AT516473A2

AT516473A2 - Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrades aus Sektorsegmenten

Info

Publication number: AT516473A2
Application number: ATA9052/2014A
Authority: AT
Inventors: Sergio Palomba; Lorenzo Lorenzi; Lorenzo Bianchi
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2016-05-15
Also published as: US9945388B2; CA2900424A1; JP2016513209A; EP2958701A1; JP6348516B2; WO2014128169A1; CN105209208B; BR112015018108B8; RU2661690C2; US20160003257A1; BR112015018108A2; KR20150120412A; RU2015133458A; ITCO20130004A1; CN105209208A; BR112015018108B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neue Herstellungstechnik für Schaufelräder 100 für rotierende Zentrifugalmaschinen. Das Schaufelrad 100 wird durch Zusammensetzen einzelner Schaufelteile, die zu der Nabe oder direkt auf die Rotorwelle passen, mittels Schweißen, Reibschweißen oder eines mechanischen Verriegelungssystems hergestellt. Die Herstellbarkeit der Segmente 100' ist einfach, schnell und kostengünstig und ermöglicht die Verwendung von hoch entwickelten Herstellungstechnologien, wie z. B. einer generativen Fertigung des Typs von direkten Metall-Laserschmelzverfahren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrades für einen Radialverdichter.

HINTERGRUND DER ERFUNDUNG

Ein Schaufelrad für eine rotierende Zentrifugalmaschine, wie zum Beispiel ein Radialverdichter, besteht im Allgemeinen aus einem annähernd scheibenförmigen Hauptkörper, der in Bezug auf die Richtung der Fluidströmung eine vordere und eine hintere Oberfläche aufweist, mit einem zentralen, kreisförmigen Loch versehen ist, das auf eine Nabe passt, die an einer Drehachse angebracht ist, einer Abdeckung mit einer vorderen und einer hinteren Oberfläche, die in einem Intervall außerhalb des Hauptkörpers angeordnet ist, und einer Reihe von Schaufeln, welche die vordere Oberfläche des Hauptkörpers und die hintere Oberfläche der Abdeckung koppeln. Eine Reihe von Durchgängen ist durch die vordere Oberfläche des Hauptkörpers, die hintere Oberfläche der Abdeckung und die seitlichen Oberflächen der Schaufeln gebildet, wobei die Durchgänge als Strömungskanal zum Verdichten von Luft dienen. Im Allgemeinen folgen die Schaufeln einer gekrümmten Linie, die sich sowohl in radialer als auch axialer Richtung biegt. Die vordere Oberfläche des Hauptkörpers und die hintere Oberfläche der Abdeckung biegen sich entsprechend, um die Krüm mung der Schaufeln aufzunehmen. Der Luftstrom tritt tangential zu der vorderen Oberfläche des Hauptkörpers ein und tritt in einer axialen Richtung aus dem Schaufelrad aus. Ein Schaufelrad mit einer Abdeckung kann aus einem einzelnen massiven Materialteil hergestellt sein, oder es kann stattdessen aus zwei oder mehr Komponenten gebaut sein, die aneinander angebracht sind, um das fertige Produkt zu bilden. Im Allgemeinen sind die verschiedenen Komponenten mittels Schweißen befestigt. Das Schaufelrad kann aus einem massiven Einzelteil mittels vollständiger Fräsbearbeitung gebaut werden, wobei dieser Prozess aber aufgrund der durch die gegebene komplexe Form der Strömungsdurchgänge eingeschränkten Zugänglichkeit sehr schwierig und zeitaufwendig ist. Auch eine funkenerosive Abtragung (EDM, vom engl, electrical discharge machining) ist eine Option für die Einzelteilherstellung mittels Funkenabtragung. In diesem Verfahren wird ein elektrischer Funke als das Schneidewerkzeug verwendet, um die einzelne monolithische Scheibe abzutragen, um das fertige Teil der Bauform gemäß zu produzieren. Der Metallentfernungsprozess wird durch Anlegen einer pulsierenden (EIN/AUS) elektrischen Ladung eines Hochfrequenzstroms durch die Elektrode an das Werkstück angewendet. Diese Technik beinhaltet den Schritt einer spanenden Bearbeitung des Einzelteils mittels Vorfräsen, gefolgt von einem EDM-Vorschliff und einer EDM-Endbearbeitung. Aus dem zuvor dargelegten Grund müssen speziell geformte Elektroden und speziell geformte Werkzeuge verwendet werden, um mit der komplexen Durchganggestaltung übereinzustimmen. Das Verfahren ist sehr zeitaufwendig, und zum Erzeugen eines einzelnen Schaufelrades sind viele Arbeitstage notwendig. Das Schaufelrad kann auch durch Herstellen von zuerst zwei Komponenten, d. h. durch Beschaffen der Schaufeln mittels Fräsen des Hauptkörpers oder der Abdeckung und anschließend durch Schweißen der beiden Teile, erzeugt werden. Mittels Verschweißen ist das Füllen der internen Verbindungsstelle zwischen Schaufeln und Hauptkörper oder Abdeckung aufgrund des Fehlens einer guten Zugänglichkeit sehr schwierig, und beim Fixieren treten leicht Schweißfehler auf, und somit kann die Gefahr einer Rissbildung und Deformation, d. h. eines Wärmeverzuges infolge von lokal hohen Temperaturen sehr hoch werden. Davon abgesehen werden die Oberflächen des Strömungskanals im Allgemeinen nicht die erforderliche Glatt heit aufweisen. Es ist definitiv sehr schwierig, unter Verwendung der Techniken nach dem Stand der Technik ein Schaufelrad mit der erforderlichen hohen Qualität und Zuverlässigkeit zu erhalten. Aus diesen Gründen besteht ein starker Bedarf an einem Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrades mit einer höheren Qualität, das eine kürzere Produktionszeit und niedrigere Kosten zur Folge hat.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist demzufolge ein vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrades bereitzustellen, das einfach ist und kürzere Spanungsbearbeitungszeiten erfordert. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrades mit hoher Qualität und Zuverlässigkeit.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Schaufelrad für einen Radialverdichter bereitzustellen, das eine hoch entwickelte Fertigungstechnik ermöglicht.

