[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaufelspitzenbearbeitung der mit integral
angeformter und/oder separat montierter konventioneller Beschaufelung ausgeführten
Laufradtrommeln von Turbomaschinen bei rotierender Laufradtrommel sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
[0002] Laufräder der Verdichter von Turbomaschinen bzw. aus mehreren miteinander verbundenen
Laufrädern gebildete Rotortrommeln mit am Scheibenumfang in einer Nut gehaltenen Schaufeln
werden an den Schaufelspitzen bekanntermaßen durch Hochgeschwindigkeitsschleifen,
bei dem die Trommel mit hoher Geschwindigkeit rotiert, trocken geschliffen. Ähnlich
der Drehbewegung im Einbauzustand in der Turbomaschine werden die in der Nut gehaltenen
Schaufeln aufgrund der Fliehkraft nach außen gedrückt, so dass die Schaufelspitzen
auf den - möglichst geringen - Spaltabstand zum Gehäuse geschliffen werden können,
der zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades und einer niedrigen Pumpgrenze auch im
praktischen Betrieb vorliegen soll. Das Schaufelspitzenschleifen der mit hoher Geschwindigkeit
rotierenden Trommel mit konventionell angebrachter Beschaufelung hat zudem den Vorteil,
dass die Schaufeln während der Bearbeitung aufgrund der auf diese wirkendenden Fliehkraft
elastisch gelagert sind und dadurch nicht zu hoch belastet werden.
[0003] Das Schleifen von in Integralbauweise gefertigten Laufrädern (BLISK), das heißt von
Laufrädern mit am Scheibenumfang angeformten Laufschaufeln bzw. zwei oder mehreren
aus solchen Laufrädern zusammengesetzten Trommeln bereitet insofern Schwierigkeiten,
als bei dem bekannten Hochgeschwindigkeitsschleifen starke Schaufelvibrationen sowie
Funkenbildung und Funkenflug und daraus resultierende Folgeschäden an den Schaufeln
zu verzeichnen sind.
[0004] Bei Gasturbinentriebwerken ist es bekannt und vorteilhaft, ein- und dieselbe Laufradtrommel
für den Verdichter sowohl aus in Integralbauweise gefertigten Laufrädern (Blisks)
als auch aus in konventioneller Bauweise hergestellten Laufrädern zusammenzusetzen,
die zudem noch aus unterschiedlichen Werkstoffen, zum Beispiel aus Titan für die Blisks
und Nickelbasiswerkstoff für die konventionell montierten Schaufeln, bestehen können.
Aufgrund der unterschiedlichen Bauart, der jeweiligen Werkstoffe und der durch den
Schleifprozess hervorgerufenen unterschiedlichen Wirkungen werden die beiderseitigen
Trommelteile bzw. Laufräder in getrennten Bearbeitungsvorrichtungen separat bearbeitet
und können erst danach miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren ist mit Blick
auf den Einsatz im Triebwerk insofern nachteilig, als aufgrund der voneinander getrennten
Schaufelspitzenbearbeitung und der erst dann erfolgenden Montage die Spaltweite zwischen
den Schaufelspitzen und der Gehäusewand, die wesentlichen Einfluss auf den Verdichterwirkungsgrad
und die Pumpgrenze hat, nicht auf ein möglichst einheitliches, geringes Maß eingestellt
werden kann.
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Spitzenbearbeitung
der mit integral angeformter und/oder separat montierter Beschaufelung ausgeführten
Verdichtertrommeln von Turbomaschinen anzugeben, das eine Beschädigung der Schaufeln
beim Schleifen verhindert und die Einstellung eines optimalen Schaufelspitzenabstandes
zum Gehäuse und damit die Erzielung eines hohen Verdichterwirkungsgrades und einer
hohen Pumpgrenze gewährleistet.
