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Diese
Erfindung betrifft lineares Reibschweißen.
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Wie
im Stand der Technik bekannt, können Strukturen
miteinander mittels linearem Reibschweißen verbunden werden. Bei einem
solchen Verfahren wird eine Oberfläche an einer der Strukturen
mit einer Oberfläche
an der anderen Struktur in Kontakt gebracht (flächenmäßig zusammengebracht – interfaced).
Die flächenmäßig zusammengebrachten Oberflächen haben
typischerweise komplementäre Eigenschaften,
d.h. ähnliche
Längen
und ähnliche Breiten.
Die zwei Teile werden aneinander gerieben, vor und zurück, in einer
oszillatorischen Weise vom einigermaßen linearen Typ. Die Achse
der Oszillation ist typischerweise grob mit der Längsachse
(in Längenrichtung)
der Berührungsfläche, d.h.
von Ende zu Ende, ausgerichtet. Wenn die Teile gerieben werden, wird
eine Kompressionskraft ausgeübt,
um die Berührungsfläche unter
hohen Druck zu setzen. An der Berührungsfläche wird Reibungswärme erzeugt,
und Material von jedem Teil ändert
sich in einen geschmolzenen oder vorzugsweise einen plastischen Zustand.
Ein Teil dieses Materials strömt
von zwischen den Teilen heraus (Blitzfließen – flash flow), was zu einem
graduellen Abnehmen in der Dicke führt, d.h. der Abmessung in
der Richtung, in der Druck auf die Teile ausgeübt wird (die Abmessung senkrecht
zu der Berührungsfläche). Wenn
das Verfahren beendet wird, hört
der flash flow auf, und an der Berührungsfläche kühlt sich das verbleibende Material
plastischen Zustands jedes Teils ab und ändert sich zurück in den
festen Zustand, wobei darin Verbindungen (bonds) ausgebildet werden
und die beiden Teile miteinander verbunden werden.
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Es
existiert bei diesem Verfahren jedoch ein Problem dahingehend, dass
die Verbindung normalerweise an den Enden der Berührungsfläche unvollständig, d.h.
Defekt-behaftet, ist. Die Art des Defekts ist die eines Hohlraums
oder einer Kerbe. Er tritt, zum Teil auf, weil die Enden der Berührungsfläche, grob auf
der Oszillationsachse, während
jedes Oszillationszyklus alternierend hin zur Umgebung freigelegt werden.
Während
sie freigelegt sind, werden die Enden nicht gerieben und daher nicht
reibungsmäßig erwärmt. Als
Ergebnis der alternierenden Freilegung werden somit die Enden nur
alternierend erwärmt, und
die Temperatur der Enden wird nicht hoch genug, um eine vollständige Verbindung
zu erzeugen.
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Es
wurden Anstrengungen auf das Entwickeln von Verfahren fokussiert,
welche gewährleisten,
dass der Defekt sich nicht in der Außenlinie der Endform des Produkts
bildet. Bei der Herstellung der Originalausstattung können Teilgeometrien überdimensioniert
werden, so dass sich die Defekte, die sich ausbilden, außerhalb
der Außenlinie
des Endprodukts befinden. Die Defekte werden dann entfernt, wenn
das Produkt auf seine endgültige
Form abbearbeitet wird. Bei Reparatursituationen wird jedoch ein
beschädigter
Bereich entfernt, der verbleibende Bereich ist aber bereits in seiner
endgültigen Form
und Abmessung, und daher ist eine überdimensionierte Geometrie
keine durchführbare
Alternative.
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Eine
der vielen Anwendungen für
lineares Reibschweißen
ist das Befestigen von Laufschaufeln (Strömungsprofilen) an einem Rotor
und dadurch das Ausbilden eines integral mit Laufschaufeln versehenen
Rotors (integrally bladed rotor – IBR). Bei einer solchen Anwendung
wird eine Basisoberfläche
an der Laufschaufel mit einer geringfügig erhöhten Oberfläche an dem Rotor flächenmäßig in Berührung gebracht.
Ohne präventive
Maßnahmen
besteht jedoch ein Risiko, dass die Verbindung an den Laufschaufelrändern Defektbehaftet
ist, weil die Laufschaufelränder
sich an den Enden der Berührungsfläche befinden,
grob an der Oszillationsachse, und daher die Laufschaufelränder alternierend
zur Umgebung freigelegt werden und nur alternierend während der
Oszillation erwärmt
werden. Als Ergebnis wird die Randtemperatur nicht hoch genug, um
eine vollständige,
adäquate
Verbindung zu erzeugen. Obwohl der Defekt per se keine Bruchstelle
bilden kann, kann er während
des Maschinenbetriebs in eine solche erwachsen, und somit ist dessen
Präsenz
in einem IBR inakzeptabel.
