DE3211777A1

DE3211777A1 - Verfahren zur herstellung einer turbinenschaufel

Info

Publication number: DE3211777A1
Application number: DE19823211777
Authority: DE
Inventors: Alec George Belper Derby Dodd
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-04-01
Filing date: 1982-03-30
Publication date: 1982-10-14
Also published as: GB2095589B; GB2095589A; FR2503006A1; JPS57178622A

Description

Beschreibung :

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk .

Aus der GB-PS 12 24 521 ist es bekannt, eine solche Schaufel aus zwei Hälften zusammenzusetzen, die metallurgisch miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren besitzt eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem herkömmlichen Gießverfahren mit verlorenem Kern, mit welchem die Schaufel einstückig hergestellt werden kann. Einer der Vorteile des zweistückigen Aufbaus besteht darin, daß keine Keramikkerne erforderlich sind, so daß die Schwierigkeit bei der Bestimmung und überprüfung der Wandstärke und der Kanalweite innerhalb der Schaufel entfällt.

Obgleich dieses Spaltschaufel verfahren als vorteilhaft bekannt ist hat es sich als schwierig erwiesen, dieses Verfahren in der Praxis durchzusetzen. Die Hauptschwierigkeit besteht darin zu gewährleisten, daß die Verbindung zwischen den beiden Hälften genügend fest ist, was wiederum davon abhängt, ob die Verbindungsoberflächen genügend genau komplementär geformt sind, um eine Diffusionsverlötung oder eine ähnliche Technik anwenden zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem in einer Stufe die Schaufelhälften nit genau komplementären Paßoberflächen ausgerüstet

werden können .

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk bei welchem zwei Schaufelhälften getrennt hergestellt und später metallurgisch verbunden werden. Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die eine Schaufel als Elektrode in einem Funkenerosionsverfahren benutzt wird, um eine Paßfläche der anderen Schaufelhälfte zu formen, worauf die beiden Hälften an ihren Paßflächen metallurgisch verbunden werden.

Es kann unter gewissen Umständen notwendig sein, die Paßflächen zu reinigen bevor eine Verbindung erfolgen kann.

Die Erfindung ist insbesondere geeignet für die Herstellung gekühlter Schaufeln, die Hohlräume oder Kanäle innerhalb des Schaufelblattes aufweisen, und in diesem Fall ist das Schaufelblatt vorzugsweise längs einer mittleren Sehnenlinie geteilt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen

Figur 1 bis 6 verschiedene Verfahrensschritte

bei der Herstellung der Schaufel,

Figur 7 eine Teilansicht der fertigen, durch

das Verfahren nach Figur 1 bis 6 hergestellten Schaufel.

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine geteilte Form, die zwei Teile 1Q und 11 aufweist. Zwischen diesen Formteilen 10 und 11 ist ein Hohlraum 12 definiert, der die Gestalt einer Schaufelhälfte besitzt, die hergestellt werden soll. In den Hohlraum 12 wird über den Einfüllkanal 13 geschmolzenes Wachs eingespritzt, um den Hohlraum auszufüllen, und dann läßt man das Wachs erstarren. Dann werden die Formhälften 10 und 11 getrennt, um das Wachsmodell 14 freizugeben.

Das Modell 14 ist in Figur 2 perspektivisch dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß die Gestalt des Modells die Hälfte einer vollständigen Schaufel umfaßt und die Teilung zwischen den beiden Hälften verläuft etwa in der mittleren Sehnenlinie der Schaufel. Diese Teilungsebene ist keine ebene Oberfläche oder eine regelmäßig gekrümmte Oberfläche, sondern sie besteht aus einem annähernd ebenen Abschnitt im Bereich des Schaufelfußes 15 und des Schaufelschaftes 16, und die ebene Oberfläche geht glatt in eine Oberfläche in der mittleren Sehnenlinie im Bereich der Plattform 17 über, und diese Form der mittleren Sehnenlinie bleibt über das Schaufelblatt 18 erhalten.

Da das Schaufelblatt unter dem mittleren Sehnenbereich aufgespalten ist, liegt der komplexe innere Aufbau des Schaufelblattes, der erforderlich ist um eine Kühlung herbeizuführen, frei und ist sichtbar, so daß die Formgebung erfolgen kann, ohne daß es notwendig wäre, zu-

rückspringende Hohlräume oder getrennte Kerne anzuwenden.

Das so hergestellte Wachsmodell 14 wird mit einer Keramikumhüllung 19 versehen, wie dies aus Figur 3 ersichtlich ist. Diese Umhüllung wird durch ein sich wiederholendes Verfahren hergestellt, indem das Modell in einen Keramikschlamm eingetaucht wird, und danach läßt man das Keramikmaterial trocknen, damit es an dem eingetauchten Modell anhaftet und es kann die getrocknete Umhüllung dann wiederum eingetaucht oder berieselt werden. Diese so hergestellte Form aus Keramikmaterial kann dann zum Gießen der Schaufel benutzt werden, wobei das geschmolzene Metall eingeleitet wird, wodurch das Wachsmodell herausgeschmolzen wird.

