DE4335530A1 - Verfahren zum Verbinden einer Schaufel mit der Radscheibe eines Schaufelrads durch lineares Reibschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Schaufel mit einer Radscheibe zur Herstellung von Verdichter- und Turbinenschaufelräder von Gasturbinentriebwerken.

Bei einem typischen Gasturbinentriebwerk der Axialströmungs­ bauart ist eine Anzahl von Verdichter- und Turbinenschaufel­ räder vorhanden, die jeweils einen Kranz von am Umfang einer Radscheibe befestigten Schaufeln mit Tragflügelform aufwei­ sen. Die Schaufeln können in verschiedenartiger Weise an den Radscheiben befestigt sein, beispielsweise durch Ausbildung der Schaufelfüße als Tannenbaumfüße und Einpressen derselben in entsprechende Schlitze, die im Radscheibenumfang eingear­ beitet sind. Bei den bekannten Befestigungsarten der Schaufeln an den Radscheiben sind die Schaufelfüße mit einer besonderen Konfiguration ausgebildet und die Befestigung der Schaufeln an der Radscheibe erfolgt dadurch im wesentlichen mechanisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von Schaufeln mit Radscheiben von Verdichter- und Turbinenschaufelrädern mit Hilfe einer Schweißung zu schaffen und damit die Notwendigkeit einer besonders konfigurierten und herstellungstechnisch teuren Bearbeitung der Schaufelfüße und der entsprechenden Einarbeitung von Schlitzen in den Rad­ scheibenumfang zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im An­ spruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Die Schaufel kann eine Turbinenschaufel oder eine Verdichter­ schaufel sein, und zur Herstellung eines Schaufelrads wird eine Mehrzahl solcher Schaufeln mit gleichen Umfangsabständen am Umfang der Radscheibe befestigt.

Vorzugsweise ist die Schaufel mit inneren Kühlkanälen ver­ sehen, und mit diesen kann durch Herstellen einer Bohrung in Radscheibe eine Verbindung hergestellt werden.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verdichter- oder Tur­ binenschaufelrad, dessen Schaufeln mittels des erfindungsge­ mäßen Verfahrens mit der Radscheibe verbunden worden sind.

Durch oszillierende Bewegung der jeweiligen Schaufel relativ zur Radscheibe und gleichzeitiges Zusammenpressen von Schaufeln und Radscheibe ergeben sich bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren gewisse Ähnlichkeiten mit den bekannten Reib­ schweiß- und Trägheitsschweißverfahren.

Beim Reibschweißen wird die Verschweißung durch Reibungswärme erreicht, die durch Drehen des einen Teils mit Bezug auf das andere Teil unter gesteuertem Axialdruck erzeugt wird. Die beiden miteinander in Berührung stehenden Flächen werden auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher das angrenzende Material plastisch wird. Die Relativbewegung zwischen den beiden Teilen wird dann beendet und die Schaufel in ihre ursprüng­ liche Position zurückbewegt, und es wird ein Preßdruck ausge­ übt, der die Verbindung schwach staucht. Dieser Druck kann gleich oder größer als der bei der Erwärmung herrschende Druck sein, wobei die Größe des Druckes von der Art des ver­ schweißten Werkstoffs abhängt.

Das Trägheitsschweißen verläuft geringfügig anders. Die Dreh­ spindel mit einem daran angebrachten austauschbaren Schwung­ rad wird zunächst auf eine vorgegebene Anfangsdrehzahl ge­ bracht. Der Schweißvorgang beginnt, wenn das nicht drehende Teil gegen das drehende Teil gedrückt wird, wobei der Dreh­ antrieb jedoch gleichzeitig abgeschaltet wird, was zu einem schnellen Abfall der Drehzahl führt, und die Drehung hört in sehr kurzer Zeit vollständig auf. Beim Trägheitsschweißen finden Erhitzungs- und Preßphase ziemlich schnell im wesent­ lichen gleichzeitig statt, wobei die gesamte gespeicherte Energie an der Grenzfläche innerhalb eines kurzen Augenblicks praktisch verbraucht wird. Auf der anderen Seite findet beim Reibschweißen gewöhnlich eine gesonderte Erhitzungsperiode vor der Preßperiode statt.

Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung erfordert der Schweißvorgang eine oszillierende Relativbewegung der beiden miteinander zu verbindenden Teile zueinander, jedoch keine relative Drehbewegung, wie diese beim Reibschweißen und Trägheitsschweißen angewendet wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die an­ liegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen be­ schrieben, in welchen zeigt:

Fig. 1 eine typische bekannte Turbinen­ schaufel mit Tannenbaumfuß,

Fig. 2 eine Turbinenschaufel mit einem Keilfuß, wie er bei der vor­ liegenden Erfindung angewendet wird,

Fig. 3 den Keilfuß der Turbinenschaufel nach Fig. 2 eingesetzt in einen Schlitz einer Turbinenscheibe, und

Fig. 4 ein Turbinenschaufelrad in be­ triebsfertigem Zustand.

Gemäß Fig. 1 der Zeichnungen weist die bekannte Turbinen­ schaufel 1 einen tragflügelförmigen Schaufelblatteil 2 auf, der einteilig mit einem Tannenbaumfuß 3 ausgebildet ist. Der Schaufelfuß weist eine Reihe von axial verlaufenden Zahnun­ gen 4 auf, die sehr genaue Bearbeitung erfordern, um sicherzu­ stellen, daß die auf die Schaufel wirkende Belastung im Be­ trieb von allen Zahnungen mitgetragen wird. Der Schlitz im Umfang der Radscheibe zur Aufnahme des Tannenbaumfußes 3 er­ fordert in gleicher Weise eine genaue Bearbeitung.

