VERFAHREN ZUM VERRUNDEN VON KANTEN AN BAUTEILEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verrunden von Kanten an Schaufeln von Turbomaschinen, insbesondere von Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen.

[0002] Das Verrunden von Kanten an Schaufeln von Turbomaschinen, insbesondere von Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen, kann aus verschiedensten Gründen erforderlich sein. Hierzu zählen die Verbesserung der Festigkeit und/oder Aerodynamik sowie die Vermeidung von Verletzungsgefahr. In Abhängigkeit vom Bauteil kann es sich dabei um scharfe Kanten an Bauteilen handeln, die zu den angrenzenden Oberflächen des Bauteils zu verrunden sind. Alternativ können die Kanten auch ebene oder räumliche Flächen bilden, die angrenzende, im Allgemeinen erheblich größere Oberflächen des Bauteils verbinden. Der letztgenannte Fall liegt üblicherweise bei relativ grob vorgefertigten Kanten an strömungsmechanisch wirksamen Schaufeln von Turbomaschinen, insbesondere an Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen, vor, bei dem die Schaufelkanten zur angrenzenden Druck- und/oder Saugseite der Schaufel aus Festigkeits- und Aerodynamikaspekten zu verrunden sind.

[0003] Das Verrunden wird im Fall von Schaufelkanten, welche fertigungsbedingt im allgemeinen nur relativ grob vorbearbeitet sind, bis dato weitgehend in Handarbeit ausgeführt, wobei ggf. handgeführte Maschinen, wie Bandschleifer etc., eingesetzt werden. Dies ist mit einem hohen Personal- und Zeitaufwand verbunden, wobei auch mit gezielter Kontrolle und Prüfung letztlich kein reproduzierbares, gleichbleibendes Bearbeitungsergebnis gewährleistet ist.

[0004] DE 197 20 750 C1 offenbart ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, bei dem die Oberfläche einer Partikelbestrahlung unterzogen wird. Hierdurch werden Druckspannungen in das Material eingebracht, um die Dauerfestigkeit insbesondere die Zugfestigkeit des Bauteils zu erhöhen.

[0005] Außerdem ist bekannt, Oberflächen vor Beschichtungsvorgängen durch abrasives Strahlen aufzurauhen, um die Oberflächen zu reinigen und die Haftung zur Schicht zu verbessern. DE 697 12 613 T2 zeigt zusätzlich ein Verfahren zum Honen von Schneidkanten, wobei diese durch abrasive Fluidstrahlen mit abrasiven Strahlmitteln bearbeitet werden, um feine Riefen in die Oberfläche einzubringen.

[0006] US 3,078,546, offenbart ein Verfahren zum Verrunden von Kanten wobei der Strahl zumindest großteils aus abrasiven Partikeln besteht.

[0007] Angesichts dieser bekannten Verfahren und ihrer Nachteile bzw. ihrer anwendungstechnischen Grenzen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Verrunden von Kanten an Schaufeln von Turbomaschinen bereitzustellen, welches durch eine maschinelle, ggf. automatisierbare Arbeitsweise eine erhebliche Zeit- und Personaleinsparung ermöglicht und zu reproduzierbaren Ergebnissen führt. Letztere sollen möglichst qualitativ einwandfrei bei möglichst kleiner Ausschussrate sein.

[0008] Die Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

[0009] Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch abrasives Strahlen unter Beachtung definierter Bearbeitungsparameter und Düsendefinitionen relativ genaue, gerundete Oberflächengeometrien an den Kanten von relativ grob vorbearbeiteten Schaufeln herstellbar sind. Die Funktionstüchtigkeit dieses Verfahrens sowie seine Reproduzierbarkeit wurden in Versuchen bestätigt.

[0010] Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Strahl mit seiner Mitte etwa tangential zur Profilmittellinie der Schaufel an der Schaufelkante, an der die Verrundung erfolgen soll, eingestellt. Bei nicht unmittelbar aufeinandertreffenden Oberflächen, die z.B. durch eine Kante in Form einer ebenen oder räumlichen Fläche verbunden sind, wie z.B. die Druck-und Saugseite einer grob vorgefertigten Kante einer Schaufel einer Gasturbine, werden Tangenten an die beiden Oberflächen an einer solchen Kante gelegt und die Profilmittellinie zwischen den sich schneidenden Tangenten festgelegt. Im letztgenannten Fall einer zur Druck- und Saugseite einer Schaufel zur verrundenden Kante tangiert diese Winkelhalbierende die Profilmittellinie der Schaufel an der Kante, d.h. im Staupunkt.