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Um
Defekte an den Rändern
für IBR-Reparaturen
zu vermeiden, wird im Ansatz des Stands der Technik der beschädigte Bereich
einer sich in Reparatur befindlichen Laufschaufel entfernt, z.B.
durch Entfernen eines longitudinalen Abschnitts, und Flansche oder
Manschetten werden um die Ränder
des verbleibenden Bereichs herum vorgesehen. Ein Paar von Klemmbacken
greifen den verbleibenden (unbeschädigten) Bereich (der, als seine
endgültige
Form, die endgültige
Form des reparierten Teils aufweist) und seinen zugeordneten Flansch,
um beide in Position für
lineares Reibschweißen
zu befestigen. Obwohl der unbeschädigte Bereich bereits mit dem
IBR verbunden ist (wie z.B. durch lineares Reibschweißen), ist
der unbeschädigte
Bereich nicht steif genug, von Seite zu Seite, und zu stark freitragend,
um linearem Reibschweißen
ohne die Abstützung
durch die Klemmbacken oder ähnliches
Werkzeug unterzogen zu werden. Ähnliche
Flansche oder Klemmbacken sind auch vorgesehen, um einen Ersetzungsbereich zu
greifen, der als seine endgültige
Form auch die Form des reparierten Teils aufweist, um ihn an den unbeschädigten Bereich
linear reibzuschweißen.
Die Flansche rund um jeden Bereich vermeiden, dass die, Laufschaufelränder des
anderen Bereichs alternierend zur Umgebung hin freigelegt werden;
somit wird ausreichend Wärme
erzeugt, um eine effektive Verbindung zu erreichen. Defekte können in
den Flanschregionen ausgebildet werden, weil die Flansche alternierend
zur Umgebung hin freigelegt werden können, aber die Flansche werden
anschließend zusammen
mit solchen Defekten weg bearbeitet.
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Bei
diesem Ansatz des Stands der Technik ist es jedoch für die Klemmbacken
schwierig, die Laufschaufeln sicher zu halten, ohne Schaden an den
fertiggestellten Formen zu bewirken. Erstens können die Klemmbacken im Allgemeinen
nicht exakt mit der Form einer individuellen Laufschaufel übereinstimmen,
weil die Formen der Laufschaufeln ein wenig voneinander variieren
aufgrund normaler Fertigungsungenauigkeiten, und daher können die Klemmbacken
physikalischen Schaden an einer speziellen Laufschaufel bewirken,
wenn sie sie fest greifen. Ferner weisen Hochleistungslaufschaufeln
oft Titan auf, ein relativ weiches Metall, das relativ einfach an
seiner Oberfläche
beschädigt
wird. Ein solches Beschädigen
ist höchst
unerwünscht,
weil es die aerodynamische Leistung der Laufschaufeln nachteilig beeinflusst.
Weiterhin haben die Klemmbacken typischerweise nicht die gleiche
Materialzusammensetzung wie die Laufschaufeln, und dementsprechend können sie
verbleibende chemische Ablagerungen hinterlassen, die dadurch das
Oberflächenfinish
kontaminieren. Das Oberflächenfinish
ist bei einigen Anwendungen so kritisch, das während der Herstellung häufig Handschuhe
getragen werden, wenn die Laufschaufeln gehandhabt werden, um eine
Kontaminierung des Laufschaufel-Oberflächenfinish zu vermeiden.
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Außerdem wird
der Ersetzungsbereich beinahe sicher erheblich beschädigt, weil
er lediglich durch die Klemmbacken, die sein gefinishtes Strömungsprofil
greifen, abgestützt
wird. Im Gegensatz zu dem verbleibenden Bereich ist der Ersetzungsbereich
nicht integral mit einer größeren Struktur,
wie z.B. der Laufschaufelscheibe, die für Abstützung sorgt. Daher greifen
die Klemmbacken das gefinishte Strömungsprofil sicher genug, um
Zehntausenden von Pfund Drucks zu widerstehen und fügen dem Strömungsprofil
daher beinahe sicherlich tiefe Abdrücke zu.
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Ein
weiteres Problem bei Ansätzen
des Stands der Technik ist, dass die Flansche tendenziell groß sind,
was zur Berührungsfläche genauso
viel oder mehr Oberfläche
beiträgt,
wie diejenige der Laufschaufel. Obwohl dies helfen kann zu vermeiden,
dass sich Defekte in den Laufschaufelrändern bilden, erfordert es
eine übermäßige Prozessierungseingangsenergie,
um die allein durch die Flansche hinzugefügte Reibung zu überwinden
und unterzieht die Flansche während
des linearen Reibschweißens
enormen Belastungen, was es extrem schwierig macht, sie sicher zu
halten, insbesondere angesichts der Tatsache, dass das gleiche Paar
von Klemmbacken sowohl die Flansche als auch die Laufschaufel greifen
muss. Flansche des Stands der Technik haben auch scharfe, orthogonale
Kanten, was die Flansche empfindlicher für Spannung und Bruchstellenbildung
während
des linearen Reibschweißens
macht.
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EP-A-0
669 183 offenbart ein Reibschweißverfahren zum Verbinden von
Teilen einer Rotorlaufschaufel.
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Gemäß der Erfindung
wird eine wie in Anspruch 1 beanspruchte Kombination und ein wie
in Anspruch 6 beanspruchtes Verfahren vorgesehen.
