DE602004012805T2

DE602004012805T2 - Linearreibschweissverfahren von Schaufeln zu Integralrotorer und Schaufel mit einem Fuss, der einen reduzierten Flächesatz von weniger als 2 aufweist

Info

Publication number: DE602004012805T2
Application number: DE602004012805T
Authority: DE
Inventors: Simon Edward Alvaston Derby Bray; Jonathan Peter Chellaston Derby Throssell
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2024-06-12
Also published as: ATE390980T1; DE602004012805D1; GB0316158D0; US7410089B2; EP1495829A1; US20050006440A1; EP1495829B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von mit Tragflügelschaufeln beschaufelten Scheiben und eines Schaufelelements zur Verwendung bei einem solchen Verfahren, gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 8 (s. beispielsweise US 2002/0070491 A1 ).
Eine mit Tragflügelschaufeln beschaufelte Scheibe weist eine Vielzahl von Schaufeln auf, die so an einer Scheibe angeschweißt sind, dass sie davon radial auswärts wegragen. Geschaufelte Scheiben können in Flugzeugtriebwerken sowohl im Verdichter als auch in der Turbine eingesetzt werden und können gegenüber herkömmlichen beschaufelten Scheiben vorteilhaft sein.
Es ist bekannt, die Schaufeln durch lineares Reibschweißen mit der Scheibe zu verbinden, wobei dies ein Verfahren ist, bei welchem ein Teil feststehend gehalten wird, während das andere Teil unter Last dagegen oszilliert wird, und wobei die erzeugte Wärme und die ausgeübten Kräfte zu einer Verschweißung führen, da Material von den Rändern der Verbindung extrudiert wird. Beim Herstellen beschaufelter Scheiben wird ein Schaufelelement (das anschließend zur Bildung der fertiggestellten Schaufel bearbeitet wird) relativ zu einer feststehenden Scheibe oszilliert, während eine Kraft in der Radialrichtung auf die Schaufel gegen die Scheibe ausgeübt wird. Die Schaufel wird dadurch mit der Scheibe verbunden. Das radial innere Ende der Schaufel, das mit der Scheibe verbunden wird, wird als Zapfen bezeichnet.
Überschussmaterial wird anschließend vom Schaufelelement weg abgearbeitet, um eine Schaufel der gewünschten Form zu erhalten.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer beschaufelten Scheibe mit einer Mehrzahl von Tragflügelschaufeln vorgesehen, die mit einer Scheibe verbunden sind und radial auswärts von dieser wegragen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bilden eines Schaufelteils mit einem Zapfen zum Verbinden mit der Scheibe, wobei der Zapfen ein Verjüngungsverhältnis von weniger als 2 hat,
Verbinden des Zapfens des Schaufelteils mit der Scheibe durch lineares Reibschweißen, und
Abarbeiten von Überschussmaterial vom Schaufelteil zum Formen der Schaufel,
wobei der lineare Reibschweißungsprozess das Oszillieren des Schaufelteils tangential relativ zur Scheibe umfasst, und wobei ein Ende des Vorderkantenbereichs und des Hinterkantenbereichs des Zapfens jeweils durch eine gerade Kante definiert sind, die parallel zur Oszillationsrichtung sind.
Das Verjüngungsverhältnis ist das Verhältnis des breitesten zum schmalsten Teil des Zapfens im Querschnitt, in Richtung der relativen Oszillation des Zapfens und der Scheibe während des Reibschweißungsprozesses gemessen. Der in Bezug genommene Querschnitt verläuft über die Länge der Schaufel tangential über die Scheibe.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Formens der Scheibe mit einem Vorsprung, an welchem der Schaufelzapfen zu verbinden ist, wobei der Vorsprung die gleiche Querschnittsform hat wie der Schaufelzapfen.
Vorzugsweise ist das Schaufelteil so geformt, dass das Verjüngungsverhältnis des Zapfens weniger als 1,8 und höchst vorzugsweise das Schaufelverhältnis weniger als 1,5 ist.
Vorzugsweise ist das Schaufelteil so geformt, dass der Zapfen scharfe Ecken in den Bereichen hat, welche die Vorder- und Hinterkanten der Schaufel bilden.
Ein Ende des Vorderkantenbereichs des Zapfens ist durch eine gerade Kante definiert, die im wesentlichen parallel zur Oszillationsrichtung verläuft. Vorzugsweise verläuft die gerade Kante zwischen zwei der scharfen Ecken.
Ein Ende des Hinterkantenbereichs des Zapfens ist durch eine gerade Kante definiert, die im wesentlichen parallel zur Oszillationsrichtung verläuft. Vorzugsweise verläuft die gerade Kante zwischen zwei der scharfen Ecken.
