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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rekonditionieren einer Fan-Schaufel eines Mantelstromtriebwerks.
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Stand der Technik
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Funktional gliedert sich ein Flugtriebwerk in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Dabei wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Mit der hierbei gewonnenen kinetischen Energie wird bei einem Mantelstromtriebwerk anteilig auch der Fan angetrieben. Die Fan-Schaufeln können im Betrieb einem abrasiven Verschleiß ausgesetzt sein. Dies kann eine Veränderung der geometrischen Gestalt der Vorderkante zur Folge haben und damit bspw. auch den Gesamtwirkungsgrad des Mantelstromtriebwerks negativ beeinflussen. Dieser kann je nach Bedingung um einige Prozent abfallen, bspw. um bis zu 4 %.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zum Rekonditionieren einer Fan-Schaufel anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei findet ein Bearbeitungswerkzeug Anwendung, das einen ersten und einen zweiten Bearbeitungskopf aufweist. Dieses Bearbeitungswerkzeug wird solchermaßen an der Fan-Schaufel platziert, dass an deren Vorderkante mit dem ersten Bearbeitungskopf saugseitig ein Materialabtrag erfolgt und zugleich, also im selben Zeitpunkt, mit dem zweiten Bearbeitungskopf druckseitig ein Materialabtrag erfolgt. Dabei wird, während an der Saug- und an der Druckseitenfläche Material abgetragen wird, das Bearbeitungswerkzeug entlang der Vorderkante bewegt.
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Im Vergleich zu einem von den Erfindern alternativ angedachten Ansatz, nämlich einem Materialabtrag mittels einer schablonengeführten Ziehklinge (zur Konturerzeugung) und einem anschließenden Schleifen, kann bei dem vorliegenden Verfahren bspw. eine Reproduzierbarkeit besser sein. Die zugleich saug- und druckseitig anliegenden Bearbeitungsköpfe stützen sich gegenseitig ab, womit der Vorderkante die gewünschte Profilierung vorgegeben wird. Die Bearbeitungsköpfe können dabei die gewünschte Zielkontur an Saug- und Druckseite erzeugen. Da in der Praxis typischerweise mehrere bzw. sämtliche Fan-Schaufeln des jeweiligen Mantelstromtriebwerks rekonditioniert werden, kann die wiederholgenaue Reprofilierung der Vorderkanten hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und Effizienz der einzelnen Fanschaufel bzw. des Fans oder auch gesamten Triebwerks von Vorteil sein.
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, die zumindest implizit hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen ist. „Axial“ bzw. „radial“ und „umlaufend“, sowie die zugehörigen Richtungen, beziehen sich auf die Drehachse des Fans, die mit einer Längsachse des Triebwerks zusammenfällt.
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Mit dem ersten Bearbeitungskopf wird in einem Bereich an der Vorderkante, der in der Saugseitenfläche liegt, Material abgetragen, wobei im selben Zeitpunkt mit dem zweiten Bearbeitungskopf in einem ebenfalls an die Vorderkante reichenden Bereich Material abgetragen wird, der jedoch in der Druckseitenfläche liegt. Das abgetragene Material ist in der Regel der Werkstoff der Fan-Schaufel selbst, aus dem also deren Schaufelblatt geformt ist. Im Allgemeinen kann das Bearbeitungswerkzeug auch mehr als zwei Bearbeitungsköpfe aufweisen; bevorzugt ist es jedoch mit genau zwei Bearbeitungsköpfen ausgestattet, die bei der materialabtragenden Bearbeitung an der Fan-Schaufel anliegen.
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In bevorzugter Ausgestaltung rotiert mindestens einer der Bearbeitungsköpfe bei der materialabtragenden Bearbeitung, bevorzugt rotieren beide. Alternativ ist im Allgemeinen bspw. auch eine Vibrations- und/oder Linearbewegung denkbar, die Rotation kann jedoch z. B. einen gleichmäßigen Abtrag und damit eine gute Reproduzierbarkeit ergeben. Mit der Außenmantelfläche eines jeweiligen Bearbeitungskopfes, also mit seinem Rotationsprofil, lässt sich für den Materialabtrag gut eine Kontur definieren (diese Kontur hat dann die Fan-Schaufel in einem Tangentialschnitt betrachtet).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform rotieren der erste und zweite Bearbeitungskopf gegenläufig. Damit lässt sich bspw. die Gefahr eines Verkippens oder Verkantens des Bearbeitungswerkzeugs bei der Bewegung entlang der Vorderkante verringern, was wiederum die Reproduzierbarkeit verbessern kann. Mit den gegenläufigen Bearbeitungsköpfen lassen sich bspw. auch die Prozesskräfte verringern, was die Handhabung vereinfachen kann.
