DE60314744T2

DE60314744T2 - Herstellungsverfahren insbesondere eines integral beschaufelten Rotors

Info

Publication number: DE60314744T2
Application number: DE60314744T
Authority: DE
Inventors: Darek Nowak; Ashok Patel; Ray Petraska
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: EP1502682B1; RU2004123094A; DE60314744D1; ATE366158T1; US7225539B2; RU2353480C2; US20050025598A1; EP1502682A1

Description

Gebiet der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten aus schwierig spanabhebend zu bearbeitenden Werkstoffen für Gasturbinen, insbesondere für Flugzeugtriebwerke, durch Fertigung von Vertiefungen mit einer oder mehreren Seitenwänden, insbesondere für die Herstellung integral beschaufelter Rotoren für Gasturbinen, wobei die Vertiefungen Strömungskanäle und die Seitenwände die Oberflächen der Schaufeln bilden.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Integral beschaufelte Rotoren für Gasturbinen werden, abhängig von der Querschnittsform des Rotors, oft als „Blisks" oder „Blings" bezeichnet. Scheibenförmige Rotoren mit integralen Schaufeln nennt man „Blisks" (Blisk = bladed disk, beschaufelte Scheibe), ringförmige Rotoren mit integralen Schaufeln „Blings" (Bling = bladed ring, beschaufelter Ring).
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Verfahren zur Herstellung von integral beschaufelten Rotoren bekannt. Hierzu gehören Fräsverfahren sowie chemische und elektrochemische Erosionsverfahren, durch die der Werkstoff zwischen den Seitenwänden, die die Strömungskanäle definieren, abgetragen wird. Ein Fräsverfahren zur Herstellung integral beschaufelter Rotoren ist beispielsweise in US-Patent 6.077.002 beschrieben. Viele aus dem Stand der Technik bekannte Herstellungsverfahren sind zeitaufwändig und machen die Herstellung von integral beschaufelten Rotoren teuer.
Patentschrift GB 548 282 A beschreibt Verbesserungen an bzw. bei Turbinen. Im einzigen Anspruch dieser britischen Patentschrift geht es um den Schutz einer Gasturbine, bei der die Schaufeln integral mit dem Radkörper ausgeführt sind; die Schaufeln werden dabei durch eine Reihe von Bohr- und Senkrechtfräsvorgängen direkt in den Umfang des Rades geschnitten. Die Patentschrift beschreibt, dass durch Verwendung eines speziellen gleitenden Fräskopfes, der durch geeignete Profilformer geführt wird, der Fräsvorgang an jeder Schaufel und an einer Reihe von Turbinenrädern mit hoher Genauigkeit wiederholt werden kann. Der Schrift liegt keine Zeichnung bei, die zum besseren Verständnis der Kinematik des Bohrvorgangs und der kinematischen Beziehung zwischen dem Bohr- und Fräsvorgang beitragen würde. Auch die thermische Abfolge des Bohr- und Fräsvorgangs ist nicht beschrieben. Abgesehen von dem Vorschlag, dass Bohr- und (Senkrecht-)Fräsverfahren miteinander kombiniert werden sollten, ist der Prozess im Einzelnen nicht näher beschrieben.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung insbesondere von integral beschaufelten Rotoren bereitzustellen, durch das die Zeit, die zur spanenden Bearbeitung mit einer Kombination aus Bohr- und Fräsverfahren erforderlich ist, deutlich verringert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten aus schwierig spanabhebend zu bearbeitenden Werkstoffen für Gasturbinen vor, insbesondere für Flugzeugtriebwerke, durch Fertigung von Vertiefungen mit einer oder mehreren Seitenwänden, insbesondere für die Herstellung integral beschaufelter Rotoren für Gasturbinen, wobei die Vertiefungen Strömungskanäle und die Seitenwände die Oberflächen der Schaufeln bilden, wobei die Konturen der Vertiefungen durch Definition der Konturen der Seitenwände und/oder der Konturen der Strömungskanäle definiert werden, wobei das Material im Bereich der Strömungskanäle durch einen Bohrprozess entfernt wird und wobei nach Beendigung des Bohrprozesses die Entfernung des Materials im Bereich der Strömungskanäle durch einen Fräsprozess vervollständigt wird. Die Kombination aus Bohrprozess und anschließend zur Vervollständigung der Materialentfernung durchgeführtem Fräsprozess verkürzt die Herstellungszeit signifikant und senkt die Kosten der Herstellung integral beschaufelter Rotoren, wenn die Achse der Bohrlöcher/des Bohrwerkzeugs in etwa parallel zur Strömungsrichtung durch den Strömungskanal verläuft, während die Achse des Fräswerkzeugs in etwa rechtwinklig zur Strömungsrichtung verläuft.