Verfahren zur Herstellung von Schaufeln mit hohlem, nahtlosem Schaufelblatt für Turbinen, Kompressoren und andere Rotationsmaschinen und nach diesem Verfahren hergestellte Schaufel. Vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Schaufeln für Turbinen, zum Beispiel Dampfturbinen, wie auch für Kompressoren und andere Rotationsmaschi nen, im nachstehenden "Turboschaufeln" ge nannt.
Bei solchen Anwendungsfällen werden die Rotorschaufeln oft sehr hohen Zentri- fugalkräften unterworfen, und es sind schon Vorschläge gemacht worden, um durch Schaf fung hohler Schaufeln die resultierenden Spannungen in den Schaufeln und Rotoren zu vermindern.
Zum gleichen Zwecke der Gewichtsver minderung wurden auch massive Schaufeln auf wenigstens einen Teil ihrer Länge vom Fuss nach dem freien Ende verjüngt, wobei solche verjüngte Schaufeln gewöhnlich nur am Niederdruckende der Turbine, wo die Um- fangsgeschwindigkeiten ein Maximum er reichen, angewandt werden.- Bei den Schaufeln für das Niederdruck ende erweist sich jedoch das Herausarbeiten einer Höhlung von dem verlangten, kom plizierten Querschnitt aus der massiven Schaufel von beträchtlicher Länge unprak tisch.
Diese Schwierigkeiten zu beseitigen, ist der Zweck vorliegender Erfindung. Die Er findung betrifft einerseits ein Verfahren zur Herstellung von Turboschaufeln mit hohlem, nahtlosem Schaufelblatt, welches Verfahren darin besteht, däss man ein nahtloses;
wenig stens zur Bildung des Schaufelblattes be- stimmtes,-vorgeformtes Werkstück mit min destens einem Längshohlraum herstellt, die sen Hohlraum mit Material füllt, das gefüllte Werkstück zum Beispiel durch Walzen streckt und gleichzeitig dem zur Bildung des Schaufelblattes bestimmten Teil des vor geformten Werkstückes die gewünschte in nere und äussere Umrissform des fertigen Schaufelblattes gibt und schliesslich das in den Hohlraum eingefüllte Material entfernt.
Anderseits betrifft die Erfindung auch nach dem erwähnten Verfahren hergestellte hohle Turboschaufeln.
Das zur Herstellung der Schaufeln, be ziehungsweise der Schaufelblätter dienende vorgeformte Werkstück ist im folgenden "Formling" genannt.
Die Zeichnung veranschaulicht schematisch Ausführungsbeispiele von gemäss der Erfin dung hergestellten Turboschaufeln.
Fig. 1 ist ein Schaubild eines Apparates zur Herstellung einer hohlen Schaufel durch Stempel und Matrize; F'ig. 2 ist ein Schaubild des mit dem Apparat nach Fig. 1 hergestellten hohlen Formlings; F'ig. 3 ist ein Schaubild eines massiven Schaufelformlings vor seiner Bearbeitung zu einem Hohlkörper;
Fig. 3a; 3b und 3c sind Stirnansichten des Formlings in drei Stadien seiner Aus- en Fig. 4 ist ein Längsschnitt eines aus gebohrten Schaufelformlings; Fig. 5 ist ein Längsschnitt eines röhren förmigen Formlings mit Füllmaterial; Fig. 6 ist ein Aufriss eines gefüllten, röhrenförmigen Formlings im Moment der Einführung zwischen Formwalzen mit Aus sparungen am Umfang;
Fig. 7 ist ein Querschnitt durch die pro filierten Kränze der Formwalzen; Fig. 8 und 8a sind ein Aufriss und eine Endansicht einer hohlen, röhrenförmigen Schaufel mit Fuss aus einem einzigen Stück mit ihm; Fig. 9 zeigt einen sich verjüngenden Stempel; Fig. 10 ist ein Längsschnitt eines Form- lings mit sich verjüngenden Wänden;
