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Verfahren zur Herstellung von Schaufeln für axial durchströmte Turbomaschinen,
insbesondere Gasturbinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von.Schaufeln
für axial durchströmte Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen, mit einem gegenüber
dem Schaufelblatt verdickten Fuß, mit Hilfe je eines Profilfräsers für die Saug-
und Druckseite.
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Mit der Erfindung wird eine vereinfachte Herstellungsmöglichkeit einer
solchen Schaufel gegenüber bisher bekannten Ausführungen bezweckt. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß Schaufelblatt und -fuß durch Fortschreiten in Richtung der
Schaufelachse der quer zu derselben angeordneten Profilfräser bei an sich bekanntem
Drehen der Schaufel um ihre Achse während der Herstellung des Blattteiles der Schaufel
erzeugt werden und daß beim Übergang vom Schaufelblatt zum .Schaufelfuß die Fräser
um einen der gewünschten Verdickung entsprechenden Betrag etwa rechtwinklig zur
Schaufelachse verschoben werden.
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Beim Fräsen von Turbinenschaufeln mit verdicktem Fuß ist es bekannt,
mit Profilfräsern zu arbeiten, deren Achse parallel zur Schaufelachse verläuft und
der Übergang zum Fuß dem Profil des Fräsers entspricht.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäß
hergestellten Schaufel veranschaulicht. Es zeigt F i g. 1 eine schräge Ansicht einer
Schaufel, F i g. 2 eine Ansicht der Schaufel in Längsrichtung des .Schaufelprofils,
F i g. 3 einen Querschnitt durch das Schaufelblatt der Schaufel nach F i g. 1, von
oben gesehen, F i g. 4 eine schräge Ansicht einer weiteren Ausführungsform, F i
g. 5 einen Querschnitt durch das Schaufelblatt der Schaufel nach F i g. 4, von oben
gesehen, F i g. 6 einen Querschnitt durch das Schaufelblatt einer weiteren Ausführungsform,
von oben gesehen, F i g. 7 eine konstruktive Einzelheit.
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Gemäß den F i g. 1, 2 und 3 weist die Schaufel ein Schaufelblatt 1
und einen Schaufelfuß 2 auf. Das Schaufelblatt hat auf nahezu seiner ganzen Länge,
nämlich vorn äußeren Ende bis zu der Linie A-A in der Nähe des Schaufelfußes, ein
unveränderliches Querschnittsprofil. Der Schaufelfuß ist in einem in der F i g.
3 angedeuteten Schaufelträger 3 in einer Nut eingesetzt. Der Schaufelfuß ist gegenüber
dem Schaufelblatt verdickt. Der Querschnitt des Schaufelfußes 2 weist auf den beiden
Seiten je die gleiche Umrißform wie die entsprechende Seite des Schaufelblattprofils
auf. Sie ist auf der Druckseite des Profils gerade und auf der Saugseite gewölbt.
Die Umrisse der beiden Seiten des.Schaufelfußes werden durch Parallelverschiebung
der Umrisse des Schaufelblattes erhalten.
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Die Schaufel kann in einfacher Weise durch Fräsen in der Schaufellängsrichtung
hergestellt werden. Dabei muß ein Profilfräser verwendet werden, dessen Profil der
Umrißform der.Schaufel auf der betreffenden Seite entspricht. Die Fräserachse wird
quer zur Richtung der Schaufelachse, ungefähr parallel zu der in F i g. 1 eingetragenen
Linie A -A eingestellt, und der Fräser bewegt sich bei der Bearbeitung der
Schaufel in der Richtung der Schaufelachse vorzugsweise vom Schaufelende gegen den
Schaufelfuß. Gleichzeitig muß zwischen der Fräserachse und der Schaufelachse eine
der gewünschten Verwindung der Schaufel entsprechende relative Drehung vorgenommen
werden. Erreicht der Fräser die eingezeichnete Linie A-A, so muß die Fräserachse
eine etwa rechtwinklig zur .Schaufelachse gerichtete Bewegung ausführen, deren Größe
sich nach dem Maß der gewünschten Verdickung des Schaufelfußes richtet. Unterhalb
der Linie A-A wird darauf der Fräser, ohne daß eine weitere relative Drehung zwischen
Schaufelachse und Fräserachse eintritt, nach abwärts bewegt. Bei der entgegengesetzten
Schaufelseite wird entsprechend verfahren.
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Dadurch ergibt sich, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, das gegenüber
dem Schaufelprofil verdickte Fußprofil, wobei aber auf jeder Seite der Schaufelfuß
2 die gleiche Umrißform aufweist wie die entsprechende Seite des Schaufelblattprofils.
Im vorliegenden Fall ist die Druckseite der .Schaufel mit einer geraden
Flanke
ausgeführt, so daß hier nur der einzige Ergänzungskörper 4 erforderlich ist, um
ein parallelogrammartiges Gesamtprofil im Fuß zu erhalten. Die Verdickung des Schaufelfußes
ist so stark, daß die Schwächung durch die Stifte 6 ausgeglichen wird.
