-
Technisches Gebiet
-
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Werkzeug zum Bearbeiten eines Bauteils anzugeben, dass in einem von außen begrenzt zugänglichen Hohlraum angeordnet ist.
-
Stand der Technik
-
Eine axiale Strömungsmaschine gliedert sich funktional in Verdichter, Brennkammer und Turbine, wobei im Falle eines Flugtriebwerks angesaugte Luft im Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt wird. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Die Turbine und der Verdichter sind in der Regel jeweils mehrstufig aufgebaut, wobei eine jeweilige Stufe einen Stator und einen Rotor umfasst. Die Statoren und Rotoren sind dabei jeweils aus einer Mehrzahl umlaufend aufeinanderfolgender Schaufeln aufgebaut, die je nach Anwendung von dem Verdichter- bzw. dem Heißgas umströmt werden.
-
Bei einem Flugtriebwerk kann es im Zuge der Benutzung zu Beschädigungen, also zu Schadstellen an dessen Bauteilen kommen. Besonders gefährdet und sicherheitsrelevant können die im Gaskanal angeordneten Bauteile sein, also bspw. Schaufeln, aber auch Gaskanalplatten etc. Die Schadstellen können durch mit vergleichsweise großer Geschwindigkeit auftreffende Partikel, aber auch größere Objekte verursacht werden. Hierbei können selbst kleinere Schadstellen insofern problematisch sein, als sie eine Initialstelle für eine dann fortschreitende Rissausbreitung darstellen können.
-
Darstellung der Erfindung
-
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zum Vermessen eines Bauteils einer Strömungsmaschine anzugeben.
-
Dies wird erfindungsgemäß mit dem Werkzeug gemäß Anspruch 1 gelöst. Dieses weist einen Schaft auf, an dem der zum Bearbeiten des Bauteils vorgesehene Werkzeugkopf seitlich ausklappbar angeordnet ist. Der Werkzeugkopf ist also in einem eingeklappten Zustand näher an dem Schaft bzw. an der Seele des Schafts angeordnet als in einem ausgeklappten Zustand. In dem eingeklappten Zustand lässt er sich somit durch ein relativ kleines Durchgangsloch einführen, z. B. durch eine Revisions- bzw. Boroskopöffnung. Zumindest in dem ausgeklappten Zustand kann der Werkzeugkopf dann über ein Antriebselement, das Teil des Schaftes ist, in eine Drehung versetzt werden, es ist eine Bearbeitung des Bauteils möglich. Aufgrund dieses Klappmechanismus lässt sich der Schaft auch starr, also für sich nicht gelenkig als steifes Bauteil vorsehen, was eine automatisierte Ansteuerung vereinfachen bzw. ermöglichen kann. Dadurch, dass der Werkzeugkopf mittelbar über das Antriebselement angetrieben wird, kann die Antriebsquelle an eine proximale (dem Anwender zugewandte) Stelle des Werkzeugs verlagert werden, wodurch der in das Bauteil einzuführende distale Werkzeugabschnitt kompakter gestalten lässt.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. ein Vorteil des Werkzeugs in einer bestimmten Anwendung beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung einer entsprechenden Verwendung zu verstehen.
-
Die Angaben „axial“ und „radial“, sowie die zugehörigen Richtungen, beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung auf die Längsachse des Schafts. Das Werkzeug bzw. der Schaft mit dem Werkzeugkopf wird bspw. axial durch eine Revisions- bzw. Boroskopöffnung geschoben, der Abstand zwischen Werkzeugkopf und Schaft wird radial genommen.
-
Das Antriebselement ist Teil des Schaftes, es überträgt über den Schaft hinweg eine Bewegung und koppelt diese auf den Werkzeugkopf. Damit kann eine Antriebsquelle, also ein Aktor wie z. B. ein Elektromotor, dem Werkzeugkopf axial entgegengesetzt am Schaft angeordnet sein, was hinsichtlich der Baugröße der in den Hohlraum einzubringenden und damit durch die Revisions-/Boroskopöffnung durchzuführenden Werkzeugteile von Vorteil ist. Bevorzugt weist der Schaft ein Schaftgehäuse auf, welches das Antriebselement radial einfasst, vorzugsweise ein starres Schaftgehäuse (dieses Schaftgehäuse ist bspw. nicht für sich flexibel bzw. mehrteilig gelenkig).