[0011] Zur Reduzierung einer etwaigen Nachbearbeitung der verrundeten Kanten werden relativ kleine Partikel mit einer Größe von 0 bis 500 mesh, vorzugsweise von 180 bis 320 mesh, verwendet. Hierdurch wird mit dem Verfahren ein Materialabtrag zum Verrunden erzeugt und Risse oder Rauigkeiten an den Oberflächen vermieden.

[0012] Unter anderem zur Erzeugung eines Strahls mit definierter Geometrie und Energie im Hinblick auf Querschnitt, Form etc. wird der Strahl mittels einer Düse mit definiertem Austrittsdurchmesser und definiertem Austrittwinkel erzeugt.

[0013] Zur Erzeugung einer gleichbleibenden Geometrie entlang der Kante kann die Relativbewegung zwischen Düse und Bauteil bevorzugt in einem definierten, variierbaren Abstand zwischen Düse und Schaufelkante erfolgen.

[0014] Der Abstand wird im allgemeinen bei flächigen Kanten mit sich über deren Länge ändernder Breite in entsprechender Weise stufenlos angepasst.

[0015] Bevorzugt kann die Richtung der Mitte des Strahls zur Profilmittellinie der Schaufel an der Schaufelkante in einem Winkel β angestellt und/oder zur Profilmittellinie in Richtung Druck- oder Saugseite seitlich versetzt eingestellt werden, um z.B. Aerodynamik gewollte Konturasymmetrien an der zu verrundenden Kante auszubilden.

[0016] In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen sowie Anwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung beschrieben.

[0017] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Fig. 1

zeigt in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung die Bearbeitung einer Eintrittskante einer Schaufel;

Fig. 2

zeigt in entsprechender Darstellung wie Fig. 1 ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Bearbeitung.

[0018] Anwendungsfälle liegen insbesondere überall dort, wo scharfe Kanten an Schaufeln zu angrenzenden Oberflächen hin zu verrunden sind oder wo vorgefertigte Kanten zur Gestaltung des Übergangs zwischen angrenzenden Oberflächen mit definierter Gestalt zu verrunden sind.

[0019] Nachfolgend wird das Verfahren anhand einer Kante an einer strömungsmechanisch wirksamen Schaufel einer Gasturbine beschrieben, wobei eine relativ grob vorgefertigte Schaufelkante zu angrenzenden Oberflächen, im vorliegenden Fall der Druck- und/oder Saugseite der Schaufel, zu verrunden ist.

[0020] Die Schaufel 1 soll im fertigbearbeiteten Zustand eine strömungsgünstige Gestalt aufweisen. Dies setzt voraus, dass die Druckseite 4 und die Saugseite 5 des Schaufelprofils bestmöglich der Sollkontur entsprechen. Dies setzt ebenfalls voraus, dass die Schaufelkanten 2, 3, d.h. die Eintrittskante und die Austrittskante der Schaufel 1, die angrenzenden Oberflächen, d.h. die Druck- und Saugseite 4,5, strömungsgünstig verbinden. Neben den aerodynamischen Anforderungen spielen auch festigkeits- und verschleißtechnische Aspekte bei den Schaufelkanten 2,3 eine wichtige Rolle. In der Regel werden die Ein- und Austrittskanten von Schaufeln definiert gerundet ausgeführt, um all diesen Anforderungen gerecht zu werden.

[0021] Schaufeln mit relativ dünnem Profil und relativ spitzen Ein- und Austrittskanten, wie insbesondere Verdichterschaufeln von Axialverdichtern, werden häufig durch Schmieden und/oder Fräsen und/oder elektrochemische Bearbeitung (ECM) gefertigt, wobei die Schaufelkanten zunächst geometrisch nur relativ grob ausgeführt sind, d.h. mit ebenen Flächen, Ecken, Fasen etc.. Die großflächigen Druck -und Saugseiten 4,5 entsprechen häufig schon relativ genau der Sollkontur, so dass dort, falls überhaupt, nur noch eine Feinbearbeitung mit geringem oder keinem Materialabtrag nötig ist. Somit sind die vorgefertigten Ein- und Austrittskanten in der Weise zu runden, dass sie ohne Knicke, Stufen oder andere Störstellen in die Druck- und Saugseiten 4,5 übergehen.

