[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelfußes einer Strömungsmaschine
[0002] Bekannt ist, Schaufelfüße, insbesondere tannenförmige Schaufelfüße, von Strömungsmaschinen
im Rahmen des Schmiedeprozesses einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Beispielsweise
können die Tannenfüße, nachdem sie aus einem Schmiedegesenk entnommen werden, fast
ihre endgültige Kontur aufweisen, wobei hier noch ein zusätzliches Aufmaß von 1 bis
2 mm vorhanden ist. Bekannt ist, beispielsweise die spanend bearbeiteten Schmiederohlinge
z. B. mittels Kugeldruckstrahlen oder mittels Rollierens zu bearbeiten.
[0003] Als ein Hauptnachteil des bekannten Verfahrens zum Herstellen eines Schaufelfußes
bzw. von Schaufelfüßen ist hierbei anzusehen, dass eine Eindringtiefe von Eigenspannungen
in das Schaufelfußmaterial nachteiligerweise nur wenige Zehntel-Millimeter beträgt,
womit lediglich eine Anrisslebensdauer zum Teil positiv beeinflusst werden kann.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art
mit einfachen Mitteln dahin gehend zu verbessern, dass die Lebensdauer von Schaufelfüßen
und damit Inspektionsintervalle verlängert werden können.
[0005] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Schaufelfuß während einer
Wärmebehandlung zur kontrollierten Abkühlung besprüht wird, so dass Außenfasern des
Schaufelfußes zu seiner Mittelachse hin, also in einer Zone die sich von einer Oberfläche
des Schaufelfußes zu seiner Mittelachse hin erstreckt, plastisch gedehnt werden. Die
Außenfasern werden insbesondere oberflächenparallel plastisch gedehnt.
[0006] Günstiger Weise ist vorgesehen, dass der Schaufelfuß als Rohling mit seiner mit einem
Aufmaß versehenen Kontur der Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei der Schaufelfuß
während der Wärmebehandlung zur kontrollierten Abkühlung besprüht wird, so dass Außenfasern
des Schaufelfusses über das Aufmaß hinweg zu seiner Mittelachse hin plastisch gedehnt
werden.
[0007] Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn die Außenfasern bei einem Aufmaß von 1 bis
2 mm bis zu einer Tiefe von mehr als 1 bis 2 mm, also über das Aufmaß hinweg, plastisch
gedehnt werden.
[0008] Zweckmäßigerweise bewirkt das erfindungsgemäße Verfahren hierbei, dass die plastisch
gedehnten Außenfasern der Kontur des Rohlings bzw. des Schaufelfußes folgen, also
oberflächenparallel gedehnt sind.
[0009] Vorteilhafterweise entstehen durch die kontrollierte Abkühlung Druckeigenspannungen
im Außenbereich des Rohlings bei Raum- und Betriebstemperatur bzw. des Schaufelfußes
über das Aufmaß hinweg, wobei die Druckeigenspannungen mehrere Millimeter in den Schaufelfuß
hinreichen, so dass eine Druckeigenspannungszone mit tiefreichenden Druckeigenspannungen
gebildet ist, die auf jeden Fall über das Aufmaß hinweg einen Betrag von 3 bis 10
mm bezogen auf die Oberfläche des Rohlings zur Mittelachse hin aufweist.
[0010] Weist der Schaufelfuß als Rohling das Aufmaß auf, bezieht sich der Betrag der Dicke
der Druckeigenspannungszone auf die Oberfläche des Aufmaßes in Richtung zur Mittelachse.
[0011] Die Druckeigenspannungszone ist nach der beispielsweise spanenden Bearbeitung um
das entfernte Aufmaß verringert.
[0012] Wird der Schaufelfuß nach der spanenden Bearbeitung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt, also der Wärmebehandlung unterzogen, bezieht sich der Betrag der Dicke
der Druckeigenspannungszone auf die Oberfläche der endgültigen Kontur des Schaufelfußes
zu seiner Mittelachse hin.