-
Die Kopplung zwischen Antriebselement und Werkzeugkopf erfolgt bevorzugt kraft- und/oder formschlüssig. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist als Antriebselement ein Riemen vorgesehen, der z. B. je nach Ausgestaltung rein kraftschlüssig oder als Zahnriemen auch formschlüssig an den Werkzeugkopf koppeln kann. Dabei kann eine rein kraftschlüssige Riemenkopplung bspw. dahingehend bevorzugt sein, dass sie als Rutschkupplung einen gewissen Überhitzungsschutz bieten kann. Der Riemen läuft z. B. in dem Schaftgehäuse, es bewegt sich also ein Riemenabschnitt axial zu dem Werkzeugkopf bzw. dessen Welle hin, und ein anderer Riemenabschnitt bewegt sich davon weg. Generell kann es zwischen dem Werkzeugkopf und dem Antriebselement auch ein weiteres Maschinenelement geben, kann also bspw. das Antriebselement, z. B. der Riemen, auch über ein Zahnrad an den Werkzeugkopf koppeln. Wie nachstehend diskutiert, kann der Werkzeugkopf an einem Klapparm angeordnet sein und kann dieser Klapparm im Gesamten, oder auch nur ein Element davon, eine Welle bilden, die den Werkzeugkopf trägt und an welche das Antriebselement koppelt.
-
Bei einer alternativ zu dem Riemen bevorzugten Ausführungsform ist das Antriebselement ein Stab, der um die Längsachse des Schaftes rotiert. Der Stab kann über eine Zahnung an den Werkzeugkopf koppeln, bspw. axial endseitig gezahnt sein. Bevorzugt ist der Stab in einem Schaftgehäuse angeordnet (siehe vorne), besonders bevorzugt koaxial damit. Im Allgemeinen ließe sich die Kraftübertragung auch mit einem Vollstab realisieren, bevorzugt findet ein Hohlstab Anwendung. Mit der Ausgestaltung als Stab bzw. Hohlstab kann bspw. ein insgesamt relativ steifer Aufbau erreicht werden, was z. B. hinsichtlich eines definierten Kraftübertrags auf das Bauteil bzw. auch die automatisierte Ansteuerung betreffend von Vorteil sein kann.
-
In bevorzugter Ausgestaltung ist in dem Schaftgehäuse ein Schubelement axial versetzbar geführt und lässt sich der Werkzeugkopf durch Axialversetzen des Schubelements zwischen dem ein- und dem ausgeklappten Zustand bewegen. Prinzipiell wäre auch eine weitere Umlenkung denkbar, bevorzugt wird der Werkzeugkopf jedoch durch Versetzen des Schubelements zum Werkzeugkopf hin ausgeklappt und durch ein Versetzen vom Werkzeugkopf weg eingeklappt. Die Betätigung des Schubelements kann bevorzugt über einen Aktor erfolgen, der wie die Antriebsquelle des Antriebselements außerhalb des Hohlraums angeordnet ist, also an dem dem Werkzeugkopf axial entgegengesetzten Ende des Schaftes. Bevorzugt erfolgen die Betätigung des Antriebs- und des Schubelements automatisiert.
-
Ist ein Stab als Antriebselement vorgesehen (siehe vorne), so ist das Schubelement bevorzugt ein Hohlkörper, in welchem der Stab geführt ist. Das Schubelement kann insbesondere als Hohlstab ausgeführt sein und ein Lager für die Rotation des Antriebselements (Stabs) bilden. Radial innen ist dann also das Antriebselement (der Stab) angeordnet, radial außerhalb davon das Schubelement und radial außerhalb davon das Schaftgehäuse. Dies kann einen insgesamt steifen Aufbau ergeben, vgl. auch die vorstehenden Anmerkungen, zugleich sind kleine radiale Abmessungen möglich.
