DE69409498T2

DE69409498T2 - Integrale Schaufel-Rotoreinheit

Info

Publication number: DE69409498T2
Application number: DE69409498T
Authority: DE
Inventors: Derek John Foster; Peter John Gillbanks; Keith Charles Moloney
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1993-12-08
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2014-11-26
Also published as: US5556257A; EP0666407A3; EP0666407A2; DE69409498D1; EP0666407B1; GB9325135D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Fertigung von integralen beschaufelten Radscheiben oder Trommeln. Insbesondere betrifft sie das Vorsehen verschleißbeständiger Spitzen für die Schaufeln solcher Komponenten.
Es ist bekannt, einstückige beschaufelte Radscheiben zur Verwendung in Verdichter- oder Turbinenläufern von Gasturbinentriebwerken insbesondere für Flugzeuge zu gießen, zu schmieden oder auf andere Weise zu fertigen. Auf dem Fachgebiet sind mehrere Techniken zur Herstellung von einstückigen beschaufelten Rotorscheiben bekannt, und die vorliegende Erfindung ist zum Einsatz mit diesen Techniken ausgelegt, bei welchen die Schaufeln an Ort und Stelle aus dem Vollen geformt werden, im Gegensatz zu ihrer gesonderten Herstellung und anschließenden Verbindung mit dem Rotor. In dem vorliegenden Zusammenhang sollen unter einstückigen beschaufelten Rotorscheiben nicht nur einstufige Scheiben (als "Blisks" bekommt), sondern auch mehrstufige Baugruppen, entweder aus miteinander verbundenen Teilen oder in einstückiger Ausbildung, weiter einstufige einstückige beschaufelte Ringe (als "Blings" bekannt) und mehrstufige beschaufelte Ring- oder Trommelbaugruppen (als "Blums" bekannt) verstanden werden.
Es ist außerdem bekannt, Schaufeln mit abrasiven Spitzen zu versehen, so daß, wenn oder wo sie mit einem umschließenden Teil des Triebwerksgehäuses in Berührung kommen, die Schaufelspitzen eine Verschleißbahn in eine speziell für diesen Zweck vorgesehene umschließende Auskleidung einschleifen können. Durch diese Technik können radiale Spielräume minimiert werden, um Gasleckagen über die Schaufelspitzen zu verringern und dadurch den Triebwerkswirkungsgrad zu verbessern. Geeignete Beschichtungsaufbringverfahren zum Aufbringen wahlweise einer Beschichtung aus einem harten ersten Material auf eine Oberfläche eines Körpers aus einem zweiten, verhältnismäßig weicheren Material sind unter der allgemeinen Bezeichnung der Reiboberflächenauftrags bekannt und in den britischen Patentdokumenten GB 2 268 430, GB 2 242 848, GB 2 224 682 und GB 2 210 572 beschrieben. Jedoch können auch andere Techniken zum Aufbringen von Oberflächenbeschichtungen angewendet werden, beispielsweise die Beschichtung durch Plasmaspritzen.
Bisher sind die harten bzw. abrasiven Spitzen einzeln auf die Schaufeln aufgebracht worden, wie beispielsweise in der britischen Patentanmeldung 2 153 447 beschrieben ist. Dies ist allerdings eine zeitaufwendige und daher teuere Arbeitsweise, da jede Schaufel gesondert behandelt wird. Die vorliegende Erfindung bezweckt die Überwindung dieses Nachteils dadurch, daß die harte, allen Schaufeln in der Baugruppe zugewandte Spitze tatsächlich gleichzeitig aufgebracht wird.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer einstückigen beschaufelten Radscheibe der Bauart vorgesehen, bei welcher mindestens einige einer Vielzahl von einstückig ausgebildeten Schaufeln mit Abständen um die Radscheibe angeordnet sind und aus einem ersten Material bestehen und mit einer Spitzenbeschichtung aus einem zweiten Material versehen werden, mit folgenden Schritten:
Herstellen eines Rohlings aus dem ersten Material mit einem Teilfertigzustand vor dem Formen der Schaufeln,
Aufbringen einer Beschichtung aus dem zweiten Material auf ausgewählte Bereiche der Oberfläche des Rohlings, und anschließendes Formen der Schaufeln.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren das Aufbringen des Überzugs aus dem zweiten Material auf einen Teil der Oberfläche des Radscheibenrohlings entsprechend den radial äußersten Spitzen der Schaufeln.
Der Beschichtungsschritt ist vorzugsweise ein Reiboberflächenauftragsprozeß, aber es können auch andere Techniken wie beispielsweise das Plasmaspritzen oder Elektroplattieren angewendet werden.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine einstückige geschaufelte Radscheibe für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen, bei welcher die radial äußerste Oberfläche mindestens einer Schaufel, die aus einem ersten Material besteht, mit einem zweiten Material beschichtet wird, das härter als das erste Material ist.
Vorzugsweise kann das zweite Material aus der Gruppe der Wolfram-, Silizium- und Chromkarbide oder aus der Gruppe der Titankarbide, Titannitride und Siliziumnitride ausgewählt werden oder kann ein Metalloxid sein. Weiter kann das erste Material, aus welchem die Schaufel hergestellt ist, aus der Gruppe Titan, Titanbasislegierungen, Nickelbasislegierungen und Stahl ausgewählt werden.
Die Erfindung wird nunmehr lediglich beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegenden schematischen, nicht maßstäblichen Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
die Figuren 1 und 2 Querschnitte entlang der Längsachse des Verdichterabschnitts eines Turbinentriebwerks mit aufeinanderfolgenden Stufen bei der Herstellung eines Blisks nach dem Verfahren nach der Erfindung,
Fig. 3 einen Querschnitt eines nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten Blisks, und
Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 2, welche das auf ausgewählte Teile des Umfangs des Rohlings aufgebrachte zweite Material zeigt.
Gemäß Fig. 1 ist ein Abschnitt durch einen kreisförmigen Scheibenrohling in Form eines Schmiedeteils 10 aus einer Titanlegierung dargestellt, welcher eine erste Stufe bei der Fertigung eines Blisks darstellt. Entsprechend dem bekannten Herstellungsverfahren wird der kreisförmige geschmiedete Rohling 10 um eine Achse drehbar beispielsweise auf einer CNC- Fräsmaschine aufgespannt. Der Scheibenumfang bietet sich einem Fräser am Maschinenkopf dar, der den Schlitz zwischen benachbarten Schaufeln ausfräst. Wenn eine Stufe fertiggestellt ist, wird die Scheibe in eine neue Position weitergeschaltet, und der Fräsvorgang wird wiederholt. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis alle benötigten Schlitze zwischen den Schaufeln hergestellt sind. Der Blisk weist nunmehr eine Nabe bzw. Radscheibe und einen vollständigen Satz einstückiger Schaufelrohlinge auf, die mit Abständen entlang seines Umfangs angeordnet sind. Es ist unwahrscheinlich, daß die Schaufeln direkt in Fertigform gefräst werden können. Deshalb ist noch eine weitere Arbeitsstufe zum Fertigstellen der Schaufeln notwendig, beispielsweise eine Elektroerosionsbearbeitung, bei welcher ein Elektroerosionswerkzeug um jede Schaufel gefahren wird, um unerwünschtes Metall von deren Oberflächen und Kanten abzutragen.
