DE102016203647A1 - Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente einer Strömungsmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente (12, 14) wenigstens eines Rotors einer Strömungsmaschine umfassend. Zur Optimierung einer Unwucht des herzustellenden Rotors ist es vorgesehen, dass einer Geometrie und/oder einer Massenverteilung der Rotorelemente (12, 14) mittels eines tomografischen Messverfahrens erfasst wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung und eine Montagevorrichtung für ein solches Verfahren sowie einen mittels dieses Verfahrens hergestellten Rotor.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente wenigstens eines Rotors einer Strömungsmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Messvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8, eine Montagevorrichtung und einen Rotor einer Strömungsmaschine.
  • Ein Rotor einer Strömungsmaschine wird aus einzelnen Rotorelementen wie Scheiben, Trommeln und/oder Schäften zusammengesetzt. Dabei ist ein Ziel, bei der Montage eine Unwucht des herzustellenden Rotors zu minimieren und somit seine Performance zu verbessern. Dies geschieht üblicherweise nach dem Trial-and-Error-Prinzip. Nach dem Verbinden von zwei Rotorelementen wird das Ergebnis überprüft und mit Herstellervorgaben abgeglichen. Bei einem ausreichend guten Ergebnis kann der nächste Montageschritt erfolgen. Bei einem schlechten Ergebnis müssen die zwei Rotorelemente wieder getrennt und in einer anderen relativen Montageausrichtung zueinander erneut miteinander verbunden werden. Anschließend muss wieder geprüft werden, ob die daraus resultierende Unwucht des Rotors den Anforderungen genügt. Diese Schritte müssen so lange wiederholt werden, bis der gesamte Rotor aufgebaut ist und die Anforderungen an dessen Unwucht erfüllt sind. Das macht einen Rotoraufbau unplanbar und das Ergebnis kann verbesserungsfähig sein.
  • Aus diesem Grund gibt es Anbieter von sogenannten Rotoroptimierungsverfahren. Bekannt sind dabei beispielsweise Verfahren von den Firmen Axiam und Precitech. Dabei wird mit speziellen taktilen Sensorelementen einer Messeinrichtung ein Rundlauf wenigstens einer radial außen liegenden Mantelfläche der Rotorelemente an jeweils wenigstens zwei voneinander axial beabstandeten Stellen erfasst. In Abhängigkeit von diesen Messdaten wird dann bestimmt, wie die einzelnen Rotorelemente relativ zueinander bei einer Montage ausgerichtet sein sollten, um die Unwucht des herzustellenden Rotors zu minimieren.
  • Nachteilig bei diesen bekannten Rotoroptimierungsverfahren ist jedoch, dass sie für Strömungsmaschinen mit besonders hohen Ansprüchen an die Unwucht des Rotors nicht genau genug sind.
  • Gerade bei besonders großen Strömungsmaschinen und entsprechend besonders großen Rotorelementen sind die bekannten Verfahren nicht präzise genug, um die Unwucht auf ein akzeptables Maß zu reduzieren.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor mit einer besonders geringen Unwucht herzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zudem wird diese Aufgabe durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, eine Montagevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweiligen Vorrichtung als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der jeweiligen anderen Vorrichtungen sowie umgekehrt anzusehen sind.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente wenigstens eines Rotors einer Strömungsmaschine. Dabei ist es vorgesehen, eine Geometrie und/oder eine Massenverteilung der Rotorelemente mittels eines tomographischen Messverfahrens zu erfassen. Weiterhin ist es vorgesehen, in Abhängigkeit von der erfassten Geometrie und/oder der erfassten Massenverteilung der jeweiligen Rotorelemente ein dreidimensionales Modell der jeweiligen Rotorelemente zu erstellen. Dieses dreidimensionale Modell kann die Geometrie und/oder Massenverteilung der Rotorelemente umfassen. Eine Geometrieexzentrizität und/oder eine Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen aufgebauten Rotors zu seiner Rotationsachse wird in Abhängigkeit von den jeweiligen ermittelten dreidimensionalen Modellen der jeweiligen Rotorelemente mittels einer Auswerteinrichtung bei verschiedenen relativen Montageausrichtungen der Rotorelemente zueinander bestimmt. Die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität kann dabei auch als Unwucht des Rotors bezeichnet werden. Die Auswerteinrichtung kann beispielsweise als Computer ausgebildet sein. Insbesondere können für diese Bestimmung gängige Konstruktionsprogramme genutzt werden, welchen hierfür das dreidimensionale Modell mit der jeweiligen Geometrie und/oder der jeweiligen Massenverteilung zur Verfügung gestellt wird. Es wird diejenige dieser verschiedenen relativen Montageausrichtungen der Rotorelemente zueinander bestimmt, bei welcher die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen aufgebauten Rotors zu seiner Rotorachse minimal ist und/oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt. Anschließend werden die Rotorelemente anhand der vorher bestimmten relativen Montageausrichtung, bei welcher die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen aufgebauten Rotors minimal ist und/oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt, miteinander verbunden. So wird ein Rotor mit einer besonders geringen Unwucht hergestellt.
