[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oberflächenätzen von
integral beschaufelten Rotoren (Blisks) von Fluggasturbinen.
[0002] Die Oberflächen der Rotoren von Turbinen oder Kompressoren von Fluggasturbinen werden
nach der Fertigbearbeitung durch mechanische und chemische Abtragungsverfahren bekanntermaßen
einem Ätzprozess unterworfen, um anschließend eine Gefügebeurteilung vornehmen zu
können und gegebenenfalls vorhandene Gefügefehler besser darstellen und erkennen zu
können und letztlich die Sicherheit gegen das Versagen von als kritisch eingestuften
rotierenden Bauteilen im Betrieb zu erhöhen. Das Oberflächenätzen von Rotoren auf
Nickelbasis kann zum einen durch Eintauchen in ein Ätzmedium erfolgen. Die Ätzwirkung
ist in diesem Fall jedoch nicht ausreichend intensiv, um eine zufriedenstellende Gefügebeurteilung
vornehmen zu können und tatsächlich alle Gefügefehler mit Sicherheit feststellen zu
können. Es wurde auch schon vorgeschlagen, die Oberfläche von unbeschaufelten Rotorscheiben
auf Nickelbasis elektrolytisch zu ätzen. Die elektrochemische Abtragung der Oberfläche
beruht in diesem Fall auf dem elektrischen Ladungsaustausch zwischen dem metallischen
Werkstoff des Werkstücks und einem flüssigen Elektrolyten. Die Rotorscheibe wird dabei
in den Elektrolyten getaucht und als Anode geschaltet (Pluspol einer Gleichstromquelle).Der
über den Elektrolyten und eine Kathode abfließende Strom führt in Verbindung mit dem
Elektrolyten zu einem Abtrag der Metalloberfläche durch in Lösung gehen von Metallionen.
Die zur Durchführung des Ätzverfahrens vorgesehene Vorrichtung umfasst einen mit dem
Elektrolyten gefüllten Behälter mit an den Seitenwänden angeordneten Kathoden sowie
eine an einer oberhalb des Behälters vorgesehenen, den Pluspol bildenden Kontaktschiene
aufgehängte Haltevorrichtung für die - somit als Anode fungierende - Rotorscheibe.
Bei unbeschaufelten Scheiben wird mit dieser Vorrichtung durch elektrolytisches Ätzen
eine gegenüber dem reinen Tauchätzen intensivierte Ätzwirkung und damit eine verbesserte
Gefügebeurteilung erreicht. Für die Gefügebeurteilung bzw. das sichere Erkennen von
Gefügefehlern von beschaufelten Rotoren (Blisks) auf Nickelbasis ist das elektrolytischen
Ätzen unter Verwendung der bekannten Vorrichtung nur bedingt geeignet, da die Ätzwirkung
im Schaufelbereich aufgrund der komplizierten Schaufelgeometrie und der auf dem Weg
von den Kontakten an der Rotorscheibe bis zu den Schaufelspitzen auftretenden Stromverluste
ungleichmäßig und zudem gegenüber der Scheibenoberfläche geringer ist. Das Abtragen
der Oberfläche von Blisks zum Zwecke der anschließenden Gefügebeurteilung erfolgt
daher mit dem zwar gleichmäßigeren, aber weniger intensiven Tauchätzen, mit dem eine
zuverlässige Gefügebeurteilung nicht gewährleistet ist..
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Oberflächenätzen von integral beschaufelten Rotoren (Rotorscheiben) auf Nickelbasis
so auszubilden, dass in allen Oberflächenbereichen ein zuverlässiges Erkennen von
Gefügefehlern gewährleistet ist.
[0004] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.
[0005] Der Kern der Erfindung besteht darin, dass auf Nickelbasis ausgeführte, integral
beschaufelte Rotoren für Fluggasturbinen zur Gefügebeurteilung elektrolytisch geätzt
werden, indem durch neben den Hauptkathoden angeordnete zusätzliche Hilfskathoden
in den von den elektrischen Kontaktstellen an der Rotorscheibe entfernten Schaufelbereichen
von allen Teilen des als Anode geschalteten Rotors ein gleichmäßiger Stromfluss über
den Elektrolyten zu den Haupt- und Hilfskathoden erzeugt und somit bei auf Nickelbasis
gefertigten Blisks eine ausreichend hohe und gleichmäßige Ätzwirkung erzielt wird
und auch im Schaufelbereich eine zuverlässige Gefügebeurteilung gewährleistet ist.