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Das
lineare Reibschweißverfahren
der vorliegenden Erfindung sieht zwei Elemente vor, die miteinander
in ein Endprodukt verbunden werden sollen, wobei jedes der Elemente
eine Hauptaußenoberfläche und
eine flächenmäßig zu verbindende Oberfläche hat,
und wobei eines der beiden Elemente ein Stumpf ist, der zumindest
teilweise an seiner Außenhauptoberfläche durch
eine Manschette umgeben ist. Der Stumpf wird generell ohne wesentlichen
Haltekontakt an seiner Außenhauptoberfläche durch
Werkzeug gehalten. Anschließend
werden Druck und Relativbewegung zwischen den Elementen ausgeübt, um die
Elemente miteinander linear reibzuverschweißen.
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Ein
solches Verfahren behebt die Notwendigkeit, Werkzeug zu verwenden,
um irgendwelche Oberflächen
der endgültigen
Form des Teils zu greifen und behebt so das Risiko, dass Werkzeug
physikalischen oder chemischen Schaden an, der endgültigen Form
bewirkt. Zumindest ein Teil der Hauptaußenoberfläche des Stumpfes kann flächengleich
mit demjenigen des Endprodukts sein. Das Stumpfelement sollte im
Allgemeinen starr genug sein, um linearem Reibschweißen ohne
eine wesentliche Halteabstützung
der Klemmbacken oder ähnlichen
Werkzeugs unterzogen zu werden, der Stumpf hat vorzugsweise eine
radiale Dicke, die geringer ist als etwa dreimal seine Breite, vorzugsweise
geringer als etwa 1 Inch (2,54 cm), und stärker bevorzugt weniger als
seine Breite. Die Manschette, die ein alternierendes Freilegen der
Berührungsflächenoberfläche des anderen
Elements hin zur Umgebung reduziert, kann ein Band mit einer gekrümmten Hauptinnen-
und einer gekrümmten
Hauptaußen-(Lateral-)oberfläche aufweisen.
Die Innen- und die Außenhauptmanschettenoberfläche können generell
parallel zueinander sein, was die Manschette generell mit gleichmäßiger Breite
ausbildet. Die Manschette kann ferner eine Basis aufweisen, auf
der das Band aufsteht. Die flächig
zu verbindenden Oberflächen
an dem Strumpf und der Manschette sind vorzugsweise zueinander im
Wesentlichen koplanar. Die Berührungsflächenoberfläche des
anderen Elements kann überdimensioniert
sein, integral oder mit einer Manschette, was sie vor zugsweise komplementär mit derjenigen
des Stumpfes ausbildet, um alternierendes Freilegen hin zur Umgebung
der Berührungsflächenoberfläche des
Stumpfes reduziert.
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Eine
bevorzugte Manschette weist eine Hauptinnen- und eine Hauptaußenlateraloberfläche auf,
wobei die Hauptinnenoberfläche
einen Bereich einer Hauptaußen-
(Lateral-)oberfläche
eines linear reibzuschweißenden
Elements umgibt. Das Element hat eine Oberfläche, die zum linearen Reibschweißen mit
einem komplementären
Element flächenmäßig verbunden
werden soll, wobei die radial äußere Oberfläche der
Manschette eine Vergrößerung der Fläche der
Oberfläche
des flächenmäßig zu verbindenen
Elements bildet.
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Die
Außenlateraloberfläche kann
gekrümmt sein,
um Spannung und Bruchstellenbildung der Manschette während des
linearen Reibschweißens zu
vermeiden. Die Innen- und die Außenlateralmanschettenoberfläche können im
Allgemeinen parallel zueinander sein, was die Fläche der Außenradialoberfläche der
Manschette klein und einigermaßen gleichmäßig in der
Breite ausbil- det, so dass weniger Prozesseingangsenergie benötigt wird,
um die durch die Manschetten beigesteuerte Reibung zu überwinden,
so dass die Manschetten während
des linearen Reibschweißens
geringere Belastungen erfahren, was es einfacher macht, sie zu befestigen.
Die Manschette kann eine radiale Dicke haben, die weniger als 1
Inch (2,54 cm) ist. Die Fläche
der radial äußeren Oberfläche der
Manschette ist typischerweise weniger als diejenige der flächenmäßig zu verbindenden Oberfläche des
Elements, vorzugsweise weniger als die Hälfte derjenigen des Elements.
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Einige
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
fragmentarische, perspektivische Ansicht eines integral mit Laufschaufeln
versehenen Bläserrotors
für eine
Gasturbinenmaschine, für
den das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Reparieren verwendet
werden kann, ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer der in 1 gezeigten
Laufschaufeln ist;
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3 eine
fragmentarische, perspektivische Ansicht des integral mit Laufschaufeln
versehenen Bläserrotors
aus 1 und einer ersten Manschette ist, wobei ein Bereich
der beschädigten
Laufschaufel entfernt wurde;
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4 eine
perspektivische Ansicht der Vorderkantenmanschette aus 3 ist;
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5 eine
perspektivische Ansicht der Hinterkantenmanschette aus 3 ist;
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6 eine
fragmentarische, perspektivische Ansicht des integral mit Laufschaufeln
versehenen Bläserrotors,
des Stumpfes und der Manschette aus 3 ist, mit
einem Vergrößerungselement
und einem Werkzeug zum Halten der Manschetten;
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7 eine
Draufsicht des integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotors
und der Manschette aus 3 ist, mit einer gestrichelten
Linie, die die relative Form der Ränder des Vergrößerungselements
aus 6 zeigt.
