EP2030719B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schaufelspitzenbearbeitung der Laufradtrommeln von Turbomaschinen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaufelspitzenbearbeitung der mit integral angeformter und/oder separat montierter konventioneller Beschaufelung ausgeführten Laufradtrommeln von Turbomaschinen bei rotierender Laufradtrommel sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Ein Beispiel solch eines Verfahrens und einer Vorrichtung ist aus der AS GB 2 270 485 bekannt.
• Laufräder der Verdichter von Turbomaschinen bzw. aus mehreren miteinander verbundenen Laufrädern gebildete Rotortrommeln mit am Scheibenumfang in einer Nut gehaltenen Schaufeln werden an den Schaufelspitzen bekanntermaßen durch Hochgeschwindigkeitsschleifen, bei dem die Trommel mit hoher Geschwindigkeit rotiert, trocken geschliffen. Ähnlich der Drehbewegung im Einbauzustand in der Turbomaschine werden die in der Nut gehaltenen Schaufeln aufgrund der Fliehkraft nach außen gedrückt, so dass die Schaufelspitzen auf den - möglichst geringen - Spaltabstand zum Gehäuse geschliffen werden können, der zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades und einer niedrigen Pumpgrenze auch im praktischen Betrieb vorliegen soll. Das Schaufelspitzenschleifen der mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Trommel mit konventionell angebrachter Beschaufelung hat zudem den Vorteil, dass die Schaufeln während der Bearbeitung aufgrund der auf diese wirkendenden Fliehkraft elastisch gelagert sind und dadurch nicht zu hoch belastet werden.
• Das Schleifen von in Integralbauweise gefertigten Laufrädern (BLISK), das heißt von Laufrädern mit am Scheibenumfang angeformten Laufschaufeln bzw. zwei oder mehreren aus solchen Laufrädern zusammengesetzten Trommeln bereitet insofern Schwierigkeiten, als bei dem bekannten Hochgeschwindigkeitsschleifen starke Schaufelvibrationen sowie Funkenbildung und Funkenflug und daraus resultierende Folgeschäden an den Schaufeln zu verzeichnen sind.
• Bei Gasturbinentriebwerken ist es bekannt und vorteilhaft, ein- und dieselbe Laufradtrommel für den Verdichter sowohl aus in Integralbauweise gefertigten Laufrädern (Blisks) als auch aus in konventioneller Bauweise hergestellten Laufrädern zusammenzusetzen, die zudem noch aus unterschiedlichen Werkstoffen, zum Beispiel aus Titan für die Blisks und Nickelbasiswerkstoff für die konventionell montierten Schaufeln, bestehen können. Aufgrund der unterschiedlichen Bauart, der jeweiligen Werkstoffe und der durch den Schleifprozess hervorgerufenen unterschiedlichen Wirkungen werden die beiderseitigen Trommelteile bzw. Laufräder in getrennten Bearbeitungsvorrichtungen separat bearbeitet und können erst danach miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren ist mit Blick auf den Einsatz im Triebwerk insofern nachteilig, als aufgrund der voneinander getrennten Schaufelspitzenbearbeitung und der erst dann erfolgenden Montage die Spaltweite zwischen den Schaufelspitzen und der Gehäusewand, die wesentlichen Einfluss auf den Verdichterwirkungsgrad und die Pumpgrenze hat, nicht auf ein möglichst einheitliches, geringes Maß eingestellt werden kann.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Spitzenbearbeitung der mit integral angeformter und/oder separat montierter Beschaufelung ausgeführten Verdichtertrommeln von Turbomaschinen anzugeben, das eine Beschädigung der Schaufeln beim Schleifen verhindert und die Einstellung eines optimalen Schaufelspitzenabstandes zum Gehäuse und damit die Erzielung eines hohen Verdichterwirkungsgrades und einer hohen Pumpgrenze gewährleistet.