EP2697014A1

EP2697014A1 - Verfahren zur herstellung eines einstückigen rotorbereiches und einstückiger rotorbereich

Info

Publication number: EP2697014A1
Application number: EP12715668.5A
Authority: EP
Inventors: Goetz G. FELDMANN
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2014-02-19
Also published as: DE102011007224A1; US20130216391A1; WO2012140103A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Rotorbereiches (9), vorzugsweise eines Strahltriebwerkes (1), beschrieben. Der Rotorbereich (9) umfasst einen ringförmigen Grundkörper (10) und mehrere über den Umfang verteilte Schaufelelemente (11), die sich im Wesentlichen vom Grundkörper (10) radial erstrecken. In die Schaufelelemente (11) werden über ein jeweils zwischen die Schaufelelemente (11) eingreifendes Walzwerkzeug durch Festwalzen in oberflächennahen Bereichen Eigenspannungen eingebracht. Während des Festwalzens ist jeweils ein Bereich eines Schaufelelementes (11) zwischen Bereichen des Walzwerkzeuges angeordnet und Längsseiten des Schaufelelementes werden gleichzeitig festgewalzt. Erfindungsgemäß werden das Walzwerkzeug radial zwischen die Schaufelelemente (11) eingeführt und die Oberflächen der Schaufelelemente festgewalzt, womit zumindest die Schaufelelemente (11) eine festgewalzte Oberfläche aufweisen.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES EINSTÜCKIGEN ROTORBEREICHES

UND EINSTÜCKIGER ROTORBEREICH

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Rotorbereiches gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 und einen einstückigen Rotorbereich gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 9 näher definierten Art.

Aus der Praxis bekannte Strahltriebwerke sind stromab ei^¬ nes Bläsers mit mehrstufigen Verdichtern ausgeführt, in deren Bereich der in einem Kernstrom geführte Luftstrom stufenweise auf ein gewünschtes Druckniveau geführt wird. Die einzelnen Verdichterstufen sind durch im Betrieb eines Strahltriebwerkes rotierende Schaufelelemente bzw. rotierende Laufschaufeln von einstückigen Rotorbereichen und damit korrespondierenden Schaufelelementen bzw. stillstehenden Leitschaufeln gebildet.

Im Bereich der stillstehenden Leiträder wirken im Betrieb eines Strahltriebwerkes vergleichsweise geringe mechanische Lasten, da einerseits keine rotationsbedingten Zentrifugal^¬ kräfte angreifen und andererseits Schaufelschwingungen durch die Eigenspannung des Strömungsprofils des Fuß- und Kopfbe^¬ reichs minimiert werden.

Im Bereich der rotierenden Laufschaufeln wirken im Betrieb eines Strahltriebwerkes jedoch hohe mechanische Lasten. Ihre Gesamtlast setzt sich aus mehreren Teillasten zusammen, wobei die Zentrifugalkraft die dominante Teillast darstellt. Aufgrund im Betrieb eines Strahltriebwerkes nur gering auftre^¬ tender Drehzahlveränderungen ist die Zentrifugalkraft, die durch dynamische Teillasten überlagert wird, näherungsweise als statisch betrachtbar. Die dynamischen Teillasten resultieren aus der rotationsbedingten Schwingungsanregung der Laufschaufeln bzw. der Schaufelelemente. Des Weiteren wirken auf die Laufschaufeln aerodynamisch bedingte Lasten, die vor allem auf periodisch instationäre Strömungen zurückzuführen sind. Generell treten periodisch instationäre Strömungen durch die Stator-Rotor- Interaktion auf, die durch die Zerteilung der Strömung durch das Vorbeilaufen der Laufschaufeln an den Leitschaufeln erzeugt wird. Des Weiteren werden dynamische Lasten durch die Interaktion der Strömungsprofile mit der turbulenten Strömung hervorgerufen, die ebenfalls Schaufelschwingungen zur Folge haben. Die Summe der dynamischen Teillasten führt dazu, dass vor allem im Bereich rotierender Laufschaufeln von Verdichtern und auch von Bläsern bzw. allgemein von einstückigen Rotorbereichen von Strahltriebwerken im Betrieb hochfrequente Schwingungen auftreten, die zu einer hochdynamischen Beanspruchung der Laufschaufeln führen.

Neben mechanischen Belastungen wird ein Teil der Schaufeln auch thermisch beansprucht. Dies gilt vor allem für die Schaufeln des Hochdruckverdichters und die hinteren Schaufeln des Niederdruckverdichters, wo Betriebstemperaturen von bis zu 600 °C erreicht werden.