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8 ein
fragmentarischer, perspektivischer Querschnitt des integral mit
Laufschaufeln versehenen Bläserrotors
und der Hinterkantenmanschette aus 3 und der
Ersatzlaufschaufel aus 6, in der Richtung von 8-8 ist,
wobei die Ersatzlaufschaufel mit der Manschette in Vorbereitung
auf lineares Reibschweißen
ausgerichtet ist und diese kontaktiert;
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9 ein
fragmentarischer, perspektivischer Querschnitt des integral mit
Laufschaufeln versehenen Bläserrotors,
der Hinterkantenmanschette und der Ersatzlaufschaufel aus 8 ist,
in der Richtung 8-8, nach linearem Reibschweißen;
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10 eine
fragmentarische Draufsicht des integral mit Laufschaufeln versehenen
Bläserrotors aus 3 und
einer zweiten Manschette mit zugeordnetem Werkzeug ist; und
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11 eine
fragmentarische Draufsicht des integral mit Laufschaufeln versehenen
Bläserrotors und
einer zweiten Ausführungsform
aus 10 mit alternativem Werkzeug ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen
offenbart für
die Verwendung mit einem integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotor
erster Stufe des in 1 veranschaulichten Typs.
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Bezugnehmend
auf 1 hat ein integral mit Laufschaufeln versehener
Bläserrotor 20 eine
Scheibe 22 mit einer Plattform 24 mit einer radial äußeren Oberfläche 26.
Laufschaufeln (Strömungsprofile) 28 ragen
von der Oberseite oder radial äußeren Oberfläche 26 der
Scheibe 22. Es soll verstanden werden, dass die Laufschaufeln 28 zwei
aus einer Mehrzahl solcher an die Scheibe 22 angebrachter
Laufschaufeln sind. Jede der Laufschaufeln 28 hat eine
Basis 30 und eine Spitze 32 sowie eine Vorderkante 33 und ein
Hinterkante 34 relativ zu einem Gasströmungsweg 35. Eine
der Laufschaufeln 28 hat einen beschädigten Bereich 38.
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Bezugnehmend
auf 2 hat die Laufschaufel 28 eine kompliziert
gewundene und gebogene Form, die der Laufschaufel die gewünschten aerodynamischen
Eigenschaften verleiht. Eine Seite (Sogseite) 36 der Laufschaufel
ist konvex, und die andere (Druckseite) 37 ist konkav.
Idealerweise hat jede der Mehrzahl von Laufschaufeln exakt die gleiche
Form, aber realistischerweise variieren die Formen der Laufschaufeln
ein wenig voneinander aufgrund normaler Fertigungsungenauigkeiten.
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Die
Laufschaufel 28 weist typischerweise ein Material auf,
das relativ leichtgewichtig und dennoch ausreichend mechanisch stark
ist, wie z.B. eine Titanlegierung. Trotzdem muss die Laufschaufel 28 während der
Herstellung und der Reparatur vorsichtig gehandhabt werden, um sicherzustellen,
dass die Lauf- schaufel nicht verzogen oder beschädigt wird. Um
ferner verbleibende chemische Ablagerungen und Oberflächenfinishkontaminierung
zu vermeiden, weisen alle Metallwerkzeuge, die die Laufschaufel 28 kontaktieren,
vorzugsweise das gleiche oder ein ähnliches Material auf wie dasjenige
der Laufschaufel.
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Wiederum
bezugnehmend auf 1 ist die Druckseite 37 der
Laufschaufel 28 hin zu der Oberfläche 26 der Plattform 24 auskragend.
Obwohl das Auskragen für
jede der Laufschaufeln Idealerweise gleich ist, variiert es realistischerweise
auch von Laufschaufel zu Laufschaufel.
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In
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Hauptbereich der Laufschaufel 28,
der sich oberhalb der gestrichelten Linie 41 befindet,
entfernt. Bezugnehmend nun auf 3, bei der
der Hauptbereich, einschließlich
des beschädigten
Bereiches, der Laufschaufel entfernt ist, verbleibt nur ein Stumpfbereich 42 der
Laufschaufel, d.h. ein Bereich, der starr genug ist, um linearem
Reibschweißen
unterzogen zu werden, ohne eine wesentliche Halteabstützung durch
Klemmbacken oder ähnliches
Werkzeug. Der Stumpf hat typischerweise eine radiale Dicke 43,
oder Höhe,
mit einer Größenordnung,
die geringer ist als etwa dreimal diejenige seiner Breite 31.
Hier ist die radiale Dicke 43 des Stumpfes vorzugsweise
1 inch (2,54 cm) oder weniger, stärker bevorzugt weniger als
etwa seine Breite 31.
