CH665258A5

CH665258A5 - Verfahren zum herstellen eines turbinenleitrads.

Info

Publication number: CH665258A5
Application number: CH710/84A
Authority: CH
Inventors: Lester Howard Lee; Kathryn Mary Johnson; Richard Woodbury Jones
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1983-03-21
Filing date: 1984-02-14
Publication date: 1988-04-29
Also published as: CA1233124A; US4509238A; KR840008029A; JPS59211701A; KR890001320B1; JPH0220802B2

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Turbinenleitrads.

Dampfturbinen weisen üblicherweise Düsen auf, die von einer Mehrzahl ortsfester, im Strömungsweg des Dampfs angeordneter Leitschaufeln gebildet werden. Die Leitschaufeln sind aerodynamisch geformt, um zuströmenden Dampf stossfrei in eine gewünschte Richtung umzulenken und für das Auftreffen auf Laufschaufeln zu beschleunigen. Da für den Wirkungsgrad einer Turbine die genaue Einhaltung eines vorgegebenen Dampfströmungswegs kritisch ist, müssen die Leitschaufeln genau geformt und stabil gehaltert werden, um leistungsverbrauchende Turbulenzen oder von den Sollwerten abweichende Strömungseigenschaften zu vermeiden.

Das Leitrad einer Dampfturbine wird üblicherweise durch Einsetzen der gegenüberliegenden Enden der Leitschaufeln in entsprechende Ausschnitte in halbkreisförmigen Bändern, die auch als Käfig- oder Abstandshalter bezeichnet werden, hergestellt. Die Enden der Leitradschaufeln werden mit den Abstandshaltern heftgeschweisst und danach äussere und innere halbkreisförmige Ringe mit den Abstandshaltern und den Schaufeln strukturverschweisst. Um eine zufriedenstellende Befestigung der Schaufeln an den Ringen zu erreichen, ist eine sehr tiefe Schweissung zwischen den Ringen und den Abstandshaltern erforderlich, bei der die Schweissnaht tief genug zwischen die Berührungsflächen eindringt, um auch die Schaufeln zu erreichen und anzuschweissen.

Wie schon in dem US-Patent 4 288 677 beschrieben wurde, nehmen die Schweissfehler mit zunehmender Schweissnaht-tiefe zu. Solche Schweissfehler können beispielsweise Risse, Schlackeneinschlüsse, ungenügendes Eindringen usw. sein, die den Bruch oder eine ungenügende Befestigung der Leitschaufeln zur Folge haben können. Weiter kann das

Schweissen mit grosser Schweisstiefe zum Verbiegen der Leitschaufeln und damit zu Abweichungen des Dampfströmungsweges von den vorgegebenen aerodynamischen Eigenschaften führen und darum den Gesamtwirkungsgrad der Maschine verringern.

Die Abstandshalter waren üblicherweise relativ dünn, beispielsweise weniger als 7 mm, weil diese Abmessung etwa der grössten Dicke entspricht, die mit gebräuchlichen Stanztechniken bearbeitet werden kann. Wegen der genannten Dünne waren die Abstandshalter vor dem Anschweissen an den inneren und den äusseren Ring hauptsächlich als Positioniermittel wirksam und weniger als zum selbständigen Tragen der Leitschaufeln geeignetes Strukturteil.

Eine weitere Ursache von Verbiegungen war die Herstellung der Abstandshalter und Leitschaufeln in der Form halbkreisförmiger Baugruppen. Durch Erwärmen, Schweissmate-rialschwund, Beseitigen von Materialspannungen und Tempern bewirktes Verziehen kann das Verformen dieser Baugruppe sowohl vor als auch während des Anpassens an den inneren und äusseren halbkreisförmigen Ring bewirken. So konnte gezeigt werden, dass Änderungen der Spannung in einer halbkreisförmigen Baugruppe zur Verformung des Halbkreises führen.

