Verfahren zum Austauschen einer Schaufel eines Rotors mit integrierter Beschaufelung und ein derartiger Rotor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austauschen einer Schaufel eines Rotors mit integraler Beschaufelung und einen Rotor mit einer derartig ausgetauschten Schaufel.

Rotoren mit integraler Beschaufelung haben entweder einen scheibenförmigen oder einen ringförmigen Rotorgrundkörper, an dessen Außenumfang die Beschaufelung integral angeordnet ist. Rotoren mit einem scheibenförmigen Rotorgrundkörper werden als Blisk (Bladed Disk) und Rotoren mit einem ringförmigen Rotorgrundkörper als Bling (Bladed Ring) bezeichnet.

Verfahren zur Herstellung von Rotoren mit integraler Beschaufelung sind in der Patentanmeldung WO 2005/024185 der Anmelderin beschrieben. Ein Verfahren sieht vor, die Rotoren mit ihrer Beschaufein aus dem Vollen zu fräsen. Ein anderes Herstellungsverfahren sieht vor, die Beschaufelung getrennt von dem Rotorgrundkörper herzustellen und anschließend durch ein Fügeverfahren an dem Rotorgrundkörper anzuordnen. Beispiele für Fügeverfahren sind lineares Reibschweißen, induktives Pressschweißen oder Diffusionsschweißen. Bei dem letzteren Herstellungsverfahren besteht die Beschaufelung aus Schmiedeteilen, die bereits an die Sollform der Schaufehl derart angepasst sind, dass nach dem Anfügen an dem Rotorgrundkörper nur noch eine Feinbearbeitung zu erfolgen hat. Allerdings kann die Beschaufelung auch aus einer Vielzahl von Schaufelrohlingen bestehen, die aus einem Pressprofil herausgetrennt werden und erst nach dem Anfügen an dem Rotorgrundkörper zu ihrer Sollform bearbeitet werden. Die internationale Patentanmeldung WO 2008/046388 der Anmelderin beschreibt ein

Verfahren zur Herstellung eines Rotors mit integraler Beschaufelung, bei dem zumindest Abschnitte des Rotors nach einem generativen Verfahren hergestellt werden. Die WO 2008/046388 schlägt insbesondere vor, die Beschaufelung oder den gesamten Rotor einschließlich der Beschaufelung generativ herzustellen.

Aufgrund der integralen Anordnung der Beschaufelung an dem Rotorgrundkörper ist jedoch der Austausch einer Altschaufel, beispielsweise eine beschädigte Schaufel oder eine Schaufel, die ihre maximale Lebensdauer erreicht hat, im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Rotoren mit am Rotorgrundkörper eingesetzten Schaufeln verhältnismäßig aufwendig.

Ein bekanntes Verfahren zum Austauschen einer beschädigten Schaufel eines Rotors mit integraler Beschaufelung ist in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 033 625 Al der Anmelderin offenbart. Nach diesem Verfahren wird die beschädigte Schaufel abgetrennt und durch eine Neuschaufel, die durch ein pulvermetallurgisches Spritzgießverfahren hergestellt wird, ersetzt. Der DE 10 2005 033 625 Al ist jedoch nicht zu entnehmen, ob die Neuschaufel unmittelbar am Außenumfang des Rotorgrundkörpers angeordnet wird oder ob sie an einem rotorgrundkörperseitigen Stumpf der zuvor abgetrennten beschädigten Schaufel angefügt wird.

Die DE 39 09 733 Al schlägt ein Verfahren zum Austauschen einer Schaufel vor, bei dem die Neuschaufel an einem rotorgrundkörperseitigen Stumpf angeschweißt wird. Die be- schädigte Schaufel wird in einem definierten Abstand von dem Rotorgrundkörper abgetrennt, so dass ein Stumpf stehen bleibt, dessen Radialfläche eine Schaufelanschlussfläche für die Neuschaufel darstellt. Zur Stabilisierung des Stumpfes beim Fügen der Neuschaufel wird der Stumpf umfangsseitig durch eine mehrteilige metallische Einfassung stabilisiert, die mit dem Stumpf und der Neuschaufel eine metallurgische Verbindung eingeht. Die Höhe der Einfas- sung entspricht der radialen Länge des Stumpfes, so dass der Stumpf und die Einfassung die Schaufelanschlussfläche für die Neuschaufel schaffen. Nach dem Fügen wird überschüssiges Material beispielsweise der Einfassung entfernt und die Verbindung Stumpf-Neuschaufel auf Sollmaß endbearbeitet. Die EP 1 535 692 Bl beschreibt ebenfalls ein Verfahren zum Austauschen einer