Fig. 10a ist eine entsprechende End- ansicht des zur Bildung des Schaufelblattes bestimmten Teils des Formlings; Fig. 11 ist ein Längsschnitt einer mit dem Fuss ein einziges Stück bildenden, hoh len Schaufel, wobei das Schaufelblatt paral lele Längsränder besitzt und die Dicke der Wände von dem Fuss zum freien Ende ab nimmt; Fig. 11a und 11b sind Querschnitte nach den Linien A-B und C-D in Fig. 11;
Fig: 12 zeigt einen ausgeweiteten, hohlen Formling mit Wänden von gleicher Dicke; Fig. 13 ist ein Längsschnitt einer hohlen, mit dem Fuss ein einziges Stück bildenden Schaufel, wobei der Querschnitt des Hohl raumes durchwegs der gleiche ist und die Dicke,der Wände vom Fuss, zum freien Ende abnimmt; Fig. 13'a und 13b sind Querschnitte nach Linien E-F und<B>G -H</B> in Fig. 13;
Fig. 14 ist ein Querschnitt des zur Bil dung des Schaufelblattes bestimmten Teils eines Formlings mit nach einer Seite versetz tem Hohlraum; Fig. 15 ist ein Querschnitt des fertigen Schaufelblattes; Fig. 16 ist ein Querschnitt des zur Bil dung des Schaufelblattes bestimmten Teils eines Formlings mit in der Länge verkürztem rechteckigem Hohlraum; Fig. 17 ist ein Querschnitt des ferti gen Schaufelblattes mit verstärkten Längs rändern;
Fig. 18 ist ein Längsschnitt eines hoh len Formlings, bei welchem der Hohlraum die zur Bildung des Schaufelblattes und des Fusses bestimmten Teile des Formlings durch zieht; Fig. 19 ist ein analoger Schnitt eines Schaufelformlings mit durch axiale Bohrun gen erleichtertem, zur Bildung des Fusses be stimmtem Teil; Fig. 20 ist ein Schaubild eines durch eine Querbohrung erleichterten Schaufel fusses;
Fig. 21' ist ein Querschnitt eines mit Verstärkungssteg versehenen Hohlschaufel blattes; Fig. 22 und 23 sind ein Querschnitt und eine Endansicht eines hohlzylindrischen, zur Bildung des Schaufelblattes bestimmten, ge füllten und verzapften Formlings;
Fig. 24 und 24a sind ein Aufriss und ein Querschnitt eines Werkstückes zur Herstel lung von Schaufelblättern; Fig. 25 und 26 sind ein Längsschnitt und ein Querschnitt nach der Linie J-K (F'ig. 25) eines Schaufelformlings, bei wel chem der zur Bildung des Fusses bestimmte Teil und der hohle, kreiszylindrische, zur Bildung des Schaufelblattes bestimmte Teil aus einem einzigen Stück bestehen.
Bei einer zur Herstellung von Schaufeln einer Dampfreaktionsturbine geeigneten Aus führungsart des Verfahrens wird ein Form- ling A (Fig. 1) mit schaufelblattbildendem Teil 2 von gleichförmigem, rechteckigem Querschnitt und einem sich seitlich erstrek- kenden, mit dem Teil 2@ ein einziges Stück bildenden, schaufelfussbildenden Teil 3 ge bildet und sind die Teile 2 und 3 durch Schrägflächen 4 der in der britischen Patent schrift Nr. 306 182 beschriebenen Art mit einander verbunden.
Der Formling kann nach dem in der britischen Patentschrift Nr. 3.98899 beschrie benen Verfahren aus einem prismatischen Block heiss gepresst werden.
Gemäss einer Ausführungsart des Ver fahrens wird der so geformte Formling A bei einer geeigneten Temperatur in einer zerlegbaren Matrize B festgehalten, wobei der schaufelblattbildende Teil 2 in einer länglichen Vertiefung 5 von ähnlicher Quer sehnittsform eingeschlossen ist. Alsdann wird ein Formstempel C von ähnlichem, recht eckigem Querschnitt in die Matrizenvertie- fung 5 und in Längsrichtung in den schaufel- blattbildenden Teil 2 des Rohlings A vom einen Ende her axial eingetrieben.