Fig. 2 zeigt eine Turbinenschaufel 6, wie sie gemäß der vor­ liegenden Erfindung eingesetzt wird und die beispielsweise aus einer Nickelbasislegierung hergestellt ist. Die Schaufel weist ein tragflügelförmiges Schaufelblatt 7 auf, das in jeder Hinsicht mit dem Schaufelblatt 2 der Schaufel nach Fig. 1 identisch ist. Mit dem Schaufelblatt 7 ist ein Schaufelfuß 8 einstückig ausgebildet, der etwa eine Keilform mit konvergierenden Seitenflächen 9 und 10 hat, die mit Bezug auf die Schaufel 6 axial verlaufen.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist der Fuß 8 der Schaufel 6 in einen im Umfang einer Radscheibe 14 gebildeten Schlitz 11 mit wiederum geneigten Seitenflächen 12, 13 eingesetzt. Die eine Seitenfläche 9 des Schaufelfußes 8 liegt an der geneig­ ten Seitenfläche 12 des Schlitzes 11 an, während die andere Seitenfläche 10 des Schaufelfußes an der geneigten Seiten­ fläche 13 des Schlitzes 11 anliegt. Während die Radscheibe 14 bewegungsfest fixiert ist, wird nun die Schaufel 6 schnell hin und her oszilliert und gleichzeitig radial einwärts gegen die Radscheibe gepreßt, bis die Seitenflächen 9 und 10 des Schaufelfußes 8 sowie die Seitenflächen 12 und 13 des Schlitzes 11 durch die entstehende Reibungswärme plastisch werden. Nachdem dieser Zustand erreicht worden ist, wird die oszillierende Bewegung der Schaufel 6 beendet und der radiale Druck auf die Schaufel beibehalten, bis die miteinander zu­ sammenwirkenden Seitenflächen des Schaufelfußes und des Schlitzes sich verschweißt haben, so daß nun die Schaufel und die Radscheibe zu einem einstückigen Bauteil miteinander ver­ bunden sind.

In der praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens können die Füße einer Mehrzahl von Schaufeln oder sogar sämtlicher Schaufeln des Schaufelkranzes gleichzeitig in der beschriebenen Weise mit der Radscheibe verbunden werden.

Wie an sich bekannt ist, können Turbinenschaufeln mit einer Anzahl von inneren Kühlkanälen 15 versehen sein, die etwa vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze verlaufen, um im Betrieb des Triebwerks Kühlluft durch die Schaufeln hindurchströmen zu lassen. Um zu vermeiden, daß diese Kühlkanäle bei der Ausfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung der Schaufeln mit der Radscheibe blockiert werden, ist es vor­ teilhaft, eine Bohrung 16 durch den Verbindungsbereich von Schaufeln und Radscheibe zu bohren, wie in Fig. 4 dargestellt ist, wobei die Bohrung mit Bezug auf den Scheitel der Keil­ form des Schaufelfußes zentriert ist. Das Entgraten der Kanten der Bohrung und der Kühlkanäle kann erforderlichen­ falls auf chemische oder andere geeignete Weise erfolgen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verbinden einer Strömungsmaschinenschau­ fel (6) mit einer Radscheibe (14), wobei die Schaufel ein Schaufelblatt (7) und einen Schaufelfuß (8) und die Rad­ scheibe (14) am Umfang einen Axialschlitz (11) zur Aufnahme des Schaufelfußes aufweist, mit folgenden Maßnahmen:

• - Herstellen des Schaufelfußes (8) mit konvergierenden Seitenflächen (9, 10),
• - Herstellen des Schlitzes (11) im Radscheibenumfang mit achsparallelen, radial auswärts divergierenden Seiten­ flächen (12, 13), deren Neigung derjenigen der Seiten­ flächen (9, 10) des Schaufelfußes (8) entspricht,
• - Einsetzen des Schaufelfußes (8) in den Radscheibenschlitz (11), wobei die konvergierenden Seitenflächen (9, 10) des Schaufelfußes an den divergierenden Schlitzseitenflächen anliegen,
• - oszillierendes Hin- und Herbewegen der Schaufel (6) relativ zur Radscheibe (14) in Richtung der Radscheibenachse unter gleichzeitigem Ausüben eines den Schaufelfuß (8) in den Schlitz (11) drängenden Preßdruckes auf den Schaufelfuß, bis die aufeinander reibenden konvergierenden Schaufelfußseiten­ flächen und divergierenden Schlitzseitenflächen eine Tempe­ ratur erreicht haben, bei denen die Werkstoffe von Schaufel­ fuß und Radscheibenumfang plastisch werden, und
• - Beendigen der oszillierenden Hin- und Herbewegung bei Auf­ rechterhaltung des Preßdrucks bis zur Verschweißung der Schaufelfuß- und Schlitzseitenflächen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (6) mit vom Ende des Schaufelfußes zur Schaufel­ blattspitze verlaufenden inneren Kühlkanälen (15) versehen und ein freier Spalt zwischen dem Boden des Radscheiben­ schlitzes (11) und dem unteren Schaufelfußende vorgesehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (6) mit vom Schaufelfußende zur Schaufel­ blattspitze verlaufenden inneren Kühlkanälen (15) versehen und nach dem Verschweißen des Schaufelfußes mit der Rad­ scheibe eine Axialbohrung (16) durch den Verbindungsbereich von Schaufelfuß (8) und Radscheibe (14) im Nutbodenbereich gebohrt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Bohrung (16) und der Kühlkanäle (15) auf chemische oder andere Weise entgratet werden.