  • Alternativ oder zusätzlich kann also zu der Bestimmung der relativen Montageausrichtung der Rotorelemente zueinander, bei welcher die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen aufgebauten Rotors zu seiner Rotationsachse minimal ist, eine relative Montageausrichtung der Rotorelemente zueinander bestimmt werden, bei welcher die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen aufgebauten Rotors zu seiner Rotationsachse unterhalb eines Schwellenwerts liegt. So kann eine Montageausrichtung bestimmt werden, bei welcher eine zu dem Schwellenwert korrespondierende Toleranzvorgabe eingehalten wird. Damit kann diese Toleranzvorgabe eingehalten werden. Außerdem kann beispielsweise ein Berechnen von Geometrieexzentrizitäten und/oder Massenexzentrizitäten bei verschiedenen Montageausrichtungen abgebrochen werden, sobald eine Montageausrichtung bestimmt wurde, bei welcher diese Toleranzvorgabe erfüllt ist. Dadurch kann das Verfahren mit einem besonders geringen Aufwand und besonders schnell durchgeführt werden.
  • Bei den verschiedenen relativen Montageausrichtungen kann berücksichtigt werden, dass die Rotorelemente beispielsweise aufgrund einer Bohrlochverteilung nur in diskreten Drehwinkeln zueinander miteinander verbunden werden können. Dadurch ist der Aufwand zum Bestimmen der besten relativen Montageausrichtungen der Rotorelemente zueinander besonders gering.
  • Aufgrund der Verwendung eines tomographischen Messverfahrens kann die Ausrichtung der Rotorelemente zueinander bei der Montage besonders genau für eine minimale Unwucht optimiert werden. Das tomographische Messverfahren ermöglicht eine vollflächige Erfassung der Geometrie und/oder der Massenverteilung der jeweiligen Rotorelemente. Ein Erkennen von Unregelmäßigkeiten bei der Geometrie und/oder der Massenverteilung der jeweiligen Rotorelemente ist dabei lediglich durch eine maximale Auflösung des tomographischen Messverfahrens begrenzt.
  • Diese Auflösung kann bei gleicher oder geringerer Messzeit wesentlich höher sein als beispielsweise diejenige eines taktilen Messverfahrens. Insgesamt kann eine tomographische Messung wesentlich schneller erfolgen als ein taktiles Messen. Zudem ermöglicht das tomographische Messverfahren auch das Erkennen von inneren Strukturen. Beispielsweise können anhand der Massenverteilung auch innenliegende, geschlossene Hohlräume erfasst und bei der Bestimmung der optimierten Montageausrichtung berücksichtigt werden. Auch Materialunregelmäßigkeiten aufgrund der Fertigung der Rotorelemente, wie beispielsweise Einschlüsse oder Fehlstellen bei einem generativen Herstellungsverfahren, können so erfasst und bei dem Verbinden der wenigstens zwei Rotorelemente miteinander berücksichtigt werden.
  • Das Erfassen der Geometrie eignet sich insbesondere für einen Rotor mit konstanter Materialdichte. Das Messverfahren kann so schnell und/oder kostengünstig sein, wobei anhand der Geometrie auf eine Unwucht des Rotors geschlossen werden kann. Das Erfassen der Massenverteilung ermöglicht es auch, bei einem Rotor eventuell vorgesehene Hohlräume, unregelmäßige Materialdichten und/oder Materialmasseverteilungen für die Ermittlung einer Unwucht zu berücksichtigen. Damit ist es dann auch in diesen Fällen möglich, den Rotor besonders präzise mit einer besonders geringen Unwucht zusammenzubauen.
