DE10343760A1

DE10343760A1 - Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines beschaufelten Rotors für eine Strömungsmaschine sowie dafür geeignete Schaufeln bzw. Ersatzschaufelabschnitte

Info

Publication number: DE10343760A1
Application number: DE10343760A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dr. Richter
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2023-09-23
Also published as: DE10343760B4

Abstract

Es sind Verfahren zur Reparatur oder Herstellung eines beschaufelten Rotors für eine Strömungsmaschine bekannt, bei denen eine (Ersatz-)Schaufel auf einem Stumpf des Rotorträgers positioniert wird und dann mit diesem induktionsverschweißt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist ihre Positionsgenauigkeit, die sehr hohen Anforderungen nicht genügt. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Reparatur oder Herstellung eines beschaufelten Rotors anzugeben, welches eine bessere Positionsgenauigkeit aufweist. DOLLAR A Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem in die Oberfläche des Ersatzschaufelabschnitts eine Nut eingebracht wird, die in Form und Größe dem Stumpf derart entspricht, dass der Stumpf leichtgängig in die Nut einfahren kann und dabei von der Nut zwangsgeführt wird. Danach werden beide positionsgenau miteinander verschweißt (Fig. 2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur oder Herstellung eines beschaufelten Rotors für eine Strömungsmaschine gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bis 4 sowie dafür geeignete Schaufeln bzw. Ersatzschaufelabschnitte gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 7 und 8.

Aus der DE 198 31 736 C2 ist ein Verfahren zur Reparatur oder Herstellung eines beschaufelten Rotors für eine Strömungsmaschine bekannt, bei dem eine (Ersatz-) Schaufel auf einem Stumpf des Rotorträgers positioniert wird und dann mit diesem induktionsverschweißt wird.

Nachteilig an diesem Verfahren ist einerseits eine Positionsgenauigkeit, die sehr hohen Anforderungen nicht genügt und andererseits, dass dabei Kerben im Verbindungsbereich von Schaufel und Stumpf auftreten können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Reparatur oder Herstellung eines beschaufelten Rotors anzugeben, welches eine bessere Positionsgenauigkeit aufweist sowie dafür geeignete Schaufeln bzw. Ersatzschaufelabschnitte.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 bis 4 durch deren kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Aufgabe wird von einer Schaufel bzw. einem Ersatzschaufelabschnitt mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Patentansprüche 7 und 8 durch deren kennzeichnende Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung wird in die Oberfläche der Schaufel bzw. des Ersatzschaufelabschnitts eine Nut eingebracht, die in Form und Größe einem Schaufelstumpf bzw. einem Stumpfabschnitt derart entspricht, dass der Stumpf bzw. der Stumpfabschnitt leichtgängig in die Nut einfahren kann und dabei von der Nut zwangsgeführt wird. Danach werden beide Teile induktionsverschweißt.

Die Zwangsführung gewährleistet gegenüber dem einfachen Vorhalten gemäß dem Stand der Technik nach der DE 198 31 736 C2 eine wesentlich höhere Positionsgenauigkeit. Darüber hinaus ermöglicht die vollständige Umfassung des Stumpfs bzw. Stumpfabschnitts durch das die Nut umschließende Schaufelmaterial nach einer entsprechenden Nachbearbeitung eine vollständig kerbfreie Verbindung von Schaufel und Stumpf.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zusätzlich die Stirnfläche des Stumpfs bzw. Stumpfabschnitts entlang ihres Umfangs abgetragen, so dass ein Höcker entsteht, wobei Höcker und Nut derart in Form und Größe aneinander angepasst werden, dass der Höcker leichtgängig in die Nut einfahren kann und dabei von der Nut zwangsgeführt wird.

Ein solches Verfahren weist die gleiche hohe Positionsgenauigkeit auf. Darüber hinaus ist aber der Nachbearbeitungsaufwand geringer, da weniger Material im Übergangsbereich von Stumpf und Schaufel bearbeitet werden muss. Die Nachbearbeitung erfolgt vorzugsweise spanend.

Die Nut kann mittels der üblichen Bearbeitungsverfahren hergestellt werden, insbesondere durch Fräsen, Erodieren oder durch elektro-chemisches Bearbeiten (ECM).

Weitere vorteilhafte Verfahrensdetails sind dem Fachmann z.B. aus der DE 198 31 736 C2 bekannt, deren Offenbarungsgehalt vollständig in diese Beschreibung aufgenommen wird.

