| Dokumentenidentifikation |
DE4203655A1 12.08.1993 |
| Titel |
Verfahren zur Herstellung eines Strömungsleitringes für Turbinen |
| Anmelder |
ABB Patent GmbH, 6800 Mannheim, DE |
| Erfinder |
Scholler, Hermann, 8500 Nürnberg, DE |
| DE-Anmeldedatum |
08.02.1992 |
| DE-Aktenzeichen |
4203655 |
| Offenlegungstag |
12.08.1993 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
12.08.1993 |
| IPC-Hauptklasse |
B23P 15/04
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| IPC-Nebenklasse |
F03B 3/18
F01D 3/04
B23H 7/02
B23K 7/00
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| Zusammenfassung |
Es soll ein Verfahren geschaffen werden, das gegenüber den herkömmlichen Methoden, Düsen aus dem Vollen zu fräsen oder geschweißte Düsen mit Hilfe von gestanzten Halteblechen zu erstellen, wesentlich einfacher, schneller und bei höherer Qualität durchführbar ist. Es wird ein Profilring (5) mit einem U-förmigen Querschnitt erstellt, der so mit Durchbrüchen (6) versehen wird, daß Profilstücke (4) über diese Durchbrüche (6) eingesetzt und beidseitig fixiert werden können. Durch Entfernen des zu dem U-Profil gehörigen Verbindungsstegs (51) werden die von dem Profilring (5) und den Profilstücken (4) gebildeten Strömungskanäle (8) zur zweiten Seite hin geöffnet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Erstellung eines Düsenstockes oder eines Zwischenbodens verwendet werden.
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Bei Turbinen muß das Strömungsmedium, z. B. der Dampf
einer Dampfturbine, im richtigen Winkel mit der
vorgegebenen Geschwindigkeit auf rotierende Turbinenschaufeln
geleitet werden. Der Dampf gelangt in der Regel
eingangsseitig über Dampfeintrittsdüsen zum ersten Schaufelrad
der Dampfturbine und von hier über Zwischenböden zum
nächsten Schaufelrad. Dabei ähneln die Strömungskanäle
der Dampfeintrittsdüsen weitgehend den in den
Zwischenböden vorzusehenden Strömungskanälen. In beiden Fällen sind
die aneinandergereihten Strömungskanäle in einem Ring
angeordnet, der nachfolgend als Strömungsleitring
bezeichnet wird.
Die zur Anwendung kommenden Fertigungsverfahren für
Strömungsleitringe sind sehr zeitaufwendig, erfordern
qualifiziertes Fachpersonal und sind darüberhinaus noch mit
weiteren Nachteilen behaftet.
So ist es bekannt, Düsen aus dem Vollen zu fräsen, wobei
die Fräsarbeiten jedoch außerordentlich aufwendig sind,
da mit Fräsvorrichtungen und Formfräsern gearbeitet
werden muß. Die hierbei erstellten einzelnen Düsensegmente
müssen zusammengesetzt werden, wobei das Einpassen von
Hand geschieht und das Abdichten bisweilen sehr schwierig
ist. Ein Dichtschweißen der einzelnen zusammengesetzten
Segmente erfordert weitere Nacharbeit von Hand.
Weiterhin ist ein anderes, ebenfalls sehr zeitaufwendiges
Fertigungsverfahren bekannt, bei dem Haltebleche mit
einer Stärke von etwa 3 mm gestanzt werden und jeweils zwei
ringförmig angeordnete Haltebleche zur Befestigung
gezogener Profilstücke dienen. Die mit den Profilstücken
versehenen Haltebleche werden durch mehrfache
Schweißoperationen mit einem Innen- und einem Außenring verbunden.
In der Regel wird hierbei eine Flächenverschweißung mit
Elektronenstrahl vorgenommen, und außerdem werden die
Kanten der gestanzten Haltebleche auf einem inneren und
einem äußeren Haltering verschweißt. Hierbei entstehen
viele einzelne Arbeitsgänge, die zudem teure Nacharbeit
von Hand erfordern und trotzdem wegen der relativ dünnen
Haltebleche nur eine geringe Betriebsbelastung erlauben.
