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Die Erfindung betrifft ein Schaufelrad für einen Verdichter oder eine Turbine eines Triebwerks mit einem Scheibenkörper, welcher umfangsseitig mit wenigstens einer Laufschaufel verbunden ist, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schaufelrads gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 8 näher definierten Art.
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Aus der Praxis bekannte Schaufelräder können auf vielfältige Weise hergestellt werden. Konventionelle Schaufelräder, insbesondere für Verdichter von Triebwerken, werden in Differentialbauweise mit separat hergestellten Laufschaufeln gefertigt, wobei die Laufschaufeln in axialer Richtung oder in Umfangsrichtung in Ausnehmungen von Scheibenkörpern eingesteckt werden. Derartige Schaufelräder sind einfach und kostengünstig fertigbar und die Laufschaufeln können beispielsweise bei Schäden einfach ausgetauscht werden. Allerdings ist ein Gewicht derartig gefertigter Schaufelräder nachteilhafterweise groß.
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Alternativ hierzu können Schaufelräder aus Vollmaterial gefräst oder elektrochemisch erodiert werden. Derartige sogenannte Blisks weisen gegenüber den oben beschriebenen Schaufelrädern einen Gewichts- und Performancevorteil auf, sind allerdings in der Herstellung aufwändiger und somit teurer, sowie schwierig zu reparieren. Insbesondere bei komplexen Geometrien von Laufschaufeln ist die Herstellung im Vergleich zu separat gefertigten Laufschaufeln sehr komplex und teuer, da hierzu beispielsweise sehr kleine Werkzeuge mit entsprechend großem Verschleiß verwendet werden müssen.
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Um die Herstellkosten gegenüber den aus Vollmaterial gefrästen Blisks zu reduzieren, ist es bekannt Laufschaufeln separat herzustellen und mit einem für die jeweilige Laufschaufel vorgesehenen Stumpf des Scheibenkörpers in einem Reibschweißverfahren zu verschweißen. Eine definierte Trennung zwischen Laufschaufel und Scheibenkörper liegt nicht vor, da ein die Schweißnaht umfassender Bereich derartiger Schaufelräder Teil der aktiven Laufschaufel ist. Dieser Bereich hat somit hohe Anforderungen hinsichtlich einzuhaltender Formtoleranzen zu erfüllen. Mit dem Reibschweißverfahren ist allerdings eine Position der Laufschaufel relativ zu dem Stumpf nicht mit ausreichender Genauigkeit festlegbar, so dass die Laufschaufel mit einem Aufmaß gefertigt und in einem aufwändigen Verfahren nachbearbeitet werden muss, bei dem zunächst eine exakte Position der Laufschaufel abgetastet und die Laufschaufel anschließend in einem Fräsprozess in die gewünschte Form gebracht wird.
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Zwar sind mit diesem Verfahren sehr leichte Schaufelräder herstellbar. Die Herstellung dieser Schaufelräder ist aber durch den beschriebenen adaptiven Nachbearbeitungsprozess zeit- und kostenaufwändig. Weiterhin ist ein Nahtquerschnitt derartiger Schaufelräder relativ klein, so dass im Betrieb des Schaufelrades eine hohe Belastung pro Fläche wirkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schaufelrad für einen Verdichter oder eine Turbine eines Triebwerks und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schaufelrads zu schaffen, bei dem Laufräder in zeit- und kostengünstigerer Weise besonders stabil an einen Scheibenkörper angebunden sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Schaufelrad mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 8 gelöst.
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Es wird somit ein Schaufelrad für einen Verdichter oder eine Turbine eines Triebwerks mit einem Scheibenkörper vorgeschlagen, welcher umfangsseitig mit wenigstens einer Laufschaufel verbunden ist, wobei die wenigstens eine Laufschaufel stoffschlüssig mit dem Scheibenkörper verbunden ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Laufschaufel einen Schaufelfuß aufweist und die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Schaufelfuß der Laufschaufel und dem Scheibenkörper angeordnet ist.
