WO2008071163A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der verschleisseigenschaften des bauteils einer gasturbine - Google Patents

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WO2008071163A1
WO2008071163A1 PCT/DE2007/002197 DE2007002197W WO2008071163A1 WO 2008071163 A1 WO2008071163 A1 WO 2008071163A1 DE 2007002197 W DE2007002197 W DE 2007002197W WO 2008071163 A1 WO2008071163 A1 WO 2008071163A1
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component
toothing
relative
blasting
vibration device
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PCT/DE2007/002197
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Erwin Bayer
Max Niegl
Holger Polanetzki
Thomas Peschke
Thomas Dautl
Philipp THÜMMLER
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/005—Vibratory devices, e.g. for generating abrasive blasts by ultrasonic vibrations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/286—Particular treatment of blades, e.g. to increase durability or resistance against corrosion or erosion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/40—Transmission of power
    • F05D2260/403—Transmission of power through the shape of the drive components
    • F05D2260/4031—Transmission of power through the shape of the drive components as in toothed gearing

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for improving the wear characteristics of a component of a gas turbine of the type specified in the preambles of claims 1 and 11 respectively.
  • a blasting chamber By rotating the rotor whose rotor blades are guided by a blasting chamber, on the underside of which a blasting material acting on vibrating device is arranged in the form of an ultrasonic sonotrode with a horizontally extending oscillating surface.
  • the blasting chamber is bounded both axially and radially of the blisk by corresponding chamber walls.
  • Object of the present invention is to provide a method and an apparatus of the type mentioned, with which the wear characteristics of high-precision surface areas of the component can be easily improved.
  • the surface area of an associated toothing of the component to be machined and a corresponding surface of a vibrating device acting on the blasting material are positioned relative to one another.
  • the surface blasting in particular the ultrasonic shot peening of this surface area of the toothing, then takes place in a further method step.
  • it is therefore erf ⁇ ndungsloom provided to edit a high-precision component area - namely the teeth - by surface blasting.
  • the surface of the Vibrating device and a surface normal of the surface area to be machined, preferably at an angle between 20 ° and 90 °, and in particular at least approximately perpendicular, positioned relative to each other. This ensures that the blasting material impinges at a sufficiently steep angle with respect to the surface area to be blasted, in order to avoid a corresponding damage of sheep-edged transitions, which limits the surface area to be machined to adjacent surface areas.
  • At least the respective tooth flanks and / or the tooth top of the corresponding tooth of the toothing are solidified, since these are usually exposed to the highest loads and consequently the greatest wear of the toothing.
  • a particularly easy-to-reproduce method can be achieved if the component is placed on a surface-blasting device and the surface area to be processed is positioned relative to the surface of the vibration device.
  • the component is rotated about a rotation axis for surface blasting of a rotationally symmetrical toothing.
  • an outer toothing, a spur toothing or an internal toothing can be machined circumferentially in one process step.
  • the rotation of the component for machining the individual teeth of the rotationally symmetrical toothing can take place both continuously and stepwise.
  • the vibrating device is assigned a blasting chamber in which the respective at least one surface area of the toothing can be processed. This can be ensured in a simple manner, a constant amount of blasting material within the blasting chamber, which can also be a reproducible solidification of the respective surface area - in particular the tooth flanks and the tooth top - realize.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a component of a gas turbine in the form of an annular ring gear, which is presently provided for producing a spline with a neighboring component with a Curvic- toothing, wherein the sprocket is rotatably supported about a schematically indicated rotation axis, and wherein in one lower portion of the ring gear of a device for surface blasting of the toothing a blasting chamber indicated by dashed lines are arranged;
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through two components of a gas turbine, which are connected to one another via a respective toothing according to FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic and partially enlarged perspective view of three teeth of a toothing of the component, which are to be connected with a corresponding spline, wherein in particular the individual surface areas of each of the teeth can be seen; and in 4 is a fragmentary schematic sectional view through a component according to an alternative embodiment with an external toothing, which is to be processed in the region of a blasting chamber by surface blasting, wherein a tooth surface of one of the teeth opposite a surface of a vibration device is arranged to act by means of blasting or in the direction of the tooth flanks to be machined and the tooth surface of the tooth is to accelerate.
  • FIG. 1 shows, in a schematic perspective view, a component 10 of a gas turbine in the form of a toothed ring, which is designed to be rotatable or rotationally symmetrical about an axis of rotation R.
  • the component 10 At its one end face 12, the component 10 comprises a so-called curvic-spur toothing 14, which - as shown by way of example in FIG. 2, can be seen in a sectional view - is to be connected to a further spur toothing 16 of a neighboring component 18.
  • such toothings 14, 16 can be used in a gas turbine or engine for connecting a rotor to a shaft for connecting adjacent rotors or the like.
