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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Gasturbinentriebwerke
und insbesondere das Auswuchten von darin enthaltenen Rotoren sowie insbesondere
das Auswuchten beschaufelter Scheiben.
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Gasturbinentriebwerke
enthalten unterschiedliche Rotoren, die typischerweise in Form beschaufelter
Scheiben konstruiert sind. Jede Rotorscheibe ist speziell mit einem
radial außen
angeordneten Rand konfiguriert, von dem aus sich eine Reihe von
Schaufeln erstreckt. Ausgehend von dem Rand erstreckt sich ein axial
dünnerer
Steg radial nach innen und endet in einer axial dickeren Nabe, in
der eine mittige Bohrung ausgebildet ist.
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Die
Scheibe ist um den Umfang herum ununterbrochen und weist eine erhebliche
Reifenfestigkeit auf, um den Zentrifugalkräften standzuhalten, die durch
die Schaufeln hervorgerufen werden, wenn diese während des Betriebs um eine
longitudinale oder axiale mittige Achse der Scheibe rotieren. Die Scheiben
sind mit Blick auf maximale Festigkeit und minimale überschüssige Masse
gestaltet, um die Schaufeln über
eine lange Lebensdauer wirkungsvoll zu tragen.
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Die
Rotorscheiben sind unterschiedlich gestaltet, um verhältnismäßig große Verdichterrotorschaufelblätter sowie
mehrere Reihen von Verdichterschaufelblättern zu tragen, deren Größe abnimmt, um
während
des Betriebs Luft zu komprimieren. Die Luft wird mit Brennstoff
vermischt und gezündet,
um heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen, die durch vielfältige Reihen von Turbinenschaufeln
stromabwärts
strömen, deren
Größe auf den
entsprechenden Rotorscheiben zunimmt, die für diese vorgesehen sind.
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In
einer üblichen
Konfiguration weisen die Rotorscheiben entweder durch deren Rand
hindurch ausgebildete Axialeingangsschwalbenschwanznuten oder übliche Umfangseingangsschwalbenschwanznuten
auf, die entsprechend komplementäre
Schaufelblattschwalbenschwänze
aufnehmen, die zum Halt an den Scheiben dienen. In einer anderen üblichen Konfiguration
können
die Schaufeln einstückig
mit dem Rand der Scheibe in Form einer einteiligen oder einstückigen Konstruktion
ausgebildet sein, die gewöhnlich
abkürzend
für den
Begriff einteilige "beschaufelte
Scheibe" als Blisk
(= Bl(adedd)isk) bezeichnet wird.
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Der
Vorteil der Schwalbenschwanzkonstruktion basiert darauf, dass sich
die Schaufeln und die Scheibe voneinander unabhängig herstellen und einfach
durch Abmontieren der Schaufeln von der Scheibe reparieren lassen.
Allerdings erfordert die Schwalbenschwanzkonstruktion eine entsprechend größere Scheibe,
um den im Betrieb auftretenden unterschiedlichen Druck- und Zentrifugalkräften standzuhalten.
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Ein
besonderer Vorteil der Konstruktion beschaufelter Scheiben basiert
darauf, dass die einstückig
ausgebildete Scheibe kleiner sein kann, da keine Schwalbenschwänze verwendet
werden, und die Schaufeln einstückig
um den Scheibenrand ausgebildet sind. Allerdings sind Reparaturen
hierdurch erschwert, da sich die Schaufeln nur schwer einzeln von
der Scheibe abnehmen lassen. Kleinere Reparaturen der Schaufel können in
der beschaufelten Scheibe erfolgen, jedoch erfordert eine größere Reparatur
derselben ein Entfernen durch Abtrennen entsprechender Bereiche
beschädigter Schaufeln oder
deren vollständige
Entfernung, wobei deren Austausch mittels Schweißen oder eines sonstigen metallurgischen
Verbindungsverfahrens durchgeführt
wird, um die ursprüngliche
Festigkeit der beschaufelten Scheibe wiederherzustellen.
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Eine
weiteres Problem bei der Herstellung einer beschaufelten Scheibe
ist deren Auswuchtung. Sämtliche
Rotorkomponenten in einem Gasturbinentriebwerk müssen geeignet statisch und
dynamisch ausgewuchtet werden, um Rotationsunwuchtlasten während des
Betriebs zu minimieren, um Schwingungen zu reduzieren. Die Konstruktion
einer Schwalbenschwanzscheibe erlaubt es, den Rotor während der
Herstellung zu Beginn auszuwuchten, wobei die einzelnen Schaufeln
getrennt hergestellt und passend auf der Scheibe positioniert werden,
um die für deren
Anordnung sich ergebende Unwucht zu minimieren. Die zusammengebaute
Scheibe kann anschließend
auf herkömmliche
weise mittels vielfältiger
Verfahren zur Korrektur von Unwucht ausgewuchtet werden.
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Im
Gegensatz dazu sind die typischen Toleranzen bei der Herstellung
einzelner Schaufelblätter der
beschaufelten Scheibe auf entsprechende Unterschiede ihrer jeweiligen
Masse oder Gewicht zurückzuführen. Dies
erzeugt wiederum eine Gesamtunwucht der beschaufelten Scheibe, die
geeignet zu korrigieren ist.
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Herkömmliche
Auswuchtmaschinen erfassen eine Unwucht der beschaufelten Scheibe
mit einer geeigneten Geschwindigkeit in Form eines Unwuchtkraftvektors,
der an einer gemessenen Winkelposition um dem Umfang der beschaufelten
Scheibe bezüglich
eines beliebigen geeigneten Bezugspunkts einen Massebetrag und einen
Radius aufweist. Die gemessene Un wucht kann korrigiert werden, indem entweder
Material der beschaufelten Scheibe an der Winkelposition des Unwuchtvektors
entfernt wird, oder indem diametral gegenüberliegend davon, z.B. bei
180°, zusätzliches
Material hinzugefügt
wird.