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Durch das Vorsehen eines Schaufelfußes der wenigstens einen Laufschaufel bei dem erfindungsgemäßen Schaufelrad ist in an dem Scheibenkörper angeordneter Position der Laufschaufel ein definierter Übergang zwischen der wenigstens einen Laufschaufel und dem Scheibenkörper geschaffen. Die Anbindung der Laufschaufel an den Scheibenkörper muss hierdurch im Verbindungsbereich lediglich die im Vergleich zu den Formtoleranzen innerhalb der Laufschaufel geringeren Anforderungen unterliegenden Lagetoleranzen der Laufschaufel gegenüber dem Scheibenkörper erfüllen. Diese Toleranzen können bei der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung eingehalten werden. Auf eine Nachbearbeitung der Laufschaufel, wie sie bei bekannten, mit einem stoffschlüssigen Verbindungsverfahren hergestellten Schaufelrädern erforderlich ist, und welche dabei zwischen 50% und 65% der gesamten Bearbeitungszeit benötigt, kann vorteilhafterweise verzichtet werden. Die wenigstens eine Laufschaufel kann somit bereits in ihrer endgültigen Form gefertigt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Schaufelrades weist die wenigstens eine Laufschaufel im Bereich des Schaufelfußes einen T-förmigen Querschnitt auf. Hierdurch ist ein im Vergleich zu bekannten, mit einem stoffschlüssigen Verbindungsverfahren hergestellten Schaufelrädern großflächiger Verbindungsbereich zwischen der Laufschaufel und dem Scheibenkörper geschaffen. Die Verbindung zwischen der wenigstens einen Laufschaufel und dem Scheibenkörper hält im Betriebszustand des Schaufelrades vorliegenden Dauerwechselbeanspruchungen somit sehr sicher stand, so dass das Schaufelrad eine große Lebensdauer aufweist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Schaufelrads ist es vorgesehen, dass der Schaufelfuß der Laufschaufel auf einer dem Scheibenkörper zugewandten Seite eine wenigstens annähernd viereckige, insbesondere rautenförmige oder rechteckige, Form hat. Hierdurch ist ein großer Anbindungsbereich zwischen der Laufschaufel und dem Scheibenkörper geschaffen, welcher eine besonders stabile Verbindung zur Folge hat. Zudem ist ein derartiger Schaufelfuß auf einfache Weise maschinell an dem Scheibenkörper anordenbar.
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Wenn in einem Verbindungsbereich der wenigstens einen Laufschaufel mit dem Scheibenkörper einander zugewandte Oberflächen der Laufschaufel und des Scheibenkörpers wenigstens annähernd plan ausgebildet sind, ist die Verbindung zwischen der Laufschaufel und dem Scheibenkörper sehr einfach herstellbar. Der Scheibenkörper weist dabei insbesondere eine polygone Oberflächenstruktur zur Anordnung der einzelnen Laufschaufeln auf.
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Zur Verbindung der wenigstens einen Laufschaufel mit dem Scheibenkörper ist bei einem einfachen, stabilen und kostengünstig herstellbaren Schaufelrad eine Schweißverbindung vorgesehen. Die Schweißverbindung kann in sämtlichen Schweißverfahren, wie beispielsweise Schmelzschweißverfahren, hergestellt werden.
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Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Schweißverbindung eine Reibschweißverbindung darstellt, welche in einem Reibschweißverfahren hergestellt wird. Durch eine derartige Reibschweißverbindung können verschiedenartige Materialien miteinander verbunden werden, so dass sowohl die wenigstens eine Laufschaufel als auch der Scheibenkörper aus dem jeweils optimalen Material gefertigt sein kann. Eine Reibschweißverbindung kann dabei beispielsweise durch eine lineare oder multiorbitale Bewegung der Laufschaufel relativ zu dem Scheibenkörper erzeugt werden.
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Alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass zur Verbindung der wenigstens einen Laufschaufel mit dem Scheibenkörper eine Klebeverbindung vorgesehen ist.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schaufelrades vorgeschlagen, bei dem eine Verbindung zwischen dem Schaufelfuß der wenigstens einen Laufschaufel und dem Scheibenkörper in einem stoffschlüssigen Verbindungsschritt hergestellt wird.
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Eine Verbindung der wenigstens einen Laufschaufel mit dem Scheibenkörper ist in dem stoffschlüssigen Verbindungsschritt vorteilhafterweise unter Einhaltung erforderlicher Lagetoleranzen zwischen der Laufschaufel und dem Scheibenkörper herstellbar, so dass die wenigstens eine Laufschaufel bereits in der endgültigen Form gefertigt werden kann und eine Nachbearbeitung der Laufschaufel nach einer Verbindung mit dem Scheibenkörper vorteilhafterweise nicht erforderlich ist.