Allgemein werden Schaufeln von Verdichtern oder Bläsern von Strahltriebwerken derart ausgelegt, dass die dynamischen Betriebslasten die Schwingfestigkeit nicht oder nur definiert überschreiten und eine Dauerfestigkeit bzw. ein definiertes Maß an Zeitfestigkeit gewährleistet ist. Es kommt jedoch immer wieder zu einer verfrühten Rissinduzierung und teilweise sogar zu einem unkontrollierten Versagen von Bläser- und Verdichterschaufeln, das überwiegend auf eine Schaufelschädigung durch Fremdkörper zurückzuführen ist. Derartige Fremdkörperschäden sind Einschlagschäden, die durch das Auftreffen harter Fremdkörper hervorgerufen werden. Bei den Fremdkörpern handelt es sich im Allgemeinen um Steine und Bruchstücke von Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben und dergleichen, die auf der Start- und der Landebahn liegen.

Schlägt ein Fremdkörper ein, so zersplittert er häufig. Meist dringen diese Splitterstücke ebenfalls wie Objekte, die den Bläserbereich kollisionsfrei passiert haben, mit der Luft^¬ strömung tiefer in das Triebwerk ein. Hat das Triebwerk einen großen Nebenluftstrom, so kann ein Teil der Objekte das Triebwerk über diesen verlassen, ohne weitere wesentliche Schäden hervorzurufen. Der andere Teil gerät mit dem Kernluftstrom in den Niederdruckverdichter und geht dort folgenschwere Kollisi^¬ onen vor allem mit den schnell rotierenden Laufschaufeln ein. Hierbei liegt der Hauptschädigungsort, bedingt durch die Kine^¬ matik, ähnlich wie beim Bläser, im Bereich der Anströmkante und der vorderen konkaven Profilseite.

Um die Schaufelelemente bzw. die Laufschaufeln gegenüber Fremdkörperschäden zu schützen und die aus diesen im Betrieb jeweils resultierende Rissbildung im Bereich der Schaufeln zu vermeiden, sind die Schaufelelemente sowie damit einstückig ausgeführte ringförmige Grundkörper entsprechend massiv auszu^¬ führen. Der unerwünscht hohe Materialeinsatz erhöht ein Gesamtgewicht und auch Fertigungskosten eines Strahltriebwerkes, was jedoch nicht erwünscht ist.

Aus diesem Grund ist dazu übergegangen worden, Laufschau^¬ feln bzw. Schaufelelemente von Strahltriebwerken über geeignete Fertigungsprozesse nachzuverfestigen, um die Laufschaufeln im Vergleich zu nicht nachverfestigten Laufschaufeln mit geringeren Bauteilabmessungen ausführen zu können. Hierfür werden die Laufschaufeln und damit einstückig ausgeführte ringförmige Grundkörper eines Rotorbereiches mit^¬ tels Kugelstrahlen nachverfestigt, wobei während des Kugel^¬ strahlprozesses in oberflächennahen Bereichen der Laufschaufeln Eigenspannungen erzeugt werden, die einer aus einem Fremdkörperschaden oder einer Schwingungsbelastung resultierenden Rissbildung sowie dessen Rissausbreitung in gewünschtem Umfang entgegenwirken.

Nachteilig dabei ist jedoch, dass die Oberflächen von mittels Kugelstrahlen nachverfestigten Laufschaufeln eine geringe Oberflächengüte aufweisen, die nach dem Nachverfesti- gungsprozess während aufwendiger und daher kostenintensiver Nachbearbeitungsschritte wieder zu verbessern ist. Des Weite^¬ ren ist eine gleichmäßige Bearbeitung von Laufschaufeln bzw. Schaufelelementen von einstückigen Rotorbereichen mittels Kugelstrahlen beispielsweise aufgrund von Abprallern und Ab^¬ schattungen nicht gewährleistet, da Oberflächenbereiche häufi^¬ ger von Kugelelementen getroffen werden als andere Oberflächenbereiche, wodurch wiederum sich nachteilig auf die Lebens^¬ dauer auswirkende Effekte, wie Entfestigungseffekte, und auch reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse nicht gewährleistet sind. Eine Verfestigung von einstückigen Rotorbereichen mittels Kugelstrahlen ist deshalb auch sehr ungenau und darüber hinaus aufgrund der Verwendung von Druckluft kostenintensiv.

Des Weiteren ist es bekannt, Laufschaufeln mittels Zangenwerkzeugen bereichsweise zu walzen und in oberflächennahen Bereichen Eigenspannungen in den Laufschaufeln zu erzeugen. Dabei wird jeweils ein der Strömung zugewandter Schaufelbe^¬ reich durch einen in Strömungsrichtung bzw. in axialer Richtung gerichteten Eingriff eines Walzwerkzeuges durch Festwalzen verfestigt. Hierbei werden üblicherweise in etwa 20 % der Oberfläche eines Schaufelelementes ausgehend von der Strö- mungseintrittskante des Schaufelelementes in Strömungsrichtung durch gleichzeitiges beidseitiges Walzen der Längsseiten fest^¬ gewalzt, wodurch eine hohe Oberflächengüte erreicht bzw. bei^¬ behalten wird und auch Verformungen dünnwandiger Profile vermieden werden.