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Material
kann von identifizierten Schaufeln oder in dem Plattformbereich
zwischen Schaufeln entfernt werden. Es kann auch Material von Flanschen
auf entsprechenden Verlängerungswellen
der beschaufelten Scheibe entfernt werden, die dazu dienen, eine
Drehmomentlast aufzunehmen, die auf diese durch die Niederdruckturbine
des die beschaufelten Scheiben antreibenden Triebwerks ausgeübt wird.
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Allerdings
erschwert das Identifizieren von Orten, die zur Beseitigung einer
ausreichenden Menge von Material geeignet sind, das Auswuchtverfahren,
da ein Entfernen von Material die Bruchgrenze der beschaufelten
Scheibe mindern kann, die bei einem ausreichend hohen Wert aufrecht
zu erhalten ist, um eine angemessene Nutzungslebensdauer sicherzustellen.
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Das
Hinzufügen
einer geeigneten Menge von Material zum Auszuwuchten der beschaufelten Scheibe
wirft eigene Probleme auf. In der Praxis ist es gewöhnlich nicht
möglich,
den Schaufeln oder der Scheibe selbst Material hinzuzufügen, ohne
deren Festigkeit zu beeinträchtigen.
Statt dessen kann eine Unwuchtkorrektur durch Anbringen gesonderter
Auswuchtgewichte an den Passungsflanschen der beschaufelten Scheibe
durchgeführt
werden.
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Die
GB-A-2 255 138 offenbart eine typische beschaufelte Scheibe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Es
besteht ein Bedarf nach einer beschaufelten Scheibe mit einem verbesserten
Auswuchtmerkmal. Dies wird mit einer beschaufelten Scheibe nach Anspruch
1, einem Auswuchtverfahren nach Anspruch 7 und einem Instandsetzungsverfahren
nach Anspruch 9 erzielt.
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Gemäß der Erfindung
enthält
eine beschaufelte Scheibe eine Scheibe mit einem Rand, aus dem sich
eine Reihe von Schaufeln erstreckt. Der Rand weist einander axial
gegenüber
liegende Überhänge auf,
von denen einer mit einer bogenförmigen
Auswuchtfläche
ausgebildet ist, die zu der Mittelachse der Scheibe exzentrisch
angeordnet ist, um die beschaufelte Scheibe auszuwuchten.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen
eingehender beschrieben:
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1 zeigt
eine zum Teil geschnittene, axiale Draufsicht eines mit dreistufigen
beschaufelten Scheiben versehenen Verdichterrotors, der gemäß entsprechenden
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung exzentrische Auswuchtflächen aufweist;
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2 zeigt
eine isometrische Ansicht der in 1 veranschaulichten
beschaufelten Scheibe der ersten Stufe mit einer Ausprägung der
exzentrischen Auswuchtfläche
darin;
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3 veranschaulicht
anhand einer vergrößerten axialen
Querschnittsansicht des vorderen Überhangs des Randes der beschaufelten
Scheibe, wie er in 1 innerhalb des mit 3 bezeichneten,
gestrichelt gezeichneten Kreises ge zeigt ist, und außerdem längs der
Schnittlinie 3-3 in 4 das Ausbilden eines Ausführungsbeispiels
der exzentrischen Auswuchtfläche.
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4 veranschaulicht
anhand einer Draufsicht von vorne auf einen hinteren Abschnitt der
ersten Stufe der in 1 veranschaulichten beschaufelten
Scheibe und längs
der Schnittlinie 4-4 schematisch in Form eines Arbeitsplans ein
exemplarisches Verfahren zum Auswuchten der beschaufelten Scheibe;
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5 zeigt
die in 4 veranschaulichte exzentrische Auswuchtfläche in einer
vergrößerten axialen
Querschnittsansicht längs
der Schnittlinie 5-5, die der Winkelposition des gemessenen Unwuchtvektors
der beschaufelten Scheibe an der exemplarischen 6-Uhr-Stellung entspricht;
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6 zeigt
in einer vergrößerten axialen Querschnittsansicht
den hinteren Überhang
des Randes der beschaufelten Scheibe der zweiten Stufe, der in 1 innerhalb
des mit 6 bezeichneten, gestrichelt gezeichneten Kreis
veranschaulicht ist, gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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7 zeigt
in einer vergrößerten geschnittenen
Ansicht, ähnlich
wie in 5, ein exemplarisches Verfahren der Reparatur
der beschaufelten Scheibe gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist
ein dreistufiger Verdichterrotor 10 dargestellt, der achsensymmetrisch
um eine longitudinale oder axiale mittige Achse 12 davon
angeordnet ist. Dieses Ausführungsbeispiel
ist hinsichtlich einer Flugzeuggasturbine eines Zweikreistriebwerks für militärische Anwendungen
konfiguriert und wird durch eine (nicht gezeigte) Niederdruckturbine
angetrieben, die geeignet daran angeschlossen ist.
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Der
Verdichterrotor 10 enthält
eine erste, zweite und dritte beschaufelte Scheibe 14, 16, 18,
die geeignet miteinander verbunden sind und durch die Niederdruckturbine
angetrieben werden, um Umgebungsluft 20 zu komprimieren,
die durch diese stromabwärts
strömt.
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Die
Konstruktion der drei beschaufelten Scheiben stimmt im Wesentlichen überein,
und es wird die beschaufelte Scheibe 14 der ersten Stufe
im Einzelnen erläutert,
wobei die beschaufelten Scheiben 16, 18 der zweiten
und dritten Stufe bis auf zitierte Abweichungen ähnlich konstruiert sind.
