BORUFKA, Hans Peter (An der Linde 39, Starnberg, 82319, DE)
PROKOPCZUK, Patrick (Gotthardstr.43, München, 80686, DE)
STIEHLER, Frank (Burgplatz 6, Bad Liebenwerda, 04924, DE)
BORUFKA, Hans Peter (An der Linde 39, Starnberg, 82319, DE)
PROKOPCZUK, Patrick (Gotthardstr.43, München, 80686, DE)
| Ansprüche Verfahren zur Herstellung eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere eines Gasturbinenrotors, mittels Fügen, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen einer Schaufel (10) mit einer Fügefläche; und - Bereitstellen einer Halteeinrichtung mit zwei Spannbacken (28); gekennzeichnet durch folgende Schritte: - rein kraftschlüssiges Halten der Schaufel (10) an zwei entgegengesetzten Stellen der Schaufel (10) durch die Spannbacken (28); und - Andrücken der kraftschlüssig gehaltenen Schaufel (10) auf einen Rotorgrundkörper, sodass sich die Schaufel (10) selbsttätig in eine Fügeposition ausrichtet. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (10) von den Spannbacken (28) mit einem Spiel gehalten wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (10) mit wenigstens einem Funktionsabschnitt (20) bereitgestellt wird, wobei entweder der Funktionsabschnitt (20) oder die Halteeinrichtung ein Hohlprofil mit einer von außen zugänglichen Öffnung und einer Stirnfläche (24) aufweist und die Halteeinrichtung bzw. der Funktionsabschnitt (20) wenigstens einen Halteabschnitt aufweist, der zum kraftschlüssigen Halten der Schaufel (10) in das Hohlprofil eindringt und in eine zur Stirnfläche (24) senkrechten Richtung gedrückt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Andrücken der Schaufel (10) auf den Rotorgrundkörper ein wesentlicher Teil der hierfür aufgewendeten Kraft über eine schräge Anlagefläche (32) des Halteabschnitts (30) auf eine im Hohlprofil gebildete Rampe (22) übertragen wird. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (30) von einer Spannbacke (28) der Halteeinrichtung oder vom Funktionsabschnitt (20) vorsteht und die Stirnfläche (24) nach dem Einspannen der Schaufel (10) an der Spannbacke (28) bzw. am Funktionsabschnitt (20) anliegt. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Oszillationen der Spannbacken (28) über die Stirnfläche (24) in den Fuß (12) der Schaufel (10) eingeleitet werden. 7. Vorrichtung zur Herstellung eines integral beschaufelten Rotors, gekennzeichnet durch eine Halteeinrichtung für eine Schaufel (10) mit zwei Spannbacken (28), durch deren Zusammendrücken die Schaufel (10) an zwei entgegengesetzten Stellen rein kraftschlüssig gehalten wird, und eine Einrichtung zum Andrücken der kraftschlüssig gehaltenen Schaufel (10) auf einen Rotorgrundkörper derart, dass sich die Schaufel (10) selbsttätig in eine Fügeposition ausrichtet. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung einen Halteabschnitt (30) mit einer schrägen Anlagefläche (32) aufweist, die auf eine in einem Hohlprofil eines Funktionsabschnitts (20) der Schaufel (10) gebildete Rampe (22) abgestimmt ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung ein Hohlprofil aufweist, in dem eine Rampe (22) gebildet ist, wobei die Rampe (22) auf eine schräge Anlagefläche (32) eines an einem Funktionsabschnitt (20) der Schaufel (10) vorgesehenen Halteabschnitts (30) abgestimmt ist. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (30) keilförmig ist und von einer Spannbacke (28) der Halteeinrichtung oder vom Funktionsabschnitt (20) der Schaufel (10) vorsteht, wobei die Spannbacke (28) bzw. der Funktionsabschnitt (20) im eingespannten Zustand der Schaufel (10) an der Stirnfläche (24) des Hohlprofils angreift. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass beide Spannbacken (28) der Halteeinrichtung aufeinander zu bewegbar sind und einander gegenüberliegende Halteabschnitte (30) bzw. Hohlprofile aufweisen, die beim Einspannen der Schaufel (10) mit zwei auf entgegengesetzten Seiten der Schaufel (10) angeordneten Hohlprofilen bzw. Halteabschnitten (30) zusammenwirken. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die Halteabschnitte (30) bzw. Hohlprofile zu Schwingungen angeregt werden können. 13. Integral beschaufelter Rotor, insbesondere Gasturbinenrotor, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere Gasturbinenrotors. Die Erfindung betrifft ferner einen mittels des Verfahrens hergestellten Rotor.
Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung bezeichnet man abhängig davon, ob ein im Querschnitt scheibenförmiger oder ringförmiger Rotor bzw. Rotorträger (im Folgenden Rotorgrundkörper genannt) vorhanden ist, als Blisk bzw. Bling. Blisk ist die Kurzform von "bladed disk" und Bling von "bladed ring". Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung durch Fräsen aus dem Vollen herzustellen. Da dieses Verfahren sehr aufwendig und teuer ist, wird es nur für die Herstellung relativ kleiner Gasturbinenrotoren eingesetzt.
Bei großen Rotoren finden Fügeverfahren Anwendung, bei denen Rotorgrundkörper und Schaufeln separat hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden. Unter den Fügeverfahren hat das Linearreibschweißen (LRS) in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Dabei wird eines der zu fügenden Teile fest eingespannt, das andere schwingt mit einer linearen Bewegung. Durch Zusammenpressen der Teile entsteht Reibungswärme. Das Material im Bereich der Schweißzone erhitzt sich auf Schmiedetemperatur. Gleichzeitig werden die Teile gestaucht, so dass im Fügebereich ein Schweißwulst entsteht, der danach durch adaptives Fräsen entfernt wird.
Um beim Reibschweißen, bei dem eines der beiden zu fügenden Teile relativ zum anderen bewegt werden muss, Schwierigkeiten bei der Ausrichtung der Schaufeln zum Rotorgrundkörper zu vermeiden, ist es bekannt, einen vorgefertigten Zwischenkörper sozusagen als Brücke oder Adapter zwischen Rotorgrundkörper und Schaufel an beiden Einheiten festzuschweißen. Eine Relativbewegung zwischen Rotorgrundkörper und Schaufel ist dann nicht mehr notwendig, die beiden Teile können vorab fest zueinander positioniert werden.
Ein anderes Fügeverfahren ist das induktive Hochfrequenzpressschweißen (IHFP = inductive high-frequency pressure welding). Aus der DE 198 58 702 B4 ist ein solches Verfahren zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine bekannt. Die Schaufelteile weisen Verbindungsflächen auf, die im Wesentlichen fluchtend beabstandet zueinander positioniert werden. Anschließend werden die Schaufelteile durch Erregen eines Induktors mit hochfrequentem Strom und durch Zusammenfahren unter Berührung der Verbindungsflächen miteinander verschweißt. Der Induktor wird mit einer konstanten Frequenz erregt, die im Allgemeinen über 0,75 MHz liegt und in Abhängigkeit von der Geometrie der Verbindungsflächen gewählt wird. Beim induktiven Hochfrequenzpressschweißen ist die genügend große und homogene Erwärmung der beiden Schweißpartner für die Qualität der Fügestelle von entscheidender Bedeutung. Es können in der Regel aber nur Bauelemente mit relativ kleinen Querschnitten (Größenordnung < 200 mm ) zuverlässig miteinander verschweißt werden, da bei größeren Bauteilquerschnitten keine ausreichende Erwärmung der zentralen bzw. mittleren Querschnittsbereiche und damit keine homogene Erwärmung der Fügestellen erfolgt.