[0006] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzielung des gleichmäßigen Stromflusses von
der gesamten Oberfläche des als Anode geschalteten Rotors über den Elektrolyten umfasst
einen mit dem Elektrolyten gefüllten Behälter mit in diesem angeordneten Hauptkathoden
und eine an einer Kontaktschiene angehängte Haltevorrichtung mit Kontakt- und Haltestiften
zur Halterung und elektrischen Kontaktierung des Rotors an der Rotorscheibe. Im Bereich
der integral an die Rotorscheibe angeformten Schaufeln sind in Form, Größe und Anordnung
an die Schaufelgeometrie und den zur Regelung der Ätzwirkung im Schaufelbereich über
den Elektrolyten zu erzielenden Stromfluss anpassbare Hilfskathoden angeordnet. Die
den Schaufeln zugeordneten Hilfskathoden sorgen neben einem gleichmäßigen Ätzangriff
auch für den Schutz der Schaufelspitzen vor Verbrennung.
[0007] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Hilfskathoden zur Beeinflussung
des Stromflusses und der Ätzwirkung in einem den jeweiligen Bedingungen entsprechenden
Abstand an einer oder beiden Schaufelkanten und/oder an den Schaufelspitzen und/oder
jeweils zwischen den Schaufeln angeordnet.
[0008] In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die Hilfskathoden als im Abstand von den
Schaufelseitenkanten verlaufende Ringscheibe oder von den Schaufelspitzen beabstandeter
Rohrabschnitt oder als Ring mit bestimmter, beispielsweise kreisförmiger Querschnittsform
ausgebildet. Die Hilfskathoden können auch eine Vielzahl einzelner - neben, über,
unter oder zwischen den Schaufeln angeordneter -Kathodenabschnitte umfassen.
[0009] In weiterer Ausbildung der Erfindung weist die Haltevorrichtung einen Haltebügel
mit an dessen unterem Ende vorgesehenen ersten und zweiten Befestigungsarmen auf.
An den zueinander weisenden freien Enden der Befestigungsarme sind die beidseitig
an dem verdickten inneren Bereich der Rotorscheibe angreifenden, mit dem Pluspol einer
Gleichstromquelle verbundenen Kontakt- und Haltestifte angeordnet. Die Benetzung des
Rotors ist somit nur an den Berührungspunkten der Kontakt- und Haltestifte mit der
Rotorscheibe unterbrochen.
[0010] In Ausgestaltung der Erfindung sind die Hilfskathoden elektrisch isoliert am Haltebügel
angebracht und an einen am Haltebügel isoliert geführten, mit dem Minuspol einer Gleichstromquelle
verbundenen elektrischen Leiter angeschlossen.
[0011] Die ersten Befestigungsarme sind unmittelbar am Haltebügel angebracht und die zweiten
Befestigungsarme sind zum Einspannen der Rotorscheibe zwischen den Kontakt- und Haltestiften
über eine Gewindeverbindung mit dem Haltebügel verschraubbar.
[0012] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum elektrolytischen Ätzen einer Blisk;
- Fig. 2
- eine Teilschnittansicht einer Blisk mit im Schaufelbereich unterschiedlich angeordneten
und ausgebildeten Hilfskathoden in schematischer Darstellung; und
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung einer als Anode geschalteten Haltevorrichtung für eine
Blisk mit an dieser isoliert angebrachten, dem Schaufelbe- reich der Blisk zugeordneten
Hilfskathoden.