Vorzugsweise ist das Schaufelteil derart geformt, dass für eine gegebene Schaufelform die Krümmung des Zapfens minimiert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Schaufelteil zur Verbindung mit einer Scheibe gemäß Anspruch 8 vorgesehen.
Vorzugsweise ist das Schaufelteil so geformt, dass das Verjüngungsverhältnis des Zapfens kleiner als 1,8 und höchst vorzugsweise das Verjüngungsverhältnis kleiner als 1,5 ist.
Vorzugsweise ist das Schaufelteil so geformt, dass der Zapfen scharfe Ecken in den Bereichen hat, welche die Vorder- und Hinterkanten der Schaufel bilden.
Vorzugsweise verläuft die scharfe Kante zwischen zwei der scharfen Ecken.
Vorzugsweise verläuft die scharfe Kante zwischen zwei der scharfen Ecken.
Vorzugsweise ist das Schaufelteil so geformt, dass für eine gegebene Schaufelform die Krümmung des Zapfens minimiert ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird lediglich zum Zwecke der Erläuterung mit Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht der herkömmlichen beschaufelten Scheibe ist,
2 ein schematischer tangentialer Schnitt durch einen Zapfen eines herkömmlichen Schaufelteils zur Verbindung mit einer Scheibe zur Bildung einer beschaufelten Scheibe ist, und
3 eine schematische Schnittansicht durch einen Zapfen eines Schaufelteils nach der Erfindung ist.
Gemäß 1 ist eine mit Tragflügelschaufeln beschaufelte Scheibe 10 dargestellt, die im Verdichter oder in der Turbine eines Flugzeugtriebwerks eingesetzt werden kann. Die beschaufelte Scheibe 10 weist eine Vielzahl von Schaufeln 12 auf, die an einer Scheibe 14 befestigt sind, so dass sie radial auswärts davon wegragen. Die Schaufeln 12 sind typischerweise aus Titan, Nickel oder Stahl hergestellt und sind durch lineares Reibschweißen mit der Scheibe verbunden. Dies erfordert das stationäre Halten der Scheibe 14, während ein Schaufelteil (bestehend aus der bis dahin unbearbeiteten/unfertigen Schaufel) tangential unter Last gegen die Scheibe 14 oszilliert wird. Die durch die Oszillation erzeugte Wärme zusammen mit der radial einwärts wirkenden Kraft resultiert in einer Schweißung zwischen der Scheibe 14 und dem Schaufelteil, wobei Schweißmaterial von beiden Seiten der Verbindung verdrängt wird.
Der radial innere Basisbereich des Schaufelteils, welcher die Scheibe 14 für die Verbindung damit durch lineares Reibschweißen berührt, wird als Zapfen bezeichnet. 2 zeigt im Querschnitt die Form eines herkömmlichen Schaufelzapfens 16. Der Querschnitt ist entlang der Länge des Schaufelteils in der Tangentialrichtung der Scheibe genommen, wenn das Schaufelteil daran befestigt ist. Die Schweißoszillationsrichtung ist tangential, wie durch den Pfeil A angedeutet.
Gemäß 2 weist der Zapfen 16 des Schaufelteils eine Vorderkante 18 und eine Hinterkante 20 auf, die jeweils sanft gekrümmt sind. Der Zapfen 16 weist weiter eine Saugseite 22 und eine Druckseite 24 auf, die jeweils zwischen den Vorder- und Hinterkanten 18 und 20 auf der jeweiligen Schaufel des Schaufelteils sanft gekrümmt sind.
Die Krümmung der Druckseite 24 ist etwas kleiner als diejenige der Saugseite 22, und der Zapfen 16 hat, in der Schweißoszillationsrichtung gemessen, eine maximale Breite, die in seinem mittleren Bereich beträchtlich größer als an der Vorderkante 18 oder der Hinterkante 20 ist. Die Pfeile X deuten die Vorderkantenbreite der Schaufel an, die Pfeile Y die Hinterkantenbreite der Schaufel, und die Pfeile Z die maximale Schweißbreite. Das Verhältnis der maximalen Schweißbreite zur minimalen Schweißbreite beträgt mehr als 2. Dieses Verhältnis wird als Verjüngungsverhältnis bezeichnet.