  • a blasting chamber 36 indicated by dashed lines can be seen in the lower region of the component 10, its associated components - namely in particular a vibrating surface 48 of a vibration device 44, respective blast chamber walls 40, 42 and respective reflection walls 46, 48 - with reference to FIG 4 will be explained in more detail below.
  • each tooth 20 of the toothing 14 comprises two tooth flanks 22, 24, between which the tooth top 26 extends at the level of the head line of the toothing 14.
  • a tooth gap bottom 28, 30 At each of the two Tooth flanks 22, 24 joins a tooth gap bottom 28, 30 at.
  • two end faces 32, 34 of the respective tooth 20 run approximately perpendicular to the tooth top side 26 or tooth flanks 22, 24.
  • the component 10 is formed according to the local embodiment substantially disc-shaped and about its axis of rotation R rotationally symmetrical.
  • the blasting chamber 36 On the outer peripheral side of the component 10 or of its outer toothing 14, the blasting chamber 36 is shown in a sectional view, which has already been explained with reference to FIG.
  • a vibration device 44 can be seen, which is presently formed for example as an ultrasonic sonotrode.
  • the vibration device 44 On its side facing the external toothing 14, the vibration device 44 comprises the surface 48 which acts on the blasting material.
  • the oscillating direction of movement of the surface 48 is schematically indicated by an arrow 50.
  • the two jet chamber walls 40, 42 adjoin the vibration device 44, wherein between the vibrating or vibrating surface 48 and the steel chamber walls 40, 42 each have a gap 64, 66 is provided, so that the surface 48 swing freely can.
  • the blast chamber walls 40, 42 are present at an angle of, for example, about 100 ° to 120 ° outwardly from the surface 48 inclined. Of course, it would also be conceivable here to arrange the blast chamber walls 40, 42 in a different orientation relative to the surface 48.
  • To the blast chamber walls 40, 42 close respective reflection walls 46, 48, which are present in the manner not shown by the respective blast chamber wall 40, 42 are held.
  • the reflection walls 46, 48 can be arranged, for example, by means of corresponding hinges adjustable relative to the Strahlcropetin 40, 42.
  • the reflection walls 46, 48 are arranged in the present embodiment at an angle of about 100 ° to 120 ° relative to the respectively associated jet chamber wall 40 and 42 respectively. So that a loss of blasting material can be avoided out of the blasting chamber 36, between the reflective walls 46, 48 and the end faces 68, 70 of the disc-shaped member 10 respective seals 72, 74 are provided. Also on both end faces 76 of the blasting chamber 36, blasting chamber walls and / or reflection walls are provided in a manner not shown, so that the blasting chamber 36 is closed at least approximately completely against a loss of blasting material.
  • jet chamber walls or reflection walls arranged on the end faces 76 must be correspondingly designed to be yielding or movable, so that rotation of the component 10 with the external teeth 14 about the axis of rotation R is possible.
  • balls are used as blasting material, for example, of a steel or ceramic material.
  • the surface 48 of the vibration device 44 which has just been designed here is arranged at an angle ⁇ relative to a surface normal of the associated tooth top 26 of the respective tooth 20.
  • this angle ⁇ is at least approximately 90 °, so that the surface 48 and the surface normal O are positioned at least approximately perpendicularly relative to one another.
  • the surface 48 of the vibration device 44 extends in the present embodiment, at least approximately parallel to the respective tooth top 26 and the respective tooth gap bottom 28, 30.
  • the presently about 90 ° having angle ⁇ between the surface normal O of the tooth top 26 and the blasting O serving Surface 48 can be set in an angle range between 20 ° and 90 °.
  • the angle ⁇ can be set in the range between 45 ° and 90 °.
  • a particularly advantageous surface quality can be achieved if the angle ⁇ between 75 ° and 90 ° with respect to the surface normal O of the respective radiating surface area 22, 24, 26, 28, 30 - here the corresponding tooth top 26 - is set.
  • the surface 48 of the vibrator 44 may also extend obliquely to the surface normal O of the tooth top 26. Since the respective surface area 22, 24, 26, 28, 30 to be machined may possibly also be curved, it would also be conceivable to form the surface 48 of the vibration device 44 in a curved manner as well. In addition, it can be seen from FIG.
  • An angle ⁇ lies between a respective surface normal O of the two tooth flanks 22 and 24 relative to the O ber Structure 48 of the vibration device 44 also in the range between 20 ° and 90 °.
  • the surface 48 and the component 10 are adjustable relative to each other. This can be done, for example, that the surface 48 can be adjusted relative to the component 10. In addition, this can of course also take place in that the component 10 is adjusted relative to the surface 48, for example, by the component 10 is rotated about its axis of rotation R.