[0013] Die in Fig. 1 wiedergegebene Ätzvorrichtung umfasst einen mit einem Elektrolyten
1 gefüllten Behälter 2 sowie in dem Behälter 2 angeordnete, an den Minuspol einer
Gleichstromquelle angeschlossene Hauptkathoden 3. An einer oberhalb des Behälters
2 angebrachten, mit dem Pluspol der Gleichstromquelle verbundenen Kontaktschiene 4
ist eine Haltevorrichtung 5 angehängt. Am unteren Ende der in den - im vorliegenden
Ausführungsbeispiel aus Schwefelsäure bestehenden - Elektrolyten 1 eintauchenden Haltevorrichtung
5 ist ein mit dieser leitend verbundener und somit als Anode fungierender Rotor 6
befestigt, dessen Oberfläche geätzt werden soll. Die Befestigung und leitende Verbindung
zwischen der Haltevorrichtung 5 und der Rotorscheibe 7 des als Blisk ausgebildeten
Rotors 6 ist mit dem Pfeil 8 angedeutet. Im Bereich der integral an die Rotorscheibe
7 angeformten Schaufeln 9 sind mit dem Minuspol der Gleichstromquelle verbundene Hilfskathoden
10 angeordnet. Die Hilfskathoden 10 sind in Fig. 2 als im Abstand seitlich der Schaufeln
9 angeordnete Ringscheiben 10a oder als im Abstand von den Schaufelspitzen umlaufender
Rohrabschnitt 10b ausgebildet. Wie Fig. 2 zeigt, können die Hilfskathoden 10 auch
als Ringe 10c mit kreisförmigem oder einem anderen Querschnitt ausgeführt sein oder
aus zwischen benachbarten Schaufeln 9 angeordneten, in den Zwischenraum zwischen den
Schaufeln ragenden Kathodenabschnitten 10d, die zudem eine an die Schaufelkrümmung
angepasste Form aufweisen, bestehen. Neben der Form kann auch die Anzahl, der Ort
der Anordnung und der Abstand der Hilfskathoden 10 zum Schaufelbereich variieren.
Wie Fig. 3 zeigt, kann dem Schaufelbereich bei ein und demselben Rotor (Blisk) 6 eine
als Ringscheibe 10a ausgebildete Hilfskathode 10 und eine als Ring 10c mit kreisförmigem
Querschnitt ausgebildete Hilfskathode 10 zugeordnet sein.
[0014] Die in Fig. 3 beispielhaft dargestellte Haltevorrichtung 5 umfasst einen an der Kontaktschiene
4 aufgehängten Haltebügel 11 mit ersten - einstückig angebrachten - Befestigungsarmen
12 und zweiten - mit dem Haltebügel 11 über eine Gewindeverbindung 13 verschraubbaren
Befestigungsarmen 14. Die Rotorscheibe 7 ist zwischen an den Enden der Befestigungsarme
12, 14 ausgebildeten Kontaktstiften 15 gehalten und somit leitend an den mit der Kontaktschiene
4 verbundenen Haltebügel 11 angeschlossen. Außerdem ist die Rotorscheibe 7 über einen
aus Isoliermaterial bestehenden Abstandhalter 16 am Haltebügel 11 abgestützt. Ein
in Isolierblöcken 17 an dem Haltebügel 11 geführter elektrischer Leiter 18 ist einerseits
mit dem Minuspol der Gleichstromquelle und andererseits mit einer an einer Seitenkante
der Schaufeln 9 umlaufenden, als Ringscheibe 10a ausgebildeten Hilfskathode 10 sowie
einer unterhalb der Schaufelplattformen 19 der Schaufeln 9 angeordneten, als Ring
10c ausgebildeten weiteren Hilfskathode 10 verbunden.
[0015] Der zu ätzende Rotor 6 (Blisk) wird zunächst gereinigt und nach dem Befestigen an
der Haltevorrichtung und dem Einbringen in den durch ein Rührwerk (nicht dargestellt)
in Bewegung gehaltenen Elektrolyten 1 sowie dem Anlegen einer bestimmten Spannung
geätzt. Die Stromableitung von dem als Anode fungierenden Werkstück über den Elektrolyten
zur Kathode erfolgt im Schaufelbereich nicht über die weiter entfernt angeordneten
Hauptkathoden 3, sondern direkt über die den Schaufeln 9 bzw. dem Schaufelbereich
unmittelbar und in bestimmtem Abstand zugeordneten und entsprechend der Schaufelgeometrie
gestalteten Hilfskathoden 10, so dass über die Hilfskathodenparameter (Form, Größe,
Abstand, Anordnung) in allen Schaufelteilen ein gleichmäßiger und für die Gefügebeurteilung
erforderlicher Materialabtrag gezielt eingestellt werden kann. Die derart geätzten
Rotoren 6 (Blisks) werden nach der Entnahme aus dem Elektrolyten 1 und der Haltevorrichtung
5 mehrfach gespült/gereinigt und anschließend getrocknet und können dann in allen
Bereichen der Rotorscheibe 7 und der Schaufeln 9 einer zuverlässigen Gefügeuntersuchung
unterzogen werden.