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Die stoffschlüssige Verbindung zwischen der wenigstens einen Laufschaufel und dem Scheibenkörper wird vorteilhafterweise in einem Schweißverfahren, insbesondere einem Reibschweißverfahren, oder einem Klebeverfahren hergestellt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass nach der Verbindung einer ersten Laufschaufel mit dem Scheibenkörper eine zweite Laufschaufel mit einer Lücke von wenigstens einer Laufschaufel zu der ersten Laufschaufel mit dem Scheibenkörper verbunden wird und vor der Anordnung wenigstens einer dritten Laufschaufel an dem Scheibenkörper in der Lücke zwischen der ersten Laufschaufel und der zweiten Laufschaufel Fügestellen der ersten und zweiten Laufschaufel mit dem Scheibenkörper nachbearbeitet werden. Eine einfache Zugänglichkeit der Fügestellen zur Nachbearbeitung ist hierdurch sichergestellt. Alternativ hierzu können die Laufschaufeln auch sequentiell in fortlaufender Reihenfolge an dem Scheibenkörper angeordnet werden.
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Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn zunächst in Umfangsrichtung des Scheibenkörpers jede zweite Laufschaufel stoffschlüssig mit dem Scheibenkörper verbunden wird, anschließend die Verbindungsbereiche dieser Laufschaufeln mit dem Scheibenkörper nachbearbeitet werden und danach die weiteren Laufschaufeln mit dem Scheibenkörper verbunden werden.
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Um insbesondere plane Übergänge an einer dem Scheibenkörper abgewandten Seite der Schaufelfüße zwischen benachbarten Laufschaufeln herzustellen, kann es vorgesehen sein, dass nach der Anbindung der Laufschaufeln an dem Scheibenkörper wenigstens ein Verbindungsbereich, insbesondere sämtliche Verbindungsbereiche der Laufschaufeln mit dem Scheibenkörper nachbearbeitet werden.
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Plane Übergänge zwischen den Schaufelfüßen benachbarter Laufschaufeln können auf einfache Weise durch Einbringung von Material insbesondere in einem Auftragsschweißverfahren nachbearbeitet werden, wobei die Bereiche zwischen den benachbarten Laufschaufeln zusätzlich beispielsweise durch einen Fräsprozess bearbeitet werden können.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schaufelrades und dem erfindungsgemäßen Verfahren angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaufelrades und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Es zeigt:
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1 eine stark vereinfachte ausschnittsweise Schnittdarstellung eines Schaufelrades mit einem Scheibenkörper und mehreren über dessen Umfang verteilten und mit diesem verbundenen Laufschaufeln; und
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2 eine stark vereinfachte ausschnittsweise Draufsicht auf das Schaufelrad der 1, wobei mehrere Laufschaufeln ersichtlich sind.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines senkrecht zu einer axialen Richtung geschnittenen Schaufelrades 1 für ein Triebwerk eines Fluggeräts. Das Schaufelrad 1 weist einen Scheibenkörper 3 und mehrere an dessen Umfang angeordnete Laufschaufeln 5 auf.
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Zur Anordnung der Laufschaufeln 5 weist der Scheibenkörper 3 vorliegend eine als Polygonzug gefertigte Oberfläche 7 auf, so dass jeder Laufschaufel 5 ein planer Bereich 9 der Oberfläche 7 zugeordnet ist. Die Laufschaufeln 5, welche im Wesentlichen baugleich ausgebildet sind, weisen in der in der 1 gezeigten Schnittdarstellung einen Schaufelfuß 11 mit einem jeweils T-förmigen Querschnitt 13 auf, wobei eine dem Scheibenkörper 3 zugewandte Oberfläche 15 des Schaufelfußes 11 korrespondierend zu einer Form der planen Bereiche 9 der Oberfläche 7 des Scheibenkörpers 3 – wie in der 2 ersichtlich ist – rautenförmig und ebenfalls plan ausgebildet ist.