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird für jeden Strömungskanal mindestens eine Mittellinie des Strömungskanals anhand der Konturen der Seitenwände berechnet, die den Strömungskanal definieren. Der Bohrprozess wird so durchgeführt, dass die Achse jedes Bohrlochs in etwa parallel zu der bzw. zu jeder Mittellinie des herzustellenden Strömungskanals verläuft, wobei eine Eintrittsöffnung jedes Bohrlochs neben den Vorderkanten der Seitenwände liegt, die den herzustellenden Strömungskanal definieren, und wobei die Austrittsöffnung jedes Bohrlochs neben den Hinterkanten der Seitenwände liegt, die den herzustellenden Strömungskanal definieren.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1: ist eine radiale Ansicht eines integral beschaufelten Rotors, bei der drei Schaufeln im Querschnitt in einer ersten radialen Höhe dargestellt sind;
2: ist eine radiale Ansicht des integral beschaufelten Rotors aus 1, bei der die drei Schaufeln im Querschnitt in einer zweiten radialen Höhe dargestellt sind;
3: ist eine radiale Ansicht des integral beschaufelten Rotors aus 1, die den ersten Schritt des Herstellungsverfahrens der Erfindung illustriert;
4: ist eine axiale Ansicht des integral beschaufelten Rotors aus 1 und 3, die den zweiten Schritt des Herstellungsverfahrens der Erfindung illustriert;
5: ist eine radiale Ansicht des integral beschaufelten Rotors aus 1, 3 und 4, die den dritten Schritt des Herstellungsverfahrens der Erfindung illustriert;
6: zeigt eine Alternative zum zweiten Schritt des Herstellungsverfahrens, das in 1 dargestellt ist.
Detailbeschreibung
Die 1 und 2 zeigen die radiale Ansicht einer herzustellenden Komponente, bei der es sich hier beispielsweise um einen integral beschaufelten Rotor 10 für eine Gasturbine handelt. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein einzigartiges Verfahren zur Herstellung eines solchen integral beschaufelten Rotors 10 aus schwierig spanabhebend zu bearbeitenden Werkstoffen wie Nickel- oder Titanlegierungen. Die integral beschaufelten Rotoren 10 werden durch Fertigung von Vertiefungen 11 zwischen zwei einander gegenüber liegenden Seitenwänden 12, 13 hergestellt, wobei die beiden einander gegenüber liegenden Seitenwände 12, 13 Teil von zwei benachbarten Schaufeln 14 sind. Die Seitenwände 12, 13 bilden die Oberflächen der Schaufeln und die Vertiefungen 11 bilden die Strömungskanäle zwischen den einzelnen Schaufeln 14.
Die 1 und 2 zeigen einen Querschnitt durch die Schaufeln 14, wobei die radiale Höhe der Querschnitte in den beiden Figuren unterschiedlich ist. Aus den 1 und 2 ist ersichtlich, dass die Konturen der Seitenwände 12 und 13 eine Funktion der radialen Position innerhalb der Seitenwände 12, 13 sind.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die Vertiefungen 11 zwischen den Schaufeln 14 gefertigt, indem Material im Bereich der Vertiefungen 11 oder der Strömungskanäle durch einen Bohrprozess entfernt wird und nach Abschluss des Bohrprozesses die Entfernung des Materials im Bereich der Vertiefungen 11 oder Strömungskanäle durch einen Fräsprozess vervollständigt wird. Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Entfernung des Materials im Bereich der Kanäle 11 durch eine Kombination aus Bohr- und Fräsprozess, wobei der Fräsprozess nach Beendigung des Bohrprozesses stattfindet. Nachfolgend wird ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 näher beschrieben. Bei diesem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Bohrprozess so durchgeführt, dass das Material in der Strömungsrichtung jedes Strömungskanals oder jeder Vertiefung 11 entfernt wird.
