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Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zum Herstellen und/oder Reparieren eines integral beschaufelten Rotors. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Verbessern der Prüfbarkeit der Qualität wenigstens einer Fügeverbindung zwischen einem Nabenelement und wenigstens einer mit dem Nabenelement gefügten Rotorschaufel eines integral beschaufelten Rotors sowie einen integral beschaufelten Rotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 15 angegebenen Art.
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Die sogenannte Bliskbauweise von Rotoren für Strömungsmaschinen, insbesondere von Rotoren für Flugzeugtriebwerke, wird sowohl im Bereich der Neuteilfertigung als auch im Bereich von Reparaturen zunehmend wichtiger. Als Blisk (Bladed Disk) wird dabei eine Rotor-Konstruktion bezeichnet, bei der sowohl das scheibenförmige Nabenelement als auch die Rotorschaufeln einstückig ausgebildet sind. Damit entfallen die sonst erforderlichen Schaufelfüße und Scheibennuten, so dass die Scheibenform gewichtssparend für geringe Randlast optimiert werden kann. Dementsprechend werden Rotoren, bei denen die Rotorschaufeln integral mit einem tragenden Ring hergestellt sind, als Bling (Bladed Ring) bezeichnet. Die Vorteile entsprechen denen der Blisk.
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Derartige integral beschaufelte Rotoren können grundsätzlich aus einem Block gefräst werden. An eine kostenoptimierte Fertigung werden hierbei jedoch hohe Anforderungen gestellt, die nur im optimalen Zusammenspiel von Maschinendynamik, moderner CNC-Steuerung, optimalem Werkzeug, Aufspannung und Kühlschmiermittelsystem erfüllt werden können.
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Für die Herstellung derartiger integral beschaufelter Rotoren haben daher in den letzten Jahren Reibschweiß- und Warmschmiede-Verfahren stark an Bedeutung gewonnen. Beim linearen Reibschweißen wird beispielsweise das Nabenelement fest eingespannt, während die einzelnen Rotorschaufeln mit einer linearen Bewegung schwingen. Durch Zusammenpressen der beiden Fügepartner entsteht Reibungswärme, wodurch sich das Material im Kontaktbereich auf Schmiedetemperatur erhitzt. Gleichzeitig werden die Fügepartner gestaucht, so dass im Bereich der Fügeverbindung eine Schweißwulst entsteht. Alternativ können beispielsweise auch induktive Pressschweißverfahren, Rotations-Reibschweißverfähren oder Orbital-Reibschweißverfahren zum Fügen von Nabenelement und Rotorschaufeln verwendet werden.
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Dabei stellt jedoch die Fügeverbindung zwischen einem Nabenelement und einer Rotorschaufel eine Schwachstelle dar, die einerseits schwierig zu prüfen ist, andererseits aber hinsichtlich ihrer Festigkeitswerte (z. B. Langzeitermüdung (High Cycle Fatigue), Kurzzeitermüdung (Low Cycle Fatigue), Heißgaskorrosion, Kriechen, thermo-mechanische Ermüdung und dergleichen) höchsten Ansprüchen genügen muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine bessere Überprüfbarkeit der Qualität derartiger Fügeverbindungen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 zum Herstellen und/oder Reparieren eines integral beschaufelten Rotors, durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11 zum Verbessern der Prüfbarkeit der Qualität wenigstens einer Fügeverbindung zwischen einem Nabenelement und wenigstens einer mit dem Nabenelement gefügten Rotorschaufel eines integral beschaufelten Rotors sowie durch einen integral beschaufelten Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zum Herstellen und/oder Reparieren als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zum Verbessern der Prüfbarkeit sowie des integral beschaufelten Rotors anzusehen sind.
