DE102011010297A1

DE102011010297A1 - Verfahren zum Erzeugen einer eine Mikrostruktur aufweisenden Schaufel sowie Sonotrode

Info

Publication number: DE102011010297A1
Application number: DE201110010297
Authority: DE
Inventors: Dr. Bamberg Joachim; Dr. Hessert Roland; Dr. Raab Irene
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeugen einer eine Mikrostruktur (5, 5', 5'') aufweisenden Schaufel (1) für eine Strömungsmaschine (4), insbesondere eine Turbomaschine, wobei die Mikrostruktur (5, 5', 5'') mittels einer Ultraschall-Schlagbehandlung erzeugt wird, wobei eine Sonotrode (12') zur Ultraschall-Schlagbehandlung mehrere Schneiden (13', 13'', 13''') aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer eine Mikrostruktur aufweisenden Schaufel sowie eine Sonotrode.
Bei der Umströmung einer Schaufel einer Turbomaschine kommt es zu Strömungsverlusten, welche unterschiedliche Ursachen haben. Zum einen treten Reibungsverluste direkt an der umströmten Oberfläche auf. Zum anderen kommt es in Abhängigkeit von der Grenzschichtentwicklung entlang der Schaufel zu Verlustgebieten im Nachlauf der Schaufel.
Um die Strömungsverluste an der Schaufeloberfläche zu beeinflussen, ist es bekannt geworden, die Schaufeloberfläche mit einer Mikrostruktur zu versehen, beispielsweise einer Haifischhautstruktur, wie in der EP 1 723 311 B1 beschrieben.
Bei der EP 1 723 311 B1 wird die Mikrostruktur mittels Laser, Sputtern oder sonstigen Abtragverfahren erzeugt. Diese Verfahren führen jedoch nachteilig zu einer mechanischen Schwächung der hochbelasteten Schaufeloberfläche.
Außerdem ist aus der WO 2006/058518 ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das aus der WO 2006/058518 bekannte Verfahren zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Sonotrode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
Demgemäß wird ein Verfahren zum Erzeugen einer eine Mikrostruktur aufweisenden Schaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbomaschine, bereitgestellt, wobei die Mikrostruktur mittels einer Ultraschall-Schlagbehandlung erzeugt wird und eine Sonotrode zur Ultraschall-Schlagbehandlung mehrere Schneiden aufweist.
Weiterhin wird eine Sonotrode zum Erzeugen einer Mikrostruktur auf einer Schaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbomaschine, mittels einer Ultraschall-Schlagbehandlung bereitgestellt, wobei die Sonotrode mehrere Schneiden aufweist.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, bei dem Verfahren der Ultraschall-Schlagbehandlung eine Sonotrode mit mehreren Schneiden zu verwenden, Vorteilhaft wird dadurch ein Materialaufwurf zu beiden Seiten der gebildeten Riefen vermieden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die mehreren Schneiden nebeneinander angeordnet. Dadurch kann einfach eine Mikrostruktur mit Bergen und Tälern erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die Schneiden jeweils eine variierende Höhe auf. Dadurch lassen sich auf den jeweiligen Anwendungsfall optimiert Bereiche der Mikrostruktur mit unterschiedlicher Profiltiefe erzeugen. Die Höhe einer jeweiligen Schneide kann sich in Längsrichtung einer Schneide verändern, so dass mittels der Sonotrode eine sich in zwei Dimensionen verändernde Mikrostruktur erzeugt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die Schneiden einen Auslauf auf. Damit weisen auch die entsprechenden Täler in der Mikrostruktur einen Auslauf auf, wodurch ein günstiger Übergang zwischen einem mikrostrukturierten Bereich der Schaufel und einem nicht-mikrostrukturierten Bereich einer Schaufel geschaffen werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Sonotrode kontinuierlich über die Schaufeloberfläche geführt, wobei die Mikrostruktur erzeugt wird, oder die Sonotrode wird lokal zum Erzeugen eines Teilbereichs der Mikrostruktur bewegt, und anschließend versetzt, um den nächsten Teilbereich zu erzeugen. Gerade die letztere Vorgehensweise erlaubt es, die Mikrostruktur an den jeweiligen Anwendungsfall optimiert anzupassen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Mikrostruktur als Riefen in Strömungsrichtung und/oder winkelig zur Strömungsrichtung, als Wellenstruktur, insbesondere Halbwellenstruktur und/oder als Haifischhautstruktur ausgebildet. Je nach Anwendungsfall kann die geeignete Mikrostruktur gewählt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Mikrostruktur auf der gesamten Schaufeloberfläche, auf der Saugseite im Bereich der Strömungsverzögerung, insbesondere als Streifen in Richtung der Schaufelhöhe, auf der Seite im Bereich zwischen Engfläche und Hinterkante und/oder auf einer Seitenwand ausgebildet. Bevorzugt ist die Mikrostruktur in einem Bereich der Schaufeloberfläche vorgesehen, welcher mit einer turbulenten Grenzschichtströmung in Kontakt steht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in einer perspektivischen Ansicht eine Schaufel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 in einer Seitenansicht eine Sonotrode nach dem Stand der Technik;
3 in einer perspektivischen Ansicht eine Sonotrode zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 in einer Schnittansicht eine Mikrostruktur, welche mittels der in 2 gezeigten Sonotrode erzeugt wurde;