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In bevorzugter Ausgestaltung weist das Bearbeitungswerkzeug ein Getriebe auf, über welches die Rotation der Bearbeitungsköpfe gekoppelt ist, bevorzugt gegenläufig. Prinzipiell kann ein Antrieb als Teil des Bearbeitungswerkzeugs vorgesehen sein, bspw. gemeinsam mit dem Getriebe in ein Gehäuse integriert, z. B. ein Elektromotor. Bevorzugt ist ein externer Antrieb, z. B. über Druckluft oder eine flexible Welle.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Bearbeitungswerkzeug ein Federelement auf, welches mindestens einen der Bearbeitungsköpfe an die Fan-Schaufel andrückt. Ein entsprechendes Federteil des Federelements kann dabei als Druck-, oder auch als Zugfeder ausgelegt sein (den Bearbeitungskopf also unter Druck oder Zug in die Anlage drücken). Bevorzugt ist für jeden Bearbeitungskopf ein eigenes Federteil vorgesehen.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist mindestens einer der Bearbeitungsköpfe ein Fräskopf, bevorzugt sind beide Fräsköpfe. Alternativ könnte im Allgemeinen auch einer oder auch beide als Schleifkopf vorgesehen sein, also für einen Materialabtrag mit einer geometrisch unbestimmten Schneide.
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Ein Fräskopf, der mit einer geometrisch bestimmten Schneide ausgestattet ist, kann bspw. auch derart ausgestaltet sein, dass er bedarfsweise an unterschiedliche Fan-Schaufeln angepasst werden kann. Dies kann bspw. durch einen Austausch des Schneidteils bzw. auch mit Wendeschneideplatten erreicht werden. Generell kann eine Anpassung der Kontur der Bearbeitungsköpfe eine individuelle Anpassung an die Fan-Schaufel und damit gute Reprofilierung ergeben.
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In bevorzugter Ausgestaltung hat der erste Bearbeitungskopf, mit dem der Materialabtrag an dem saugseitigen Vorderkantenbereich erfolgt, eine einfache Konusform, bevorzugt eine Kegelstumpfform. Dabei fällt die geometrische Achse bevorzugt mit der Rotationsachse zusammen, um welche der Bearbeitungskopf beim Materialabtrag rotiert. Die Mantelfläche kann im Schnitt geradlinig oder auch mit einer Krümmung verlaufen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der zweite Bearbeitungskopf, mit dem in dem druckseitigen Vorderkantenbereich Material abgetragen wird, eine Doppelkonusform, vorzugsweise eine Doppel-Kegelstumpfform. Der Doppelkonus kann auch asymmetrisch sein, die Konusse können sich also in ihrer Höhe und/oder Steigung unterscheiden. Auch in diesem Fall sind im Schnitt geradlinige oder gekrümmte Mantelflächen möglich und fällt die geometrische Achse bevorzugt mit der Drehachse bei der Bearbeitung zusammen. Im Allgemeinen kann der zweite Bearbeitungskopf bspw. mindestens eine einfache Konusform haben, bevorzugt ist der Doppelkonus.
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In bevorzugter Ausgestaltung weist das Bearbeitungswerkzeug ein Stützelement auf, das beim Verschieben entlang der Vorderkante an dieser anliegt. Dies kann, insbesondere in Ergänzung zu der gegenseitigen Abstützung der Bearbeitungsköpfe, die Genauigkeit der Reprofilierung verbessern helfen. Prinzipiell kann das Stützelement dabei auch entlang der Vorderkante gleiten bzw. rutschen, bevorzugt ist bzw. sind eine oder mehrere an der Vorderkante abrollende Führungsrolle(n) vorgesehen. Mit einer Mehrzahl Rollen lässt sich bspw. einem Verkippen vorbeugen. Das Stützelement kann sowohl eine Zustellung als auch eine axiale Tiefenbegrenzung sicherstellen, bevorzugt kann das Stützelement einstellbar ausgebildet sein (Tiefe/Zustellung variabel).