[0006] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0007] Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Bearbeitung der vollständig montierten
Laufradtrommel (Verdichtertrommel) in einer einzigen Vorrichtung, in der der rotierende
Werkstückträger wie die Turbomaschinenwelle, an der die Laufradtrommel später montiert
wird, ausgebildet ist und die Laufradtrommel auch dementsprechend mit dem so ausgebildeten
Werkstückträger verbunden ist. Die Bearbeitung von integral angeformten Schaufeln
erfolgt unter Flüssigkeitszufuhr mit einer Geschwindigkeit, die geringer als die Geschwindigkeit
bei der Trockenbearbeitung der konventionell ausgebildeten Schaufeln sein kann. Bei
einer mit integral angeformten und mit konventionell montierten Schaufeln ausgebildeten
Trommelbaugruppe wird der Bereich zur Trockenbearbeitung konventioneller Schaufeln
gegenüber den beim Nassbearbeiten anfallenden Spänen und flüssigen Stoffen durch ein
verstellbares Trennelement abgeschirmt. In einer einzigen - sowohl mit Werkzeugen
für die Trockenbearbeitung als auch die Nassbearbeitung ausgerüsteten - Vorrichtung
bzw. Werkzeugmaschine, in der der entsprechend der Turbomaschinenwelle ausgebildete
Werkstückträger mit unterschiedlicher Drehzahl angetrieben werden kann, können Laufradtrommeln
mit integral angeformten und/oder konventionell ausgebildeten Schaufeln an den Schaufelspitzen
in hoher Genauigkeit und ohne Beschädigung der integral angeformten oder der diesen
benachbarten konventionell ausgebildeten Schaufeln bearbeitet werden. Aufgrund der
Bearbeitung von sowohl integral als auch konventionell beschaufelten Trommeln in einem
Stück und in ein und derselben Vorrichtung bzw. Werkzeugmaschine werden minimale Toleranzen
in Bezug auf den Außendurchmesser der Laufradtrommel und damit optimale Spaltverhältnisse
sowie ein verbesserter Wirkungsgrad der Turbomaschine erzielt.
[0008] Zur Bearbeitung der Schaufelspitzen sind Schleifscheiben mit einer Flüssigkeitszufuhr
für das Nassschleifen der Trommeln oder Trommelteile mit integral angeformten Schaufeln
und Schleifscheiben für das Trockenschleifen der Trommeln oder Trommelteile mit konventioneller
Beschaufelung vorgesehen.
[0009] Anstelle der Schleifwerkzeuge können beispielsweise auch Fräswerkzeuge oder andere
Werkzeuge zur Schaufelspitzenbearbeitung angeordnet sein.
[0010] Den jeweiligen Werkzeughaltern sind Werkzeugmagazine zum schnellen Werkzeugwechsel,
beispielsweise zur Bearbeitung von Schaufeln aus unterschiedlichen Werkstoffen, zugeordnet.
[0011] Zur Entgratung der bearbeiteten Schaufelspitzen kann die Vorrichtung Bürstwerkzeuge
oder andere Werkzeuge aufweisen.
[0012] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
In der einzigen Figur ist schematisch eine Anordnung zur Schaufelspitzenbearbeitung
einer Laufradtrommel (Verdichtertrommel für ein Flugtriebwerk) dargestellt, die aus
einer ersten Trommel mit integral angeformten Schaufeln und aus einer zweiten Trommel
mit separat gefertigten und montierten Schaufeln zu einer Trommelbaugruppe zusammengesetzt
ist.
[0013] Die aus Titan bestehende erste Trommel 1 umfasst vier Scheiben in Blisk-Bauweise,
das heißt mit einstückig an eine Scheibe 2 angeformten Schaufelkränzen bzw. Schaufeln
3 ausgebildete Blisks 4, die durch Schweißen miteinander verbunden sind. Die zweite
Trommel 5 - hier aus einem Nickelbasis-Werkstoff - umfasst zwei aneinander geschweißte,
jedoch konventionell gefertigte Laufräder 6, bestehend aus einer Scheibe 7, an deren
Außenumfang in einer Nut separat gefertigte Schaufeln 8 gehalten sind. Die beiden
Trommeln 1 und 5 sind über Verbindungsmittel 9 zu einer einzigen Trommelbaugruppe
(Laufradtrommel) zusammengefügt. Die so ausgebildete Laufradtrommel 10 ist mittels
erster und zweiter lösbarer Verbindungselemente 11, 12 am vorderen und hinteren Ende
in einen drehbar gelagerten Werkstückträger 13 (13a/13b) (Hilfstriebwerkswelle, dummy
shaft) eingebunden, der entsprechend einem Teilstück der im Triebwerk zum Antrieb
der Laufradtrommel 10 tatsächlich vorgesehenen Triebwerkswelle ausgebildet ist. Dadurch
ist die Laufradtrommel 10 als Ganzes so in der Bearbeitungsvorrichtung angeordnet
und ausgerichtet, wie sie später innerhalb des Triebwerks in die Triebwerkswelle und
das Triebwerksgehäuse eingebunden sein wird. Die Rotation des Werkstückträgers 13
ist mit dem Pfeil 14 angedeutet.
[0014] Neben dem Werkstückträger 13 umfasst die Einrichtung zur Schaufelspitzenbearbeitung
der Laufradtrommel 10 ein erstes, für den Nass- und den Trockenbetrieb geeignetes
Bearbeitungswerkzeug 15 mit diesem zugeordnetem Werkzeugmagazin 16 zum Austauschen
des hier als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeugs und einer einstellbaren Flüssigkeitszufuhr
17, sowie ein zweites Bearbeitungswerkzeug 18, dem ebenfalls ein Werkzeugmagazin 16
für das Auswechseln der Werkzeuge und eine einstellbare Flüssigkeitszufuhr 17 für
den wahlweisen Nass- oder Trockenschleifbetrieb zugeordnet ist. Anstelle der Schleifscheiben
können auch andere Werkzeuge, zum Beispiel Fräser, vorgesehen sein.