Nachdem das Metall erstarrt ist, kann die Keramikumhüllung durch ein mechanisches Ausputzen oder ein ähnliches Verfahren entfernt werden. Die so hergestellte Formhälfte ist in Figur 4 mit 20 bezeichnet. Die andere Hälfte 21 der Schaufel wurde durch ein gleiches Verfahren hergestellt, welches nicht im einzelnen dargestellt ist.

Wenn es erforderlich ist, eine weitere Bearbeitung der inneren Formen des Schaufelblattes 18 vorzunehmen, dann kann dies nunmehr geschehen, da das Innere sichtbar ist und eine etwa erforderliche Bearbeitung erfolgen kann. Die beiden Hälften 20 und 21 sind so gestaltet, daß ihre Paßflächen 22 und 23 so gut als möglich komplementär aufeinander abgestimmt sind und passen. Das Gieß-

verfahren mit verlorenem Wachsmodell ist jedoch nicht so genau, daß die Möglichkeit geschaffen würde, eine Anpassung mit einem extrem hohen Genauigkeitsgrad vorzunehmen, der erforderlich ist um eine zufriedenstellende Verbindung wiederholbar herzustellen.

Daher werden gemäß vorliegender Erfindung die beiden Schaufelhälften 20 und 21 in einer Funkenerosionsmaschine als Anode bzw. Kathode eingebaut, wobei ihre Paßoberflächen 22 und 23 aufeinander hin gerichtet sind.

Figur 5 veranschaulicht, wie die Hälfte 21 in einem ortsfesten Rahmen 24 angeordnet und elektrisch mit dem Ausgang einer Spannungsquelle 25 verbunden ist, während die andere Hälfte 20 in einem beweglichen Rahmen 26 eingebaut und elektrisch mit der anderen Ausgangsklemme der Spannungsquelle 25 verbunden ist. Die Anordnung ist derart, daß die Oberflächen 22 und 23 gegeneinander gerichtet sind, wobei jedoch ein kleiner Spalt dazwischen verbleibt, und die Bewegung des Rahmens 26 und demgemäß die Bewegung der Schaufelhälfte 20 wird durch eine Steuereinheit 27 eingestellt, die über einen Servomotor 28 die Schaufelhälften aufeinander zu bewegt.

Im Betrieb wird ein flüssiges Dielektrikum durch eine Pumpe 28 über eine Düse 29 in den Spalt zwischen die Oberfläche 22 und 23 gepumpt, um den Spalt auszufüllen. Die Flüssigkeit gelangt dann in eine Sammel-

wanne 30, um durch die Pumpe 28 zurückgeführt zu werden. Die Spannungsquelle 25 liefert Impulse mit hohem Spannungspotential, die an die beiden Hälften 20, 21 angelegt werden. Der Stellmotor 28 bewegt die Hälfte 20 nach unten, damit sie dichter an die andere Hälfte 21 herankommt. Der Spalt zwischen den Oberflächen 22 und 23 wird dadurch geringer, bis ein Lichtbogen bzw. eine Funkenentladung zwischen den Oberflächen auftritt, wodurch die Oberfläche 23 abgetragen wird. Das Steuersystem 27 bewirkt dann ein Anhalten oder eine Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit der Hälfte 20, um die Geschwindigkeit an die Abtragungsgeschwindigkeit anzupassen, mit der die Hälfte 21 erodiert wird.

Die Funkenerosionsbearbeitung tritt selektiv über die Oberflächen 22 und 23 auf, und anfänglich findet sie nur dort statt, wo der Spalt am kleinsten ist. Durch die Bearbeitungswirkung wird dieser Spalt im Verhältnis zur Spaltbreite an den übrigen Teilen der Oberflächen vergrößert, und auf diese Weise führt die Bearbeitung schließlich zu einem Spalt mit einer sehr genauen konstanten Dicke. Dies führt natürlich dazu, daß die bearbeiteten Oberflächen 22 und 23 sehr genau komplementär zueinander ausgebildet sind und dies ist im Sinne einer guten Verbindung zwischen den beiden Schaufelhälften anzustreben.

Es ist zweckmäßig aber nicht notwendig, daß die Entladungen während dieses Verfahrens umgepolt werden, um eine etwa gleiche Metallabtragung von jeder Hälfte

zu bewirken, um das an der Verbindungslinie benötigte Gußmaterial zu vermindern und auszugleichen.

Nachdem die Bearbeitung der Schaufelhälften diese Stufe erreicht hat, können die Hälften aus der Funkenerosionsmaschine entnommen und die Paßflächen 22 und 23 falls erforderlich, gereinigt werden. Dann können die beiden Hälften durch ein Hartlötverfahren oder ein Diffusionslötverfahren verbunden werden, wie diese beispielsweise in der GB-PS 12 24 521 beschrieben sind. Bei diesem Verfahren werden die Hälften zusammengedrückt, wobei eine dünne Folie aus Lötlegierung zwischen den Paßflächen 22 und 23.eingeklemmt wird. Die Lötlegierung kann eine von einer Anzahl Alternativen aufweisen, aber normalerweise ist die Legierung in ihrer Zusammensetzung ähnlich wie die beiden Schaufelhälften, wobei gewisse Zusätze vorhanden sind, die den Schmelzpunkt herabsetzen, beispielsweise Bor oder Si 1icium.

