DE60100931T2

DE60100931T2 - Kugelstrahlen von gekühlten Laufschaufelspitzen

Info

Publication number: DE60100931T2
Application number: DE60100931T
Authority: DE
Inventors: Benoît Jean Henri Berthelet; Francis Lucien Guy Chareyere; Willy Lionel Fradin; Hakim Hoffmann; Stephane Michel Kerneis; Marie-Christine Marcelle Ntsama-Etoundi; Guillaume François Roger Simon
Original assignee: SNECMA Services SA; SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2021-11-15
Also published as: FR2816636B1; SG101516A1; CA2363302A1; CA2363302C; FR2816636A1; JP2002213253A; DE60100931D1; EP1208942B1; EP1208942A1; US6490899B2; US20020056303A1; JP3844679B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung und zur Erzeugung einer Kompressionsvorspannung durch Kugelstrahlen der Spitzen und der aerodynamischen Wände von gekühlten Schaufelköpfen, die in ihren Spitzen einen Hohlraum aufweisen, wobei die Schaufeln hohl sind und einen inneren Kühlkreislauf besitzen, der über Durchgangsöffnungen für Kühlluft, die insbesondere in den Spitzen und den aerodynamischen Wänden angebracht sind, mit dem Außenraum in Verbindung steht
Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist durch US 4 426 867 A bekannt.
Eine gekühlte Schaufel, z. B. eine Turbinenschaufel in einem Turbostrahltriebwerk, ist hohl und weist unter dem Fuß eine große Öffnung auf, durch die ein Kühlluftdurchsatz eingeblasen wird, der in einer Verdichterstufe entnommen wird. Das Blatt der Schaufel besitzt auf der Vorderkante, auf der Hinterkante, auf den Seiten und an der Spitze kleine Löcher, die das Austragen der erwärmten Kühlluft ermöglichen, die im Innern der Schaufel zirkuliert, um sie durch frische Kühlluft zu ersetzen, und die die Zufuhr dieser erwärmten Kühlluft auf die Außenfläche der Schaufel ermöglichen, um sie gegen die Verbrennungsgase des Turbostrahltriebwerks zu isolieren. Diese Löcher, die zylindrisch sein können oder die Form von Schlitzen haben können, haben relativ kleine Querabmessungen von höchstens 1 mm. Ausserdem werden die aerodynamischen Flächen an der Spitze der Schaufel im allgemeinen von einer Außenwand verlängert, die an der Spitze der Schaufel einen nach oben offenen Hohlraum bildet.
Die Turbinenschaufeln sind im Betrieb erheblichen Zentrifugalkräften und großen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Außerdem müssen die Außenflächen der Schaufeln unter Kompressionsvorspannung gesetzt werden, um das Entstehen von Rissen zu verzögern, die die Unversehrtheit und die Lebensdauer dieser Schaufeln und insbesondere die Oberflächen der Schaufelenden, die den stärksten Zentrifugalkräften ausgesetzt sind, beeinträchtigen.
Dieses unter Kompression Setzen ist auch bei Schaufeln erforderlich, deren Spitzen repariert wurden. Das Reparieren der Schaufelspitzen besteht darin, daß man durch Schweißen, in der Praxis durch TIG-Lichtbogenschweißen (Wolfram-Innertgas-Schweißen), Metall auf die angegriffenen Zonen aufträgt. Auf dieses Auftragen folgt:

– eine materialabtragende Bearbeitung, um die Form der Schaufel wieder herzustellen, und
– ein Schock-Kugelstrahlen, um die Oberfläche der aufgetragenen Zonen unter Kompression zu setzen und zu verhindern, daß bei den weiteren thermischen Behandlungen und bei der Benutzung der Schaufel im Bereich der Schweißstellen Risse auftreten.