-
Wie bereits erwähnt, ist der Werkzeugkopf in bevorzugter Ausgestaltung an einem Klapparm angeordnet. Durch Ein- und Ausklappen des Klapparms lässt sich der Werkzeugkopf zwischen dem ein- und dem ausgeklappten Zustand hin- und herbewegen. Gemäß einer Variante ist der Klapparm dabei gelenkig mit dem Schubelement verbunden, ist also sein dem Werkzeugkopf entgegengesetztes Ende dreh- bzw. kippbar am Schubelement aufgehängt. Bevorzugt ist zusätzlich eine Gegenlagerstrebe vorgesehen, die dem Schubelement axial entgegengesetzt am Schaftgehäuse dreh- bzw. kippbar aufgehängt ist. Die Gegenlagerstrebe, deren dem Aufhängungspunkt am Schaftgehäuse entgegengesetztes Ende am Klapparm aufgehängt ist, drückt letzteren in den ausgeklappten Zustand, wenn das Schubelement zum Werkzeugkopf hin versetzt wird. Ein Vorteil dieser Kinematik nach Art eines Kniehebels kann bspw. darin liegen, dass sich der Werkzeugkopf zu einer Seite hin ausgeklappten lässt, ohne dass Teile zur entgegengesetzten Seite hervorstehen. Dies kann bspw. die Berechnung von Bahnbewegungen bzw. Werkzeugpfaden vereinfachen.
-
Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform, die ebenfalls einen Klapparm betrifft, ist dieser nicht am Schubelement, sondern am Schaftgehäuse aufgehängt (dreh- bzw. kippbar). Das Schubelement koppelt hierbei über ein Pleuelelement an den Klapparm, das Pleuelelement setzt die axiale Bewegung des Schubelements in die Kippbewegung des Klapparms um. Der Aufhängungspunkt des Klapparms (am Schaftgehäuse) liegt zwischen dem Werkzeugkopf und dem Angriffspunkt des Pleuelelements, letzteres tritt beim Ausklappen ebenfalls seitlich hervor. In Verbindung mit dem Riemen als Antriebselement kann ein Vorteil dieser Variante bspw. darin liegen, dass sich der Vortrieb, also Anstellwinkel des Werkzeugkopfes, und die Werkzeugkopfdrehung auch unabhängig voneinander einstellen lassen.
-
Unabhängig von der Kinematik im Einzelnen ist der Klappabschnitt mit dem Werkzeugkopf in bevorzugter Ausgestaltung derart ausgebildet, dass sein Durchmesser im eingeklappten Zustand höchstens dem Gehäusedurchmesser entspricht. Hierbei wird im Falle eines variierenden Gehäusedurchmessers dessen Maximalwert zugrunde gelegt. In bevorzugter Ausgestaltung hat der Klappabschnitt mit dem Werkzeugkopf einen Durchmesser von höchstens 15 mm, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 12 mm, 10 mm, 8 mm bzw. 6 mm. Mögliche Untergrenzen können bspw. bei 4 mm bzw. 5 mm liegen.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Bearbeitungssystem zum automatisierten Bearbeiten eines Bauteils. Dieses Bearbeitungssystem weist zusätzlich zu einem vorliegend diskutierten Werkzeug eine Antriebseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, dass Ein- und Ausklappen des Werkzeugkopfs zu veranlassen und/oder die Drehung des Werkzeugkopfs zu veranlassen. Die Antriebseinheit weist einen oder mehrere entsprechende Aktoren auf, die also bspw. das Antriebselement und ein Schubelement (siehe vorne) betätigen. Ferner weist die Antriebseinheit eine Steuereinheit auf, welche die Aktoren ansteuert, bspw. einer vordefinierten Bahnbewegung folgend.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils mit einem vorliegend offenbarten Werkzeug bzw. Bearbeitungssystem, wobei das Bauteil in einem Hohlraum angeordnet ist, der über ein Durchgangsloch zugänglich ist. Bei letzterem kann es sich bspw. um eine Revisions- bzw. Boroskopöffnung handeln. Bevorzugt ist eine Anwendung bei einem Flugtriebwerk, bei dem Hohlraum kann es sich insbesondere um dessen Gaskanal handeln (Verdichtergaskanal oder Heißgaskanal). Unabhängig davon im Einzelnen wird der Werkzeugkopf im eingeklappten Zustand durch das Durchgangsloch in den Hohlraum eingebracht, dort wird er ausgeklappt und zur Bearbeitung des Bauteils in die Drehung versetzt. Bevorzugt ist eine materialabtragende Bearbeitung, bspw. ein Schleifen oder auch Fräsen.