Diese Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, dass am Ü- bergang zwischen dem mittels Festwalzen nachverfestigten Oberflächenbereich eines Schaufelelementes und dem nicht nachver^¬ festigten Oberflächenbereich eines Schaufelelementes Spannungssprünge vorliegen. Während am Schaufelelement angreifen^¬ den Schwingbelastungen werden in diesem Übergangsbereich Spannungsobergrenzen überschritten, so dass plastisches Fließen im Bereich zwischen dem bearbeiteten Bereich eines Schaufelelementes und dem nicht mittels Festwalzen bearbeiteten Oberflä^¬ chenbereich auftreten, die eine unerwünschte Rissbildung verursachen können. Einmal aufgetretene Risse schreiten unter weiterer Schwingungsbelastung fort und führen letztendlich zu einem Versagen eines Schaufelelementes.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Rotorbereiches, vorzugsweise eines Strahltriebwerkes, zur Verfü^¬ gung zu stellen, mittels welchem einstückige Rotorbereiche mit hoher Beständigkeit gegenüber Fremdköperschäden und gegenüber Schwingungsbelastungen bei gleichzeitig geringem Bauteilgewicht herstellbar sind. Zusätzlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einstückigen Rotorbereich zur Verfügung zu stellen, der durch eine hohe Beständigkeit gegenüber Fremdkörperschäden und Schwingungsbelastungen gekennzeichnet ist, kostengünstig herstellbar ist und dessen Oberfläche mit einer geringen Rauheit ausgeführt ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und mit einem einstü^¬ ckigen Rotorbereich mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 gelöst .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Rotorbereiches, vorzugsweise eines Strahltrieb^¬ werkes, der einen ringförmigen Grundkörper und mehrere über den Umfang verteilte Schaufelelemente umfasst, die sich im Wesentlichen vom Grundkörper radial erstrecken, werden in die Schaufelelemente über ein jeweils zwischen Schaufelelemente eingreifendes Walzwerkzeug durch Festwalzen in oberflächenna^¬ hen Bereichen Eigenspannungen eingebracht. Während des Fest^¬ walzens ist jeweils ein Bereich eines Schaufelelementes zwi^¬ schen Bereichen des Walzwerkzeuges angeordnet und Längsseiten des Schaufelelementes werden gleichzeitig festgewalzt.

Erfindungsgemäß wird das Walzwerkzeug radial zwischen die Schaufelelemente eingeführt und die Oberflächen der Schaufel^¬ elemente werden festgewalzt.

Dadurch, dass die Oberflächen der Schaufelelemente fest^¬ gewalzt werden, ist ein aus einem ringförmigen Grundkörper und mehreren über den Umfang verteilten Schaufelelementen gebildeter einstückiger Rotorbereich, vorzugsweise eines Strahltrieb^¬ werkes, im Vergleich zu nicht nachverfestigten Rotorbereichen mit geringerem Materialeinsatz und somit kleinerem Gesamtgewicht bei gleicher oder höherer Beständigkeit gegenüber Fremdkörperschäden sowie Schwingungsbelastungen ausführbar.

Des Weiteren werden durch das Festwalzen der Oberflächen der Schaufelelemente Spannungssprünge vermieden und die Be^¬ ständigkeit gegenüber Schwingungsbelastungen im Vergleich zu nur bereichsweise nachverfestigten Schaufelelementen auf einfache Art und Weise verbessert.

Da das Walzwerkzeug radial zwischen die Schaufelelemente eingeführt wird, besteht auf einfache Art und Weise auch die Möglichkeit, einstückige Rotorbereiche mit einer hohen Bestän^¬ digkeit gegenüber Fremdkörperschäden und Schwingungsbelastungen auszuführen, die mehrere in axialer Richtung hintereinander am Grundkörper angeordnete Schaufelelemente aufweisen. Dies ist mit aus der Praxis bekannten Vorgehensweisen, bei welchen das Walzwerkzeug in axialer Richtung zwischen die Schaufelelemente eingeführt wird, aufgrund der geringen Ab^¬ stände zwischen den einzelnen Schaufelelementreihen nicht möglich.

Bei einer durch einen geringen Steuer- und Regelaufwand gekennzeichneten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Oberflächen der Schaufelelemente durch sequentiel^¬ les radiales Abfahren zumindest bereichsweise festgewalzt.

Bei einer ebenfalls einfach durchführbaren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Oberflächen der Schaufelelemente durch sequentielles axiales Abfahren zumindest bereichsweise gewalzt.