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Die
beschaufelte Scheibe 14 enthält eine ringförmige Rotorscheibe 22 mit
einem vergrößerten radial
außen
angeordneten Rand 24, einen sich davon radial nach innen
erstreckenden schmaleren Steg 26 und eine breitere radial
innenliegende Nabe 28, die eine mitige Bohrung 30 definiert.
Die Scheibe ist eine einstückig
ausgebildete oder einteilige Komponente, deren Rand, Steg und Nabe
konzentrisch um die Mittelachse 12 angeordnet sind.
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Mehrere
Rotorblätter
oder Strömungsflächen 32 erstrecken
sich ausgehend von der äußeren Umfangsfläche des
Randes 24 aus in einer mit diesem einteiligen oder einstückigen Anordnung
in einer Reihe radial nach außen.
Eine derartige einstückige
beschaufelte Scheibe kann auf herkömmliche Weise ausgehend von
einem geschmiedeten Rohling aus einem Superlegierungswerkstoff hoher
Festigkeit hergestellt wer den, wie er gewöhnlich für Gasturbinentriebwerksverdichterrotoren
verwendet wird, und mittels einer mehrachsigen numerisch gesteuerten Schneidemaschine
oder durch elektrochemische Bearbeitung (ECM) geeignet maschinell
bearbeitet werden.
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Ein
besonderer Vorteil der in 1 veranschaulichten
Konstruktion beschaufelter Scheiben basiert darauf, dass sich die
Größe der Scheibe 22 minimal
bemessen lässt,
während
dennoch ausreichende Reifenfestigkeit für die Aufnahme des erheblichen
Drucks und der Zentrifugalkräfte
erhalten bleibt, die auf die Schaufeln während des Laufbetriebs ausgeübt werden.
Die axiale Weite des Randes 24 ist ausreichend lang, um
die Schaufeln 32 an deren Fußenden zwischen An- und Abströmkanten 34, 36 zu
tragen, und verschmälert
sich in Richtung des schmaleren Stegs 26, wobei die axiale
Weite der Nabe 28 anschließend wächst, um innerhalb akzeptabler
Belastungsgrenzen Betriebslasten aufzunehmen, so dass eine angemessene
Nutzungslebensdauer der beschaufelten Scheibe sichergestellt ist.
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In
dieser effizienten strukturellen Konfiguration weist der Rand 24 an
einander axial gegenüber liegenden
Seiten des Stegs an diesem axial freischwebende erste und zweite
axiale Überhänge 38, 40 auf.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist mindestens einer der zwei Überhänge 38, 40 eine
bogenförmige
Auswuchtfläche 42 auf,
die aus der Unterseite des Überhangs
radial nach innen ragt und exzentrisch zu der Mittelachse der Scheibe 12 angeordnet
ist, um die gesamte beschaufelte Scheibe auszuwuchten.
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In
dem in 1 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsbeispiel
ist der Rand 24 konisch, wobei der Durchmesser einer äußeren Umfangsfläche zwischen
dem ersten Überhang 38 an
dem vorderen Ende der Scheibe in Richtung des zweiten Überhangs
an dem hinteren Ende der Scheibe wächst. Die Durchmesser der beiden Überhänge sind
dementsprechend unterschiedlich, wobei der hintere Überhang
größer ist
als der vordere Überhang.
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Die
beschaufelte Scheibe enthält
ferner eine ringförmige
erste oder vordere Welle 44, die sich von einer Vorderseite
der Nabe 28 aus oder von dem ersten Randüberhang 38 aus
radial nach innen erstreckt. Eine ringförmige zweite oder hintere Welle 46 erstreckt
sich von einer axial gegenüber
liegenden hinteren Seite der Nabe 28 radial innerhalb des
zweiten Überhangs 40 des
Randes. Die beiden Wellen 44, 46 sind mit der
Scheibe in ihrer einteiligen Konstruktion einstückig verbunden und sind geeignet konfiguriert,
um in dem Gasturbinentriebwerk eingebaut zu werden.
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Beispielsweise
ist die vordere Welle 44 dort, wo sie sich von der Scheibe
aus nach vorne erstreckt, teilweise konisch ausgebildet, und geht
anschließend
in einen zylindrischen Abschnitt über, der in geeigneter Weise
in einem herkömmlichen
Lager 48 in dem Triebwerk montiert wird. Entsprechend ist die
hintere Welle 46 im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet
und weist an ihrem hinteren Ende einen ringförmigen Flansch auf, der auf
eine beliebige geeignete Weise, z.B. durch Befestigungsbolzen, an
einem entsprechenden vorderen Wulst der beschaufelten Scheibe 16 der
zweiten Stufe an der konischen vorderen Welle der Schaufel zu befestigen
ist. Die hintere Welle 46 ist ferner mit einer hinteren
Verdichterrotorwelle verbunden, um die dreistufige beschaufelte Scheibenanordnung
anzutreiben, wie sie in 1 veranschaulicht ist.
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Die
Bezeichnungen der entsprechenden vorderen und hinteren Welle der
zweiten und dritten beschaufelten Scheiben 16, 18 sind
mit dem entsprechenden Suffix b, c versehen und geeignet konfiguriert,
um miteinander in Reihe vereinigt zu werden, so dass der kollektive
dreistufige Verdichterrotor gebildet wird, der durch die Niederdruckturbine
geeignet angetrieben wird.