[0015] Die in der Zeichnung dargestellte Schaufelspitzenbearbeitungseinrichtung umfasst
weiterhin eine in axialer Richtung bewegliche, hier zwischen den benachbarten Schaufelkränzen
einer Blisk 4 und eines konventionellen Laufrades 6 angeordnetes, als Ringscheibe
ausgebildetes Trennelement 19, dessen Innendurchmesser an den jeweiligen Trommeldurchmesser
angepasst ist.
[0016] Die Bearbeitung der Schaufelspitzen der zuvor hergestellten ersten Trommel 1 mit
integral angeformten Schaufeln 3 und der zweiten Trommel 5 mit konventionell befestigten
Schaufeln 8 erfolgt in der Weise, dass in einem ersten Schritt die erste Trommel 1
und die zweite Trommel 5 mittels der Verbindungsmittel 9 zu einer zusammengesetzten,
die Laufradtrommel 10 bildenden Baugruppe verschraubt werden. Diese Baugruppe wird
anschließend mittels der ersten und zweiten Verbindungsmittel 11, 12 an der vorderen
und hinteren Seite mit den stirnseitigen Enden der beiden Abschnitte 13a, 13b des
drehbar gelagerten und an ein Antriebsmittel (nicht dargestellt) gekoppelten Werkstückträgers
13 verbunden. Anschließend wird das Trennelement 19 zwischen der aus Blisks zusammengesetzten
ersten Trommel 1 und der konventionell ausgebildeten zweiten Trommel 5 positioniert.
Zwischen den integral angeformten Schaufeln 3 der ersten Trommel 1 können noch Dämpfungselemente
20 zur weiteren Dämpfung der Vibration der integral angeformten Schaufeln beim Nassschleifen
und Spritzschutzelemente angebracht werden.
[0017] Das Bearbeiten der Schaufelspitzen der zweiten Trommel 5 erfolgt durch Hochgeschwindigkeitsschleifen,
indem der Werkzeugträger 13 mit hoher Drehzahl rotiert und die Schaufeln 8 aufgrund
der Zentrifugalkraft nach außen an das zweite Bearbeitungswerkzeug 18 gedrückt und
- bedarfsweise elastisch gelagert - an den Schaufelspitzen geschliffen werden, und
zwar trocken, das heißt bei unterbrochener Flüssigkeitszufuhr 17b. Anschließend wird
das Bearbeitungswerkzeug 18 über den benachbarten Schaufelkranz verfahren, um - gegebenenfalls
nach einem Werkzeugwechsel - auch diese Schaufeln 8 in der zuvor beschriebenen Weise
zu schleifen. Die darauf folgende Bearbeitung der integral und somit starr mit der
ersten Trommel 1 verbundenen Schaufeln 3 wird als Nassschleifen, das heißt bei freier
Flüssigkeitszufuhr und dadurch bedingter Vibrationsminderung, und bei gegenüber dem
Hochgeschwindigkeitsschleifen verminderter Geschwindigkeit nacheinander an den Schaufelspitzen
der vier miteinander verschweißten Blisks 4 durchgeführt. Aufgrund der verminderten
Drehgeschwindigkeit des Werkstückhalters und in Verbindung mit dem durch die Flüssigkeitszufuhr
bewirkten Schmiereffekt wird die Vibration der ansonsten stark vibrierenden Schaufeln
3 deutlich verringert, so dass die Gefahr einer durch starke Schwingungen bedingten
Schädigung der Schaufeln durch Rissbildung nicht mehr besteht. Die verminderten Schwingungen
und die Kühlwirkung der Flüssigkeit verhindern zudem die Ausbildung von Funken und
damit die Beschädigung von benachbarten Schaufeln durch Funkenflug. Um die erste Trommel
1 und deren Schaufeln 3 weiter gegenüber Schwingungen und schädlichen Funken zu schützen,
können an diesen Schaufeln 3 Dämpfungselemente 20 und Spritzschutzelemente angebracht
sein. Das Trennelement 19 schirmt die zweite Trommel 5 und deren konventionell in
einer Nut gehaltene Schaufeln 8 gegenüber dem beim Nassschleifen der Blisks 4 entstehenden
nassen Schleifschlamm, der sich in den Nuten absetzen könnte, und auch gegenüber schädlichen,
gegebenenfalls aus einem anderen Material bestehenden Funken ab. Zur Entgratung der
nass oder trocken geschliffenen Schaufelspitzen sind in der Vorrichtung Bürstwerkzeuge
21 oder andere Werkzeuge angeordnet. Mit dem zuvor geschilderten Verfahren und der
entsprechenden Vorrichtung bzw. Werkzeugmaschine werden die Schaufelspitzen der in
einem Stück ausgebildeten und entsprechend den Verhältnissen in der Turbomaschine
angeordneten Verdichtertrommel so bearbeitet, dass ein optimaler Spitzenabstand zum
Gehäuse und somit ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Pumpgrenze erreicht werden.