Schaufel, bei dem ein rotorgrundkörperseitiger Stumpf einer zuvor abgetrennten beschädigten Schaufel beim Fügen der Neuschaufel stabilisiert wird. Es wird um den Stumpf herum eine Einrahmung errichtet, in die ein Metallpulver eingefüllt wird. Die Neuschaufel wird durch Reibschweißen an einer radialen Schaufelanschlussfläche des Stumpfes befestigt, wobei das Metallpulver eine stabilisierende Beschichtung für den Stumpf bildet. Nach dem Fügen der Neuschaufel wird die Verbindung Stumpf-Neuschaufel auf Sollmaß endbearbeitet.

Aus der EP 0 376 874 Bl ist es jedoch auch bekannt, anstatt den rotorgrundkörpersei- tigen Stumpf zu stabilisieren, die Neuschaufel im Bereich ihrer Fügefläche mit einem Kragen zu versehen, der beim Fügen eine einheitliche Erwärmung ermöglichen und eine Deformation verhindern soll. Das Abtrennen der beschädigten Schaufel kann mittels des Electrical Di- scharge Machining (EDM- Verfahren) erfolgen. Nach dem Fügen der Neuschaufel wird der Kragen sowie überschüssiges Material entfernt und die Verbindung Stumpf-Neuschaufel auf Sollmaß endbearbeitet.

Das US-Patent US 6,095,402 zeigt ein Verfahren zum Austauschen eines Rotors mit integraler Beschaufelung, bei dem ebenfalls eine Neuschaufel an einem rotorgrundkörpersei- tigen Stumpf einer zuvor abgetrennten beschädigten Schaufel angeordnet wird. Dabei ist der Gegenstand dieses US-Patents auf die besondere geometrische Ausbildung der Schaufelanschlussfläche des Stumpfes gerichtet, so dass auch bei nicht ebener Schaufelanschlussfläche die Neuschaufel mittels linearen Reibschweißens gefügt werden kann.

Den vorgenannten bekannten Verfahren ist gleich, dass die radiale Schaufelanschlussfläche des Stumpfes beim Abtrennen der beschädigten Schaufel gebildet wird. Eine beim Abtrennen der beschädigten Schaufel an dem Stumpf entstehende Trennfläche dient als Schaufelanschlussfläche für eine Neuschaufel. Die Trennfläche wird zur Fügevorbereitung lediglich entsprechend gereinigt. Dies hat den Nachteil, dass das Abtrennen der beschädigten Schaufel in einem definierten Abstand vom Außenumfang des Rotorgrundkörpers und zusätzlich sehr genau zu erfolgen hat, um ein passgenaues Fügen der Neuschaufel zu ermöglichen. Entsprechend technisch anspruchsvolle Trennverfahren sind anzuwenden. Ebenso ist nachteilig, dass entweder der Stumpf beim Fügen aufwendig stabilisiert werden muss oder die Neuschaufel besondere gestalterische Merkmale aufzuweisen hat, da die endbearbeitete Form des Stumpfes den beim Fügen auftretenden Belastungen nicht standhält. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Austauschen einer Schaufel eines Rotors mit integraler Beschaufelung, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und ein einfaches passgenaue Fügen einer Neuschaufel ermöglicht, sowie einen Rotor mit einer derart ausgetauschten Schaufel zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Austauschen einer Schaufel eines Rotors mit integraler Beschaufelung mit den Schritten des Anspruchs 1 und durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 10. In einem ersten Schritt wird die Altschaufel von dem Rotorgrundkörper abgetrennt.