5 in vergrößerter Ansicht Schneiden der Sonotrode aus 3;
6 die Schneiden aus 5 gemäß einer Variante; und
7 die Schneiden aus 5 gemäß einer weiteren Variante.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Schaufel 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Schaufel 1 setzt sich aus einem Blatt 2 und einem Fuß 3 zur Verbindung mit einem nicht weiter dargestellten Rotor zusammen. Die Schaufel 1 ist dazu eingerichtet, in eine allgemein mit 4 bezeichnete und nicht weiter dargestellte Turbomaschine eingebaut zu werden. In 1 ist die Druckseite des profilierten Blatts 2 mit DS und die Saugseite mit SS bezeichnet.
Das Blatt 2 weist beispielsweise einen mikrostrukturierten Bereich 5 an seiner Saugseite SS auf. Dieser erstreckt sich in Längsrichtung L des Blatts 2, also in dessen Hochrichtung, in einem Bereich zwischen einer Engfläche 6 und einer Hinterkante 7 in Form eines im Wesentlichen rechteckigen Streifens. Der mikrostrukturierte Bereich 5 kann beispielsweise mit Riefen, welche sich in der Strömungsrichtung SR eines durch die Turbomaschine 4 strömenden Fluids erstrecken, versehen sein. Weiterhin kann die Mikrostruktur 5 als Wellenstruktur, insbesondere Halbwellen und/oder als Haifischhaut ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das Blatt 2 eine Mikrostruktur 5' aufweisen. Die Mikrostruktur 5' ist als in etwa rechtecksförmiger Streifen ausgebildet, welcher sich in der Strömungsrichtung SR erstreckt.
Weiter alternativ oder zusätzlich kann das Blatt 2 an seiner radial außen gelegenen Seitenfläche 11 (auch als Spitze bezeichnet) eine Mikrostruktur 5'' aufweisen.
Die Mikrostrukturen 5' und/oder 5'' können einen Aufbau aufweisen, wie vorstehend im Zusammenhang mit der Mikrostruktur 5 erläutert.
Die Mikrostrukturen 5, 5', 5'' werden mit einer Ultraschall-Schlagbehandlung erzeugt. Die 2 und 3 zeigen zwei unterschiedliche Sonotroden 12, 12' zur Verwendung in einer solchen Ultraschall-Schlagbehandlung.
Die Sonotrode 12 weist lediglich eine Schneide 13 auf und ist aus dem Stand der Technik bekannt. Eine mittels der Sonotrode 12 hergestellte Mikrostruktur 5 ist in 4 zu sehen. Die Mikrostruktur 5 weist eine sich senkrecht zur Papierebene erstreckende Riefe 14 auf, die zu beiden Seiten von Materialaufwerfungen 15 begrenzt wird. Diese Materialaufwerfungen 15 sind nachteilig.
Die in 3 gezeigte Sonotrode 12' weist eine Vielzahl, nebeneinander angeordneter Schneiden 13' von mikroskopischer Größe auf. „Nebeneinander angeordnet” heißt hier, dass sich die Schneiden 13' in einer in etwa planparallelen Ebene zur Oberfläche 8 der zu bearbeitenden Schaufel 1 bzw. des Blatts 2 der Schaufel 1 erstrecken, wenn die Ultraschall-Schlagbehandlung durchgeführt wird.
5 zeigt in einer vergrößerten Ansicht aus 3 perspektivisch die Schneiden 13'. Die Schneiden 13' weisen eine Höhe H auf. Mit der Höhe H ist der Abstand zwischen einer Bergspitze 16' und einer Talsohle 17' des die Schneiden 13' bildenden Profils gemeint. Mit S ist in 5 der Abstand zwischen zwei Schneiden 13' bezeichnet. Die Sonotrode 12' kann beispielsweise elf Schneiden 13' aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Sonotrode aus 3 mit einem Anpressdruck von 3 bar, einer Amplitude von 55 μm und einem Vorschub von 0,04 m/min über die Oberfläche 8 eines Blatts 2 bewegt. Der Abstand S beträgt dabei 0,2 mm und die Höhe H 0,04 mm. Hierdurch ließ sich in einem Fall eine besonders vorteilhafte Mikrostruktur 5 erzeugen. Die angegebenen Werte sind lediglich beispielhaft zu verstehen und grundsätzlich variierbar.
6 zeigt nun eine Variante gegenüber 5, wobei die Schneiden 13'' jeweils mit einem Auslauf 21'' an ihren gegenüberliegenden Enden in der Längsrichtung LS der Schneiden 13'' versehen sind. Somit variiert die Höhe H der Schneiden 13'' in der Längsrichtung LS einer jeweiligen Schneide 13''.
7 zeigt die Ansicht aus 5 gemäß einer weiteren Variante, wobei die Schneiden 13''' in der Querrichtung Q quer zur Längsrichtung LS der Schneiden 13''' gesehen eine S-Form aufweisen.
Während die Schneiden 13' und 13'' aus den 6 bzw. 7 gut für eine kontinuierliche Bewegung derselben über das Blatt 2 der Schaufel 1 geeignet sind, ist die S-Form der Schneiden 13''' aus 7 besser für eine schrittweise Einprägung in die Oberfläche 8 des Blatts 2 der Schaufel 1 geeignet. ”Schrittweise” ist hier so zu verstehen, dass ein Bereich der Oberfläche 8 des Blatts 2 mikrostrukturiert, die Schneiden 13''' bzw. die entsprechende Sonotrode hiernach angehoben, zu einem neuen Bereich bewegt und wieder abgesenkt werden, woraufhin der neue Bereich mikrostrukturiert wird.
Es ist offensichtlich, dass die in der Oberfläche 8 des Blatts 2 der Schaufel 1 erzeugten Mikrostrukturen 5, 5', 5'' zu der Form der Schneiden 13', 13'', 13''' korrespondieren.
Obwohl die Erfindung vorliegend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf keineswegs beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind die für das erfindungsgemäße Verfahren vorstehend beschriebenen Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele entsprechend auf die erfindungsgemäße Sonotrode anwendbar, und umgekehrt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass ”ein” vorliegend keine Vielzahl ausschließt.
Bezugszeichenliste