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Das Profil der Vorderkante, also ihr Verlauf in einer Seitenansicht (seitlich auf die Fan-Schaufel blickend), wird bevorzugt mit einer Scaneinheit erfasst. Diese kann bspw. als Laserscanner ausgebildet sein, etwa als Laser-Linienscanner. In bevorzugter Ausgestaltung ist eine solche Scaneinheit in das Bearbeitungswerkzeug integriert, was bspw. die Anzahl der zu handhabenden Teile und damit die Komplexität des Rekonditionierungsprozesses verringern kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Rekonditionierung der Vorderkante händisch, wird also das Bearbeitungswerkzeug von einer Bedienperson per Hand gegriffen, an die Vorderkante gesetzt und entlang dieser geführt. Auf diese Weise lässt sich die Rekonditionierung vergleichsweise einfach implementieren, wobei umgekehrt die sich gegenseitig abstützenden Bearbeitungsköpfe etc. gleichwohl eine gute Reproduzierbarkeit ergeben. Die Bedienperson kann das Bearbeitungswerkzeug bspw. so ansetzen, dass zunächst nur das Stützelement an der Vorderkante anliegt, bevor die Bearbeitungsköpfe mit einer Drehbewegung in Anlage gebracht werden, also das Bearbeitungswerkzeug zum Erreichen des lateralen Anschlags eingeschwenkt wird (vorzugsweise bei gleichzeitigem Einschalten des Antriebs der Antriebsköpfe).
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Im Allgemeinen ist selbstverständlich auch eine automatisierte Handhabung des Bearbeitungswerkzeugs möglich, kann dieses also bspw. von einem Manipulator, etwa einem Gelenkarm, angesetzt und geführt werden. Unabhängig von der Art der Handhabung im Einzelnen wird das Bearbeitungswerkzeug bevorzugt von radial innen nach radial außen entlang der Vorderkante bewegt.
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Die Rekonditionierung der Fan-Schaufel kann einerseits im ausgebauten Zustand erfolgen, also nach einer Demontage des Fans vom Mantelstromtriebwerk. Andererseits kann das vorliegende Verfahren bzw. Bearbeitungswerkzeug auch vorteilhaft eine Bearbeitung im montierten Zustand ermöglichen, also an dem am Mantelstromtriebwerk montierten Fan. Dabei kann sogar auch das Mantelstromtriebwerk am Flugzeug montiert sein, was eine gute Integration in Wartungs- bzw. Testzyklen ergeben kann. Generell kann die Rekonditionierung im montierten Zustand hinsichtlich einer Zeitersparnis von Vorteil sein. Die Schaufel kann auch rekonditioniert werden, wenn sie am Fan montiert, dieser aber vom Triebwerk demontiert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird nach der Rekonditionierung der Fan-Schaufel mit demselben Bearbeitungswerkzeug eine Fan-Schaufel anderer Bauart rekonditioniert, die also nicht baugleich ist (eines anderen Triebwerks). Dabei kann bzw. wird zur Einstellung der Zielkontur der Vorderkante der anderen Fan-Schaufel zumindest ein Teil eines Bearbeitungskopfes ausgetauscht, bspw. ein Schneidteil eines Fräskopfes. Bevorzugt werden beide Bearbeitungsköpfe entsprechend angepasst bzw. ausgetauscht.
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Die Erfindung betrifft auch ein Bearbeitungswerkzeug, das zur Durchführung eines vorliegend beschriebenen Verfahrens ausgelegt ist. Es weist für die materialabtragende Bearbeitung einen ersten und zweiten Bearbeitungskopf auf, die in dem Bearbeitungswerkzeug relativ zueinander gelagert sind. Die Bearbeitungsköpfe sind unter einem solchen Winkel angestellt, dass sich beim Ansetzen des Bearbeitungswerkzeugs an eine Vorderkante einer Schaufel der eine Bearbeitungskopf saugseitig und der andere Bearbeitungskopf druckseitig anlegt. Mit einem solchen Bearbeitungswerkzeug können im Allgemeinen auch andere Schaufeln eines Flugtriebwerks materialabtragend an der Vorderkante bearbeitet werden, insbesondere im Zuge einer Rekonditionierung, bevorzugt ist jedoch die Anwendung bei den Fan-Schaufeln. Bezüglich weiterer möglicher Ausstattungsmerkmale des Bearbeitungswerkzeugs wird ausdrücklich auf die vorstehende Offenbarung verwiesen, die Bearbeitungsköpfe können z. B. drehbar gelagert sein (insbesondere gegenläufig), etwa über ein Getriebe. Ferner kann das Bearbeitungswerkzeug ein Führungselement etc. aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können die Bearbeitungsköpfe Profilfräser sein, deren Schneidprofil jeweils zumindest abschnittsweise einer Zielkontur der Schaufel entspricht. Weiter bevorzugt können die Bearbeitungsköpfe derart ausgebildet und am Bearbeitungswerkzeug angeordnet sein, dass sie sich in einer Seiten- bzw. Profilansicht des Bearbeitungswerkzeugs überschneiden/überlappen und mit ihren Schneiden gemeinsam einer Zielkontur im Bereich der Profilnase (Vorderkante) der Schaufel entsprechen.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform können die Schneiden der Bearbeitungsköpfe derart ausgebildet sein, dass sie in dem Abschnitt, in dem sich die Bearbeitungsköpfe in einer Seiten- bzw. Profilansicht des Bearbeitungswerkzeugs überschneiden/überlappen, ein im Wesentlichen teilkreisförmiges Schneidprofil haben und zwar mit einem Radius, der dem gewünschten Nasenradius (Radius der Vorderkante) entspricht.
