EP4098766A1

EP4098766A1 - Verfahren zum beschichten eines bauteils einer strömungsmaschine

Info

Publication number: EP4098766A1
Application number: EP22173111.0A
Authority: EP
Inventors: Christoph Konstant; Stefan Mayr
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2022-05-12
Publication date: 2022-12-07
Also published as: DE102021113999A1; US11939694B2; US20220380931A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten (21) eines Bauteils (2) einer Strömungsmaschine (1) in einem Bad (33), bei welchem Verfahren das Bauteil (2) teilweise in das Bad (33) mit einem Beschichtungsmaterial (32) eingetaucht wird; das Bauteil (2) während des zumindest teilweisen Eintauchens zumindest zeitweise um eine Drehachse (22) gedreht (23) wird, die außerhalb des Bades (33) liegt; das Bauteil (2) über die Drehung (23) hinweg allenfalls teilweise eingetaucht wird.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils einer Strömungsmaschine.

Stand der Technik

Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Flugtriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Flugtriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert.
Das in Rede stehende Verfahren kann z. B. ein Bauteil betreffen, das in der fertig zusammengesetzten Strömungsmaschine an oder in deren Gaskanal angeordnet ist.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Beschichten eines Bauteils einer Strömungsmaschine anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei wird das Bauteil in ein Bad mit Beschichtungsmaterial eingetaucht, wobei es während des gesamten Aufenthalts im Bad nur teilweise eingetaucht bleibt, also nie vollständig eingetaucht wird. Ferner wird das Bauteil während des Eintauchvorgangs und/oder im teilweise eingetauchten Zustand gedreht, und zwar um eine Drehachse, welche außerhalb des Bades liegt.
Diese Verfahrensführung, insbesondere das nur teilweise Eintauchen und Drehen des Bauteils, kann insgesamt zu einem guten Beschichtungsergebnis führen. Die Drehung des Bauteils erzeugt bspw. Fliehkräfte, die der Schwerkraft zumindest teilweise entgegenwirken, und kann einem Abfließen bzw. -tropfen des noch flüssigen Beschichtungsmaterials vorbeugen, z. B. auf einer Drehposition oberhalb der Drehachse einem Abtropfen nach radial innen.
Die zu beschichtenden Flächen können bspw. gleichmäßiger und mit weniger Fehlstellen beschichtet werden, gleichzeitig bleiben aber diejenigen Flächenbereiche unbeschichtet, die nicht beschichtet werden sollen. Dies kann zu einer Einsparung von Betriebsstoffen führen, bspw. von Beschichtungsmaterial und auch Reinigungsstoffen zum Entfernen von überschüssigem Beschichtungsmaterial, siehe unten im Detail. Abdeckvorrichtungen können durch die zielgerichtete Beschichtung ebenfalls vereinfacht werden oder sogar ganz entfallen. Das Verfahren kann eine bessere Zugänglichkeit der Oberfläche ermöglichen, insbesondere bei Bauteilen mit komplexer Geometrie. Hinterschneidungen wären hingegen bspw. schwer zugänglich für Sprühpistolen zum Aufsprühen einer Beschichtung, zudem könnte die Zerstäubung verlustträchtig sein.
Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. ein Vorteil einer Vorrichtung in einer bestimmten Anwendung beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung einer entsprechenden Verwendung zu verstehen.
Das "über die Drehung hinweg" nur teilweises Eingetaucht-Sein des Bauteils gilt auch bei einer integralen Betrachtung, also über eine vollständige Drehung (360°) aufintegriert. Wird bspw. ein Segment beschichtet, das sich nicht vollständig umlaufend erstreckt, etwa ein Mehrfach-Schaufelsegment, kann dieses auf einer Drehposition "unten" teilweise eingetaucht sein, aber auf einer entgegengesetzten Drehposition "oben" (bspw. nach einer Drehung um 180° aus der unteren Drehposition) gar nicht mehr eingetaucht sein. Andererseits kann sich das Bauteil aber auch vollständig umlaufend erstreckend und dementsprechend über den gesamten Umlauf hinweg teilweise eingetaucht sein (über den Umlauf hinweg ändert sich dann also der jeweilig eingetauchte Bereich). In beiden Fällen bleibt aber ein Teilbereich des Bauteils nach der vollständigen Drehung unbeschichtet.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Bauteil ein Laufschaufelkranz oder ein Segment eines Laufschaufelkranzes. Das Bauteil kann im Allgemeinen bspw. eine einzelne Schaufel, bevorzugt jedoch ein Mehrfachsegment oder ein Blisk sein. Insbesondere kann der Laufschaufelkranz bzw. das Mehrfachsegment ein Teil des Fans, des Verdichters oder der Turbine sein.
Bei einer bevorzugten Verfahrensführung wird das Bauteil zumindest zeitweilig zusätzlich zur Drehung in einer Richtung bewegt, welche zumindest anteilig axial liegt. Die axiale Richtung entspricht einer zur Drehachse parallelen Richtung, besonders bevorzugt wird das Bauteil parallel zur Drehachse bewegt. Die Überlagerung der zumindest anteilig axialen Bewegung mit der Drehbewegung kann z. B. aufgrund der Form des Tragflächenprofils einer Schaufel eingeschlossenen Luftblasen im Beschichtungsmaterial und infolgedessen Spritzern vorbeugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Winkelgeschwindigkeit der Drehung zumindest zeitweilig veränderlich, also nicht konstant. Die Drehung kann zudem bspw. mit einer Winkelbeschleunigung erfolgen, die ebenfalls veränderlich ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Winkelgeschwindigkeit der Drehung zumindest zeitweilig konstant (kontinuierliche Drehbewegung ohne Winkelgeschwindigkeits-änderung). Dies kann im Allgemeinen bspw. auch mit einer zeitweilig veränderlichen Drehgeschwindigkeit kombiniert werden, die Drehgeschwindigkeit kann also in einem Zeitintervall konstant und in einem anderen Zeitintervall veränderlich sein. Die Drehgeschwindigkeit kann bspw. beim Eintauchvorgang veränderlich sein und danach konstant gehalten werden, oder umgekehrt. Alternativ kann die Drehgeschwindigkeit aber auch über den gesamten Vorgang hinweg konstant sein.