1: Schaufel
2: Blatt
3: Fuß
4: Turbomaschine
5: Mikrostruktur
5': Mikrostruktur
5'': Mikrostruktur
6: Engfläche
7: Hinterkante
8: Oberfläche
11: Seitenfläche
12: Sonotrode
12': Sonotrode
13: Schneide
13': Schneide
13'': Schneide
13''': Schneide
14: Riefe
15: Materialaufwerfung
16': Spitze
17': Talsohle
21'': Auslauf
H: Höhe
L: Längsrichtung bzw. Schaufelhöhe des Blatts
Q: Querrichtung
S: Abstand
DS: Druckseite
SS: Saugseite
SR: Strömungsrichtung
LR: Längsrichtung einer Schneide

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1723311 B1 [0003, 0004]
WO 2006/058518 [0005, 0006]

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer eine Mikrostruktur (5, 5', 5'') aufweisenden Schaufel (1) für eine Strömungsmaschine (4), insbesondere eine Turbomaschine, wobei die Mikrostruktur (5, 5', 5'') mittels einer Ultraschall-Schlagbehandlung erzeugt wird dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonotrode (12') zur Ultraschall-Schlagbehandlung mehrere Schneiden (13', 13', 13''') aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Schneiden (13', 13'', 13''') nebeneinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiden (13'', 13''') jeweils eine variierende Höhe (H) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiden (13'') einen Auslauf (21'') aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (12') kontinuierlich über die Schaufel (1) geführt wird, wobei die Mikrostruktur (5, 5', 5'') erzeugt wird, oder die Sonotrode (12') lokal zum Erzeugen eines Teilbereichs der Mikrostruktur (5, 5', 5'') über die Schaufel (1) bewegt und anschließend versetzt wird, um den nächsten Teilbereich zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (5, 5', 5'') als Riefen (14) in Strömungsrichtung (SR) und/oder winkelig zur Strömungsrichtung (SR), als Wellenstruktur, insb. Halbwellenstruktur und/oder als Haifischhautstruktur ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (5, 5', 5'') auf der gesamten Schaufeloberfläche (8), auf der Saugseite (SS) im Bereich der Strömungsverzögerung, insbesondere als Streifen in Schaufelhöhe (L), auf der Saugseite (SS) im Bereich zwischen Engfläche (6) und Hinterkante (7) und/oder auf einer Seitenwand (11) der Schaufel (1) ausgebildet wird.
Sonotrode (12') zum Erzeugen einer Mikrostruktur (5, 5', 5'') auf einer Schaufel (1) für eine Strömungsmaschine (4), insbesondere eine Turbomaschine, mittels einer Ultraschall-Schlagbehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (12') mehrere Schneiden (13', 13'', 13''') aufweist.