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Bearbeitung der vollständig montierten Laufradtrommel (Verdichtertrommel) in einer einzigen Vorrichtung, in der der rotierende Werkstückträger wie die Turbomaschinenwelle, an der die Laufradtrommel später montiert wird, ausgebildet ist und die Laufradtrommel auch dementsprechend mit dem so ausgebildeten Werkstückträger verbunden ist. Die Bearbeitung von integral angeformten Schaufeln erfolgt unter Flüssigkeitszufuhr mit einer Geschwindigkeit, die geringer als die Geschwindigkeit bei der Trockenbearbeitung der konventionell ausgebildeten Schaufeln sein kann. Bei einer mit integral angeformten und mit konventionell montierten Schaufeln ausgebildeten Trommelbaugruppe wird der Bereich zur Trockenbearbeitung konventioneller Schaufeln gegenüber den beim Nassbearbeiten anfallenden Spänen und flüssigen Stoffen durch ein verstellbares Trennelement abgeschirmt. In einer einzigen - sowohl mit Werkzeugen für die Trockenbearbeitung als auch die Nassbearbeitung ausgerüsteten - Vorrichtung bzw. Werkzeugmaschine, in der der entsprechend der Turbomaschinenwelle ausgebildete Werkstückträger mit unterschiedlicher Drehzahl angetrieben werden kann, können Laufradtrommeln mit integral angeformten und/oder konventionell ausgebildeten Schaufeln an den Schaufelspitzen in hoher Genauigkeit und ohne Beschädigung der integral angeformten oder der diesen benachbarten konventionell ausgebildeten Schaufeln bearbeitet werden. Aufgrund der Bearbeitung von sowohl integral als auch konventionell beschaufelten Trommeln in einem Stück und in ein und derselben Vorrichtung bzw. Werkzeugmaschine werden minimale Toleranzen in Bezug auf den Außendurchmesser der Laufradtrommel und damit optimale Spaltverhältnisse sowie ein verbesserter Wirkungsgrad der Turbomaschine erzielt.
• Zur Bearbeitung der Schaufelspitzen sind Schleifscheiben mit einer Flüssigkeitszufuhr für das Nassschleifen der Trommeln oder Trommelteile mit integral angeformten Schaufeln und Schleifscheiben für das Trockenschleifen der Trommeln oder Trommelteile mit konventioneller Beschaufelung vorgesehen.
• Anstelle der Schleifwerkzeuge können beispielsweise auch Fräswerkzeuge oder andere Werkzeuge zur Schaufelspitzenbearbeitung angeordnet sein.
• Den jeweiligen Werkzeughaltern sind Werkzeugmagazine zum schnellen Werkzeugwechsel, beispielsweise zur Bearbeitung von Schaufeln aus unterschiedlichen Werkstoffen, zugeordnet.
• Zur Entgratung der bearbeiteten Schaufelspitzen kann die Vorrichtung Bürstwerkzeuge oder andere Werkzeuge aufweisen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. In der einzigen Figur ist schematisch eine Anordnung zur Schaufelspitzenbearbeitung einer Laufradtrommel (Verdichtertrommel für ein Flugtriebwerk) dargestellt, die aus einer ersten Trommel mit integral angeformten Schaufeln und aus einer zweiten Trommel mit separat gefertigten und montierten Schaufeln zu einer Trommelbaugruppe zusammengesetzt ist.
• Die aus Titan bestehende erste Trommel 1 umfasst vier Scheiben in Blisk-Bauweise, das heißt mit einstückig an eine Scheibe 2 angeformten Schaufelkränzen bzw. Schaufeln 3 ausgebildete Blisks 4, die durch Schweißen miteinander verbunden sind. Die zweite Trommel 5 - hier aus einem Nickelbasis-Werkstoff - umfasst zwei aneinander geschweißte, jedoch konventionell gefertigte Laufräder 6, bestehend aus einer Scheibe 7, an deren Außenumfang in einer Nut separat gefertigte Schaufeln 8 gehalten sind. Die beiden Trommeln 1 und 5 sind über Verbindungsmittel 9 zu einer einzigen Trommelbaugruppe (Laufradtrommel) zusammengefügt. Die so ausgebildete Laufradtrommel 10 ist mittels erster und zweiter lösbarer Verbindungselemente 11, 12 am vorderen und hinteren Ende in einen drehbar gelagerten Werkstückträger 13 (13a/13b) (Hilfstriebwerkswelle, dummy shaft) eingebunden, der entsprechend einem Teilstück der im Triebwerk zum Antrieb der Laufradtrommel 10 tatsächlich vorgesehenen Triebwerkswelle ausgebildet ist. Dadurch ist die Laufradtrommel 10 als Ganzes so in der Bearbeitungsvorrichtung angeordnet und ausgerichtet, wie sie später innerhalb des Triebwerks in die Triebwerkswelle und das Triebwerksgehäuse eingebunden sein wird. Die Rotation des Werkstückträgers 13 ist mit dem Pfeil 14 angedeutet.
• Neben dem Werkstückträger 13 umfasst die Einrichtung zur Schaufelspitzenbearbeitung der Laufradtrommel 10 ein erstes, für den Nass- und den Trockenbetrieb geeignetes Bearbeitungswerkzeug 15 mit diesem zugeordnetem Werkzeugmagazin 16 zum Austauschen des hier als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeugs und einer einstellbaren Flüssigkeitszufuhr 17, sowie ein zweites Bearbeitungswerkzeug 18, dem ebenfalls ein Werkzeugmagazin 16 für das Auswechseln der Werkzeuge und eine einstellbare Flüssigkeitszufuhr 17 für den wahlweisen Nass- oder Trockenschleifbetrieb zugeordnet ist. Anstelle der Schleifscheiben können auch andere Werkzeuge, zum Beispiel Fräser, vorgesehen sein.