  • Das Verbinden der Rotorelemente kann beispielsweise mittels einer Verschraubung erfolgen. Alternativ können die Rotorelemente beispielsweise mittels eines Zugankers über eine Welle miteinander verspannt werden. Eine solche Bauweise kann auch als Boltless Rotor bezeichnet werden. Die Messdaten des tomographischen Messverfahrens werden für das Erstellen des dreidimensionalen Modells vorzugsweise digitalisiert. Gegebenenfalls können die jeweiligen Rotorelemente in Abhängigkeit von der erfassten Geometrie und/oder der erfassten Massenverteilung auch nachbearbeitet werden. Ebenso ist es denkbar, eine Vielzahl von Rotorelementen gleicher Bauweise zu erfassen und dann jeweils eine Paarung von Rotorelementen zu bestimmen, deren Zusammenbau zu einem Rotor eine besonders geringe Geometrieexzentrizität und/oder Massenexzentrizität ergibt.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Geometrie und/oder die Massenverteilung der Rotorelemente mittels einer Computertomographie und/oder einer Magnetresonanztomographie als tomographisches Messverfahren erfasst werden. Bei der Computertomographie handelt es sich um ein gängiges Verfahren zum Messen von Bauteilen, wodurch dieses tomographische Messverfahren besonders kostengünstig sein kann. Bei der Magnetresonanztomographie handelt es sich um ein besonders präzises tomographisches Messverfahren. Damit kann das Bestimmen der Geometrie und/oder der Massenverteilung der Rotorelemente besonders genau sein. Als weitere tomographische Messverfahren kommen beispielsweise die Röntgentomographie, die Ultraschalldiagnostik, welche auch als Sonographie bezeichnet wird, und die elektrische Impedanztomographie infrage.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen aufgebauten Rotors zu seiner Rotationsachse in Abhängigkeit von einer jeweiligen Verformung der miteinander verbundenen Rotorelemente bestimmt wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass jeweilige Rotorelemente durchaus auch ein elastisches und/oder plastisches Materialverhalten aufweisen. Auch ein Metallbauteil verformt sich beispielsweise geringfügig durch auf das Bauteil wirkende Kräfte. Diese geringfügige Verformung kann jedoch auf die Massenexzentrizität und/oder die Geometrieexzentrizität des Rotors einen nicht unerheblichen Einfluss haben. Durch die Berücksichtigung von jeweiligen Verformungen kann der Rotoraufbau also besonders gut optimiert werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Verformung der jeweiligen Rotorelemente aufgrund jeweiliger beim Betrieb des Rotors und/oder aufgrund eines Verbindens der Rotorelemente miteinander auf die Rotorelemente wirkenden Kräfte berechnet wird. Beispielsweise können jeweilige Kräfte, welche beim Betrieb auf die jeweiligen Rotorelemente wirken, anhand der erstellten dreidimensionalen Modelle simuliert werden. Dabei kann ebenfalls eine Simulation der Verformung erfolgen. Jeweilige Montagekräfte können beispielsweise durch Vorspannung aufgrund eines Verschraubens der Rotorelemente miteinander wirken. Besonders große Montagekräfte wirken auf die Rotorelemente bei sogenannten Boltless Rotoren, bei welchen die Rotorelemente miteinander über einen gemeinsamen Zuganker verspannt werden. Das Verfahren eignet sich so besonders gut für Boltless Rotoren. Insbesondere können bei den Verformungen auch jeweilige erfasste Hohlräume in den jeweiligen Rotorelementen einen erheblichen Einfluss haben, welche aufgrund des verwendeten tomographischen Messverfahrens ebenfalls mit berücksichtigt werden können.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Verformung der jeweiligen Rotorelemente in Abhängigkeit von einem Setzverhalten der miteinander verbundenen Rotorelemente berechnet wird. Aufgrund des Setzverhaltens der miteinander verbundenen Rotorelemente kann sich zu Anfang der Lebensdauer des Rotors eine andere Verformung, Geometrie und/oder Massenverteilung einstellen als nach einer gewissen Benutzungszeit des Rotors. Dieser Effekt ist ähnlich zu einem Einlaufen von beweglichen Teilen bei anderen Antrieben. Vorzugsweise wird also das Setzverhalten dahingehend berücksichtigt, dass die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des Rotors nach Ende eines Setzvorgangs und/oder über einen maximal großen Teil seiner Lebensdauer optimiert sind.