Verfahren zur Herstellung einer geschweißten Blisktrommel

Beschreibung

[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.

Ansprüche

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.