[0013] Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn der Rohling bzw. der Schaufelfuß zum kontrollierten
Abkühlen mit einem Fluid, beispielsweise Wasser besprüht wird, wobei aber auch vorgesehen
werden kann, dass der Rohling bzw. Schaufelfuß mit Öl besprüht wird. Selbstverständlich
kann jede geeignete Flüssigkeit z.B. eine Wasser-Öl-Emulsion zum Besprühen verwendet
werden, so dass eine kontrollierte Abkühlung erreichbar ist.
[0014] Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhaft erreicht, dass die Außenfasern
bis zu einer Tiefe von mehreren Millimetern plastisch gedehnt werden. Beträgt das
Aufmaß beispielsweise 2 mm, werden die Außenfasern bis zu einer über die Tiefe von
2 mm hinaus gehenden Tiefe zur Mittelachse hin plastisch gedehnt.
[0015] Die Außenfasern werden mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens abhängig von der
Schaufelfußgröße bis zu einer Tiefe von 3 bis 10 mm plastisch gedehnt. Bei kleinen
Schaufelfüßen, die beispielsweise eine Masse von 10kg haben, kann eine plastische
Dehnung bis zu einer Tiefe von 2 bis 5 mm erreicht werden, wobei bei großen Schaufelfüßen
mit einer beispielhaften Masse von 150kg eine plastische Dehnung bis zu einer Tiefe
von bis zu 10 mm über das Aufmaß hinweg erreichbar ist. Selbstverständlich sind die
genannten Maße lediglich beispielhaft, so dass sich bei anderen Schaufelfußgrößen
und - formen auch andere Werte bzw. Beträge für die tiefreichenden Druckeigenspannungen
ergeben können.
[0016] Wird der Rohling bzw. der Schaufelfuß mit seiner fast endgültigen Kontur und seinem
zusätzlichen Aufmaß von 1 bis 2 mm nunmehr nach der kontrollierten Abkühlung beispielsweise
spanend bearbeitet, ist es leicht vorstellbar, dass die plastisch gedehnten Außenfasern
aufgrund ihrer tiefen Eindringtiefe über das Aufmaß hinweg nicht einfach weg geschnitten
werden, sondern erhalten bleiben.
[0017] Bei dem kontrollierten Abkühlprozess entstehen günstigerweise Druckeigenspannungen,
die in Überlagerung mit einer Betriebsbeanspruchung eine erhöhte Gesamtlebensdauer
ermöglichen. Hierbei sei insbesondere darauf hingewiesen, dass eine Anriss- und Rissfortschrittslebensdauer
positiv beeinflusst werden. Als Anrisslebensdauer wird im Sinne der Erfindung die
Lebensdauer des Schaufelfußes verstanden, die ohne Anriss durchlaufen wird. Als Rissfortschrittslebensdauer
wird im Sinne der Erfindung die Lebensdauer des Schaufelfußes verstanden, die unter
Vorhandensein eines Risses durchlaufen wird, wobei der Riss größer werden oder gleich
bleiben kann. Wird der Riss größer, wurde ein Rissfortschrittsschwellenwert (Threshold)
überschritten. Der Rissfortschrittsschwellenwert (Threshold)ist im Sinne der Erfindung
die Beanspruchungsgröße, ab der ein Wachsen des Risses stattfindet. Mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird nun vorteilhaft erreicht, dass der Rissfortschrittsschwellenwert (Threshold)
in einer größeren Tiefe größer ist, als bei herkömmlichen Herstellverfahren (Kugeldruckstrahlen,
Rollieren), womit der Rissfortschrittsschwellenwert (Threshold) günstig beeinflusst
wird. Damit wird aber selbstverständlich auch die Rissfortschrittslebensdauer günstig
beeinflusst.