Ein erfindungsgemäßer Ersatzschaufelabschnitt für den Ersatz eines beschädigten Schaufelabschnitts für einen Rotor einer Strömungsmaschine weist an der zur Anbringung an die Schaufel vorgesehenen Seite des Ersatzschaufelabschnitts in seiner Oberfläche eine Nut auf. Diese Nut ist vorteilhafter Weise so gestaltet, dass sie in Form und Größe dem Stumpfabschnitt der zu reparierenden Schaufel derart entspricht, dass der Stumpfabschnitt leichtgängig in die Nut einfahren kann und dabei von der Nut zwangsgeführt wird. Die Schaufel ist profiliert, entsprechend ist es auch der Stumpfabschnitt. Die Nut ist entweder an das Profil des Stumpfabschnitts angepasst oder letzterer muss durch entsprechendes Abtragen seines Umfangs an das Profil der Nut angepasst werden.

Eine erfindungsgemäße Schaufel für die Herstellung eines Rotors einer Strömungsmaschine weist eine Nut auf, die in Form und Größe an einen Stumpf auf dem Träger des Rotors ebenso angepasst ist, wie der oben beschriebene Ersatzschaufelabschnitt.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von mehreren Ausführungsbeispielen und der 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen:
1 Rotor für eine Strömungsmaschine mit beschädigten Schaufeln
2 Ausschnittsvergrößerung des Rotorabschnitts mit den beschädigten Schaufeln 3 Anbringung eines Ersatzschaufelabschnitts auf dem Stumpf einer Schaufel – senkrecht zur Schaufel
4 Anbringung eines Ersatzschaufelabschnitts auf dem Stumpf einer Schaufel – längs zur Schaufel
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Rotors für eine Strömungsmaschine, der einen als Scheibe ausgebildeten Träger 1 aufweist, an dessen Umfangsfläche 2 zahlreiche Schaufeln 3, 4, 5 integral angeordnet sind und nach außen vorstehen. Neben unbeschädigten Schaufeln 3 weisen zwei Schaufeln 4 und 5 im Bereich der Schaufelvorderkannte 6 Beschädigungen auf.
Wie in der Ausschnittsvergrößerung gemäß 2 zu erkennen ist, liegt eine Beschädigung an der Schaufel 4 lediglich an der Schaufelvorderkannte 6 (nahe an der Schaufelspitze 8) vor, während die Schaufelhinterkannte 7 im wesentlichen unversehrt ist. Erfindungsgemäß wird ein Schaufelabschnitt 4' entlang der Trennebene 9 von der Schaufel 4 entfernt und ein Stumpfabschnitt 10 mit einer Stirnfläche 11 zurückgelassen. Bei Beschädigungen wie an der Schaufel 4 ist es nicht erforderlich, dass die Schaufel 4 im wesentlichen vollständig entfernt wird.
Ebenfalls aus 2 ersichtlich ist, dass die Beschädigung an der Schaufel 5 im mittleren Bereich zwischen der Schaufelspitze 8 und der Umfangsfläche 2 des Trägers 1 vorliegt. In diesem Fall wird gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens der zu ersetzende beschädigte Schaufelabschnitt 5' entlang einer Trenn ebene 12 nahezu vollständig entfernt, so dass ein circa 2 bis 3 mm über die Umfangsfläche 2 des Trägers 1 vorstehender Stumpf 13 mit einer Stirnfläche 14 zurückbleibt. Die Trennebene 12 verläuft im wesentlichen parallel zu einer Querschnittsfläche der Schaufel 5.
Erfindungsgemäß wird in einem nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in einen Ersatzschaufelabschnitt 20 in seine zur Anbringung an den Stumpf 13 in Richtung der Umfangsfläche 2 vorgesehene Oberfläche 21 eine circa 2 mm tiefe Nut 210 eingebracht (gefräst), die in Form, Größe und Krümmung dem Stumpf 13 derart entspricht, dass der Stumpf 13 leichtgängig in die Nut 210 einfahren kann und dabei von der Nut 210 zwangsgeführt wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird gemäß 3 um den Stumpf 13 ein (ledig schematisch dargestellter) Induktor 16 angeordnet, welcher mit einer Stromquelle verbunden ist. Danach wird der Ersatzschaufelabschnitt 20 mit seiner Oberfläche 21 und der darin enthaltenen Nut 210 derart über dem Stumpf 13 positioniert, dass die Nut 210 und die Stirnfläche 14 des Stumpfs 13 sich fluchtend gegenüberstehen. Danach werden beide zusammengefahren, wobei die leichtgängige Zwangsführung des Stumpfs 13 in der Nut 210 eine präzise Positionierung gewährleistet.
Abschließend erfolgt der Schweißvorgang unter Schutzgasatmosphäre. Dabei wird der Induktor 16 mit einem Hochfrequenzstrom beaufschlagt, wobei die Dauer derart gewählt wird, dass der Werkstoff des Ersatzschaufelabschnitts 20 und des Stumpfs 13 lediglich in ihrem Kontaktbereich schmelzflüssig oder teigig wird. Die geeignete Zeitdauer ist leicht empirisch zu ermitteln, dem Fachmann stehen aber auch geeignete Simulationsprogramme zur Verfügung. Während der Erwärmungszeit wird der Ersatzschaufelabschnitt 20 mit konstantem Druck auf den Stumpf 13 gepresst. Ein geeigneter Druck ist wiederum empirisch oder mittels Simulation ermittelbar. Der Fügebereich kann entlang seines Umfangs noch nachbearbeitet werden. Dies erfolgt vorzugsweise spannend.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stumpf 13 entlang seines Umfangs für circa 2–3 mm seiner Höhe abgetragen. Die Tiefe des Abtrags orientiert sich an der Form der korrespondierenden Nut 210 derart, dass eine leichtgängige Zwangsführung erfolgt. Das Resultat ist ein Höcker 140 auf dem Stumpf 13.
Bei dieser Ausgestaltung muss der Querschnitt des Ersatzschaufelabschnitts 20 im Verschmelzungsbereich nicht mehr (wie im ersten Ausführungsbeispiel) größer sein als der Querschnitt des Stumpfs, sondern beide sind gleich groß. Dadurch wird man einerseits in der Wahl von Form und Größe der Nut freier (es können auch mehrere eingebracht werden). Andererseits liegt nach dem Schweißen im Fügebereich keine oder nur eine geringe Verdickung vor, wodurch evtl. Nachbearbeitungsaufwand deutlich gesenkt wird.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Reparaturverfahren im wesentlichen nur dadurch, dass kein beschädigter Schaufelabschnitt zu entfernen ist und der Stumpf 13' stets die Form und Größe gemäß der Trennebene 12 aus 2 aufweist.