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die jeweiligen dreidimensionalen Modelle der Rotorelemente als CAD-Modelle erstellt werden. CAD-Modelle eignen sich besonders gut, um diese weiteren Programmen zur Berechnung der Geometrieexzentrizität, Massenexzentrizität der Verformung und/oder der jeweiligen Setzverhalten zur Verfügung zu stellen. Das dreidimensionale Modell kann so von gängigen Konstruktions- und/oder Optimierungsprogrammen verarbeitet werden und zudem platzsparend und einfach gespeichert werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Verfahren ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente wenigstens eines Rotors einer als Flugtriebwerk ausgebildeten Strömungsmaschine ist. So kann also die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des Rotors eines Flugtriebwerks optimiert werden. Gerade bei Flugtriebwerken hat eine Unwucht eines Rotors einen besonders hohen Einfluss. Flugtriebwerke werden häufig mit einer besonders hohen Drehzahl betrieben. Dadurch kann eine Unwucht zu besonders starken Kräften und/oder Schwingungen führen. Gleichzeitig sollte die Anbindung eines Flugtriebwerks an das restliche Flugzeug besonders leicht sein, damit das Flugzeug besonders effizient ist. Das bedeutet, von dem Flugtriebwerk sollten besonders geringe Schwingungen und/oder Kräfte auf die Anbindung und auf das restliche Flugzeug wirken. Dies ist aufgrund der Verwendung des Verfahrens zur Optimierung der Geometrieexzentrizität und/oder der Massenverteilung des Rotors möglich.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente wenigstens eines Rotors einer Strömungsmaschine gemäß dem ersten Erfindungsaspekt. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass die Messvorrichtung als Tomograph ausgebildet ist, mittels welchem eine Geometrie und/oder eine Massenverteilung von Rotorelementen erfassbar sind. Die Messvorrichtung kann beispielsweise als Computertomograph oder Magnetresonanztomograph ausgebildet sein, mittels welchen sich metallische Rotorelemente in einer gängigen Größe von Rotoren von Flugtriebwerken erfassen lassen. Die sich aus der Verwendung des Verfahrens gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Montagevorrichtung. Diese Montagevorrichtung umfasst wenigstens eine Messvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, wenigstens eine Ausrichteinrichtung und wenigstens eine Auswerteinrichtung. Mittels der Montagevorrichtung ist die relative Montageausrichtung von wenigstens zwei Rotorelementen zueinander, bei welcher die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen aufgebauten Rotors minimal sind und/oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt, gemäß einem Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung bestimmbar. Mittels der Ausrichteinrichtung können die Rotorelemente automatisch in diese Position beziehungsweise Montageausrichtung zueinander gedreht werden. Die Rotorelemente sind dann bei dieser relativen Montageausrichtung automatisch miteinander mittels der Ausrichteinrichtung verbindbar. Dadurch können die Rotorelemente besonders präzise bei der besten relativen Montageausrichtung zueinander verbunden werden. Insbesondere können so besonders gut menschliche Fehler bei der Ausrichtung der Rotorelemente zueinander vermieden werden.
  • Besonders vorteilhaft ist die Montagevorrichtung, wenn keine Verbindung der Rotorelemente in diskreten Winkeln zueinander notwendig ist, sondern die Rotorelemente für eine Verbindung frei zueinander verdreht werden können. Beispielsweise müssen bei Boltless Rotoren die Rotorelemente nicht hinsichtlich jeweiliger Bohrlöcher beziehungsweise Schraublöcher zueinander ausgerichtet werden. Gerade dann ermöglicht die Ausrichteinrichtung ein besonders präzises Ausrichten für eine besonders geringe Unwucht des resultierenden Rotors.
  • Die sich aus der Verwendung des Verfahrens gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und/oder aus der Verwendung der Messvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts und/oder des zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts und/oder des zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
  • Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor einer Strömungsmaschine. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass wenigstens zwei Rotorelemente dieses Rotors nach einem Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt miteinander verbunden sind. Dadurch kann dieser Rotor eine besonders geringe Geometrieexzentrizität und/oder Massenexzentrizität aufweisen. Bei dem Betrieb der Strömungsmaschine beziehungsweise bei einer Rotation des Rotors um seine Rotationsachse werden so besonders geringe Kräfte und/oder Schwingungen erzeugt. Der Rotor eignet sich damit besonders gut für ein Flugtriebwerk. Die sich aus der Verwendung des Verfahrens gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des vierten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten 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.