Werden die Oberflächen der Schaufelelemente durch belie^¬ bige Fahrwege des Walzwerkzeuges entlang der Oberflächen der Schaufelelemente zumindest bereichsweise festgewalzt, sind die Oberflächen der Schaufelelemente mit einer für die Erzeugung einer homogenen Umströmung der Schaufelelemente erforderlichen Oberflächenstruktur versehbar.

Eine Beständigkeit eines einstückigen Rotorbereiches wird bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemä- ßen Verfahrens dadurch erhöht, dass Übergangsbereiche zwischen den Oberflächen der Schaufelelemente und der Oberfläche des Grundkörpers zwischen den Schaufelelementen mittels eines Walzwerkzeuges festgewalzt werden.

Eine Beständigkeit gegenüber Fremdkörperschäden und Schwingungsbelastungen eines durch ein geringes Eigengewicht gekennzeichneten einstückigen Rotorbereiches ist weiter verbesserbar, wenn die Oberfläche des Grundkörpers zwischen den Schaufelelementen mittels eines Walzwerkzeuges festgewalzt wird .

Um eine Haltbarkeit der Schaufelelemente weiter zu ver^¬ bessern, ist es bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass eine Walzkraft variierbar ist, um die Oberflächen der Schaufelelemente punktuell mit der jeweils für die Erhöhung der Beständigkeit ge^¬ genüber Fremdkörperschäden und Schwingungsbelastungen optimalen oberflächennahen Druckeigenspannung ausführen zu können.

Der erfindungsgemäße einstückige Rotorbereich weist einen ringförmigen Grundkörper und mehrere über den Umfang des Grundkörpers verteilte Schaufelelemente auf, die sich im We^¬ sentlichen vom Grundkörper radial erstrecken. Da zumindest die Schaufelelemente eine festgewalzte Oberfläche aufweisen, ist der erfindungsgemäße einstückige Rotorbereich im Vergleich zu nicht nachverfestigten Rotorbereichen oder nur teilweise nachverfestigten einstückigen Rotorbereichen zumindest bei gleicher Beständigkeit gegenüber Fremdkörperschäden und Schwingungsbelastungen durch ein geringeres Eigengewicht gekennzeichnet und zusätzlich im Bereich der Schaufelelemente ohne zusätzliche Fertigungsschritte kostengünstig mit einer durch eine hohe Oberflächengüte gekennzeichneten Oberfläche ausge- führt, die eine homogene Umströmung der Schaufelelemente un^¬ terstützt .

Weisen auch Verbindungsb< reiche zwischen Oberflächen der Schaufelelemente und einer Ö. ierfläche des Grundkörpers eine festgewalzte Oberfläche auf, ist sowohl eine Beständigkeit gegenüber Fremdkörperschäden und Schwingungsbelastungen als auch eine homogene Umströmung des einstückigen Rotorbereiches gewährleistet .

Eine Beständigkeit gegenüber Fremdkörperschäden und Schwingungsbelastungen ist bei einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen einstückigen Rotorbereiches dadurch verbessert, dass der Grundkörper zumindest im Bereich zwischen den Schaufelelementen eine festgewalzte Oberfläche aufweist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des einstückigen Rotorbereiches sind mehrere in axialer Richtung hintereinander am Grundkörper angeordnete Schaufelelemente vorge^¬ sehen, die mit einer festgewalzten Oberfläche ausgeführt sind.

Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfin^¬ dungsgemäßen Gegenstandes angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Aus führungs formen des erfindungsgemäßen Gegenstandes ergeben sich aus den Patentan- Sprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine stark schematisierte Längsschnittansicht eines Strahltriebwerks, das mit einem einstü^¬ ckigen Rotorbereich ausgeführt ist;

Fig. 2 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines Schau^¬ felelementes des einstückigen Rotorbereiches gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Walzwerkzeuges; und

Fig. 4 das Walzwerkzeug gemäß Fig. 3 in einer in

Fig. 3 näher gekennzeichneten Ansicht IV.

Fig. 1 zeigt eine Längsschnittansicht eines Strahltrieb^¬ werkes 1, das mit einem Nebenstromkanal 2 ausgeführt ist. Des Weiteren ist das Strahltriebwerk 1 mit einem Einlaufbereich 3 ausgebildet, an den sich stromab ein Bläser 4 in an sich bekannter Art und Weise anschließt. Wiederum stromab des Bläsers 4 teilt sich der Fluidstrom im Strahltriebwerk 1 in einen Nebenstrom und einen Kernstrom auf, wobei der Nebenstrom durch den Nebenstromkanal 2 und der Kernstrom in einen Triebwerks^¬ kern 5 strömt, der wiederum in an sich bekannter Art und Weise mit einer Verdichtereinrichtung 6, einem Brenner 7 und einer Turbineneinrichtung 8 ausgeführt ist.