-
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines vorliegend offenbarten Werkzeugs bzw. Bearbeitungssystems zur Revision eines Flugzeugs, also zur Überholung nach einer bestimmten Einsatzdauer. Dabei können bspw. Schadstellen materialabtragend entfernt werden, die anderenfalls Initialstellen für eine Rissausbreitung darstellen können.
-
Figurenliste
-
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.
-
Im Einzelnen zeigt
- 1 eine Strömungsmaschine, nämlich ein Flugtriebwerk in einem schematischen Axialschnitt;
- 2 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Bearbeitungssystem bei der Bearbeitung eines Schaufelblatts;
- 3 ein Werkzeug für das Bearbeitungssystem gemäß 2 mit einem Werkzeugkopf im eingeklappten Zustand;
- 4 das Werkzeug gemäß 3 mit dem Werkzeugkopf im ausgeklappten Zustand;
- 5 ein weiteres Werkzeug für das Bearbeitungssystem gemäß 2 mit einem Werkzeugkopf im eingeklappten Zustand;
- 6 das Werkzeug gemäß 5 mit dem Werkzeugkopf im ausgeklappten Zustand.
-
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
-
1 zeigt eine Strömungsmaschine 1, konkret ein Mantelstromtriebwerk, in einem Axialschnitt. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut. Jede der Stufen setzt sich aus einem Stator 5 und einem Rotor 6 zusammen. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet den Gaskanal, also den Verdichtergaskanal im Falle des Verdichters 1a bzw. den Heißgaskanal im Falle der Turbine 1c. Im Verdichtergaskanal wird die angesaugte Luft komprimiert, sie wird dann in der nachgelagerten Brennkammer 1b mit hinzugemischten Kerosin verbrannt. Das Heißgas durchströmt den Heißgaskanal und treibt dabei die Rotoren 6 an, die um die Drehachse 2 rotieren.
-
2 zeigt in schematischer, teilweise geschnittener Seitenansicht ein Bearbeitungssystem 20, mit dem ein in einem Hohlraum 21, nämlich dem Gaskanal, angeordnetes Bauteil 22 (Schaufelblatt) im Zuge einer Triebwerksrevision materialabtragend bearbeitet wird. Dazu weist das Bearbeitungssystem 20 ein Werkzeug 25 mit einem Werkzeugkopf 26 und einem Schaft 27 auf. Der Werkzeugkopf 26 ist, wie anhand der 3-6 im Detail diskutiert, seitlich ausklappbar, 2 zeigt den ausgeklappten Zustand; im eingeklappten Zustand lässt sich der Werkzeugkopf 26 durch ein Durchgangsloch 28 in den Gaskanal 21 einbringen, also durch eine Boroskop- bzw. Revisionsöffnung. Das Bearbeitungssystem 20 weist ferner eine Antriebseinheit 29 auf, die das Werkzeug 25 über Aktoren antreibt. Die Antriebseinheit 29 kann den Werkzeugkopf 26 zwischen dem ein- und dem ausgeklappten Zustand bewegen, ferner kann sie ihn für die materialabtragende Bearbeitung in eine Drehung versetzen.
-
Die 3 und 4 illustrieren eine erste Möglichkeit zur Realisierung eines solchen Werkzeugs 25. Dabei zeigt 3 den Werkzeugkopf 26 im eingeklappten Zustand, 4 illustriert den ausgeklappten Zustand.
-
Der Schaft 27 des Werkzeugs 25 ist vorliegend aus drei ineinander geführten Hohlrohren aufgebaut, die in den 3 und 4 jeweils in einem Axialschnitt gezeigt sind. Das radial äußere Hohlrohr bildet das Schaftgehäuse 30, darin ist axial versetzbar das Schubelement 31 geführt. An dem Schubelement 31 ist ein Klapparm 32 über ein Lager 24 verkippbar angeordnet. Der Klapparm 32, der den Werkzeugkopf 26 trägt, ist über eine Gegenlagerstrebe 33 mit dem Schaftgehäuse 30 verbunden (über ein Lager 34). Wird das Schubelement 31 von 3 ausgehend axial zum Werkzeugkopf 26 hin versetzt, drückt die Gegenlagerstrebe 33 den Klapparm 32 radial nach außen, also in den ausgeklappten Zustand, vergleiche 4. In anderen Worten ist die Ausklappmechanik in der Ausführungsform der 3 und 4 nach der Art eines Lenkergetriebes ausgeführt, das einen axialen Vorschub des Schubelements 31 in eine zwangsgeführte Schwenkbewegung des Klapparms 32 mit dem darauf angeordneten Werkzeugkopf 26 umwandelt, sodass dieser nach radial außen hin ausklappt.
