DE602004008015T2

DE602004008015T2 - Abdeckung zum Schutz von Turbomaschinenschaufeln bei Oberflächenbehandlung

Info

Publication number: DE602004008015T2
Application number: DE602004008015T
Authority: DE
Inventors: Lhocine Oussaada; Thierry Labrousse; Thierry Belkheir; Claude Colas; Habib Mehdaoui; Christian Polis
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2024-11-27
Also published as: DE602004025058D1; RU2369443C2; ES2291837T3; EP1911549A1; EP1537950B1; FR2863191B1; FR2863191A1; US20050227589A1; EP1911549B1; EP1537950A1; TW200530488A; CN100569988C; RU2004135414A; DE602004008015D1; ES2336499T3; NO20045322L; CN1626696A; US7066799B2; MXPA04012145A; TWI331184B

Description

Diese Erfindung betrifft den Schutz von Oberflächen von Turbomaschinenschaufeln vor einer Teil-Oberflächenbehandlung, die spanabhebend oder auch einfach schädlich für die nicht zu behandelnden Oberflächen ist. Sie betrifft ferner die Anwendung eines Oberflächenschutzes bei jeglichem mechanischen Werkstück, das einer solchen Oberflächenbehandlung unterzogen werden muss.
Bezugnehmend auf 1 setzt sich eine Turbomaschinenschaufel 10, hier die eines Turbotriebwerks-Verdichters oder -Gebläses, aus einem Schaufelblatt 11 mit einer Druckseite und einer Saugseite 19, einer Stelze 12 und einem Fuß 13 zusammen, der sich in eine axiale Einsteckhülse einfügt, die in der Achse der zentralen Scheibe der Maschine, die sie hält, ausgeführt ist (nicht dargestellt). Eine Plattform 14 trennt das Schaufelblatt 11 von der Stelze 12.
Die zentrale Scheibe hält so eine bestimmte Anzahl von Schaufeln, deren Schaufelblätter alle in gleichen Abständen voneinander gehalten werden, und zwar durch Flossen 15, die sich in einem mittleren Bereich jeder Seite der Schaufelblätter befinden, wobei sich bei benachbarten Schaufelblättern die Enden der zwei jeweils aneinandergrenzenden Flossen in Kontakt miteinander befinden.
Die Oberflächenbehandlung der Schaufel 10, die im Allgemeinen aus Titan oder einer Titanlegierung besteht, beinhaltet eine erste Bearbeitung E1 der Oberfläche durch Sandstrahlen, um diese aufzurauen, und zwar als Vorbereitung eines zweiten Bearbeitungsschritts E2, einer sogenannten Metallbeschichtung mit Auftragen durch thermisches Spritzen. Dies ist insbesondere beim Spritzen mittels eines Plasmabrenners der Fall, und zwar beim Spritzen einer Kupferlegierung, beispielsweise Cu-Ni-In (Kupfer-Nickel-Indium), deren Duktilität es ermöglicht, die Vibrationen des in Betrieb befindlichen Motors im Bereich der Berührungsstellen der Schaufeln mit der zentralen Scheibe zu dämpfen, oder beim Spritzen von Wolframkarbid, beispielsweise WC-Co (Wolframkarbid-Kobalt), durch dessen Härte der durch die Reibungen zwischen den aneinandergrenzenden Flossen bewirkte Verschleiß vermieden werden kann.
Der Plasmabrenner spritzt den Legierungsüberzug mit hoher Geschwindigkeit und bei hoher Temperatur (von mehr als 2500 K) auf die zu behandelnde Oberfläche, um deren Halt dort zu bewirken.
Die Bearbeitungsschritte E1 sind sehr abriebintensiv, und die Bearbeitungsschritte E2 sind außerhalb der zu behandelnden Flächen nicht wünschenswert. Sie machen es bei einer Behandlung der Flossen erforderlich, zwischen den Sandstrahl-Werkzeugen bzw. den Plasmabrennern und den Seiten 19 der Schaufeln 10 einen Schutz dergestalt anzubringen, dass letztere deren Einwirkungen entzogen werden. Genauer ausgedrückt werden nur die Oberflächen 17 der Enden der Flossen 15, die in Kontakt mit denen 17 der anderen Flossen der benachbarten Schaufeln bei der Herstellung den oben genannten Oberflächenbehandlungen unterzogen. Ferner weisen die beiden Seiten 19 des Schaufelblatts 11 schraubenförmige Oberflächen mit sehr präziser Geometrie auf, die geschützt werden müssen.
Bei einer Behandlung des Fußes müssen nur die Kontaktoberflächen 18 beiderseits des Fußes 13 zumindest während der Bearbeitung E2 geschützt werden.