In Fig. 2 ist eine vergrößerte Einzelansicht eines ein^¬ stückigen Rotorbereiches 9 der Verdichtereinrichtung 6 dargestellt, der einen ringförmigen Grundkörper 10 und mehrere über den Umfang verteilte Schaufelelemente 11 umfasst, die sich im Wesentlichen vom Grundkörper 10 radial erstrecken.

Der einstückige Rotorbereich 9 stellt ein so genanntes Blisk dar, das eine integral beschaufelte Rotor-Konstruktion ist. Der Begriff Blisk setzt sich aus den englischen Worten „Blade" für Schaufel und „Disk" für Scheibe zusammen. Die Scheibe bzw. der ringförmige Grundkörper 10 sowie die Schau^¬ felelemente 11 sind aus einem Stück gefertigt, womit bei mehr^¬ stückig ausgeführten Rotorbereichen vorgesehene Schaufelfüße und Scheibennuten entfallen. Der einstückige Rotorbereich 9 ist gegenüber konventionell beschaufelten Verdichterrotoren durch eine erheblich geringere Teilezahl gekennzeichnet und die Scheibenform des ringförmigen Grundkörpers 10 ist für eine geringere Randlast ausgelegt. Dies führt dazu, dass das Ge^¬ wicht des einstückigen Rotorbereiches 9 in Verbindung mit dem Einsatz leichter Werkstoffe um bis zu 50 % gegenüber herkömmlichen Rotorbereichen reduziert ist. Die Höhe der Gewichtsre^¬ duzierung ist dabei jeweils abhängig von der Geometrie der Verdichtereinrichtung 6.

Ein weiterer positiver Effekt ist, dass die Schaufelele^¬ mente 11 des integral beschaufelten Rotorbereiches 9 mit ge^¬ ringerem Abstand zueinander anordenbar sind, wodurch eine maximal mögliche Verdichtung und der Wirkungsgrad verbesserbar ist .

Um die Verdichtereinrichtung 6 bzw. den einstückigen Rotorbereich 9 gegenüber Fremdkörperschäden und auch Schwingungsbelastungen bei gleichzeitig geringem Eigengewicht auszu^¬ führen, werden in die Schaufelelemente 11 über ein jeweils radial zwischen die Schaufelelemente 11 eingreifendes und in Fig. 3 und Fig. 4 näher gezeigtes Walzwerkzeug 14 durch Fest^¬ walzen in oberflächennahen Bereichen Eigenspannungen eingell bracht, wobei jeweils die gesamte Oberfläche eines jeden Schaufelelementes 11 festgewalzt wird. Zusätzlich werden auch Übergangsbereiche 12 bzw. Fillets zwischen den Oberflächen der Schaufelelemente 11 und einer Oberfläche 13 des Grundkörpers 10 zwischen den Schaufelelementen 11 mittels eines so genannten und in der Zeichnung nicht näher dargestellten Einfinger- walzwerkzeuges festgewalzt.

Des Weiteren wird auch die Oberfläche 13 bzw. der Annulus des Grundkörpers 10 zwischen den Schaufelelementen 11 bevorzugt mittels eines Einzelfingerwalzwerkzeuges festgewalzt.

Über das Festwalzen der Oberflächen der Längsseiten und der Kanten der Schaufelelemente 11, der Übergangsbereiche 12 und der Oberfläche 13 des Grundkörpers 10 werden jeweils ober^¬ flächennahe Bereiche des einstückigen Rotorbereiches 9 durch Erhöhen der Versetzungsdichte verfestigt und die Randschicht des Rotorbereiches 9 gehärtet. Die Härtung der Randschicht verringert das Risiko von Anrissen, die aus einer Fremdkörperschädigung sowie aus Schwingungsbelastungen resultieren. Darüber hinaus führen die ins Material durch das Festwalzen eingebrachten Druckeigenspannungen im Bereich des Rotorbereiches 9 dazu, dass diese nach Bildung eines Risses einem Rissfort^¬ schritt entgegenwirken und somit einen positiven Effekt hinsichtlich der Dauerschwingfestigkeit und damit bezüglich der Lebensdauer des Strahltriebwerkes 1 haben.