1: Träger, scheibenförmig
2: Umfangsfläche des Trägers
3, 4, 5: Schaufeln
4', 5': zu ersetzende Schaufelabschnitte
6: Schaufelvorderkante
7: Schaufelhinterkante
8: Schaufelspitze
9, 12: Trennebene
10: Stumpfabschnitt
11: Stirnfläche des Stumpfabschnitts
13, 13': Stumpf
14: Stirnfläche des Stumpfes
140: Höcker
16: Induktor
20: Ersatzschaufelabschnitt
20': neue Schaufel
21: Oberfläche
210: Nut

Claims

Verfahren zur Reparatur eines beschaufelten Rotors für eine Strömungsmaschine, bei dem an einer Umfangsfläche (2) eines Trägers (1) mehrere vorstehende Schaufeln (3, 4, 5) angeordnet sind, mit den Schritten: Entfernen eines zu ersetzenden Schaufelabschnitts (4', 5') unter Zurücklassung eines einen Teil der Schaufel (3, 4, 5) bildenden Stumpfabschnitts (10, 13), der eine Stirnfläche (11, 14) zum Verbinden mit einem Ersatzschaufelabschnitt (20) aufweist; Anordnen eines Induktors (16) um die Stirnfläche (11, 14) des Stumpfabschnitts (10, 13) herum; Positionieren eines dem entfernten Schaufelabschnitt (4', 5') entsprechenden, im wesentlichen in seiner fertigen Form vorliegenden Ersatzschaufelabschnitts (20) an dem Stumpfabschnitt (10, 13), wobei sich eine Oberfläche (21) des Ersatzschaufelabschnitts (20) und die Stirnfläche (11, 14) des Stumpfabschnitts (10, 13) im wesentlichen fluchtend gegenüberstehen; Induktionsverschweißen des Ersatzschaufelabschnitts (20) mit dem Stumpfabschnitt (10, 13) durch Erregen des Induktors (16) mit hochfrequentem Strom und Zusammenfahren des Ersatzschaufelabschnitts (20) und des Stumpfabschnitts (10, 13), dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschweissen in die Oberfläche (21) des Ersatzschaufelabschnitts (20) eine profilierte Nut (210) eingebracht wird, die in Form und Größe dem Stumpfabschnitt (10, 13) derart entspricht, dass der Stumpfabschnitt (10, 13) leichtgängig in die Nut (210) einfahren kann und dabei von der Nut (210) zwangsgeführt wird.
Verfahren zur Reparatur eines beschaufelten Rotors für eine Strömungsmaschine, bei dem an einer Umfangsfläche (2) eines Trägers (1) mehrere vorstehende Schaufeln (3, 4, 5) angeordnet sind, mit den Schritten: Entfernen eines zu ersetzenden Schaufelabschnitts (4', 5') unter Zurücklassung eines einen Teil der Schaufel (3, 4, 5) bildenden Stumpfabschnitts (10, 13), der eine Stirnfläche (11, 14) zum Verbinden mit einem Ersatzschaufelabschnitt (20) aufweist; Anordnen eines Induktors (16) um die Stirnfläche (11, 14) des Stumpfabschnitts (10, 13) herum; Positionieren eines dem entfernten Schaufelabschnitt (4', 5') entsprechenden, im wesentlichen in seiner fertigen Form vorliegenden Ersatzschaufelabschnitts (20) an dem Stumpfabschnitt (10, 13), wobei sich eine Oberfläche (21) des Ersatzschaufelabschnitts (20) und die Stirnfläche (11, 14) des Stumpfabschnitts (10, 13) im wesentlichen fluchtend gegenüberstehen; Induktionsverschweißen des Ersatzschaufelabschnitts (20) mit dem Stumpfabschnitt (10, 13) durch Erregen des Induktors (16) mit hochfrequentem Strom und Zusammenfahren des Ersatzschaufelabschnitts (20) und des Stumpfabschnitts (10, 13), dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschweissen in die Oberfläche (21) des Ersatzschaufelabschnitts (20) eine Nut (210) eingebracht wird und die Stirnfläche (11, 14) des Stumpfabschnitts (10, 13) entlang ihres Umfangs abgetragen wird, so dass ein Höcker (110, 140) entsteht, wobei Höcker (110, 140) und Nut (210) derart in Form und Größe aneinander angepasst werden, dass