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Der
Stumpf 42 erstreckt sich vorzugsweise von der Vorderkante 33 zu
der Hinterkante 34, und die radiale Dicke 43,
oder Höhe,
ist vorzugsweise im Allgemeinen gleichmäßig. Der Stumpf 42 weist
eine radial äußere Oberfläche 44 auf,
die einen Bereich einer flächenmäßig zu verbindenden
Oberfläche
bildet, an der lineares Reibschweißen eines Erstreckungselements,
um ein Endprodukt zu bilden, initiiert werden soll, und eine Hauptaußen- (Lateral-)oberfläche 45, die
vorzugsweise im Allgemeinen gleicherstreckend mit der Außenlateraloberfläche des
Endprodukts ist und die Druck- und die Sogseitenoberfläche 36, 37 (1, 2)
und die Vorder- und die Hinterkante 33, 34 aufweist.
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Manschetten 46, 47 sind
an der Vorder- und der Hinterkante 33, 34 des
Stumpfes 42 vorgesehen.
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Die
Manschetten 46, 47 weisen jede ein teilweises
Band 48, 49 und eine Bandbasis 50, 51 auf. Vorzugsweise
ist jedes Band 48, 49 im Allgemeinen V-förmig mit einem sich gabelnden
Ende 52, 53, einer Hauptinnen-(Lateral-)oberfläche 54, 55,
einer Hauptaußen-
(Lateral-)oberfläche 56, 57 und
einer radial äußeren Oberfläche 58, 59,
Die Innenoberflächen
sind vorzugsweise dazu angepasst, im Wesentlichen gleichmäßigen Kontakt
mit der jeweiligen Kante 33, 34 und den Seiten 36, 37 (1, 2)
des Stumpfes 42 zu bilden. Die radial äußeren Oberflächen 58, 59 bilden
die anderen Bereiche der flächenmäßig zu verbindenden
Oberfläche
für lineares
Reibschweißen
und sind vorzugsweise im Wesentlichen bündig, oder im Wesentlichen
koplanar, mit der radial äußeren Oberfläche 44 des
Stumpfes 42, d.h. sie sind im Allgemeinen bei der gleichen
Höhe zueinander
relativ zu der Plattformoberfläche 26.
Die Hauptaußenoberflächen 56, 57 sind
an den sich gabelnden Enden 52, 53 gekrümmt, um
scharfe Ecken zu vermeiden, die ansonsten während des linearen Reibschweißens Spannung
entwickeln könnten
und schließlich
brechen.
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Die
Geometrie der Bänder 48, 49 sollte
geeignet sein, um alternierendes Freilegen der Ränder an dem Erstreckungslaufschaufelelement,
welches an den Stumpf linear reibgeschweißt werden soll, zu reduzieren
oder zu vermeiden, so dass die Temperatur der Ränder an dem Erstreckungselement
hoch genug wird, um ein vollständiges
Verbinden zu erreichen, d.h. keine Defekte an den Rändern. Außerdem sorgen
die Bänder 48, 49 vorzugsweise
für umfangsmäßige (laterale,
Druckseite zu Sogseite) Abstützung
für den
Stumpf 42, um den auskragenden Stumpf davon abzuhalten, sich während des
linearen Reibschweißens
hin zu der Oberfläche 26 der
Plattform 24 zu biegen. Es ist jedoch wünschenswert, die Geometrie
der Bänder,
insbesondere diejenigen Parameter, die die Fläche der radial äußeren Oberflächen 58, 59 beeinflussen,
so klein wie möglich
zu halten, d.h. nicht größer als
notwendig. Dies liegt daran, dass die Stärke der von den Bändern während des
linearen Reibschweißens
erfahrenen Kraft proportional zu der Größe der Fläche der radial äußeren Oberflächen 58, 59 ist.
Höhere
Kräfte
machen es schwieriger, das Band in Position zu halten. Als Ergebnis sind
die Außenlateraloberflächen 56, 57 im
Allgemeinen parallel zu den Innenlateraloberflächen 54, 55, so
dass die Bänder 48, 49 im
Allgemeinen in der Breite 60, 61 gleichmäßig sind
und im Allgemeinen mit der Hauptaußenoberfläche 45 des Stumpfes 42 übereinstimmen.
Dies macht die Fläche
der radial äußeren Oberflächen 58, 59 der
Bänder
klein, so dass weniger Prozesseingangsenergie benötigt wird,
um die durch die Bänder
beigesteuerte Reibung zu überwinden
und so dass die Manschetten während
des linearen Reibschweißens
kleinere Kräfte
erfahren, was es einfacher macht, sie zu befestigen. Die Gesamtfläche der
radial äußeren Oberflächen 58, 59 ist typischerweise
weniger als diejenige der radial äußeren Oberfläche 44 des
Stumpfes 42, überlicherweise weniger
als diejenige des Bereiches der radial äußeren Oberfläche 44,
der teilweise durch die Bänder umschlossen
ist, vorzugsweise weniger als die Hälfte derjenigen der radial äußeren Oberfläche 44 des Stumpfes 42 und
stärker
bevorzugt weniger als ein Viertel der radial äußeren Oberfläche 44 des
Stumpfes 42.