Des Weiteren weist der einstückige Rotorbereich 9 durch den Festwalzprozess eine hohe Oberflächengüte mit einer gerin^¬ gen Oberflächenrauheit auf, die einen positiven Effekt auf die aerodynamische Güte der Schaufelelemente 11 sowie des gesamten Rotorbereiches 9 ohne das Erfordernis eines weiteren sich an den Verfestigungsprozess anschließenden Prozessschrittes zur Glättung der Oberfläche hat. In Fig. 3 und Fig. 4 ist jeweils eine Seitenansicht eines Walzwerkzeuges 14 zum Festwalzen der Längsseiten bzw. der gesamten Oberfläche der Schaufelelemente 11 des Rotorbereiches 9 gezeigt. Das Walzwerkzeug 14 umfasst einen Werkzeugträger 15, der mit einer Trägerspindel 16 einer Werkzeugmaschine in dar^¬ gestelltem Umfang verbindbar ist. Mit dem Werkzeugträger 15 sind zwei Zangenkörper 17, 18 des Walzwerkzeuges 14 im Bereich eines Drehlagers 19 drehbar verbunden, wobei die Zangenkörper 17, 18 über eine vorliegend als einfach wirkende Kolben- Zylinder-Einheit ausgeführte Antriebseinrichtung 20 gekoppelt sind und ein Abstand zwischen Wälzbereichen 21, 22 in Abhängigkeit einer antriebseinrichtungsseitigen Drehbewegung der Zangenkörper 17 und 18 um das Drehlager 19 reduziert wird. Hierfür wird die Antriebseinrichtung 20 mit Hydraulikdruck beaufschlagt und ein Kolbenelement 23 aufgrund des anliegenden Hydraulikdrucks aus einem Zylinderelement 24 der Antriebsein^¬ richtung 20 heraus verfahren, wobei bei einer solchen Be- triebszustandsänderung der Antriebseinrichtung 20 ein Abstand zwischen den den Wälzbereichen 21 und 22 abgewandten Enden 25 und 26 der Zangenkörper 17 und 18 vergrößert wird, während der Abstand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 entsprechend den geometrischen Gegebenheiten in Abhängigkeit der Drehbewegung der Zangenkörper 17 und 18 um das Drehlager 19 herum verringert wird. Die Zangenkörper 17 und 18 sind im Bereich ihrer Enden 25 und 26 jeweils drehbar mit der Antriebseinrichtung 20 verbunden .

Zusätzlich sind die beiden Zangenkörper 17 und 18 um das Drehlager 19 herum um eine in Bezug auf die Zeichenebene in Hochrichtung ausgerichtete Drehachse 27 zusätzlich drehbar am Werkzeugträger 15 befestigt, um bei Anlage der Wälzbereiche 21 und 22 an einem Schaufelelement 11 die Zangenkörper 17 und 18 verschwenken zu können und eine durch die Anlage der Wälzbe- reiche 21 und 22 am Schaufelelement bedingte Verformung der Schaufelelemente 11 jeweils zu vermeiden. Während der gemein^¬ samen Verdrehung der Zangenkörper 17 und 18 um das Drehlager 19 gegenüber dem Werkzeugträger 15 bleibt ein Abstand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 gleich. Des Weiteren ist durch die gemeinsame Verdrehbarkeit der beiden Zangenkörper 17 und 18 um das Drehlager 19 auch gewährleistet, dass die jeweils ein Schaufelprofil aufweisenden Schaufelelemente 11 über ihre ge^¬ samte Oberfläche mittels des Walzwerkzeuges 14 festwalzbar sind .

Die Zangenkörper 17 und 18 stehen über Kolbenelemente 28 und 29 mit dem Werkzeugträger 15 in Wirkverbindung, wobei die Zangenkörper 17 und 18 von den Kolbenelementen 28 und 29 gegenüber dem Werkzeugträger 15 um das Drehlager 19 in eine in Bezug auf den Werkzeugträger 15 und in Fig. 3 dargestellte definierte Nulllage zurückgestellt werden, wenn eine die Zan^¬ genkörper 17 und 18 gemeinsam um das Drehlager 19 verdrehende Drehkraft im Wesentlichen gleich Null ist.

Des Weiteren ist den Zangenkörpern 17 und 18 eine vorliegend zwei Federeinrichtungen 30 und 31 umfassende Rücksteil^¬ einrichtung 32 zugeordnet, über die ein Abstand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 durch rückstelleinrichtungsseitiges Drehen der Zangenkörper 17 und 18 in Richtung eines maximalen Wertes veränderbar ist.

Die Wälzbereiche 21 und 22 umfassen vorliegend jeweils ein Kugelelement 33, 34, die jeweils in Haltebereichen aufge^¬ nommen sind und in an sich bekannter Art und Weise mit hydrau^¬ lischem Druck beaufschlagbar sind, um die Schaufelelemente 11 mit der jeweils erforderlichen Wälzkraft über die Kugelelemente 33 und 34 beaufschlagen zu können. Die Haltebereiche 35 und 36 sind vorliegend in mit den Zangenkörpern 17 und 18 fest über Verschraubungen verbundenen und wenigstens annähernd fingerartig ausgeführte Adapterele^¬ mente 37 und 38 eingeschoben und vorzugsweise über Madenschrauben mit diesen verschraubt.