Nachteilig ist auch zu bewerten, daß bei den verwendeten
Halteblechen von nur 3 mm Stärke ein
Elektronenstrahlschweißen nicht immer befriedigende Ergebnisse zeigt und
die eingeschränkte Belastungsfähigkeit ein
Qualitätsproblem darstellt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren
zu schaffen, das durch programmgesteuerte
Fertigungsabläufe und eine Reduzierung der Anzahl der einzelner
Arbeitsgänge einen geringeren Personalaufwand und
schnelleren Durchlauf ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1
gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und
Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den
Unteransprüchen genannt.
Erfindungsgemäß wird zur Herstellung eines
Strömungsleitringes zunächst ein kompletter oder aus Ringsegmenten
bestehender Profilring erstellt, der im Bereich der
einzusetzenden Profilstücke einen U-förmigen Querschnitt
besitzt. Die beiden freien Schenkel des U-Profils
erstrecken sich dabei in Strömungsrichtung und bilden eine erste
Öffnung für den Strömungskanal. Die beiden freien
Schenkel werden nun miteinander gegenüberliegenden
Durchbrüchen versehen, die der Kontur des Profilstücks
entsprechen. Über diese Durchbrüche können die Profilstücke
so eingesetzt werden, daß diese eine beidseitig fixierte
Brücke zwischen den beiden freien Schenkeln bilden. Um
einen durchgehenden Strömungskanal zu schaffen, wird
jetzt auf der durch einen Verbindungssteg geschlossenen
Seite zwischen den beiden freien Schenkeln des U-Profils
eine Öffnung für das Strömungsmedium freigelegt.
Bei einem so hergestellten Strömungsleitring entfallen
alle Schweißarbeiten, wodurch ein schnellerer Durchlauf
bei geringerem Personalaufwand erreichbar wird. Da es
möglich ist, den freien Schenkeln des U-Profils die
gewünschte Dicke zu geben, kann damit eine entsprechend
höhere Festigkeit und damit verbesserte Qualität erreicht
werden. Weiterhin kann man dem Strömungskanal eine nach
thermodynamischen Anforderungen optimierte Form geben.
Die Grundform des Profilrings oder der Profilringsegmente
kann auf einfache Weise aus einem Blech oder einer Platte
entsprechender Dicke durch Schneidbrennen gewonnen
werden. Dementsprechend wird die Grundform zunächst einen im
wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzen, erhält
jedoch anschließend durch Ausdrehen oder Ausfräsen einer
Nut den geforderten U-förmigen Querschnitt.
Ein wesentlicher Vorteil im Sinne weitgehender
Automatisierung ist dadurch erreichbar, daß die in den beiden
freien Schenkeln des U-Profils herzustellenden
Durchbrüche durch Drahterodieren erzeugt werden. Zu einem
ebenfalls automatisierten Einbringen des Erodierdrahtes
müssen zuvor im Bereich der Durchbrüche Startlöcher gebohrt
werden. Weiterhin ist es zweckmäßig, beim Drahterodieren
der Durchbrüche mit Haltestegen zu arbeiten, um die
Ausfallstücke zu sichern. Somit kann der gesamte Ablauf des
Erodierens der Durchbrüche programmgesteuert
vollautomatisch erfolgen.
Zur Sicherung der in den Profilring eingesetzten
Profilstücke kann man einen Kleber verwenden oder die
Durchbrüche maßlich so auf die Profilstücke abstimmen, daß diese
zum Einfügen eingeschlagen werden müssen und danach durch
einen Preßsitz fixiert sind.
Das Entfernen des Verbindungsstegs des U-Profils und die
Bearbeitung der Öffnungskontur kann zweckmäßigerweise
durch Drehen oder Fräsen derart erfolgen, daß die
gewünschte thermodynamische Form des Strömungskanals
erreicht wird. Die dabei freizulegende Öffnung des
Strömungskanals kann den Umständen entsprechend auf der
Eintrittsseite oder Austrittsseite des Strömungsmediums
liegen. Die spanabhebenden und schneidenden Bearbeitungen
bei der Erstellung des Strömungsleitringes können
ebenfalls programmgesteuert ablaufen.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Strömungsleitring kann zur Schaffung eines Zwischenbodens
dienen und muß in diesem Fall vor dem Trennen des äußeren
Schenkels vom inneren Schenkel des U-Profils beim
Freilegen der Öffnung des Strömungskanals zwischen einem
Innenring und einem Außenring eingefügt und mit diesen durch
Schweißen verbunden werden. Bezüglich seines durch das
erfindungsgemäße Verfahren vorgegebenen Grundaufbaus kann
der Strömungsleitring ebenso auch als Düsenstock z. B. im
Bereich des Dampfeintritts bei Dampfturbinen dienen.