Vor dem Bohrprozess in der Strömungsrichtung wird eine rechtwinklig zur Bohrrichtung verlaufende Oberfläche 15 hergestellt, indem an einer Seite des Rotors 10, siehe Pfeil 16 in 3, Material entfernt wird. Die rechtwinklig zur Richtung des Bohrprozesses verlaufende Oberfläche 15 gewährleistet ein gutes Bohrergebnis und einen zuverlässigen Bohrprozess.
Nach Fertigung der Oberfläche 15 wird durch das Bohren von Bohrlöchern 17, 18 und 19 in das Material (siehe 4) mit einem Bohrwerkzeug (nicht dargestellt) Material entfernt. Das Bohren der Bohrlöcher 17, 18 und 19 beginnt an der Oberfläche 15, die sich im Bereich der Vorderkanten 20 der Seitenwände 12 und 13 befindet, die den herzustellenden Strömungskanal definieren, wobei das Bohren der Bohrlöcher 17, 18 und 19 in der Strömungsrichtung des herzustellenden Strömungskanals fortgesetzt wird und im Bereich der Hinterkanten 21 der Seitenwände 12, 13 endet.
Um die Bohrrichtung des Bohrprozesses oder der Achse jedes Bohrlochs 17, 18 und 19 zu bestimmen, wird für jede Vertiefung 11 oder jeden Strömungskanal mindestens eine Mittellinie anhand der Konturen der einander gegenüber liegenden Seitenwände 12, 13 berechnet, die die herzustellende Vertiefung oder den herzustellenden Strömungskanal definieren. Die anhand der Konturen der Seitenwände 12, 13 berechneten Mittellinien 22 sind in den 1 und 2 dargestellt. Diese Mittellinien 22 werden durch zwei Punkte 23 und 24 definiert, wobei der erste Punkt 23 durch den halben Abstand zwischen den Vorderkanten 20 der Seitenwände 12, 13, und der zweite Punkt 24 durch den halben Abstand zwischen den Hinterkanten 21 der Seitenwände 12, 13 definiert ist. Dies ist in 2 dargestellt. Die beiden Punkte 23 und 24 definieren die genaue Richtung der Mittellinien 22, wobei die Richtung der Mittellinien 22 eine Funktion der radialen Position oder radialen Höhe innerhalb der Seitenwände 12, 13 ist. Vom Bereich der Vorderkanten 20 der gegenüber liegenden Seitenwände 12 und 13 aus wird eine Eintrittsöffnung des Bohrlochs 17, 18 oder 19 gebohrt, der Bohrprozess wird in Richtung der entsprechenden Mittellinie 22, die die Achse des Bohrlochs 17, 18 oder 19 definiert, fortgesetzt, und im Bereich der Hinterkanten 21 der gegenüber liegenden Seitenwände 12, 13 wird eine Austrittsöffnung des Bohrlochs 17, 18 oder 19 gebohrt.
Wie in 4 gezeigt, werden im Bereich einer Vertiefung 11 mehrere Bohrlöcher 17, 18 und 19 gebohrt. Die Größe der Bohrlöcher 17, 18 und 19, das Muster der Bohrlöcher 17, 18 und 19 und die Achse (der Winkel) der Bohrlöcher 17, 18 und 19 sind von deren radialer Höhe abhängig und werden von den Konturen der Vertiefungen 11 oder den Konturen der Seitenwände 12, 13 der Schaufeln 14 bestimmt. In 4 ist die Querschnittsgröße der Bohrlöcher 17, 18 und 19 identisch. Wie in 6 gezeigt, kann die Querschnittsgröße der Bohrlöcher jedoch natürlich auch unterschiedlich sein. Wie in 6 gezeigt, werden vier Bohrlöcher 25, 26, 27 und 28 zwischen zwei gegenüber liegenden Seitenwänden 12, 13 zweier benachbarter Schaufeln 14 gebohrt. Die Querschnittsgröße der Bohrlöcher 25, 26, 27 und 28 ist eine Funktion der Kontur oder Form der Seitenwände 12, 13, wobei die Form eine Funktion der radialen Position innerhalb der Seitenwände 12, 13 ist. Das Bohrloch 25, das neben einer Innenfläche 29 oder Plattform des Rotors 10 liegt, hat den kleinsten Durchmesser, weil der Abstand zwischen den Seitenwänden 12, 13 im Bereich der Innenfläche 29 kleiner ist als in Bereichen mit zunehmendem radialem Abstand zur Innenfläche 29.
Nach Beendigung des Bohrprozesses, bei dem die Bohrlöcher in der Strömungsrichtung jedes Strömungskanals oder jeder Vertiefung 11 hergestellt wurden, wird die Entfernung des Materials im Bereich der Vertiefungen 11 durch einen Fräsprozess vervollständigt. Dies ist in 5 dargestellt. 5 zeigt ein Fräswerkzeug 30 und die Bewegung des Fräswerkzeugs 30 entlang der Linie 31. Das Fräswerkzeug 31 wird so betätigt, dass die Achse des Fräswerkzeugs 30 etwa in radialer Richtung des Rotors 10 ausgerichtet ist. Wie der Fräsprozess im Einzelnen durchgeführt wird, ist dem Fachmann bekannt.