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensführung wird die Drehachse des Bauteils während der Drehung in vertikaler Richtung versetzt, wird sie also in vertikaler Richtung bewegt. Vorzugsweise befindet sich das Bauteil während der vertikalen Bewegung zumindest zeitweilig im eingetauchten Zustand. Infolge des vertikalen Versatzes nimmt der Abstand der Drehachse zur Badoberfläche ab oder zu, wird das Bauteil also tiefer oder weniger tief eingetaucht. Die vertikale Bewegung der Drehachse erfolgt bspw. mit einer wiederholten Richtungsumkehr, also mindestens zwei Wechseln zwischen Auf- und Abbewegung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Bauteil zum Trocknen unter weiteranhaltender Drehbewegung aus dem Bad herausgenommen. Es wird also während des Herausnehmens sowie nach dem Herausnehmen weitergedreht. Dies kann bspw. die Entfernung von überschüssigem Beschichtungsmaterial von der Oberfläche des Bauteils begünstigen. Das Beschichtungsmaterial kann z. B. auch besser verteilt werden, und es kann einer Nasenbildung vorgebeugt werden.
Vorzugsweise wird zum Trocknen ein Luftstrom auf das Bauteil gerichtet, welcher eine Geschwindigkeitskomponente aufweist, die entgegengesetzt zur Schwerkraft ausgerichtet ist. Der Luftstrom kann den Trocknungsprozess begünstigen, bspw. durch Zwangskonvektion, und folglich das Trocknungsergebnis verbessern. Die zur Schwerkraft entgegengesetzte Ausrichtung kann dabei helfen, eine gleichmäßigere Schichtdicke zu gewährleisten, bspw. wiederum einer Nasenbildung vorbeugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Drehgeschwindigkeit des Bauteils bei fortschreitender Trocknung nach dem Herausnehmen aus dem Bad sukzessive reduziert. Eine Einstellung der Drehgeschwindigkeit kann bspw. in Abhängigkeit von dem Aushärtezustand des Beschichtungsmaterials und der Schichtdicke erfolgen. Bei fortschreitender Trocknung reduziert sich der z. B. der Lösungsmittel-, insbesondere der Wasseranteil in der Beschichtung, diese wird also zähflüssiger. Durch die Reduzierung der Drehgeschwindigkeit kann z. B. einem infolgedessen veränderten Verhalten der Schicht Rechnung getragen werden.
In bevorzugter Ausgestaltung wird von dem Bauteil nach dem Herausnehmen aus dem Bad abgetropftes Beschichtungsmaterial wieder dem Bad zugeführt, diesem also im flüssigen Zustand hinzugefügt. Diese Wiederverwendung kann z. B. ökologisch und wirtschaftlich von Vorteil sein.
Wie eingangs erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vorgehensweise bspw. den Abdeckaufwand beim Beschichten reduzieren. Eine gewisse Abdeckung kann aber im Allgemeinen gleichwohl noch erfolgen, von einer Schaufel kann bspw. der Schaufelfuß abgedeckt werden, aber das Schaufelblatt unabgedeckt bleiben. Eine Dichtung bzw. Dichtebene der Abdeckung kann also bspw. an einer Schaufelplattform zwischen Schaufelfuß und -blatt liegen. Damit kann z. B. einer unbeabsichtigten Beschichtung des Schaufelfußes vorgebeugt werden, auch wenn die Schaufelplattform schräg zur Drehachse liegt, also teilweise eintauchen würde.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Drehachse zumindest zeitweilig gewinkelt, also nicht parallel zur Oberfläche des Bades. Sie kann bspw. über den gesamten Schritt (ii) hinweg, vorzugsweise auch während des Eintauschens/Herausnehmens schräg liegen. Mit dem schrägen Anstellen kann bspw. eine schräge Beschichtungskante realisiert werden (schräg bezogen auf die Längsachse der Strömungsmaschine bzw. des Triebwerks), also bspw. die Beschichtungskante an eine eben erwähnte schräge Schaufelplattform angepasst werden (sodass mitunter gar keine Abdeckung mehr notwendig ist).
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensführung wird das Bauteil nach einem ersten Durchgang mit den Verfahrensschritten (i) bis (iii) zum Trocknen aus dem Bad herausgenommen und anschließend in einem zweiten Durchgang nach den Verfahrensschritten (i) bis (iii) erneut in das Bad eingetaucht und gedreht, wobei im ersten und im zweiten Durchgang bevorzugt mit entgegengesetztem Drehsinn gedreht wird. Die vorstehend beschriebenen Durchgänge zum Beschichten des Bauteils können bis zum Erreichen einer gewünschten Schichtdicke wiederholt werden. Es können nacheinander eine Vielzahl Schichten aufgebracht werden, was zu einer insgesamt gleichmäßigeren Gesamtdicke beitragen kann. Bei einer geringeren Viskosität des Beschichtungsmaterials können z. B. für eine bestimmte Gesamtdicke mehr Wiederholungen der Durchgänge als bei einer höheren Viskosität des Beschichtungsmaterials notwendig sein. Die Anzahl der Wiederholungen beträgt in bevorzugter Ausgestaltung mindestens 3, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 4, 5 bzw. 6. Vorteilhafte Obergrenzen können bspw. bei maximal 50, 40 bzw. 30 liegen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils einer Strömungsmaschine, wobei das Bauteil nach den Verfahrensschritten (i) bis (iii) beschichtet wird. Die Beschichtung dient vorzugsweise bei einer nachfolgenden Prozessierung des Bauteils als Maske und wird nach dieser nachfolgenden Prozessierung wieder entfernt. Die Beschichtung kann also bspw. ein Lack sein, welcher als Abdeckmittel dienen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die nachfolgende Prozessierung ein elektrochemisches Verfahren, bspw. mit einem Materialabtrag. Es kann bspw. ein Bereich der Bauteiloberfläche, bspw. die Schaufelspitze, von dem Beschichtungsmaterial bzw. Lack freigelegt werden, woraufhin der freigelegte Bauteilbereich teilweise abgetragen und/oder anderweitig beschichtet, z. B. mit einer Panzerung versehen werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt

Figur 1: eine Strömungsmaschine, konkret ein Mantelstromtriebwerk in einem Längsschnitt;
Figur 2a,b: ein erfindungsgemäßes Beschichten eines Bauteils für eine Strömungs-maschine gemäß Figur 1.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Strömungsmaschine 1, konkret ein Mantelstromtriebwerk, in einem Längs- bzw. Axialschnitt. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz zusammen. Die Laufschaufelkränze rotieren im Betrieb um die Längsachse 2 der Strömungsmaschine 1. Im Verdichter 1a wird dabei die angesaugte Luft komprimiert, und dann in der nachgelagerten Brennkammer 1b mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das Heißgas wird in der Turbine 1c expandiert und treibt die Laufschaufelkränze an. Das Bezugszeichen 2 referenziert exemplarisch einen Verdichter-Laufschaufelkranz in Blisk-Bauweise.
Figur 2a und 2b zeigen in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße Beschichten eines Bauteils 2, bei dem es sich in diesem Beispiel um einen Verdichterschaufelkranz in Blisk-Bauweise handelt. Bei dem Beschichten wird das Bauteil 2 in ein Bad 33 mit flüssigem Lack als Beschichtungsmaterial 32 eingetaucht.
Während des Eintauchens wird das Bauteil 2 um eine Drehachse 22 gedreht, die außerhalb des Bades 33 liegt. Das Bezugszeichen 23 referenziert die Drehrichtung des Bauteils 2, wobei das Bauteil 2 konstant gedreht werden oder zeitweilig auch eine Winkelbeschleunigung erfahren kann. Im teilweise eingetauchten Zustand wird das Bauteil weitergedreht, optional kann es zusätzlich vertikal auf- und abbewegt werden, referenziert durch das Bezugszeichen 24.
Das Bauteil 2 wird aber über den gesamten Umlauf nicht vollständig eingetaucht, auch nicht über den Umlauf aufintegriert. Die infolgedessen nur teilweise Bedeckung des Bauteils 2 mit dem Beschichtungsmaterial 32 ist durch die schraffierte Fläche 21 erkennbar gemacht, ein mittiger Bereich des Bauteils 2 bleibt unbeschichtet. Des Weiteren kann das Bauteil 2 im eingetauchten Zustand optional zusätzlich axial bewegt werden (nicht dargestellt), also vorliegend senkrecht zur Zeichenebene.