  • 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Montagevorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente eines Rotors.
  • 2 veranschaulicht in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum Verbinden der wenigstens zwei Rotorelemente aus 1.
  • 1 veranschaulicht in einer schematischen Schnittansicht eine Montagevorrichtung 10 zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente 12, 14 eines Rotors einer als Flugtriebwerk ausgebildeten Strömungsmaschine. Die Montagevorrichtung 10 umfasst dabei wenigstens eine Messvorrichtung 44, welche als Tomograph ausgebildet ist. Mittels der Messvorrichtung 44 kann eine Massenverteilung und/oder eine Geometrie der Rotorelemente 12, 14 mittels eines tomographischen Messverfahrens erfasst werden. Bei dem tomographischen Messverfahren kann es sich beispielsweise um eine Computertomographie oder Magnetresonanztomographie handeln. Weiterhin umfasst die Montagevorrichtung 10 eine Auswerteinrichtung 42, mittels welcher die Messergebnisse der Messvorrichtung 44 verarbeitet werden.
  • Die Rotorelemente 12, 14 sind auf einem Messtisch 16 gelagert. Dieser Messtisch 16 umfasst dabei eine drehbare Arbeitsplatte 18, mittels welcher das Rotorelement 14 relativ zu dem Rotorelement 12 um eine den Rotorelementen 12, 14 gemeinsame Rotationsachse 20 verdreht werden kann. Die Rotationsachse 20 entspricht dabei auch einer Rotationsachse 20 des herzustellenden Rotors. Dadurch können verschiedene relative Montageausrichtungen der Rotorelemente 12, 14 zueinander eingestellt werden. Zu diesem Zweck umfasst die Montagevorrichtung 10 eine Ausrichteinrichtung 22, welche von der Auswerteinrichtung 42 gesteuert werden kann. Ferner umfasst die Montagevorrichtung 10 nicht weiter dargestellte Vorrichtungen, mittels welchen die Rotorelemente 12, 14 automatisch miteinander verbunden werden können.
  • Die 2 veranschaulicht in einem schematischen Flussdiagramm ein Verfahren zum Verbinden der zwei Rotorelemente 12, 14. In Schritt 24 wird die Geometrie und/oder die Massenverteilung der Rotorelemente 12, 14 mittels eines tomographischen Messverfahrens beziehungsweise mittels der Messvorrichtung 44 erfasst. Aufgrund des tomographischen Messverfahrens können die Rotorelemente 12, 14 dabei vollflächig erfasst werden. Damit kann die Geometrie und/oder die Massenverteilung der Rotorelemente 12, 14 besonders präzise bestimmt werden. Gleichzeitig ermöglicht das tomographische Messverfahren, auch innenliegende Hohlräume der Rotorelemente 12, 14 zu bestimmen.
  • Beispielsweise weisen die Rotorelemente 12, 14 jeweils eine Durchgangsöffnung 26 zum Durchführen einer Welle, auf welcher die Rotorelemente 12, 14 gelagert werden, auf. Das Rotorelement 14 weist zudem jeweilige Kühlkanäle 28 zum Kühlen jeweiliger Leitschaufeln 30 des Rotorelements 14 auf. Auch diese Kühlkanäle 28 können von der Messvorrichtung 44 mittels des tomographischen Messverfahrens erfasst werden und somit bei dem Erfassen der Geometrie und/oder der Massenverteilung des Rotorelements 14 berücksichtigt werden. Zudem kann die Messvorrichtung 44 auch jeweilige Hinterschneidungen der Rotorelemente 12, 14 erfassen, ohne dass dafür die Rotorelemente 12, 14 und/oder die Messvorrichtung 44 neu zueinander ausgerichtet werden müssen. Dadurch kann es zu keinen Messfehlern aufgrund einer solchen neuen Ausrichtung kommen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung 44 jeweilige Hinterschneidungen der Schaufeln 32 des Rotorelements 12 erfassen, auch wenn zu diesen eine direkte Sichtlinie für die Messvorrichtung 44 verdeckt ist.