Ein noch weiterer Umfang der Erfindung betrifft ein Verfahren, das die Herstellung eines Schaufelrades mit komplexen Geometrien gestattet.

Die vorliegende Erfindung erreicht die oben erörterten Ziele daher mithilfe eines Verfahrens zum Herstellen eines Schaufelrades für eine rotierende Zentrifugalmaschine, die gemäß Anspruch 1 aus einem beinahe scheibenförmigen Hauptkörper mit einer vorderen und einer hinteren Oberfläche, einer Abdeckung mit einer vorderen und einer hinteren Oberfläche, die von der vorderen Oberfläche des Hauptkörpers beabstandet angeordnet sind, einer Vielzahl von Schaufeln, die an der vorderen Oberfläche des Hauptkörpers angebracht sind, um den Hauptkörper mit der Abdeckung zusammenzufügen, wobei die seitlichen Oberflächen der Schaufeln, die vordere Oberfläche des Körpers und die hintere Oberfläche der Abdeckung Strömungsdurchgänge zum Verdichten von Luft bilden, zusammengesetzt ist, wobei das

Verfahren umfasst, dass einzelne Segmente des Schaufelrades hergestellt werden, die aus einer einzelnen Schaufel, einem Teilstück des Körpers und dem entsprechenden Teilstück der Abdeckung besteht, und dann die Vielzahl von Segmenten zusammengefügt wird, um das Schaufelrad zu bilden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein Schaufelrad für eine rotierende Zentrifugalmaschine nach Anspruch 11 vor.

Vorteilhafterweise können die einzelnen Segmente unter Verwendung von generativen Fertigungsverfahren, wie z. B. eines direkten Metall-Laserschmelzverfahrens (DMLM, vom engl, direct metal laser melting), erzeugt werden. Vorteilhaftenweise werden die einzelnen Segmente mittels Schweißen oder Reibschweißen zusammengefügt. Die einzelnen Sektoren können auch nicht aneinander gefügt werden, sondern mittels mechanischer Anschlüsse oder Schweißen an der Nabe oder direkt an der Welle angebracht werden. Vorteilhafterweise können die einzelnen Sektoren oder das gesamte Schaufelrad mittels mechanischer Verbindungen, wie z. B. Schwalbenschwanzverbindungen, an der Nabe angebracht werden.

KÜRZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Licht einer detaillierten Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsform eines Schaufelrades für rotierende Maschinen, die mittels nicht einschränkender Beispiele illustriert ist, mithilfe der beigefügten Zeichnungen offensichtlich, wobei:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Schaufelrades gemäß der Erfindung ist;

Fig. 2 eine Explosionsansicht eines Querschnitts eines Schaufelrades ist, bevor es an der Nabe befestigt wird;

Fig. 3 einen Querschnitt des an die Nabe gefügten Schaufelrades darstellt;

Fig. 4 ein einzelnes Segment des an der Nabe montierten Schaufelrades darstellt;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Segments eines Schaufelrades gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eine Schaufelrades ist, das die in Fig. 5 gezeigten Segmente enthält.

Die gleichen Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen die gleichen Elemente oder Komponenten.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 ist eine perspektivische Darstellung eines 3D-Schaufel-rades gezeigt, das allgemein durch die Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Das Schaufelrad 100 ist durch einen scheibenförmigen Hauptkörper 3 mit einer hintere Oberfläche und einer vorderen Oberfläche 7 gebildet. Die vordere Oberfläche 7, die an einem äußeren kreisförmigen Abschnitt beinahe flach und rechtwinklig zu der Drehachse Z der Maschine beginnt, krümmt sich allmählich in der Richtung der Achse Z zu der zentralen Region hin, wobei die zentrale Region eine kreisförmige Öffnung ist, die eingerichtet ist, um mit der äußeren Oberfläche der Nabe 1 oder der Rotorwelle zusammenzupassen. Eine Abdeckung 5, die ungefähr der Form der vorderen Oberfläche 7 des Körpers 3 folgt, ist von dieser vorderen Oberfläche durch die Schaufeln 4 getrennt. Durch die innere Oberfläche der Abdeckung, die vordere Oberfläche 7 des Körpers 3 und die seitlichen Oberflächen der Schaufeln 4 werden Luftdurchgänge 6 gebildet, durch die hindurch Luft verdichtet wird. In dieser Art von Schaufelrad für einen Radial-

Verdichter tritt der Luftstrom in die Durchgänge tangential zu der flachen Oberfläche des Körpers zu der Drehachse hinein und tritt in einer beinahe vertikalen Richtung parallel zu der Drehachse aus dem kreisförmigen Durchgang aus, der zwischen der vorderen Oberfläche 7 des Körpers und der Innenseite der Abdeckung gebildet wird. In Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Schnittansicht dieser Art von Schaufelrad gezeigt, wobei die Nabe 1 als ein separates Element gezeigt ist, das in der zentralen Region des Körpers 3 einzusetzen ist. Die Nabe 1 ist an der Rotorwelle der Maschine angebracht. Fig. 3 zeigt die endgültige Montage des Schaufelrades mit dem Einsetzen der Nabe 1. Die Schaufeln 4 und somit die Luftdurchgänge 6 weisen allgemein eine komplexe Form auf. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, folgen sie nicht nur in der axialen Richtung einem gekrümmten Pfad, sondern sie verlaufen auch bezüglich zu der Rotationsrichtung des Schaufelrades schräg nach hinten. Diese Eigenschaften des Schaufelrades machen die Fräs- und Schweißarbeit sehr komplex und aufwendig, selbst wenn Spezialwerkzeuge verwendet werden, die geeignet sind, für ihre Funktion in diese Luftdurchgänge 6 eingesetzt zu werden. Diese Schwierigkeiten sind für gute Genauigkeit, Oberflächenschliff und Zeit nachteilig. Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Prinzip einer Segmentierung, um diese Nachteile zu überwinden. Fig. 4 ist eine Darstellung einer derartigen Technik. Die Idee besteht im Wesentlichen darin, einzelne Schaufelradsegmente herzustellen, wobei jedes Segment zum Beispiel eine einzelne Schaufel enthält, und diese anschließend zusammenzusetzen, um das Schaufelrad durch Schweißen oder durch ein mechanisches Verriegelungssystem zu montieren. Die Segmente können aneinander gefügt werden oder können separat an der Welle befestigt werden. In Fig. 4 bezeichnet die Bezugsziffer 100’ eines dieser Segmente, die an die Nabe 1 geschweißt werden sollen. Das Segment ist aus einem Segment der Abdeckung 5 und einem Segment des Hauptkörpers 3, die durch eine Schaufel 4 gefügt sind, zusammengesetzt. In Fig. 4 ist es auch möglich, die komplexe Form der Schaufeln und der Durchgänge zu sehen. Durch Segmentierung würde das Zugänglichkeitsproblem vollständig gelöst werden. Das Schaufelrad kann durch Zusammenfügen der einzelnen Segmente 100’ mittels Laser-Außenschweißen und anschließendes Fügen der geschweißten Segmente an die Nabe oder direkt an die Rotorwelle mit tels CMT-Abscheiden hergestellt werden. Es folgt ein Erwärmungs- und Dreharbeitsschritt, um zu dem fertigen Produkt zu gelangen.