Hierbei entsteht an dem Rotorgrundkörper eine Trennfläche, auf der erfindungsgemäß in einem folgenden Schritt ein Sockel errichtet wird. Sobald der Sockel seine radiale Solllänge bzw. Höhe erreicht hat, wird an seiner von dem Rotorgrundkörper abgewandten Radialfläche die Schaufelanschlussfläche für eine Neuschaufel ausgebildet. Dann wird die Neuschaufel an die Schaufelanschlussfläche gefugt.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Schaufelanschlussfläche neu gebildet wird und nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, identisch mit der beim Abtrennen der Altschaufel rotorgrundkörperseitig entstehenden Trennfläche ist. Somit kann die Altschaufel durch technisch einfache Trennverfahren von dem Rotorgrundkörper entfernt werden. Ferner ist vorteilhaft, dass die Altschaufel nicht zu nah über dem Außenumfang des Rotorgrundkörpers abgetrennt werden kann, da die Neuschaufel nicht unmittelbar an dem verbleibenden Stumpf gefügt wird, sondern ein Sockel errichtet wird, dessen radiale Länge frei wählbar ist. Weiterhin ist eine aufwendige Stabilisierung des Sockels beim Fügen nicht notwendig, da seine Gestalt beim Errichten bzw. Aufbauen flexibel gewählt werden kann. Der Sockel kann von seiner Gestalt so aufbereitet werden, dass das Fügen und Endbearbeiten der Neuschaufel dem Anordnen einer Schaufel in der Neuteilfertigung entspricht.

Bei einem Ausfuhrungsbeispiel wird die Altschaufel derart vom Rotorgrundkörper ab- getrennt, dass die Trennfläche an einem rotorgrundkörperseitigen Stumpf ausgebildet wird. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Altschaufel derart von dem Rotorgrundkörper entfernt, dass die Trennfläche bündig zum Außenumfang des Rotorgrundkörpers verläuft. Der Sockel kann sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung mit Übermaß versehen werden.

In Abhängigkeit von dem Übermaß des Sockels, der Fügeverbindung an sich und der Gestalt der Neuschaufel kann eine Endbearbeitung auf Sollmaß durchgeführt werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Errichten des Sockels mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, beispielsweise durch Laserauftragsschweißen.

Das Fügen der Neuschaufel an der Schaufelanschlussfläche wird bei einem Ausfüh- rungsbeispiel mittels eines Schweißverfahrens ausgeführt. Beispiele sind Elektronenstrahl- schweißen, lineares Reibschweißen, induktives Hochfrequenz-Pressschweißen oder Diffusionsschweißen.

Ein erfindungsgemäßer Rotor mit integraler Beschaufelung sieht einen Rotorgrund- körper vor, an dem eine Vielzahl von Schaufeln angeordnet ist, wobei zumindest eine Altschaufel durch eine Neuschaufel ersetzt ist. Erfindungsgemäß ist die Neuschaufel an einer Schaufelanschlussfläche eines Sockels angeordnet, der auf einer rotorgrundkörperseitigen Trennfläche der zuvor abgetrennten Altschaufel errichtet ist. Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Rotor in der Neuteilfertigung mit integraler Be- schaufelung im Bereich einer gefügten Schaufel,

Fig. 2 den Querschnitt nach Figur 1 nach einer Endbearbeitung der Fügeverbindung, Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Rotor mit integraler Beschaufelung im Bereich einer abgetrennten Altschaufel,

Fig. 4 den Querschnitt nach Figur 3 vor dem Fügen einer Neuschaufel,

Fi. 5 den Querschnitt nach Figur 4 nach dem Fügen der Neuschaufel, und

Fig. 6 den Querschnitt nach Figur 5 nach dem Endbearbeiten der Fügeverbindung.

Figur 1 zeigt vereinfacht die Neufertigung eines Rotors 2 einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, mit integraler Beschaufelung. Der Rotor 2 weist einen scheibenförmigen Rotorgrundkörper 4 mit einer Vielzahl von radialen Vorsprüngen 6, 8, 10 auf, an denen jeweils eine Schaufel 12 der integralen Beschaufelung direkt gefügt ist bzw. noch gefügt wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird im Folgenden beispielhaft für jeden Vorsprung 6, 8, 10 und für jede Schaufel 12 lediglich der in der Figur 1 dargestellte mittlere Vorsprung 8 mit der Schaufel 12 betrachtet. Der Vorsprung 8 weist eine radiale Schaufelanschlussfläche 14 auf und ist mit einem in Figur 2 gestichelt angedeuteten Übermaß versehen.