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Die
Bänder 48, 49 weisen
radiale Dicken 62, 64 (Höhen) auf, die während des
linearen Reibschweißens
graduell abnehmen. Die anfänglichen radialen
Dicken 62, 64 sind vorzugsweise mindestens genauso
groß wie
die erwartete Abnahme, um zu vermeiden, dass die Berührungsfläche des
linearen Reibschweißens
die radial äußeren Oberflächen 66, 68 der
Basen 50, 51 erreicht. Die Dicken 62, 64 sind
jedoch vorzugsweise nicht so groß, dass die Bänder 48, 49 empfindlich
auf Brechen oder Biegen während
des linearen Reibschweißens
werden. Zum Beispiel ist in der bevorzugten Ausführungsform die radiale Dicke 62, 64 etwa
0,175 inches (4,5 mm), und die erwartete Abnahme bei der Dicke 62, 64 ist
etwa 0,075 inches (1,9 mm), so dass die radiale Dicke in der Größenordnung
von etwa 0,100 inches (2,5 mm) größer ist als die erwartete Abnahme
bei der Dicke. Ferner ist es für
einfaches Kontrollieren der Parameter des linearen Reibschweißens wünschenswert,
die kombinierte Fläche
des longitudinalen Querschnitts des Stumpfrandes und des Manschettenbandes
relativ konstant zu halten, wenn die Dicke abnimmt. Dies wird vorzugsweise
dadurch erreicht, dass die Außenlateraloberflächen 56, 57 grob
senkrecht zu der radial äußeren Oberfläche 44 (der
Ebene der Grenzfläche des
linearen Reibschweißens
(Schweißebene))
des Stumpfes 42 ausgebildet wird.
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Jedes
Band 48, 49 ist durch eine radial äußere Oberfläche 66, 68 ihrer
jeweiligen Basis 50, 51 abgestützt, d.h. von dieser abstehend
oder sich von dieser erstreckend. Bezugnehmend nun auf die 3, 4, 5 haben
die Basen 50, 51 eine einigermaßen rechteckige,
plattenartige Geometrie und V-förmige
Schlitze 69, 70 zum Aufnehmen des Stumpfes 42.
Die V-förmigen
Schlitze 69, 70 sind groß genug, um Kontakt zwischen
dem Stumpf 42 und den Basen 50, 51 zu
vermeiden. Somit kontaktieren die Bänder 48, 49 den
Stumpf 42, die Basen tun dies aber nicht. Die Basen 50, 51 weisen
ferner radial innere Oberflächen 71, 72 auf,
die dazu angepasst sind (konturiert sind), an der radial äußeren Oberfläche 26 der
Plattform 24 zu lagern. Jede Basis 50, 51 ist
vorzugsweise in Position gehalten mittels zugeordnetem Werkzeug 73, 74 (6),
welches für
longitudinale Abstützung
der Basis an einer longitudinalen Endfläche 75, 76 und
für laterale
Abstützung
an einem Paar 77, 78 gegenüberliegender Umfangsoberflächen sorgt.
Das Werkzeug 73, 74 (6) ist fest
verbunden mit einer Fixierung 79, 80 (6),
die die Scheibe 22 hält.
Die radial inneren Oberflächen 71, 72 sind
vorzugsweise eingekerbt oder ausgebogt 81, 82,
um für
Freiräume 83, 84 in
Bezug auf die Plattform 24 zu sorgen, um der Fixierung 79, 80 (6)
Zugang zu der Plattform 24 zu ermöglichen.
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Die
Bänder 48, 49 können mit
ihren jeweiligen Basen 50, 51 beispielsweise mittels
Löten verbunden
sein oder, um Kosten zu reduzieren, integral als ein Stück gefertigt
sein, vorzugsweise in zwei Schritten. Zuerst wird eine grob bearbeitete
Version der Manschette erzeugt, beispielsweise durch Drahtelektrodenentladungsbearbeitung
(wire electrode discharge machining, (wire EDM), was einen Computer und
ein Computermodell der Manschette erfordert). Die grobe Version
wird anschließend
präzisionsbearbeitet,
beispielsweise durch Fräsen,
um die bestmögliche
Passung für
die spezielle Laufschaufel zu erreichen. Abhängig von der Anwendung kann
auch Gießen,
spanende Formgebung, Schmieden, Wälzen und Stanzen oder Kombinationen
davon verwendet werden. Der zweistufige Prozess ist bevorzugt, weil jede
der Mehrzahl von Laufschaufeln eine ein wenig unterschiedliche Form
und Orientierung hat, obwohl einige Anwendungen keine solche Präzision erfordern
können.
Die Manschette weist vorzugsweise ein relativ starres Material auf,
in der Zu sammensetzung ähnlich
demjenigen des Stumpfes, welches Titanlegierungen und Nickellegierungen
aufweisen kann, aber nicht darauf beschränkt ist, und ermöglicht den Manschetten
so, den Stumpflaufschaufelbereich 42 zu sichern, ohne physikalischen
oder chemischen Schaden zu bewirken. Es ist offensichtlich, dass, wenn
ein nachgiebiges Material verwendet wird oder Kontakt mit der Laufschaufel
nicht erwünscht
wird, der Präzisionsbearbeitungsschritt
nicht notwendig sein kann.
