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Die
Erfindung betrifft Reibschweißen.
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Eine
typische Gasturbinenmaschine hat einen ringförmigen, sich axial erstreckenden
Strömungsweg
zum Leiten von Arbeitsfluid durch einen Verdichterabschnitt, einen
Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Der Verdichter-
und der Turbinenabschnitt haben jeweils eine Anzahl von mit Laufschaufeln
versehenen Rotoranordnungen, die jeweils eine Mehrzahl von Laufschaufeln
aufweisen, die umfangsmäßig um die
radial äußere Peripherie einer
Rotorscheibe beabstandet und daran befestigt sind.
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Bei
einer konventionellen mit Laufschaufeln versehenen Rotoranordnung
hat die Rotorscheibe eine Mehrzahl von axialen Schlitzen um deren
radial äußere Peripherie.
Die Laufschaufeln weisen eine Wurzel, eine Plattform und ein Strömungsprofil
auf. Die Plattform hat entgegengesetzt gerichtete Oberflächen. Die
Wurzel ist an einer der Oberflächen
angeschlossen, das Strömungsprofil
ist an der anderen angeschlossen. Die Schlitze und die Wurzeln haben komplementäre Formen,
typischerweise entweder einen Schwalbenschwanz oder einen Tannenbaum. Die
Wurzel passt zu dem Schlitz, und die Laufschaufel ragt radial davon
nach außen.
Diese Art von Rotoranordnung ist relativ schwer und erfordert so,
dass die Rotorscheibe ausreichend massiv und somit schwer ist, um
die Spannungen aufzunehmen, die sich von der schweren Laufschaufel
ergeben.
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Alternativ
können
die Laufschaufeln durch Verbinden oder Schweißen an der Rotorscheibe befestigt
sein, um so eine integral mit Laufschaufeln versehene Rotoranordnung
(IBR – integrally
bladed rotor assembly) zu bilden. Ein Hauptvorteil einer integral
mit Laufschaufeln versehenen Rotoranordnung ist, dass es häufig keine
Notwendigkeit für
eine fortgesetzte Laufschaufelwurzel oder eine Laufschaufelplattform
gibt. Das Strömungsprofil
kann direkt an der radial äußeren Peripherie
der Rotorscheibe befestigt sein. Die Abwesenheit einer fort gesetzten
Wurzel und einer Laufschaufelplattform führt zu einer Laufschaufel,
die leichter als eine konventionelle Laufschaufel ist. Eine leichtere
Laufschaufel ermöglicht die
Verwendung einer weniger massiven und leichteren Rotorscheibe, wobei
in diesem Fall die integral mit Laufschaufeln versehene Rotoranordnung
insgesamt viel leichter als eine konventionelle mit Laufschaufeln
versehene Rotoranordnung ist.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Verbinden oder zum Schweißen der
Laufschaufel an die Rotorscheibe ist ein lineares Reibschweißverfahren.
Bei einem solchen Verfahren wird eine Oberfläche der Laufschaufel mit einer
Oberfläche
an der Scheibe in Kontakt gebracht (flächenmäßig zusammengebracht). Die
flächenmäßig zusammengebrachten Oberflächen haben
typischerweise komplementäre Geometrien,
d. h. ähnliche
Längen
und ähnliche
Breiten. Die beiden Teile werden in einer reziproken (vor und zurück) oszillierenden
Weise von im wesentlichen linearer Art aneinander gerieben. Die
Oszillationsachse ist typischerweise grob mit der Longitudinal-(Längsrichtungs-)Achse
der Zwischenfläche
ausgerichtet, d. h. von Ende zu Ende. Wenn die Teile aneinander
gerieben werden, wird eine Druckkraft aufgebracht, um die Zwischenfläche mit
hohem Druck zu belassen. An der Zwischenfläche wird Reibungswärme erzeugt,
und Material von jedem der Teile ändert seinen Zustand in einen
geschmolzenen oder vorzugsweise einen plastischen Zustand. Etwas
von diesem Material strömt
von zwischen den Teilen aus (Blitzfließen – flash flow), was zu einer
allmählichen Abnahme
der Dicke, d. h. der Dimension in der Richtung, in der der Druck
aufgebracht wird (die Dimension rechtwinklig zur Zwischenfläche), der
Teile führt. Wenn
das Verfahren abgeschlossen ist, hört das Blitzfließen auf,
und das verbleibende Material im plastischen Zustand eines jeden
Teils kühlt
ab und ändert
seinen Zustand zurück
zum festen Zustand an der Zwischenfläche und bildet darin Verbindungen und
verbindet die zwei Teile miteinander.
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Lineares
Reibschweißen
der Laufschaufel an die Rotorscheibe wurde mit zwei unterschiedlichen
Verfahren durchgeführt.
Das erste Verfahren bringt eine Oberfläche an der Basis der Laufschaufel mit
einer geringfügig
erhöhten
Oberfläche,
d. h. einem Stummel, an der Peripherie der Rotorscheibe flächenmäßig zusammen.
Die Oszillationsachse ist grob mit der Profilsehne der Laufschaufel
ausgerichtet. Dieses Verfahren hat einige Nachteile. Die Herstellung
einer Scheibe mit Stummeln ist schwierig und kostenaufwändig, weil
sie ein komplexes maschinelles Bearbeiten, z. B. Fünf-Achsen-Fräsen, erfordert.
Außerdem
gibt es signifikante Bedenken hinsichtlich der Festigkeit des Stummels,
d. h. seiner Fähigkeit,
das Linear-Reibschweißverfahren
auszuhalten. Bei einer Erstausrüstungs-Herstellungssituation kann
der Hersteller übermaßige Teilegeometrien
vorsehen, d. h. überschüssiges Material,
um dem Stummel eine ausreichende Struktur und Festigkeit zu geben,
um das Schweißverfahren
auszuhalten. Komplexes (und somit etwa kostspieliges) Bearbeiten wird
dann verwendet, um das überschüssiges Material
zu entfernen und so die endgültige
Gestalt zu erhalten. In einer Reparatursituation wird jedoch der beschädigte Bereich
entfernt, und der Stummel bleibt zurück, aber der Stummel hat bereits
seine endgültige
Gestalt. Ohne zusätzliche
Maßnahmen
hat der Stummel mit der endgültigen
Gestalt möglicherweise nicht
genügend
Festigkeit, um den Kräften
zu widerstehen, die für
das Linear-Reibschweißen
benötigt werden.