Die Schaufel 12 hat einen Fußabschnitt 16 und einen von dem Fußabschnitt 16 entfernt liegenden Kopfabschnitt 18, der hier mit einem Deckband versehen ist. Der Fußabschnitt 16 weist eine dem Rotorgrundkörper 4 zugewandte Fügefläche 20 auf und ist entsprechend dem radialen Vorsprung 8 mit einem in Figur 2 gestrichelt dargestellten Übermaß versehen. Die Fügefläche 20 ist komplementär zur Schaufelanschlussfläche 14 des radialen Vorsprungs 8. Beim Fügen der Schaufel 12 an dem Rotorgrundkörper 4 wird diese mit ihrer Fügefläche 20 in Anlage mit der Schaufelanschlussfläche 14 des Vorsprungs 8 gebracht und durch ein geeignetes Verfahren metallurgisch mit dem Vorsprung 8 verbunden. Geeignete Fügeverfahren sind zum Beispiel Elektronenstrahlschweißen (Electrical Beam Welding, EB- Schweißen), lineares Reibschweißen, das induktive Hochfrequenz-Pressschweißen (Inductiv High Frequency Pressure Welding, IHFP) oder das Diffusionsschweißen. Gemäß Figur 2 werden nach dem Fügen der Vorsprung 8 und der Fußabschnitt 16 der Schaufel 12 durch eine Endbearbeitung auf Endmaß gebracht. Hierbei werden die gestrichelt angedeuteten Übermaße des Vorsprungs 8 und des Fußabschnitts 16 sowie beim Fügen entstehende Materialanhäufungen entfernt. Beispielhafte Verfahren zur Endbearbeitung sind elektrochemisches Bearbeiten (Electrical Chemical Machining, ECM) und Fräsen.

Kommt es im Betriebsfall zu einer Schädigung der Schaufel 12, oder hat die Schaufel 12 ihre maximale Lebensdauer erreicht, ist sie durch eine in Figur 5 gezeigte Neuschaufel 22 auszutauschen. Ein erfindungsgemäßer Austausch der bisherigen Schaufel bzw. Altschaufel 12 gegen die Neuschaufel 22 wird in den folgenden Figuren 3 bis 6 beschrieben.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Rotor 2 mit integraler Beschaufelung. Es ist ein Rotorgrundkörper 4 mit zwei nicht beschädigten Schaufeln 24, 26 gezeigt, zwischen denen eine in Figur 2 gezeigte Altschaufel 12 angeordnet war. Das Fügen der Schaufehl 24, 26 sowie das Fügen der in der Figur 3 nicht dargestellten Altschaufel 12 erfolgte im Rahmen der Neuteilfertigung wie vorstehend in den Figuren 1 und 2 erläutert.

Zu Beginn des Austausches der Altschaufel 12 wird eine Trennebene 28 bestimmt, in der die Altschaufel 12 von dem Rotorgrundkörper 4 abgetrennt werden soll. In dem in Figur 3 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist der Verlauf der Trennebene 28 derart gewählt, dass ein Stumpf 30 des in Figur 1 dargestellten radialen Vorsprungs 8, an dem die Altschaufel 12 angeordnet war, rotorgrundkörperseitig stehen bleibt. Das Entfernen der Altschaufel 12 von dem Rotorgrundkörper 4 erfolgte beispielsweise durch Funkenerosion (Electrical Discharge Machining, EDM).

Der Stumpf 30 weist eine in der Trennebene 28 liegende radiale Trennfläche 32 auf, auf der gemäß Figur 4 ein radialer Sockel 34 zur Aufnahme der Neuschaufel 22 errichtet wird. Dabei ist der Stumpf 30 kleiner als der ursprüngliche Vorsprung 6 ausgebildet. Seine Höhe bzw. radiale Länge lässt sich jedoch beliebig einstellen. Zur verbesserten Haftung des Sockels 34 auf der Trennfläche 32 wird diese vor dem Errichten des Sockels 34 entsprechend gereinigt. Das Errichten des Sockels 34 erfolgt mittels eines generativen Herstellungsverfah- rens, beispielsweise durch Laserstrahl- bzw. Laserauftragsschweißen. Bei dem Errichten geht der Sockel 34 mit dem Rotorgrundkörper 4 eine metallurgische Verbindung ein.