  • the reflection walls 46, 48 By the sides of the teeth 14 arranged blasting chamber walls 40 and 42 or in particular by the reflection walls 46, 48 is also achieved that also the end faces 32, 34 of the respective tooth 20 are shot peened accordingly.
  • a suitable angle adjustment of the reflection walls 46, 48 is achieved, that the blasting material is reflected at a corresponding angle and thrown against the end faces 32, 34 of the respective tooth in order to achieve a particularly favorable angle of incidence and thus a favorable solidification, without this example, the sharp-edged transitions 56, 58 are damaged.
  • the present method solidifies or hardens the respective surface regions 22, 24, 26, 28, 30, as a result of which the service life of such toothings without geometrical variation of the supporting tooth flanks 22, 24 and the sharp-edged transitions 52 , 54 can be extended.
  • the component 10 comprises a rotationally symmetrical external toothing 14, as is shown in FIG. 4, the surface radiation or hardening can take place by means of the vibration device 44 in that the component 10 is rotatable about its axis of rotation R by means of a holding device 60 relative to the blasting chamber 36 is mounted, of which in Fig. 1 and Fig. 4, only two schematically indicated bearing blocks 62 can be seen.
  • the holding device 60 the component 10 is adjustable relative to the surface 48 of the vibration means 44 in the respectively desired angle ⁇ .
  • a machining of all teeth 20 of the front or outer toothing 14 can thus take place.
  • the method or the device can also be an internal toothing, for example, within a hollow shaft or the like.
  • the two vibration devices 44, 46 are then respectively inserted or inserted into the hollow shaft.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften eines Bauteils (10) einer Gasturbine, bei welchem wenigstens ein Oberflächenbereich (22, 24, 26, 28, 30) des Bauteils (10) zumindest lokal behandelt wird, mit folgenden Schritten: - Positionieren des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs (22, 24, 26, 28, 30) einer zugehörigen Verzahnung (14) des Bauteils (10) und einer korrespondierenden, Strahlgut beaufschlagenden Oberfläche (48) einer Vibrationseinrichtung (44) relativ zueinander; und - Oberflächenstrahlen, insbesondere Ultraschall-Kugelstrahlen des Oberflächenbereichs (22, 24, 26, 28, 30) der zugehörigen Verzahnung (14). Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, bei welcher die Oberfläche (48) der Vibrationseinrichtung (44) und der zu strahlende Oberflächenbereich (22, 24, 26, 28, 30) einer Verzahnung (14) des Bauteils (10) mittels der Haltevorrichtung (60) relativ zueinander positionierbar sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften des Bauteils einer Gasturbine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften eines Bauteils einer Gasturbine der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 11 angegebenen Art.
Zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften von derartigen Bauteilen werden gegenwärtig eine Mehrzahl von unterschiedlichen Verfahren und hierzu genutzten Vorrichtungen eingesetzt, insbesondere in Abhängigkeit davon, welcher Oberflächenbereich bzw. welcher Bauteilbereich behandelt werden soll. Zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften beispielsweise der Laufschaufeln eines Rotors oder von zentralen und ebenen Bereichen der Scheiben werden häufig Oberflächenstrahlverfahren, insbesondere Ultraschall- Kugelstrahlverfahren eingesetzt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise bereits aus der EP 1 101 568 Bl als bekannt zu entnehmen, bei welchem die Rotorschaufeln eines als Blisk ausgebildeten Rotors zur Verbesserung ihrer Ermüdungsfestigkeit kugelgestrahlt werden. Hierzu wird der Rotor in einer Haltevorrichtung positioniert, so dass dieser um seine Rotationsachse drehbar gehalten ist. Durch Drehung des Rotors werden dessen Rotorschaufeln durch eine Strahlkammer geführt, an deren Unterseite eine das Strahlgut beaufschlagende Vibrationseinrichtung in Form einer Ultraschall-Sonotrode mit einer horizontal verlaufenden schwingenden Oberfläche angeordnet ist. Die Strahlkammer wird dabei sowohl axial wie auch radial der Blisk durch entsprechende Kammerwände begrenzt.