Wenn die Schaufelspitze einen nach oben offenen Hohlraum besitzt, muß man auch das Innere der diesen Hohlraum begrenzenden Wand kugelstrahlen.
Derzeit werden die Oberflächen von Schaufelköpfen durch Kugelstrahlen mit Hilfe von Kugeln, die durch Luftstrahl-Kugelstrahldüsen ausgeschleudert werden, unter Kompressionsvorspannung gesetzt. Das Patent US 4 426 867 beschreibt ein ähnliches Verfahren, das darin besteht, daß man das Blatt einer Schaufel einem Kugelstrom aussetzt und in diesem rotieren läßt. Die Düsen können nur solche Kugeln ausschleudern, deren Durchmesser kleiner ist als 1 mm und typischerweise zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt. Es ist also erforderlich, die Kühllöcher der Schaufel vor dem Kugelstrahlen zu verschließen, um zu verhindern, daß die Kugeln dort eindringen. Man ordnet dann die Schaufelspitze vor einer oder mehreren Luftstrahl-Kugelstrahldüsen an und verschiebt die Düsen, um das Kugelstrahlen zu vergleichmäßigen. Nach dem Kugelstrahlen müssen die Kühllöcher wieder freigemacht werden.
Es ist auch möglich, die Löcher während des Kugelstrahlens nicht zu verschließen. In diesem Fall muß man anschließend die Kugeln, die in den Kühllöchern bleiben oder in den inneren Hohlraum der Schaufel eindringen konnten, z. B. durch Auflösen in Säure, entfernen.
Das Kugelstrahlen mit Hilfe von Düsen erfordert viel Zeit zu seiner Ausführung, da die Kugeln, deren Durchmesser gering ist, geringe kinetische Energie haben. Außerdem verursacht der geringe Durchmesser der Kugeln eine Verschlechterung des Oberflächenzustands der Schaufel.
Während des Kugelstrahlens muß man die Düse in verschiedene Orientierungen bewegen, um die ganze periphere Wand des Schaufelendes und auch die Innenwand des nach oben offenen Hohlraums zu erreichen, falls ein solcher vorhanden ist. Wenn das Kugelstrahlen von Hand durchgeführt wird, ist es naturgemäß wenig reproduzierbar. Wenn das Kugelstrahlen automatisiert ist, erfordert dies das Steuern zahlreicher Parameter und ist deshalb nur schwer steuerbar und reproduzierbar.
Es ist auch bekannt, das Kugelstrahlen mit Hilfe von Prallstäben durchzuführen, die mit Kugeln ausgerüstet sind. Dieses als "Flimmerstrahlen" oder "flapper peening" bezeichnete Verfahren besteht darin, daß man einen kleinen Stab benutzt, der an seinem Ende Plastikzungen aufweist, an deren Enden Kugeln aufgeklebt sind. Man führt das Kugelstrahlen durch, indem man den Stab in Rotation versetzt. Da die Kugeln an den Zungen gehalten werden, dringen sie nicht durch die Kühllöcher ein. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das Werkzeug sich durch das Ausreißen der Kugeln und Zerfasern der Zungen schnell abnutzt, und daß man vor allem nicht das Innere des offenen Hohlraums an der Spitze der Schaufel wirksam kugelstrahlen kann.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Kugelstrahlverfahren für Schaufelköpfe vorzusehen, das es ermöglicht, reproduzierbare, für alle Schaufeln identische Vorspannungen zu erzeugen, und dies in einer kürzeren Kugelstrahlzeit.
Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, ein Kugelstrahlverfahren für Schaufelköpfe vorzuschlagen, das das Verschließen und das Wiederöffnen der Durchtrittsöffnungen für die Kühlluft vor bzw. nach dem Kugelstrahlvorgang erübrigt. Die Erfindung erreicht ihr Ziel dadurch, daß man das Kugelstrahlen nach dem Verfahren von Anspruch 1 mit Hilfe eines Kugelnebels durchführt.
Die Kugeln haben vorteilhafterweise einen Durchmesser zwischen 0,8 und 5 mm.
Da der Durchmesser der Kugeln größer ist als der Durchmesser der Durchgangsöffnungen für die Kühlluft, erübrigen sich die Arbeitsschritte zum Verschließen und Öffnen dieser Öffnungen, und die kinetische Energie der Kugeln ermöglicht eine Verkürzung der Kugelstrahlzeit.
Da die Kugeln des Kugelnebels sich in zufälligen Richtungen bewegen, treffen sie unter verschiedenen Winkeln auf die Oberfläche des Schaufelkopfs, wodurch der Oberflächenzustand im Vergleich zu Kugeln, die durch eine Düse in einer bevorzugten Richtung ausgeworfen werden, verbessert wird, und dies um so mehr, als die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung benutzten Kugeln einen größeren Durchmesser haben als die Kugeln, die von einer Düse ausgeschleudert werden können.
Schließlich werden alle äußeren Oberflächen des Schaufelkopfs; die in dem Behälter exponiert sind, gleichzeitig dem Aufprall der Kugeln ausgesetzt, wodurch die Gefahr einer Verformung des Schaufelkopfs erheblich verringert wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Werkzeugausrüstung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Reparieren von Schaufeln nach Anspruch 5.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der folgenden Beschreibung, die lediglich als Beispiel dient und auf die anliegenden Zeichnungen Bezug nimmt.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer gekühlten Schaufel eines Turbostrahltriebwerks,