Heute bringt der Arbeiter zu diesem Zweck Haftstreifen mit ausreichender mechanischer Festigkeit und Wärmefestigkeit um die zu behandelnden Oberflächen herum an.
Diese manuellen Vorgänge sind auf Grund der Komplexität der Schaufelformen, der erforderlichen Präzision und der schlechten Zugänglichkeit der zu schützenden Oberflächen mühsam und zeitraubend. Es ist durch sie keine gleichbleibende hohe Qualität gewährleistet, da sie nicht vollkommen gleich wiederholt werden können und da ein mangelhaftes Haften der Haftstreifen das Risiko des Überdeckens, ja sogar des Ablösens des aufgetragenen Überzugs birgt. Ferner stellt man bei der Metallbeschichtung fest, dass manche Partikel die in Bildung begriffene Beschichtung erreichen, nachdem sie von der Schutzoberfläche abgeprallt sind. Die Güte des Haftens oder der Homogenität dieser Partikel ist dann nicht mehr ausreichend, und die entsprechenden Bereiche halten den auf Turbomaschinen ausgeübten Belastungen weniger gut stand.
Es besteht also ein Bedarf, die Produktivität und die Qualität dieser Arbeitsvorgänge zu verbessern.
Ferner unterliegen die Arbeiter, die diese Vorgänge ausführen, nervlichen Anspannungen, insbesondere auf Grund der Aufmerksamkeit, die zu deren Durchführung erforderlich ist; sie sind auch dem Risiko von muskelskelettbezüglichen Störungen als Folge der Durchführung von sich wiederholenden Bewegungen ausgesetzt.
In der Schrift US 5 792 267 ist eine Schutzabdeckung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben.
Um alle diese Mängel zu beseitigen, schlägt die Anmelderin eine Schutzabdeckung für die Oberflächenbehandlung von Oberflächen einer Turbomaschinenschaufel gemäß Anspruch 1 vor.
Die Oberflächenbehandlung umfasst einen Schritt des Sandstrahlens und/oder einen Schritt der Metallbeschichtung.
Mittels Werkzeug wird ein Werkstück oder eine Gesamtanordnung von Werkstücken, die zumindest zum Teil starr sind und deren Form und Werkstoffe sich dafür eignen, dass zu schützende Oberflächenbereiche abgedeckt werden. Die Werkstoffe der Werkzeugausrüstung sind ebenfalls geeignet, den Arbeitsbedingungen während der Bearbeitungsschritte E1 und E2 standzuhalten. Mit Hilfe der Werkzeugausrüstung dieser Erfindung wird jeglicher Vorgang des manuellen Aufbringens von Haftstreifen überflüssig gemacht, und das Abdecken erfolgt in vollkommen wiederholbarer Weise.
Vorzugsweise ist die Schutzabdeckung in Anbetracht dessen, dass der Bearbeitungsschritt E2 eine Temperaturerhöhung mit sich bringt, so ausgelegt, dass sie den Wärmeeinwirkungen der Oberflächenbehandlung, hier einem Aufbringen von Plasma, standhält.
Ebenfalls vorzugsweise besteht die Schutzabdeckung für den Bearbeitungsschritt E1 in Anbetracht dessen, dass der Bearbeitungsschritt E2 eine vorherige mechanische Bearbeitung erfordert, aus einem Werkstoff, der der Abriebeinwirkung eines Sandstrahlens standhält.
Vorteilhafterweise besteht die Schutzabdeckung aus rostfreiem Stahl oder aus einem Silikon- oder Polymerwerkstoff.
Möglicherweise kann die Schutzabdeckung sowohl für das Sandstrahlen wie auch für das Aufbringen von Plasma eingesetzt werden und kann bei einer Reihe von Turbomaschinenschaufeln wiederverwendet werden.
Die Erfindung geht näher aus der folgenden Beschreibung einer Schutzabdeckung für eine Anwendung der Erfindung sowie aus der beigefügten Zeichnung hervor, wobei
1 eine Verdichterschaufel in einer Perspektivansicht zeigt,
2 in einer Seitenansicht eine erste Anwendung der Erfindung darstellt, die in einer Abdeckung besteht, die so formangepasst ist, dass sie die Bearbeitung des Fußes einer Schaufel ermöglicht,
3 einen Aufbau zeigt, der die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Schaufeln ermöglicht,
4A und 4B in Perspektivansichten eine weitere Anwendung der Erfindung darstellen, die in Abdeckungen zum Schutz der Oberflächen einer Schaufel vor dem Sandstrahlen und dem Aufbringen von Plasma auf den zu behandelnden Oberflächen ihres Fußes bestehen.