Bei der gebräuchlichen Fabrikationstechnik wird zum Aneinanderlegen der beiden Hälften eines Leitrads eine radiale Anlagefläche verwendet. Dazu war es wegen der Überlagerung der Leitschaufeln in tangentialer Richtung üblicherweise erforderlich, an jedem Ende jeder der halbkreisförmigen Baugruppen eine Leitschaufel zu zerschneiden. Die Folge davon waren relativ biegbare Schaufelteile in der Dampfströmung, die verbogen und zu Schwingungen angeregt werden konnten, was den aerodynamischen Wirkungsgrad der Dampfströmung verringert.

Es ist darum die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenleitrads zu schaffen, das die beschriebenen Nachteile vermeidet.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, das gekennzeichnet ist durch das Formen von zwei sich über 360° erstreckenden kreisförmigen Bändern mit unterschiedlichen Durchmessern, das Ausschneiden einer Mehrzahl von Ausnehmungen aus den beiden Bändern, welche Ausnehmungen zum Einsetzen der inneren und äusseren Enden einer Mehrzahl von Leitschaufeln vorgesehen sind, das koaxiale Anordnen der beiden Bänder zur Bildung eines inneren und eines äusseren Bands, das Einsetzen und Heftschweissen sowie das nachfolgende Strukturschweissen der inneren und äusseren Enden in entsprechende Ausnehmungen im inneren und äusseren Band, das Spannungsfreiglühen, das Zerschneiden des inneren und äusseren Bands an zwei Orten, die praktisch um 180° voneinander getrennt sind, mittels einer ersten und einer zweiten Schnittlinie, die zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln und von diesen beabstandet verlaufen, das Herstellen eines Paars sich über einen Kreisbogen von 180° erstreckenden inneren und äusseren Halbringen, von denen jeder an seinen gegenüberliegenden Enden eine praktisch ebene Anlagefläche aufweist und das Anschweissen des Paars der inneren und äusseren Halbringe an das innere bzw. an das äussere Band an den beiden Stirnseiten, wobei die Schnittlinien zwischen benachbarten Leitschaufeln und die Anlageflächen der inneren und der äusseren Halbringe an jeder Schweissstelle nicht in der gleichen radialen Ebene liegen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht, ein Turbinenleitrad mit verbesserten aerodynamischen Düsen zu schaffen, dessen Leitschaufeln an den Bändern strukturell befestigt werden, während diese Bänder eine geschlossene 360°-Anordnung aufweisen, so dass Verbiegungen durch Abweichungen beim Zusammenbau und thermische und s

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durch Schrumpfen bewirkte Spannungen kleinstmöglich sind und engere Toleranzen eingehalten werden können.

Das Verfahren ermöglicht weiter, ein Leitrad zu schaffen, bei dem die Trennung zwischen den 180°- oder halbkreisförmigen Sektoren der Anordnung längs einer Schnittlinie zwischen benachbarten Leitschaufeln verläuft, wobei die Bänder eine gebogene Schnittlinie aufweisen, während die aneinanderliegenden Flächen des inneren und des äusseren Rings eben sind.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil des axialen Schnitts durch eine typische Dampfturbine,

Fig. 2 die vergrösserte Ansicht des Schnitts durch einen Teil eines entsprechend dem bekannten Stand der Technik aufgebauten Leitrads für eine Dampfturbine,

Fig. 3 die vergrösserte Ansicht des Schnitts durch einen Teil eines in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebauten Leitrads für eine Dampfturbine,

Fig. 4 die perspektivische Darstellung eines Arbeitsgangs beim Zusammenbau einer Dampfleitanordnung für ein Leitrad,

Fig. 5 die Vergrösserung eines Teils der in Fig. 4 gezeigten Dampf leitanordnung und

Fig. 6 die vergrösserte Ansicht des Anlagebereichs eines der halbkreisförmigen Teile eines entsprechend der vorliegenden Erfindung zusammengebauten Leitrads.

Die Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine Axialdampfturbine 10 mit einem Gehäuse 12 und einer rotierbar gelagerten Welle 14. An der Welle sind eine Vielzahl Turbinenlaufschaufeln 16 in bekannterWeise befestigt. Ein Einlassleitrad 18 enthält eine ringförmig angeordnete Reihe Leitschaufeln 20, die den aus einer Dampfbüchse kommenden Dampf beschleunigen und auf eine erste Reihe 24 der Laufschaufeln richten.

