DE102013216354A1 - Method of manufacturing a vane ring and vane ring - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelkranzes (10) einer Strömungsmaschine, folgende Schritte umfassend: Anordnen einzelner Leitschaufelelemente (12) umfassend jeweils eine Leitschaufel (14) mit einem radial außen an der Leitschaufel (14) angeordneten äußeren Deckbandelement (16) und einem radial innen an der Leitschaufel (14) angeordneten inneren Deckbandelement (18) zu einem Leitschaufelkranz; und Fügen der Leitschaufelelemente (12) im Bereich jeweils benachbarter äußerer und innerer Deckbandelemente (16, 18) mittels Rührreibschweißen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Leitschaufelkranz (10) einer Strömungsmaschine, wobei dieser aus einer Vielzahl von mittels Rührreibschweißen verbundener Leitschaufelelemente (12) besteht.The invention relates to a method for producing a vane ring (10) of a turbomachine, comprising the steps of: arranging individual vane elements (12) each comprising a vane (14) with an outer shroud element (16) disposed radially outward of the vane (14) and radially inside the shroud (14) arranged inner shroud element (18) to a vane ring; and joining the guide vane elements (12) in the region of respectively adjacent outer and inner shroud elements (16, 18) by friction stir welding. The invention further relates to a vane ring (10) of a turbomachine, which consists of a plurality of Leitschaufelelemente (12) connected by friction stir welding.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelkranzes einer Strömungsmaschine. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Leitschaufelkranz einer Strömungsmaschine. The present invention relates to a method for producing a vane ring of a turbomachine. The invention further relates to a guide vane ring of a turbomachine.
Leitschaufelkränze für Strömungsmaschinen, wie zum Beispiel Flugzeugtriebwerke werden üblicherweise durch das Verbinden einzelner Leitschaufelelemente mittels Elektronenstrahlschweißen hergestellt. Die einzelnen Leitschaufelelemente bestehen dabei aus jeweils einer Leitschaufel sowie einem radial außen an der Leitschaufel angeordneten äußeren Deckbandelement und einem radial innen an der Leitschaufel angeordneten inneren Deckbandelement, wobei jeweils benachbarte äußere und innere Deckbandelemente mittels Elektronenstrahlschweißen zu einem kompletten Leitschaufelkranz verbunden werden. Nachteilig an dieser bekannten Bauweise ist jedoch, dass diese einen sehr hohen Aufwand an zerspanender Nachbearbeitung erfordert. Zudem ist der Elektronenstrahlschweißprozess sehr aufwändig und somit kostenintensiv. Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelkranzes einer Strömungsmaschine bereitzustellen, welches eine hohe Fertigungspräzision bei gleichzeitiger Kostenreduktion ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Leitschaufelkranz einer Strömungsmaschine bereitzustellen, der kostengünstig herstellbar ist und zudem eine hohe Fertigungspräzision aufweist. Object of the present invention is to provide a method for producing a vane ring of a turbomachine, which allows high manufacturing precision while reducing costs. It is a further object of the present invention to provide a vane ring of a turbomachine, which is inexpensive to produce and also has a high manufacturing precision.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen Leitschaufelkranz einer Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzes als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens – und umgekehrt – anzusehen sind. The object is achieved by a method having the features of claim 1 and a vane ring of a turbomachine with the features of claim 11. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the respective subclaims, wherein advantageous embodiments of the guide vane ring according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the method according to the invention - and vice versa.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelkranzes einer Strömungsmaschine umfasst folgende Schritte:
Anordnen einzelner Leitschaufelelemente umfassend jeweils eine Leitschaufel mit einem radial außen an der Leitschaufel angeordneten äußeren Deckbandelement und einem radial innen an der Leitschaufel angeordneten inneren Deckbandelement zu einem Leitschaufelkranz und Fügen der Leitschaufelelemente im Bereich jeweils benachbarter äußerer und innerer Deckbandelemente mittels Rührreibschweißens. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des Rührreibschweißens zur Herstellung des Leitschaufelkranzes werden die üblicherweise beim Schmelzschweißen von Titanwerkstoffen auftretenden Schweißfehler wie die Poren- und Lunkerbildung zuverlässig vermieden, der Verzug des Bauteils verhindert und die Prozessstabilität erhöht. Vorteilhafterweise werden dadurch die Anzahl der Arbeitsfolgen zur Herstellung des Leitschaufelkranzes und der Aufwand für eine zerspanende Nachbearbeitung des hergestellten Leitschaufelkranzes deutlich reduziert. Die zerspanende Nachbearbeitung wird insbesondere dadurch reduziert, dass bei der Anwendung des Rührreibschweißverfahrens die Schweißnahtdicke dem Endmaß des Leitschaufelkranzes in diesem Bereich entspricht. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Rührreibschweißprozesses ergibt sich eine optimale Schweißqualität und damit eine sehr hohe Fertigungspräzision. Zudem ergibt sich insgesamt eine deutliche Kostenreduzierung bei der Herstellung der Leitschaufelkränze. An inventive method for producing a vane ring of a turbomachine comprises the following steps:
Arranging individual guide blade elements comprising in each case a guide blade with an outer shroud element arranged radially on the outside of the guide shovel and an inner shroud element arranged radially inward on the guide shovel to form a guide blade ring and join the guide shovel elements in the region of adjacent outer and inner shroud elements by means of friction stir welding. The inventive use of the friction stir welding to produce the vane ring welding defects commonly occurring in the fusion welding of titanium materials such as pores and voids formation are reliably avoided, prevents the distortion of the component and increases the process stability. Advantageously, thereby the number of work sequences for the production of the vane ring and the cost of a machining post-processing of the manufactured vane ring are significantly reduced. The machining finish is reduced in particular by the fact that in the application of the friction stir welding process, the weld thickness corresponds to the final dimension of the guide vane ring in this area. The inventive use of a friction stir welding process results in optimum welding quality and thus very high manufacturing precision. In addition, the overall result is a significant cost reduction in the manufacture of the Leitschaufelkränze.
