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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schaufel für eine Strömungsmaschine.
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Stand der Technik
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Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der Brennkammer dahinter mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die Turbine dahinter und wird dabei expandiert. Die Turbine weist in der Regel mehrere Stufen auf, die jeweils aus einem Leitschaufelkranz und einem nachgelagerten Laufschaufelkranz aufgebaut sind. In den einzelnen Stufen wird dem strömenden Heißgas anteilig Energie entzogen und in eine Rotation der Laufschaufelkränze umgesetzt (diese kann dann z. B. zumindest anteilig zum Antreiben des Verdichters genutzt werden).
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Jeder Schaufelkranz ist dabei aus mehreren Schaufeln aufgebaut, die umlaufend aufeinanderfolgend angeordnet sind. Von den Schaufeln ist jeweils das Schaufelblatt im Heißgaskanal (Turbine) oder im Verdichtergaskanal (Verdichter) angeordnet. Ein jeweiliges Schaufelblatt weist eine Anström- und eine Abströmkante auf, auch als Vorder- und Hinterkante bezeichnet. Zwischen diesen Kanten erstrecken sich jeweils die Seitenflächen des Schaufelblatts, welche mit entsprechender Krümmung die Saug- und die Druckseite bilden. Radial innerhalb des Schaufelblatts weist die Schaufeln in der Regel ein Innendeckband bzw. einen Schaufelfuß auf, radial außen kann ein Außendeckband angeordnet sein (was aber bspw. bei Laufschaufeln nicht zwingend ist).
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen einer Schaufel für eine Strömungsmaschine anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei wird das Schaufelblatt in seiner Endform (mit Anström- und Abströmkante) materialabtragend aus einem Rohling herausgearbeitet. In einem ersten Schritt (i) wird hierbei eine Zwischenform freigelegt, aus der dann in einem zweiten Schritt (ii) die Endform durch elektrochemisches Abtragen herausgearbeitet wird. Die in dem ersten Schritt (i) erzeugte Zwischenform ist vorkonturiert, es wird nämlich von dem Rohling solchermaßen Material zu der Anström- und/oder Abströmkante hin abgetragen, dass die damit freigelegte Außenwandfläche der Zwischenform einen vordefinierten Abstand zu der entsprechenden Kante hat.
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Von dem Rohling wird also so viel Material weggenommen, bis ein vorab eingestellter bzw. festgelegter Abstand erreicht ist. Aufgrund dieser Vorkonturierung lässt sich in dem zweiten Schritt (ii) die Endform durch das elektrochemische Abtragen freilegen. Die Herstellung durch elektrochemisches Abtragen kann einerseits wirtschaftlich interessant sein. Andererseits kann eine Herausforderung im Vergleich mit anderen abtragenden Verfahren darin liegen, dass die Anpassungs- bzw. Variationsmöglichkeiten von Bauteil zu Bauteil begrenzt sind. Deshalb wird erfindungsgemäß der Rohling zunächst in die vorkonturierte Form gebracht. Insbesondere die Kanten des Schaufelblatts können hinsichtlich des elektrochemischen Abtrags kritisch sein, weswegen jedenfalls dort ein vordefinierter Abstand eingestellt wird, bevorzugt sowohl an der Anström- als auch an der Abströmkante (siehe unten im Detail).
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Zusammengefasst eröffnet die Vorkonturierung gemäß dem ersten Schritt (i) die Möglichkeit, in dem zweiten Schritt (ii) die Endform durch elektrochemisches Abtragen herauszuarbeiten. Selbstverständlich kann im Anschluss an den zweiten Schritt (ii) das Bauteil auch noch insgesamt weiterbearbeitet werden (z. B. Glätten der Oberfläche, Schleifen etc.), es müssen aber idealerweise nicht mehr die Anström- und Abströmkante in einem gesonderten Schritt herausgearbeitet oder definiert werden. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen lassen sich die Prozessbedingungen innerhalb eines jeweiligen Bauteils und auch von Bauteil zu Bauteil homogenisieren, was letztlich auch einen hohen Automatisierungsgrad erlaubt.