Weitere Leiträder 27 sind zwischen Paaren aufeinanderfolgenden Stufen von Laufrädern 16 angeordnet, um den aus einem zustromseitigen Laufrad ausströmenden Dampf umzulenken und zu beschleunigen und mit optimaler Geschwindigkeit und unter einem optimalen Winkel auf das nachfolgende abstromseitige Laufrad zu leiten.

Jedes Leitrad 26 enthält Leitschaufeln 20, die zwischen einem äusseren Abstandshalter 28 und einem inneren Abstandshalter 30 angeordnet sind. Am äusseren Abstandshalter 28 ist ein Aussenring 32 befestigt, der in bekannter Weise in das Gehäuse 12 eingepasst ist. Am inneren Abstandshalter 30 ist ein Innenring 34 befestigt und dadurch von der Welle 14 beabstandet gehaltert. Üblicherweise wird in einem Dichtungsbereich 36 am inneren Ende des Innenrings 34 eine (nicht gezeigte) Wellendichtung verwendet, die die Rotation der Welle 14 relativ zum Leitrad 26 ermöglicht und zugleich eine axiale Dampfleckage längs der rotierenden Welle abdichtet.

In Fig. 2 ist ein in axialer Richtung geführter Teilschnitt durch ein gemäss dem bekannten Stand der Technik gebautes Leitrad gezeigt. Bei diesem Leitrad werden die Leitschaufeln 20 zuerst an den äusseren Abstandshalter 28 und den inneren Abstandshalter 30 heftgeschweisst und danach an ihren Enden mit einem äusseren und einem inneren Band in den Bereichen 40 und 42 durchgeschweisst. Dadurch werden die halbkreisförmigen äusseren und inneren Abstandshalter 28 bzw. 30 und die Leitschaufeln 20 in einer halbkreisförmigen Anordnung gehalten, die dann mittels einer weiteren tief eindringenden Schweissung in den Bereichen 44,46,48 und 50 an die halbkreisförmigen Aussen- und Innenringe 32 bzw. 34 angeschweisst werden. Dabei ist zu beachten, dass jede der letztgenannten Schweissungen 44,46,48 und 50 tief genug zwischen den Abstandshalter und den Ring eindringt, um die Enden der Schaufeln 20 zu erreichen und diese fest mit den Ringen 32 und 43 zu verbinden. Das bedeutet, dass die Abstandshalter 28 und 30 hauptsächlich zum Positionieren der Leitschaufeln 20 vorgesehen sind, bis diese durch Schweissen an dem äusseren und dem inneren Ring befestigt sind, wodurch die Ringe dann zu strukturellen Trägern der Leitschaufeln werden.

In Fig. 3 ist ein Teilschnitt durch ein Leitrad, das entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, gezeigt. Bei diesem Leitrad enthalten das äussere und das innere Band 52 bzw. 54 Ausnehmungen 56 bzw. 58, in die die Enden 60,62 der Leitschaufeln 20 eingesetzt sind. Die Enden 60 und 62 der Leitschaufeln werden vor dem Zusammenbau mit dem Aussen- und dem Innenring 32 bzw. 34 in den Bereichen 64 und 66 fest mit dem äusseren und dem inneren Band 52 bzw. 54 verschweisst. Die Schweissungen 64 und 66 werden ausgeführt, während die Bänder 52 und 54 zu einer sich über 360° erstreckenden ringförmigen Anordnung zusammengebogen sind. Die Bänder 52 und 54 sind dick und fest genug, um einen tragenden Aufbau für die Schaufeln 20 zu bilden, ohne dass eine direkte Schweissung an den äusseren oder inneren Ring 32 bzw. 43 erforderlich ist. Das ermöglicht, das äussere Band 52 mit minimal schwachen Schweissnähten 68 und 70 an den äusseren Ring 32 anzuschweissen bzw. die Schweiss-nähte nicht bis zu den Enden 60 der Leitschaufeln 20 auszubilden, sondern nur das zustrom- und das abstromseitige Ende des Bands 52 fest mit dem Ring 32 zu verbinden. Entsprechend kleine Schweissungen 72 und 74 werden zum Befestigen des zustrom- und des abstromseitigen Endes des Bands 54 am inneren Ring 34 verwendet, ohne dass sich dafür die Schweissnähte 72 und 74 bis zum Ende der Leitschaufel 20 erstrecken.