Der so gebildete Schichtenkörper wird dann auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Lötfolie schmilzt während das Material der Schaufeln festbleibt. Das geschmolzene Lötmaterial dringt in das benachbarte Material der Schaufeln ein und erniedrigt dabei den Schmelzpunkt unter den des Schaufelmaterials, wodurch eine örtliche Anschmelzung erfolgt und die Legierung in die beiden Hälften eindringt. Wenn diese hohe Temperatur längere Zeit aufrecht erhalten wird, dann können die den Schmelzpunkt erniedrigenden Legierungsbestandteile in das Schaufelmaterial eindringen, wo-

durch die Zwischenfläche erstarrt und eine Verbindung geschaffen wird, deren Festigkeit wenigstens so groß ist wie die Festigkeit des Schaufelmaterials.

Natürlich wäre es möglich auch andere Verbindungsverfahren anzuwenden. Aber alle diese Verfahren setzen das Vorhandensein komplementär gestalteter Berührungsflächen voraus,und diese werden durch das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet.

Figur 6 veranschaulicht die fertige Schaufel in einem Querschnitt, woraus ersichtlich ist, wie die ausgenommenen Teile der beiden Hälften zusammen Kühlluftkanäle bilden. In Figur 7 ist ein Abschnitt der Verbindung zwischen den beiden Hälften in größerem Maßstab dargestellt, woraus ersichtlich ist, daß durch Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Notwendigkeit besteht, daß die beiden Paßoberflächen 22 und 23 eine bestimmte vorgegebene Gestalt haben müssen. Gemäß dem dargestellten Abschnitt hat der Vorsprung 31 in der Oberfläche 22 eine komplementäre Vertiefung bei 32 in der Oberfläche 23 erzeugt. Obgleich die Verbindungsflächen von der ebenen Sollform abweichen, besteht dennoch eine genaue komplementäre Übereinstimmung, wodurch die Paßgenauigkeit gewährleistet ist.

Es können auch noch andere Verfahren zur Herstellung der Schaufelhälften herangezogen werden, und die beiden Schaufelhälften können auf andere Weise bearbeitet werden unter der Voraussetzung, daß die Paß-

flächen nach der Erfindung in eine entsprechende komplementäre Form gebracht wurden. So kann es zweckmäßig sein, Spritzgußformen zu benutzen, bei denen beim Guß der Schaufelhälften ein verlorenes Wachsmodell ausgeschmolzen wird. Stattdessen können die Schaufelhälften auch spanabhebend bearbeitet werden oder geschmiedet sein.

Leerseite

Claims

Patentanwälte:-..-" - :..-"-..*- " :. - .:Dipl.-lng. Curt Wallach Europäische Patentvertreter Dipl.-Ing. GüntherKoch

European Patent Attorneys Dipl.-PhyS. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

_Datum: 30. März 1982

Rolls-Royce Limited Unser Zeichen: ^{17 410} -

Buckingham Gate
London SW1E 6AT
England

Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel

Patentansprüche:

Verfahren zur Herstellung einer Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk, bei welchem zwei Schaufelhälften zunächst getrennt hergestellt und dann metallurgisch miteinander verbunden werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Paßflächen (22,23) ,mit denen die beiden Hälften (20,21) miteinander verbunden werden, dadurch ihre komplementäre Form erhalten, daß eine Schaufelhälfte (20,21) in einem Funkenerosionsverfahren benützt wird, um die Paßfläche an der anderen Hälfte zu bearbeiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Paßflächen (22,23) nach der Bearbeitung gereinigt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der Funkenerosionsbearbeitung während des Bearbeitungs· Verfahrens umgekehrt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hälften (20,21) metallurgisch durch ein Diffusionslötverfahren verbunden werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß während des Diffusionsverfahrens eine Lötfolie zwischen die beiden Hälften (20,21) gefügt wird, daß die beiden Hälften in Berührung mit der Folie gegeneinander gepreßt werden, und daß sie auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt der Folie, aber unter dem Schmelzpunkt des Grundmetalls so lange erhitzt werden bis die Folie geschmolzen ist und bis das Metall der Folie in das Metall der Schaufelhälften hineindiffundiert ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel eine gekühlte Schaufel ist, die Hohlräume und/oder Kanäle innerhalb des Schaufelblattes aufweist, und daß die Schaufelhälften (20,21) so geformt sind, daß die Teilung längs der mittleren Sehnenlinie des Schaufelblattes erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel eine Rotorschaufel ist, und daß die Hälften im Schaufelblattt längs der mittleren Sehnenlinie geteilt sind, während im Schaufelfuß und im Schaufelschaft die Trennung in einer Mittelebene erfolgt.