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen der Herstellung der Schaufel oder eines Moduls bzw. einer Strömungsmaschine mit einer solchen Schaufel unterschieden wird; zumindest implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
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„Ein“ und „eine“ sind im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel und damit ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein“ / „mindestens eine“ zu lesen, es können also bspw. auch mehrere Schaufeln bzw. Schaufelblätter zu einem integralen Segment zusammengefasst sein. Die Angaben „axial“ bzw. „radial“ oder „umlaufend“, sowie die zugehörigen Richtungen, beziehen sich auf die Einbaulage der Schaufel bzw. des Schaufelblatts in der Strömungsmaschine. Deren Längsachse bzw. die Drehachse der Laufschaufelkränze legt also die Axialrichtung und damit auch die übrigen Richtungen fest.
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Der Abstand der Außenwandfläche der Zwischenform zu der jeweiligen Kante kann bspw. in einem achsparallelen Schnitt betrachtet entlang einer tangentialen Verlängerung der Skelettlinie des Schaufelblatts genommen werden. Im Falle der Anströmkante verlängert man also die Skelettlinie geradlinig nach vorne (tangential an die Skelettlinie) und nimmt man den Abstand zwischen der Anströmkante der Endform und der vorderen Außenwandfläche der Zwischenform entlang dieser Linie. Im Falle der Abströmkante verlängert man die Skelettlinie analog von der Abströmkante weg nach hinten und nimmt man den Abstand zu der hinteren Außenwandfläche der Zwischenform entlang dieser Linie.
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Das elektrochemischen Abtragen in dem zweiten Schritt (ii) erfolgt bevorzugt gleichzeitig an beiden Seitenflächen des Schaufelblatts. Es wird also an jede Seitenfläche jeweils eine großflächige, dem Profil des Schaufelblatts entsprechend konturierte Elektrode gebracht. Insgesamt kann die erfindungsgemäße Vorgehensweise auch die Bearbeitungszeit reduzieren.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die in dem ersten Schritt (i) vorkonturierte Außenwandfläche in einem achsparallelen Schnitt betrachtet eine geradlinige Erstreckung. In dieser Form kann die Vorkonturierung z. B. vergleichsweise einfach einzubringen sein, ebenso können sich Vorteile hinsichtlich einer Inspektion (z. B. optische Kontrolle) der Zwischenform vor dem zweiten Schritt (ii) ergeben. Generell kann der Materialabtrag in dem ersten Schritt (i) bspw. auch durch Wasserstrahlschneiden bzw. Funkenerodieren erfolgen, insbesondere Drahtschneiden.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die materialabtragende Bearbeitung in dem ersten Schritt (i) jedoch eine spanende Bearbeitung, die besonders bevorzugt mit einem Werkzeug mit einer geometrisch bestimmten Schneide erfolgt. Vorteilhaft kann bspw. die Bearbeitung in einem Spanwerkzeug sein, in dem dann zum einen das Material des Rohlings an der vorderen und/oder der hinteren Außenwandfläche abgetragen wird und bspw. zusätzlich auch eine Positionier- und/oder Kontaktstruktur herausgearbeitet wird. Bevorzugt wird nach der spanenden Bearbeitung entgratet. Dies kann bei dem darauffolgenden elektrochemischen Abtragen bspw. Feldspitzen und damit Unregelmäßigkeiten beim Abtrag vorbeugen helfen.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird der Rohling bei der spanenden Bearbeitung in dem ersten Schritt (i) am Schaufelblatt eingespannt, und zwar an dessen Seitenflächen. Damit sind einerseits die Anström- und die Abströmkante der spanenden Bearbeitung zugänglich und können andererseits auch radial innerhalb bzw. außerhalb des Schaufelblatts angeordnete Teile ohne Umrüsten bearbeitet werden (Anbringen von Kontaktflächen bzw. Positioniermarken).