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Das
zweite Verfahren, welches im US-Patent 5 366 344 an Gillbanks et
al., auf dem der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, beschrieben
ist, bringt eine Laufschaufel mit einer Wurzel mit generell keilartiger Form
mit entgegengesetzten zusammenlaufenden Oberflächen mit einem Axialschlitz
mit gegenüberliegenden
auseinander laufenden Oberflächen
in der Peripherie der Scheibe flächenmäßig zusammen. Dieses
Verfahren hat auch Nachteile. Es kann kostenaufwändiger und schwieriger zu verwenden
sein, weil es vier Zwischenflächen-Oberflächen benötigt, von
denen zwei an der Laufschaufel und zwei an der Scheibe sind, statt
lediglich zwei Zwischenflächen-Oberflächen. Außerdem wird
sich bei diesem Verfahren das Blitz-Material (flash material), welches Schweißdefekte
verursachende Verunreinigungen enthalten kann, an dem Schlitzgrund
sammeln. Obwohl dieses Blitzmaterial entfernt werden könnte, ist ein
derartiger Arbeitsschritt aufwändig,
und es hinterlässt
eine Öffnung
in dem Schlitzgrund. Außerdem kann
die Verwendung axialer Schlitze verhindern, dass dieses Verfahren
für manche
Verdichterrotoren verwendet wird, weil die Profilsehne der Strömungsprofile
die lineare Oszillation der Laufschaufel relativ zu der Scheibe
stören
würde.
Außerdem
sind die Zwischenflächen-Oberflächen nicht
rechtwinklig zur Richtung der Druckkraft, und somit werden möglicherweise
größere Druckkräfte erforderlich,
um einen adäquaten
Druck an der Zwischenfläche
für das Verbinden
zu erzielen.
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Das
G. B. Patent Nr. 1 053 420 (app. no. 32751 (11/8/64)) an Petrie
et al. beschreibt eine integral mit Laufschaufeln versehene Scheibe,
die eine Scheibe mit axialen Ausnehmungen von krummem Profil um
deren Peripherien und Laufschaufeln mit durch Schweißen in den
Ausnehmungen befestigten Wurzeln aufweist. Jedoch erwähnen Petrie
et al. Linear-Reibschweißen
nicht. Außerdem
können
Laufschaufeln mit einer Geometrie, wie sie in Petrie et al. beschrieben
sind, nicht in der axialen Ausnehmung oszilliert werden, ohne störende Wechselwirkung
mit benachbarten Laufschaufeln. Stattdessen schlagen Petrie et al.
vor, dass die Wurzeln in die Ausnehmungen durch Elektronenstrahl-Schweißen geschweißt werden.
Elektronenstrahl-Schweißen
ist anders als Linear-Reibschweißen dahingehend, dass beim Elektronenstrahl-Schweißen die
verschweißten Strukturen
relativ zueinander während
des Schweißverfahrens
stationär
sind statt zu oszillieren. Außerdem
verwenden die integral mit Laufschaufeln versehenen Scheiben, die
bei Petrie et al. beschrieben sind, konventionelle Laufschaufeln
mit Wurzeln, Plattformen und Strömungsprofilen,
und so bieten sie nicht den Hauptvorteil, den man sich von integral
mit Laufschaufeln versehenen Rotoranordnungen erhofft, niedriges
Gewicht. Außerdem
sind die Wurzeln fortgesetzt, und positionieren so die Plattformen
und die Strömungsprofile
von der Peripherie der Scheibe radial nach außen.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren
zur Verwendung beim Herstellen einer integral mit Laufschaufeln
versehenen Rotoranordnung in einer Gasturbinenmaschine bereitzustellen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes
Verfahren zum Verbinden einer Basis für ein Strömungsprofil mit einer Scheibe für eine integral
mit Laufschaufeln versehene Rotoranordnung in einer Gasturbinenmaschine
bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden einer Basis für ein Strömungsprofil
mit einer Scheibe für
eine integral mit Laufschaufeln versehene Rotorstufe in einer Gasturbinenmaschine
bereitgestellt, wie in Anspruch 1 beansprucht.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein verbessertes Verfahren zur Verwendung
beim Herstellen und Reparieren einer integral mit Laufschaufeln
versehenen Rotorstufe. Anders als bei dem Stummelverfahren des Stands
der Technik kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Reparatur
sowie zur Erstausrüstungsherstellung
verwendet werden. Außerdem
erfährt
die Schweißung
viel weniger Belastung, z. B. 50% weniger in bevorzugten Ausführungsformen,
während
des Maschinenbetriebs als die Schweißung des Stummelverfahrens
des Stands der Technik, da die Linear-Reibschweißung in dem Reifen statt in
dem Strömungsprofil
positioniert ist. Außerdem
verhindert die vorliegende Erfindung eine Ansammlung von Blitzmaterial
an der Basis des Schlitzes, weil die vorliegende Erfindung während des
Linear-Reibschweißverfahrens
eine substanzielle Nähe
zwischen der Wurzeloberfläche
und der zurückgesetzten
Oberfläche über dem
Bereich der zurückgesetzten
Oberfläche
erzielt. Somit ist diese sich ergebende Schweißung zwischen der Basis und
der Scheibe im wesentlichen kontinuierlich und hat weniger Verunreinigungen,
d. h. höhere
Qualität
und weniger Defekte als das Verfahren des Stands der Technik, welches
eine Wurzel mit generell keilartiger Form mit entgegengesetzten
zusammenlaufenden Oberflächen
und einen axialen Schlitz mit gegenüberliegenden auseinander laufenden
Oberflächen
verwendet. Außerdem
hat der Schlitz ein Profil von mindestens im wesentlichen stückweiser
glatter Gestalt. Im wesentlichen stückweise glatte Gestalt ist
hier definiert als ein im wesentlichen krummes oder im wesentlichen
stückweise
lineares Profil, welches Ecken mit Winkeln haben kann, obwohl es
umso besser ist, je weniger und je weniger ausgeprägt irgendwelche Ecken
sind. Bei einer Ausführungsform
mit einer zurückgesetzten
Oberfläche
mit einem Neigungswinkel von nicht größer als 45° wird sich eine Verbindung von
noch höherer
Qualität
ergeben. Außerdem
endet in der bevorzugten Ausführungsform
die äußere Oberfläche des
Abstützbereichs
im wesentlichen eben mit der radial äußeren Oberfläche der
Scheibe und macht so einen integral mit Laufschaufeln versehenen
Rotor möglich,
der signifikant we niger als frühere
integral mit Laufschaufeln versehene Rotoranordnungen wiegt, die
konventionelle Laufschaufeln mit fortgesetzten Wurzeln und Plattformen
haben. Außerdem
ist generell eine Abdichtung zwischen benachbarten Laufschaufeln
nicht erforderlich, und der Rand der Linear-Reibschweißung ist
generell in dem Strömungsweg.