Bezugszeichenliste
[0016]
- 1
- Elektrolyt
- 2
- Behälter
- 3
- Hauptkathoden
- 4
- Kontaktschiene
- 5
- Haltevorrichtung
- 6
- integral beschaufelter Rotor (Blisk)
- 7
- Rotorscheibe
- 8
- Pfeil - leitende Verbindung
- 9
- Schaufel
- 10
- Hilfskathode
- 10a
- Ringscheibe
- 10b
- Rohrabschnitt
- 10c
- Ring mit Kreisquerschnitt
- 10d
- Kathodenabschnitte
- 11
- Haltebügel
- 12
- erster Befestigungsarm
- 13
- Gewindeverbindung
- 14
- zweiter Befestigungsarm
- 15
- Kontakt- und Haltestifte
- 16
- Abstandhalter
- 17
- Isolierblöcke
- 18
- elektr. Leiter
- 19
- Schaufelplattform
1. Verfahren zum Oberflächenätzen von integral beschaufelten, auf Nickelbasis ausgeführten
Rotoren für Fluggasturbinen, gekennzeichnet durch ein elektrolytisches Ätzen mit in einem Elektrolyten angeordneten Hauptkathoden und
einem als Anode geschalteten Rotor, bei dem durch Anordnung zusätzlicher, an die jeweilige Rotorgeometrie anpassbarer Hilfskathoden
unmittelbar in den von den elektrischen Kontaktstellen an der Rotorscheibe entfernten
Schaufelbereichen von allen Teilen des Rotors ein gleichmäßiger Stromfluss über den
Elektrolyten zu den Haupt- und Hilfskathoden erzeugt und eine intensive und gleichmäßige
Ätzwirkung erzielt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die einen mit einem Elektrolyten
(1) gefüllten Behälter (2) mit in diesem angeordneten Hauptkathoden (3) und einer
an einer Kontaktschiene (4) angehängten Haltevorrichtung (5) für einen einer Oberflächenätzung
zu unterziehenden, integral beschaufelten Rotor (6), der über die Rotorscheibe (7)
kontaktierende Kontakt- und Haltestifte (15) als Anode geschaltet ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der integral an die Rotorscheibe (7) angeformten Schaufeln (9) in Form,
Größe und Anordnung an die Schaufelgeometrie und den zur Steuerung der Ätzwirkung
im Schaufelbereich über den Elektrolyten zu erzielenden Stromfluss angepasste Hilfskathoden
(10) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskathoden (10) in einem vorgegebenen Abstand an einer oder beiden Schaufelkanten
und/oder an den Schaufelspitzen und/oder jeweils zwischen den Schaufeln (9) angeordnet
sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskathoden (10) als im Abstand von den Schaufelseitenkanten verlaufende Ringscheibe
(10a) oder von den Schaufelspitzen verlaufender Rohrabschnitt (10b) oder als Ring
(10c) mit bestimmter Querschnittsform ausgebildet sind oder eine Vielzahl einzelner
- neben, über, unter oder zwischen den Schaufeln (9) angeordneter - Kathodenabschnitte
(10d) umfassen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (5) einen Haltebügel (11) mit an dessen unterem Ende vorgesehenen
ersten und zweiten Befestigungsarmen (12, 14) aufweist, an deren zueinander weisenden
freien Enden die beidseitig an einem verdickten inneren Bereich der Rotorscheibe (7)
angreifenden Kontakt- und Haltestifte (15) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskathoden (10) elektrisch isoliert am Haltebügel (11) angebracht sind und
an einen am Haltebügel (11) isoliert geführten elektrischen Leiter (18) angeschlossen
sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Befestigungsarme (12) unmittelbar am Haltebügel (11) angebracht sind und
die zweiten Befestigungsarme (14) zum Einspannen der Rotorscheibe (7) zwischen den
Kontakt- und Haltestiften (15) über eine Gewindeverbindung (13) mit dem Haltebügel
(11) verbunden sind.