2 zeigt den unteren Teil einer Verdichterschaufel, von der das Schaufelblatt 11, die Plattform 14 und der Fuß 13 zu sehen sind. Er ist hier schwalbenschwanzförmig und geradlinig ausgeführt (nicht einschränkend, lediglich als Beispiel dienend). Um ein Dämpfen der Vibrationen der Schaufel in ihrer Einsteckhülse während des Betriebs des Motors zu gewährleisten, wird eine Beschichtung 13R lokal begrenzt in den Bereichen aufgetragen, die sich in Kontakt mit den Seiten der Einsteckhülse befinden. Um diese Beschichtung durch einen Plasmabrenner aufbringen zu können, wird gemäß dieser Erfindung eine Schutzabdeckung 100 angeordnet, die die Form des Fußes der Schaufel zum Teil annimmt und durch einfaches Einpassen angebracht werden kann. Die Schutzabdeckung 100, die vorteilhafterweise aus rostfreiem Stahl besteht, weist eine bestimmte Dicke auf. In dieser Schutzabdeckung ist auf jeder Seite des Fußes ein Fenster 100R ausgeführt. Die Form und die Abmessungen der Fenster hängen von denen der Beschichtung 13R ab, die durch den Plasmabrenner aufgebracht werden soll. Diese Beschichtung 13R ist auf den beiden Oberflächen des Fußes befindlich, die mit der Scheibe an der Turbomaschine in Kontakt kommen.
Der Plasmabrenner wird vorzugsweise senkrecht zu der zu bearbeitenden Oberfläche angeordnet. Die Wände des Fensters verlaufen senkrecht zu dieser Oberfläche. Das Fenster ermöglicht den Durchgang der geschmolzenen Metallpartikel während des Vorgangs der Metallbeschichtung mittels Plasmabrenner. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass die von dem Plasmabrenner kommenden geschmolzenen Metallpartikel, die sich nicht auf der Achse des Fensters bewegen, sich in dem Bereich um das Fenster 100R herum auf der Abdeckung absetzen, ohne ins Innere abzuprallen. Diese Partikel können also die sich gerade bildende Schicht nicht durch Aufprallen beeinträchtigen. Nach Aufbringen einer Schicht in der gewünschten Stärke wird die Abdeckung entfernt. Die Beschichtung 13R hat genau die Form, die durch die Form des Fensters definiert ist; es ist nicht erforderlich, einen Arbeitsschritt des Korrigierens vorzunehmen.
Die Abdeckung wird für die Bearbeitung weiterer Schaufeln wieder eingesetzt, solange der metallbeschichtete Bereich um das Fenster herum nicht zu dick ist. So kann die Abdeckung mehrere Male verwendet werden, bevor ein Wieder-in-Form-Bringen durch ein „Metallentschichten" des Bereichs um das Fenster herum erforderlich wird. Ein solcher Vorgang der Wiederherstellung des ursprünglichen Zustandes der Abdeckung erfolgt vorteilhafterweise durch chemische Behandlung mit Techniken, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind.
Falls vorher ein Arbeitsschritt der Vorbereitung der Oberfläche erforderlich ist, wird die gleiche Abdeckung verwendet, um die Oberflächen zu schützen, die von dem Sandstrahlen nicht betroffen werden dürfen.
Eine solche Abdeckung bietet auch den Vorteil, dass sie die Behandlung mehrerer Schaufeln gleichzeitig ermöglicht. Zu diesem Zweck ist in der Bodenwand der Abdeckung eine Rille 110 vorgesehen, um dann das Anlegen einer Ausricht-Stange 43 zu ermöglichen.
In 3 ist ein Aufbau für die Bearbeitung einiger Schaufeln dargestellt. Die mit ihrer Schutzabdeckung 100 versehenen Schaufeln werden auf einem einzigen Werkzeug 40 zusammen angeordnet.
Das Werkzeug 40 umfasst ein Gestell 42, auf dem die Schaufeln mit dem Schaufelblatt nach unten befestigt wurden, so dass sich die Abdeckungen obenauf befinden. Die Fenster 100R sind zu sehen. Eine Stange 43 verbindet die Abdeckungen 100 mittels der Rillen 110. Mit Hilfe dieser Stange können die Abdeckungen präzise aufeinander ausgerichtet werden. Entlang der Reihe der Abdeckungen sind Blenden 41 dergestalt angeordnet, dass sie die Plattformen der Schaufeln bedecken und schützen. Sobald der Aufbau hergestellt ist, wird das Behandlungswerkzeug auf das erste Fenster gerichtet und mit einer bestimmten Geschwindigkeit parallel zu den Fenstern verschoben. Durch diese Anordnung wird die Sandstrahl-Bearbeitung, gefolgt von der Metallbeschichtung, oder auch die Bearbeitung durch Metallbeschichtung allein an einer Anzahl N von Schaufeln unter Gewährleistung einer gleichbleibenden Qualität ermöglicht.