Die Erfinder haben erkannt, dass ein verhältnismäßig hohes Verjüngungsverhältnis Probleme bei dem Reibschweißungsprozess verursacht. Wenn der lineare Reibschweißungsprozess stattfindet, wird Fließmaterial zu den Seiten der Schweißeng nach außen verdrängt (d. h., es wird abgebrannt). Da das Material herausgedrückt wird, drückt der radial einwärts gerichtete Druck (der Schweißdruck) das Schaufelteil in radial einwärtiger Richtung. Die Abrandrate von Material ist in den Bereichen höher, wo der Zapfen relativ schmal in der Schweißoszillationsrichtung ist. Die Erfinder haben gefunden, dass in diesen Bereichen das Schaufelteil sich nicht schnell genug in der radial einwärtigen Richtung bewegt, um mit der Abrandrate von Material mitzuhalten. Dies liegt daran, dass das Material in den breiteren Bereichen des Schaufelzapfens eine solche radial einwärtige Bewegung verhindert (die Abrandrate ist niedriger in diesen Bereichen). Dies kann zur Rezirkulation von Fließmaterial in den schmaleren Bereichen und sogar zu Hohlräumen in der Schweißung führen. Eine Rezirkulation schädigt die Schweißqualität/-integrität.
Ein Steigen des Schweißdrucks kann bei dem obigen Problem helfen, aber es bestehen Grenzen für diesen Druck, der mit verfügbarer Maschinenausrüstung bereitgestellt werden kann.
Die europäische Patentanmeldung Nr. EP 0850 718 beschreibt eine Anordnung, wo an der Vorder- und Hinterkante eines Vorsprungs auf der Scheibe, mit dem der Zapfen zu verbinden ist, eine Manschette vorgesehen ist. Die Manschette stellt zusätzliches Material für den Zapfen für die Berührung während des linearen Reibschweißungsprozesses bereit und reduziert oder eliminiert dadurch das Freilegen der Kanten des Zapfens. Daher wird die Temperatur der Kanten des Zapfens hoch genug, um eine vollständige Bindung zu erreichen. Dies vermeidet/minimiert Defekte der Kanten des Zapfens, und die Schaufel kann trotz der Verjüngung des Schaufelprofils an Ort und Stelle verschweißt werden.
Gemäß 3 ist im Schnitt ein Schaufelteil 28 dargestellt, das einen Schaufelzapfen 30 mit einer verbesserten Form aufweist. Der Schaufelzapfen 30 bildet die Basis des Schaufelteils 28, das durch lineare Reibschweißung mit einer Scheibe zu verbinden ist, für eine nachfolgende Bearbeitung zur Bildung einer Schaufel der beschaufelten Scheibe. Der Zapfen 30 hat eine Vorderkante 18 und eine Hinterkante 20, die durch Saug- und Druckseiten 22 und 24 verbunden sind, wie beim Stand der Technik. Jedoch ist die Form des Zapfens signifikant modifiziert.
Der Zapfen 30 ist so geformt, dass sein Verjüngungsverhältnis idealerweise kleiner als 1,5 ist. Daher sind die Vorderkante 18 und die Hinterkante 20 beträchtlich breiter in der Schweißoszillationsrichtung (s. Pfeil A) als beim Stand der Technik. Desweiteren weist die Vorderkante 18 scharfe Ecken 32 und 34 auf, die durch eine gerade Kante 36 verbunden sind. Die Kante 36 verläuft parallel zur Schweißoszillationsrichtung. Die Hinterkante 20 weist scharfe Ecken 40 und 42 auf, die durch eine gerade Kante 44 verbunden sind, wobei die gerade Kante 44 parallel zur Schweißoszillationsrichtung verläuft. Die Form des Zapfens 30 stellt sicher, dass keine Bereiche vorhanden sind, in denen die Breite in der Schweißoszillationsrichtung beträchtlich kleiner als in irgendeinem anderen Bereich ist. Die durch die Pfeile X angedeutete Vorderkantenbreite, die durch die Pfeile Y angedeutete Hinterkantenbreite, und die durch die Pfeile Z angedeutete maximale Breite sind alle ungefähr gleich. Dies minimiert die mit ungleichförmigem Abrand verbundenen Probleme.
Die Scheibe würde Vorsprünge der gleichen Querschnittsform wie die Schaufelzapfen aufweisen, an denen die Zapfen anzuschweißen sind.
Wenn der Zapfen 30 mit der Scheibe verschweißt ist, kann Überschussmaterial vom Schaufelteil 28 abgearbeitet werden, um die Schaufel zu formen (s. das Material, das durch die Pfeile M und N angedeutet ist). Die Umrissgeometrie des Zapfens 30 ist so definiert, dass die Schrägstellung des Zapfens minimiert wird, wodurch die Menge von abgearbeitetem Material minimiert wird, während das Verjüngungsverhältnis immer noch klein gehalten wird. Die letztliche Schaufelform ist durch die Umrisslinie 46 angedeutet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist also ein Verfahren zum Herstellen einer mit Tragflügelschaufeln beschaufelten Scheibe bereitgestellt, welches die Probleme des Standes der Technik verringert. Die Zapfengestaltung erhöht die Verdrängung von Oberflächenverunreinigungen zum Erzeugen von Verbindungen mit hoher Integrität.