Aus der EP 1 213 088 Bl ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines integral beschaufelten Rotors mittels Reibschweißen bekannt, bei dem eine Schaufel von einer
Werkzeugvorrichtung mit zwei Spannbacken unter Formschluss festgehalten wird. Dabei dringen die keilförmig ausgebildeten Spannbacken in Einkerbungen an Vorderkanten- und Hinterkantenabschnitten der Schaufel ein. Das formschlüssige Einspannen der Schaufel in die komplexe Werkzeugvorrichtung ist sehr aufwendig und kann nur manuell vorgenommen werden. Die EP 0 513 669 A2 betrifft ein Verfahren zur Beschaufelung eines rotationssymmetrischen Schaufelträgers für Strömungsmaschinen mittels Reibschweißen, bei dem eine Aufhahme- einrichtung mit zwei gegeneinander verspannbaren Spannbacken zur Fixierung einer Schaufel zum Einsatz kommt. Durch Anziehen von Schrauben klemmen Spannflächen der Spannbacken den Schaufelfuß an rechteckigen Seitenflächen zwischen sich ein. Aufgabe der Erfindung ist es, bei der Herstellung eines integral beschaufelten Rotors mittels Fügen ein exaktes und zuverlässiges Positionieren einer an den Rotorgrundkörper zu fügenden Schaufel zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere eines Gasturbinenrotors, mittels Fügen, umfasst folgende Schritte:
Bereitstellen einer Schaufel mit einer Fügefläche; - Bereitstellen einer Halteeinrichtung mit zwei Spannbacken;
- rein kraftschlüssiges Halten der Schaufel an zwei entgegengesetzten Stellen der
Schaufel durch die Spannbacken; und
- Andrücken der kraftschlüssig gehaltenen Schaufel auf einen Rotorgrundkörper, sodass sich die Schaufel selbsttätig in eine Fügeposition ausrichtet.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass praktisch in allen zurzeit hergestellten Turbinen beschichtete Schaufeln verwendet werden. Da die Schutzschicht materialbedingt bereits vor dem Fügen aufgetragen werden muss, kommt für ein Einspannen der Schaufel in einer
Aufnahmevorrichtung nur ein Bereich infrage, der nicht beschichtet werden muss. Dies ist üblicherweise ein Bereich am Schaufelfuß, genauer gesagt der Bereich unter dem inneren Deckband, sofern ein solches vorhanden ist.
Auf einen vorgefertigten Zwischenkörper, der bei einigen bekannten Herstellungsverfahren zwischen Schaufel und Rotationsgrundkörper eingefügt wird, kann verzichtet werden, wodurch die Herstellungskosten für den integral beschaufelten Rotor gesenkt werden. Außerdem bedeutet das direkte Fügen der Schaufel an den Rotationsgrundkörper eine Gewichtsreduzierung und Leckageminimierung.
Gegenüber der aus der EP 1 213 088 Bl bekannten Technik wird die für den Schweiß Vorgang erforderliche Fixierung nicht durch einen mit einer Vielzahl von Bauteilen erreichten
überbestimmenden Formschluss, sondern durch kontinuierliche Krafteinleitung (Kraftschluss) erreicht, sodass auf eine aufwendige Mechanik für die Fixierung verzichtet werden kann. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens reichen zwei Haltepunkte zur Fixierung aus.
Eine weitere Besonderheit der Erfindung ist darin zu sehen, dass nur eine relativ moderate Haltekraft aufgebracht werden muss (vorzugsweise von einer Hydraulik). Erst durch das
Absetzen der Schaufel (Andrücken an den Rotorgrundkörper) richtet sich die Schaufel aus. Es wird also in vorteilhafter Weise die Kinematik des Reibschweißens zur Ausrichtung der Schaufel genutzt. Ein daraus resultierender zusätzlicher positiver Effekt ist die Schwingungsdämpfung an der Schaufelspitze. Aufgrund der oben beschriebenen Besonderheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren automatisiert durchgeführt werden, was insbesondere beim bekannten Verfahren gemäß der EP 1 213 088 Bl nicht möglich ist. Da zum Halten der Schaufel nur eine relativ geringe Kraft aufzubringen ist, kann im Rahmen der Verfahrensautomatisierung z.B. eine vernünftig dimensionierte Hydraulikvorrichtung (Roboter) vorgesehen werden, die die Schaufel aufgreift, transportiert und über dem Rotorgrundkörper positioniert.