Unabhängig von der späteren Anwendung des
Strömungsleitringes ist es vorteilhaft, die den Profilring
bildenden beiden freien Schenkel des U-Profils bezüglich ihrer
Abmessungen zu optimieren. Dabei soll ein Höchstmaß ihrer
Dicke nicht überschritten werden, um ein schnelles
Drahterodieren zu ermöglichen und andererseits ein Mindestmaß
ihrer Dicke nicht unterschritten werden, um bei der
Herstellung von Zwischenböden ein ungehindertes
Elektronenstrahlschweißen zu ermöglichen. Entsprechendes gilt bei
der Erstellung von Düsenstöcken, um eine ausreichende
Eigenstabilität zu gewährleisten, so daß in beiden Fällen
vorzugsweise mit einer Schenkeldicke von 8 bis 10 mm
gearbeitet wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den
Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Teilstück eines Strömungsleitrings in
Seitenansicht mit Blick auf die
Strömungskanäle,
Fig. 2 das gerundete Teilstück nach Fig. 1 entlang
einer Ebene abgewickelt, mit Durchbrüchen für
die Profilstücke,
Fig. 3 einen Schnitt durch das U-Profil des
Strömungsleitrings entsprechend Fig. 1,
Pig. 4 einen fertig bearbeiteten Strömungsleitring im
Schnitt entsprechend der Ansicht nach Fig. 3.
Die Fig. 1 bis 4 sollen verschiedene Schritte des
Arbeitsablaufs verdeutlichen, an dessen Ende der in Fig. 4
dargestellte, fertig bearbeitete Strömungsleitring 1
steht, der bei diesem Beispiel als Düsenstock dient.
Entscheidend für den Fertigungsablauf ist, daß als tragendes
Grundelement zur Schaffung des Strömungsleitrings 1 ein
Profilring 5 mit einem U-Profil verwendet wird. Der
Profilring 5 mit seinen eine Nut 7 einschließenden beiden
freien Schenkeln 52, 53 definiert bereits einen
wesentlichen Teil der Abmessungen und Form der späteren
Strömungskanäle 8.
Eine weitere Formgebung der Strömungskanäle 8 erfolgt nun
durch Einsetzen von gezogenen Profilstücken 4, die
beidseitig in den freien Schenkeln 52, 53 des Profils
verankert werden. Das Einsetzen der Profilstücke 4 wird mit
Hilfe von Durchbrüchen 6 ermöglicht, die dem Profil der
Profilstücke 4 entsprechen und einander gegenüberliegend
in den beiden freien Schenkeln 52, 53 so angeordnet sind,
daß die Profilstücke eingesteckt werden können.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Aufbaus ist, daß das
Ausnehmen der Durchbrüche 6 mit Hilfe einer
Drahterodiermaschine geschehen kann. Hierzu werden zunächst im
Bereich der späteren Durchbrüche 6 Startbohrungen 61 in
die beiden freien Schenkel 52, 53 gebohrt und
anschließend kann das Drahterodieren erfolgen, wobei der
Schnitt genau entlang der auszuschneidenden Kontur
geführt werden kann. Das Belassen eines Haltestegs
verhindert dabei ein unkontrolliertes Herausfallen des
Schnittstückes.
Das Drahterodieren ermöglicht nicht nur einen sauberen
Schnitt, der keiner Nachbearbeitung bedarf, sondern kann,
beginnend mit einem automatischen Einfädeln in die
jeweilige Startbohrung 61, voll automatisch nach einem durch
CAM vorgegebenen Programm ablaufen. Somit kann der
Fertigungsablauf weitgehend ohne Personal mit einer Nutzung
von über 100 Stunden pro Woche gestaltet werden. Stellt
man auch die Profilstücke 4 drahterodiert her, so können
thermodynamisch optimierte Sonderprofile realisiert
werden. Die Sicherung der Profilstücke 4 im Profilring 5
kann durch Kleben erfolgen oder auch durch einen
paßgenauen Schnitt der Durchbrüche 6 derart, daß die
Profilstücke 4 eingeschlagen werden müssen und danach im
Preßsitz fixiert sind.
