DE4335530B4

DE4335530B4 - Verfahren zum Verbinden einer Schaufel mit der Radscheibe eines Schaufelrads durch lineares Reibschweißen

Info

Publication number: DE4335530B4
Application number: DE4335530A
Authority: DE
Inventors: Peter John Wick Gillbanks; Keith Charles Oldbury on. Severn Moloney
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1993-10-19
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2013-10-20
Also published as: GB9222256D0; GB2271816A; DE4335530A1; GB2271816B; US5366344A; FR2697189A1; FR2697189B1

Abstract

Verfahren zum Verbinden einer Strömungsmaschinenschaufel (6) mit einer Radscheibe (14) durch Reibschweißen, wobei die ein Schaufelblatt (7) und einen Schaufelfuß (8) aufweisende Schaufel (6) unter gleichzeitigem Ausüben eines den Schaufelfuß (8) gegen die Radscheibe (14) drängenden Pressdrucks auf den Schaufelfuß oszillierend in Richtung der Radscheibenachse hin- und herbewegt wird, bis die aufeinander reibenden Flächen von Schaufelfuß und Radscheibenumfang eine Temperatur erreicht haben, bei denen die Werkstoffe von Schaufelfuß und Radscheibenumfang plastisch werden, und wobei dann die oszillierende Hin- und Herbewegung beendet und der Pressdruck bis zur Verschweißung der aufeinander geriebenen Flächen von Schaufelfuß und Radscheibenumfang aufrechterhalten wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (8) mit konvergierenden Seitenflächen (9, 10) ausgebildet und im Radscheibenumfang ein Schlitz (11) mit achsparallelen, radial auswärts divergierenden Seitenflächen (12, 13) hergestellt wird, deren Neigung derjenigen der Seitenflächen (9, 10) des Schaufelfußes (8) entspricht, und daß durch den Reibschweißvorgang die konvergierenden Seitenflächen (9, 10) des Schaufelfußes mit...

Description

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

Bei einem typischen Gasturbinentreibwerk der Axialströmungsbauart ist eine Anzahl von Verdichter- und Turbinenschaufelrädern vorhanden, die jeweils einen Kranz von am Umfang einer Radscheibe befestigten schaufeln mit Tragflügelform aufweisen. 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 eingearbeitet sind.

Diese bekannte mechanische Befestigung der Schaufeln mit Tannenbaumfüßen erfordert aber eine herstellungstechnisch aufwendige und teure Bearbeitung der besonders konfigurierten Schaufelfüße und entsprechende Einarbeitung von entsprechend konfigurierten Schlitzen im Radscheibenumfang.

Bekannt ist auch die Verbindung von Schaufeln mit der Radscheibe durch Reibschweißen. Ein Beispiel hierfür findet sich in der EP-0 458 630 A1 . Dort sind die Reibflächen in übli cher Weise ebene Flächen, die in einer Tangentialebene zur Radscheibe, also quer zur Längsachse der Schaufel liegen. Die dort beschriebene Technik ist aber vor allen Dingen zur Reparatur von Rotorscheiben gedacht, indem schadhafte Schaufeln abgeschnitten und durch Reibschweißung verbundene neue Schaufeln ersetzt werden. Allerdings ist auch erwähnt, daß das dortige Verfahren auch für die Fertigung neuer kompletter Rotorscheiben vorgesehen ist. Dies erfordert freilich seitens der Rotorscheibe, daß für den Ansatz der Schaufel bereits ein radial vorstehender Stumpf vorhanden ist, der, wenn auf diese Weise ein beschaufelter Rotor neu hergestellt wird, wiederum entsprechenden Herstellungsaufwand verursacht. Hinzukommt das Nacharbeiten der Verbindungsstelle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, weniger aufwendiges Verfahren zum Verbinden von Schaufeln mit Radscheiben von Verdichter- und Turbinenschaufelrädern durch Reibschweißen zu schaffen.

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

Die Schaufel kann eine Turbinenschaufel oder eine Verdichterschaufel 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 versehen, und mit diesen kann durch Herstellen einer Bohrung in der Radscheibe eine Verbindung hergestellt werden.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verdichter- oder Turbinenschaufelrad, dessen Schaufeln mittels des erfindungsgemäßen 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 erfindungsgemäßen Verfahren gewisse Ähnlichkeiten mit den bekannten Reibschweiß- 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 ursprüngliche Position zurückbewegt, und es wird ein Preßdruck ausgeübt, 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 Verschweißten Werkstoffs abhängt.