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Figurenliste
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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 ein Mantelstromtriebwerk in einem schematischen Axialschnitt;
- 2 einen Ausschnitt einer Fan-Schaufel, die mit zwei Bearbeitungsköpfen materialabtragend bearbeitet wird;
- 3 wiederum einen Ausschnitt einer Fan-Schaufel, an welche ein Bearbeitungswerkzeug mit zwei Bearbeitungsköpfen gemäß 2 gesetzt ist.
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1 zeigt ein Mantelstromtriebwerk 1 in einem Axialschnitt. Dieses gliedert sich funktional in Verdichter 2, Brennkammer 3 und Turbine 4. Sowohl der Verdichter 2 als auch die Turbine 4 sind jeweils mehrstufig aufgebaut. Im Verdichter 2 wird die angesaugte Luft komprimiert, und sie wird dann in der nachgelagerten Brennkammer 3 mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas wird in der Turbine 4 expandiert und treibt deren Rotoren an. Mit dieser kinetischen Energie wird auch der Fan 5 angetrieben. Dieser weist eine Mehrzahl Fan-Schaufeln 6 auf, die im Betrieb einen durch das Kerntriebwerk geführten Primärstrom 7.1 und zur Vorschuberzeugung einen Sekundärstrom 7.2 (Mantelstrom) erzeugen. Die Vorderkanten 6.1 der Fan-Schaufeln 6 sind im Betrieb einem abrasiven Verschleiß ausgesetzt.
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2 illustriert, wie eine Fan-Schaufel 6 in erfindungsgemäßer Weise rekonditioniert wird. Die Reprofilierung bzw. -konturierung erfolgt dabei mit einem ersten Bearbeitungskopf 21 und einem zweiten Bearbeitungskopf 22. Mit dem ersten Bearbeitungskopf 21 wird saugseitig an der Vorderkante 6.1 Material abgetragen, also in einem Bereich 6.2.1 der Saugseitenfläche 6.2, der an die Vorderkante 6.1 reicht. Mit dem zweiten Bearbeitungskopf wird druckseitig an der Vorderkante 6.1 Material abgetragen, also in einem Bereich 6.3.1 der Druckseitenfläche 6.3, der an die Vorderkante 6.1 reicht. Die Vorderkante 6.1 selbst ist in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht referenziert, sie liegt im Schnittpunkt der Bereiche 6.2.1, 6.3.1, vgl. die Zusammenschau mit 3.
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Der erste Bearbeitungskopf 21 hat eine Einfachkonusform, der zweite Bearbeitungskopf 22 eine Doppelkonusform. Vorliegend sind die Bearbeitungsköpfe 21, 22 jeweils als Fräskopf 25 ausgeführt, erfolgt der Materialabtrag also mit geometrisch bestimmten Schneiden (nicht im Einzelnen dargestellt). Die Bearbeitungsköpfe 21, 22 rotieren 26.1, 26.2 bei dem Materialabtrag jeweils um eine Rotationsachse 21.1, 22.1, davon abgesehen sind sie in einem Bearbeitungswerkzeug lagefixiert (siehe unten). Sie rotieren 26.1, 26.2 gegenläufig, was bspw. einem Verkanten bzw. -keilen vorbeugt. Mit den in einem definierten Winkel 27 zueinander angestellten Bearbeitungsköpfen 21, 22, die sich aufgrund der zugleich saug- und druckseitigen Bearbeitung gegenseitig abstützen, ist eine gut reproduzierbare Reprofilierung möglich, vergleiche die Beschreibungseinleitung.
