DE2558436A1

DE2558436A1 - Radialschaufel fuer einen turborotor und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2558436A1
Application number: DE19752558436
Authority: DE
Inventors: Georg Kandler; Alois Kauf; Fritz Nustede; Axel Rossmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1975-12-23
Publication date: 1977-07-07
Also published as: US4116149A; FR2336549B1; GB1572405A; FR2336549A1; DE2558436C2

Description

MOTOEEN- UlCD TURBINEN-üNION 2 5 58 A 36

MÜNCHEN GMBH.

München, den 19· Dezember 1975

Radialschaufel für einen Turborotor und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus einer Blechplatine hergestellte Radialschaufel mit T-Fuß für einen Turborotor sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung.

Die Herstellung von Radialrädern für Turbomaschinen in Blechkonstruktion wird bereits seit langem versucht. Eine Serienreife konnte gedoch bislang zumindest für Schnell-Läufer deshalb nicht erzielt werden, weil eine sichere Befestigung der Schaufeln auf der Blechschale (Nabe) nicht möglich gewesen ist. Die Erfindung zwischen Blechschaufel und Blechschale erfordert neben hoher Festigkeit des Materials auch eine optimale Krafteinleitung, d.h. eine Ausbildung der Verbindung selbst, die eine möglichst geringe Kerbwirkung verursacht. Dies ist jedoch bei den bislang angewendeten Schweiß- und Lötverfahren nicht zu erreichen. Bisher wurden Blechschaufeln z.B. an ihrer unveränderten Stirnkante mit der Schale verbunden, wodurch beim Schweißen entweder unzulässige IOrmkerben und/oder

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im Schweißnahtübergang Gefügekerben auftraten. Ein Umknicken des Schaufelrandes zu einer L-Form und die Verbindung dieses parallel zur Schale gerichteten L-Schenkels mit der Schale führt bei hohen Fliehbeanspruchungen zu Biegemomenten, die die Verbindungsnaht, sei es eine Schweiß- oder eine Lötnaht auf schälen. Der gleiche Effekt stellt sich auch dann ein, wenn an den L-förmig umgebogenen Schaufelrand noch ein Blechwinkel ange- . bracht wird, so daß ein T-Fuß entsteht. Auch hier ergeben sich durch die nicht vermeidbaren Außenradien der beiden L-förmig nach außen gebogenen Blechteile Biegemomente und Schälspannungen auf die Verbindungsnähte.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine aus einer Blechplatine hergestellte Radialschaufel zu schaffen, die eine extrem hohen Beanspruchungen gewachsene Verbindung mit der Rotorschale zuläßt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, daß bei einer gattungsgemäßen Radialschaufel der T-Fuß durch Massivumformung des Platinenrandes entstanden ist.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung läßt sich ein ebener Schaufelfuß erzielen, der für eine Verbindung mit der Laufradschale, sei es durch Löten, durch Schweißen oder aber auch durch Sprengschweißen die bestmögliche Ausgangsbasis darstellt, indem er einen breiten Verb indungs quer schnitt ohne Kerbspannungsstellen zuläßt.

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Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Radialschaufel und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Platine mit einer solchen Randkontur versehen wird, die zu der endgültigen Schaufelfußkontur geometrisch ähnlich, jedoch um einen Saum größer ist und danach durch Massivumformung des Saums ein T-Profil mit der Bandkontur des Schaufelfußes erzeugt wird. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird nicht nur ein für die Verbindung mit einer Laufradschale bestens geeignete Fußkontur an einer Schaufel geschaffen, sondern es wird gleichzeitig durch die Massivumformung ein optimaler Faserverlauf im Schaufelwerkstoff und damit eine maximale Festigkeit der Schaufel selbst erreicht.

In weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen nach dem Umformen des Platinenrandes in einen T-Profilrand mehrere Schaufeln aus der Platine ausgestanzt bzw. geschnitten werden. Durch dieses Verfahren wiii.d eine rationelle Herstellung von im allgemeinen in großer Stückzahl benötigter Radialschaufeln erzielt. Es ist lediglich darauf zu achten, daß der Platinenrand eine solche Kontur aufweist, wie sie mehrere nebeneinander bzw. hintereinander gelegte Einzelschaufeln mit ihren Schaufelfüßen bilden.