Bei weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach dem Anordnen der einzelnen Leitschaufelelemente zu einem Leitschaufelkranz und vor dem Fügen der Leitschaufelelemente diese im Bereich benachbarter äußerer und innerer Deckbandelemente miteinander mittels Heften verbunden. Unter „Heften“ wird dabei verstanden, dass die einzelnen Leitschaufelelemente noch nicht endgültig stoff- und formschlüssig mittels Rührreibschweißen verbunden werden. Das Heften kann mittels eines Laserstrahl-, Elektronenstrahl-, Gasschmelz-, Lichtbogen-, Schutzgas- oder Plasmaschweißverfahrens erfolgen. Auch andere Schweißverfahren und z. B. ein mechanisches Verbinden der einzelnen Leitschaufelelemente mittels Klemmen oder vergleichbaren Verbindungselementen sind denkbar. Durch das vor dem Fügen der Leitschaufelelemente erfolgende Heften der Leitschaufelelemente zu einem Leitschaufelkranz ist einerseits die exakte Anordnung der einzelnen Leitschaufelelemente zueinander gewährleistet, zudem kann der Rührreibschweißprozess präzise an dem gehefteten Leitschaufelkranz durchgeführt werden. In further advantageous embodiments of the method according to the invention, after arranging the individual vane elements to form a vane ring and before joining the vane elements, they are connected to one another in the region of adjacent outer and inner cover strip elements by means of stapling. By "stapling" is understood that the individual vane elements are not yet final material and form-fitting connected by means of friction stir welding. The stapling can be done by means of a laser beam, electron beam, gas melting, arc, inert gas or plasma welding process. Other welding methods and z. As a mechanical connection of the individual vane elements by means of terminals or similar connecting elements are conceivable. By taking place prior to joining the vane elements stapling the vane elements to a vane ring on the one hand, the exact arrangement of the individual vane elements ensures each other, also the friction stir welding process can be performed precisely on the stapled vane ring.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass bei dem Fügen und/oder Heften der Leitschaufelelemente zunächst die benachbarten Bereiche der äußeren Deckbandelemente und anschließend die benachbarten Bereiche der inneren Deckbandelemente gefügt und/oder geheftet werden. Dadurch lassen sich die Fertigungspräzision und eine Beschleunigung des Herstellungsablaufs erzielen. In further advantageous embodiments of the method according to the invention, it is possible that in the joining and / or stapling of the guide vane elements, first the adjacent regions of the outer shroud elements and then the adjacent regions of the inner Cover band elements are joined and / or stapled. As a result, the manufacturing precision and an acceleration of the production process can be achieved.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Fügen oder Heften der Leitschaufelelemente mindestens eine Stützvorrichtung in einen Ringraum des auszubildenden Leitschaufelkranzes und/oder in einem Bereich zwischen den Leitschaufeln und zwischen den inneren und äußeren Deckbandelementen und/oder im Bereich außerhalb der äußeren Deckbandelemente angeordnet. Die Stützvorrichtungen dienen zur Aufnahme der bei Rührreibschweißverfahren auftretenden hohen Prozesskräfte. In further advantageous embodiments of the method according to the invention, at least one support device is arranged in an annular space of the vane ring to be formed and / or in an area between the vanes and between the inner and outer shroud elements and / or in the area outside the outer shroud elements prior to joining or stapling the vane elements , The support devices serve to accommodate the high process forces occurring in friction stir welding processes.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der geheftete Leitschaufelkranz vor dem Fügen auf einem horizontal ausgerichteten Drehtisch positioniert. Durch eine derartige Positionierung und Ausrichtung des gehefteten Leitschaufelkranzes wird eine sehr hohe Fertigungspräzision gewährleistet. In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the stitched vane ring is positioned on a horizontally oriented turntable prior to joining. Such a positioning and alignment of the stapled vane ring ensures a very high manufacturing precision.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fügen mittels mehreren Rührreibschweißvorrichtungen durchgeführt. Die Rührreibschweißvorrichtungen können dabei simultan betrieben werden. Durch die Verwendung mehrerer Rührreibschweißvorrichtungen kann die Herstellungsdauer eines Leitschaufelkranzes deutlich verringert werden. In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the joining is carried out by means of a plurality of friction stir welding devices. The friction stir welding devices can be operated simultaneously. By using multiple friction stir welding devices, the manufacturing time of a vane ring can be significantly reduced.