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Während der materialabtragenden Bearbeitung werden die Bearbeitungsköpfe 21, 22 entlang der Vorderkante 6.1 bewegt, bspw. von radial innen nach radial außen. In 2 ist die Fan-Schaufel 6 in einem Tangentialschnitt gezeigt, zur Orientierung sind die Axialrichtung 30, die Umlauf- bzw. Tangentialrichtung 31 und die Radialrichtung 32 gekennzeichnet. Die Ansicht ist schematisch, in der Praxis kann die Fan-Schaufel 6 auch einen Twist haben, also unter einem anderen Winkel zur Axialrichtung 30 verlaufen. Die Bearbeitungsköpfe 21, 22 werden entlang der Vorderkante 6.1 radial versetzt, vorliegend also in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus.
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Auch 3 zeigt einen Ausschnitt der Fan-Schaufel 6, und zwar in einer Ansicht von vorne, der Blick fällt also auf die Vorderkante 6.1. Generell bezeichnen dieselben Bezugszeichen Teile mit derselben Funktion und wird insoweit auch auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. In der Ansicht gemäß 3 ist nicht die Verkippung der Bearbeitungsköpfe 21, 22 bzw. der Rotationsachsen 21.1, 22.1 wiedergegeben. Um eine gute Anlage der Bearbeitungsköpfe 21, 22 an der Fan-Schaufel 6 sicherzustellen, ist das Bearbeitungswerkzeug 40 mit einem Federelement 41 ausgestattet, wobei ein erstes Federteil 41.1 den ersten Bearbeitungskopf 21 andrückt und ein zweites Federteil 41.2 den zweiten Bearbeitungskopf 22.
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Das Bearbeitungswerkzeug 40 weist ferner ein Stützelement 42 auf, vorliegend eine erste Rolle 42.1 und eine zweite Rolle 42.2 (in der Praxis sind selbstverständlich auch weitere Rollen möglich). Wird das Bearbeitungswerkzeug 40 entlang der Vorderkante 6.1 bewegt, rollen die Rollen 42.1, 42.2 auf dieser ab (die Drehachsen der Rollen 42.1, 42.2 liegen parallel zur Zeichenebene). Die gegenläufige Rotation der Bearbeitungsköpfe 21, 22 ist über ein Getriebe 43 gelagert, dieses ist mit einem Antrieb 44 gekoppelt, bspw. einem Elektromotor. In der Benutzung lässt sich das Bearbeitungswerkzeug 40 von Hand ansetzen und entlang der Vorderkante 6.1 führen. Es kann bspw. solchermaßen verkippt angesetzt werden, dass zunächst nur das Stützelement 42, aber noch nicht die Bearbeitungsköpfe 21, 22 an der Fan-Schaufel 6 anliegen. Diese werden dann durch eine Schwenkbewegung in Anlage gebracht, bevor das Bearbeitungswerkzeug 40 während der materialabtragenden Bearbeitung entlang der Vorderkante 6.1 versetzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mantelstromtriebwerk
- 2
- Verdichter
- 3
- Brennkammer
- 4
- Turbine
- 6
- Fan-Schaufeln
- 6.1
- Vorderkanten
- 6.2
- Saugseitenfläche
- 6.2.1
- Bereich
- 6.3
- Druckseitenfläche
- 6.3.1
- Bereich
- 7.1
- Primärstrom
- 7.2
- Sekundärstrom (Mantelstrom)
- 21
- Erster Bearbeitungskopf
- 21.1
- Rotationsachse
- 22
- Zweiter Bearbeitungskopf
- 22.1
- Rotationsachse
- 25
- Fräskopf
- 26.1,26.2
- Rotieren
- 27
- Winkel
- 30
- Axialrichtung
- 31
- Umlauf- bzw. Tangentialrichtung
- 32
- Radialrichtung
- 40
- Bearbeitungswerkzeug
- 41
- Federelement
- 41.1
- Erstes Federteil
- 41.2
- Zweites Federteil
- 42
- Stützelement
- 42.1
- Erste Rolle
- 42.2
- Zweite Rolle
- 43
- Getriebe
- 44
- Antrieb