Da die Rotorschalen, auf denen die Radialschaufeln befestigt werden sollen, zumeist Ausschnitte aus einem Ereistorus

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bilden, -wird in weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, daß die Platine Kreisform aufweist. Bei einer solchen Platine läßt sich in einfachster Weise ein T-Profil mit einer ebenfalls kreisförmigen Randkontur erzeugen, so daß dann aus der mit dem T-Profil versehenen Platine soviele Radialschaufeln herausstanzbar bzw. herausschneidbar sind, wie Schaufelfußlängen im Umfang der Platine Platz haben.

In weiterer Ausbildung der Erfindung sollen zur Herstellung solcher Schaufeln, deren Schaufelfußkrümmung nicht konstant ist, d.h. die nicht für eine Befestigung auf einer Laufradschale gedacht sind, die Teil eines Kreistorus ist, Platinen verwendet werden, die über ihrem Umfang unterschiedliche Krümmungen aufweisen. Auf diese V/eise ist es möglich, auch solche Schaufeln mit nichtkonstanter Fußkrümmung in größerer Anzahl aus einer Platine herauszuschneiden.

Da wegen des besseren Wirkungsgrades von Radialläufern mit räumlich gekrümmten Schaufeln solche zumindest in einer Richtung gebogene Radialschaufeln bevorzugt werden, wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Platine vor der Anformung des T-Profilrandes räumlich gekrümmt wird. Durch diesen Verfahrensschritt ist es möglich,

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nach der Anformung des T-Profilrandes fertige räumlich gekrümmte Eadialschaufeln auszuschneiden.

Die Breite der T-Profilseite soll nach einem weiteren Merkmal der Erfindung etwa das 6-fache der Platinenstärke sein, eine Breite, die einerseits eine ausreichende Basis für die Verbindung mit der Schale bildet, andererseits was den Umformungsgrad anlangt noch ohne großen Herstellungsaufwand erzielbar ist.

Zur Erzielung eines besonders gleichmäßigen T-Profils wird vorgeschlagen, daß die Kassivumformung durch Walzen erfolgt. Es hat sich gezeigt, daß für diese Umformungsart bei genau auf der Hotationsach.se senkrecht gerichteter Zustellung der Arbeitswalze nur wenige Umläufe benötigt werden, um den überstehenden Saum einer Platine in eine T-Form zu walzen.

Da für hochfeste Werkstoffe, wie sie für Turboschaufeln Anwendung finden, im allgemeinen nur ein Warmwalzen infrage kommt wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Erhitzung des Platinensaums auf Walztemperatur mittels Stromdurchgang erfolgt. Dieses elektrische Erhitzungsverfahren hat den Vorteil, daß die Wärmezufuhr lokal sehr genau steuerbar ist, und daß darüber hinaus Verunreinigung oder Verschmutzung der erhitzten Bereiche vermieden wird, was im vorliegenden Fall für Turbinenschaufeln besonders wichtig ist, da einerseits

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eine Nacharbeit nur in sehr begrenztem Umfang zulässig ist, andererseits im Turbomaschinenbau besonders hohe Anforderungen an Oberflächengüte und Sauberkeit gestellt werden müssen.

In v/eiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Platine zur Massivumformung des Randes in Formbacken eingespannt wird, deren Umfangskontur der gewünschten Platinenrandkontur entspricht und deren Kanten mit einem Radius etwa gleich der Platinenstärke abgerundet sind. Durch diese Aufspannung der Platine zwischen Formbacken kann das gewünschte Randprofil der Platine in einem Arbeitsgang, d.h. mit einer einzigen Aufspannung fertig gewalzt werden. In weiterer Ausbildung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß die Formbacken gleichzeitig Elektroden zur Heizstromführung sind, was insofern von Vorteil ist, als durch die sehr hohen Spanndrücke die für die Massivumformung der Platine ohnehin gebraucht werden ein guter Stromübergang zwischen den Spannbacken und der Platine gegeben ist und als gleichzeitig die Stromzuführung durch die Formbacken in unmittelbarer Nähe der umzuformenden Materialpartien erfolgt.