  • In Schritt 34 wird ein dreidimensionales Modell der jeweiligen Rotorelemente 12, 14 in Abhängigkeit von deren erfassten Geometrie und/oder deren erfassten Massenverteilung erstellt. Das dreidimensionale Modell kann beispielsweise mittels der Auswerteinrichtung 42 als CAD-Modell erstellt werden. Dadurch gibt es ein digitalisiertes Modell der Messdaten beziehungsweise der Geometrie und/oder der Massenverteilung der Rotorelemente 12, 14. Dieses dreidimensionale Modell kann mit jeweiligen Toleranzvorgaben verglichen werden und gegebenenfalls eine Nachbearbeitung der Rotorelemente 12, 14 vorgesehen werden.
  • In Schritt 36 wird eine Geometrieexzentrizität und/oder eine Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen 12, 14 aufgebauten Rotors zu seiner Rotationsachse 20 in Abhängigkeit von den jeweiligen ermittelten dreidimensionalen Modellen der jeweiligen Rotorelemente 12, 14 mittels der Auswerteinrichtung 42 bei verschiedenen relativen Montageausrichtungen der Rotorelemente 12, 14 zueinander bestimmt. Bei dieser Bestimmung der Geometrieexzentrizität und/oder der Massenexzentrizität können auch jeweilige Verformungen der Rotorelemente 12, 14 berücksichtigt werden, insbesondere aufgrund einer Montage und/oder aufgrund eines Betriebs des Rotors. Dazu kann eine entsprechende Simulation mittels der Auswerteinrichtung 42 durchgeführt werden.
  • In Schritt 38 wird diejenige dieser verschiedenen relativen Montageausrichtungen der Rotorelemente 12, 14 zueinander bestimmt, bei welcher die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen 12, 14 aufgebauten Rotors zu seiner Rotationsachse 20 minimal ist und/oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt. Mit anderen Worten wird also eine Zusammenbauausrichtung der Rotorelemente 12, 14 mit einer optimierten Unwucht des Rotors und/oder einer Einhaltung einer Toleranzvorgabe bestimmt.
  • Diese Ausrichtung der Rotorelemente 12, 14 zueinander kann automatisch mittels der Ausrichteinrichtung 22 mittels des Messtischs 16 eingestellt werden. Insbesondere wenn die Rotorelemente 12, 14 nicht in diskreten Drehwinkeln zueinander für die Montage ausgerichtet werden müssen, ist so eine besonders präzise automatische Ausrichtung für eine besonders geringe Massenexzentrizität und/oder Geometrieexzentrizität möglich.
  • In Schritt 40 werden die Rotorelemente 12, 14 bei der vorhergehend bestimmten relativen Montageausrichtung, bei welcher die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen 12, 14 aufgebauten Rotors minimal ist und/oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt, miteinander verbunden. Dieses Verbinden kann, wie bereits erläutert, mittels der Montagevorrichtung 10 ebenfalls automatisch erfolgen.
  • Aufgrund steigender Anforderungen an rotierende Integralbauteile neuer Triebwerksgenerationen entstehen besonders hohe Anforderungen an eine Präzision zur Vermeidung von langfristigen Schäden und zur Steigerung der Laufruhe für erhöhte Rotorstandzeiten. Mittels des beschriebenen Verfahrens lässt sich ein Rotor bei der Montage dahingehend optimieren. Bei bisherigen Verfahren wurden lediglich wenige Messpunkte pro Bauteil aufgenommen, um eine Aufbauempfehlung zu berechnen. Das hier beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass die jeweiligen Bauteile des Rotors, wie beispielsweise Rotorscheiben, beschaufelte Scheiben sowie Trommeln mittels einer 3D-Datenanalyse vor der Montage beziehungsweise vor deren Verbinden miteinander untersucht werden können. Dadurch können jeweilige Geometrien der Rotorelemente 12, 14 und/oder jeweilige Massenverteilungen der Rotorelemente 12, 14 vollflächig und/oder vollvolumig erfasst werden. Insbesondere aus der Geometrie lassen sich die jeweiligen Volumeninformationen ableiten. Tomographische Messverfahren lassen sich dabei auch bei Trommeln einsetzen, da sie verdeckt liegende Hohlräume erfassen können. Jeweilige Messdaten werden nach der Aufnahme digitalisiert und eine Geometrierückführung durchgeführt. Dadurch können CAD-Daten gewonnen werden, welche für eine optimierte Aufbauprognose unter der Verwendung von Optimierungsalgorithmen genutzt werden können. Das Verfahren eignet sich dabei insbesondere für sogenannte Boltless Rotoren.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Montagevorrichtung