Insbesondere hochpräzise und mechanisch bzw. thermisch hochbelastete metallische Bauteile werden aktuell beispielsweise mit Schutzschichten versehen, die die Verschleißschutz-Eigenschaften oder auch die Wärmedämm-Eigenschaften verbessern sollen. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE.103 47 363 Al als bekannt zu entnehmen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchen die Verschleißeigenschaften von hochpräzisen Oberflächenbereichen des Bauteils auf einfache Weise verbessert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 11 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem ersten Schritt der zu bearbeitende Oberflächenbereich einer zugehörigen Verzahnung des Bauteils und eine korrespondierende, Strahlgut beaufschlagende Oberfläche einer Vibrationseinrichtung relativ zueinander positioniert werden. Nach der Positionierung des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs und der Oberfläche der Vibrationseinrichtung relativ zueinander erfolgt dann in einem weiteren Verfahrensschritt das Oberflächenstrahlen, insbesondere das Ultraschall-Kugelstrahlen dieses Oberflächenbereichs der Verzahnung. Im Unterschied zur bisher gängigen Praxis ist es demzufolge erfϊndungsgemäß vorgesehen, einen hochpräzisen Bauteilbereich - nämlich die Verzahnung - durch Oberflächenstrahlen zu bearbeiten.
Da derartige Steckverzahnungen in der Regel hohe Kräfte formschlüssig übertragen müssen und sich insbesondere zwischen den jeweiligen Zahnflanken fertigungsbedingte Toleranzen einstellen können, treten in deren Verbindungsbereich hohe lokale Lastspitzen auf. Um der Gefahr des Reibverschleißes, insbesondere im Bereich der Zahnflanken entgegenzuwirken und somit die Lebensdauer von derartigen Verzahnungen zwischen Bauteilen innerhalb der Gastrubine zu verbessern, ist das erfindungemäße Verfahren besonders geeignet.
Damit hierbei keine unerwünschte Beeinträchtigung der hochpräzisen Form, insbesondere von jeweiligen scharfen Kanten bzw. Übergängen beispielsweise zwischen den Zahnflanken und der Zahnoberseite des entsprechenden Zahns erfolgt, werden die Oberfläche der Vibrationseinrichtung und eine Oberflächennormale des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs vorzugsweise in einem Winkel zwischen 20° und 90°, und insbesondere zumindest annähernd senkrecht, relativ zueinander positioniert. Hierdurch wird gewährleistet, dass das Strahlgut in einem hinreichend steilen Winkel gegenüber des zu strahlenden Oberflächenbereichs auftrifft, um eine entsprechende Beschädigung von schafkantigen Übergängen zu vermeiden, welche den zu bearbeitenden Oberflächenbereich zu benachbarten Oberflächenbereichen hin begrenzt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden zumindest die jeweiligen Zahnflanken und/oder die Zahnoberseite des entsprechenden Zahns der Verzahnung verfestigt, da diese zumeist den höchsten Belastungen und demzufolge dem größten Verschleiß der Verzahnung ausgesetzt sind.
Ein besonders leicht zu reproduzierendes Verfahren lässt sich darüber hinaus erreichen, wenn das Bauteil an einer Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen angeordnet und der zu bearbeitende Oberflächenbereich relativ zu der Oberfläche der Vibrationseinrichtung positioniert wird.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Bauteil zum Oberflächenstrahlen einer rotationssymmetrischen Verzahnung um eine Rotationsachse gedreht wird. Hierdurch kann in einem Verfahrensgang beispielsweise eine Außenverzahnung, eine Stirnverzahnung oder eine Innenverzahnung umlaufend bearbeitet werden. Die Drehung des Bauteils zur Bearbeitung der einzelnen Zähne der rotationssymmetrischen Verzahnung kann dabei sowohl kontinuierlich wie auch schrittweise erfolgen.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise auch für die hierzu eingesetzte Vorrichtung. Diese zeichnet sich neben wenigstens einer Vibrationseinrichtung mit einer das Strahlgut beaufschlagenden O- berfläche durch eine Haltevorrichtung aus, so dass das Bauteil und die Oberfläche der Vibrationseinrichtung so zueinander angeordnet bzw. ausgerichtet werden können, dass die Verzahnung der Oberfläche der Vibrationseinrichtung gegenüber liegt. Somit ergibt sich die Möglichkeit zur leicht reproduzierbaren Oberflächenstrahlung der Verzahnung.