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In
dem in 1 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsbeispiel
ist die Auswuchtfläche 42 unter
dem ersten Randüberhang 38 angeordnet, wobei
die vordere Welle 44 von der Auswuchtfläche radial nach innen beabstandet
ist. Die vordere Welle 44 definiert einen Lasttragarm,
der dazu dient, Reaktionskräfte
von den Schaufeln in das Lager 48 zu übertragen. Die Auswuchtfläche 42 ist
sowohl um die Mittelachse der Scheibe 12 als auch um die
vordere Welle 44 exzentrisch angeordnet und ist von dem
unmittelbaren Lastpfad der vorderen Welle konstruktionsmäßig entkoppelt,
während
der radiale Durchmesser der Auswuchtfläche örtlich maximiert ist, um dessen
Auswuchteffizienz zu maximieren.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist die Auswuchtfläche 42 von
beiden Wellen 44, 46 durch den dazwischen angeordneten
Steg 26 beabstandet und entkoppelt die Auswuchtfläche von
dem durch die einstückig
ausgebildete Scheibe zwischen den Schaufeln und Wellen hervorgerufenen
Lastpfad konstruktionsmäßig auf
wirkungsvolle Weise.
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Wie
in 1 gezeigt, ist der vordere Randüberhang 38 direkt
unterhalb der Schaufelanströmkanten 34 angeordnet und
mit diesen radial fluchtend ausgerichtet. Der zweite Überhang 40 ist
direkt unterhalb der Schaufelabströmkanten 36 angeordnet
und mit diesen radial fluchtend ausgerichtet. Weiter weist der hintere
geneigte konische Rand 24 an dem hinteren Überhang
einen größeren Außendurchmesser auf
als an dem vorderen Überhang.
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Die
Auswuchtfläche 42 kann
unter dem vorderen und/oder dem hinteren Überhang 38, 40 angeordnet
sein, und ist hauptsächlich
radial unterhalb der entsprechenden An- und Abströmkanten
der Schaufeln angeordnet. Auf diese Weise stellt die Auswuchtfläche eine
wirkungsvolle Auswuchtkraft bereit, ohne den strukturellen Belastungspfad
zu beeinträchtigen. Weiter
kann die Auswuchtfläche,
wo der Raum es erlaubt und wo ihre Wirkung maximiert werden kann, unter
einem oder beiden Überhängen angeordnet sein.
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Ein
besonderer Vorteil der Auswuchtfläche 42 ist ihre um
den Umfang angeordnete Ausdehnung auf der Unterseite des Randüberhangs,
der auf diese Weise seine Auswuchtwirkung ohne Konzentration auf
irgend einen örtlichen
Bereich ausbreitet. Außerdem
beeinträchtigt
die Auswuchtfläche
weder die Festigkeit der tragenden Wellen 44 oder 46,
noch die Festigkeit der Scheibe selbst, einschließlich des Randes 24.
Außerdem
bringt die Auswuchtfläche 42 ein
minimales Eigengewicht und eine minimale davon ausgehende Zentrifugalkraft
ein, die von der Scheibe 22 während des Betriebs aufzunehmen
ist.
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Die
in 2 isoliert veranschaulichte erste beschaufelte
Scheibe 14 weist die Auswuchtfläche 42 auf, die um
die Unterseite des vorderen Überhangs 38 in
diesen übergeht. 3 veranschaulicht einen
Abschnitt der Auswucht fläche 42,
der mit dem Maximalwert ihrer radialen Dicke A ausgebildet ist. 4 veranschaulicht
eine Draufsicht der Auswuchtfläche 42,
deren radiale Dicke um den Umfang des Scheibenrands 24 herum
variiert, und 5 zeigt die Minimaldicke der
Auswuchtfläche 42,
die spanabhebend bearbeitet ist, wo sie im Wesentlichen bündig in die
Unterseite des vorderen Überhangs 38 übergeht.
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Wie
in 1, 3 und 5 zu sehen, schließen sich
der Rand 24 und entsprechende Wellen 44, 46 auf
gegenüberliegenden
axialen Seiten des gemeinsamen Stegs 26 an entsprechenden Streifen 50 an
diesen an, wobei die Streifen 50 verhältnismäßig große Radien aufweisen, um dort Spannungskonzentrationen
zu reduzieren.
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Jedoch
weist die Unterseite des vorderen Überhangs 38 in der
Regel für
das Hinzufügen
der Auswuchtfläche 42 selbst
einen größeren Innendurchmesser
auf, um sanft in die entsprechenden Streifen überzugehen, ohne dazwischen
Oberflächendiskontinuität oder Stufen
zu bilden.
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Wie
in den 3–5 gezeigt,
weist der vordere Überhang
einen nominalen Innendurchmesser B auf, der der Unterseite des vorderen Überhangs
vor dem Hinzufügen
von Material zum Erzeugen der Auswuchtfläche 42 entspricht.
Dieser Referenzdurchmesser B entspricht dem minimalen Durchmesser
des vorderen Überhangs,
der einen um den Umfang herum ununterbrochenen Reifen aus Material
aufweist, der der Scheibe Reifenfestigkeit verleiht.
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Die
Auswuchtfläche 42 wird
erzeugt, indem zusätzliches
Material vorgesehen wird, das aus der Unterseite des vorderen Überhangs
radial nach innen vorspringt, der speziell konfiguriert ist, um
den schematisch in 4 veranschaulichten speziellen Unwuchtkraftvektor
F der beschaufelten Scheibe auszuwuchten.
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Entsprechend
variiert die radiale Dicke A der in 4 veranschaulichten
exzentrischen Auswuchtfläche 42 von
einer Maximaldicke, die der auszuwuchtenden Unwuchtkraft F diametral
gegenüberliegt,
bis zu einer Minimaldicke, die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
in dem Bereich der Unwuchtkraft F im Wesentlichen bündig mit
dem Streifen ist.
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Eine
in 4 schematisch veranschaulichte herkömmliche
Auswuchtmaschine 52 kann zum Antrieb der beschaufelten
Scheibe verwendet werden, um deren Unwuchtkraft F zu erfassen, wie
sie durch einen Betrag einer Masse bei einem von der Mittellinie
der Scheibe aus gemessenen speziellen Radius, beispielsweise in
Grammzoll, und an einer speziellen Winkelposition C bezüglich eines
geeigneten Bezugspunkts repräsentiert
ist. Durch Einführen
einer Exzentrizität
in der Auswuchtfläche 42 kann
die gemessene Unwucht diametral gegenüberliegend versetzt werden,
um die gesamte beschaufelte Scheibe auszuwuchten.