Der Sockel 34 erstreckt sich folglich über die Trennebene 28 hinaus und bildet eine radiale Schaufelanschlussfläche 14 zum Anordnen der Neuschaufel 22. Seine radiale Länge bzw. Höhe h _so richtet sich nach der radialen Länge bzw. Höhe h _st des Stumpfes 30 und nach der Gestalt eines in Figur 5 gezeigten Fußabschnitts 16 der Neuschaufel 22, da die Summe der Höhen h _so und h _st den radialen Abstand a der Schaufelanschlussfläche 14 vom Außenumfang 36 des Rotorgrundkörpers 4 ergibt. Der Sockel 34 wird mit in Figur 6 gestrichelt angedeute- ten Übermaßen errichtet. Diese können sich sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung des Rotorgrundkörpers 4 erstrecken. Wenn der Fußabschnitt 16 der Neuschaufel 22 die selbe Gestalt wie die Altschaufel 12 bei der Neuteilfertigung aufweist, entsprechen die Gestalt des Sockels 34 mit dem Stumpf 30 einschließlich der Übermaße und insbesondere der Abstand a der Schaufelanschlussfläche 14 von dem Außenumfang 36 des Rotorgrundkörpers 4 dem in Figur 1 gezeigten radialen Vorsprung 8 und seiner radialen Länge 1 gemessen vom Außenumfang 36 des Rotorgrundkörpers 4.

Sobald die Schaufelanschlussfläche 14 ausgebildet ist, wird gemäß Figur 5 die Neuschaufel 22 mit ihrem Fußabschnitt 16 bzw. ihrer zur Schaufelanschlussfläche 14 komple- mentären Fügefläche 20 an dem Sockel 34 bzw. der Schaufelanschlussfläche 14 positioniert und an dem Rotorgrundkörper 4 angefugt. Das Fügen erfolgt bevorzugterweise nach einem der in Figur 1 genannten direkten Fügeverfahren.

Nach dem Fügen der Neuschaufel 22 werden, wie in Figur 6 gezeigt, der Sockel 34 und der Fußabschnitt 16 der Neuschaufel 22 sowie die Fügeverbindung endbearbeitet. D.h., die gestrichelt angedeuteten Übermaße und sonstige beim Fügen entstehenden Materialanhäufungen werden wie bei der Neuteilfertigung nach Figur 2 entfernt.

Nach dem Endbearbeiten der Fügeverbindung ist somit ein Rotor 2 mit integraler Be- schaufelung geschaffen, der eine Neuschaufel 22 aufweist, die an einer Schaufelanschlussfläche 14 eines Sockels 34 ausgebildet ist, der auf einer rotorgrundkörperseitigen Trennfläche 32 einer zuvor abgetrennten Altschaufel 12 errichtet ist und quasi einem radialen Vorsprung 8 des Rotorgrundkörpers 4 entspricht, an dem in der Neuteilfertigung die ursprünglich neuwertige Altschaufel 12 angeordnet wurde.

Es sei erwähnt, dass die Trennebene 28 auch derart gewählt werden kann, dass kein Stumpf 34 am Rotorgrundkörper 4 stehen bleibt, sondern die Trennfläche 32 bündig in den Außenumfang 36 der Rotorgrundkörpers 4 übergeht und der Sockel 34 unmittelbar auf dem Außenumfang 36 errichtet wird.

Ebenso sei erwähnt dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf scheibenförmige Rotoren 2 mit integraler Beschaufelung beschränkt ist, sondern das es sich auch auf ringförmige Rotoren mit integraler Beschaufelung und auf Rotoren für Verdichter erstreckt.

Des Weiteren sei erwähnt, dass eine Neuschaufel im Sinne der Erfindung auch eine aufbereite bzw. reparierte Altschaufel sein kann.

Weiterhin ist es ebenfalls vorstellbar, dass beim Erreichen der maximalen Lebensdauer des Rotorgrundträgers 4 sämtliche Altschaufeln 12 von dem Rotorgrundkörper 4 abgetrennt werden, ihre Fügeflächen 20 für eine Verwendung an einer neuem Rotorgrundkörper bearbeitet und die derart vorbereiteten Altschaufeln 12 an den neuen Rotorgrundkörper angeordnet werden.

Der Rotorgrundkörper 4 kann aus dem Vollen gefräst oder zum Beispiel mittels eines generativen Herstellungsverfahrens hergestellt sein. Ebenso können die Schaufeln generativ hergestellt sein oder beispielsweise Schmiedteile, Frästeile oder Pressprofile sein.

Ferner ist es ebenfalls vorstellbar, den Sockel 34 nicht durch Laserauftragsschweißen, sondern durch ein anderes generatives Herstellungsverfahren zu errichten.

Offenbart sind ein Verfahren zum Austauschen einer Schaufel eines Rotors mit inte- graler Beschaufelung, wobei eine Neuschaufel an einen auf einer rotorgrundkörperseitigen Trennfläche errichteten Sockel gefugt wird, sowie ein nach diesem Verfahren reparierter bzw. instandgesetzter Rotor.