Die Adapterelemente 37 und 38 sind jeweils wechselbar, womit über das Walzwerkzeug 14 unterschiedliche Eingriffstie^¬ fen in radialer Richtung zwischen den Schaufelelementen 11 realisierbar sind. Zusätzlich sind auch hinsichtlich der übertragbaren Druck- bzw. Wälzkraft ausgelegte Adapterelemente 37 und 38 mit den Zangenkörpern 17 und 18 verbindbar, wobei dünnere Adapterelemente in schmälere Bereiche zwischen den Schau^¬ felelementen 11 einführbar sind. Dabei werden dünnere Schaufelelemente 11 mit schlankeren Adapterelementen 37 und 38 auch mit geringeren Walz- bzw. Druckkräften beaufschlagt, da die Adapterelemente 37 und 38 dann eine gewisse Elastizität auf^¬ weisen und die maximale Wälzkraft durch die Elastizität der Adapterelemente 37 und 38 begrenzt ist. Eine komplette Durch^¬ festigung der Schaufelelemente ist während des Festwalzens durch Begrenzung der maximalen Walzkraft vermeidbar, da eine zu hohe Druckbeanspruchung während des Wälzvorganges im mitt^¬ leren Bereich der Schaufelelemente 11 ein Zugspannungsmaximum erzeugt, welches eine Rissbildung von innen heraus bei Schwin^¬ gungsbelastungen begünstigt. Dies ist jedoch aufgrund einer Verschlechterung einer Lebensdauer der Schaufelelemente 11 nicht erwünscht.

Die während des Festwalzens jeweils in den Rotorbereich eingebrachte Wälzkraft ist über eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Druckregelungseinheit in gewünschtem Umfang an jeder Stelle eines Schaufelelementes 11 und auch in den Übergangsbereichen 12 sowie der restlichen Oberfläche 13 des Grundkörpers 10 durch Regeln des an den Wälzbereichen 21, 22 anliegenden hydraulischen Drucks variierbar, um den Rotorbereich 9 im gewünschtem Umfang durch Erzeugen der an jeder Stelle des Rotorbereiches 9 nötigen optimalen Druckeigenspannungen verfestigen zu können und eine Verbesserung hinsichtlich der Haltbarkeit der Schaufeln zu erzielen.

Um beispielsweise eine einem Festwalzvorgang mittels des Walzwerkzeuges 14 vorgeschaltete CAD-CAM-Programmierung und eine spätere Implementierung der Fertigungsprogramme mittels eines Postprozessors auf ein Mehrachsbearbeitungszentrum zu vereinfachen, verläuft eine Achse 39 der Trägerspindel 16 in mit dem Werkzeugträger 15 verbundenem Betriebszustand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 durch einen bei einem Abstand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 gleich Null vorliegenden Berührungspunkt zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 hindurch. Damit sind die Achse bzw. die Spindelträgerachse 29 und eine Achse durch den Berührungspunkt zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 deckungsgleich, womit die Programmierung des Walzverfahrens wesentlich vereinfacht wird.

Um eine Beschädigung der zu bearbeitenden Schaufelelemente 11 und auch des Walzwerkzeuges 14 selbst zu vermeiden, ist ein Abstand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 über die Antriebseinrichtung 20 nur bis auf einen definierten Grenzwert reduzierbar. Die beiden Kugelelemente 33 und 34 sind durch entsprechendes Drehen bzw. Schwenken der Zangenkörper 17 und 18 und damit der Adapterelemente 37 und 38 nicht miteinander in Anlage bringbar, womit Beschädigungen des Walzwerkzeuges 14 auf einfache Art und Weise ausgeschlossen sind.

Mittels des Walzwerkzeuges 14 sind integralbeschaufelte Scheiben und Rotoren von Strahltriebwerken mit geringen Kosten festwalzbar. Durch den schnellen und einfachen Austausch der Adapterelemente 37 und 38 ist das Walzwerkzeug 14 mit geringen Rüstzeiten für verschieden geometrisch ausgeführte Rotorbereiche einsetzbar, wobei neben unterschiedlichen Eingriffstiefen zwischen Schaufelelementen auch unterschiedliche Bearbeitungs^¬ kräfte während des Walzprozesses an verschieden ausgeführten Bauteilen mit hoher Sicherheit und Prozessfähigkeit darstell^¬ bar sind.

Mittels der Zangenausführung des Walzwerkzeuges 14 ist eine Behandlung von Schaufelelementen bzw. von Aerofoils von einstückigen Rotorbereichen von Tip bis Fillet möglich, wobei ein gleichzeitiges Festwalzen der Druck- und Saugseiten von Schaufelelementen zur Vermeidung eines eigenspannungsbedingten Verzuges vorgesehen ist.

Zusätzlich ist mittels verschiedener Einzelwerkzeuge die Bearbeitung der Fillets bzw. der Übergangsbereiche zwischen der Oberfläche der Schaufelelemente und der Oberfläche des Grundkörpers zwischen den Schaufelelementen auf der Saug- und auf der Druckseite in gewünschtem Umfang durchführbar. Des Weiteren ist die Oberfläche des Grundkörpers zwischen den Schaufelelementen bzw. der Annulus mittels eines Einzelwerkzeuges festwalzbar.