Hierdurch wird das Metall des Blockes in den ring förmigen Raum zwischen dem Stempel C und die Matrize B getrieben, wodurch der schaufelblattbildende Teil 2 des Formlings A auf die Länge 2ix (Fig. 2) verlängert und in ihm ein Hohlraum 6 gebildet wird, so dass der schaufelblattbildende Teil 2a auf eine gewünschte Länge eine vorläufige Röhren- form annimmt. Der hohle Formling besitzt die Form,D (Fig. 2).
Nach einer andern Ausführungsart des Verfahrens wird ein massiver Formling E gemäss Fig. 3 erzeugt und in dem schaufel- blattbildenden Teil 2b desselben ein Hohl raum 6a (Fig. 3e) herausgearbeitet, indem man zwei axiale Löcher 7 und 8 (Fig. 3a) bohrt, in diese Löcher Zapfen 7a und 8a treibt und ein Zwischenloch 9 (Fig. 3b) bohrt. Diesem Hohlraum mit unregelmässiger Form kann durch Fräsen, Hobeln usw.
die defini tive Form 6a (Fig. 3e) gegeben werden. Der hohle Formling besitzt dann :die in Fig. 4 ge zeigte Form. Die drei Löcher 7, 8 und 9 können auch mit einem Zapfenbohrer unter Anwendung von kleinen, vorgebohrten Füh rungslöchern gebohrt werden.
Um dem schaufelblattbildenden, nach einem der oben beschriebenen oder einem an dern Verfahren hergestellten, hohlen Teil des Formlings den gewünschten Querschnitt zu geben, wird der Hohlraum @6 bezw. 6a mit einem geeigneten Material 10 (Fig. 5) gefüllt.
In Fig. 5 bezeichnet G den gefüllten Formling, dessen schaufelblattbildender Teil 2c nach der Füllung zwecks Streckung zu einem geraden Schaufelblatt von gleichförmi gem Querschnitt zwischen Formscheiben 12, 13 (Fig. 6), vorzugsweise von gleicher Grösse, hindurchgelassen wird.
Diese Scheiben be sitzen am Umfang Aussparungen 12a, 13u zur Aufnahme des Schaufelfusses 3, während der Rest des Umfanges, 12b, 13b, zwecks Aufpressung des gewünschten Schaufelquer- schnittes profiliert ist (Fig. 7).
Vor diesem Streckvorgang kann der Schaft 2c des Formlings in gewissen Fällen seitlich gebogen werden, wie in der britischen Patentschrift Nr. 289 967 beschrieben.
Hierauf wird das Füllmaterial 10 ent fernt, und es ergibt sich als Endprodukt des Verfahrens (abgesehen von etwelchen Vollendungsverfahren, wie Schleifen, Polie ren oder dergleichen, oder maschinelles Be arbeiten, wie später beschrieben) die hohle Schaufel H (Fig. 8) mit Fuss 3' von rich tigem Reaktionsquerschnitt und Wänden 2e1, 2e (Fix. 8a) von zur Hauptsache gleichförmi ger Dicke.
Als Füllmaterial kann zweckmässig Kup fer verwendet und dasselbe durch Erhitzung der gefüllten Stahlschaufel auf zum Beispiel <B>11,00'</B> C wieder herausgeschmolzen werden.
Bei Anwendung eines in zwei Richtungen verjüngten Formstempels J (Fix. 9) nimmt die Dicke der Wände des resultierenden Formlings K (Fix. 10) und des fertigen Schaufelblattes L (Fix. 11) vom Fuss gegen das freie Ende zu allmählich ab, wobei die Seitenränder des Schaufelblattes parallel sind.