Schließlich wird vorgeschlagen, daß die Formbacken gleichzeitig gekühlt werden, damit die durch Wärmeleitung vom erhitzten Platinensaum zugeführte Wärme und die durch den Stromdurchgang entstehende Wärme wieder abgeführt werden kann und

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somit eine Beeinträchtigung der Festigkeit der Formbacken ausgeschlossen ist.

Die Formbacken seihst sollen nach einem weiteren Merkmal der Erfindung aus einer Wolfram-Kupfer-Legierung "bestehen, wohei der Wolframanteil im Bereich von 85 %, der Kupferanteil im Bereich von 15 % liegen soll, wodurch eine hohe Warmfestigkeit der Formbacken erzielt wird.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die als Werkzeug dienende Walze gleichzeitig die zweite Elektrode zur Heizstromführung ist, was insofern von Vorteil ist, als durch den hohen Anpreßdruck dieser Walze am Platinenrand ein guter Stromübergang zwischen Elektrode und Werkstück erzielbar ist. Schließlich soll auch diese Walze gekühlt sein, um ihre Festigkeit in keiner Weise zu gefährden.

Die Drehzahl der zwischen die Formhacken gespannten Platine und die Drehzahl der Walze sollen in weiterer Ausbildung der Erfindung getrennt regelbar sein..

Schließlich wird vorgeschlagen, daß nach dem aufgezeigten Verfahren vorzugsweise Blechplatinen aus einem Metall hoher Festigkeit z.B. aus einer Titanlegierung verarbeitet werden, d.h. solche Materialien, die für hochbeanspruchte Turbinenschaufeln infrage kommen, und die mit bisher bekannten

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Technologien nicht in Formben bringbar sind, wie sie für Turboschaufein gebracht werden.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine zwischen Formbacken aufgespannte Blechplatine vor der Massivumformung,

Fig. 2 die Platine in der gleichen Aufspannung nach Beendigung des Walζvorganges,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine ebene Platine, deren Rand bereits in T-Form gebracht ist,

Fig. 4 die Drausicht auf eine auf einer Platine mit

T-Profil-Rand ausgeschnittenen Radialturbinenschaufel und

Fig. 5 cLen Schnitt durch eine räumlich gekrümmte Platine, die ebenfalls bereits mit einem T-Profilrand versehen ist.

In Fig. 1 ist eine ebene Blechplatine mit 1 bezeichnet. Diese ist zwischen zwei kreisrxngförmigen Formbacken 2, $ so eingespannt, daß ein Saum mit dem Maß s über die Formbacken 2, 3

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nach, außen herausstellt. Die Formbacken 2, 3 sind an ihren an der Platine 1 anliegenden Außenkanten mit einem Radius versehen, der etwa gleich der Platinenstärke ist. Eine Walze 4-, deren Zustellrichtung Z genau senkrecht zur Drehachse 5 der Formbacken 2, 3 gerichtet ist, ist soweit zugestellt, daß sie gerade die Platine 1 an der Außenkante des Saumes s berührt .

In Fig. 2 ist die Massivumformung des Saumes s zu einem T-Profilrand der Platine 1 "bereits erfolgt. Der Außendurchmesser der nunmehr mit einem T-Profilrand versehenen Platine 1 ist mit d bezeichnet. Die Umformung ist dabei so vor sich gegangen, daß sich sowohl die Platine 1, die zwischen den Formbacken 2 und 3 eingespannt ist, um die Drehachse 5 dreht und gleichzeitig sich die Walze 4 dreht und dabei in Richtung auf die Drehachse 5 zugestellt wird.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine ganze Platine dargestellt, die wiederum mit 1 bezeichnet ist. Dabei handelt es sich um eine ebene Platine entsprechend den Fig. 1 und 2, bei der der T-Profilrand bereits angeformt ist. Die Breite b des T-Profilrandes beträgt etwa das 6-fache der Platinenstärke. Wie auch in den Fig. 1 und 2 angedeutet, hat die Platine 1 Ringform, wobei im Ring mehrere Bohrungen Ίο vorgesehen sind, die ein Durchstecken von Spannbolzen erlauben, mit denen die Formbacken 2, 3 mit Hilfe von nicht dargestellten Spannglocken zusammengespannt werden können.