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Eine bessere Überprüfbarkeit der Qualität einer Fügeverbindung zwischen einem Nabenelement und wenigstens einer Rotorschaufel eines integral beschaufelten Rotors wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass zwischen dem Nabenelement und der Rotorschaufel eine Fügeverbindung erzeugt wird, welche eine ersten Fügezone umfasst, die gegenüber angrenzenden zweiten Fügezonen eine geringere Querschnittsdicke aufweist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Fügeverbindung derartig ausgebildet wird, dass eine erste Fügezone mit einem eingeschränkten Querschnitt gegenüber den beidseitig an die erste Fügezone angrenzenden zweiten Fügezonen entsteht. Die Fügeverbindung weist somit zumindest im Bereich der ersten Fügezone eine Vertiefung mit einer eingeschränkten Querschnittsdicke auf. Hierdurch kann der integral beschaufelte Rotor im Unterschied zum Stand der Technik besser auf Fehlerstellen im Bereich der Fügeverbindung geprüft werden. Das Verfahren kann grundsätzlich sowohl zur Neuteilefertigung als auch zur Reparatur bereits bestehender Rotoren verwendet werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass zum Fügen zunächst eine Rotorschaufel verwendet wird, welche zumindest in ihrem mit dem Nabenelement zu fügenden Endbereich ein Aufmaß aufweist, und dass die erste Fügezone nach dem Fügen, vorzugsweise mittels eines chemischen und/oder mechanischen Trennverfahrens, erzeugt wird. Der eingeschränkte Querschnitt, d. h. die erste Fügezone, wird mit anderen Worten durch eine entsprechende Nachbearbeitung der zuvor erzeugten Fügeverbindung hergestellt. Dabei kann die Fügeverbindung beispielsweise durch adaptives Fräsen, elektrochemisches Abtragen oder sonstige geeigneten Trennverfahren bearbeitet werden, um die vertiefte erste Fügezone zu erzeugen. Es kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Rotorschaufel – abgesehen vom zu fügenden Endbereich – als Präzisions- oder als Aufmassschaufel ausgebildet ist.
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Alternativ hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn zum Fügen eine Rotorschaufel verwendet wird, welche einen mit dem Nabenelement zu fügenden Endbereich sowie einen an den Endbereich angrenzenden Bauteilbereich umfasst, wobei der Endbereich eine geringere Querschnittsdicke als der Bauteilbereich aufweist und der Bauteilbereich gegenüber einem Sollmaß der Rotorschaufel ein Aufmaß aufweist. Auf diese Weise kann die erste Fügezone gleichzeitig mit der Fügeverbindung ausgebildet werden, da der an den Endbereich angrenzende Bauteilbereich im Vergleich zum Endbereich eine größere Querschnittsdicke besitzt. Im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann daher auf einen zusätzlichen Verfahrensschritt zum Erzeugen der ersten Fügezone verzichtet werden. Es ist jedoch zu betonen, dass grundsätzlich natürlich trotzdem ein zusätzlicher Nachbearbeitungsschritt durchgeführt werden kann, beispielsweise um eine vorgegebene Geometrie der ersten Fügezone zu erzeugen.
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In weiterer Ausgestaltung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Fügeverbindung derart erzeugt wird, dass die erste Fügezone eine um bis zu 1,5 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 1,0 mm, verringerte Querschnittsdicke gegenüber den angrenzenden zweiten Fügezonen aufweist und/oder dass die Querschnittsdicke der ersten und der zweiten Fügezonen ein Aufmaß aufweist.
