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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
IPC-Nebenklasse F03B 3/18   F01D 3/04   B23H 7/02   B23K 7/00   
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.

Beschreibung[de]

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.


Anspruch[de]
  1. 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
    1. - 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,
    2. - daß die beiden freien Schenkel (52, 53) mit jeweils einander gegenüberliegenden Durchbrüchen (6) versehen werden, die der Kontur des Profilstückes (4) entsprechen,
    3. - 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,
    4. - 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. 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. 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. 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. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Drahterodieren der Durchbrüche (6) mit Haltestegen gearbeitet wird, um die Ausfallstücke zu sichern.
  6. 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. 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. 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. 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. 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. 11. Verfahren nach einem der vorhergehendne Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spanabhebenden und schneidenden Bearbeitungen bei der Erstellung des Strömungsleitringes (1) programmgesteuert ablaufen.
  12. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein komplett erstellter Profilring (5) vorzugsweise durch Drahterodieren, in Segmente getrennt wird.
  13. 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. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleitring als Düsenstock dient.
  15. 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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