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In Fig. 4- ist eine fertig aus einer umgeformten Platine ausgeschnittene Radialschaufel 8 in Draufsicht dargestellt. Der T-förmige Schaufelfuß 7 hat dabei eine Randkontur, die einem Kreisabschnitt entspricht und es ist mit strichpunktierten Linien die Kontur der Platine 1 angedeutet, aus der die Radialschaufel 8 ausgeschnitten wurde. Aus dieser Darstellung ist erkennbar, daß mehrere Radialschaufeln 8 aus einer Platine 1 herausschneidbar bzw. stanzbar sind.

Die in Fig. 5 dargestellte räumlich gekrümmte Platine ist wieder mit 1 bezeichnet. Die Breite b des T-Profilrandes dieser Platine, soll wie auch bei den ebenen Platinen gemäß Fig. 1 und 2 etwa das 6-fache der Platinendicke betragen. Die Herstellung dieser in Fig. 3 gezeigten räumlich gekrümmten Platine erfolgte in der Weise, daß die räumliche Krümmung vor dem Umformen des T-Profilrandes erfolgt ist, d.h. die Aufspannung zwischen Formbacken bereits in der räumlich gekrümmten Form erfolgt, wobei dann die Walzbewegung der Formbacken bei der Erzeugung des T-Profilrandes eine Taumelbewegung sein muß.

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Patentansprüche

1. Aus einer Blechplatine hergestellte Radialschaufel mit jD-Puß für einen Turborotor, dadurch gekennzeichnet, daß der T-Fuß durch Massivumformung des Platinenrandes entstanden ist.

2. Verfahren zur Herstellung einer Radialschaufel für einen Turborotor aus einer Blechplatine, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine (1) mit einer solchen Randkontur versehen wird, die zu der endgültigen Schaufelfußkontur geometrisch ähnlich, jedoch um einen Saum (5) größer ist und danach durch Massivumformung des Saums ein T-Profil mit der Randkontur des Schaufelfußes erzeugt wird.

$. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Umformen des Platinenrandes in einen T-Profilrand mehrere Schaufeln (8) aus der Platine (1) ausgestanzt bzw. geschnitten werden.

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4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gezeichnet, daß die Platine Kreisform aufweist.

5. Verfahren nach. Anspruch 2 oder Anspruch 3> .dadurch gekennzeichnet, daß die Platine über ihrem Umfang unterschiedliche Krümmungen aufweist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4 oder Anspruch 1, Anspruch 2 und Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine vor der Anformung des T-Profilrandes räumlich gekrümmt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (6) der T-Profilseite etwa das 6-fache der Platinenstärke ist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausformen des T-Profilrandes durch Walzen erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Saums auf Walztemperatur mittels Stromdurchgang erfolgt.

1o. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine zur Massiv-

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umformung des Eandes in Formbacken (2, 3) eingespannt wird, deren Umfangskontur der gewünschten Platinenrandkontur entspricht und deren Kanten mit einem Radius etwa gleich der Platinenstärke abgerundet sind.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formbacken gleichzeitig Elektroden zur Heizstromführung sind.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formbacken gekühlt werden.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formbacken aus einer Wolfram-Kupfer-Legierung bestehen.

-, Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die als Werkzeug dienende Walze (4) gleichzeitig die zweite Elektrode zur Heizstromführung ist.

15· Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (4) gekühlt ist. -

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16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der zwischen die lOrmbacken (2, 3) gespannten Platine und die Drehzahl der Walze (4-) getrennt regerbar sind.

17· Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise Blechplatinen aus einem Metall hoher Festigkeit, insbesondere aus einer Titanlegierung verarbeitet werden.

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