[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Blisktrommel, bei dem
zwei oder mehrere vorgefertigte Blisks miteinander verschweißt werden und die so gebildete
Blisktrommel anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen wird und die Schaufeloberflächen
im letzten Bearbeitungsschritt poliert werden.
[0002] Gasturbinenrotoren und insbesondere die Rotoren der Kompressoren von Gasturbinentriebwerken
werden unter dem Aspekt der Zuverlässigkeit, Gewichtseinsparung, Leistungssteigerung
und Lebensdauer mit einer am ringförmigen Außenumfang einer Scheibe oder eines Ringes
integral ausgebildeten Beschaufelung ausgeführt. Derartige Bauteile werden als Blisks
bezeichnet, wobei dieser Begriff eine Kurzform des englischsprachigen Ausdrucks "blade
integrated disk"ist. Die Herstellung von Blisks erfolgt bekanntermaßen durch Verschweißen,
insbesondere Reibschweißen, separat gefertigter Schaufeln mit der Umfangsfläche der
vorzugsweise geschmiedeten Scheibe oder durch einen von der Außenumfangsfläche der
Scheibe ausgehenden Materialabtrag mittels spangebender und/oder chemischer Verfahren
zur Ausformung der Schaufeln aus dem vollen Material. Zum Abschluss erfolgt eine Feinbearbeitung
der Schaufeln durch Glättungsverfahren, beispielsweise Vibrationsgleitschleifen, bei
dem die Blisk in einem mit einem Schleifmedium gefüllten, vibrierenden Behälter untergebracht
ist, in dem die Schaufeln aufgrund einer durch die Vibration bewirkten spiralförmigen
Bewegung des Schleifmediums geschliffen bzw. poliert werden und danach eine den aerodynamischen
Anforderungen während des Betriebs der Gasturbine im Wesentlichen genügende Rauhigkeit
(Ra) an den Schaufelflächen aufweisen. Anschließend wird die Blisk Scheibe bei Bedarf
einem Ätzverfahren unterzogen. An das Zusammenfügen der einzelnen Blisks zu einer
Blisktrommel, beispielsweise in einem Schweißprozess, schließen sich eine Wärmebehandlung
der gesamten Blisktrommel sowie Ätzverfahren und ein Verfestigungsverfahren an, in
deren Ergebnis die Rauhigkeitswerte deutlich verschlechtert sind und die Schaufelflächen
erneut geglättet werden müssen.
[0003] Das Glätten der Schaufeln an einer Blisktrommel erfolgt bekanntermaßen mit Hilfe
von nach einem vorgegebenen Programm gesteuerten, mit einer Polierlanze ausgerüsteten
Robotern. Das Polieren der einzelnen Schaufeln mit Polierlanzen ist zeit- und kostenaufwändig.
Zudem ist die Zugänglichkeit zu den Schaufelflächen teilweise eingeschränkt, so dass
die erforderliche aerodynamische Effizienz nicht erreicht werden kann.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer geschweißten
Blisktrommel so auszubilden, dass die Bliskschaufeln sowohl hinsichtlich der Rauhigkeit
der Seitenflächen als auch hinsichtlich ihrer Vorder- und Hinterkante sowie der an
der Schaufelspitze verlaufenden Kante hohen aerodynamischen Anforderungen genügen
und der Zeit- und Kostenaufwand zudem gering ist.
[0005] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0006] Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine geschweißte und nach dem Schweißen
wärmebehandelte Blisktrommel als Ganzes in ein pastöses, fließfähiges Schleifmedium
einzutauchen und die Bliskschaufeln durch eine zwischen der Blisktrommel und dem Schleifmedium
erzeugte Relativbewegung ausschließlich an der Druck- und der Saugseite zu schleifen,
während die Vorder- und Hinterkante sowie die an der Schaufelspitze verlaufende Kante
entweder abgedeckt werden oder durch in dem Schleifmedium angeordnete Leitelemente
die Relativbewegung des Schleifmediums in den Kantenbereichen verhindert und das Schleifmedium
vorrangig zu den zu schleifenden Oberflächen der Schaufeln geleitet wird. Auf diese
Weise können mit geringem zeit- und Kostenaufwand alle Schaufelflächen einer Blisktrommel
in einem Arbeitsgang poliert werden, während die Schaufelkanten ihre bereits bei der
Herstellung der einzelnen Blisks erzeugte aerodynamisch günstige Form beibehalten.
[0007] Alternativ können die Schaufelkanten bei der Herstellung der einzelnen Blisks aber
auch mit einem gewissen Übermaß entsprechend dem bei der Wirkung des Schleifmediums
an den Schaufelkanten abgetragenen Material gefertigt werden, so dass die Schaufelkanten
zwar mit dem Schleifmedium behandelt werden, aber letztlich doch die aerodynamisch
günstigste Form aufweisen.