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Bezugnehmend
nun auf 6 umfasst ein Ersteckungselement 90 eine
Laufschaufel 92, die als ihre endgültige Form die endgültige Form
der reparierten Laufschaufel hat, einen Flansch 94 und
ein Ende 96, die mit dem Erstreckungselement 90 integral
sind. Beim Reparieren der beschädigten 38 Laufschaufel 28 (1)
stellt der Flansch 94 das Mittel zum Halten des Erstreckungselements 90 bereit,
und das Ende 96 wird mit dem Stumpf 42 verbunden.
Der Flansch 94 hat eine radial äußere Oberfläche 98, die die Druckkraft
des linearen Reibschweißens
aufnimmt, ein Paar 100 entgegengesetzter Umfangsoberflächen, ein
Paar 102 entgegengesetzter longitudinaler Oberflächen, die
vorzugsweise die Oszillationskräfte
des linearen Reibschweißens
aufnehmen, und eine radial innere Oberfläche 104, die alle
im Wesentliche orthogonal zueinander sind.
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Das
Ende 96 hat eine radial innere Oberfläche 108, die komplementär geformt
ist, ähnlich
zu der Zusammensetzung der radial äußeren Oberflächen 44, 58, 59 des
Stumpfes 42 und der Bänder 48, 49 (siehe 7),
dieser aber nicht notwendigerweise exakt gleich ist. Wenn die Oberflächen nicht
komplementär
sind, kann die Oszillation des linearen Reibschweißens behindert
werden, wenn die Dicken der Teile abnehmen, was die Grenzfläche potenziell stört. Um für die komplementäre Form
zu sorgen, ist das Ende 96 vorzugsweise integral überdimensioniert,
obwohl Manschetten stattdessen benutzt werden können. Das Ende 96 hat
eine radiale Dicke 110, die in ihrer Größe groß genug sein sollte, um die Grenzfläche des
linearen Reibschweißens
daran zu hindern, die radial innere Oberfläche 104 des Flansches 94 zu
erreichen, aber nicht so groß,
dass sie das Ende 96 empfindlich gegen Brechen oder Verbiegen
während
des linearen Reibschweißens
macht. Um die Laufschaufel 28 (1) zu reparieren,
ist die radiale Dicke 110 in der Größenordnung von 0,100 inches
(2,5 mm) größer als
die erwartete Abnahme bei der Dicke 110 aufgrund des linearen
Reibschweißens.
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Bezugnehmend
nun auf 8 wird bei der Vorbereitung
für das
lineare Reibschweißen
das Erstreckungselement 90 in Kontakt mit dem Stumpf 42 und
den Bändern 48 (3, 4, 6), 49 gebracht.
Während
des Reibschweißens
hält ein
Werkzeug die Elemente nicht an einer gefinishten Oberfläche, und
somit gibt es kein Risiko physikalischen oder chemischen Schadens
an der Laufschaufel von einem solchen Werkzeug. Die Manschetten
sind kleiner, jedoch einfacher zu haltene als diejenigen in dem
Ansatz des Stands der Technik. Alles Material zwischen den gestrichelten
Linien 112 ändert
sich graduell in einen plastischen Zustand und fließt zwischen
den Teilen heraus (flash flow) und reduziert so die radiale Dicke
des Erstreckungselements 90, des Stumpfes 42 und
der Bänder 48 (3, 4, 6), 49.
Die Manschetten hindern die Ränder
des Erstreckungselements daran, alternierend hin zu der Umgebung
freigelegt zu werden. Das überdimensionierte
Ende 96 des Erstreckungselements 90 verhindert
alternierendes Freilegen der Stumpfränder 33, 34.
Die gestrichelten Linien 114 geben die endgültige Form
des überdimensionierten
Erstreckungselements 90 an.
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Bezugnehmend
nun auf 9 sind die Teile an der gestrichelten
Linie 112 verbunden, wenn das Verfahren des linearen Reibschweißens abgeschlossen
ist. Die Verbindung ist an den Laufschaufelrändern 33, 34 (1 bis 3)
vollständig,
d.h. ohne Defekte, und die Laufschaufelbereiche wurden nicht physikalisch
oder chemisch durch Kontakt mit irgendeinem anderen Werkzeug als
von den Manschetten beschädigt.
Obwohl der flash flow 116 nur an einer Seite gezeigt ist, tritt
ein ähnlicher
flash flow überall
rundherum auf. Das Material des Erstreckungselements 90 außerhalb
der gestrichelten Linien 114 wird entfernt, wie auch die
Bänder 48 (3, 4, 6), 49,
die Basen 50 (3, 4, 6), 51 und
der flash flow 116.