Das Trägheitsschweißen verläuft geringfügig anders. Die Drehspindel mit einem daran angebrachten austauschbaren Schwungrad wird zunächst auf eine vorgegebene Anfangsdrehzahl ge bracht. Der Schweißvorgang beginnt, wenn das nicht drehende Teil gegen das drehende Teil gedrückt wird, wobei der Drehantrieb 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 wesentlichen 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 anliegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:
1 eine typische bekannte Turbinenschaufel mit Tannenbaumfuß,
2 eine Turbinenschaufel mit einem Keilfuß, wie er bei der vorliegenden Erfindung angewendet wird,
3 den Keilfuß der Turbinenschaufel nach 2 eingesetzt in einen Schlitz einer Turbinenscheibe, und
4 ein Turbinenschaufelrad in betriebsfertigem Zustand.
Gemäß 1 der Zeichnungen weist die bekannte Turbinenschaufel 1 einen tragflügelförmigen Schaufelblatteil 2 auf, der einteilig mit einem Tannenbaumfuß 3 ausgebildet ist. Der Schaufelfuß weist eine Reihe von axial verlaufenden Zahnungen 4 auf, die sehr genaue Bearbeitung erfodern, um sicherzustellen, daß die auf die Schaufel wirkende Belastung im Betrieb von allen Zahnungen mitgetragen wird. Der Schlitz im Umfang der Radscheibe zur Aufnahme des Tannenbaumfußes 3 erfordert in gleicher Weise eine genaue Bearbeitung.
2 zeigt eine Turbinenschaufel 6, wie sie gemäß der vorliegenden 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 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 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 geneigten Seitenfläche 12 des Schlitzes 11 an, während die andere Seitenfläche 10 des Schaufelfußes an der geneigten Seitenfläche 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 zusammenwirkenden 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 Verfahrens 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 Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung der Schaufeln mit der Radscheibe blockiert werden, ist es vorteilhaft, eine Bohrung 16 durch den Verbindungsbereich von Schaufeln und Radscheibe zu bohren, wie in 4 dargestellt ist, wobei die Bohrung mit Bezug auf den Scheitel der Keilform des Schaufelfußes zentriert ist. Das Entgraten der Kanten der Bohrung und der Kühlkanäle kann erforderlichenfalls auf chemische oder andere geeignete Weise erfolgen.

Claims

Verfahren zum Verbinden einer Strömungsmaschinenschaufel (6) mit einer Radscheibe (14) durch Reibschweißen, wobei die ein Schaufelblatt (7) und einen Schaufelfuß (8) aufweisende Schaufel (6) unter gleichzeitigem Ausüben eines den Schaufelfuß (8) gegen die Radscheibe (14) drängenden Pressdrucks auf den Schaufelfuß oszillierend in Richtung der Radscheibenachse hin- und herbewegt wird, bis die aufeinander reibenden Flächen von Schaufelfuß und Radscheibenumfang eine Temperatur erreicht haben, bei denen die Werkstoffe von Schaufelfuß und Radscheibenumfang plastisch werden, und wobei dann die oszillierende Hin- und Herbewegung beendet und der Pressdruck bis zur Verschweißung der aufeinander geriebenen Flächen von Schaufelfuß und Radscheibenumfang aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (8) mit konvergierenden Seitenflächen (9, 10) ausgebildet und im Radscheibenumfang ein Schlitz (11) mit achsparallelen, radial auswärts divergierenden Seitenflächen (12, 13) hergestellt wird, deren Neigung derjenigen der Seitenflächen (9, 10) des Schaufelfußes (8) entspricht, und daß durch den Reibschweißvorgang die konvergierenden Seitenflächen (9, 10) des Schaufelfußes mit den divergierenden Seitenflächen (11, 12) des Schlitzes (11) im Radscheibenumfang verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (6) mit vom Ende des Schaufelfußes zur Schaufelblattspitze verlaufenden inneren Kühlkanälen (15) versehen und ein freier Spalt zwischen dem Boden des Radscheibenschlitzes (11) und dem unteren Schaufelfußende vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (6) mit vom Schaufelfußende zur Schaufelblattspitze verlaufenden inneren Kühlkanälen (15) versehen und nach dem Verschweißen des Schaufelfußes mit der Radscheibe eine Axialbohrung (16) durch den Verbindungsbereich von Schaufelfuß (8) und Radscheibe (14) im Nutbodenbereich gebohrt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Bohrung (16) und der Kühlkanäle (15) auf chemische oder andere Weise entgratet werden.