Zur Vermeidung von Verlusten an Strahlgut hat es sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft gezeigt, wenn der Vibrationseinrichtung eine Strahlkammer zugeordnet ist, in welcher der jeweilige wenigstens eine Oberflächenbereich der Verzahnung bearbeitbar ist. Hierdurch kann auf einfache Weise eine gleichbleibende Menge an Strahlgut innerhalb der Strahlkammer gewährleistet werden, wodurch sich ebenfalls eine reproduzierbare Verfestigung des jeweiligen Oberflächenbereichs - insbesondere der Zahnflanken und der Zahnoberseite - realisieren lässt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht auf ein Bauteil einer Gasturbine in Form eines kreisringförmigen Zahnkranzes, welcher vorliegend zur Herstellung einer Steckverzahnung mit einem Nachbarbauteil mit einer Curvic- Verzahnung versehen ist, wobei der Zahnkranz um eine schematisch angedeutete Rotationsachse drehbar gehalten ist, und wobei in einem unteren Bereich des Zahnkranzes von einer Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen der Verzahnung eine gestrichelt angedeutete Strahlkammer angeordnet sind;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch zwei Bauteile einer Gasturbine, welche über eine jeweilige Verzahnung gemäß Fig. 1 miteinander verbunden sind;
Fig. 3 eine schematische und ausschnittsweise vergrößerte Perspektivansicht auf drei Zähne einer Verzahnung des Bauteils, welche mit einer korrespondierenden Steckverzahnung zu verbinden sind, wobei insbesondere die einzelnen Oberflächenbereiche jedes der Zähne erkennbar ist; und in Fig. 4 eine ausschnittsweise schematische Schnittansicht durch ein Bauteil nach einer alternativen Ausfuhrungsform mit einer Außenverzahnung, die im Bereich einer Strahlkammer durch Oberflächenstrahlen zu bearbeiten ist, wobei einer Zahnoberfläche eines der Zähne gegenüberliegend eine Oberfläche einer Vibrationseinrichtung angeordnet ist, mittels welcher Strahlgut zu beaufschlagen bzw. in Richtung der zu bearbeitenden Zahnflanken und der Zahnoberfläche des Zahns zu beschleunigen ist.
m Fig. 1 ist in einer schematischen Perspektivansicht ein Bauteil 10 einer Gasturbine in Form eines Zahnkranzes dargestellt, welcher um eine Rotationsachse R drehbar bzw. rotationssymmetrisch ausgebildet ist. An seiner einen Stirnseite 12 umfasst das Bauteil 10 eine so genannte curvic-Stirnverzahnung 14, welche - wie aus Fig. 2 beispielhaft in Schnittansicht erkennbar ist - mit einer weiteren Stirnverzahnung 16 eines Nachbarbauteils 18 zu verbinden ist. Beispielhaft können derartige Verzahnungen 14, 16 in einer Gasturbine bzw. einem Triebwerk zur Verbindung eines Rotors mit einer Welle zur Verbindung benachbarter Rotoren oder dergleichen eingesetzt werden. Alternativ zu der hier dargestellten Stirnverzahnung 14, 16 können dabei - wie im Weiteren unter Bezugnahme auf Fig. 4 noch näher erläutert werden wird - auch Außenverzahnungen 14 oder Innenverzahnungen bearbeitet werden. In der Zeichnung gemäß Fig. 1 ist im unteren Bereich des Bauteils 10 eine gestrichelt angedeutete Strahlkammer 36 erkennbar, deren zugeordnete Bauteile - nämlich insbesondere eine schwingende Oberfläche 48 einer Vibrationseinrichtung 44, jeweilige Strahlkammerwände 40, 42 sowie jeweilige Reflexionswände 46, 48 - unter Bezugnahme auf Fig.4 im Weiteren noch näher erläutert werden.
In Zusammenschau mit den Fig. 3 und 4, welche in einer ausschnittsweisen schematischen Perspektivansicht eine Stirnverzahnung 14 mit drei Zähnen 20 bzw. in einer schematischen Schnittansicht ausschnittsweise ein alternativ ausgebildetes Bauteil 10 mit einer Außenverzahnung 14 zeigen, wird erkennbar, in welcher Weise die Verbesserung der Verschleißeigenschaften des Bauteils 10 erfolgen soll. Zunächst ist aus Fig. 3 erkennbar, dass jeder Zahn 20 der Verzahnung 14 zwei Zahnflanken 22, 24 umfasst, zwischen welchen sich die Zahnoberseite 26 auf Höhe der Kopflinie der Verzahnung 14 erstreckt. An jede der beiden Zahnflanken 22, 24 schließt sich ein Zahnlückengrund 28, 30 an. Zwei Stirnseiten 32, 34 des jeweiligen Zahns 20 verlaufen im vorliegenden Fall etwa senkrecht zur Zahnoberseite 26 bzw. den Zahnflanken 22, 24.
Aus Fig. 4 ist erkennbar, dass das Bauteil 10 gemäß dem dortigen Ausfuhrungsbeispiel im Wesentlichen scheibenförmig und um seine Rotationsachse R rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Außenumfangsseitig des Bauteils 10 bzw. von dessen Außenverzahnung 14 ist die Strahlkammer 36 in Schnittansicht dargestellt, welche bereits unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert worden ist. Von der Strahlkammer 36 ist dabei im Wesentlichen eine Vibrationseinrichtung 44 erkennbar, welche vorliegend beispielsweise als Ultraschall-Sonotrode ausgebildet ist. An seiner der Außenverzahnung 14 zugewandten Seite umfasst die Vibrationseinrichtung 44 die das Strahlgut beaufschlagende Oberfläche 48. Mit einem Pfeil 50 ist dabei die schwingende Bewegungsrichtung der Oberfläche 48 schematisch angedeutet.