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3 veranschaulicht
die Auswuchtfläche 42 an
der 12-Uhr-Stellung nach 4 diametral gegenüberliegend
zu der an der 6-Uhr-Stellung gemessenen Unwuchtkraft F, wo die von
dem Referenzdurchmesser B aus gemessene Dicke A der Auswuchtfläche maximal
ist und auf diese Weise an dieser Stelle des Streifens 50 eine
radial nach innen vorspringende Schulter 54 erzeugt. 5 veranschaulicht
die Auswuchtfläche 42 an
der 6-Uhr-Stellung nach 4, die der Winkelposition der
gemessenen Unwuchtkraft F entspricht, wo die Dicke der Auswuchtfläche minimal
und vorzugsweise Null ist, um an dem Unwuchtort einen im Wesentlichen
bündigen Übergang
der Auswuchtfläche
zu schaffen und an entgegengesetzten Seiten (des Unwuchtorts) in
Umfangsrichtung sanft anzuwachsen.
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Auf
diese Weise ist die Auswuchtfläche 42 um
entgegengesetzte Seiten der Stelle der Minimaldicke um den Umfang
herum kontinuierlich verteilt und endet effektiv dort, wo sie der
nominalen Unterseite des vorderen Überhangs 38 entspricht,
die andernfalls erzeugt werden würde,
wenn überhaupt
keine Auswuchtfläche
vorhanden wäre.
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Die
Auswuchtfläche
ist vorzugsweise in der beschaufelten Scheibe an dem in der Praxis
maximal möglichen
Durchmesser bezüglich
der Mittelachse der Scheibe eingeführt, um die Kapazität der Auswuchtfläche zum
Versetzen der gemessenen Unwucht mittels einer minimalen zusätzlichen
Masse maximieren zu können.
Obwohl die in 1 veranschaulichte Auswuchtfläche alternativ
unter dem hinteren Überhang 40 mit
dem größeren Durchmesser eingeführt werden
könnte,
ist dies in diesem speziellen Konstruktionsentwurf mit Blick auf
eine in diesem Bereich angeordnete herkömmliche Schwingungsdämpfungseinrichtung
in der Praxis nicht durchführbar.
Daher ist die Auswuchtfläche 42 unter
dem vorderen Überhang 38 mit
dem kleineren Durchmesser eingeführt
und ist vorzugsweise in einer im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse
der Scheibe verlaufenden Konfiguration zylindrisch ausgebildet.
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Wie
in 3 gezeigt, kann die Wirkung der Auswuchtfläche 42 maximiert
werden, indem ihre Fläche
innerhalb des durch den Randüberhang
vorgesehenen beschränkten
Raums maximiert wird. An dieser bevorzugten Stelle erstreckt sich die
Auswuchtfläche
kontinuierlich in axialer Richtung von der exponierten Vorderkante
oder Stirnseite des Scheibenrandes unter den vorderen Überhang,
um das vordere Ende des an den Steg 26 angrenzenden Streifens 50 zu
berühren.
Weiter erstreckt sich die Auswuchtfläche, wie in 4 veranschaulicht,
außerdem
in Umfangsrichtung kontinuierlich von ihrer Maximaldicke zu ihrer
Minimaldicke, wo sie endet und mit dem darunterliegenden Randüberhang
bündig
ist.
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3–5 veranschaulichen
ein exemplarisches Verfahren zum Auswuchten der beschaufelten Scheibe
mittels einer bevorzugten Ausprägung der
exzentrischen Auswuchtfläche 42.
Die beschaufelte Scheibe selbst wird zu Beginn hinsichtlich ihrer endgültigen Konfiguration
innerhalb typischer Herstellungstoleranzen einschließlich der
gesamten Reihe von Schaufeln und der tragenden Scheibe sowie der
einstückigen
Wellen erzeugt. Die anfängliche
beschaufelte Scheibe ist ferner unter dem Überhang mit zusätzlichem
Material versehen, das dazu dient, die exzentrische Auswuchtfläche zu erzeugen.
Jede beliebige herkömmliche
Werkzeugmaschine 56, beispielsweise eine mehrachsige numerisch
gesteuerte Werkzeugmaschine, kann dafür eingesetzt werden, um zu
Beginn die Auswuchtfläche
zu konfigurieren, bevor deren spezielle exzentrische Konfiguration
erzeugt wird.
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Insbesondere
wird die beschaufelte Scheibe zunächst spanabhebend bearbeitet,
um eine anfängliche
Auswuchtfläche 42b hervorzubringen,
die ringförmig
und vorzugsweise konzentrisch mit dem Überhang des Scheibenrands ist.
Die anfängliche
Auswuchtfläche 42b ist
mit vielfältigen
Einzelheiten in 3–5 veranschaulicht.
Die anfängliche
Auswuchtfläche
weist eine bezüglich
des nominalen Innendurchmessers B des Randüberhangs gemessene radiale
Dicke A auf, die andernfalls ohne das Hinzufügen der Auswuchtfläche konfiguriert
sein würde.
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Die
anfängliche
Auswuchtfläche 42b wird vorzugsweise
konzentrisch zu der Mittelachse der Scheibe ausgebildet, so dass
sie in ihrer anfänglichen
Gestalt der gesamten beschaufelten Scheibe keine, oder nur geringe
Unwucht hinzufügt.