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Werden gleichzeitig zwei Formfräser für die Saug-und Druckseite der
Schaufel angewendet, so kann diese in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden,
wobei wiederum eine Drehung der Schaufel um ihre Längsachse zur Erzeugung der Verwindung
vorgenommen werden kann. Es ist zweckmäßig, die Verwindung in der Fußpartie nicht
mehr auszuführen, da sie in diesem Bereich aus strömungstechnischen Gründen nicht
erforderlich ist und die Herstellung des Ergänzungskörpers erschweren würde. Anderseits
ist es ohne weiteres möglich, in dem zu verwindenden Bereich den Verwindungswinkel
längs der Schaufelachse nach einer beliebigen Funktion zu verändern.
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Die aus F i g. 1 ersichtliche Schrägstellung des Fräsers wurde hier
vorgenommen, um die aus strömungstechnischen Gründen erforderliche Verkürzung der
Schaufel am Austritt zu berücksichtigen. Es ist natürlich ohne weiters möglich,
die Fräserachse senkrecht zur Schaufelachse verlaufen zu lassen oder eine Neigung
vorzusehen, bei welcher die Austrittskante verlängert wird.
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Durch die Verdickung des Fußprofils ergibt sich weiterhin der strömungstechnisch
bedeutsame Vorteil einer Abrundung des Schaufelblattes beim Übergang zum Schaufelträger.
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Die Schaufel kann auch in gleicher Weise hergestellt werden, wenn
beide Seiten des Schaufelprofils gewölbt sind. Bei dem nun ebenfalls beidseitig
gewölbten Schaufelfuß sind dann beim Einsetzen in den Schaufelträger auf beiden
Seiten Ergänzungskörper zur Ausfüllung der Nut vorgesehen.
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Die in den F i g. 4 und 5 dargestellte Schaufel weist ein Schaufelblatt
7 und einen Schaufelfuß 8 auf. Das Schaufelblatt 7 besteht aus einem äußeren Teil
7' und einem zwischen diesem und dem Schaufelfuß liegenden Teil 7". Der Teil
7' des Schaufelblattes, welcher bis zur Linie B-B reicht, ist mit einem auf
seiner ganzen Länge unveränderlichen Profil ausgeführt. Im Teil 7" ist dagegen
eine allmähliche Verdickung des Schaufelprofils vorgesehen. Der zur Herstellung
der Schaufel verwendete Profilfräser wird daher, vom äußeren Ende der Schaufel beginnend,
sich vorerst bis zur Linie B-B parallel zur Schaufelachse bewegen. Zwischen dieser
Stelle und dem Beginn des überganges zum Schaufelfuß wird er dagegen gleichzeitig
mit der Bewegung in Schaufellängsrichtung in geringfügigem Maß etwa rechtwinklig
zur Schaufelachse bewegt, so daß in diesem Bereich eine allmähliche Verdickung des
Schaufelprofils eintritt. In der eigentlichen Übergangszone zum Fuß, welche bei
der Linie C-C beginnt, erfolgt dann eine verhältnismäßig rasche Bewegung des Fräsers
rechtwinklig zur Schaufelachse, so daß entsprechend dem in den F i g. 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel eine Verdickung des Fußprofils eintritt. Infolge der gleichzeitig
mit der Bewegung in Längsrichtung der .Schaufel erfolgenden Querbewegung des Fräsers
tritt nicht nur eine Verdickung, sondern auch eine Verlängerung des Profils ein.
Das zuletzt beschriebene Verfahren ist indessen nur dann anwendbar, wenn sowohl
die Eintrittskante als auch die Austrittskante verhältnismäßig schlank zulaufen,
so daß auch im Gebiete des Teils 7" ein strömungstechnisch günstiges Profil entsteht.
Der Profilfräser muß naturgemäß für beide Seiten der Schaufel mindestens eine Breite
haben, wie sie dem Bereich der Fußpartie 8 entspricht; d. h., er muß breiter sein
als die Profillänge des Teils 7'. Bei diesem Herstellungsverfahren ergeben sich
sehr günstige Möglichkeiten für die Verstärkung des Profils im Fuß und im unteren
Teil des Schaufelblattes.