Weitgehend von der Verwendung des Strömungsleitrings 1
hängt es ab, ob es zweckmäßig ist, diesen aus einem
kompletten Ring oder aus einzelnen Ringsegmenten
herzustellen, wobei es weiterhin möglich ist, zunächst einen
kompletten Ring zu erstellen und diesen dann in Ringsegmente
zu teilen. Bei einem Teilungsschnitt wird man sich
vorzugsweise wieder des Drahterodierens bedienen. Im übrigen
wird die Wahl des Werkzeugs davon abhängen, ob ein Ring
oder Ringsegmente zu bearbeiten sind und dementsprechend
gedreht oder gefräst werden muß oder sollte.
In jedem Fall müssen ausgehend von dem mit Profilstücken
4 versehenen Profilring 5 die zwischen den Profilstücken
4 liegenden Strömungskanäle 8 noch geöffnet werden.
Hierzu wird ein zwischen den beiden freien Schenkeln 52,
53 des U-Profils liegender Verbindungssteg 51 entfernt
und die entstandene Öffnung in die gewünschte
thermodynamische Form gebracht.
Der Profilring 5 kann auf besonders einfache Weise
dadurch hergestellt werden, daß zunächst ein Rohling aus
einem Blech oder einer Platte entsprechender Dicke mit
einem Schneidbrenner herausgetrennt und anschließend
durch geeignete spanabhebende Bearbeitung aus dem mit
einer Schnittzugabe versehenen Ring mit einem im
wesentlichen rechteckigen Querschnitt, der Profilring 5 mit U-
Profil geschaffen wird.
Bei dem fertig bearbeiteten Strömungsleitring 1 können
noch, wie in Fig. 4 dargestellt, Fügeringe 21, 31
herausgearbeitet werden, sofern er als Düsenstock verwendet
werden soll, damit dieser in der Turbine an den
Fügeringen fixiert werden kann.
Soll der Strömungsleitring 1 jedoch bei einem
Zwischenboden verwendet werden, so behält er seine zylindrische
Mantelfläche auf der Innen- und Außenseite und wird
zwischen einen Innenring 2 und einen Außenring 3 eingefügt
und mit diesen beiden Ringen 2, 3 zu einer Einheit
verschweißt. Diesen Vorgang kann man sich leicht vorstellen,
so daß er nicht in den Zeichnungen dargestellt werden
muß. Bei dieser Anwendung ist es auch möglich, die
Öffnung der Strömungskanäle 8 erst nach dem Schweißvorgang
vorzunehmen.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hat gegenüber
einem Herausarbeiten der Strömungskanäle aus dem Vollen
den Vorteil, daß keine aufwendigen Dreh- und
Fräsoperationen erforderlich sind und keine Sonderwerkzeuge
benötigt werden. Außerdem müssen keine Einzelschaufeln in den
Düsenkasten eingesetzt werden, wobei regelmäßig
Abdichtprobleme an den Stoßstellen auftreten. Dementsprechend
kann auch ein Dichtschweißen der Stoßstellen und die
hiermit verbundene aufwendige Nacharbeit entfallen.
Weiterhin werden Endstücke eingespart.
Gegenüber geschweißten Strömungskanälen weist das
erfindungsgemäße Fertigungsverfahren den Vorteil auf, daß
Bohr- und Stanzarbeiten in Verbindung mit einem
3 mm-Halteblech und eine Vielzahl einzelner zum Teil aufwendiger
und kritischer Schweißvorgänge entfällt. Weiterhin wird
eine zweimalige Wärmebehandlung sowie ein aufwendiges
Nacharbeiten und Egalisieren der Strömungskanäle von Hand
überflüssig. Gleichzeitig wird eine höhere
Gestaltfestigkeit und verbesserte Qualität erreicht.