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Einige
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist eine schematische
Darstellung einer Axialströmungs-Turbobläser-Gasturbinenmaschine;
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2 ist eine perspektivische
Teilansicht einer Rotoranordnung, die in der Gasturbinenmaschine
von 1 verwendet wird,
mit einem beschädigten
Strömungsprofil,
wofür das
Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Reparatur verwendet werden kann;
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3 ist eine perspektivische
Teilansicht der Rotoranordnung von 2,
bei der das beschädigte Strömungsprofil
entfernt wurde und ein Schlitz in dem Scheibenreifen gebildet ist,
und einer Ersatzlaufschaufel;
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4 ist eine perspektivische
Teilansicht der Rotoranordnung und der Ersatzlaufschaufel von 3, wobei die Ersatzlaufschaufel
so positioniert ist, dass sie an die Rotoranordnung im Linear-Reibscheißverfahren
geschweißt
werden kann;
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5 ist eine perspektivische
Teilansicht der Rotoranordnung und der Ersatzlaufschaufel von 4, wobei die Ersatzlaufschaufel
mit der Rotoranordnung verbunden ist und nach dem Linear-Reibschweißen fertig
bearbeitet wurde;
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6 ist eine Seitenteilansicht
eines Scheibenreifens, die ein Profil eines Schlitzes zeigt, der durch
eine im wesentlichen glatte Oberfläche definiert ist; und
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7 ist eine Seitenteilansicht
des Scheibenreifens von 3,
die ein Profil des Schlitzes in der momentan bevorzugten Ausführungsform
zeigt;
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8 ist eine perspektivische
Teilansicht der Rotoranordnung von 3 mit
einer zweiten Ausführungsform
der Ersatzlaufschaufel.
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Die
vorliegende Erfindung ist mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform
zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine des in 1 gezeigten Typs beschrieben. Es wird
nun auf 1 Bezug genommen.
Eine konventionelle Gasturbinenmaschine 10 weist einen
Verdichter- 12, Brennkammer- 14 und und Turbinen- 16 -abschnitt
auf, die entlang einer Längsachse 18 angeordnet
sind und in einem Maschinengehäuse 20 eingeschlossen
sind. Ein primärer
Strömungsweg 22 für Arbeitsfluid,
z. B. Luft erstreckt sich in Längsrichtung
entlang der Achse 18. Ein sekundärer Strömungsweg 24 für Arbeitsfluid
erstreckt sich parallel zu dem primären Strömungsweg 22 und radial
außerhalb
davon.
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Der
Verdichter 12 kann einen Bläser 28, einen Niederdruckverdichter 30 und
einen Hochdruckverdichter 32 aufweisen. Der Bläser 28 weist
eine Rotoranordnung 36 mit einer oder mehreren integral mit
Laufschaufeln versehenen Rotorstufen 38 auf.
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Es
wird nun auf 2 Bezug
genommen. Eine integral mit Laufschaufeln versehene Bläserrotorstufe 38 weist
eine Scheibe 42 und Laufschaufeln 44 auf. Die
Scheibe 42 hat einen äußeren Reifen 46 mit
einer radial inneren Oberfläche 47 und
einer radial äußeren Oberfläche 48.
Jede der Laufschaufeln 44 weist ein Strömungsprofil mit einer Basis 54 und
einer Spitze 56 auf. Die Strömungsprofile sind an ihren Basen 54 mit
an radial äußeren Oberfläche des
Reifens 46 angebracht und ragen radial davon nach außen. Man
sollte erkennen, dass die Laufschaufeln 44 lediglich drei
aus einer Mehrzahl derartiger Laufschaufeln sind, die an der Scheibe 42 angebracht sind.
Die Scheibe weist ferner einen strömungsaufwärtigen Rand 60 und
einen strömungsabwärtigen Rand 62 relativ
zu dem Gasströmungsweg 22 auf. Die
Laufschaufeln haben strömungsaufwärtige und strömungsabwärtige Kanten 64, 66.
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Die
integral mit Laufschaufeln versehene Rotorstufe 38 weit
typischerweise eine Ausrundung 70, d. h. eine abgerundete
Ecke mit einem Radius, der die Oberflächen des Strömungsprofils
und des Reifens verbindet, auf. Die Ausrundung dient zum Verringern
der Spannungskonzentration dort, wo die Strömungsprofile an dem Reifen
angebracht sind. Die Ausrundung selbst kann hohe Spannungskonzentrationen
an ihrer Basis 72 erfahren, wo die Oberfläche der
Ausrundung tangential zu dem Scheibenreifen ist.