Grundsätzlich ist das Walzwerkzeug 14 in jedes bekannte Bearbeitungszentrum integrierbar. Im Unterschied zu einer Nachverfestigung mittels Kugelstrahlen sind keine teuren Anlagen zu beschaffen. Die Nachverfestigung kann mittels des Walzwerkzeuges 14 beispielsweise in gängigen Fräszentren durchge^¬ führt werden. Die Fräszentren werden mit dem Walzwerkzeug 14 bestückt und die Oberflächen von einstückigen Rotorbereichen werden analog zum Fräsen mit dem Festwalzwerkzeug 14 im Be^¬ reich ihrer Oberfläche bearbeitet. Bezugs zeichenliste

Strahltriebwerk

Nebenstromkanal

Einlaufbereich

Bläser

Triebwerkskern

Verdichtereinrichtung

Brenner

Turbineneinrichtung

einstückiger Rotorbereich ringförmiger Grundkörper

Schaufelelement

Übergangsbereich

Oberfläche des Grundkörpers

Walzwerkzeug

Werkzeugträger

Trägerspindel, 18 Zangenkörper

Drehlager

Antriebseinrichtung

, 22 Wälzbereich

Kolbenelement

Zylinderelement

Ende des Zangenkörpers 17

Ende des Zangenkörpers 18

Drehachse

, 29 Kolbenelement

, 31 Federelement

Rücksteileinrichtung

, 34 Kugelelement

, 36 Haltebereich

, 38 Adapterelement

Achse

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Rotorbereiches (9), vorzugsweise eines Rotorbereiches (9) eines Strahltriebwerkes (1), wobei der Rotorbereich (9) einen ringförmigen Grundkörper (10) und mehrere über den Umfang verteilte Schaufelelemente (11) umfasst, die sich im We^¬ sentlichen vom Grundkörper (10) radial erstrecken, wobei in die Schaufelelemente (11) über ein jeweils zwischen die Schaufelelemente (11) eingreifendes Walzwerkzeug (14) durch Festwalzen in oberflächennahen Bereichen Eigenspannungen eingebracht werden, und wobei während des Festwal^¬ zens jeweils ein Bereich eines Schaufelelementes (11) zwischen Bereichen des Walzwerkzeuges (14) angeordnet ist und Längsseiten des Schaufelelementes (11) gleichzeitig festgewalzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzwerkzeug (14) radial zwischen die Schaufelelemente

(11) eingeführt und die Oberflächen der Schaufelelemente

(11) festgewalzt werden.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Schaufelelemente (11) durch sequen^¬ tielles radiales Abfahren zumindest bereichsweise festge^¬ walzt werden.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Schaufelelemente (11) durch se^¬ quentielles axiales Abfahren zumindest bereichsweise festgewalzt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Schaufelelemente (11) durch beliebige Fahrwege des Walzwerkzeuges (14) entlang der Oberflächen der Schaufelelemente (11) zumin^¬ dest bereichsweise festgewalzt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Übergangsbereiche (12) zwischen den Oberflächen der Schaufelelemente (11) und der Oberfläche (13) des Grundkörpers (10) zwischen den Schaufelelementen (11) mittels eines Walzwerkzeuges festgewalzt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (13) des Grundkörpers (10) zwischen den Schaufelelementen (11) mittels eines Walzwerkzeuges (14) festgewalzt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen mehrerer in axialer Richtung hintereinander angeordneter Schaufelelementen festgewalzt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Walzkraft zur Einstellung eines Eigenspannungsprofils über den Oberflächen der Schaufel^¬ elemente und/oder den Übergangsbereichen und/oder der Oberfläche des Grundkörpers zwischen den Schaufelelementen variierbar ist.

9. Einstückiger Rotorbereich (9) mit einem ringförmigen Grundkörper (10) und mehreren über den Umfang des Grundkörpers (10) verteilte Schaufelelemente (11), die sich im Wesentlichen vom Grundkörper (10) radial erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schaufelelemente (11) eine festgewalzte Oberfläche aufweisen.

10. Einstückiger Rotorbereich nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Übergangsbereiche zwischen den Ober^¬ flächen der Schaufelelemente (11) und einer Oberfläche (13) des Grundkörpers (10) zwischen den Schaufelelementen (11) eine festgewalzte Oberfläche aufweisen.

11. Einstückiger Rotorbereich nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (10) zumindest im Bereich zwischen den Schaufelelementen (11) eine festgewalzte Oberfläche (13) aufweist.

12. Einstückiger Rotorbereich nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in axialer Rich^¬ tung hintereinander am Grundkörper angeordnete Schaufelelemente vorgesehen sind, die mit einer festgewalzten Oberfläche ausgeführt sind.