der Höcker (110, 140) leichtgängig in die Nut (210) einfahren kann und dabei von der Nut (210) zwangsgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines beschaufelten Rotors für eine Strömungsmaschine, bei dem an einer Umfangsfläche (2) eines Trägers (1) mehrere vorstehende Schaufeln (3, 4, 5) anzuordnen sind, mit den Schritten: Anordnen eines Induktors (16) um eine Stirnfläche (14) eines Stumpfs (13') herum; Positionieren einer im wesentlichen in ihrer fertigen Form vorliegenden Schaufel (20') an den Stumpf (13'), wobei sich eine Oberfläche (21) der Schaufel (20') und die Stirnfläche (14) des Stumpfs (13') im wesentlichen fluchtend gegenüberstehen; Induktionsverschweißen der Schaufel (20') mit dem Stumpf (13') durch Erregen des Induktors (16) mit hochfrequentem Strom und Zusammenfahren des Schaufel (20') und des Stumpfs (13'), dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschweissen in die Oberfläche (21) der Schaufel (20') eine profilierte Nut (210) eingebracht wird, die in Form und Größe dem Stumpf (13') derart entspricht, dass der Stumpf (13') leichtgängig in die Nut (210) einfahren kann und dabei von der Nut (210) zwangsgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines beschaufelten Rotors für eine Strömungsmaschine, bei dem an einer Umfangsfläche (2) eines Trägers (1) mehrere vorstehende Schaufeln (3, 4, 5) anzuordnen sind, mit den Schritten: Anordnen eines Induktors (16) um eine Stirnfläche (14) eines Stumpfs (13') herum; Positionieren einer im wesentlichen in ihrer fertigen Form vorliegenden Schaufel (20') an den Stumpf (13'), wobei sich eine Oberfläche (21) der Schaufel (20') und die Stirnfläche (14) des Stumpfs (13') im wesentlichen fluchtend gegenüberstehen; Induktionsverschweißen der Schaufel (20') mit dem Stumpf (13') durch Erregen des Induktors (16) mit hochfrequentem Strom und Zusammenfahren des Schaufel (20') und des Stumpfs (13'), dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschweissen in die Oberfläche (21) der Schaufel (20') eine Nut (210) eingebracht wird, und die Stirnfläche (14) des Stumpfs (13') entlang ihres Umfangs abgetragen wird, so dass ein Höcker (140) entsteht, wobei Höcker (140) und Nut (210) derart in Form und Größe aneinander angepasst werden, dass der Höcker (140) leichtgängig in die Nut (210) einfahren kann und dabei von der Nut (210) zwangsgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (210) durch Fräsen, Erodieren oder durch elektro-chemisches Bohren hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen Schaufel (20') bzw. Ersatzschaufelabschnitt (20) und Stumpf (13') bzw. Stumpfabschnitt (10, 13) derart, vorzugsweise spanend, nachbearbeitet wird, dass ein glatter kerbfreier Übergang entsteht.
Ersatzschaufelabschnitt (20) für den Ersatz eines beschädigten Schaufelabschnitts (4', 5') für einen Rotor einer Strömungsmaschine, bei dem an einer Umfangsfläche (2) eines Trägers (1) mehrere vorstehende Schaufeln (3, 4, 5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Anbringung an die Schaufel (4, 5) vorgesehene Seite des Ersatzschaufelabschnitts (20) in ihrer Oberfläche (21) eine Nut (210) aufweist.
Schaufel (20') für einen Rotor einer Strömungsmaschine, bei dem an einer Umfangsfläche (2) eines Trägers (1) mehrere vorstehende Schaufeln (3, 4, 5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Anbringung an den Träger (1) vorgesehene Seite der Schaufel (20') in ihrer Oberfläche (21) eine Nut (210) aufweist.