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Eine
Mehrzahl von Profilsehnen 74 repräsentieren jeweils eine Profilsehne
der Basis eines Zugehörigen
der Strömungsprofile,
d. h. eine Linie zwischen der strömungsaufwärtigen Kante 60 der
Basis des Strömungsprofils
und der strömungsabwärtigen Kante 62 der
Basis des Strömungsprofils.
Die Mehrzahl von Profilsehnen 74 ist typischerweise ähnlich relativ
zu der Achse 18 orientiert. Die Profilsehnen liegen jeweils
auf einer zugehörigen
von einer Mehrzahl von Profillinien 76, die kollektiv die
gewünschten Positionen
der Profilsehnen relativ zu dem Scheibenreifen repräsentieren.
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Eines
der Strömungsprofile 44 an
der integral mit Laufschaufeln versehenen Rotorstufe 38 hat einen
beschädigten
Bereich 80. Eine derartige Beschädigung kann beispielsweise
von einem Aufprall eines Fremdkörpers
(nicht gezeigt) herrühren,
d. h. einem Gegenstand, der in die Maschine 10 (1) aufgenommen wurde. Es
ist wünschenswert,
die integral mit Laufschaufeln versehene Rotorstufe 38 zu reparieren,
so dass die Maschine bei Spitzenleistung arbeiten kann.
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Es
wird nun auf 3 Bezug
genommen. Ein Verfahren zum Reparieren der integral mit Laufschaufeln
versehenen Rotorstufe 38 weist das Entfernen des beschädigten Strömungsprofils
(2), das Bilden eines
Schlitzes 90 in dem Scheibenreifen 46 und das
Bereitstellen einer Ersatzlaufschaufel 92, die im Linear-Reibschweißverfahren
in den Schlitz 90 geschweißt werden soll, auf. Der Schlitz
hat eine Längsachse 94 und
ist begrenzt, d. h. definiert, durch eine zurückgesetzte Oberfläche 96,
die an Rändern 98, 100 auf
die radial äußere Oberfläche 48 des Scheibenreifens
treffen kann. Die Ersatzlaufschaufel 92 weist eine Basis 122 und
ein Strömungsprofil 120 auf.
Die Basis 122 hat einen Abstützbereich 124, der das
Strömungsprofil 120 abstützt, und
hat eine äußere Oberfläche 128 und
einen Wurzelbereich 126 mit einer Wurzeloberfläche 130,
welche in eine Richtung generell entgegengesetzt zu der der äußeren Oberfläche 128 gerichtet
ist.
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Es
wird nun auf 4 Bezug
genommen. Der Wurzelbereich 126 der Basis 122 ist
in dem Schlitz 90 (3)
positioniert, um auf das Linear-Reibschweißen vorzubereiten. Die Wurzeloberfläche berührt die
zurückgesetzte
Oberfläche
und stellt so eine Anfangs-Zwischenfläche 132 für das Linear-Reibschweißen her.
In der bevorzugten Ausführungsform
umfasst die anfängliche
Zwischenfläche 132 eine
substanzielle Mehrzahl von Oberflächen, obwohl ein derartiger
anfänglicher
Kontakt nicht erforderlich ist.
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Das
Linear-Reibschweißen
beginnt durch das Aufbringen einer kompressiven Kraft 134 und von
oszillatorischen Kräften 136 auf
die Basis 122. Die kompressiven Kräfte 134 sind grob
rechtwinklig zu der Oberfläche
des Scheibenreifens 48 gerichtet. Die oszillatorischen
Kräfte 136 sind
entlang einer Achse gerichtet, die im wesentlichen parallel zu der Längsachse 94 des
Schlitzes ist. Diese Kräfte
bringen effektiv die Zwischenfläche 132 zwischen
der Wurzel und den zurückgesetzten
Oberflächen
unter hohen Druck und lassen die Basis relativ zu dem Reifen vor
und zurück
oszillieren. An der Zwischenfläche wird
Reibungswärme
erzeugt, und Material eines jeden Teils ändert seinen Zustand in den
plastischen Zustand. Etwas von diesem Material strömt in der Form
von Blitzmaterial von zwischen den Teilen nach außen und
führt so
zu einer allmählichen
Abnahme der Dicke der Teile. Schließlich umfasst die Zwischenfläche im wesentlichen
alle Punkte der zurückgesetzten
Oberfläche,
d. h. die Wurzeloberfläche
und die zurückgesetzte
Oberfläche
sind über
dem Bereich der zurückgesetzten
Oberfläche
im wesentlichen anliegend, und so ist eine Ansammlung von Blitzmaterial
an dem Schlitzgrund verhindert. Wenn das Verfahren beendet ist,
kühlt das
verbleibende Material im plastischen Zustand eines jeden Teils ab und ändert seinen
Zustand zurück
in den festen Zustand und bildet Verbindungen darin und verbindet die
zwei Teile miteinander. Weil während
des Schweißens
die Wurzeloberfläche
und die zurückgesetzte Oberfläche über den
Bereich der zu rückgesetzten Oberfläche im wesentlichen
angrenzend sind, ist die Verschweißung zwischen der Basis und
den Reifen im wesentlichen kontinuierlich.
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Die
Basis 122 kann entgegengesetzte Längsseiten 142 und
entgegengesetzte Lateralseiten 144 aufweisen, die als Stellen
zum Halten der Ersatzlaufschaufel 92 während des Linear-Reibschweißens dienen
können.
Es ist wünschenswert,
die Ersatzlaufschaufel an den Seiten 142, 144 statt
an dem Strömungsprofil 120 zu
halten, um ein Verformen oder Beschädigen des Strömungsprofils 120 zu
vermeiden. Die entgegengesetzten Längsseiten 142 sind
so orientiert, dass sie rechtwinklig zu den oszillatorischen Kräften 136 (4) sind, die äußere Oberfläche ist
derart orientiert, dass sie rechtwinklig zu der Druckkraft 134 (4) ist, und die entgegengesetzten
Lateralzeiten sind so orientiert, dass sie parallel zu der Druckkraft 134 (4) sind.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
weist das Instrumentatrium zum Linear-Reibschweißen der Basis an die Scheibe
ein Schiffchen (schematisch mit unterbrochenen Linien dargestellt) 150,
eine stationäre
Halterung 152 (schematisch in unterbrochenen Linien gezeigt)
und eine computergeteuerte Linear-Reibschweißvorrichtung (nicht gezeigt)
auf. Das Schiffchen 150 hält die Basis 122.