Es kann auch ein Formling F mit durch wegs gleich weitem Hohlraum 6a (Fix. 4) gebildet und ein sich verjüngender Stempel in den letzteren getrieben werden, um den schaufelblattbildenden Teil des Formlings aus zuweiten und ihm die in Fig. 12 dargestellte Form M zu geben. Der ausgeweitete Form- ling lYf wird dann auf der Aussenseite ge schmiedet oder maschinell bearbeitet, um die äussere, parallelwandige Aussenform des Formlings wieder herzustellen und den in- nern,
sich erweiternden Hohlraum K (Fix. 10) zu belassen.
Während so das Gewicht des Schaufel blattes und damit die Fuss- und Rotorbean- spruchungen reduziert werden, ergibt die Schaufelblattform mit den parallelen Seiten rändern einen Dampfdurchlass zwischen den Schaufelblättern, welcher den mit äusserlich verjüngten, massiven Schaufelblättern er reichbaren weit übertrifft, so dass der Wir kungsgrad der Rotationsmaschinen dadurch erhöht wird.
Bei höheren Schaufelspitzengeschwindig keiten kann es jedoch in einigen Fällen not wendig werden, die Schaufeln äusserlich vom Fuss nach aussen zu verjüngen. Dieses Re- sultat kann nach einer besonderen Art da durch erreicht werden, dass man einen Form ling mit relativ dicken Wänden F (Fix. 4) erstellt, denselben streckt und hierauf die Aussenseite der Schaufel auf der konkaven oder konvexen Seite oder auf beiden mecha nisch bearbeitet, um die gewünschte, sich äusserlich verjüngende Form zu erhalten (siehe Schaufel N, Fig. 13).
Die Anordnung des Metalles in der fer tigen Hohlschaufel kann durch Änderung der Lage und Proportionierung des Hohlraumes im Formling auf irgend eine gewünschte Art bestimmt werden.
So kann zum Beispiel durch Anordnung des Hohlraumes 6a (Fix. 14) im schaufel- blattbildenden Teil des Formlings näher der einen Seite des Rechteckes und Schaffung einer dicken Wand 2 f und einer dünnen Wand 2g den entsprechenden Wänden 21z. 2i des fertigen Schaufelblattes 0 (Fix.<B>15)</B> eine verschiedene Dicke gegeben werden.
Auch kann es zur Verstärkung des dün nen Auslassrandes des Schaufelblattes und zur Ermöglichung einer soliden Befestigung von Erosions-Widerstandsschilden erwünscht sein, die Länge des rechteckigen Hohlraumes 6a (Fix. 16) zu reduzieren, so dass verstärkte, seitliche Wände 21c entstehen, aus denen dann der entsprechend verstärkte Ein- und Austrittsrand 2na des fertigen Schaufelblattes P (Fix. 17) hervorgeht.
Beim Beispiel nach Fig. 18 erstreckt sich der Hohlraum des Formlings Q auch durch den fussbildenden Teil 3. Zur Gewichtsver minderung der Schaufel können auch im Formling R (Fix. 19) axiale Bohrungen 3a oder im Formling ,S' (Fix. 20) eine einzige Querbohrung 3b angebracht sein.
Die Gewichtsverminderung des Fusses kann vor oder nach dem Strecken des schau felblattbildenden Teils des Formlings ausge führt werden.
Statt eines einzigen Längshohlraumes können deren mehrere, 7 und 8 (Fix. 3a) im Formling auf die gewünschte Tiefe vorge sehen sein und können diese Hohlräume am freien Ende in einen einzigen ausmünden.
Von der konvexen zur konkaven Wand des hohlen Schaufelblattes T (Fix. 21) kön nen sich auch ein: oder mehrere Versteifungs stege 2n erstrecken, deren Dicke vom Fuss zum freien Ende abnimmt.
Die Dicke der konkaven oder konvexen Wand des fertigen Schaufelblattes kann zur Hauptsache gleichförmig oder verschieden sein. Ähnlich kann auch die Dicke des Schaufelblattes auf irgend eine gewünschte Länge derselben vom Fuss gegen das freie Ende zu abnehmen, was durch Erweiterung des Hohlraumes oder durch Bearbeitung der Aussenfläche des Schaufelblattes erreicht wer den kann.