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die mittels des Rührreibschweißens zu verbindenden Bereiche der Leitschaufelelemente vor und/oder während des Rührreibschweißens lokal vorgewärmt. Die lokale Vorerwärmung kann dabei induktiv oder mittels Laserstrahlung erfolgen. Durch die lokale Vorerwärmung der zu fügenden Bereiche der Leitschaufelelemente kann die Lebensdauer der Rührreibschweißvorrichtung deutlich erhöht werden. Dies gilt insbesondere für das Verschweißen bzw. Fügen von Bauteilen aus Titanwerkstoffen. In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the regions of the guide vane elements to be connected by means of friction stir welding are locally preheated before and / or during friction stir welding. The local preheating can be done inductively or by means of laser radiation. The local preheating of the regions of the vane elements to be joined can significantly increase the service life of the friction stir welding device. This applies in particular to the welding or joining of components made of titanium materials.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Leitschaufelkranz einer Strömungsmaschine, wobei der Leitschaufelkranz aus einer Vielzahl von mittels Rührreibschweißen verbundenen Leitschaufelelementen besteht. Der erfindungsgemäße Leitschaufelkranz ist – wie im Vorhergehenden bereits beschrieben – kostengünstig herstellbar und weist zudem eine hohe Fertigungspräzision auf. The invention further relates to a vane ring of a turbomachine, wherein the vane ring consists of a plurality of Leitschaufelelementen connected by friction stir welding. The vane ring according to the invention is - as already described above - inexpensive to produce and also has a high manufacturing precision.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzes weisen die Leitschaufelelemente jeweils eine Leitschaufel mit einem radial außen an der Leitschaufel angeordneten äußeren Deckbandelement und einem radial innen an der Leitschaufel angeordneten inneren Deckbandelement auf, wobei die Leitschaufelelemente im Bereich jeweils benachbarter äußerer und innerer Deckbandelemente gefügt sind. Erfindungsgemäß sind keine Schweißfehler wie bei üblicherweise verwendeten Schmelzschweißverfahren erkennbar. Durch den verwendeten Reibschweißprozess ergibt sich zudem eine optimale Schweißqualität, ein möglicher Verzug des Leitschaufelkranzes kann ausgeschlossen werden. Insbesondere wird der erfindungsgemäße Leitschaufelkranz nach einem Verfahren wie im Vorhergehenden beschrieben, hergestellt. In an advantageous embodiment of the guide vane ring according to the invention, the guide vane elements each have a guide vane with an outer shroud element arranged radially on the outside of the vane and an inner shroud element arranged radially on the inside of the vane, wherein the vane elements are joined in the region of respectively adjacent outer and inner shroud elements. According to the invention, no welding defects are recognizable as with commonly used fusion welding processes. In addition, the friction welding process used results in an optimum quality of welding, a possible distortion of the guide vane ring can be excluded. In particular, the vane ring according to the invention is produced by a method as described above.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Strömungsmaschine mit mindestens einem Leitschaufelkranz, wie er im Vorhergehenden beschrieben worden ist. The invention further relates to a turbomachine having at least one vane ring, as has been described above.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, dem Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt die Figur eine schematische Darstellung eines Zwischenschrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Leitschaufelkranzes einer Strömungsmaschine. Further features of the invention will become apparent from the claims, the embodiment and the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the exemplary embodiment can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the invention. The figure shows a schematic representation of an intermediate step of the inventive method for producing a vane ring of a turbomachine.
Ein in der Figur schematisch dargestellter und herzustellender Leitschaufelkranz
Der so geheftete Leitschaufelkranz ist auf einem horizontal ausgerichteten Drehtisch (nicht dargestellt) positioniert und ausgerichtet. The so-fixed vane ring is positioned and aligned on a horizontally oriented turntable (not shown).
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden zunächst die äußeren Deckbandelemente
Man erkennt, dass im den dargestellten Ausführungsbeispiel gleichzeitig zwei Rührreibschweißungen mit entsprechenden Rührreibschweißvorrichtungen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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