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Bezugnehmend
nun auf 10 weist eine zweite Auführungsform
für eine
Hinterkantenmanschette 118 nur ein Band 120 auf, d.h. keine
Basis. Das Band 120 weist vorzugsweise ein kalt formbares Material
auf. Das Band 120 wird durch einen Satz flexibel, bewegbar
in ein Werkzeug 124 integrierter Klemmbacken 122 an
der Kante 34 des Stumpfes 42 befestigt und in Übereinstimmung
mit dieser gepresst. Das Werkzeug 124 weist ferner einen
Aktuator 126 auf, um Kraft auf die Klemmbacken 122 auszuüben, um
die Klemmbacken in engere Nähe
zueinander zu pressen und so das Band 120 in Übereinstimmung
mit der Kante 34 zu pressen. Obwohl dies nicht gezeigt
ist, ist das Werkzeug an der Fixierung 80 (6),
die die Scheibe 22 (6) hält, befestigt. Das
Band 120 hat eine radiale Dicke, die in ihrer Größe groß genug
ist, um die Grenzfläche
des linearen Reibschweißens
daran zu hindern, die Oberfläche des
Werkzeugs 124 zu erreichen, aber nicht so groß, dass
sie das Band 120 anfällig
für ein
Brechen oder Verbiegen während
des linearen Reibschweißens macht.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist eine weitere Manschette mit Werkzeug
in ähnlicher
Weise an der Vorderkante 33 (1 bis 3)
vorgesehen. Wie bei der ersten Ausführungsform muss diese Ausführungsform
die Elemente nicht an irgendwelchen gefinishten Oberflächen mit
Werkzeug halten und behebt somit das Risiko physikalischen oder
chemischen Schadens an der Laufschaufel von einem solchen Werkzeug.
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Bezugnehmend
nun auf 11 ist die Einrichtung 130 zum
Betätigen
der Klemmbacken 132 ein Satz von Klemmen, die jede zwei
Enden 134, 136 haben und über ein Gelenk 138 drehbar
verbunden sind. Die Klemmen können
an einem 136 ihrer Enden durch einen Spreitzer 140 voneinander
weg gedrückt werden,
was die anderen 134 der Enden dazu veranlasst, hin zu einander
zu schwenken und so die Klemmbacken 132 presst, welche ähnlich den
in Bezug auf 10 veranschaulichten und beschriebenen
Klemmbacken 122 sind, in engere Nähe zueinander. Obwohl dies
nicht gezeigt ist, ist das alternative Werkzeug an der die Scheibe 22 (6)
haltenden Fixierung 80 (6) angebracht.
Eine weitere Manschette mit Werkzeug (nicht gezeigt) ist in ähnlicher
Weise an der Vorderkante 33 (1 bis 3) vorgesehen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung die Manschette der vorliegenden Erfindung
als in Kontakt mit dem Stumpf und an der radial äußeren Oberfläche der
Plattform verweilend offenbart, ist die vorliegende Erfindung nicht
darauf be- schränkt.
Solange die Manschette in der Nähe
des Stumpfes ist und gesichert ist, braucht die Manschette den Stumpf
nicht zu kontaktieren; Material im plastischen Zustand von der Grenzfläche kann
kleine Lücken
zwischen der Manschette und dem Stumpf auffüllen und abdichten. Die Manschette
kann möglicherweise
weg von der Oberfläche
der Plattform positioniert sein. Diese Möglichkeit ist besonders geeignet
für Situationen, wo
der Laufschaufelbereich größer ist
als ein Stumpf. Wegen der großen,
mit dem linearen Reibschweißen verbundenen
Druckkräfte
kann jedoch eine radiale Abstützung
für die
Manschette notwendig sein.
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Obwohl
die bevorzugten Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung im Hinblick auf einen Laufschaufelstumpf
und ein Erstreckungselement offenbart sind, kann ferner die vorliegende
Erfindung mit einem Laufschaufelbereich fast jeder Größe an der
Scheibe und jedem Erstreckungslaufschaufelbereich verwendet werden,
abhängig
von der Anwendung und dem verfügbaren
Werkzeug. Der Stumpf muss keine gleichmäßige Höhe haben. Das Erstreckungselement
kann ein Ersatzteil sein, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Zum
Beispiel kann die vorliegende Erfindung auch verwendet werden, wenn
es in einer Erstausrüstersituation
(OEM-Situation) nicht möglich
ist, eine überdimensionierte,
erhobene Oberfläche
an der Rotorscheibe für
die ursprüngliche Laufschaufel
vorzusehen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform
für Verwendung
bei linearem Reibschweißen
von Laufschaufeln mit Rändern
beschrieben ist, sollte erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung
für Anwendungen
mit Strukturen einer beliebigen Form geeignet angepasst werden kann.
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Obwohl
die spezielle Erfindung mit Bezugnahme auf Ausführungsformen für eine Verwendung beim
Reparieren eines integral mit Laufschaufeln ausgebildeten Bläserrotors
beschrieben wurde, ist diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinn
auszulegen. Es wird verstanden, dass verschiedene Modifikationen
der obigen Ausführungsformen sowie
zusätzliche
Ausführungsformen
der Erfindung den mit dem Stand der Technik vertrauten Perso- nen bei
Bezugnahme auf diese Beschreibung ersichtlich werden, ohne von dem
Umfang der hier beigefügten Ansprüche abzuweichen.