In den 4A und 4B wurde eine Abdeckungsvorrichtung dargestellt, die an Schaufeln mit gebogenem Fuß wie beispielsweise große Gebläseschaufeln angepasst ist.
Für einen Bearbeitungsschritt E1 des Sandstrahlens der Oberflächen 18 des Fußes 13 des Schaufelblatts 11 einer Schaufel 10 ist, bezugnehmend auf 4A, eine Schutzabdeckung 100' vorgesehen, die ein auf einem Sockel 132 befestigtes Gestell 125 aus Silikon- oder Polymerwerkstoff umfasst, das dergestalt ausgeführt ist, dass es so angebracht werden kann, dass es den Fuß 13 des Schaufelblatts 11 umgibt und dabei die zu behandelnden Oberflächen 18 durch Öffnungen 124 hindurch sichtbar lässt.
Dazu enthält das Gestell zwei Halbschalen 121, die die Formen der obengenannten Fläche annehmen und nach den gleichen Fertigungsplänen ausgeführt sind, die deren Herstellung ermöglicht haben.
Diese beiden Halbschalen 121 werden durch abnehmbare Riegel 123 zusammengefügt, die beispielsweise ihrerseits in die beiden Halbschalen 121 eingeschoben werden, und können damit herausgenommen werden, um für einen erneuten Zusammenbau geeignet und für die Behandlung einer weiteren Schaufel verfügbar zu bleiben.
Für einen Bearbeitungsschritt E2 des Aufbringens von Plasma auf den Oberflächen 18 des Fußes 13 des Schaufelblatts 11 ist, bezugnehmend auf 4B, eine Schutzabdeckung 100'' vorgesehen, die vier auf einem Sockel 132'' befestigte Stützen 127 umfasst, die dergestalt ausgeführt sind, dass sie zwei Streben 126 abstützen, alle aus rostfreiem Stahl, die das Schaufelblatt 11 halten, sowie zwei Abdeckungen 128 aus rostfreiem Stahl, die den Fuß 13 des Schaufelblatts 11 beiderseits des Fußes halten und bedecken und dabei durch Öffnungen 131 hindurch die zu behandelnden Oberflächen 18 sichtbar lassen.
Hier ist der Rand der Öffnungen 131, um die Ausdehnung der zu behandelnden Oberfläche präzise einzustellen, mit Klauen 129 besetzt, die diese Ausdehnung nach Wunsch begrenzen. Die Position der Klauen 129 ist durch Gleiten auf den Abdeckungen 128 einstellbar und wird durch Klemmschrauben 130 gehalten.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel begrenzen die Klauen 129 nur die Länge der Öffnungen 131, jedoch ist die gleiche Vorrichtung auch hinsichtlich der Breite möglich, wobei die beiden Vorrichtungen leicht gleichzeitig angebracht sein können.
Die Abdeckung besteht vorzugsweise aus einem Silikonwerkstoff. Dieser Werkstoff hält sowohl der mechanischen Bearbeitung durch Sandstrahlen wie auch der Wärmeeinwirkung bei der Metallbeschichtung stand.
Diese Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsweisen beschränkt. Der Schutzbereich ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Schutzabdeckung für die Oberflächenbehandlung einer Turbomaschinenschaufel (10), die einen Fuß mit zu behandelnden Oberflächen (18) aufweist, wobei diese Abdeckung auf dem Fuß um die genannten Oberflächen (18) herum angeordnet wird und aus einem Werkstoff besteht, der den Auswirkungen der Oberflächenbehandlung standhält und dabei ein abnehmbares und wieder verwendbares Werkzeug darstellt, das sich aus mindestens einem Stück (100, 100', 100'', 239) zusammensetzt, das die Form des Fußes annimmt und eine bestimmte Dicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Stück Öffnungen aufweist, durch die die zu behandelnden Oberflächen (18) sichtbar sind und deren Form auf die zu behandelnden Oberflächen passt, und zwar mit Wanden, die senkrecht zu diesen stehen, so dass das Absetzen von Partikeln, die sich nicht auf der Achse der Öffnungen befinden, gewährleistet ist, ohne dass diese auf die genannten zu behandelnden Oberflächen reflektiert werden.
Abdeckung nach Anspruch 1, die mindestens zwei Halbschalen (121, 233) umfasst, die durch Riegel oder Klemmen (123, 236) zusammengehalten werden.
Abdeckung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, die aus einem Werkstoff besteht, der den thermischen Einwirkungen einer Plasmabeschichtung standhält.
Abdeckung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die aus einem Werkstoff besteht, der den mechanischen Einwirkungen einer Bearbeitung durch Sandstrahlen standhält.
Abdeckung nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, die aus rostfreiem Stahl besteht.
Abdeckung nach Anspruch 5, die durch einfaches Einpassen angebracht werden kann.
Abdeckung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die aus einem Silikon- oder Polymerwerkstoff besteht.