• Die in der Zeichnung dargestellte Schaufelspitzenbearbeitungseinrichtung umfasst weiterhin eine in axialer Richtung bewegliche, hier zwischen den benachbarten Schaufelkränzen einer Blisk 4 und eines konventionellen Laufrades 6 angeordnetes, als Ringscheibe ausgebildetes Trennelement 19, dessen Innendurchmesser an den jeweiligen Trommeldurchmesser angepasst ist.
• Die Bearbeitung der Schaufelspitzen der zuvor hergestellten ersten Trommel 1 mit integral angeformten Schaufeln 3 und der zweiten Trommel 5 mit konventionell befestigten Schaufeln 8 erfolgt in der Weise, dass in einem ersten Schritt die erste Trommel 1 und die zweite Trommel 5 mittels der Verbindungsmittel 9 zu einer zusammengesetzten, die Laufradtrommel 10 bildenden Baugruppe verschraubt werden. Diese Baugruppe wird anschließend mittels der ersten und zweiten Verbindungsmittel 11, 12 an der vorderen und hinteren Seite mit den stirnseitigen Enden der beiden Abschnitte 13a, 13b des drehbar gelagerten und an ein Antriebsmittel (nicht dargestellt) gekoppelten Werkstückträgers 13 verbunden. Anschließend wird das Trennelement 19 zwischen der aus Blisks zusammengesetzten ersten Trommel 1 und der konventionell ausgebildeten zweiten Trommel 5 positioniert. Zwischen den integral angeformten Schaufeln 3 der ersten Trommel 1 können noch Dämpfungselemente 20 zur weiteren Dämpfung der Vibration der integral angeformten Schaufeln beim Nassschleifen und Spritzschutzelemente angebracht werden.
• Das Bearbeiten der Schaufelspitzen der zweiten Trommel 5 erfolgt durch Hochgeschwindigkeitsschleifen, indem der Werkzeugträger 13 mit hoher Drehzahl rotiert und die Schaufeln 8 aufgrund der Zentrifugalkraft nach außen an das zweite Bearbeitungswerkzeug 18 gedrückt und - bedarfsweise elastisch gelagert - an den Schaufelspitzen geschliffen werden, und zwar trocken, das heißt bei unterbrochener Flüssigkeitszufuhr 17b. Anschließend wird das Bearbeitungswerkzeug 18 über den benachbarten Schaufelkranz verfahren, um - gegebenenfalls nach einem Werkzeugwechsel - auch diese Schaufeln 8 in der zuvor beschriebenen Weise zu schleifen. Die darauf folgende Bearbeitung der integral und somit starr mit der ersten Trommel 1 verbundenen Schaufeln 3 wird als Nassschleifen, das heißt bei freier Flüssigkeitszufuhr und dadurch bedingter Vibrationsminderung, und bei gegenüber dem Hochgeschwindigkeitsschleifen verminderter Geschwindigkeit nacheinander an den Schaufelspitzen der vier miteinander verschweißten Blisks 4 durchgeführt. Aufgrund der verminderten Drehgeschwindigkeit des Werkstückhalters und in Verbindung mit dem durch die Flüssigkeitszufuhr bewirkten Schmiereffekt wird die Vibration der ansonsten stark vibrierenden Schaufeln 3 deutlich verringert, so dass die Gefahr einer durch starke Schwingungen bedingten Schädigung der Schaufeln durch Rissbildung nicht mehr besteht. Die verminderten Schwingungen und die Kühlwirkung der Flüssigkeit verhindern zudem die Ausbildung von Funken und damit die Beschädigung von benachbarten Schaufeln durch Funkenflug. Um die erste Trommel 1 und deren Schaufeln 3 weiter gegenüber Schwingungen und schädlichen Funken zu schützen, können an diesen Schaufeln 3 Dämpfungselemente 20 und Spritzschutzelemente angebracht sein. Das Trennelement 19 schirmt die zweite Trommel 5 und deren konventionell in einer Nut gehaltene Schaufeln 8 gegenüber dem beim Nassschleifen der Blisks 4 entstehenden nassen Schleifschlamm, der sich in den Nuten absetzen könnte, und auch gegenüber schädlichen, gegebenenfalls aus einem anderen Material bestehenden Funken ab. Zur Entgratung der nass oder trocken geschliffenen Schaufelspitzen sind in der Vorrichtung Bürstwerkzeuge 21 oder andere Werkzeuge angeordnet. Mit dem zuvor geschilderten Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung bzw. Werkzeugmaschine werden die Schaufelspitzen der in einem Stück ausgebildeten und entsprechend den Verhältnissen in der Turbomaschine angeordneten Verdichtertrommel so bearbeitet, dass ein optimaler Spitzenabstand zum Gehäuse und somit ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Pumpgrenze erreicht werden.
Bezugszeichenliste