Die stationäre
Halterung 152 legt den Reifen 46 fest. Das Schiffchen und
die stationäre
Halterung sind jeweils an der (nicht gezeigten) Linear-Reibschweißvorrichtung
angebracht. Das Schiffchen hält
vorzugsweise die Basis mittels der äußeren Oberfläche 128,
der entgegengesetzten Längsseiten 142 und
der entgegengesetzten Lateralseiten 144. Das Schiffchen
erhält
Druckkräfte und
oszillatorische Kräfte 134, 136 von
der Linear-Reibschweißvorrichtung.
Das Schiffchen 150 überträgt die Druckkräfte auf
die Basis mittels der äußeren Oberfläche 128, überträgt die oszillatorischen Kräfte auf
die Basis mittels der entgegengesetzten Längsseiten 142. Die
stationäre
Halterung 152 ist vorzugsweise vom Klemmbackentyp, welche
den Reifen an den radial inneren Oberflächen und dem strömungsaufwärtigen und
dem strömungsabwärtigen Rand
klemmt und abstützt,
um den Reifen davon abzuhalten, sich zu bewegen, und um den Reifen derart
abzustützen,
dass er während
des Linear-Reibschweißverfahrens
nicht beschädigt
wird.
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Sobald
die Ersatzlaufschaufel mit dem Reifen verbunden ist, wird das Schiffchen
entfernt, und sie wird in ihre Endgestalt, d. h. ähnlich den
Laufschaufel 44, geformt. Es wird nun auf 5 Bezug genommen. Das Fertigbearbeiten
weist typischerweise das maschinelle Bearbeiten einer Ausrundung 160 zwischen
der äußeren Oberfläche und
der Strömungsprofiloberfläche auf
und das maschinelle Bearbeiten der äußeren Oberfläche derart,
dass sie an ihren seitlichen Rändern 162 mit
der radialen äußeren Oberfläche 48 der
Scheibe 46 im wesentlichen fluchtend ist. Der Ausrundungsradius
ist vorzugsweise gleichförmig,
um die Kosten des Bearbeitungsverfahrens so gering wie möglich zu
halten. Die Ausrundung kann während
des Maschinenbetriebs hohe Spannungskonzentrationen an ihrer Basis 164 erfahren,
wo die Oberfläche
der Ausrundung tangential zu dem Scheibenreifen ist.
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Es
wird auf 3 Bezug genommen.
Der Schlitz 90 hat vorzugsweise eine zylinderartige Gestalt
mit einem Profil 170 in der Endansicht mit einer im wesentlichen
glatt gekrümmten
Gestalt, aufweisend kreisförmige
(gebogene) elliptische und parabolische Formen, aber nicht darauf
beschränkt.
Diese Formen führen
zu einer einzigen durchgängigen Oberfläche, welche
das flächenmäßige Zusammenbringen
erleichtert. Die gebogene Gestalt hat den Vorteil, dass sie relativ
einfach herzustellen ist, beispielsweise durch Fräsen, z.
B. Drei-Achsen-Fräsen unter
Verwendung eines Schneidwerkzeugs mit einer runden Unterseite. Jedoch
kann der Schlitz irgendein geeignet geformtes Endprofil aufweisen,
einschließlich
beispielsweise einer Gestalt 110 (6), die mindestens im wesentlichen stückweise
glatt ist. Es wird nun auf 6 Bezug
genommen. Ein im wesentlichen stückweise
glattes Profil ist hier als ein im wesentlichen krummes oder im
wesentlichen stückweise
lineares Profil definiert, welches Ecken 172 mit Winkeln 174 haben
kann, obwohl es umso besser ist, je weniger Ecken vorhanden sind
und umso weniger ausgeprägt
die Ecken sind. Wie vorangehend beschrieben, ist der Druck auf die
Zwischenfläche 132 (4) während des Linear-Reibschweißens abhängig von
dem Neigungswinkel 178 (7)
der Oberfläche.
Da es in dem Kontext von zwei unterschiedlichen Neigungswinkeln
es zu einer Ecke kommt, kann der Druck an einer Seite der Ecke grob
verschieden zu dem Druck an der anderen Seite der Ecke sein. Dieser
grobe Unterschied repräsentiert
eine Diskontinuität
in der Größe des Drucks
an der Ecke und kann das Schweißverfahren
beeinflussen. Wenn die Größe der Diskontinuität, d. h.
der Druckunterschied, übermäßig ist,
kann es zu einem Defekt kommen. Deshalb ist es zu empfehlen, dass
die Winkel 174 eine Größe von mindestens
160° haben.
Ecken 172 mit Winkeln von 170° oder 175° sind zunehmend erwünschter
als Ecken mit Winkeln von 160°.
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Es
auf 3 Bezug genommen.
Der Schlitz 90 erstreckt sich vorzugsweise von dem strömungsaufwärtigen Rand 60 des
Reifens zu dem strömungsabwärtigen Rand 62 des
Reifens. Der Schlitz sollte weit genug von den benachbarten Laufschaufeln 44 beabstandet
sein, um sicherzustellen, dass zwischen den Laufschaufeln 44 für das Schiffchen 159 (4) und das Blitzmaterial
genügend
Spielraum ist. Die Breite 176 des Schlitzes ist vorzugsweise
groß genug,
um sicherzustellen, dass der Abstand zwischen der Schweißung und
dem hochbelasteten Bereich an der Basis 164 der Ausrundung 160 mindestens
so groß ist
wie die Größe des Radius
der Ausrundung. Diese Abstandseparierung trägt dazu bei, sicherzustellen,
dass die Schweißung
nicht übermäßigen Spannungskonzentrationen
ausgesetzt ist. Der Schlitz ist vorzugsweise flach.
