Design für ein Bauteil wie umströmtes Turbomaschinenbauteil bereitgestellt werden kann. Andererseits betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fertigen eines solchen Bauteils durch abtragende wie z. B. spanenede Bearbeitung.On the one hand, the present invention relates, on the one hand, to a method by means of which an aerodynamically and production-technically optimum design for a component, such as a turbomachinery component flown around, can be provided. On the other hand, the invention relates to a method for manufacturing such a component by erosion such. B. spanenede processing.
Die Erfindung wird nachfolgend für den bevorzugten Anwendungsfall eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, der durch Fräsen gefertigt wird, beschreiben. Obwohl nachfolgend die Erfindung fürs Fräsen beschrieben wird, soll die Erfindung nicht aufs Fräsen beschränkt sein. Vielmehr kann jede andere abtragende Bearbeitung wie z. B. Schleifen zum Einsatz kommen. Ebenso kann die Erfindung bei anderen umströmten Turbomaschinenbauteilen, nämlich Laufschaufeln und Leitschaufeln, zum Einsatz kommen.The invention will be described below for the preferred application of an integrally bladed gas turbine rotor made by milling. Although the invention will be described below for milling, the invention is not intended to be limited to milling. Rather, any other abrasive machining such. B. loops are used. Likewise, the invention may be applied to other turbomachinery components flowed around, namely blades and vanes.
Bei einer spaneneden Bearbeitung eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors sind Vertiefungen mit Seitenwänden herstellbar, wobei die Vertiefungen Strömungskanäle zwischen benachbarten Laufschaufeln und die Seitenwände Schaufeloberflächen der Laufschaufeln des integral beschaufelten Gasturbinenrotors bilden. In a machining operation of an integrally bladed gas turbine rotor, recesses are made with sidewalls, the recesses forming flow channels between adjacent blades and the sidewalls blade surfaces of the blades of the integrally bladed gas turbine rotor.
Zur Generierung eines strömungstechnisch und fertigungstechnisch optimalen Designs eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors wird so vorgegangen, dass in einem ersten Schritt auf Grundlage eines aus nicht abwickelbaren Freiformflächen aufgebauten, strömungstechnischen bzw. mathematischen Modells
Jeder der in Radialrichtung des Turbomaschinenbauteils aneinander grenzenden Streifen
Jeder der in Radialrichtung des Turbomaschinenbauteils aneinander grenzenden Streifen
Grenzkurven
In diesem Zusammenhang ist von Bedeutung, dass die Streifen
Die Regelflächen der Streifen
Nach der Erzeugung der Streifen
Als aerodynamische Eigenschaften werden vorzugsweise Druckverhältnisse und Massenstromverhältnisse des Gasturbinenrotors in radialer Richtung und damit eine radiale Verteilung der Druckverhältnisse und Massenstromverhältnisse errechnet.As aerodynamic properties, pressure ratios and mass flow ratios of the gas turbine rotor in the radial direction and thus a radial distribution of the pressure ratios and mass flow ratios are preferably calculated.
Dabei werden dann die Streifen
Hierbei werden insbesondere Profilwinkel der Streifen
Mit Abschluss der obigen Iteration werden vorzugsweise darauffolgend in einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahren die iterativ angepassten, auf Grundlage des Modells
Auf Grundlage dieser so in den kalten Ruhezustand umgerechneten Streifen bzw. Regelflächen kann nachfolgend ein Fräsverfahren zum Bereitstellen eines integral beschaufelten Gasturbinen rotors ausgeführt werden.On the basis of this so converted into the cold sleep state strips or ruled surfaces can be carried out a milling process for providing an integrally bladed gas turbine rotor below.
Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Generieren eines strömungstechnisch und fertigungstechnisch optimalen Designs für einen integral beschaufelten Gasturbinenrotor einerseits geometrische Parameter eines verwendeten Fräswerkzeugs und andererseits zu erzielende aerodynamische Eigenschaften des zu fertigenden Gasturbinenrotors berücksichtigt.It should be pointed out again here that the method according to the invention for generating a fluidically and manufacturing-optimal design for an integrally bladed gas turbine rotor on the one hand takes into account geometric parameters of a milling tool used and on the other hand to be achieved aerodynamic properties of the gas turbine rotor to be produced.