Seitlich der Oberfläche 48 schließen sich die beiden Strahlkammerwände 40, 42 an die Vibrationseinrichtung 44 an, wobei zwischen der vibrierenden bzw. schwingenden Oberfläche 48 und den Stahlkammerwänden 40, 42 jeweils ein Spalt 64, 66 vorgesehen ist, so dass die Oberfläche 48 demgegenüber frei schwingen kann. Die Strahlkammerwände 40, 42 sind vorliegend in einem Winkel von beispielsweise etwa 100° bis 120° nach außen hin gegenüber der Oberfläche 48 geneigt. Selbstverständlich wäre es hier auch denkbar, die Strahlkammerwände 40, 42 in einer andersartigen Orientierung gegenüber der Oberfläche 48 anzuordnen. An die Strahlkammerwände 40, 42 schließen sich jeweilige Reflexionswände 46, 48 an, welche vorliegend auf nicht näher dargestellte Weise durch die jeweilige Strahlkammerwand 40, 42 gehalten sind. Die Reflexionswände 46, 48 können dabei beispielsweise mittels entsprechender Scharniere verstellbar gegenüber den Strahlkammerwänden 40, 42 angeordnet sein.
Aus Fig. 4 ist erkennbar, dass die Reflexionswände 46, 48 im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Winkel von etwa 100° bis 120° gegenüber der jeweils zugehörigen Strahlkammerwand 40 bzw. 42 angeordnet sind. Damit ein Verlust von Strahlgut aus der Strahlkammer 36 heraus vermieden werden kann, sind zwischen den Reflexionswänden 46, 48 und den Stirnseiten 68, 70 des scheibenförmigen Bauteils 10 jeweilige Dichtungen 72, 74 vorgesehen. Auch an beiden Stirnseiten 76 der Strahlkammer 36 sind auf nicht weiter dargestellte Weise Strahlkammerwände und/oder Reflexionswände vorgesehen, so dass die Strahlkammer 36 zumindest annähernd vollständig gegen einen Verlust von Strahlgut verschlossen ist. Es ist klar, dass die an den Stirnseiten 76 angeordneten Strahlkammerwände bzw. Reflexionswände entsprechend nachgiebig bzw. verfahrbar ausgebildet sein müssen, damit eine Rotation des Bauteils 10 mit der Außenverzahnung 14 um die Rotationsachse R möglich ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden als Strahlgut Kugeln beispielsweise aus einem Stahl- oder Keramikwerkstoff verwendet.
Aus Fig. 4 ist nun erkennbar, dass die hier eben gestaltete Oberfläche 48 der Vibrationseinrichtung 44 in einem Winkel α relativ zu einer Oberflächennormalen der zugehörigen Zahnoberseite 26 des jeweiligen Zahns 20 angeordnet ist. Vorliegend ist dieser Winkel α zumindest annähernd 90°, so dass die Oberfläche 48 und die Oberflächennormale O zumindest annähernd senkrecht relativ zueinander positioniert sind. Demzufolge verläuft die Oberfläche 48 der Vibrationseinrichtung 44 im vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest annähernd parallel zur jeweiligen Zahnoberseite 26 bzw. zum jeweiligen Zahnlückengrund 28, 30. Der demzufolge vorliegend etwa 90° aufweisende Winkel α zwischen der Oberflächennormalen O der Zahnoberseite 26 und der das Strahlgut beaufschlagenden O- berfläche 48 kann dabei in einem Winkelbereich zwischen 20° und 90° eingestellt werden. Insbesondere kann der Winkel α dabei im Bereich zwischen 45° und 90° eingestellt werden. Eine besonders vorteilhafte Oberflächenqualität lässt sich erreichen, wenn der Winkel α zwischen 75° und 90° im Bezug auf die Oberflächennormale O des jeweils zu strahlenden Oberflächenbereichs 22, 24, 26, 28, 30 - hier der entsprechenden Zahnoberseite 26 - eingestellt wird. Demzufolge kann sich die Oberfläche 48 der Vibrationseinrichtung 44 auch schräg zur Oberflächennormalen O der Zahnoberseite 26 erstrecken. Da der jeweils zu bearbeitende Oberflächenbereich 22, 24, 26, 28, 30 gegebenenfalls auch gekrümmt ausgebildet sein kann, wäre es darüber hinaus denkbar, die Oberfläche 48 der Vibrationseinrichtung 44 ebenfalls gekrümmt auszubilden. Darüber hinaus ist aus Fig. 4 ersichtlich, dass natürlich nicht nur die jeweilige Zahnoberseite 26 des zugehörigen Zahns 20 oberflächengestrahlt wird, sondern auch die die Zahnoberseite 26 jeweils benachbarenden Zahnflanken 22, 24. Dabei liegt ein Winkel α zwischen einer jeweiligen Oberflächennormalen O der beiden Zahnflanken 22 und 24 relativ zur O- berfläche 48 der Vibrationseinrichtung 44 ebenfalls im Bereich zwischen 20° und 90°. Damit ein erwünschter Winkel α zwischen einer jeweiligen Oberflächennormalen O der zugehörigen Zahnflanke 22, 24 und der schwingenden Oberflächen 48 der Vibrationseinrichtung 44 eingestellt werden kann, ist es darüber hinaus denkbar, dass die Oberfläche 48 und das Bauteil 10 relativ zueinander einstellbar sind. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Oberfläche 48 gegenüber dem Bauteil 10 eingestellt werden kann. Darüber hinaus kann dies natürlich auch dadurch erfolgen, dass das Bauteil 10 relativ zur Oberfläche 48 eingestellt wird, beispielsweise, indem das Bauteil 10 um seine Rotationsachse R gedreht wird.