10: integral beschaufelter Rotor
11: Vertiefung
12: Seitenwand
13: Seitenwand
14: Schaufel
15: Oberfläche
16: Pfeil
17: Bohrloch
18: Bohrloch
19: Bohrloch
20: Vorderkante
21: Vorderkante
22: Mittellinie
23: Punkt
24: Punkt
25: Bohrloch
26: Bohrloch
27: Bohrloch
28: Bohrloch
29: Innenfläche
30: Fräswerkzeug
31: Linie

Claims

Verfahren zur Herstellung von Komponenten aus schwierig spanabhebend zu bearbeitenden Werkstoffen für Gasturbinen, insbesondere für Flugzeugtriebwerke, durch Fertigung von Vertiefungen (11) mit einer oder mehreren Seitenwänden (12, 13), insbesondere für die Herstellung integral beschaufelter Rotoren (10) für Gasturbinen, wobei die Vertiefungen (11) Strömungskanäle und die Seitenwände (12, 13) die Oberflächen der Schaufeln (14) bilden und das Verfahren mehrere Schritte umfasst: Definition der Konturen der Vertiefungen (11) durch Definition der Konturen der Seitenwände (12, 13) und/oder der Konturen der Strömungskanäle, Entfernung von Material im Bereich der Strömungskanäle durch eine Kombination aus Bohr- und Fräsprozess, wobei die Achse des Fräswerkzeugs (30) in etwa rechtwinklig zur Strömungsrichtung durch den herzustellenden Strömungskanal verläuft; dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bohrprozess ein Bohrwerkzeug Material im Bereich jedes Strömungskanals entfernt, wobei die Achse der Bohrlöcher (25, 26, 27, 28) in etwa parallel zur Strömungsrichtung durch den herzustellenden Strömungskanal verläuft, so dass das Bohrwerkzeug Material durch das Bohren der Bohrlöcher (25, 26, 27, 28) entfernt, wobei die Größe der Bohrlöcher und/oder das Muster der Bohrlöcher und/oder die Achse der Bohrlöcher durch die definierten Konturen der Vertiefungen (11) bestimmt wird und wobei der Fräsprozess so durchgeführt wird, dass das Fräswerkzeug (30) das restliche Material im Bereich jedes Strömungskanals entfernt, nachdem der Bohrprozess beendet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrprozess im Bereich der Vorderkanten (20) der Seitenwände (12, 13) begonnen wird, die die einzelnen Strömungskanäle definieren, dass die Bohrung in der Strömungsrichtung jedes Strömungskanals fortgesetzt wird und im Bereich der Hinterkanten (21) der Seitenwände (12, 13) endet.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Strömungskanal mindestens eine Mittellinie (22) des Strömungskanals anhand der Konturen der Seitenwände (12, 13) berechnet wird, die den Strömungskanal definieren.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrprozess so durchgeführt wird, dass die Achse jedes Bohrlochs (25, 26, 27, 28) etwa parallel zu der bzw. zu jeder Mittellinie (22) des herzustellenden Strömungskanals verläuft, wobei eine Eintrittsöffnung jedes Bohrlochs neben den Vorderkanten (20) der Seitenwände (12, 13) liegt, die den herzustellenden Strömungskanal definieren, und wobei die Austrittsöffnung jedes Bohrlochs neben den Hinterkanten (21) der Seitenwände (12, 13) liegt, die den herzustellenden Strömungskanal definieren.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Strömungskanal mehrere Mittellinien (22) berechnet werden, wobei die Richtung der Mittellinien (22) eine Funktion der Konturen der Seitenwände (12, 13) ist, die den Strömungskanal definieren, und wobei die Konturen der Seitenwände (12, 13) eine Funktion der radialen Position innerhalb der Seitenwände (12, 13) sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bohrprozess in der Strömungsrichtung eine rechtwinklig zur Bohrrichtung verlaufende Oberfläche (15) hergestellt wird.