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Der Rohling kann im Allgemeinen bspw. auch urgeformtes Teil sein, etwa durch Guss hergestellt. In bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich um ein umgeformtes Teil, bevorzugt um ein Schmiedeteil. Hierbei kann es von Bauteil zu Bauteil im Besonderen eine variierende Geometrie geben, weswegen umgekehrt die Vorteile des vorliegenden Gegenstands im Besonderen zu tragen kommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Zwischenform für den zweiten Schritt (ii) mit einer Positionierstruktur versehen. Diese wird in dem ersten Schritt (i), in dem auch die Außenwandfläche bzw. -flächen an der bzw. den Kanten freigelegt werden, aus dem Rohling herausgearbeitet. Dies erfolgt also im Zuge desselben Vorgangs, etwa wenn der Rohling wie vorstehend geschildert am Schaufelblatt eingespannt ist. Die Integration in denselben Rüstvorgang ist insoweit von Vorteil, als damit die Außenwandfläche(n) und die Positionierstruktur mit hoher Genauigkeit relativ zueinander eingebracht werden können, was auch die Genauigkeit beim darauffolgenden elektrochemischen Abtragen erhöht.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Positionierstruktur zum Schaufelblatt radial versetzt angeordnet, besonders bevorzugt radial innerhalb des Innendeckbands bzw. außerhalb des Außendeckbands. Bevorzugt weist die Positionierstruktur mehrere Positioniermarken auf, wobei sowohl radial innerhalb des Schaufelblatts als auch radial außerhalb davon jeweils mindestens eine Positioniermarke vorgesehen ist. Im Allgemeinen können bspw. auch Stege oder Kanten als Positioniermarken genutzt werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung werden als Positioniermarken Löcher eingebracht, bspw. Durchgangslöcher. Die Löcher können bspw. jeweils als Bohrung eingebracht werden, an diesen Zentrierbohrung kann die Zwischenform dann für das elektrochemischen Abtragen eingespannt werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird im Zuge der materialabtragenden Bearbeitung des ersten Schritts (i) auch eine Kontaktstruktur freigelegt, über welche die Zwischenform beim elektrochemischen Abtragen kontaktiert wird. Das Freilegen der Kontaktstruktur kann bspw. insoweit von Vorteil sein, als sich damit großflächig definierte Kontaktflächen erreichen lasse. Damit kann eine definierte Stromübertragung sichergestellt werden, was mit der unbearbeiteten Oberfläche des Rohlings in dieser Form nicht möglich wäre (Schwankung von Bauteil zu Bauteil). Die Kontaktflächen können auch als Datumsflächen genutzt, also mit einer Markierung (z. B. Losnummer etc.) für die interne Prozessierung versehen werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung weist die Kontaktstruktur mehrere Kontaktflächen auf, wobei sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb des Schaufelblatts jeweils zumindest eine der Kontaktflächen angeordnet ist. Beim elektrochemischen Abtragen wird die Zwischenform dann entsprechend beidseits des Schaufelblatts kontaktiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden jene Teile der Zwischenform, an denen die Kontaktflächen bzw. Positioniermarken vorgesehen sind, nach dem elektrochemischen Abtragen entfernt. In anderen Worten werden die Kontaktflächen und Positioniermarken an Teilen des Rohlings eingebracht, die dann nicht mehr Teil der fertigen Schaufel sind.
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Wie bereits eingangs diskutiert, wird in dem ersten Schritt (i) in bevorzugter Ausgestaltung sowohl an der Anströmkante als auch an der Abströmkante jeweils Material von dem Rohling abgetragen. Es wird also sowohl an der Anström- als auch an der Abströmkante jeweils eine definierte Außenwandfläche freigelegt.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung, welche die Herstellung mehrerer zueinander baugleicher Schaufeln betrifft, wird von Schaufel zu Schaufel beim Freilegen der jeweiligen Außenwandfläche jeweils unterschiedlich viel Material an der jeweiligen Kante abgetragen. Hierin kommt zum Ausdruck, dass es eine Schwankung von Rohling zu Rohling gibt. Dementsprechend muss von Bauteil an Bauteil einmal mehr und einmal weniger Material abgetragen werden, um stets dieselbe definierte Zwischenform zu erzeugen (bezogen auf den Abstand der Außenwandfläche der Zwischenform zu der Kante der Endform).