Vorzugsweise wird die Schaufel mit wenigstens einem Funktionsabschnitt bereitgestellt, wobei entweder der Funktionsabschnitt oder die Halteeinrichtung ein Hohlprofil mit einer von außen zugänglichen Öffnung und einer Stirnfläche aufweist und die Halteeinrichtung bzw. der
Funktionsabschnitt wenigstens einen Halteabschnitt aufweist, der zum kraftschlüssigen Halten der Schaufel in das Hohlprofil eindringt und in eine zur Stirnfläche senkrechten Richtung gedrückt wird. Das Hohlprofil und der auf dieses abgestimmte Halteabschnitt sorgen dafür, dass die Schaufel in allen Raumrichtungen definiert gehalten wird, sodass eine sehr hohe
Positioniergenauigkeit der Schaufel erreicht wird. Der Fügeprozess kann mit sehr hohen Kräften durchgeführt werden, wie sie beim mechanisch unterstützten direkten Fügen einer Schaufel an einen Rotorgrundkörper erforderlich sind, insbesondere wenn diese unterschiedliche
Materialeigenschaften aufweisen. Das eigentliche Fügen kann durch Linearreibschweißen oder induktives Hochfrequenzpressschweißen erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines integral beschaufelten Rotors umfasst eine Halteeinrichtung für eine Schaufel mit zwei Spannbacken, durch deren Zusammendrücken die Schaufel an zwei entgegengesetzten Stellen rein kraftschlüssig gehalten wird, und eine Einrichtung zum Andrücken der kraftschlüssig gehaltenen Schaufel auf einen Rotorgrundkörper derart, dass sich die Schaufel selbsttätig in eine Fügeposition ausrichtet.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausfuhrungsform weist die Halteeinrichtung einen
Halteabschnitt mit einer schrägen Anlagefläche auf, die auf eine in einem Hohlprofil eines Funktionsabschnitts der Schaufel gebildete Rampe abgestimmt ist.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausfuhrungsform weist die Halteeinrichtung ein Hohlprofil auf, in dem eine Rampe gebildet ist, wobei die Rampe auf eine schräge Anlagefläche eines an einem Funktionsabschnitt der Schaufel vorgesehenen Halteabschnitts abgestimmt ist. Die Erfindung gibt schließlich auch einen integral beschaufelten Rotor an, insbesondere für Gasturbinen, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 eine perspektivische, teilweise transparente Ansicht einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit eingespannter Schaufel, mit der integral beschaufelte Rotoren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden;
- Figuren 2 und 3 perspektivische Detailansichten des unteren Schaufelbereichs; und
- Figur 4 eine perspektivische Detailansicht der Aufnahmevorrichtung mit eingespannter Schaufel.
In Figur 1 ist ein Teil einer Vorrichtung zum Herstellen eines integral beschaufelten Rotors mittels Fügen dargestellt. Die Vorrichtung kann insbesondere im Rahmen eines LRS- oder IHFP-Verfahrens eingesetzt werden, worauf später noch eingegangen wird.
Der integral beschaufelte Rotor, der im Verdichter oder Turbinenbereich einer Gasturbine eingesetzt werden kann, weist einen Grundkörper in Form einer Scheibe oder eines Rings auf. Am Rotorgrundkörper, der aus polykristallinem Material gebildet sein kann, werden
Turbinenschaufeln 10 befestigt, die aus einkristallinem Material gebildet und einstückige Bestandteile eines geschlossenen Schaufelkranzes sein können.
Eine Schaufel 10 erstreckt sich von einem Schaufelfuß 12, an dem die Schaufel 10 mit dem Rotorgrundkörper befestigt wird, bis zu einer Schaufelblattspitze 14. Am Schaufelfuß 12 und an der Schaufelblattspitze 14 sind integral ein inneres Deckband 16 bzw. ein äußeres Deckband 18 angeordnet. Der Bereich unterhalb des inneren Deckbands 16 ist nicht beschichtet. In diesem Bereich sind zwei als Anguss realisierte Funktionsabschnitte 20 vorgesehen, die auf
entgegengesetzten Seiten des Schaufelfußes 12 angeordnet sind. In den Figuren 2 und 3 ist erkennbar, dass die Funktionsabschnitte 20 als Hohlprofüe (offene Taschen) ausgebildet, im Inneren also im Wesentlichen hohl sind. Bei beiden Funktionsabschnitten 20 ist eine der inneren Begrenzungsflächen (in den Abbildungen jeweils die untere) als Rampe 22 ausgeführt. Die äußere Stirnfläche 24, die die Öffnung des Funktionsabschnitts 20 umgibt, dient beim Fügeprozess als Pressfläche.
In Figur 2 ist auch die der Schaufelblattspitze 14 entgegengesetzte Fügefläche 26 zu sehen, die beim Fügeprozess in Kontakt mit einer entsprechenden Fügefläche des Rotorgrundkörpers kommt.
Die in den Figuren 1 und 4 gezeigte Vorrichtung umfasst eine Halteeinrichtung, mit der die Schaufel 10 gehalten und relativ zum Rotorgrundkörper positioniert wird. Von der Halteeinrichtung der Vorrichtung sind zwei Spannbacken 28 gezeigt, die aufeinander zu bewegt werden können. Jede Spannbacke 28 weist einen vorstehenden Halteabschnitt 30 auf, der dem Halteabschnitt 30 der jeweils anderen Spannbacke 28 gegenüberliegt.