Es ist jedoch klar, dass auch bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung bereits eine Verfestigung nicht nur der Zahnoberseite 26 erreicht wird, sondern insbesondere auch der jeweiligen Zahnflanken 22, 24 und des jeweiligen Zahnlückengrunds 28, 30. Durch die Anordnung der Oberfläche 48 in einem entsprechenden Winkel α gegenüber der Oberflächennormalen der Zahnoberseite wird insbesondere erreicht, dass die scharfkantigen Übergänge 52, 54 zwischen den Zahnflanken 22, 24 und der Zahnoberseite 26 nicht beeinträchtigt werden bzw. dass keine Materialverfrachtungen in die Zahnflanken 22, 24 hinein erfolgen. Weiterhin kann vorliegend durch das zumindest annähernd senkrechte Anordnen der Oberfläche 48 gegenüber der Oberflächennormalen O der Zahnoberseite 26 erreicht werden, dass auch die Übergänge 56, 58 zwischen den jeweiligen Zahnflanken 22, 24 bzw. der Zahnoberseite 26 und der entsprechenden Stirnseite 32, 34 des Zahns 20 nicht beschädigt werden.
Durch die seitlich der Verzahnung 14 angeordneten Strahlkammerwände 40 und 42 bzw. insbesondere durch die Reflexionswände 46, 48 wird darüber hinaus erreicht, dass auch die Stirnseiten 32, 34 des jeweiligen Zahns 20 entsprechend kugelgestrahlt werden. Insbesondere durch eine geeignete Winkeleinstellung der Reflexionswände 46, 48 wird erreicht, dass an diesen das Strahlgut in einem entsprechenden Winkel reflektiert und gegen die Stirnseiten 32, 34 des jeweiligen Zahns geschleudert wird, um einen besonders günstigen Auftreffwinkel und somit eine günstige Verfestigung zu erreichen, ohne dass hierbei beispielsweise die scharfkantigen Übergänge 56, 58 beschädigt werden.
Im Ergebnis ist somit erkennbar, dass durch das vorliegende Verfahren eine Verfestigung bzw. Aufhärtung der jeweiligen Oberflächenbereiche 22, 24, 26, 28, 30 erfolgt, wodurch die Lebensdauer von derartigen Verzahnungen ohne geometrische Veränderung der tragenden Zahnflanken 22, 24 und der scharfkantigen Übergänge 52, 54 verlängert werden kann. Umfasst das Bauteil 10 - wie vorliegend in Fig. 4 gegeben - eine rotationssymmetrische Außenverzahnung 14, so kann die Oberflächenstrahlung bzw. Verfestigung mittels der Vibrationseinrichtung 44 dadurch erfolgen, dass das Bauteil 10 um seine Rotationsachse R drehbar mittels einer Haltevorrichtung 60 relativ zu der Strahlkammer 36 gelagert ist, von welcher in Fig. 1 und Fig. 4 lediglich zwei schematisch angedeutete Lagerböcke 62 erkennbar sind. Mittels der Haltevorrichtung 60 ist das Bauteil 10 relativ zu der Oberfläche 48 der Vibrationseinrichtungen 44 in dem jeweils gewünschten Winkel α einstellbar. Durch kontinuierliches oder schrittweises Drehen des Bauteils 10 kann somit eine Bearbeitung aller Zähne 20 der Stirn- bzw. Außenverzahnung 14 erfolgen.
Durch das Verfahren bzw. die Vorrichtung kann auch eine Innenverzahnung beispielsweise innerhalb einer hohlen Welle oder dergleichen erfolgen. Hierzu sind dann die beiden Vibrationseinrichtungen 44, 46 entsprechend in die hohle Welle eingesteckt bzw. eingeführt.