[0008] Die Relativbewegung zwischen dem Schleifmedium und den Bliskschaufeln wird durch
eine vibrierende Bewegung des Behälters erreicht, in dem sich die in diesem gehaltene
Blisktrommel und das Schleifmedium befinden. Die Blisk kann sich in dem Schleifmedium
aber auch translatorisch oder rotierend bewegen. Denkbar ist auch eine Kombination
aus den zuvor erwähnten Bewegungsvarianten, wobei sowohl die Blisktrommel als auch
der das Schleifmedium aufnehmende Behälter bewegt werden kann. Die Blisktrommel kann
in dem das Schleifmedium aufnehmenden Behälter senkrecht oder waagerecht angeordnet
sein. Vor dem Einbringen in das Schleifmedium werden die offenen Stirnseiten der Blisktrommel
geschlossen.
[0009] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als Schleifmedium eine Schleifpaste
mit in diese eingebundenen Schleifmittelträgern verwendet, um so den Druckaufbau an
den zu schleifenden Schaufelflächen zu erhöhen.
[0010] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Oberfläche der Blisktrommel nach
der Wärmebehandlung zunächst mit einem Ätzmittel behandelt, um eine durch die Wärmebehandlung
bedingte Oberflächenrauhigkeit zu vermindern. Durch eine sich an die Ätzbehandlung
anschließende Kugelverfestigung der Schaufelflächen wird die Festigkeit der Schaufeln
erhöht und die Spannungsrisskorrosionsgefahr verringert. Infolge der Kugelstrahlverfestigung
erhöht sich die Rauhigkeit der Schaufeloberflächen. Beim anschließenden Polieren der
gesamten Blisktrommel in dem Schleifmedium wird die Rauhigkeit der Schaufeloberflächen
jedoch auf einen Wert gesenkt, der höchsten aerodynamischen Anforderungen genügt.
[0011] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend näher erläutert.
[0012] In einem ersten Verfahrensschritt werden zunächst die Ringscheiben mit integral an-
oder ausgeformten Schaufeln, sogenannte Blisks, in der jeweils erforderlichen Dimensionierung
für die einzelnen Stufen des Kompressors einer Gasturbine hergestellt und anschließend
zu einer mehrstufigen Blisktrommel verschweißt. Die Rauhigkeit der Schaufelflächen
liegt zu diesem Zeitpunkt bei einem Rauhigkeitswert (Ra) von circa 0,25. Anschließend
wird die Blisktrommel zur Beseitigung der durch den Schweißvorgang bedingten Spannungen
einer Wärmebehandlung unterzogen. In einer darauf folgenden chemischen Behandlung
in einem Ätzmedium wird durch Abtragen einer im Ergebnis der Wärmebehandlung gebildeten
spröden Oberflächenschicht die Oberflächenrauhigkeit auf einen Rauhigkeitswert Ra
von circa 0,4 erhöht. Im nächsten Verfahrensschritt werden die Schaufeln der Blisktrommel
in einem speziellen Verfahren, bei dem die Form der Vorder- und Hinterkante der Schaufel
sowie der Schaufelspitzenkante nicht beeinträchtigt wird, kugelstrahlverfestigt, um
durch Einbringen von Druckeigenspannungen in die beiderseitigen Oberflächenschichten
die Festigkeit der Schaufeln zu erhöhen und die Gefahr von Rissbildungen zu minimieren
und somit die Lebensdauer der Schaufeln zu erhöhen. Durch das Kugelstrahlverfestigen
wird jedoch in die Schaufeloberflächen eine Vielzahl kleinster kalottenförmiger Vertiefungen
eingeformt, so dass sich der Rauhigkeitswert der Schaufeloberfläche auf einen Rauhigkeitswert
Ra von circa 0,7 erhöht. An die Kugelstrahlverfestigung schließt sich eine Gleitschleifbehandlung
aller Schaufeln der Blisktrommel an, in deren Ergebnis die Schaufeloberflächen einen
aerodynamisch vorteilhaften Rauhigkeitswert von Ra ≤ 0,25 aufweisen und auch die Form
der Schaufelkanten den an diese gestellten aerodynamischen Anforderungen genügt.
[0013] Das zuvor erwähnte Gleitschleifen der Schaufeloberflächen erfolgt in einem mit einem
pastösen, fließfähigen Schleifmedium gefüllten, entsprechend der Form und Größe der
Blisktrommel dimensionierten Schleifmittelbehälter durch eine Relativbewegung zwischen
dem Schleifmedium und den Schaufelflächen. Die an den Stirnseite verschlossene Blisktrommel
taucht vollständig in das Schleifmedium ein. Die Relativbewegung zwischen dem Schleifmedium
und den Schaufelflächen kann durch Vibration des Schleifmittelbehälters und der in
diesem beispielsweise senkrecht gelagerten Blisktrommel bewirkt werden, wobei das
Schleifmedium aufgrund einer Vibration des Schleifmittelbehälters eine torodiale Bewegung
ausführt. Es ist aber auch denkbar, dass die Blisktrommel in dem Schleifmittel translatorisch
bewegt wird oder um ihre Achse gedreht wird. Die Bewegung der Schaufelflächen relativ
zum Schleifmedium kann auch durch eine Drehbewegung einer horizontal in dem Schleifmittelbehälter
gelagerte Blisktrommel erzielt werden. Es ist auch eine Kombination aus den zuvor
genannten Blisktrommelbewegungen denkbar, das heißt, Vibration und/oder Translation
und/oder Rotation.