[0018] Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit ein verbesserter Schaufelfuß
zur Verfügung gestellt, der eine erhöhte Gesamtlebensdauer, insbesondere Anriss- und
Rissfortschrittslebensdauer aufweist, wobei auch erforderliche Inspektionsintervalle
verlängert werden können. Damit kann aber auch eine integrale Anstrengung bzw. eine
mittlere Spannung des Werkstoffs im Vergleich zum herkömmlichen Kugeldruckstrahlen
oder Rollieren relativ höher ausfallen.
[0019] Die integrale Anstrengung bzw. die mittlere Spannung aus der äußeren Last (Fliehkraft
usw.) kann höher ausfallen, da ein Volumen der Zone mit Druckeigenspannungen größer
ist als bei dem herkömmlichen Kugeldruckstrahlen bzw. Rollieren. Vorteilhafter Weise
ergibt sich hierbei ein im Vergleich zum Kugeldruckstrahlen bzw. Rollieren günstigerer
Wert der integralen Anstrengbarkeit bzw. mittleren Spannung um einen Betrag von 10
bis 15%.
[0020] Natürlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit dem eingangs genannten Kugeldruckstrahlen
bzw. dem zuvor genannten Rollieren kombiniert werden. Insgesamt bewirken die entstandenen
tiefreichenden plastisch gedehnten Außenfasern bzw. Druckeigenspannungen eine verbesserte
Festigkeit des Schaufelfußes. Im Vergleich zu Schmiederohlingen mit grob umhüllendem,
großem Aufmaß wird weniger Rohmaterial verbraucht und gleichzeitig ein kostengünstiges
Zerspanungsvolumen zur Verfügung gestellt.
[0021] Die Strömungsmaschine kann als Verdichter, Dampfturbine oder Gasturbine ausgeführt
sein. Vorzugsweise ist das Verfahren an geschmiedeten Rohlingen bzw. Schaufelfüßen
anwendbar, wobei auch eine Anwendung an ungeschmiedeten, also z.B. aus Stabmaterial
gefertigten Schaufelfüßen denkbar ist. Natürlich kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch an Aufmaß-Schmiedungen angewendet werden, bei denen die Schmiedekontur den Fuß
nur grob umhüllt. Aufgrund der relativ tiefreichenden Druckeigenspannungen bzw. des
tiefreichenden Druckeigenspannungsfeldes bleibt aber ein positiver Effekt erhalten.
[0022] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und
der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt die einzige
- Fig. 1
- eine Teilansicht eines Schaufelfußes im Querschnitt.
[0023] Figur 1 zeigt einen Schaufelfuß 1. Der Schaufelfuß 1 weist im Querschnitt gesehen
eine tannenförmige Ausgestaltung auf, so dass der Schaufelfuß 1 auch als Tannenschaufelfuß
bezeichnet werden kann. Der Schaufelfuß gemäß Figur 1 ist lediglich in einem Halbquerschnitt
dargestellt, wobei der Schaufelfuß 1 spiegelbildlich zu einer Mittelachse X ausgeführt
ist. Natürlich kann der Schaufelfuß 1 auch in anderen Querschnittsformen ausgestaltet
sein, wie z.B. als Schwalbenschwanzfuß oder als T-Fuß.
[0024] Der in Figur 1 dargestellte Schaufelfuß 1 ist aus einem Schmiedegesenk als Schmiederohling
mit einem Aufmaß von ca. 1 mm herausgenommen und wird einer Wärmebehandlung unterzogen.
Während der Wärmebehandlung wird der dargestellte Schaufelfuß 1 zur kontrollierten
Abkühlung besprüht, was in Figur 1 mit Sprühstrahlen 4 angedeutet ist. Die dargestellte
Sprühbehandlung bewirkt während der Wärmebehandlung ein rasches, kontrolliertes Abkühlen
der Oberfläche 6 des Schaufelfußes 1, wodurch Oberflächenfasern des Schaufelfußes
1 oberflächenparallel plastisch gedehnt werden.
