DE69205187T2

DE69205187T2 - Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schauffel für eine Turbomaschine.

Info

Publication number: DE69205187T2
Application number: DE1992605187
Authority: DE
Inventors: Andre Claude Felix Collot; Bernard Philippe Cornil Sohier; Danilo Varela
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2012-02-20
Also published as: JPH05192729A; EP0500458B1; FR2672826B1; DE69205187D1; JP2574589B2; FR2672826A1; EP0500458A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel für Turbomaschinen.
Die Vorteile bei der Verwendung von Schaufeln mit großer Weite für Turbomaschinen haben sich insbesondere bei Gebläserotorschaufeln von Zweikreis-TL-Triebwerken gezeigt. Diese Schaufeln müssen harten Einsatzbedingungen genügen und insbesondere ausreichende mechanische Eigenschaften, verbunden mit vibrationsdämpfenden Eigenschaften und Festigkeit gegenüber dem Auftreffen von Fremdkörpern besitzen. Der Zweck ausreichender Geschwindigkeiten am Ende der Schaufel führte ferner dazu, nach einer Verringerung der Massen zu streben. Dieses Ziel wird insbesondere durch die Verwendung von hohlen Schaufeln erreicht.
FR-A-1 577 388 beschreibt ein Ausführungsbeispiel einer Schaufel, die aus zwei Wandelementen besteht, zwischen denen eine wabenförmige Struktur angeordnet ist, wobei diese Wandelemente insbesondere aus Titanlegierung bestehen und durch Warmpressen mit dem gewünschten Profil und der gewünschten Form ausgeführt werden.
Es ist auch aus FR-A-2 286 688 und FR-A-2 304 438 ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Struktur aus mehreren Teilen bekannt, das einen Hochtemperatur-Formvorgang durch Superplastizität umfaßt, bei dem der Druck einer trägen Flüssigkeit in einem geeigneten Werkzeug angewendet wird, verbunden mit einem Diffusionsschweißvorgang.
In der Schrift US-A-4 882 823, die als nächster Stand der Technik gilt, wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Teils aus mindestens zwei zusammengesetzten Blechen beschrieben, das die Schritte der Anbringung von Diffusionswänden, des Diffusionsschweißens und der superplastischen Formung durch Aufblähen in einem Werkzeug beinhaltet. Eine Variante, die bei Turbotriebwerkschaufeln anwendbar ist, sieht nach Diffusionsschweißen der Struktur einen Vorgang des Formens der Schaufel durch Verwinden vor, bevor das superplastische Formen erfolgt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei der Herstellung von Teilen mit einem Aufbau mit mindestens drei Blechen, die bei drehenden Teilen ggf. eine kontrollierte Verteilung der Massen im Verhältnis zu einem Zentrifugalfeld aufweisen, ein alternatives Herstellungsverfahren anzuwenden, mit dem insbesondere Gebläseschaufeln mit großer Weite erzielt werden können.
Ein Herstellungsverfahren wie in den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 definiert, das diesen Bedingungen entspricht, umfaßt die folgenden, aufeinanderfolgenden Schritte:
a) Herstellung der Hauptteile, bestehend aus zwei Außenblechen und mindestens einem mittleren Blech,
b) Warmformen der im vorherigen Schritt (a) erhaltenen Teile mit dem vorgesehenen Profil durch Hohlprägen und Verwinden, so daß jedes der mindestens drei Teile verwundene und gewölbte Oberflächen aufweist,
c) Anbringen der Diffusionswände an dem mittleren Blech,
d) Zusammensetzen und Anbringen auf dem Werkzeug,
e) Diffusionsschweißen an den bei Schritt (c) ausgewählten Stellen,
f) Aufblähen unter Gasdruck und superplastisches Formen der ausgewählten Bereiche,
g) Endbearbeitung.
Je nach Anwendung können ein einziges mittleres Blech oder zwei mittlere Bleche verwendet werden.
Vorteilhafterweise können die Außenbleche durch Warmformen aus Teilen mit degressiver Dicke oder durch Stauchformen unter Anwendung an sich bekannter Warmformpreßverfahren oder Isothermschmiedeverfahren erzielt werden. Das oder die mittlere(n) Blech(e) kann (können) entweder im Stadium als Hauptteil in Schritt (a) des Verfahrens oder nach dem Schritt (b) vor Anbringung der Diffusionswände chemisch bearbeitet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen näher aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsart der Erfindung hervor, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
- Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht der Bestandteile der Schaufel nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren zeigt,
- Fig. 2 ein mittleres Blech mit variabler Dicke zeigt,
- die Figuren 3A und 3B schematisch Ausführungsdetails des in Fig. 2 dargestellten Blechs zeigen,
- Fig. 4 in einer Perspektivansicht ein mittleres Blech zeigt, das mit Diffusionswänden beschichtet ist,
- Fig. 5 ein Schema des Endzusammenbaus der Teile in einer Perspektivansicht zeigt,
- Fig. 6 den Vorgang des Diffusionsschweißens der Teile zeigt,
- Fig. 7 den Vorgang des Aufblähens und superplastischen Formens der Innenverstärkungen des Teils zeigt,
- die Figuren 8 und 9 Ausführungsvarianten von Schaufeln zeigen, die schematisch im Schnitt dargestellt sind.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel für Turbomaschinen mit einem erfindungsgemäßen Ablauf der Vorgänge, der in den Figuren 1 bis 7 schematisch dargestellt ist, zeigt Fig. 1 ein Beispiel für zwei Außenbleche 1 mit Zapfen 2 und ein mittleres Blech 7, welche die Hauptteile der Schaufel bilden. Bei der Herstellungsweise dieser Hauptteile werden Techniken angewendet, die an sich bekannt sind.
Fig. 1 zeigt die genannten Teile 1 und 7 nach einem Vorgang des Hohlprägens/Verwindens gemäß einer bekannten Technik des Warmformens, bei der ein Werkzeug verwendet wird, das in den Zeichnungen nicht dargestellt ist.
In einer Variante kann vor dem Hohlprägen/Verwinden ein chemischer Bearbeitungsvorgang an dem mittleren Blech 7 durchgeführt werden, um durch Einstellung der Dicken eine bestimmte Masseverteilung an der Schaufel zu erhalten.