[0014] Das Schleifmedium besteht aus in eine Schleifpaste eingebetteten Schleifmittelträgern
, wobei die Kombination aus kompakten Schleifmittelträgern und eigentlichem Schleifmittel
für den notwendigen Druckaufbau an den Schleifflächen und eine optimale Schleifwirkung
sorgt.
[0015] Mit Hilfe von in dem Schleifmedium angeordneten Leitelementen kann das Schleifmedium
gezielt zu den zu bearbeitenden Schaufelflächen gelenkt werden, um genau dort den
gewünschten Schleifeffekt zu erzielen, während die Relativbewegung zwischen den nicht
zu behandelnden Schaufelteilen, nämlich den Schaufelkanten, und dem Schleifmedium
verhindert wird, um die ursprüngliche Form der Schaufelkanten nicht zu verändern.
Alternativ kann ein unerwünschter Materialabtrag an den Schaufelkanten/Schaufelspitzen
auch durch deren Abdeckung verhindert werden.
Die Schaufelspitzen der Schaufeln der Blisktrommel bleiben dadurch gerade und scharfkantig,
während ein vorgegebenes, bevorzugtes ovales Profil der Schaufelvorderkanten erhalten
bleibt. In einer Ausführungsvariante kann der Schleifprozess auch ohne Abdeckung der
Schaufelkanten oder ohne Unterdrückung der Relativbewegung an den Schaufelkanten durchgeführt
werden, wenn bereits bei der Herstellung der einzelnen Blisks in dem betreffenden
Bereich, beispielsweise der Schaufelvorderkante, eine bestimmte - überschüssige -
Materialmenge, die mit der beim Schleifen abgetragenen Materialmenge identisch ist,
"vorgehalten" wird, das heißt, die Schaufeln bei der Herstellung in Kenntnis des beim
Schleifen unerwünschten Materialabtrags an den entsprechenden Stellen stärker dimensioniert
werden.
[0016] Im Ergebnis des zuvor beispielhaft geschilderten Verfahrens wird eine Blisktrommel
bereitgestellt, die hinsichtlich der Schaufelkantengeometrie und der Rauhigkeit der
Schaufeloberflächen höchsten aerodynamischen Anforderungen gerecht wird und die zudem
mit vermindertem Zeit- und Kostenaufwand hergestellt werden kann. Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel können geschweißte Blisktrommeln hergestellt werden, deren Schaufeln
eine hohe Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrisskorrosion aufweisen,
aerodynamisch geformte Vorder- und Hinterkanten sowie eine scharfkantig ausgebildete
Schaufelspitzenkante zur Gewährleistung der geforderten Spalthaltung haben und schließlich
über Schaufelseitenflächen mit einer aerodynamisch vorteilhaften niedrigen Rauhigkeit,
die im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei Ra ≤ 0.25 liegt, verfügen.
1. Verfahren zur Herstellung einer Blisktrommel, bei dem zwei oder mehrere vorgefertigte
Blisks miteinander verschweißt oder anderweitig verbunden werden und die so gebildete
Blisktrommel anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen wird und die Schaufeloberflächen
im letzten Bearbeitungsschritt poliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Blisktrommel als Ganzes innerhalb eines fließfähigen, pastösen Schleifmediums
mittels einer durch Vibration und/oder Translation und/oder Rotation der Blisktrommel
oder eines das Schleifmedium aufnehmenden Behälters zwischen der Blisktrommel und
dem Schleifmedium erzeugten Relativbewegung poliert wird, wobei die Schleifbewegung
des Schleifmediums durch in diesem vorgesehene Leitelemente in Schaufelbereichen mit
unerwünschtem Materialabtrag unterdrückt wird oder diese Bereiche abgedeckt werden
oder bei der Herstellung der Blisks entsprechend dem beim Schleifen erwarteten Materialabtrag
stärker dimensioniert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten der Bliskschaufeln vor dem Polieren die endgültige Form und Dimensionierung
aufweisen und während des Poliervorgangs in dem Schleifmedium abgedeckt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schaufelkanten eine bestimmte, über die Fertigform hinausgehende Materialmenge
vorgehalten wird, die während des Poliervorgangs oder durch andere Verfahren abgetragen
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifbewegung des Schleifmediums durch die Form und Anordnung der Leitelemente
zu den Schleifbereichen hin und entlang den Schleifbereichen gesteuert wird, und an
anderen, zu schützenden Bereichen verhindert oder reduziert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Stirnseiten der Blisktrommel vor dem Eintauchen in das Schleifmedium
verschlossen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifmedium eine Schleifpaste mit in diese zum Druckaufbau an den Schleifflächen
eingebetteten Schleifmittelträgern ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Blisktrommel nach der Wärmebehandlung mit einem Ätzmedium behandelt
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln der Blisktrommel nach dem Ätzen kugelstrahlverfestigt werden oder anderen
Oberflächenverfestigungsverfahren zugeführt werden.