2 zeigt eine Aufsicht einer Schaufelhaltevorrichtung für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,
3 zeigt einen entlang der Linie III-III von 2 ausgeführten Schnitt der Schaufelhaltevorrichtung, die die aktive Fläche einer Sonotrode überdeckt,
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schaufel-Trägerplatte, auf der zwei Schaufeln montiert sind.
1 zeigt eine gekühlte Turbinenschaufel 1 z. B. für ein Turbostrahltriebwerk, das einen Fuß 2 zur Befestigung der Schaufel 1 in einer in der peripheren Wand eines Turbinenrads angebrachten Nut aufweist, ferner eine den Schaufelfuß 2 überragende Plattform 3, die die aus der Brennkammer kommende Strömung der Verbrennungsgase innen begrenzt, sowie ein Schaufelblatt 4 mit aerodynamischer Form, das sich von der Plattform aus erstreckt und an der in Richtung der Strömung der Verbrennungsgase stromaufwärtigen Seite eine Vorderkante 5 und an der stromabwärtigen Seite eine Hinterkante 6 aufweist, wobei die Vorderkante 5 und die Hinterkante 6 in bekannter Weise durch eine Wölbungsinnenseite 7 und eine Wölbungsaußenseite 8 miteinander verbunden sind. Das Schaufelblatt 4 ist an seinem äußeren Ende oder seiner Spitze von einer Wand 9 verschlossen, die unter den äußeren Enden 7a, 8a der Wölbungsinnenseite 7 bzw. der Wölbungsaußenseite 8 angeordnet ist. Diese äußeren Enden begrenzen zusammen mit der Wand 9 einen Hohlraum 10 und gewährleisten zusammen mit dem Statorgehäuse die Dichtigkeit des äußeren Strömungsgangs der Verbrennungsgase.
Die Schaufel 1 ist hohl und besitzt einen inneren Kühlluftkreis, der durch große Öffnungen 11 gespeist wird, die in dem Schaufelfuß 2 ausgebildet sind. In der Vorderkante 5, der Hinterkante 6, der Wölbungsinnenseite 7, der Wölbungsaußenseite 8 und der Wand 9 an der Spitze sind Durchtrittsöffnungen 12 für Kühlluft angebracht. Diese Öffnungen 12 können kreisförmig sein oder die Form von Schlitzen haben. Im Fall von kreisförmigen Öffnungen 12 ist ihr Durchmesser höchstens gleich 1 mm, und im Fall von Schlitzen ist ihre Querabmessung höchstens gleich 1 mm.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzuschlagen, um den äußeren Endbereich 13 des Schaufelblatts 4, der sich z. B. über eine Höhe H von 10 mm erstreckt und die den Hohlraum 10 begrenzende Wand 9 sowie die äußeren Abschnitte der Vorderkante 5, der Hinterkante 6, der Wölbungsinnenseite 7 und der Wölbungsaußenseite 8 umfaßt, unter eine Kompressiansvorspannung zu setzen.
2 und 3 zeigen ein Beispiel für eine Werkzeugausrüstung 20, die für die Durchführung des Verfahrens benutzt wird.
Die Werkzeugausrüstung 20 umfaßt im wesentlichen eine Trägerplatte 21 zum Halten mehrerer Schaufeln 1. Diese Platte 21 besitzt durchgehende Öffnungen 22, deren Querschnitt annähernd mit dem Querschnitt des Endbereichs eines Schaufelblatts 2 übereinstimmt, und auf einer ihrer Seiten Abstützungen 23 für die Plattformen 3, die so ausgebildet sind, daß der äußere Endbereich 13 der Schaufel 1 über die den Abstützungen 23 entgegengesetzte Seite 24 der Trägerplatte 21 herausragt, wenn ein Ende des Schaufelblatts in eine Öffnung 22 eingeführt wird und die Plattform 3 der entsprechenden Schaufel 1 auf einer Abstützung 23 aufliegt.
Die Trägerplatte 21, die eine im wesentlichen rechteckige Form besitzt, ist in einer Fuge 25 fixierbar, die auf einer Seite eines Rahmens 26 ausgebildet ist, dessen Dicke größer ist als die Höhe H des äußeren Endbereichs 13 der von der Trägerplatte 21 getragenen Schaufeln 1.
Der mit der Trägerplatte 21 ausgestattete Rahmen 26 überdeckt die Schwingungsplatte 27 einer Sonotrode 28, die durch in den Zeichnungen nicht dargestellte Mittel zur Erzeugung von Ultraschallwellen angeregt wird. Die Schwingungsplatte 27 liegt der Trägerplatte 21 gegenüber und ist in geringem Abstand von den äußeren Enden der Schaufelblätter 4 angeordnet. Die Schwingungsplatte 27 bildet die aktive Wand eines Behälters 29, der von der Innenwand 30 des Rahmens 26 und der Seite 24 der Trägerplatte 21 begrenzt wird.
In den Behälter 29 werden Kugeln 31 eingeführt, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Kühlluft-Durchtrittsöffnungen 12 der Schaufeln 1 und typischerweise zwischen 0,8 und 5 mm liegt. Das Spiel zwischen der Innenwand 30 des Rahmens 26 und der Peripherie der vibrierenden Fläche 27 ist kleiner als der Durchmesser einer Kugel. Die Kugeln 31 können so nicht aus dem Behälter 29 entweichen.
Wenn die Schwingungsplatte Ultraschallschwingungen ausgesetzt wird, wird in dem Behälter 29 ein Kugelnebel erzeugt. Die Kugeln 31 prallen an der Innenwand 30 des Rahmens 26 und der Seite 24 der Trägerplatte 21 zurück. Auf diese Weise schlagen zahlreiche Kugeln auf die Wände der äußeren Endbereiche 13 der Schaufeln 1 auf.
Die Frequenz der Ultraschallwellen, die Abmessungen der Schwingungsplatte 27 der Sonotrode 28 und des Rahmens 26 und die akustische Energie werden so berechnet, daß die Endbereiche 13 der Schaufeln homogen und in einer sehr kurzen Kugelstrahlzeit kugelgestrahlt werden.