Die oben beschriebenen, hohlen Turbinen schaufelblätter besitzen alle bei Rotorschau- feln einer mit hohen Umfangsgeschwindig keiten arbeitenden Dampfturbine wünsch baren Eigenschaften, da das Schaufelblatt mit dem Fuss ein einziges Stück bildet und der Fuss als der höchst beanspruchte Teil kräftig ausgebildet werden kann, während das Gewicht der hohlen Schaufel im Ver gleich zu jenem einer massiven Schaufel von gleichem äussern Umriss beträchtlich reduziert ist. Dementsprechend werden die Beanspru chungen des Fusses und des Turbinenrotors auch erheblich vermindert.
Nach einem weiteren Verfahren wird ein streifenartiges Werkstück von gleichförmi gem Querschnitt hergestellt, von welchem die zur Bildung der Schaufeln geeigneten Stücke abgeschnitten werden.
Nach einem Verfahren wird in ein sol ches zylindrisches Werkstück<I>U</I> (Fis.<I>22</I> und 23) ein Loch 14 gebohrt. Dieses Loch wird alsdann mit Kupfer oder einem andern Material 15 gefüllt und durch einen Pfropfen 16 verschlossen. Alsdann wird das gefüllte Werkstück durch Walzen oder Pressen in rechteckige Form gebracht.
Das so geformte, rechteckige Werkstück wird dann zwischen profilierten Walzen durchgelassen, um ihm .den erforderlichen Querschnitt zu geben, worauf das Füll material entfernt und so ein hohles Werk stück P (Fis. 24 und 24a) erhalten wird.
Das vorgeformte, zur Bildung eines Schaufelblattes bestimmte Werkstück kann auch zylindrisch sein.
Ein so erzeugtes Werkstück kann Wände von zur Hauptsache gleichförmiger Dicke mit reichlich Material zur Bildung des Ein- lass- und Auslassrandes besitzen; die Wände können aber auch, wie oben erwähnt, von, ver schiedener Dicke sein.
Ein derartiges streifenförmiges Werk stück kann auch mit Querversteifungsmit- teln, ebenfalls wie oben beschrieben, ver sehen sein.
Ein ähnliches Herstellungsverfahren kann im Falle eines Formlings mit schaufelblatt- bildendem Teil und mit ihm ein einziges Stück bildendem Fuss nach Fig. 25 und 26 angewendet werden. Dieser Formling W ent hält einen Sockel 17 und einen zylindrischen, röhrenförmigen Teil mit Wand 18 und einem exzentrisch angebrachten Hohlraum 19.
Wie oben beschrieben, kann der schaufelblatt- bildende Teil eines solchen Formlincs in einen zur Hauptsache rechteckigen Querschnitt um geformt und hierauf durch geeignete Mittel gestreckt werden, um. den gewünschten Schaufelblattquersehnitt zu erhalten; das Schaufelblatt kann aber auch direkt aus dem Formling von zylindrischem Querschnitt er halten werden.
Das benutzte Füllmaterial ist zweckmässig ein Metall, zum Beispiel Kupfer, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als jener des Materials, aus .dem die Schaufel bezw. das Schaufelblatt besteht, so dass der Kern nach dem Walzen ausgeschmolzen werden kann.
Das Füllmaterial kann auch eine nicht metallische, körnige Masse sein, zum Beispiel Sand oder ein. Gemisch von Sand mit ü1, das aus dem gewalzten Schaufelblatt leicht entfernt werden kann. Bei Wahl einer der artigen Füllung müssen die Enden des hoh len Formlings mit Kupfer oder anderem Ma terial verstopft werden, um die Füllung wäh rend dem Walzvorgang zurückzuhalten.
Wenn hohle Schaufelblätter zur Ableitung von im Dampf enthaltenen Wasserteilchen benutzt werden, können in den Schaufelblatt wänden an geeigneten Stellen Löcher gebohrt werden. Dem Schaufelblatt kann zweckmässig vor der Entfernung des Füllmaterials eine leichte Verdrehung um die Längsase gegeben werden.