Bei bekannten Prozessen, wo die Schaufeln abrasive Spitzen aufweisen sollen, wird das harte abrasive Material auf die fertig geformten Schaufeln aufgebracht. Nach der Erfindung wird der "Spitzenbildungsprozeß", d.h. das Aufbringen des harten abrasiven Materials, in einer viel früheren Stufe des Blisk-Fertigungsverfahrens ausgeführt, nämlich bevor die einzelnen Schaufelrohlinge gebildet werden. Dieses zweite harte Material wird auf die benötigte Fläche bzw. Flächen der Scheibe aufgebracht, während diese sich noch im Rohzustand befindet. Das bevorzugte Verfahren, das aber nicht notwendiger Weise das einzig mögliche Verfahren darstellt, besteht darin, das zweite Material auf die gewählte Oberfläche oder Oberflächen des Scheibenrohlings 10 aus dem geschmiedeten ersten Material durch Reib-Oberflächenbehandlung aufzubringen.
Im Falle eines Blisks für eine Axialströmungs-Rotorstufe, wo die Schaufeln von der Radscheibe mehr oder weniger radial nach außen ragen, muß der abrasive Überzug auf den radial äußeren Enden der Schaufeln sitzen. Daher wird, wie in Fig. 1 der Zeichnungen schematisch dargestellt ist, der geschmiedete Scheibenrohling 10 auf eine Achse 12 montiert, und das Schmiedestück wird in Richtung des Pfeils 9 gedreht. Dabei wird ein Stab 14 aus dem zweiten Material gegen den Umfang des Rohlings 10 gedrückt und in Richtung des Pfeils 15 gedreht. Der Stab 14 kann beispielsweise aus Titankarbid be stehen. Während der Stab 14 gegen den Rohling 10 gedrückt und dabei gedreht wird, heizt sich seine Spitze auf und es wird dadurch eine Schicht aus dem zweiten Material auf dem Umfang des Rohlings reibverschweißt. Während der Rohling 10 langsamer um seine Achse 12 gedreht wird, wird eine Schicht 16 aus hartem Titankarbid auf den gesamten Umfang des Rohlings 10 aus der weicheren Titanlegierung aufgetragen.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen oberflächenbeschichteten Rohling, der nach dem Verfahren nach Fig. 1 hergestellt wurde, sowie in gestrichelten Umrissen die mittige Scheibe bzw. Nabe 18 und einige der Schaufeln 20 der fertigen einstückigen beschaufelten Radscheibe. Man sieht, daß die Spitzen der Schaufelumrisse 20 durch die harte Oberflächenbeschichtung 16 bedeckt sind.
Fig. 3 zeigt die Endstufe des Verfahrens, bei welcher die Schlitze zwischen den Schaufeln längs der gestrichelten Umrisse in Fig. 2 in den geschmiedeten Rohling eingefräßt werden. Das Endergebnis ist eine einstückige beschaufelte Radscheibe 22 aus einer Titanlegierung mit einer mittigen Scheibe bzw. Nabe 18 und einer Vielzahl von Schaufeln 20 (von denen nur einige dargestellt sind), deren radial äußerste Spitzen 24 durch das auf dem ursprünglichen Zylinder durch Reibauftrag aufgebrachte harte Titankarbid abgedeckt sind.
Wie zuvor erwähnt, können diese "Schaufeln" Schaufelrohlinge sein, die noch eine Endbearbeitung beispielsweise durch Elektroerosion benötigen, um ein Schaufelblattprofil zu erzeugen.
Bei einer Modifizierung der Erfindung kann das zweite Material anstelle des Auftrags als kontinuierliche umfangsmäßige Schicht nur dort aufgetragen werden, so sich später die geformten Schaufelspitzen befinden. Infolgedessen kann der Reibauftragstab 14 von der Oberfläche des Scheibenrohlings abgehoben werden, wo eine Beschichtung mit dem harten Material nicht benötigt wird. Dies minimiert den Verbrauch des Reibauftragsmaterials und macht es einfacher, das fertig beschichtete Schmiedeteil zu fräsen, da das härtere zweite Material wahrscheinlich mehr Werkzeugverschleiß verursacht als das weichere erste Material des Rohlings.
Es ist klar, daß auch andere Materialien als Titankarbid als Reibauftragsmaterial verwendet werden können. Siliziumnitrid oder Titannitrid können für Hochtemperaturanforderungen in Betracht gezogen werden. Für Anwendungen im mittleren bis niedrigeren Temperaturbereich kann es zweckmäßiger sein, ein Material wie beispielsweise Wolframkarbid, Siliziumkarbid oder Chromkarbid zu verwenden. Andere Materialien können ein Metalloxid wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Bornitrid sein. Der Stab 14 kann ein oder mehr harte zweite Materialien in einer Matrix aus weicherem Material suspendiert enthalten. Beispielsweise könnte eine Nickellegierungsmatrix verwendet werden, um abrasives Material auf einen Scheibenrohling aus einer Nickellegierung aufzubringen.
Die Auswahl des Reibauftragmaterials hängt auch von dem Material des Schmiedeteils 10 ab. Obwohl beispielsweise für diesen Zweck eine Titanlegierung oben angegeben ist, ist es klar, daß auch Materialien wie Stahl, Nickelbasislegierungen oder sogar reines Titan als Material des Schmiedeteils 10 geeignet sein können, je nach dem Anwendungszweck, für welchen die beschaufelte Radscheibe vorgesehen ist.
Bei manchen Triebwerken brauchen nicht alle Schaufeln mit abrasiven Spitzen versehen sein, und daher können nur eine oder eine kleine Anzahl von Schaufeln mit harten Spitzen nach der Erfindung versehen werden. Es ist auch klar, daß, obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einem Axialströmungsrotor mit radial verlaufenden Schaufeln beschrieben wurde, die Erfindung auch bei Radialströmungs- bzw. Zentrifugalrotoren anwendbar ist. Die Spitzenbeschichtung bzw. das zweite Material kann einfach ein hartes Verschleißmaterial anstatt ein abrasives Material sein.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Schaufelrads (22) der Bauart, bei welcher mindestens einige aus einer Vielzahl von einstückig hergestellten Schaufeln (20), die mit Abständen um die Radscheibe (18) verteilt sind und aus einem ersten Material bestehen, mit einer Spitzenbeschichtung aus einem zweiten Material (16) versehen sind, mit folgenden Schritten:

Herstellen eines Rohlings (10) aus dem ersten Material mit einem Teilfertigzustand vor dem Formen der Schaufeln,

Aufbringen einer Beschichtung aus dem zweiten Material (16) auf ausgewählte Bereiche der Oberfläche des Rohlings (10), und anschließendes Formen der Schaufeln (20).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus dem zweiten Material (16) auf einen den radial äußersten Spitzen (24) der Schaufeln entsprechenden Teil der Oberfläche des Scheibenrohlings (10) aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung aus dem zweiten Material (16) auf einen mindestens einer Schaufel (20) entsprechenden Teil der Oberfläche des Scheibenrohlings (10) aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beschichtungsschritt ein Reib-Oberflächenbehandlungsvorgang ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Material (16) aus der Gruppe Wolframkarbid, Siliziumkarbid und Chromkarbid ausgewählt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Material (16) aus der Gruppe Titankarbid, Titannitrid und Siliziumnitrid ausgewählt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Material (16) ein Metalloxid ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material, aus welchem die Schaufel (20) hergestellt ist, aus der Gruppe Titan, Titanbasislegierungen, Nickelbasislegierungen und Stahl hergestellt ist.

9. Einstückiges Schaufelrad (22) für ein Gasturbinentriebwerk, wobei die radial äußerste Oberfläche mindestens einer Schaufel (20) aus einem ersten Material mit einem zweiten Material (16) beschichtet ist, das härter als das erste Material ist, wobei das Schaufelrad nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.