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Die
beschaufelte Scheibe wird anschließend in der Auswuchtmaschine
montiert und in rasche Drehung versetzt, um ihre Unwucht zu erfassen,
wie sie durch den in 4 veranschaulichten resultierenden
Unwuchtvektor F wiedergegeben ist, der gewöhnlich in Grammzoll an der
speziellen Winkelposition C angegeben wird. In dem in 4 veranschaulichten
exemplarischen Ausführungsbeispiel
ist die gemessene Unwucht F an der 6-Uhr-Stellung der beschaufelten
Scheibe angeordnet und erfordert daher effektiv diametral gegenüberliegend
dazu an der 12-Uhr-Stellung eine Korrektur.
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Durch
eine bezüglich
der Mittelachse der Scheibe exzentrische spanabhebende Bearbeitung der
anfänglichen
ringförmigen
Auswuchtfläche 42b kann
die übrige
Masse der exzentrischen Auswuchtfläche 42 bezüglich der
gemessenen Unwuchtkraft F diametral versetzt werden, um die betreffende
Unwucht zu versetzen und die gesamte beschaufelte Scheibe wirkungsvoll
auszuwuchten.
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In
einem in 4 veranschaulichten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
weist die anfängliche Auswuchtfläche 42b einen
anfänglichen
Innendurchmesser D auf, und die exzentrische Auswuchtfläche weist
einen endgültigen
Innendurchmesser E auf, der gegenüber der Mittelachse der Scheibe
um einen vorbestimmten Exzentrizitätsversatz G exzentrisch versetzt
ist.
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Durch
spanabhebende Bearbeitung der konzentrischen anfänglichen Auswuchtfläche 42b hinsichtlich
eines größeren Durchmesser,
um die exzentrische Auswuchtfläche 42 zu
bilden, kann der Schwerpunkt der übrigen exzentrischen Auswuchtfläche genau
gegenüberliegend
zu dem gemessenen Unwuchtkraftvektor F verlagert werden, um die
beschaufelte Scheibe auszuwuchten. Die exzentrische Auswuchtfläche erstreckt
sich innerhalb des Innendurchmesser des Randüberhangs um den Umfang herum
und bringt hinsichtlich des Reifens keine Spannungskonzentration
ein und behält
die vollkommene Reifenkontinuität
um den Umfang des Randüberhangs
bei, so dass dessen volle Reifenfestigkeit zum Tragen der Schaufeln
während
des Laufbetriebs aufrecht erhalten bleibt.
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In
dem in 3–5 veranschaulichten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
wächst
der Innendurchmesser der Auswuchtfläche von seinem anfänglichen
konzentrischen Durchmesser D zu seinem endgültigen größeren Durchmesser E, und der Exzentrizitätsversatz
G ist vorzugsweise ungefähr gleich
der halben Vergrößerung des
Innendurchmessers, d.h. gleich der Hälfte der Differenz von E und
D. Auf diese Weise wird die in 3 veranschaulichte Schulter 54 an
der Maximaldicke der Auswuchtfläche 42 erzeugt,
und die Schulter wird an der Minimaldicke der in 5 veranschaulichten
Auswuchtfläche
eliminiert, wo die Auswuchtfläche
endet und mit der Unterseite des Randüberhangs 38 bündig ist.
Wie in 4 gezeigt, variiert die Dicke A der Auswuchtfläche 42 bzw.
nimmt um den Umfang herum entlang beider gegenüberliegender Seiten der Auswuchtfläche von
ihrer Maximaldicke an der 12- Uhr-Stellung bis
zu der Minimaldicke von Null an der 6-Uhr-Stellung ab.
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Diese
Konfiguration ermöglicht
viele Vorteile, beispielsweise die Aufrechterhaltung der Reifenfestigkeit
des Randüberhangs,
unter dem die Auswuchtfläche
eingeführt
ist. Ein Verjüngen
der Auswuchtfläche
auf eine minimale Dicke von Null gewährleistet die leichteste Konfiguration
der verbleibenden Auswuchtfläche,
so dass deren von der Scheibe während des
Laufbetriebs zu tragendes Eigengewicht reduziert ist.
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In
einer beschaufelten Scheibe, die nicht für den Betrieb in der Niederdruckturbine
eines Gasturbinentriebwerks, sondern speziell für den Betrieb in einem Verdichterrotor
des Triebwerks konfiguriert ist, schafft der in 5 veranschaulichte
stufenlose Übergang
einen Dränagepfad
für Feuchtigkeit
oder sonstige Fluide, die sich innerhalb der Tasche unter dem Randüberhang
ansammeln könnten,
und erlaubt deren Dränage
durch die Zentrifugalkraft.
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Die
exzentrische Auswuchtfläche 42 ist
außerdem
entlang der Unterseite des Randüberhangs verborgen
und beeinflusst weder das aerodynamische Verhalten der äußeren Umfangsfläche des
Randes, noch die strukturelle Integrität des Scheibenrandes, noch
den durch die Scheibe zu den tragenden Wellen verlaufenden Lastpfad.
Außerdem
ist das Auswuchtmerkmal durch ein Einführen der Auswuchtfläche unter
einem und/oder beiden Randüberhängen verhältnismäßig nahe
an der Unwuchtebene angeordnet, um auf diese Weise eine Unwucht
mit minimalem Kraftmoment in der beschaufelten Scheibe zu korrigieren.
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Wie
in 3 und 5 zu sehen, ist der vordere
Streifen 50 an dem Steg 26 zwischen der Verbindungsstelle
des ersten Randüberhangs 38 und der
vorderen Welle maschinell ausgebildet. Die anfängliche Auswuchtfläche 42b wird
zunächst
konzentrisch um die Mittelachse der Scheibe mit einer im Wesentlichen
konstanten radialen Dicke A spanabhebend ausgebildet, wobei an dem
Streifen 50 die radial nach innen zugewandte Schulter 54 entsteht.