Die Halteabschnitte 30 sind keilförmig und verjüngen sich in Richtung der gegenüberliegenden Spannbacke 28. Die äußere Form der Halteabschnitte 30 ist im Wesentlichen jeweils
komplementär zum inneren Profil einer der taschenartigen Funktionsabschnitte 20 der Schaufel 10. Insbesondere weist jeder Halteabschnitt 30 eine schräge Anlagefläche 32 auf, die entsprechend der Rampe 22 des zugeordneten Funktionsabschnitts 20 geneigt ist.
Um die Schaufel 10 am Rotorgrundkörper zu befestigen wird die Schaufel 10, wie in den Figuren 1 und 4 gezeigt, in die Halteeinrichtung eingespannt, indem die Spannbacken 28 in eine zu den Stirnflächen 24 senkrechten Richtung aufeinander zu bewegt werden. Dabei greifen die keilförmigen Halteabschnitte 30 der Spannbacken 28 in die Hohlprofile am Schaufelfuß 12 ein, und die Stirnflächen 24 werden gegen die Spannbacken 28 gedrückt. Die Schaufel 10 wird auf diese Weise an zwei Stellen rein kraftschlüssig (ohne Formschluss) gehalten. Es
dementsprechend nicht erforderlich, eine besonders hohe Spannkraft aufzubringen. Ein gewisses Spiel der Schaufel 10 darf und soll sogar vorhanden sein.
Die für das Fügen mittels Linearreibschweißen erforderliche Oszillation des Schaufelfußes 12 bei festgehaltenem Rotorgrundkörper wird von den zu Schwingungen angeregten Spannbacken 28 über die daran angedrückten Stirnflächen 24 der Funktionsabschnitte 20 auf den Schaufelfuß 12 übertragen. Sowohl beim Linearreibschweißen als auch beim alternativen induktiven Hochfrequenzpressschweißen ist eine Stauchkraft erforderlich, die die Schaufel 10 in einer zur Fügefläche 26 senkrechten Richtung auf die gegenüberliegende Fügefläche des Rotorgrundkörpers andrückt. Diese Stauchkraft wird nach dem Zusammendrücken der Spannbacken 28 auf die Schaufel 10 aufgebracht. Ein wesentlicher Teil der Stauchkraft wird über die schrägen Anlageflächen 32 der keilförmigen Halteabschnitte 30 auf die Rampen 22 in den taschenartigen Funktionsabschnitten 20 übertragen, wodurch die Schaufel 10 in Richtung Rotorgrundkörper gedrückt wird. Erst durch das Absenken der Schaufel auf den Rotorgrundkörper richtet sich die Schaufel 10 selbsttätig in die gewünschte Fügeposition aus. In Spannrichtung ist die gewünschte Fügeposition bereits festgelegt. Unter Spannrichtung ist im Wesentlichen die Gerade zwischen den Spannbacken zu verstehen.
Der Fuß 12 der eingespannten Schaufel 10 ist beim Schweißen frei von Drehmomenten, während der in Figur 1 eingekreiste Bereich der Schaufel 10, also insbesondere das Schaufelblatt und das äußere Deckband 18, in diesem Zustand weitestgehend belastungsfrei ist (sofern das äußere Deckband 18 frei ist).
Es ist selbstverständlich auch möglich, dass das Hohlprofil nicht am Funktionsabschnitt 20, sondern an der Halteeinrichtung gebildet ist. Dementsprechend ist dann der Halteabschnitt 30 nicht an der Halteeinrichtung, sondern am Funktionsabschnitt 20 vorzusehen. Der
Funktionsabschnitt 20 bzw. der Halteabschnitte 30 kann auch integraler Bestandteil der Schaufel 10 sein. In diesem Fall ist kein Anguss erforderlich.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren sowie der zughörigen Vorrichtung wird eine definierte Spannfolge erreicht. Hinsichtlich der Homogenisierung von Spannungszuständen ist eine optimale Einleitung von sehr hohen Prozesskräften gewährleistet. Die Halteeinrichtung der Vorrichtung ist aufgrund der definierten Kontaktsituationen unter Ausnutzung der sehr hohen Prozesskräfte mechanisch bestimmbar.
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