    12
    Rotorelement
    14
    Rotorelement
    16
    Messtisch
    18
    Arbeitsplatte
    20
    Rotationsachse
    22
    Ausrichteinrichtung
    24
    Schritt
    26
    Durchgangsöffnung
    28
    Kühlkanäle
    30
    Leitschaufeln
    32
    Schaufeln
    34
    Schritt
    36
    Schritt
    38
    Schritt
    40
    Schritt
    42
    Auswerteinrichtung
    44
    Messvorrichtung

Claims (10)

  1. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente (12, 14) wenigstens eines Rotors einer Strömungsmaschine umfassend zumindest folgende Schritte: – Erfassen einer Geometrie und/oder einer Massenverteilung der Rotorelemente (12, 14) mittels eines tomografischen Messverfahrens; – Erstellen eines dreidimensionalen Modells der jeweiligen Rotorelemente (12, 14) in Abhängigkeit von der erfassten Geometrie und/oder der erfassten Massenverteilung der jeweiligen Rotorelemente (12, 14); – Bestimmen einer Geometrieexzentrizität und/oder einer Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen (12, 14) aufgebauten Rotors zu seiner Rotationsachse (20) in Abhängigkeit von den jeweiligen ermittelten dreidimensionalen Modellen der jeweiligen Rotorelemente (12, 14) mittels einer Auswerteinrichtung (42) bei verschiedenen relativen Montageausrichtungen der Rotorelemente (12, 14) zueinander; – Bestimmen derjenigen dieser verschiedenen relativen Montageausrichtung der Rotorelemente (12, 14) zueinander, bei welcher die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen (12, 14) aufgebauten Rotors zu seiner Rotationsachse (20) minimal ist und/oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt; und – Verbinden der Rotorelemente (12, 14) anhand der vorhergehend bestimmten relativen Montageausrichtung, bei welcher die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen (12, 14) aufgebauten Rotors minimal ist und/oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie und/oder die Massenverteilung der Rotorelemente (12, 14) mittels einer Computertomographie und/oder einer Magnetresonanztomographie als tomografisches Messverfahren erfasst werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen (12, 14) aufgebauten Rotors zu seiner Rotationsachse (20) in Abhängigkeit von einer jeweiligen Verformung der miteinander verbundenen Rotorelemente (12, 14) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung der jeweiligen Rotorelemente (12, 14) aufgrund jeweiliger beim Betrieb des Rotors und/oder aufgrund eines Verbindens der Rotorelemente (12, 14) miteinander auf die Rotorelemente (12, 14) wirkenden Kräfte berechnet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung der jeweiligen Rotorelemente (12, 14) in Abhängigkeit von einem Setzverhalten der miteinander verbundenen Rotorelemente (12, 14) berechnet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen dreidimensionalen Modelle der Rotorelemente (12, 14) als CAD-Modelle erstellt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente (12, 14) wenigstens eines Rotors einer als Flugtriebwerk ausgebildeten Strömungsmaschine ist.
  8. Messvorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Rotorelemente (12, 14) wenigstens eines Rotors einer Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (44) als Tomograf ausgebildet ist, mittels welchem eine Geometrie und/oder eine Massenverteilung von Rotorelementen (12, 14) erfassbar ist.
  9. Montagevorrichtung (10) mit einer Messvorrichtung (44) nach Anspruch 9, wenigstens einer Ausrichteinrichtung (22) und wenigstens einer Auswerteinrichtung (42), wobei mittels der Montagevorrichtung (10) die relative Montageausrichtung von wenigstens zwei Rotorelementen (12, 14) zueinander, bei welcher die Geometrieexzentrizität und/oder die Massenexzentrizität des aus den Rotorelementen (12, 14) aufgebauten Rotors minimal ist und/oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt, gemäß eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bestimmbar ist, und wobei die Rotorelemente (12, 14) bei dieser relativen Montageausrichtung automatisch miteinander mittels der Ausrichteinrichtung (22) verbindbar sind.
  10. Rotor einer Strömungsmaschine, mit wenigstens zwei Rotorelemente (12, 14) verbunden nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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