Anschließend
wird die anfängliche
Auswuchtfläche 42b hinsichtlich
ihres größeren Durchmesser
E und mit dem Exzentrizitätsversatz
G spanabhebend so ausgebildet, dass die radiale Stufe 54 in
einem Umfangsabschnitt des Streifens, beispielsweise an der in 4 und 5 veranschaulichten
6-Uhr-Stellung, weitgehend eliminiert ist.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann
die effektive Unwuchtkorrektur der exzentrischen Auswuchtfläche für einen
Bereich von Maximaldicken der Auswuchtfläche auf analytischem Wege im
Voraus bestimmt werden. Beispielsweise kann der Maximalwert der
Dicke A der Auswuchtfläche
bis etwa 27 mm (50 Tausendstel Zoll) betragen, und der mitwirkende
Exzentrizitätsversatz
G kann gleich der Hälfte
der Maximaldicke, oder in diesem Beispiel 0,64 mm (25 Tausendstel
Zoll), sein. Die exzentrische Auswuchtfläche stellt eine Versatzmasse bereit,
die in den gleichen Einheiten wie die Unwuchtkraft, z.B. Newtonmeter
(Grammzoll), an einer durch ihre Symmetrieebene gekennzeichneten
Winkelposition angegeben werden kann.
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In
einem typischen Beispiel weist der gemessene Unwuchtvektor einen
Betrag innerhalb der Auswuchtkapazität der anfänglichen Auswuchtfläche auf. Beispielsweise
kann die Unwuchtkraft F an der in 4 veranschaulichten
6- Uhr-Stellung einen
Wert von 0,02491 Nm (100 Grammzoll) aufweisen. Und eine Auswuchtfläche mit
27 mm (50 Tausendstel Zoll) kann einen Auswuchtbetrag aufweisen,
der wesentlich größer ist
als die Unwuchtkraft.
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Dementsprechend
kann die anfängliche
ringförmige
Auswuchtfläche 42b in
dem in den 3 und 5 veranschaulichten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
zuerst hinsichtlich eines geeigneten größeren Wert ihres Durchmessers
D spanabhebend bearbeitet werden, indem zu Beginn überschüssiges Material
mit einer radialen Dicke H entfernt wird. Auf diese Weise wird die übrige Maximaldicke
A der ringförmigen
anfänglichen
Auswuchtfläche 42b zu
Beginn so reduziert, dass die sich ergebende Korrektur einer Unwucht
der gemessenen Unwuchtkraft F entspricht. Die Unwuchtkraft F kann
anschließend
in der Auswuchtmaschine von neuem ermittelt werden, um die Genauigkeit
der Unwuchtkraft nach der Reduzierung der Dicke der anfänglichen
Auswuchtfläche
zu gewährleisten.
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Anschließend wird
die anfängliche
Auswuchtfläche
ausgehend von ihrem größeren Durchmesserwert
D ausgehend zu dem entsprechend größeren Durchmesser E mit dem
entsprechenden Versatz G, der das halbe Anwachsen des Innendurchmessers
der Auswuchtfläche
repräsentiert,
von neuem spanabhebend bearbeitet. Die sich ergebende exzentrische
Auswuchtfläche 42 wird
dann eine Korrekturkraft einbringen, die im Wesentlichen der gemessenen
Unwuchtkraft F entspricht, um jene Unwucht diametral gegenüberliegend
zu versetzen und die gesamte beschaufelte Scheibe wirkungsvoll auszuwuchten.
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In
dem in den 1–5 veranschaulichten
exemplarischen Ausführungsbeispiel
wird die Auswuchtfläche 42 unter
dem vorderen Überhang 38 eingeführt, um
die gesamte beschaufelte Scheibe 14 der ersten Stufe wirkungsvoll
auszuwuchten.
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In
einer Abwandlung könnte
die Auswuchtfläche
unter dem hinteren Überhang 40 der
beschaufelten Scheibe, wo Raum vorhanden ist, eingeführt werden.
Da in diesem Bereich der ersten beschaufelten Scheibe 14 eine
(nicht dargestellte) Schaufeldämpfungseinrichtung
angeordnet ist, ist die Auswuchtfläche 42 statt dessen
unter dem vorderen Überhang
angeordnet. Allerdings erlaubt in der in 1 veranschaulichten
beschaufelten Scheibe 16 der zweiten Stufe der hintere Überhang 40 die
Einführung
der mit 42c bezeichneten Auswuchtfläche darunter.
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6 veranschaulicht
dieses abgewandelte Ausführungsbeispiel
detaillierter, bei dem der hintere Überhang 40 sowohl
hinsichtlich seiner Außen-
als auch Innenflächen
konisch ist. Weiter ist die Auswuchtfläche 42c mit einem
entsprechenden Konus ausgebildet, um der Kontur der inneren Oberfläche des
hinteren Überhangs
zu entsprechen, so dass über
die axiale Weite der Auswuchtfläche
eine im Wesentlichen konstante Dicke aufrecht erhalten ist. die
konische Auswuchtfläche 42c ist
jedoch im Übrigen ähnlich der
oben beschriebenen zylindrischen Auswuchtfläche 42 und ist in ähnlicher
Weise bezüglich
der Mittelachse der Scheibe exzentrisch angeordnet, um eine Korrekturauswuchtkraft
einzubringen, so dass die gemessene Unwucht der beschaufelte Scheibe 16 der
zweiten Stufe verlagert wird.
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Da
die konische Auswuchtfläche 42c in
der zweiten beschaufelten Scheibe 16 nicht an dem mit dem
kleineren Durchmesser ausgebildeten vorderen Überhang sondern an dem hinteren Überhang 40 mit dem
größeren Durchmesser
eingeführt
ist, ist die Auswuchtwirkung des Stegs größer, und dessen Abmessungen
können
entsprechend reduziert werden, um das in die beschaufelte Scheibe
eingeführte
Eigengewicht des Auswuchtflächenmerkmals
selbst weiter zu minimieren.