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Zur Anbindung der Laufschaufeln 5 an den Scheibenkörper 3 wird vorliegend ein Reibschweißverfahren eingesetzt, bei dem eine Reibschweißverbindung 21 zwischen der jeweiligen Laufschaufel 5 und dem Scheibenkörper 3 hergestellt wird. Zur Herstellung der Reibschweißverbindung 21 wird eine Laufschaufel 5 von einer Vorrichtung vorliegend im Bereich des einfach zu greifenden Schaufelfußes 11 gefasst und in einem linearen oder orbitalen bzw. multiorbitalen Bewegungsablauf relativ zu dem Scheibenkörper 3 wenigstens annähernd in einer zu dem planen Bereich 9 des Scheibenkörpers 3 bewegt. Eine orbitale Bewegung, beispielsweise in der Form eines Ovals, hat dabei gegenüber einer linearen Bewegung den Vorteil, dass keine Umkehrpunkte in dem Bewegungsablauf auftreten, in denen bereits eine kurzzeitige Schweißverbindung zwischen der Laufschaufel 5 und dem Scheibenkörper 3 auftritt, welche nach der Bewegungsumkehr wieder aufgebrochen wird.
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Bei dem in der 2 in einer Draufsicht gezeigten Schaufelrad 1 sind drei Laufschaufeln 5', 5'', 5''' ersichtlich, welche in jeweils einem Verbindungsbereich 17', 17'', 17''' an den Scheibenkörper 3 angebunden sind. Bei der Herstellung des Schaufelrads 1 wird zunächst die erste Laufschaufel 5' und anschließend die zweite Laufschaufel 5'' vorliegend in einem Reibschweißverfahren an dem Scheibenkörper 3 angebunden. Zwischen den Laufschaufeln 5', 5'' ist der Verbindungsbereich 17''' für die Anbindung einer dritten Laufschaufel 5''' vorgesehen.
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Nach der Anbindung der ersten und zweiten Laufschaufel 5', 5'' wird im Umfang des Scheibenkörpers 3 fortlaufend, jede zweite Laufschaufel 5 an den Scheibenkörper 3 angebunden. In einem daran anschließenden Verfahrensschritt werden hier während des Reibschweißverfahrens auftretende Fügeflächen in einem Randbereich der Verbindungsbereiche 17', 17'' nachbearbeitet und insbesondere abgefräst.
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In den Lücken werden anschließend die dritte Laufschaufel 5''' und alle weiteren Laufschaufeln 5 wiederum vorliegend in einem Reibschweißverfahren mit dem Scheibenkörper 3 verbunden, bis der Scheibenkörper 3 umlaufend mit Laufschaufeln 5 verbunden ist. Um plane Oberflächen 19 zwischen jeweils aneinander angrenzenden Laufschaufeln 5 auf einer dem Scheibenkörper 3 abgewandten Seite zu erzeugen, werden insbesondere wiederum anschließend Fügestellen der neu angebundenen Laufschaufeln 5''' nachbearbeitet. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann es vorgesehen sein, dass in einem Auftragsschweißverfahren in Umfangsrichtung des Scheibenkörpers 3 vorliegende, zwischen benachbarten Verbindungsbereichen 17 angeordnete Zwischenräume zur Erzielung der planen Oberfläche 19 aufgefüllt und gegebenenfalls nachbearbeitet werden.
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Ein Abstand A zwischen Schaufelfüßen 11 benachbarter Laufschaufeln 5 wird insbesondere derart gewählt, dass bereits durch die Reibschweißverbindungen 21 keine eine geringere radiale Erstreckung als eine nach oben weisende Oberfläche 23 der Schaufelfüße 11 aufweisende Lücke verbleibt. Zur Erzielung der planen Oberfläche 19 ist hierbei kein Material einbringender Verfahrensschritt erforderlich. Die Reibschweißverbindungen 21 müssen lediglich beispielsweise durch ein Fräsen nachbearbeitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaufelrad
- 3
- Scheibenkörper
- 5 bis 5'''
- Laufschaufel
- 7
- Oberfläche des Scheibenkörpers
- 9
- Bereich der Oberfläche des Scheibenkörpers
- 11
- Schaufelfuß der Laufschaufel
- 13
- T-förmiger Querschnitt des Schaufelfußes
- 15
- Oberfläche des Schaufelfußes
- 17 bis 17'''
- Verbindungsbereich
- 19
- Oberfläche
- 21
- Reibschweißverbindung
- 23
- Oberfläche des Schaufelfußes
- A
- Abstand