Es ist auch möglich, die einzelnen Segmente nacheinander an der Nabe zu, wie in Fig. 4 gezeigt, oder direkt auf der Rotorwelle zu befestigen. Das Segment 100’ kann auch mittels eines mechanischen Verriegelungssystems, wie in den Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt, an der Nabe oder direkt an der Rotorwelle angebracht werden. In Fig. 5 ist ein Segment gezeigt, das auf der Seite, die zu der äußeren Oberfläche der Nabe weist, einen Schwalbenschwanzkeil 8 mit geneigten Seitenwänden aufweist. Diese Schwalbenschwanzkeile 8 greifen gleitend in eine entsprechende zusammenpassende Schwalbenschwanznut 10 ein, in Fig. 6 gezeigt, die auf der äußeren Oberfläche der Nabe gebildet ist. Fig. 6 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines unter Verwendung dieses mechanischen Verriegelungssystems hergestellten Schaufelrades. Das Schaufelrad kann auf der Nabe als Einzelteil, wobei die Segmente mittels Schweißen zusammengefügt werden, und anschließendes Schieben der Nabe in den zentralen Teil oder Schieben der Segmente nacheinander in die Schwalbenschwanznuten der Nabe montiert werden. Wenn das mechanische Verriegelungssystem verwendet wird, kann das einzelne Segment mit einer Nut 9 auf der flachen hinteren seitlichen Oberfläche des Körpers 3 versehen sein, Fig. 5, Fig. 6, sodass, wenn das Schaufelrad montiert ist, eine kreisförmige Nut gebildet ist, die mit einem Ring versehen werden kann, um die Segmente aneinander zu befestigen. Die Fertigung eines einzelnen Schaufelsegments ist nicht nur einfach, schnell und kostengünstig, sie ermöglicht auch die Verwendung von hoch entwickelten Herstellungstechnologien, wie z. B. die Verwendung von Verbundwerkstoffen oder von Techniken, wie eines direkten Metall-Laserschmelzverfahrens (DMLM), bei dem ein Laser ein Metallpulver in einem schichtweisen generativen Fertigungsverfahren zu einem massiven, dreidimensionalen Teil schmilzt. Verglichen mit den vielen Tagen, die erforderlich sind, um ein Schaufelrad mit einer Technologie gemäß dem Stand der Technik, zum Beispiel einer funkenerosiven Abtragung (EDM) herzustellen, die eine Vorfräsphase erfordert, gefolgt von einem/r EDM-Vorschliff und -Endbearbeitung, dauert die Montage von vorgefertigten einzelnen Schaufelsegmenten nur wenige Stunden mit beträchtlichen Einsparungen an Zeit und Kosten ohne Berücksichtigung der Qualitätsverbesserung. Das Herstellen des Schaufelrades durch Montage von einzelnen Schaufelsegmenten ermöglicht angesichts der Einfachheit der Fertigung und der großen Vielseitigkeit des Verfahrens auch die Entwicklung und Fertigung eines hoch entwickelten Hochleistungs-Strömungspfades mit innovativen Geometrien, die derzeit noch nicht realisierbar sind:

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrades (100) für eine rotierende Zentrifugalmaschine, die aus einem beinahe scheibenförmigen Hauptkörper (3) mit einer vorderen und einer hinteren Oberfläche, einer Abdeckung (5) mit einer vorderen (7) und einer hinteren Oberfläche, die von der vorderen Oberfläche des Hauptkörpers (3) beabstandet angeordnet sind, einer Vielzahl von Schaufeln (4), die an der vorderen Oberfläche (7) des Hauptkörpers (3) angebracht sind, um den Hauptkörper (3) mit der Abdeckung (5) zusammenzufügen, wobei die seitlichen Oberflächen der Schaufeln (4), die vordere Oberfläche (7) des Körpers (3) und die hintere Oberfläche der Abdeckung (5) Strömungsdurchgänge (6) zum Verdichten von Luft bilden, zusammengesetzt ist, wobei das Verfahren umfasst, dass zuerst einzelne Segmente (100’) des Schaufelrades (100) hergestellt werden, die eine einzelne Schaufel (4), ein Teilstück des Hauptkörpers (3) und das entsprechende Teilstück der Abdeckung (5) umfassen, und anschließend die Vielzahl von Segmenten zusammengefügt wird, um das Schaufelrad (100) zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Segmente (100’) mittels Schweißen oder Reibschweißen zusammengefügt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaufelrad an einer Nabe (1) angebracht ist, die an einer Rotorwelle der Maschine angebracht ist oder direkt an der Rotorwelle angebracht ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaufelrad mittels CMT-Abscheiden an der Nabe (1) oder direkt an der Rotorwelle angebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Segmente (100’) an der Nabe oder direkt an der Rotorwelle der Maschine angebracht werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Segmente (100’) mittels Schweißen oder Reibschweißen oder mittels eines mechanischen Verriegelungssystems an der Nabe (1) oder an der Rotorwelle angebracht werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mechanische Verriegelungssystem Schwalbenschwanzverbindungen umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaufelrad mittels Schwalbenschwanzverbindungen an der Nabe oder an der Rotorwelle befestigt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Segmente mittels eines Ringes aneinander befestigt werden, der in einer Nut (9) positioniert ist, die auf der hinteren Oberfläche des Hauptkörpers (3) gebildet ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das einzelne Segment (100’) mittels eines direkten Metall-Laserschmelzverfahrens erzeugt wird.
11. Schaufelrad (100) für eine rotierende Zentrifugalmaschine, die aus einem beinahe scheibenförmigen Hauptkörper (3) mit einer vorderen und einer hinteren Oberfläche, einer Abdeckung (5) mit einer vorderen (7) und einer hinteren Oberfläche, die von der vorderen Oberfläche des Hauptkörpers (3) beabstandet angeordnet sind, einer Vielzahl von Schaufeln (4), die an der vorderen Oberfläche (7) des Hauptkörpers (3) angebracht sind, um den Hauptkörper (3) mit der Abdeckung zusammenzufügen, wobei die seitlichen Oberflächen der Schaufeln (4), die vordere Oberfläche (7) des Körpers (3) und die hintere Oberfläche der Abdeckung (5) Strömungsdurchgänge (6) zum Verdich ten von Luft bilden, wobei das Schaufelrad aus einzelnen Segmenten (100’) zusammengesetzt ist, die aus einer einzelnen Schaufel (4), einem Teilstück des Hauptkörpers (3) und dem entsprechenden Teilstück der Abdeckung (5) bestehen, zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Elemente zusammengefügt oder an der Nabe oder direkt an der Rotorwelle befestigt sind.
12. Schaufelrad nach Anspruch 11, wobei die einzelnen Segmente (100’) einen Schwalbenschwanzkeil (8) mit geneigten seitlichen Oberflächen auf der Seite aufweisen, die zu der äußeren Oberfläche der Nabe (1) weist.
13. Schaufelrad nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei die Nabe (1) auf ihrer äußeren Oberfläche Schwalbenschwanznuten (10) mit geneigten Oberflächen in zusammenpassender Beziehung mit den Schwalbenschwanzkeilen (9) der Segmente (100’) aufweist.