-
Der radial innere Hohlstab 40 kann den Werkzeugkopf 26 im ausgeklappten Zustand in eine Drehung versetzen, dient also als Antriebselement 41. Dazu ist der Hohlstab 40 an seinem oberen Ende mit einer Zahnung 42 versehen, die in eine entsprechende Kontur 43 am Klapparm 32 eingreift (der Übersichtlichkeit halber in 4 gezeigt). Ein Wellenabschnitt 32.1 des Klapparms 32 ist drehbar in einem Hülsenabschnitt 32.2 gelagert (an letzteren greift die Gegenlagerstrebe 33 an). Wird der Hohlstab 40, also das Antriebselement 41, um die Längsachse 45 des Schafts gedreht, wird dies über die Zahnung 42 und die Kontur 43 in eine Rotation des Wellenabschnitts 32.1 und damit des Werkzeugkopfs 26 umgesetzt.
-
Die 5 und 6 zeigen ein weiteres Werkzeug 25, dass für ein Bearbeitungssystem 20 gemäß 2 einen ein- und ausklappbaren Werkzeugkopf 26 aufweist. 5 zeigt den eingeklappten Zustand, 6 den ausgeklappten Zustand. Auch dieses Werkzeug 25 weist ein Schaftgehäuse 30 auf, das vorliegend aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist. In dem Schaftgehäuse 30 sind wiederum ein Schubelement 31 sowie ein Antriebselement 41 angeordnet, wobei letzteres der Übersichtlichkeit halber nur in 6 dargestellt ist. Der Werkzeugkopf 26 ist an einem Klapparm 32 angeordnet, dieser ist über ein Lager 50 am Schaftgehäuse 30 festgelegt. Über ein weiteres Lager 51 ist der Klapparm 32 mit einem Pleuelelement 52 verbunden, dieses setzt die axiale Bewegung des Schubelements 31 in eine Drehbewegung des Klapparms 32 um. Der Klappabschnitt 65 bzw. Klapparm 32 kann so zwischen dem ein- und dem ausgeklappten Zustand bewegt werden.
-
6 zeigt den Klapparm 32 im ausgeklappten Zustand und illustriert den Antrieb des Werkzeugkopfs 26. Bei dem Antriebselement 41 handelt es sich vorliegend um einen Riemen 60, der in dem Schaftgehäuse 30 umläuft, vgl. die Pfeile. Der Riemen 60 treibt ein Zahnrad 61 an, dieses greift in die Kontur 43 des Klapparms 32 ein, sodass die Bewegung des Riemens 60 den Werkzeugkopf 26 in die Drehung versetzt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Strömungsmaschine
- 1a
- Verdichter
- 1b
- Brennkammer
- 1c
- Turbine
- 2
- Drehachse
- 5
- Stator
- 6
- Rotor
- 7
- Gaskanal
- 20
- Bearbeitungssystem
- 21
- Hohlraum
- 22
- Bauteil
- 24
- Lager
- 25
- Werkzeug
- 26
- Werkzeugkopf
- 27
- Schaft
- 28
- Durchgangsloch
- 29
- Antriebseinheit
- 30
- Schaftgehäuse
- 31
- Schubelement
- 32
- Klapparm
- 32.1
- Wellenabschnitt
- 32.2
- Hülsenabschnitt
- 33
- Gegenlagerstrebe
- 34
- Lager
- 40
- Hohlstab
- 41
- Antriebselement
- 42
- Zahnung
- 43
- Kontur
- 45
- Längsachse
- 50
- Lager
- 51
- Lager
- 52
- Pleuelelement
- 60
- Riemen
- 61
- Zahnrad
- 65
- Klappabschnitt