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Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige Prüfung auf das Vorliegen von Fehlerstellen, ohne die Fügeverbindung mechanisch signifikant zu schwächen. Indem die Fügezonen der Fügeverbindung ein Aufmaß gegenüber einer Soll-Querschnittsdicke der Fügeverbindung aufweisen, ist die Möglichkeit gegeben, die Geometrie und Oberflächeneigenschaften der Fügeverbindung im Rahmen eines entsprechenden Nachbearbeitungsschritts gezielt zu optimieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Fügezone nutförmig und/oder derart ausgebildet wird, dass sie sich entlang eines Teilbereichs der Fügeverbindung und/oder entlang der gesamten Fügeverbindung erstreckt. Hierdurch ist eine besonders hohe Flexibilität und Anpassbarkeit an unterschiedliche Materialpaarungen und Bauformen des Rotors gegeben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor nach dem Erzeugen der Fügeverbindung um seine Drehachse gedreht wird, wobei eine Drehzahl der Drehung derart eingestellt wird, dass sich der Rotor zumindest im Bereich der ersten Fügezone plastisch verformt. Auf diese Weise können etwaige Fehlerstellen besonders gut erkannt werden, da diese unter der mechanischen Belastung vergrößert bzw. geöffnet werden. Darüber hinaus wird die Festigkeit der Fügeverbindung gesteigert, da diese durch das Schleudern des Rotors gereckt wird. Weiterhin kann durch Einstellen einer entsprechenden Drehzahl ein definierter Eigenspannungszustand des Rotors eingestellt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl derart eingestellt wird, dass auch das Nabenelement verfestigt wird. Die Drehzahl, die zur Plastifizierung der ersten Fügezone notwendig ist, ist üblicherweise relativ gering im Vergleich zu einer maximal zulässigen Drehzahl des Rotors, hängt jedoch insbesondere von der Geometrie, dem Gewicht und dem Material des Rotors ab. Die jeweils optimale Drehzahl kann beispielsweise einfach durch entsprechende Reihenversuche mit unterschiedlichen Drehzahlen individuell ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die jeweils optimale Drehzahl beispielsweise auch mit Hilfe der Finite-Element-Methode ermittelt werden. Schäden im Bereich der Rotorschaufel oder am Nabenelement können durch das vorgehaltene Aufmaß der zweiten Fügezonen ausgeschlossen werden. Zum Drehen des Rotors kann beispielsweise ein entsprechend ausgebildeter Schleuderstand verwendet werden. Ein derartiger Schleuderstand ist einfach in eine Produktionslinie integrierbar, so dass die Prozesskette zur Herstellung des integral beschaufelten Rotors sehr kurz gehalten werden kann.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Rotor mit einer Drehzahl zwischen 5000 U/min und 100000 U/min, insbesondere mit einer Drehzahl zwischen 10000 U/min und 20000 U/min, gedreht wird. Insbesondere Drehzahlen von 10000 U/min, 11000 U/min, 12000 U/min, 13000 U/min, 14000 U/min, 15000 U/min, 16000 U/min, 17000 U/min, 18000 U/min, 19000 U/min oder 20000 U/min sowie entsprechende Zwischendrehzahlen haben sich für die meisten Rotoren als vorteilhaft herausgestellt.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Rotor vor und/oder während des Drehens auf eine Temperatur zwischen 40°C und 900°C erwärmt wird. Hierdurch können thermische Belastungen simuliert werden, die während des Betriebs in unterschiedlichen Strömungsmaschinen auftreten können. Insbesondere Temperaturen von 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C, 450°C, 500°C, 550°C, 600°C, 650°C, 700°C, 750°C, 800°C, 850°C oder 900°C sowie entsprechende Zwischentemperaturen haben sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Rotor aus einem hochtemperaturfesten Material wie etwa einer Nickel- oder Cobalt-Basislegierung besteht. Dabei kann grundsätzlich auch vorgesehen sein, dass axiale und/oder radiale Temperaturgradienten erzeugt werden.
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Eine besonderes gute Prüfung der Qualität der Fügeverbindung wird in weiterer Ausgestaltung dadurch ermöglicht, dass vor und/oder nach dem Drehen zumindest im Bereich der Fügeverbindung eine Oberflächenbeschaffenheit und/oder eine Geometrie des Rotors ermittelt wird. Durch eine Geometrieprüfung vor und nach dem Drehen können Fehler besonders zuverlässig erkannt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Fügeverbindung beispielsweise unter Verwendung eines Röntgenstrahlers durchstrahlt werden, da sich Fehlerstellen durch die während der Drehung auftretende Zugbelastung aufweiten.