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Es
wird auf 7 Bezug genommen.
Die zurückgesetzte
Oberfläche 96 hat
einen Neigungswinkel 178 relativ zu der radial äußeren Oberfläche 48 des
Scheibenreifens. Die Größe der Druckkraft,
die für
Linear-Reibschweißen
benötigt
wird, hängt
von diesem Winkel ab, d. h. je größer die Neigungswinkel ist,
um so größere Druckkräfte werden
benötigt,
um ausreichenden Druck für
das Linear-Reibschweißen zu erzielen.
Der Neigungswinkel 178 ist vorzugsweise nicht größer als
etwa 45°,
bevorzugter nicht größer als
etwa 20°,
obwohl geeignete Neigungswinkel von der speziellen Anwendung abhängen.
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Es
wird wieder auf 3 Bezug
genommen. Die Basis 122 hat vorzugsweise eine längliche
Gestalt mit einer Längsachse 180,
eine Länge 182 und einer
Breite 184. Die Längsachse 180 der
Basis 122 ist vorzugsweise im wesentlichen parallel zu
einer Profilsehne 186 der Basis des Strömungsprofils 120 an
der Ersatzlaufschaufel 92 ausgerichtet. Diese Orientierung
ermöglicht
es, dass die Breiten der Basis und des Schlitzes so schmal wie möglich sind,
was zu wenig Oberflächenbereich
für die
Linear-Reiboberfläche
führt und
so die Verwen dung von Druckkräften
ermöglicht,
die einen so klein wie möglichen Wert
haben. Außerdem
ermöglicht
es diese Orientierung, dass die Basis relativ zu dem Reifen oszilliert wird,
während
ein größerer Spielraum
zwischen dem Strömungsprofil
der Ersatzlaufschaufel und den Strömungsprofilen der benachbarten
Laufschaufeln beibehalten wird, als der, der beibehalten würde, wenn die
Längsachse
axial, d. h. parallel zur Längsachse 18 der
Maschine und der Scheibe ausgerichtet wäre. Dieser Spielraum ist insgesamt
wichtig bei Ausführungsformen,
die mit Verdichterabschnitten in Beziehung stehen, bei denen es
sein kann, dass der Spielraum für
die Linearreibschweißung
nicht ausreichend ist, wenn der Schlitz axial orientiert ist.
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Die
Länge 182 der
Basis ist vorzugsweise größer als
die des Schlitzes 90, so dass die Basis und der Scheibenreifen
relativ zueinander oszilliert werden können, ohne alternierend das
strömungsaufwärtige und
das strömungsabwärtige Ende
der zurückgesetzte
Oberfläche 96 zu
exponieren. Das Vermeiden eines alternierenden Exponierens trägt dazu
bei, eine hoch qualitative Verbindung an dem strömungsaufwärtigen und dem strömungsabwärtigen Ende
der Zwischenfläche
zu erzielen. Die Breite 184 der Basis ist vorzugsweise
daran angepasst, dass sie eng zu der des Schlitzes 90 passt,
obwohl in manchen Ausführungsformen
etwas größere und
etwas kleinere Breiten zulässig
sind. Der Wurzelbereich 126 hat vorzugsweise eine Gestalt,
die ein Endprofil aufweist, welches im wesentlichen zu dem des Schlitzes 90 passt.
Die zurückgesetzte
Oberfläche und
die Wurzeloberfläche 96, 130 haben
vorzugsweise genormte Längskonturen,
um einen im wesentlichen gleichförmigen
Kontakt an der Schweiß-Zwischenfläche zu erleichtern
und besser das Ausfließen
von Blitzmaterial von zwischen den Teilen zu ermöglichen.
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Die
Ersatzlaufschaufel 92 ist vorzugsweise einstückig hergestellt.
Ein bevorzugtes Verfahren verwendet Schmieden, z. B. wie jenes,
das konventionell bei der Herstellung von Laufschaufeln verwendet
wird, um zuerst eine Laufschaufel mit einem Strömungsprofil und einem Block
zu bilden. Der Block wird dann so bearbeitet, dass er die Form einer
Basis hat. In einer alternativen Ausführungsform können das
Strömungsprofil
und die Basis separat hergestellt werden und dann miteinander verbunden
werden. In einer derartigen alternativen Ausführungs form kann das Strömungsprofil
an die Basis geschweißt
werden und die Basis dann an den Scheibenreifen geschweißt werden,
oder die Basis kann an den Scheibenreifen geschweißt werden,
und das Strömungsprofil
wird dann an die Basis geschweißt.
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Hinsichtlich
des Reifens gibt es verschiedene Überlegungen. Der Reifen sollte
fest genug sein, um das Linear-Reibschweißverfahren auszuhalten und
sollte genügend
Masse haben, um sicherzustellen, dass seine Temperatur keine Größe erreicht,
die so hoch ist, dass es zu einer Schweißung, d. h. einer sekundären Schweißung, zwischen
dem Reifen und der stationären
Halterung kommt. Um diese Überlegungen
zu erfüllen,
ist die Dicke des Reifens unter dem Schlitz und dem strömungsaufwärtigen und
dem strömungsabwärtigen Rand
vorzugsweise mindestens 0,075 Inch (1,9 mm), bevorzugter mindestens 0,125
Inch (3,2 mm). Bei der bevorzugten Ausführungsform wird diese Dicke
erzielt, indem man den Reifen im wesentlichen ohne eine Verjüngung an dem
strömungsaufwärtigen und
dem strömungsabwärtigen Rand
ausbildet, anders als traditionelle Scheibenreifen, die an den Rändern verjüngt sind, um
Gewicht zu verringern.