Dadurch ist es möglich, sowohl ein fertigungstechnisch als auch ein strömungstechnisch optimales Design für einen integral beschaufelten Gasturbinenrotor bereitzustellen.This makes it possible to provide both a production engineering and a fluidically optimal design for an integrally bladed gas turbine rotor.
Bei der Fertigung eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors durch Fräsen wird ein Fräswerkzeug
Die Vorschubbewegung erfolgt entlang von aus abwickelbaren Regelflächen definierten, in Radialrichtung des zu fertigenden Gasturbinenrotors gesehen voneinander beabstandeten Streifen
Beim Fertigen des integral beschaufelten Gasturbinenrotors durch Fräsen wird in groben Zügen so vorgegangen, dass zunächst für die in Radialrichtung des zu fertigenden Gasturbinenrotors gesehen radial äußersten Streifen
Nach diesem Schlichten und Schruppen der radial äußersten Streifen
Hierdurch wird erreicht, dass beim Schlichten und Schruppen im Bereich jedes Streifens eine gute Abstützung der jeweiligen Laufschaufel durch radial innen liegenden Werkstoffgegeben ist.This ensures that during sizing and roughing in the region of each strip good support of the respective blade is given by radially inner material.
Bei der Schrupp- und Schlichtbearbeitung der Strömungskanäle kann nach einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung so vorgegangen werden, dass bei der Schruppbearbeitung und Schlichtbearbeitung alle Strömungskanäle gemeinsam quasiparallel bereitgestellt werden, nämlich derart, dass alle Strömungskanäle zuerst durch Fräsen entlang der radial äußersten Streifen, anschließend durch Fräsen entlang der darunterliegenden Streifen bis zum radial innersten Streifen gefräst werden.In the roughing and finishing machining of the flow channels, according to a first advantageous development of the present invention, all flow channels are provided together quasi-parallel during roughing and finishing, namely such that all flow channels are first cut by milling along the radially outermost strips. then be milled by milling along the underlying strip to the radially innermost strip.
Nach einer weiteren Weiterbildung ist es möglich, alternativ bei der Schrupp- und Schlichtbearbeitung der Strömungskanäle so vorzugehen, dass die Strömungskanäle gruppenweise seriell nacheinander durch Schruppen und Schlichten bereitgestellt werden, nämlich derart, dass zunächst eine erste Gruppe von Strömungskanälen durch Fräsen entlang der radial äußersten Streifen
Eine derartige gruppierte bzw. segmentierte Schrupp- und Schlichtbearbeitung der Strömungskanäle erfolgt vorzugsweise derart, dass sämtliche Segmente bzw. Gruppen von Laufschaufeln gleichgroß sind, sodass sich dadurch gleiche Bedingungen für die Fräsbearbeitung und die Standzeiten der Werkzeuge ergeben.Such a grouped or segmented roughing and finishing machining of the flow channels is preferably carried out in such a way that all segments or groups of rotor blades are of the same size, thereby resulting in the same conditions for the milling and the service life of the tools.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Schruppbearbeitung der Strömungskanäle mit einem definierten Aufmass zu den Seitenwänden und damit Schaufeloberflächen
Die Schlichtbearbeitung der Schaufeloberflächen kann dabei in einem Schritt oder zweigeteilt in eine Vorschlichtoperation und eine Feinschlichtoperation erfolgen.The finishing of the blade surfaces can be done in one step or in two parts in a pre-finishing and a finishing operation.
Bei der Schlichtbearbeitung der Schaufeloberflächen
Alternativ ist es auch möglich, die Schlichtbearbeitung der Schaufeloberflächen
Weiterhin ist es möglich, die Schlichtbearbeitung derart durchzuführen, dass zunächst alle Laufschaufeln im Bereich ihrer Saugseiten oder Druckseiten einer Fräsbearbeitung unterzogen werden und dass erst anschließend alle Laufschaufeln an den verbleibenden Druckseiten oder Saugseiten einer Schlichtbearbeitung unterzogen werden. In diesem Fall erfolgt dann die Schlichtbearbeitung im Bereich der Strömungseintrittskanten und der Strömungsaustrittskanten in einem separaten Bearbeitungsschritt.Furthermore, it is possible to carry out the finishing processing in such a way that all the moving blades are first subjected to milling in the region of their suction sides or pressure sides and only then are all the moving blades subjected to finishing processing on the remaining pressure sides or suction sides. In this case, the finishing treatment then takes place in the region of the flow inlet edges and the flow outlet edges in a separate processing step.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20120817 |