Alternativ zu der hier dargestellten Vorrichtung wäre es zur Durchführung des Verfahrens auch denkbar, eine mobile Vorrichtung zu verwenden, welche gegenüber dem jeweils zu bearbeitenden Oberflächenbereiche 22, 24, 26, 28, 30 des Bauteils 10 in einem entsprechenden Winkel α angeordnet wird, so dass sich die gewünschte Winkelstellung zwischen der Oberfläche 48 der Vibrationseinrichtung 44 und der zugehörigen Oberflächennormalen O einstellt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften eines Bauteils (10) einer Gasturbine, bei welchem wenigstens ein Oberflächenbereich (22, 24, 26, 28, 30) des Bauteils (10) zumindest lokal behandelt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Positionieren des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs (22, 24, 26, 28, 30) einer zugehörigen Verzahnung (14) des Bauteils (10) und einer korrespondierenden, Strahlgut beaufschlagenden Oberfläche (48) einer Vibrationseinrichtung (44) relativ zueinander; und
- Oberflächenstrahlen, insbesondere Ultraschall-Kugelstrahlen des Oberflächenbereichs (22, 24, 26, 28, 30) der zugehörigen Verzahnung (14).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (48) der
Vibrationseinrichtung (44) und eine Oberflächennormale (O) des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs (22, 24, 26, 28, 30) in einem Winkel (α) zwischen 20° und 90° relativ zueinander positioniert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (48) der Vibrationseinrichtung (44) und die Oberfiächennormale (O) des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs (22, 24, 26, 28, 30) zumindest annähernd senkrecht relativ zueinander positioniert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (48) der Vibrationseinrichtung (44) und die Oberflächennormale (O) einer Zahnoberseite (26) eines zugeordneten Zahns (20) in einem Winkel (α) zwischen 20° und 90°, und insbesondere zumindest annähernd senkrecht relativ zueinander positioniert werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Zahnflanken (22, 24) und/oder die Zahnoberseite (26) des entsprechenden Zahns (20) der Verzahnung (14) durch Oberflächenstrahlen bearbeitet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stirnseiten (32, 34) eines zugeordneten Zahns (20) durch Oberflächenstrahlen bearbeitet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche (22, 24, 26, 28, 30) und die Stirnseiten (32, 34) in ein und demselben Verfahrensschritt innerhalb einer Strahlkammer (36) bearbeitet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) an einer Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen angeordnet und der zu bearbeitende Oberflächenbereich (22, 24, 26, 28, 30) relativ zu der Oberfläche (48) der Vibrationseinrichtung (44) positioniert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) mittels einer Haltevorrichtung (60) relativ zu der Oberfläche (48) der Vibrationseinrichtung (44) positioniert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) zum Oberflächenstrahlen einer rotationssymmetrischen Verzahnung (14) um eine Rotationsachse (R) gedreht wird.
11. Vorrichtung zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften wenigstens eines Oberflächenbereichs (22, 24, 26, 28, 30) eines Bauteils (10) einer Gasturbine, mit wenigstens einer Vibrationseinrichtung (44), insbesondere einer Ultraschall-Sonotrode, welche eine das Strahlgut beaufschlagende Oberfläche (48) umfasst, und mit einer HaI- tevorrichtung (60), mittels welcher der Oberflächenbereich (22, 24, 26, 28, 30) und die Oberfläche (48) der Vibrationseinrichtung (44) relativ zueinander anordnenbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (48) der Vibrationseinrichtung (44) und der zu strahlende Oberflächenbereich (22, 24, 26, 28, 30) einer Verzahnung (14) des Bauteils (10) mittels der Haltevorrichtung (60) relativ zueinander positionierbar sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (48) der Vibrationseinrichtung (44) und eine Oberflächennormale (O) des zu strahlenden Oberflächenbereichs (22, 24, 26, 28, 30) der Verzahnung (14) mittels der Haltevorrichtung (60) in einem Winkel (α) zwischen 20° und 90° relativ zueinander positionierbar sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (48) der Vibrationseinrichtung (44) und die Oberflächennormale (O) des zu strahlenden Oberflächenbereichs (22, 24, 26, 28, 30) der Verzahnung (14) mittels der Haltevorrichtung (60) zumindest annähernd senkrecht relativ zueinander positionierbar sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationseinrichtung (44) eine Strahlkammer (36) zugeordnet ist, in welcher der Oberflächenbereich (22, 24, 26, 28, 30) der Verzahnung (14) bearbeitbar ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) mittels der Haltevorrichtung (60) um seine Rotationsachse (R) drehbar gehalten ist.
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