Claims

Verfahren zur Oberflächenbehandlung und zur Erzeugung einer Kompressionsvorspannung durch Kugelstrahlen der Spitzen (9) und der aerodynamischen Wände (7, 8) von gekühlten Schaufelköpfen (1), die in ihren Spitzen einen Hohlraum (10) aufweisen, wobei die Schaufeln (1) hohl sind und einen inneren Kühlkreislauf besitzen, der über Durchgangsöffnungen (12) für Kühlluft, die insbesondere in den Spitzen (9) und den aerodynamischen Wänden (7, 8) angebracht sind, mit dem Außenraum in Verbindung steht, wobei das Kugelstrahlen durchgeführt wird, indem eine Vielzahl von Kugeln gegen die genannten Spitzen (8) und die genannten aerodynamischen Wänden (7, 8) geschleudert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelstrahlen mit Hilfe eines Nebels von Kugeln (31) durchgeführt wird, der in einem dichten Schutzbehälter (29) erzeugt wird, der wenigstens einen Schaufelkopf (1) umschließt, wobei dieser Nebel von der aktiven Fläche (27) einer Sonotrode (28) erzeugt wird, die durch Mittel zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen angeregt wird und wenigstens einen Teil des genannten Schutzbehälters (29) begrenzt, und daß man Kugeln (31) verwendet, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Durchgangsöffnungen für die Kühlluft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (31) einen Durch- messer zwischen 0,8 mm und 5 mm haben.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzbehälter (29) mehrere Schaufelköpfe (1) umschließt.
Werkzeugausrüstung für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist: eine Schaufel-Trägerplatte (21) mit wenigstens einer durchgehenden Öffnung (22), deren Querschnitt dem Querschnitt des Endbereichs (13) eines Schaufelblatts (4) entspricht, einem Rahmen (26), auf dessen einer Seite die Trägerplatte (21) fixierbar ist, und einer Fläche der Sonotrode (28), deren Schwingungsplatte (27) von dem Rahmen überdeckt wird und die der Trägerplatte (21) gegenüberliegend angeordnet ist.
Verfahren zum Reparieren einer Schaufel, bei dem man durch Schweißen Metall auf die angegriffenen Zonen der Schaufel aufträgt und eine materialabtragende Bearbeitung vornimmt, um die Form der Schaufel wiederherzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß man nach der materialabtragenden Bearbeitung das Verfahren zur Oberflächenbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 durchführt, um zu verhindern, daß bei den weiteren thermischen Behandlungen und bei der Benutzung der Schaufel im Bereich der Schweißstellen Risse auftreten.