[0022] Erfindungsgemäß wird hierfür das abrasive Strahlen als Bearbeitungsverfahren mit gezieltem Abtrag des Schaufelmaterials verwendet. Man erkennt in der Fig. 1 eine Düse 8 einer nicht näher dargestellten Strahlvorrichtung, aus der ein Strahl 7 austritt, welcher aus abrasiven Partikeln und einem Trägergas bzw. einer Trägerflüssigkeit besteht. Zumindest ein erheblicher Teil der abrasiven Partikel trifft mit hoher Geschwindigkeit senkrecht oder näherungsweise senkrecht auf die nur vorbearbeitete, mehr oder weniger noch eckige Schaufelkante 2, deren Ausgangszustand in der Fig.1 gestrichelt angedeutet ist. Die Mitte der Strahlrichtung R verläuft hier tangential zur Profilmittellinie 6 der Schaufel 1 an der Schaufelvorderkante 2 und entspricht somit zumindest annähernd der späteren Anströmung im Betrieb. Es besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die Längsmittelachse der Düse 8 und damit die Mitte des Strahles 7 bedarfsweise mehr zur Saugseite 5 oder zur Druckseite 4 zu verschieben und/oder den Anströmwinkel der Strahlrichtung R in gewissen Grenzen zu ändern, wie es in Fig. 2 anhand des Winkels β gezeigt ist. Auf diese Art lässt sich ein asymmetrischer Abtrag mit Schwerpunkt zur Druck- oder Saugseite hin erzielen, was unter gewissen Umständen sinnvoll sein kann.

[0023] Das Abtragergebnis hängt von mehreren Faktoren ab, wie dem Strahldruck, dem Austrittswinkel α des Strahles 7 aus der Düse 8, dem Austrittsdurchmesser D der Düse 8, dem Abstand A der Schaufelkante 2 von der Düse 8, der Art des Strahlmittels einschließlich der Partikelgröße und Partikelverteilung im Strahl 7, der Strahlrichtung R, und der lokalen Einwirkdauer in Abhängigkeit von der schaufelkantenparallelen, relativen Vorschubgeschwindigkeit zwischen der Düse 8 und dem Bauteil 1. Diese Faktoren sind in Abhängigkeit von der Schaufelgeometrie und dem Schaufelwerkstoff zu optimieren, wofür in aller Regel praktische Versuche erforderlich sein werden. Ist beispielsweise der Abstand zwischen Schaufelkante 2,3 und Düse 8 zu gering, so kann es statt zu einer Verrundung zu einer konkaven Aushöhlung der Schaufelkante 2,3 mit maximalen Abtrag im Bereich des Staupunktes kommen, was unbedingt zu vermeiden ist. Bei korrektem Abstand ergibt sich ein gewisser Partikelauftrag im Bereich des Staupunktes, wodurch dieser weitgehend vor Abtrag geschützt ist, und der eigentliche Abtrag zur Verrundung stromabwärts zur Druck- und Saugseite hin erfolgt. Nach einer solchen experimentellen Prozessoptimierung sind die Strahlergebnisse bei einem bestimmten Schaufeltyp jedoch sehr gleichmäßig und reproduzierbar, so dass eine maschinelle bzw. automatisierte Arbeitsweise möglich wird.

[0024] Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell bei allen Arten von Schaufeln von Turbomaschinen anwendbar.

Bezugszeichenliste

[0025] 