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Die
für den
Reifen und die Ersatzlaufschaufel verwendeten Materialien sollten
so gewählt
sein, dass die Anwendung anwendbare Konstruktionskriterien erfüllt, beispielsweise
einschließlich
Größe, Temperatur,
Spannung, andere Belastung, Drehzahl, Reparaturfähigkeit, etc. Titanlegierungen
und Nickellegierungen sind bevorzugt. Die Größe der für das Linear-Reibschweißen erforderlichen
Druckkraft sollte auch für
die beabsichtigte Anwendung der Materialien, die für den Reifen
und die Ersatzlaufschaufel verwendet werden, die Geometrien des
Reifens und der Ersatzlaufschaufel und der Querschnittsfläche der
Zwischenfläche
gewählt
werden.
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Es
wird nun auf 8 Bezug
genommen. In einer zweiten Ausführungsform
des Verfahrens zum Reparieren der integral mit Laufschaufeln versehenen
Rotorstufe weist eine Ersatzlaufschaufel 200, eine Basis 202 und
ein Strömungsprofil 204 auf.
Die Basis hat einen Abstützbereich 206,
der das Strömungsprofil 204 abstützt, und
hat eine äußere Oberfläche 208 und
einen Wurzelbereich 210 mit einer Wurzeloberfläche 212,
die in eine Richtung generell entgegengesetzt zu der der äußeren Oberfläche 208 gerichtet
ist. Der Wurzelbereich 210 und die Wurzeloberfläche 212 sind
im wesentlichen gleich wie der Wurzelbereich und die Wurzeloberfläche 126, 130 (3), die vorangehend beschrieben
wurden.
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Die äußere Oberfläche 208 des
Abstützbereichs 206 ist
vorzugsweise zumindest in der Nähe der
Basis des Strömungsprofils 204 vor
dem Linear-Reibschweißen
fertig bearbeitet. Das Fertigbearbeiten beinhaltet vorzugsweise
das maschinelle Bearbeiten, um eine Ausrundung 214 zwischen
der äußeren Oberfläche 208 und
der Oberfläche
des Strömungsprofils 204 zu
bilden. Die Ausrundung 214 ist im wesentlichen gleich wie
die Ausrundung 160 der Ersatzlaufschaufel 92 (3). Die Ausrundung kann während des
Maschinenbetriebs hohe Spannungskonzentrationen an ihrer Basis 216 erfahren,
wo die Oberfläche
der Ausrundung tangential zu der äußeren Oberfläche 208 des
Abstützbereichs 206 ist.
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Die
Basis 302 hat vorzugsweise eine längliche Gestalt mit einer Längsachse 218 und
einer Breite 220. Die Längsachse 218 der
Basis ist vorzugsweise im wesentlichen parallel zu einer Profilsehne
der Basis des Strömungsprofils 204 an
der Ersatzlaufschaufel 200 ausgerichtet. Die Breite 220 der
Basis ist vorzugsweise daran angepasst, dass sie eng zu der des
Schlitzes 90 passt, obwohl in manchen Ausführungsformen
eine etwas größere und
eine etwas kleinere Breite zulässig
sind.
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Zwei
Ohren 222 sind an der Basis 202 angebracht und
werden verwendet, um die Basis 202 während des Linear-Reibschweißens zu
halten. Somit muss die Basis 202 keine entgegengesetzten Längs- und
Lateralseiten ähnlich
den entgegengesetzten Seiten 142, 144 an der Basis 122 (3) haben. Während des
Linear-Reibschweißens
werden oszillatorische Kräfte
auf die Basis 202 durch die Ohren 222 aufgebracht.
Die Ohren 222 können
zusätzlich
verwendet werden, um Druckkräfte
aufzubringen, obwohl die Druckkräfte
vorzugsweise auf die Basis durch die äußere Oberfläche 208 aufgebracht werden.
In einer Ausführungsform
haben die Ohren 222 entgegengesetzte Längsseiten 224 und
entgegengesetzte Lateralseiten 226, die als Angriffstellen für ein Schiffchen 230 (mit
unterbrochenen Linien gezeigt) dienen, um die Ohren zu halten. Während des Linear-Reibschweißens erhält das Schiffchen 230 Kräfte von
der Linear-Reibschweißvorrichtung
(nicht gezeigt) und überträgt die Kräfte auf
die Basis 202 durch die Ohren 222. In einer alternativen
Ausführungsform
haben die Ohren 222 Öffnungen 232 (mit unterbrochenen
Linien gezeigt), die als Ansatzstellen zum Halten und/oder Aufbringen
von Kräften
auf die Ohren 222 dienen.
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Der
Rest des Reparaturverfahrens ist ähnlich dem vorangehend für Linear-Reibschweißen der Basis 122 an
den Reifen 46 (4, 5) gezeigte Verfahren, mit
der Ausnahme, dass bei dieser Ausführungsform das Linear-Reibschweißen fortgeführt wird,
bis die lateralen Ränder 234 der äußeren Oberfläche 208 des
Abstützbereichs 206 im
wesentlichen fluchtend oder annähernd
im wesentlichen fluchtend mit der radial äußeren Oberfläche 48 der
Scheibe 46 sind. Somit ist mit der möglichen Ausnahme des Entfernens
von Blitzmaterial wenig oder kein Bearbeiten erforderlich, um die
lateralen Ränder 234 der äußeren Oberfläche 208 im
wesentlichen fluchtend mit der radial äußeren Oberfläche der
Scheibe zu machen. Die Ohren 222 werden von der Basis unter
Verwendung irgendeines passenden Verfahrens, beispielsweise durch
Abschneiden oder maschinelles Bearbeiten, entfernt.