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| Anspruch[de] |
- 1. Verfahren zur Herstellung eines
Strömungsleitringes (1) für Turbinen, bei dem strömungsleitende
Profilstücke (4) zwischen einem Innenring (2) und einem
Außenring (3) so befestigt sind, daß das Strömungsmedium auf
rotierende Turbinenschaufeln geleitet wird, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - ein kompletter oder aus Ringsegmenten bestehender
Profilring (5) erstellt wird, der im Bereich der
einzusetzenden Profilstücke (4) einen U-förmigen Querschnitt
besitzt und bei dem die beiden freien Schenkel (52, 53)
des U-Profils sich in Strömungsrichtung erstrecken,
- - daß die beiden freien Schenkel (52, 53) mit jeweils
einander gegenüberliegenden Durchbrüchen (6) versehen
werden, die der Kontur des Profilstückes (4) entsprechen,
- - daß die Profilstücke (4) über die Durchbrüche (6) so
eingesetzt werden, daß diese eine beidseitig fixierte
Brücke zwischen den beiden freien Schenkeln (52, 53)
bilden,
- - und daß auf der durch einen Verbindungssteg (51)
geschlossenen Seite zwischen den beiden freien Schenkeln
(52, 53) des U-Profils eine Öffnung für das
Strömungsmedium geschaffen wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Grundform des späteren Profilrings (5) oder
der Profilsegmente aus einem Blech oder einer Platte
entsprechender Dicke durch Schneidbrennen gewonnen wird.
- 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilring (5) oder
die Profilringsegmente zunächst einen im wesentlichen
rechteckigen Querschnitt besitzen und durch Ausdrehen
oder Ausfräsen einer Nut (7) den geforderten U-förmigen
Querschnitt erhalten.
- 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden freien
Schenkeln (52, 53) des Profilrings (5) Startlöcher (61)
gebohrt werden, und ausgehend von diesen Startlöchern die
Durchbrüche (6) durch Drahterodieren, vorzugsweise
Schrupperodieren, erzeugt werden.
- 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß beim Drahterodieren der Durchbrüche (6) mit
Haltestegen gearbeitet wird, um die Ausfallstücke zu
sichern.
- 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß nach einem automatisierten Einsetzen des
Erodierdrahtes in die Startlöcher (61) das Ausschneiden
der Durchbrüche (6) programmgesteuert erfolgt.
- 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherung der in den
Profilring (5) eingesetzten Profilstücke (4), diese durch
einen Kleber in den Durchbrüchen (6) fixiert sind.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (6) maßlich so
auf die Profilstücke (4) abgestimmt sind, daß diese zum
Einfügen eingeschlagen werden müssen und durch einen
Preßsitz fixiert sind.
- 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen des
Verbindungsstegs (51) des U-Profils und die Bearbeitung der
Öffnungskontur durch Drehen oder Fräsen entsprechend der
thermodynamischen Form des Strömungskanals (8) erfolgt.
- 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungssteg (51)
des U-Profils und damit die durch ein spanabhebendes
Verfahren freizulegende Öffnung für den Strömungskanal (8)
den Umständen entsprechend auf der Eintrittsseite (A)
oder Austrittsseite (B) des Strömungsmediums liegt.
- 11. Verfahren nach einem der vorhergehendne
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spanabhebenden und
schneidenden Bearbeitungen bei der Erstellung des
Strömungsleitringes (1) programmgesteuert ablaufen.
- 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein komplett erstellter
Profilring (5) vorzugsweise durch Drahterodieren, in
Segmente getrennt wird.
- 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleitring
(1) zur Schaffung eines Zwischenbodens dient und vor dem
Trennen des äußeren Schenkels (52) vom inneren Schenkel
(53) des U-Profils beim Freilegen der Öffnung des
Strömungskanals (8) der Strömungsleitring (1) zwischen einen
Innenring (2) und einen Außenring (3) eingefügt und mit
beiden so verschweißt wird, daß der den äußeren Schenkel
(52) des U-Profils bildende Teil mit dem äußeren Ring (2)
und der den inneren Schenkel (53) des U-Profils bildende
Teil mit dem inneren Ring (3) vereinigt ist.
- 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleitring als
Düsenstock dient.
- 15. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Profilring (5)
bildenden beiden freien Schenkeln (52, 53) des U-Profils
bezüglich ihrer Abmessungen optimiert sind, derart, daß
ein Höchstmaß ihrer Dicke nicht überschritten wird, um
ein schnelles Drahterodieren zu ermöglichen und
andererseits ein Mindestmaß ihrer Dicke nicht unterschritten
wird, um bei der Erstellung von Zwischenböden ein
ungehindertes Elektronenstrahlschweißen zu ermöglichen oder
bei der Erstellung von Düsenstöcken eine ausreichende
Eigenstabilität zu gewährleisten, wobei vorzugsweise eine
Schenkeldicke von 8 bis 10 mm vorgesehen ist.
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