1

Bauteil/Schaufel

2

Kante/Schaufelkante

3

Kante/Schaufelkante

4

Oberfläche/Druckseite

5

Oberfläche/Saugseite

6

Winkelhalbierende/Profilmittellinie

7

Strahl

8

Düse

A

Abstand

D

Austrittsdurchmesser

R

Strahlrichtung

α

Austrittswinkel

β

Winkel

Ansprüche

1. Verfahren zum Verrunden von Kanten an Schaufeln von Turbomaschinen mit einer Druckseite (4), einer Saugseite(5) und einer dazwischen verlaufenden Profilmittellinie (9), insbesondere Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen, wobei eine vorgefertigte Schaufelkante (2,3) zur angrenzenden Druck- und Saugseite (4,5) der Schaufel (1) hin zu verrunden ist, wobei ein zumindest großteils aus abrasiven Partikeln bestehender Strahl (7) mit seiner Mitte etwa tangential zur Profilmittellinie (6) der Schaufel (1) an der Schaufelkante (2, 3) eingestellt wird und der Strahl (7) und die Schaufelkante (2,3) in der Weise relativ zueinander längs der Schaufelkante (2,3) bewegt werden, dass die Verrundung zur Druck- und Saugseite (4,5) hin erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (7) aus abrasiven Partikeln, einem Trägergas und/oder einer Trägerflüssigkeit, wie z.B. Wasser, besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als abrasive Partikel Metalloxide, wie Al₂O₃ oder SiO, andere keramische Verbindungen, Salze, wie NaCl, oder organische Verbindungen, wie Kunststoffe oder Maiskolbenschrot, verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel mit einer Größe von 0 bis 500 mesh, vorzugsweise von 180 bis 320 mesh, verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (7) mittels einer Düse (8) mit definiertem Austrittsdurchmesser (D) und definiertem Austrittswinkel (α) erzeugt wird, wobei insbesondere ein Teil des Strahlquerschnitts zumindest weitgehend von Partikeln freigehalten wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Strahls (7) auf etwa 3 bis 3,5 bar eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Düse (8) und Bauteil (1) mit einem definierten, variierbaren Abstand (A) zwischen der Düse (8) und der Kante (2,3) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die abrasive Bearbeitung mindestens eine weitere Bearbeitung, wie Scheuem oder Kugelstrahlen, folgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bearbeitung von durch Schmieden und/oder Fräsen und/oder elektrochemischen Bearbeiten (ECM) vorgefertigten Bauteilen, insbesondere Schaufeln (1), aus Legierungen auf Basis von Titan (Ti) Nickel (Ni) oder Kobalt (Co) verwendet wird, insbesondere von Verdichterschaufeln in Axialbauart.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bearbeitung von Einzelschaufeln, von Schaufelsegmenten oder von integral beschaufelten Scheiben oder Ringen verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung (R) der Mitte des Strahls (7) zur Profilmittellinie (6) der Schaufel (1) an der Schaufelkante (2,3) in einem Winkel (β) angestellt und/oder zur Profilmittellinie (6) in Richtung Druck- oder Saugseite seitlich versetzt eingestellt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verrundenden Schaufelkanten (2,3) eine zumindest annähernd quer zur angrenzenden Druck- und/oder Saugseite (4,5) stehende Fläche sowie mehr oder weniger eckige Übergänge zur Druck- und/oder Saugseite (4,5) aufweist und der Strahl (7) senkrecht oder annähernd senkrecht auf die Fläche der Schaufelkante (2,3) gelenkt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung (R) der Mitte des Strahls (7) etwa tangential zur Profilmittellinie (6) der Schaufel (1) an der Schaufelkante (2,3) eingestellt wird.

Claims

1. Method for rounding edges on blades of turbomachines having a pressure side (4), a suction side (5) and a profile centre line (9) which extends therebetween, in particular vanes and rotor blades of gas turbines, a prefabricated blade edge (2, 3) being intended to be rounded towards the adjacent pressure side (4) and suction side (5) of the blade (1), a stream (7) at least largely comprising abrasive particles being adjusted with the centre thereof substantially tangential relative to the profile centre line (6) of the blade (1) at the blade edge (2, 3), and the stream (7) and the blade edge (2, 3) being moved relative to each other along the blade edge (2, 3) in such a manner that the rounding is carried out towards the pressure side (4) and suction side (5).

2. Method according to claim 1, characterised in that the stream (7) comprises abrasive particles, a carrier gas and/or a carrier fluid, such as, for example, water.

3. Method according to claim 1 or 2, characterised in that metal oxides, such as Al₂O₃ or SiO, other ceramic compounds, salts, such as NaCl, or organic compounds, such as plastics materials or ground corn, are used as abrasive particles.

4. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that particles are used having a size of from 0 to 500 mesh, preferably from 180 to 320 mesh.

5. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the stream (7) is produced by means of a nozzle (8) having a defined outlet diameter (D) and a defined outlet angle (α), in particular a portion of the stream cross-section being kept free of particles at least to a large extent.

6. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the pressure of the stream (7) is set to approximately from 3 to 3.5 bar.

7. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the relative movement of the nozzle (8) and the component (1) is carried out with a defined variable spacing (A) between the nozzle (8) and the edge (2, 3).

8. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that, following the abrasive processing operation, at least one other processing operation, such as abrading or shot-blasting, is carried out.

9. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that it is used for processing components which are prefabricated by means of forging and/or milling and/or electrochemical machining (ECM), in particular blades (1), composed of alloys based on titanium (Ti), nickel (Ni) or cobalt (Co), in particular compressor blades of the axial type.

10. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that it is used for the processing of individual blades, blade segments, or integrally bladed discs or rings.

11. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the direction (R) of the centre of the stream (7) is adjusted so as to be positioned at an angle (β) relative to the profile centre line (6) of the blade (1) at the blade edge (2, 3) and/or to be laterally offset relative to the profile centre line (6) in the direction towards the pressure or suction side.

12. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the blade edges (2, 3) to be rounded have a face which is at least substantially transverse relative to the adjacent pressure and/or suction side (4, 5) and more or less angular transitions to the pressure and/or suction side (4, 5) and the stream (7) is directed perpendicularly or substantially perpendicularly on the face of the blade edge (2, 3).

13. Method according to claim 12, characterised in that the direction (R) of the centre of the stream (7) is adjusted substantially tangentially relative to the profile centre line (6) of the blade (1) at the blade edge (2, 3).

Revendications

1. Procédé pour arrondir des arêtes sur des aubes de turbomachines présentant un côté en pression (4), un côté en dépression (5) avec entre eux une ligne médiane de profil (9), ces aubes étant notamment des aubes fixes et des aubes mobiles de turbines à gaz, selon lequel :

- il s'agit d'arrondir une arête d'aube (2, 3) préusinée, le long des côtés en pression et en dépression (4, 5) qui la limitent,

- un jet (7) constitué au moins en grande partie de particules abrasives, et ayant son milieu sensiblement tangentiel à la ligne médiane de profil (6) de l'aube (1), est réglé sur l'arête d'aube (2, 3),

- le jet (7) est déplacé par rapport à l'arête d'aube (2, 3) le long de celle-ci, de manière à l'arrondir vers le côté en pression et vers le côté en dépression (4, 5).

2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé par
un jet (7) est constitué de particules abrasives, d'un gaz porteur et/ou d'un liquide porteur, comme de l'eau par exemple.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce qu'
on utilise comme particules abrasives des oxydes métalliques, tels que Al₂O₃ ou SiO, d'autres composés céramiques, des sels tels que NaCl, ou des composés organiques tels que des matières plastiques ou de la grenaille d'épi de maïs.

4. Procédé selon une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
les particules utilisées ont une grandeur allant de 0 à 500 mesh, de préférence de 180 à 320 mesh.

5. Procédé selon une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
le jet (7) est produit par une buse (8) d'un diamètre de sortie (D) défini et d'un angle de sortie (α) défini, une partie de la section du jet étant au moins largement dépourvue de particules.

6. Procédé selon une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
la pression du jet (7) est réglée à une valeur de 3 à 3,5 bars environ.

7. Procédé selon une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
le déplacement de la buse (8) par rapport au composant a lieu en respectant une distance (A) définie et variable, entre la buse (8) et l'arête (2,3).

8. Procédé selon une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
l'usinage par abrasion fait suite à au moins une autre opération d'usinage, par abrasion ou grenaillage.

9. Procédé selon une des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'
il est utilisé pour usiner des composants préfabriqués par forgeage et/ou fraisage et/ou usinage électrochimique (ECM), notamment des aubes (1) faites d'alliages à base de titane (Ti) nickel (Ni) ou cobalt (Co), en particulier des aubes de compresseurs de type axial.

10. Procédé selon une des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'
il est utilisé pour usiner des aubes individuelles, des segments d'aube, ou des disques ou des anneaux portant intégralement des aubes.

11. Procédé selon une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
la direction (R) du milieu du jet (7) par rapport à la ligne médiane du profil (6) de l'aube (1) est réglée sur l'arête d'aube (2, 3) selon un angle (β), et/ou elle peut être décalée latéralement par rapport à la ligne médiane de profil (6) en direction du côté en pression ou du côté en dépression.

12. Procédé selon une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
l'arête d'aube (2, 3) à arrondir présente une surface qui est au moins à peu près transversale par rapport au côté en pression et/ou au côté en dépression (4, 5), ainsi que des transitions plus ou moins angulaires avec le côté en pression et/ou le côté en dépression (4, 5), le jet (7) étant dévié perpendiculairement ou à peu près perpendiculairement à la surface de l'arête d'aube (2, 3).

13. Procédé selon la revendication 12,
caractérisé en ce que
la direction R du milieu du jet (7) est sensiblement tangentielle à la ligne médiane de profil (6) de l'aube (1) sur l'arête (2, 3).

Zeichnung