Gemäß Fig. 2b wurde das Bauteil 2 zum Trocknen aus dem Bad 33 herausgenommen, und es wird danach weitergedreht, vgl. die Drehrichtung 23. Aus den gezeigten Gebläsen wird ein jeweiliger Luftstrom 34 mit einer zur Schwerkraft entgegengesetzten Geschwindigkeitskomponente auf das Bauteil 2 gerichtet. In einem Abtropfbehälter 37 wird vom Bauteil 2 abgetropftes Beschichtungsmaterial 35 gesammelt, es wird wieder dem Bad 33 zugeführt und damit wiederverwendet. Bei fortschreitender Trocknung kann die Drehgeschwindigkeit des Bauteils 2 sukzessive bis zum Stillstand reduziert werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

Strömungsmaschine		1
	Verdichter	1a
	Brennkammer	1b
	Turbine	1c
Verdichter-Laufschaufelkranz in Blisk-Bauweise		2
Längsachse		3
Beschichteter Bereich des Bauteils		21
Drehachse		22
Drehrichtung		23
Vertikale Bewegung des Bauteils im eingetauchten Zustand		24
Beschichtungsmaterial		32
Bad		33
Luftstrom		34
Abgetropftes Beschichtungsmaterial		35
Rückführung vom Beschichtungsmaterial zum Bad		36
Abtropfbehälter		37

Claims

Verfahren zum Beschichten (21) eines Bauteils (2) einer Strömungsmaschine (1) in einem Bad (33), bei welchem Verfahren
i) das Bauteil (2) teilweise in das Bad (33) mit einem Beschichtungsmaterial (32) eingetaucht wird;

ii) das Bauteil (2) während des zumindest teilweisen Eintauchens zumindest zeitweise um eine Drehachse (22) gedreht (23) wird, die außerhalb des Bades (33) liegt;

iii) das Bauteil (2) über die Drehung (23) hinweg allenfalls teilweise eingetaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Bauteil (2) ein Laufschaufelkranz oder ein Segment eines Laufschaufelkranzes ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Bauteil (2) während im Schritt (ii) zumindest zeitweilig zusätzlich in eine Richtung bewegt wird, welche zumindest anteilig axial liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Winkelgeschwindigkeit der Drehung (23) zumindest zeitweilig veränderlich ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Winkelgeschwindigkeit der Drehung (23) zumindest zeitweilig konstant ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem während der zumindest zeitweiligen Drehung (23) die Drehachse (22) in vertikaler Richtung (24) veränderlich ist, wird also in vertikale Richtung (24) bewegt, wobei das Bauteil (2) während der vertikalen Bewegung (24) zumindest zeitweilig sich im eingetauchten Zustand befindet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Drehachse (22) zumindest zeitweilig gewinkelt zu einer Oberfläche des Bades (33) orientiert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Bauteil (2) zum Trocknen aus dem Bad (33) herausgenommen und während des Herausnehmens sowie nach dem Herausnehmen weitergedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem zum Trocknen des Bauteils (2) ein Luftstrom (34) auf das Bauteil (2) gerichtet wird, welcher Luftstrom (34) eine Geschwindigkeitskomponente aufweist, die entgegengesetzt zur Schwerkraft ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei welchem die Drehgeschwindigkeit des Bauteils (2) nach dem Herausnehmen aus dem Bad bei fortschreitender Trocknung sukzessive reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welchem das von dem Bauteil (2) nach dem Herausnehmen aus dem Bad (33) abgetropfte Beschichtungsmaterial (35) im flüssigen Zustand dem Bad (33) hinzugefügt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Bauteil (2) nach einem ersten Durchgang mit den Verfahrensschritten i) bis iii) zum Trocknen aus dem Bad (33) herausgenommen wird, wobei das Bauteil (2) danach in einem zweiten Durchgang nach den Verfahrensschritten i) bis iii) erneut in das Bad (33) eingetaucht und gedreht (23) wird, wobei im ersten und im zweiten Durchgang mit entgegengesetztem Drehsinn gedreht (23) wird.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (2) einer Strömungsmaschine (1), wobei das Bauteil (2) nach den Verfahrensschritten i) bis iii) beschichtet (21) wird, wobei die Beschichtung (21) in einer nachfolgenden Prozessierung des Bauteils als Maske dient und nach der nachfolgenden Prozessierung wieder entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die nachfolgende Prozessierung ein elektrochemisches Verfahren ist.