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Die Erfindung betrifft auch die Herstellung eines Moduls für eine Strömungsmaschine, das einen oder mehrere Schaufelkränze aufweist. Dabei werden zumindest einige der Schaufeln in einer vorliegend geschilderten, zweistufigen Weise hergestellt. Ferner betrifft die Erfindung auch die Herstellung einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugtriebwerks, wobei zumindest einige der Schaufeln in einer vorliegend geschilderten Weise hergestellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 in schematischer Darstellung ein Mantelstromtriebwerk in einem Axialschnitt;
- 2 einen Rohling einer Schaufel in einer Seitenansicht;
- 3 den Rohling gemäß 2 in einem Schnitt, wobei auch eine Endform der Schaufel gekennzeichnet ist;
- 4 den Rohling gemäß den 2 und 3 in einem achsparallelen Schnitt,
- 5 eine aus dem Rohling gemäß den 2-4 erzeugte Zwischenform in einem achsparallelen Schnitt analog 4;
- 6 die Zwischenform gemäß 5 in einer Seitenansicht;
- 7 die Zwischenform gemäß den 5 und 6 in einem Schnitt.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Strömungsmaschine 1 in einem schematischen Axialschnitt (bezogen auf eine Längsachse 2), konkret ein Mantelstromtriebwerk. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. In dem Verdichter 1a wird die angesaugte Luft über mehrere Stufen hinweg komprimiert, in der Brennkammer 1b wird sie mit hinzugemischten Kerosin verbrannt, die Expansion erfolgt dann in der Turbine 1c, ebenfalls über mehrere Stufen. Sowohl im Verdichter 1a als auch in der Turbine 1c ist jede Stufe aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz aufgebaut, jeder Schaufelkranz setzt sich aus mehreren umlaufend aufeinanderfolgen Schaufeln zusammen.
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2 zeigt einen Rohling 20, aus dem im Folgenden materialabtragend eine Schaufel herausgearbeitet wird. Der Rohling 20 ist durch Umformen hergestellt, nämlich als Schmiedeteil.
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Eine Endform der Schaufel 30 ist in den 3 und 4 strichliert gekennzeichnet. Die Schaufel 30 weist ein Schaufelblatt 30.1 sowie ein Innendeckband 30.2 und ein Außendeckband 30.3 auf. Aus 4 ist ersichtlich, dass das Schaufelblatt 30.1 eine Anströmkante 30.1.1 und einer Abströmkante 30.1.2, sowie zwei Seitenflächen, nämlich eine Saugseitenfläche 30.1.3 und eine Druckseitenfläche 30.1.4 aufweist.
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5 zeigt in einem achsparallelen Schnitt analog 4 eine Zwischenform 50, die aus dem Rohling 20 durch spanenden Materialabtrag herausgearbeitet wird. Dabei wird sowohl zu der Anströmkante 30.1.1 als auch zu der Abströmkante 30.1.2 hin jeweils Material abgetragen, sodass die jeweilig freigelegte Außenwandfläche 51.1, 51.2 einen definierten Abstand 52.1, 52.2 zu der jeweiligen Kante 30.1.1, 30.1.2 hat. In einem darauffolgenden Schritt wird die Endform durch elektrochemisches Abtragen aus der Zwischenform 50 herausgearbeitet, was aufgrund dieser Vorkonturierung gut möglich ist.
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Auch 6 zeigt die Zwischenform 50, wobei radial innerhalb und außerhalb des Schaufelblatts eine Positionierstruktur 60 sowie eine Kontaktstruktur 61 zu erkennen ist. Die Positionierstruktur 60 umfasst mehrere Positioniermarken 60.1-60.3, die vorliegend als Durchgangsbohrungen eingebracht sind, vergleiche auch die Zusammenschau mit 7. An diesen Positioniermarken 60.1-60.3 kann die Zwischenform 50 für das elektrochemischen Abtragen eingespannt werden, sie werden gemeinsam mit dem Freilegen der Außenwandflächen 51.1, 51.2 spanend eingebracht. Gleiches gilt für die Kontaktstruktur 61, die beidseits des Schaufelblatts 30 Kontaktflächen 61.1, 61.2 aufweist. Darüber kann die Zwischenform 50 beim elektrochemischen Abtragen großflächig und zuverlässig elektrisch kontaktiert werden.
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Bezugszeichenliste
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| Rohling |
20 |
| Schaufel (in Endform) |
30 |
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Schaufelblatt |
30.1 |
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Anströmkante |
30.1.1 |
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Abströmkante |
30.1.2 |
| |
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Saugseitenfläche |
30.1.3 |
| |
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Druckseitenfläche |
30.1.4 |
| |
Innendeckband |
30.2 |
| |
Außendeckband |
30.3 |
| Zwischenform |
50 |
| Außenwandflächen (an Anström- und Abströmkante) |
51.1, 51.2 |
| Abstand |
52.1, 52.2 |
| Positionierstruktur |
60 |
| |
Positioniermarken |
60.1-60.3 |
| Kontaktstruktur |
61 |
| |
Kontaktflächen |
61.1, 61.2 |