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Bei vielen Schaufelprofilen, die im Verdichterbau zur Anwendung kommen,
ist das Profil auf der Druckseite nahezu geradlinig. In diesem Falle kann man, wie
in F i g. 3 dargestellt, auf dieser Seite des Fußprofils auf das Anbringen eines
Ergänzungskörpers verzichten. Dies ist aber auch dann möglich, wenn die Abweichung
der Umrißform von einer Geraden kleiner ist als die durch die Bewegung des Fräsers
rechtwinklig zur Schaufelachse erzeugte Fußverdickung. Wird nämlich das Schaufelprofil
nahe an die Oberfläche eines prismatischen Stabes gelegt, aus welchem die Schaufel
herausgearbeitet wird, so tritt der Fräser beim Übergang zum Fußprofil aus dem Material
hinaus, und es verbleibt die gerade Flanke des Stabes. Dies ist in der F i g. 6
dargestellt, welche einen Schnitt durch das Schaufelblatt einer Schaufel mit Blick
gegen den Schaufelfuß zeigt. Das Schaufelblatt ist mit 9 bezeichnet. Das Profil
weist auf der einen Seite eine Umrißlinie 10 auf, welche nicht stark von einer Geraden
abweicht. Die entsprechende Seite des .Schaufelblattes wird durch einen Fräser hergestellt,
dessen Profil der Umrißlinie 10 entspricht. Zur Herstellung des Schaufelfußes
wird der Fräser rechtwinklig zur Schaufelachse nach außen bewegt, so daß die Umrißlinie
des Fußprofils in eine Lage 10' kommen würde. Fällt nun die ebene Begrenzung des
prismatischen Stabes, aus dem das Profil herausgearbeitet wird, in eine nahe der
Umrißlinie 10 gelegene Gerade 11, so tritt der Fräser im Fußteil aus dem
Material heraus, und es verbleibt die gerade Begrenzung gemäß der Linie
11, so daß sich das Anfügen eines Ergänzungskörpers für das Einsetzen in
die Nut des Schaufelträgers erübrigt. Um eine gute Verbindung zwischen dem Ergänzungskörper
und dem Schaufelfuß zu gewährleisten, ist es möglich, an der Berührungsfläche zwischen
beiden rillenartige Vertiefungen vorzusehen, die entweder spanabhebend oder spanlos
hergestellt werden können. Auch ist es möglich, die Schaufeln bzw. Ergänzungskörper
aus verschieden harten Werkstoffen herzustellen und mit dem Stück, das die größere
Härte besitzt, die Rillen in die gegenüberliegende Fläche einzudrücken. Dieses Verfahren
ist beispielsweise anwendbar, wenn die Schaufel aus Leichtmetall und der Ergänzungskörper
aus Stahl bestehen soll, oder umgekehrt. Es kann auch angewendet werden, wenn gleichartige
Werkstoffe in verschiedenem Vergütungszustand bzw. mit verschiedener Härte verwendet
werden.
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In F i g. 7 ist ein solcher mit Rillen 12 versehener Schaufelfuß
13 dargestellt, wobei entsprechende Erhebungen eines Ergänzungskörpers 14 in diese
Rillen eingreifen. Bei spanabhebender Bearbeitung können die Rillen gegebenenfalls
auch durch wellenförmige Querbewegung des das Schaufelblatt und den Schaufelfuß
bearbeitenden Profilfräsers erzeugt werden.
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Bei sehr schlanken Profilen und bei sehr großer Schaufelbreite bereitet
es häufig Schwierigkeiten, das Schaufelprofil mit einem Fräser, der der vollen
Schaufelbreite
entspricht, in einem Arbeitsgang herzustellen. In diesem Falle kann man das Schaufelprofil
mit Einzelfräsern, die jeweils nur einen Teil des Profils umfassen, in mehreren
aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen herstellen. Um die Herstellung der genauen Profilform
zu gewährleisten, können bei den nachfolgenden Fräsvorgängen neben dem Fräser leer
laufende Druckrollen vorgesehen werden, die eine der Profilform der bereits gefrästen
Teile der. Schaufel entsprechende Form aufweisen und dadurch den Fräser durch Laufen
auf den bereits gefrästen Teilen führen. Es ist besonders vorteilhaft, zunächst
in zwei gleichzeitigen Fräsvorgängen sowohl die Eintrittspartie wie die Austrittspartie
der Schaufel zu fräsen und erst zuletzt den in der Mitte der Saug- bzw. Druckseite
befindlichen Teil des Umrisses des Schaufelblattprofils zu fräsen.
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Sofern die Herstellung des Profils in aufeinanderfolgenden Fräsvorgängen
erfolgt und Leerrollen mitlaufen, kann es zweckmäßig sein, damit eine Beschädigung
des Profils durch Frässpäne vermieden wird, die möglicherweise zwischen die Druckrollen
und das Schaufelprofil hineingeraten, zwischen dem Fräser und den Leerrollen eine
Abdeckung aus Gummi vorzusehen, deren Durchmesser etwas größer als das Profil von
Fräser und Leerrollen sein kann. Der Fertigfräser wird zweckmäßigerweise etwas breiter
sein als die noch wegzufräsende Zone.
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Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von dünnwandigen Profilen
besteht darin, diese auf eine Unterlage aufzulegen und Saug- und Druckseite nacheinander
zu fräsen. Wenn eine Profilseite bereits fertig gefräst ist; so muß sie auf einer
mit der gleichen Verwindung ausgeführten Unterlage zur Auflage kommen, die zweckmäßig
bei gleicher Maschineneinstellung vorgenommen wird, in der das Fräsen des Schaufelprofils
zur Ausführung kommt. Die Unterlage ist während des Fräsvorganges nach Maßgabe der
gewünschten Schaufelverwindung zu verdrehen.