Je nach Anwendung kann es von Vorteil sein, nach dem Vorgang des Hohlprägens/Verwindens die chemische Bearbeitung des mittleren Blechs 7 gemäß den Schemata der Figuren 2, 3A und 3B durchzuführen. In diesem Fall wird eine chemische Bearbeitung durchgeführt, um ein Blech mit variablen Dicken zu erhalten. Die Figuren 3A und 3B zeigen das genannte Blech 7 nach der chemischen Bearbeitung in Schnitten, die senkrecht zu den Rändern der herzustellenden Schaufel oder parallel zu diesen Rändern verlaufen. Insbesondere können auf dem mittleren Blech 7 drei Dickenbereiche 7a, 7b und 7c, wie in den Figuren 2 und 3A dargestellt, und/oder Bereiche mit in senkrechter Richtung variabler Dicke gemäß Fig. 3B hergestellt werden.
Diese Arbeitsvorgänge werden mit den bekannten Techniken zur chemischen Bearbeitung ausgeführt, insbesondere unter Anwendung von Abdeckverfahren, Laserausschnitten usw.
Das genannte mittlere Blech 7 wird sodann mit Diffusionswänden beschichtet, die Schweißzonen 12 abgrenzen, wie in Fig. 4 dargestellt. Die Bereiche zum Anbringen der Diffusionswände werden mittels einer Maske abgegrenzt, die entweder ein starres oder biegsames Werkzeug, oder eine haftende Ablagerung auf der Oberfläche eines geeigneten, an sich bekannten Materials sein kann, die ausgeschnitten oder abgezogen wird, und während des Schweißens und Abnehmens der Maske eine Diffusionswand bildet.
Sodann erfolgt ein abschließender Zusammenbau der Bestandteile der herzustellenden Schaufel 11: der Außenbleche 1 und des mittleren Blechs 7. Die Montagezapfen 2 werden, wie in Fig. 5 dargestellt, verwendet. Dieser Zusammenbauvorgang umfaßt auch die Vorbereitung der Gesamtanordnung 11 für die folgenden Arbeitsschritte.
In Fig. 6 ist schematisch die Anbringung des Rohlings der Schaufel 11 an einem Werkzeug 14 dargestellt, welches Gaszuführungen 15 zum Unter-Druck-Setzen sowie geeignete Dichtungsvorrichtungen aufweist. Bei dem dargestellten Beispiel wird die Dichtigkeit zwischen dem Inneren und außerhalb des Werkzeugs durch eine einzelne Dichtung 16 und die Dichtigkeit zwischen dem Inneren der Schaufel und dem Inneren des Werkzeugs mittels einer Umfangsschweißnaht an dem Teil, wie in Fig. 5 mit 13 dargestellt, gewährleistet. Je nach verwendetem Werkzeug kann die Dichtigkeit einerseits des Werkzeugs nach außen und andererseits des Inneren der Schaufel gegenüber dem Inneren des Werkzeugs mittels einer Dichtung gewährleistet werden, die direkt durch Fließen und Diffusionsschweißen der Außenkontur des Teils erzeugt wird. In diesem Fall wird der Eindruck der Dichtung bei der Endbearbeitung beseitigt. Das Diffusionsschweißen erfolgt im Ofen. Bei einem Anwendungsbeispiel mit Teilen aus Titanlegierung erfolgt der Vorgang bei einer Temperatur von 930 ºC , und es wird ein neutrales Gas wie z. B. Argon zum Unter-Druck- Setzen der Teile verwendet, wie mit den Pfeilen 17 schematisch dargestellt. Bei einem Anwendungsbeispiel beträgt der angewendete Druck 4 MPa. Die Schweißnähte 18 zwischen dem mittleren Blech 7 und den Außenblechen 1 sind abwechselnd auf der einen und auf der anderen Seite angeordnet, wie in Fig. 6 dargestellt.
Die Schaufel 11 wird sodann an dem einzigen Werkzeug 14 festgehalten, um den Vorgang des Aufblähens und superplastischen Formens unter Argondruck durchzuführen, wobei der zuvor angebrachte Gaskollektor sowie die Gaszuführungen verwendet werden, die bei dem vorhergehenden chemischen Bearbeitungsvorgang des mittleren Blechs 7 und bei der Anbringung der Schaufel 11 an dem Werkzeug 14 hergestellt werden. Während dieses Vorgangs nimmt die Schaufel 11 auf diese Weise ihre endgültige Innenform an, wie in Fig. 7 dargestellt.
Es bleibt sodann noch, der Schaufel 11 durch eine Endbearbeitung, insbesondere durch spanabhebende Bearbeitung der Außenseite und Entfernen der Verbindungselemente, Endbearbeitung der Vorder- und Hinterkanten der Schaufel 11 und Endbearbeitung des Schaufelfußes, die endgültige Form zu geben, wobei diese Techniken an sich bekannt sind. Es ist zu bemerken, daß die Vorder- und Hinterkanten der Schaufel vor der Endbearbeitung eine Form haben können, die der endgültiden Form nahekommt.
Das soeben beschriebene Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel für Turbomaschinen kann, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, auf Schaufeln angewendet werden, die Ausführungsvarianten aufweisen. Insbesondere können anstelle eines einzigen mittleren Blechs 7 mehrere mittlere Bleche verwendet werden. Mindestens eines dieser mittleren Bleche hat eine kontinuierliche Oberfläche wie das Blech 7, das zu der oben unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 beschriebenen Ausführung gehört. Es können ferner ein oder mehrere zusätzliche Zwischenbleche verwendet werden, die beispielsweise einen ausgesparten Teil in der Mitte aufweisen, so daß sie insbesondere die Ränder der so hergestellten Schaufel verstärken.
Bei einer anderen Ausführungsart können zwei mittlere Bleche dergestalt verwendet werden, daß ein Schaufelaufbau, wie in Fig. 8 schematisch im Schnitt dargestellt, erzielt wird, wobei die Außenbleche 1 mit zwei mittleren Blechen 19 und 20 verbunden sind. Je nach Anwendung können weitere Arten des Aufbaus angestrebt werden, wie in Fig. 9 dargestellt. In allen Fällen werden durch Diffusionsschweißen Verbindungen zwischen den einzelnen Blechen hergestellt, und es wird auch erfindungsgemäß ein Vorgang des Aufblähens unter Gasdruck und des superplastischen Formens angewendet, nachdem die Gesamtanordnung einem Vorgang des Hohlprägens/Verwindens unterzogen wurde.
Es ist auch zu bemerken, daß bei der vorgeschlagenen Lösung ggf. auch verschiedene Materialien für die mittleren Bleche und für die Außenbleche verwendet werden können und das Material der letzteren insbesondere nicht die gleichen Superplastizitätseigenschaften haben muß wie das der mittleren Bleche.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel für Turbomaschinen, insbesondere einer Gebläserotorschaufel mit großer Weite, bestehend aus den folgenden, aufeinanderfolgenden Schritten:

a) Herstellung der Hauptteile, bestehend aus zwei Außenblechen (1) und mindestens einem mittleren Blech (7),

b) Warmformen der im vorherigen Schritt (a) erhaltenen Teile (1, 7) mit dem vorgesehenen Profil durch Hohlprägen und Verwinden, so daß jedes der mindestens drei Teile (1, 7) verwundene und gewölbte Oberflächen aufweist,

c) Anbringen der Diffusionswände an dem mittleren Blech (7),

d) Zusammensetzen und Anbringen auf dem Werkzeug (14),

e) Diffusionsschweißen an den in Schritt (c) ausgewählten Stellen (12),

f) Aufblähen unter Gasdruck und superplastisches Formen der ausgewählten Bereiche,

g) Endbearbeitung.

2. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel nach Anspruch 1, wobei der Schritt (a) zur Herstellung der Hauptteile einen Schritt (a1) umfaßt, der in einem chemischen Bearbeitungsvorgang des mittleren Blechs (7) besteht.

3. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei nach dem Schritt (b) des Hohlprägens/Verwindens in einem zusätzlichen Schritt (b1) das verwundene und gewölbte mittlere Blech (7) einem Vorgang

der chemischen Bearbeitung dergestalt unterzogen wird, daß ein Blech mit variablen Dicken erzielt wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hauptteile aus zwei Außenblechen (1) und mehreren mittleren Blechen (7) bestehen.

5. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel nach Anspruch 4, wobei die mittleren Bleche (7) aus mindestens einem mittleren Blech (7) mit kontinuierlicher Oberfläche und mindestens einem Blech mit einem ausgesparten Teil in der Mitte bestehen.

6. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel nach Anspruch 4, wobei die mittleren Bleche zwei an der Zahl sind (18, 19), wobei die beiden genannten Bleche (18, 19) mit den Außenblechen (1) durch Diffusionsschweißen verbunden werden und einem Vorgang des Aufblähens unter Gasdruck und des superplastischen Formens unterzogen werden.