Verschiedene Modifikationen können bei der oben beschriebenen Ausführungsform vorgenommen werden, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Während das Verjüngungsverhältnis vorzugsweise kleiner als 1,5 ist, kann es auch höher sein, wenn die Schweißkraft hoch ist. Ein Verjüngungsverhältnis von 1,6 ist ein vernünftiges Ziel. Der Schweißdruck würde typischerweise 100 bis 120 Mpa für ein Verjüngungsverhältnis von 1,6 betragen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer beschaufelten Scheibe (10) mit einer Mehrzahl von Tragflügelschaufeln (12), die mit einer Scheibe (14) verbunden sind und radial auswärts von dieser wegragen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bilden eines Schaufelteils (28) mit einem Zapfen (30) zum Verbinden mit der Scheibe (14), wobei der Zapfen (30) formgestaltet ist und über die Länge des Schaufelteils (28) einen breiten und einen schmalen Abschnitt aufweist, wobei das Verhältnis vom breitesten zum schmalsten Teil des Zapfens (30) weniger als 2 beträgt um die Wölbung des Zapfens (30) zu verringern, Verbinden des Zapfens (30) des Schaufelteils (28) durch lineares Reibschweißen mit der Scheibe (14), und Abtragen überschüssigen Materials von dem Schaufelteil (28) zum Formen der Schaufel (12), dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Reibschweißungsprozeß das Oszillieren des Schaufelteils (28) tangential relativ zur Scheibe (14) umfasst, und dass ein Ende des Vorderkantenbereichs (18) und des Hinterkantenbereichs (20) des Zapfens (30) jeweils durch einen gerade Kante (36, 44,) definiert ist, die parallel zur Oszillationsrichtung verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter den Schritt des Bildens der Scheibe (14) mit einem Vorsprung umfasst, mit welchem der Schaufelzapfen (30) zu verbinden ist, wobei der Vorsprung die gleiche Querschnittsform wie der Schaufelzapfen (30) hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelteil (28) so geformt ist, dass das Verhältnis des breitesten zum schmalsten Teil des Zapfens (30) weniger als 1,8 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis vom breitesten zum schmalsten Teil des Zapfens (30) weniger als 1,5 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelteil (28) so geformt ist, dass der Zapfen (30) scharfe Ecken (32, 34, 40, 42) in den Bereichen hat, welche die Vorderkante (18) und die Hinterkante (20) der Schaufel (12) bilden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gerade Kante (36) der Vorderkante zwischen zwei der scharfen Ecken (32, 34) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gerade Kante (44) der Hinterkante zwischen zwei der scharfen Ecken (40, 44) verläuft.
Schaufelteil (28) zur Verbindung mit einer Scheibe (14) durch lineares Reibschweißen zum Bilden einer beschaufelten Scheibe (10), wobei das Schaufelteil (28) einen Zapfen (30) zur Verbindung mit der Scheibe (14) hat, der Zapfen (30) formgestaltet ist und einen breiten und einen schmalen Abschnitt über die Länge des Schaufelteils (28) hat, das Verhältnis vom breitesten zum schmalsten Teil des Zapfens weniger als 2 beträgt, um die Wölbung des Zapfens (30) zu verringern, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelteil (28) für eine lineare Reibschweißung mit der Scheibe (14) mit tangential zur Scheibe (14) verlaufender Oszillationsrichtung des Schaufelteils (28) ausgelegt ist, und ein Ende des Vorderkantenbereichs (18) und des Hinterkantenbereichs (20) des Zapfens (30) jeweils durch eine gerade Kante (36, 44) gebildet ist, die parallel zur Oszillationsrichtung der Schaufel während des Reibschweißvorgangs verläuft.
Schaufelteil (28) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Zapfens (30) weniger als 1,8 beträgt.
Schaufelteil (28) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Zapfens (30) weniger als 1,5 beträgt.
Schaufelteil (28) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (30) scharfe Ecken (32, 34, 40, 42) in den Bereichen hat, welche die Vorderkante (18) und die Hinterkante (20) der Schaufel (12) bilden.
Schaufelteil (28) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gerade Kante (36) der Vorderkante zwischen zwei der scharfen Ecken (32, 34) verläuft.
Schaufelteil (28) nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gerade Kante (44) der Hinterkante zwischen zwei der scharfen Ecken (40, 42) verläuft.