1

erste Trommel (Blisk-Trommel)

2

Scheibe

3

Schaufel (integral)

4

Blisk

5

zweite Trommel (konventionell)

6

Laufrad

7

Scheibe

8

Schaufel (separat)

9

Verbindungsmittel (Schraubverbindung zw. 1/5)

10

Laufradtrommel (Verdichtertrommel, Trommelbaugruppe)

11

erste Verbindungsmittel zw. 10/13

12

zweite Verbindungsmittel zw. 10/13

13

Werkstückträger (Hilfs-Turbomaschinenwelle, dummy shaft)

14

Drehrichtung von 13

15

erstes Bearbeitungswerkzeug (Schleifscheibe, Fräser f. Blisk)

16

Werkzeugmagazin f. 15, 18

17

Flüssigkeitszufuhr f. 15, 18

18

zweites Bearbeitungswerkzeug

19

Trennelement (verstellbare Ringscheibe)

20

Dämpfungselemente

21

Bürstwerkzeug

Claims (12)

1. Verfahren zur Schaufelspitzenbearbeitung der mit integral angeformter und/oder separat montierter konventioneller Beschaufelung ausgeführten Laufradtrommeln von Turbomaschinen bei rotierender Laufradtrommel, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständig montierte Laufradtrommel in eine als Werkstückträger fungierende Hilfsturbomaschinenwelle eingespannt und die Schaufeln entsprechend dem in der Turbomaschine vorliegenden Montagezustand der Laufradtrommel bearbeitet werden, wobei eine Nassbearbeitung der integral angeformten Schaufeln mit gegenüber der Trockenbearbeitung von konventionell angeordneten Schaufeln verminderter Drehzahl erfolgt und ein Trockenbearbeitungsbereich gegenüber den im Nassbearbeitungsbereich anfallenden Spänen und flüssigen Stoffen abgeschirmt wird und entsprechend der Bearbeitungs- und Materialart jeweils unterschiedliche Werkzeuge eingesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelspitzen durch Nass- und Trockenschleifen bearbeitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelspitzen mechanisch durch Bürsten nachbearbeitet werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen wie eine Turbomaschinenantriebswelle ausbildeten Werkstückträger (13), mit dem die Laufradtrommel (10) wie in der Turbomaschine verbunden ist, ein erstes Bearbeitungswerkzeug (15) mit einstellbarer Flüssigkeitszufuhr für die Nassbearbeitung integral angeformter Schaufeln (3) und ein zweites Bearbeitungswerkzeug (18) mit einstellbarer Flüssigkeitszufuhr für die Trockenbearbeitung konventionell angebrachter Schaufeln (8) sowie ein als Ringscheibe ausgebildetes Trennelement (19) zur Abschirmung eines Trockenbearbeitungsbereichs von einem Nassbearbeitungsbereich.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Nass- oder Trockenbearbeitungsbereich durch das Freigeben/Schließen der Flüssigkeitszufuhr und das jeweilige - austauschbare - Bearbeitungswerkzeug (15 oder 18) sowie die Positionierung des Trennelements (19) bestimmt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Bearbeitungswerkzeugen (15, 18) Werkzeugmagazine (16) zum Werkzeugwechsel entsprechend der Werkstoff- und Materialart zugeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungswerkzeuge (15, 18) radial und axial verstellbare Schleifscheiben mit diesen zugeordneter - einstellbarer und wahlweise zuschaltbarer Flüssigkeitszufuhr (17) sind.
8. Vorrichtung nach,Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Schleifscheiben alternativ einsetzbare Fräswerkzeuge oder andere Werkzeuge zur Schaufelspitzenbearbeitung vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (19) axial verstellbar und radial anpassbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass den Bearbeitungswerkzeugen (15, 18) Bürstwerkzeuge (21) oder andere Werkzeuge zur Nachbearbeitung der geschliffenen Schaufelspitzen zugeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Nassbearbeitungsbereich bearbeiteten integral angeformten Schaufeln (3) durch Dämpfungselemente (20) abgestützt und/oder gegenüber Schleifschlamm und Funkenbildung abgeschirmt sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Laufradtrommel (10) mit dem Werkstückträger (13) die in der Turbomaschine zwischen Laufradtrommel und Antriebswelle üblichen Verbindungsmittel (11, 12) vorgesehen sind.

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