Bezugszeichenliste
[0018]
- 1
- erste Trommel (Blisk-Trommel)
- 2
- Scheibe
- 3
- Schaufel (integral)
- 4
- Blisk
- 5
- zweite Trommel (konventionell)
- 6
- Laufrad
- 7
- Scheibe
- 8
- Schaufel (separat)
- 9
- Verbindungsmittel (Schraubverbindung zw. 1/5)
- 10
- Laufradtrommel (Verdichtertrommel, Trommelbaugruppe)
- 11
- erste Verbindungsmittel zw. 10/13
- 12
- zweite Verbindungsmittel zw. 10/13
- 13
- Werkstückträger (Hilfs-Turbomaschinenwelle, dummy shaft)
- 14
- Drehrichtung von 13
- 15
- erstes Bearbeitungswerkzeug (Schleifscheibe, Fräser f. Blisk)
- 16
- Werkzeugmagazin f. 15, 18
- 17
- Flüssigkeitszufuhr f. 15, 18
- 18
- zweites Bearbeitungswerkzeug
- 19
- Trennelement (verstellbare Ringscheibe)
- 20
- Dämpfungselemente
- 21
- Bürstwerkzeug
1. Verfahren zur Schaufelspitzenbearbeitung der mit integral angeformter und/oder separat
montierter konventioneller Beschaufelung ausgeführten Laufradtrommeln von Turbomaschinen
bei rotierender Laufradtrommel, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständig montierte Laufradtrommel in eine als Werkstückträger fungierende
Hilfsturbomaschinenwelle eingespannt und die Schaufeln entsprechend dem in der Turbomaschine
vorliegenden Montagezustand der Laufradtrommel bearbeitet werden, wobei eine Nassbearbeitung
der integral angeformten Schaufeln mit gegenüber der Trockenbearbeitung von konventionell
angeordneten Schaufeln verminderter Drehzahl erfolgt und ein Trockenbearbeitungsbereich
gegenüber den im Nassbearbeitungsbereich anfallenden abgeschirmt wird und entsprechend
der Bearbeitungs- und Materialart jeweils unterschiedliche Werkzeuge eingesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelspitzen durch Nass- und Trockenschleifen bearbeitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelspitzen mechanisch durch Bürsten nachbearbeitet werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen wie eine Turbomaschinenantriebswelle ausbildeten Werkstückträger (13), mit
dem die Laufradtrommel (10) wie in der Turbomaschine verbunden ist, ein erstes Bearbeitungswerkzeug
(15) mit einstellbarer Flüssigkeitszufuhr für die Nassbearbeitung integral angeformter
Schaufeln (3) und ein zweites Bearbeitungswerkzeug (18) mit einstellbarer Flüssigkeitszufuhr
für die Trockenbearbeitung konventionell angebrachter Schaufeln (8) sowie ein als
Ringscheibe ausgebildetes Trennelement (19) zur Abschirmung eines Trockenbearbeitungsbereichs
von einem Nassbearbeitungsbereich.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Nass- oder Trockenbearbeitungsbereich durch das Freigeben/Schließen
der Flüssigkeitszufuhr und das jeweilige - austauschbare - Bearbeitungswerkzeug (15
oder 18) sowie die Positionierung des Trennelements (19) bestimmt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Bearbeitungswerkzeugen (15, 18) Werkzeugmagazine (16) zum Werkzeugwechsel entsprechend
der Werkstoff- und Materialart zugeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungswerkzeuge (15, 18) radial und axial verstellbare Schleifscheiben
mit diesen zugeordneter - einstellbarer und wahlweise zuschaltbarer - Flüssigkeitszufuhr
(17) sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Schleifscheiben alternativ einsetzbare Fräswerkzeuge oder andere
Werkzeuge zur Schaufelspitzenbearbeitung vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (19) axial verstellbar und radial anpassbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass den Bearbeitungswerkzeugen (15, 18) Bürstwerkzeuge (21) oder andere Werkzeuge zur
Nachbearbeitung der geschliffenen Schaufelspitzen zugeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Nassbearbeitungsbereich bearbeiteten integral angeformten Schaufeln (3) durch
Dämpfungselemente (20) abgestützt und/oder gegenüber Schleifschlamm und Funkenbildung
abgeschirmt sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Laufradtrommel (10) mit dem Werkstückträger (13) die in der Turbomaschine
zwischen Laufradtrommel und Antriebswelle üblichen Verbindungsmittel (11, 12) vorgesehen
sind.