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Eine besonders hohe Qualität des Rotors wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass der Rotor zur Herstellung einer Sollgeometrie feinbearbeitet wird. Hierdurch können sowohl eine gewünschte Oberflächengüte als auch eine geforderte Maßhaltigkeit des Rotors hergestellt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Prüfbarkeit der Qualität wenigstens einer Fügeverbindung zwischen einem Nabenelement, insbesondere einer Rotorscheibe und/oder einem Rotorring, und wenigstens einer mit dem Nabenelement gefügten Rotorschaufel eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere einer Blisk und/oder eines Blings für ein Flugzeugtriebwerk, wobei zumindest die Schritte Bereitstellen des Rotors, wobei dieser im Bereich der Fügeverbindung eine erste Fügezone umfasst, welche gegenüber an die erste Fügezone angrenzender zweiter Fügezonen eine geringere Querschnittsdicke aufweist, und Drehen des Rotors um seine Drehachse, wobei eine Drehzahl der Drehung derart eingestellt wird, dass sich der Rotor zumindest im Bereich seiner ersten Fügezone plastisch verformt, durchgeführt werden. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen und/oder Reparieren eines integral beschaufelten Rotors vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbessern der Prüfbarkeit der Qualität wenigstens einer Fügeverbindung.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen integral beschaufelten Rotor, insbesondere eine Blisk und/oder einen Bling für ein Flugzeugtriebwerk, mit wenigsten einer Rotorschaufel, die mit einem Nabenelement, insbesondere einer Rotorscheibe und/oder einem Rotorring, gefügt ist. Erfindungsgemäß ist eine bessere Überprüfbarkeit der Qualität derartiger Fügeverbindungen dadurch ermöglicht, dass eine Fügeverbindung zwischen dem Nabenelement und der Rotorschaufel eine ersten Fügezone umfasst, welche gegenüber angrenzenden zweiten Fügezonen eine geringere Querschnittsdicke aufweist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Fügeverbindung derartig ausgebildet wird, dass eine erste Fügezone mit einem gegenüber den beidenends angrenzenden zweiten Fügezonen eingeschränkten Querschnitt entsteht. Die Fügeverbindung weist somit zumindest bereichsweise eine Vertiefung auf. Hierdurch kann der integral beschaufelte Rotor im Unterschied zum Stand der Technik besser auf Fehlerstellen im Bereich der Fügeverbindung geprüft werden. Der erfindungsgemäße Rotor ist beispielsweise durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele erhältlich. Weitere sich hieraus ergebende Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen und/oder Reparieren eines integral beschaufelten Rotors vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen sowie deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Rotor.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Perspektivansicht einer mit einem Nabenelement gefügten Rotorschaufel;
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2 eine schematische und ausschnittsweise Seitenansicht einer in 1 gezeigten Fügeverbindung zwischen dem Nabenelement und der Rotorschaufel;
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3 eine schematische Schnittansicht der Fügeverbindung zwischen dem Nabenelement und der Rotorschaufel;
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4 eine schematische Schnittansicht der Fügeverbindung zwischen dem Nabenelement und einer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ausgebildeten Rotorschaufel;
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5 eine weitere schematische Schnittansicht der Fügeverbindung zwischen dem Nabenelement und der Rotorschaufel; und
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6 eine Prinzipdarstellung eines Rotors, welcher um eine Drehachse gedreht wird.
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1 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer mit einem scheibenförmigen Nabenelement 10 gefügten Rotorschaufel 12. Zwischen dem Nabenelement 10 und der Rotorschaufel 12 befindet sich eine mit Hilfe eines linearen Reibschweißverfahrens erzeugte Fügeverbindung 14, welche eine ersten Fügezone 16a umfasst. Die erste Fügezone 16a weist gegenüber beidenends angrenzenden zweiten Fügezonen 16b eine geringere Querschnittsdicke auf und erstreckt sich entlang der gesamten Fügeverbindung 14. Die beidenends der ersten Fügezone 16a angrenzenden zweiten Fügezonen 16b sind durch eine Schraffierung kenntlich gemacht.
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2 zeigt eine schematische und ausschnittsweise Seitenansicht der in 1 gezeigten Fügeverbindung 14 zwischen dem Nabenelement 10 und der Rotorschaufel 12. Dabei ist beispielhaft eine Fehlerstelle 18 abgebildet, die prüftechnisch bislang nur sehr schwer zu erfassen war. Die Fehlerstelle 18 bildet eine Schwachstelle, die zu geringeren Festigkeitswerten des fertigen Rotors 20 (s. 6) führen kann.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht der Fügeverbindung 14 zwischen dem Nabenelement 10 und der Rotorschaufel 12. Zum Erzeugen der Fügeverbindung 14 wurde dabei eine Rotorschaufel 12 verwendet, welche in ihrem mit dem Nabenelement 10 zu fügenden Endbereich 22 ein Aufmaß aufgewiesen hat. Nach dem Fügen wurde die erste, die verringerte Querschnittsdicke aufweisende Fügezone 16a mittels eines mechanischen Trennverfahrens erzeugt. Die nutförmige erste Fügezone 16a weist eine bis zu 1,0 mm verringerte Querschnittsdicke gegenüber den angrenzenden zweiten Fügezonen 16b auf. Der an die zweite Fügezone 16b anschließende Bereich 26 der Rotorschaufel 12 weist gegenüber einem gewünschten Sollmaß ebenfalls ein Aufmaß auf, so dass die Rotorschaufel 12 eine sogenannte Aufmassschaufel darstellt.