[0025] Die plastische Dehnung ist in Figur 1 mittels der Doppelpfeile 7 dargestellt. Beispielhaft
ist in Figur 1 dargestellt, dass die Außenfasern des Schaufelfußes 1 zu seiner Mittelachse
X hin über das von dem in dem Ausführungsbeispiel genannten Aufmaß von 1 mm hinweg
plastisch gedehnt werden.
[0026] Weiter ist der Figur 1 zu entnehmen, dass die plastisch gedehnten Außenfasern (Doppelpfeil
7) der Kontur des Schaufelfußes 1 folgen. Bei der kontrollierten Abkühlung mittels
der Sprühbehandlung entstehen im Schaufelfuß 1 weiter vorteilhaft Druckeigenspannungen,
die bei Raum- und Betriebstemperatur vorhanden sind (in Figur 1 mittels der Pfeile
8 dargestellt).
[0027] Sowohl die plastisch gedehnten Außenfasern (Doppelpfeil 7) als auch die Druckeigenspannungen
bzw. die Druckeigenspannungszone (Doppelpfeil 8) in der Oberfläche ist in vergleichsweise
großer Tiefe von mehreren Millimetern bevorzugt 3 bis 10 mm zur Mittelachse X hin,
also tiefreichender als das Aufmaß, entstanden.
[0028] Wird der Schaufelfuß 1 nun einer endgültigen Bearbeitung, beispielsweise einer spanenden
Bearbeitung unterzogen, um die endgültige Kontur herzustellen, so ist es leicht vorstellbar,
dass bei einem Wegschneiden des Aufmaßes von ca. 1 mm gleichwohl die plastische Dehnung
der Außenfasern als auch die Druckeigenspannungen aufgrund ihrer, bezogen auf die
Mittelachse X von der Oberfläche gesehen, tiefen Eindringtiefe in das Material des
Schaufelfußes 1 zur Mittelachse X hin noch vorhanden sind.
[0029] Somit wird ein einfaches und effizientes Verfahren zur Verfügung gestellt, bei dem
der Schaufelfuß 1 im Vergleich zu lediglich einem Kugeldruckstrahlen bzw. Rollieren
eine erhöhte Gesamtlebensdauer aufweist, da die aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorhandenen Druckeigenspannungen nach dem Entfernen des Aufmaßes immer noch vorhanden
sind.
1. Verfahren zur Herstellung eines Schaufelfußes (1) einer Strömungsmaschine,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelfuß (1) während einer Wärmebehandlung zur kontrollierten Abkühlung besprüht
wird,
so dass Außenfasern des Schaufelfußes (1) zu seiner Mittelachse (X) hin plastisch
gedehnt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Außenfasern des Schaufelfußes zu seiner Mittelachse (X) hin oberflächenparallel
plastisch gedehnt werden, also der Kontur des Schaufelfußes (1) folgen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelfuß (1) als Rohling mit seiner mit einem Aufmaß versehenen Kontur der
Wärmebehandlung unterzogen wird,
wobei der Schaufelfuß (1) während der Wärmebehandlung zur kontrollierten Abkühlung
besprüht wird,
so dass Außenfasern des Schaufelfußes (1) über das Aufmaß hinweg zu seiner Mittelachse
(X) hin plastisch gedehnt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Außenfasern bei einem Aufmaß von 1 bis 2 mm bezogen auf die Mittelachse (X) bis
zu einer Tiefe von mehr als 1 bis 2 mm plastisch gedehnt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der kontrollierten Abkühlung Druckeigenspannungen bei Raum- und Betriebstemperatur
im Schaufelfuß (1) entstehen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelfuß (1) zur kontrollierten Abkühlung mit einem Fluid besprüht wird.
7. Schaufelfuß,
der insbesondere mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt
ist,
wobei der Schaufelfuß (1) während einer Wärmebehandlung zur kontrollierten Abkühlung
besprüht wird,
so dass Außenfasern des Schaufelfusses (1) zu seiner Mittelachse (X) hin plastisch
gedehnt werden.