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1 veranschaulicht
ferner eine mit 42d bezeichnete weitere zylindrische Form
der exzentrischen Auswuchtfläche,
die unter dem hinteren Überhang 40 der
beschaufelten Scheibe 18 der dritten Stufe angeordnet ist.
Angesichts der größeren Konstruktion
des Streifens der dritten beschaufelten Scheibe 18 kann
die zylindrische Auswuchtfläche 42d ohne
Stufen an dem Streifen um den gesamten Umfang der Scheibe exzentrisch
zu der Mittelachse der Scheibe ausgebildet werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Einführung
der Auswuchtfläche
in ihren unterschiedlichen Ausprägungen
entlang der Unterseite des vorderen und/oder des hinteren Überhangs
der Scheibe ist die Erleichterung einer Reparatur der beschaufelten
Scheibe nach einer langen Nutzungsdauer und die Möglichkeit
der erneuten Ausbildung der Auswuchtfläche für ein erneutes Auswuchten der
reparierten beschaufelten Scheibe, ohne die Festigkeit der beschaufelten Scheibe
zu beeinträchtigen.
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7 veranschaulicht
denselben Abschnitt der in 5 veranschaulichten
beschaufelten Scheibe der ersten Stufe, der einem Reparaturverfahren unterworfen
wird, gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Eine oder mehrere Schaufeln 32 werden
möglicherweise
während der
Wartung beispielsweise durch Fremdkörperschaden (FOD = Foreign
Object Damage) beschädigt.
Zumindest eine der Schaufeln 32 kann auf eine beliebige
geeignete Weise repariert werden, beispielsweise, indem ein Teil
der Schaufel oder die Schaufel als Ganzes entfernt wird, und ein
solcher Teil oder die gesamte Schaufel durch ein Ersatzteil ersetzt
wird, das metallurgisch geeignet an seinem Ort durch Schweißen oder
durch eine sonstige geeignete Technik befestigt wird. Die in dieser
Weise reparierte beschaufelte Scheibe muss anschließend vor
Rückgabe
an die Wartung erneut geeignet ausgewuchtet werden.
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Dies
kann erreicht werden, indem die Wuchtfläche 42 an dem entsprechenden Überhang 38 konzentrisch
zu dem Scheibenrand wiederhergestellt wird, so dass wieder eine
neue Gestalt der exzentrischen Auswuchtfläche erzeugt werden kann.
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Die
reparierte beschaufelte Scheibe mit der wiederhergestellten konzentrischen
anfänglichen Auswuchtfläche 42b kann
anschließend
in derselben Weise wie oben beschrieben ausgewuchtet werden, indem
die Unwucht gemessen wird und die wiederhergestellte Wuchtfläche 42 anschließend spanabhebend
bearbeitet wird, um die exzentrische Korrektur daran zu bewirken.
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In
dem in 7 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann die Auswuchtfläche
mit einem ausreichend dicken anfänglichen
Maß wiederaufgebaut
werden; indem mittels Plasmaspritzablagerung zusätzliches metallisches Material 58 entlang
der Unterseite des Randüberhangs aufgebracht
wird, um dessen Innendurchmesser zu vermindern. Ein beliebiges Verfahren
herkömmlicher Plasmaspritzablagerung
kann verwendet werden, um die Wuchtfläche wiederaufzubauen, ohne
die Materialeigenschaften oder Festigkeit der Scheibe zu beeinträchtigen.
Weiter kann eine geeignete Wärmebehandlung
der beschaufelten Scheibe eingesetzt werden, um die Materialeigenschaften
im Bedarfsfall zu verbessern.
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Anschließend kann
die wiederhergestellte Wuchtfläche
hinsichtlich der geeigneten Form der ringförmigen anfänglichen Auswuchtfläche 42b konzentrisch
zu dem Rand spanabhebend bearbeitet werden, bevor die reparierte
beschaufelte Scheibe erneut ausgewuchtet wird.
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Auch
hier kann die in dieser Weise reparierte beschaufelte Scheibe zusammen
mit der wiederaufgebauten anfänglichen
Auswuchtfläche 42b anschließend in
derselben Weise wie oben beschrieben erneut ausgewuchtet werden,
indem die Unwuchtkraft gemessen wird und die anfängliche Auswuchtfläche mittels
spanabhebender Bearbeitung in die erforderliche exzentrische Form
gebracht wird, um die gemessene Unwucht zu verlagern.
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Die
oben beschriebene exzentrische Auswuchtfläche, in ihren vielfältigen Ausprägungen,
lässt sich
ohne weiteres in im Übrigen
herkömmlichen
beschaufelten Scheiben verwenden, die an einem beliebigen geeigneten
Ort zum Gebrauch in dem Gasturbinentriebwerk bestimmt sind. Die
exzentrische Auswuchtfläche
wird an einem verhältnismäßig großen Durchmesser
längs der
Unterseite jedes Randüberhangs
angeordnet, so dass ihre Effizienz maximiert wird, während die
Menge an Masse, die für
die Bewirkung der Korrektur der Unwucht erforderlich ist, minimiert
ist.
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Die
Auswuchtfläche
erstreckt sich um den Rand herum in einer von einem maximalen zu
einem minimalen Wert abnehmenden Dicke und geht bündig in
die Unterseite des Randes über
und führt
keine Reifenspannungskonzentrationen in die beschaufelte Scheibe
ein. Weiter ist die Auswuchtfläche
strukturell von dem zwischen den Schaufeln und den tragenden Wellen
verlaufenden Lastpfad entkoppelt und verringert nicht deren Festigkeit.
Die durch die Einführung
der Auswuchtfläche
selbst hervorgerufene zusätzliche
Last wird problemlos durch die Scheibe hindurch übertragen, ohne die Spannung
darin während
des Laufbetriebs merklich zu steigern.