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4 zeigt eine schematische Schnittansicht der Fügeverbindung 14 zwischen dem Nabenelement 10 und einer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ausgebildeten Rotorschaufel 12. Zum Erzeugen der Fügeverbindung 14 wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Rotorschaufel 12 verwendet, die einen mit dem Nabenelement 10 zu fügenden Endbereich 22, sowie einen an den Endbereich 22 angrenzenden Bauteilbereich 24 umfasste. Der erste Endbereich 22 wies eine geringere Querschnittsdicke als der Bauteilbereich 24 auf, wohingegen der Bauteilbereich 24 gegenüber einer angedeuteten Soll-Kontur S der Rotorschaufel 12 ein Aufmaß aufwies. Der an den Bauteilbereich 24 angrenzende Bereich 26 der Rotorschaufel 12 ist im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel bereits mit einem gewünschten Sollmaß ausgebildet, so dass die Rotorschaufel 12 mit Ausnahme des Bauteilbereichs 24 eine Präzisionsschaufel darstellt und ohne weitere Nachbearbeitungsschritte verwendbar ist.
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5 zeigt zur näheren Verdeutlichung eine weitere schematische Schnittansicht der Fügeverbindung 14 zwischen dem Nabenelement 10 und der Rotorschaufel 12. Dabei ist im Bereich der Fügeverbindung 14 eine zunächst durch das Fügen gebildete Schweißwulst 28 erkennbar, die in der Folge mittels eines Trennverfahrens derart nachbearbeitet wird, dass die erste Fügezone 16a gebildet wird. Wie in 5 erkennbar ist, weist die erste Fügezone 16a eine verringerte Querschnittsdicke gegenüber den angrenzenden Fügezonen 16b auf. Gegenüber dem mit gestrichelten Linien dargestellten Sollmaß S besitzt die erste Fügezonen 16a hingegen ein Aufmaß.
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6 zeigt eine Prinzipdarstellung eines als Blisk ausgebildeten Rotors 20, welcher nach dem Erzeugen der einzelnen Fügeverbindungen 14 zwischen dem Nabenelement 10 und den einzelnen Rotorschaufeln 12 gemäß Pfeil IV in beliebiger Richtung um eine Drehachse D gedreht wird. Zu diesem Zweck wird der Rotor 20 in einen Schleuderstand (nicht gezeigt) eingespannt. Eine Drehzahl der Drehung wird derart eingestellt, dass sich der Rotor 20 zumindest im Bereich der jeweiligen ersten Fügezonen 16a (nicht erkennbar) plastisch verformt. Im vorliegenden Fall wird hierzu eine Drehzahl von etwa 17000 U/min eingestellt. Hierdurch wird eine besonders gute Prüfbarkeit der Fügeverbindungen 14 erzielt, da etwaige Fehlerstellen 18 geöffnet werden. Darüber hinaus werden die Fügezonen 16a, 16b gereckt, so dass ein definierter Eigenspannungszustand mit erhöhter Festigkeit eingestellt werden kann. Die Drehzahl kann dabei grundsätzlich derart eingestellt werden, dass auch das Nabenelement 10 mit verfestigt wird.
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Durch eine Geometrieprüfung der Fügeverbindungen 14 vor und nach dem Drehen können besagte Fehlerstellen 18 besonders zuverlässig erkannt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Fehlerstellen 18 durch Röntgen oder anderweitige durchstrahlende Prüfverfahren mit hoher Zuverlässigkeit erkannt werden. Die Drehzahl zur Plastifizierung der Fügezonen 16a, 16b ist im Vergleich zur maximal zulässigen Drehzahl des Rotors relativ gering. Schäden im Bereich der Rotorschaufeln 12 und im Bereich des Nabenelements 10 können durch die vorgehaltene Aufmasssituation ausgeschlossen werden.
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Der zum Drehen des Rotors 20 verwendete Schleuderstand kann leicht in eine Fabrikationslinie integriert werden, so dass die Prozesskette zur Herstellung des gefügten Rotors 20 sehr kurz gehalten werden kann.
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Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen – beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen – als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