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Die
Ersatzlaufschaufel 200 ist vorzugsweise auf im wesentlichen
die gleiche Weise wie die Ersatzlaufschaufel 92 (3) hergestellt. Der Abstützbereich 206 kann
dann bearbeitet werden, so dass er die vorangehend beschriebene
Form hat. Die Ohren 222 werden vorzugsweise auf irgendeine
bequeme Weise, beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen, nach
der Herstellung der Laufschaufel 200 angebracht. Alternativ
kann die Laufschaufel 200 mit den Ohren 222 bereits
an der Basis 202 angebracht hergestellt werden.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können auch
für die
Erstausrüstungsherstellung
einer integral mit Laufschaufeln versehene Rotorstufe wie der in 5 verwendet werden. Das
Verfahren für
Erstausrüstungsherstellung weist
das Bereitstellen einer Scheibe ähnlich
der Scheibe 42, Ausbilden einer Mehrzahl von Schlitzen ähnlich den
Schlitzen 90 (3)
in der Scheibe und Linear-Reibschweißen einer Mehrzahl von Laufschaufeln ähnlich der
Laufschaufel 92 (3)
oder der Laufschaufel 200 (8)
in die Schlitze auf.
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Die
Scheibe kann unter Verwendung konventioneller Schmiedeverfahren
hergestellt werden, die üblicherweise
verwendet werden, um Scheiben für
konventionelle mit Laufschaufeln versehene Rotoranordnungen herzustellen.
Die Scheibe wird vorzugsweise zu ihrer endgültigen Gestalt geformt, z.
B. durch maschinelles Bearbeiten der Scheibe in einer Drehbank,
bevor die Schlitze geformt werden und die Laufschaufeln angebracht
werden. Dieses "Vorformen" der Scheibe verringert
das Erfordernis nach komplexen und aufwändigen Bearbeitungsverfahren wie
Fünf-Achsen-Fräsen. Die
Schlitze werden dann in der Scheibe geformt und die Laufschaufeln
in die Schlitze geschweißt,
typischerweise jeweils ein Blatt zu einer Zeit, in einer Weise,
wie sie vorangehend für das
Reparaturverfahren beschrieben wurde. Alle Laufschaufeln werden
vorzugsweise an die Scheibe geschweißt, bevor irgendwelches Endbearbeiten durchgeführt wird.
Nach dem Abschluss des Schweißens
wird das Blitzmaterial entfernt und das Endbearbeiten an allen Laufschaufeln,
typischerweise jeweils an nur einer Laufschaufel, in eine Weise,
wie vorangehend für
das Reparaturverfahren beschrieben, durchgeführt, um die Herstellung der
integral mit Laufschaufeln versehenen Rotorstufe abzuschließen.
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Die
vorliegende Erfindung beschafft ein verbessertes Verfahren zur Verwendung
beim Herstellen und Reparieren einer integral mit Laufschaufeln versehenen
Rotorstufe. Anders als bei dem Stummel-Verfahren des Stands der
Technik kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung für Reparaturen sowie
für die
Herstellung von Erstausrüstung
verwendet werden. Außerdem
verhindert die vorliegende Erfindung die Ansammlung von Blitzmaterial
an der Basis des Schlitzes, weil die vorliegende Erfindung während des
Linear-Reibschweißens
ein substanzielles Angrenzen zwischen der Wurzeloberfläche und
der zurückgesetzten
Oberfläche über die Fläche der
zurückgesetzten
Oberfläche
erzielt. Somit ist die sich ergebende Schweißung zwischen der Basis und
dem Reifen im wesentlichen kontinuierlich und hat weniger Verunreinigungen,
d. h. höhere
Qualität
und weniger Defekte, als das Verfahren des Stands der Technik, welches
eine Wurzel mit generell keilförmiger
Form mit entgegengesetzten zusammenlaufenden Oberflächen und
einem axialen Schlitz mit gegenüberliegenden
divergierenden Oberflächen
verwendet. Außerdem
wird sich bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einem Schlitz mit einem Profil zumindest
substanziell stückweiser
glatter Gestalt und einer zurückgesetzten
Oberfläche
mit einem Neigungswinkel von nicht mehr als etwa 45° eine Verbindung
von noch höherer Qualität ergeben.
Außerdem
endet in der bevorzugten Ausführungsform
die äußere Oberfläche des
Abstützbereich
im wesentlichen eben zu der radial äußeren Oberfläche der
Scheibe und ermöglicht
so einen integral mit Laufschaufeln versehenen Rotor, der signifikant
weniger als vorherige integral mit Laufschaufeln versehene Rotoranordnungen
wiegt, die konventionelle Laufschaufeln mit fortgesetzten Wurzeln
und Plattformen verwenden. Außerdem
ist ein Abdichten zwischen benachbarten Laufschaufeln generell nicht
erforderlich, und der Rand der Linear-Reibschweißung ist generell in dem Strömungsweg.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform,
die Linear-Reibschweißen
verwendet, beschrieben wurde, können
andere Ausführungsformen
andere Reibschweißtypen
oder andere Arten von Verbindungsverfahren verwenden. Bei derartigen
anderen Ausführungsformen
sind die Gestalt der Basis und die Gestalt des Schlitzes an den
speziellen Typ von verwendeten Schweißverfahren angepasst. Somit
müssen
die Basis und der Schlitz nicht eine lineare Gestalt haben, und
Längsachsen
brauchen nur Näherungen
zu sein.
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Obwohl
die spezielle Erfindung mit Bezugnahme auf Ausführungsformen zur Verwendung
bei der Herstellung und der Reparatur eines integral mit Laufschaufeln
versehenen Bläserrotors
beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einer beschränkenden
Weise ausgelegt werden. Die vorliegende Erfindung kann bei der Herstellung
oder der Reparatur jeglicher integral mit Laufschaufeln versehener
Rotoren verwendet werden, insbesondere integrierten Rotoren für einen
Verdichterabschnitt in einer Gasturbinenmaschine. Man versteht,
dass verschiedene Modifikationen der vorangegangenen Ausführungsformen
sowie zusätzliche
Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf diese Beschreibung ersichtlich
werden, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen wiedergegeben
ist, abzuweichen. Es ist deshalb angedacht, dass die angefügten Ansprüche sämtliche
derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen als in den wahren
Umfang der Erfindung fallend decken.