Unter bestimmten Umständen kann das äussere Band 52 einen konischen Querschnitt aufweisen, wie es in der Figur gezeigt ist, um die Ausdehnung des Dampfs zu ermöglichen.

Die Fig. 4 zeigt eine Baugruppe mit dem inneren und dem äusseren Band 53 und 52 und Leitschaufeln 20. Das innere und das äussere Band 54 und 52 werden durch das Biegen von Streifen zu Reifen und das Zusammenschweissen der gegenüberstehenden Enden gebildet. Danach werden die Reifen in bekannter Weise durch Glühen entspannt und getempert, wobei das gezeigte, sich über 360° erstreckende ringförmige Bauteil entsteht. In das äussere Band 52 und das innere Band 54 werden in ebenfalls bekannter Weise, beispielsweise mittels Elektroerosion oder Laserschneiden die Ausnehmungen 56 bzw. 58 eingeschnitten. Jedes der genannten Schneidverfahren ist zum Ausschneiden von Öffnungen in relativ dickem Material brauchbar. Dieses relativ dicke Material ist für die Ausführung der vorliegenden Erfindung erforderlich, weil das äussere und das innere Band 52 bzw. 54 einen wesentlichen Teil der Tragkonstruktion für die Leitschaufeln 20 bilden.

Das äussere und das innere Band 52 und 54 werden in genau koaxialer Ausrichtung zueinander auf einem (nicht gezeigten) Träger befestigt und danach die Leitschaufeln 20 eingesetzt, indem diese beispielsweise durch die Ausnehmungen 56 im äusseren Band in die Ausnehmungen 58 im inneren Band 54 geschoben werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Ausnehmungen 56 und 58 vollständig durch die entsprechenden Bänder 32 und 54 hindurch. Andererseits versteht sich für jeden Fachmann, dass die einen oder anderen Ausnehmungen 56 bzw. 58 auch als Sacklöcher ausgebildet sein können, die beispielsweise mittels Elektroerosion hergestellt werden. Wenn alle vorgesehenen Leitschaufeln 20 eingebaut sind und die Ringe und Schaufeln ein sich über 360° erstreckendes ringförmiges Bau5

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element bilden, werden die Leitschaufeln 20 in der angestrebten Position an die Bänder 52 und 54 heftgeschweisst. Das Schweissen wird vorzugsweise mit minimaler Einwirkung von Hitze auf das innere und das äussere Band 54 bzw. 52 und auf die Leitschaufeln 20 durchgeführt, um bei diesem Arbeitsgang die thermische Verformung kleinstmöglich zu halten.

Bie Fig. 5 zeigt, dass nach der Heftschweissung eine Tiefoder Strukturschweissung ausgeführt wird, wofür beispielsweise ein Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiss- und/oder Gas-Metall-Lichtbogenschweissverfahren verwendet werden, um die Schweissungen 64 am äusseren Band 52 und die (nicht gezeigten) Schweissungen am inneren Band 54 auszuführen, wobei die Leitschaufeln 20 strukturell mit dem inneren und dem äusseren Band 54 bzw. 52 verbunden werden, während die Bänder ihre über 360° geschlossene ringförmige Gestalt behalten. Die Aufeinanderfolge der einzelnen Schweissungen kann so gewählt werden, dass die durch das Schweissen bedingte Verformung kleinstmöglich ist. Beispielsweise können die Schweissungen gleichzeitig an gegenüberliegenden Leitschaufelpaaren auf gegenüberliegenden Seiten der Anordnung ausgeführt werden, so dass Verformungen verringert oder ausgeglichen werden. Wenn das innere und das äussere Band 54 bzw. 52 während dieser Zeit die über 360° geschlossene Ringform beibehält, können durch die natürlich geometrische Festigkeit des Bands die durch thermische Verformung gebildeten Kräfte verteilt werden und dadurch der in den Düsen zwischen benachbarten Leitschaufeln gebildete Dampfströmungsweg innerhalb vorgesehener Parameter gehalten werden.

Nachdem alle Leitschaufeln 20 an beiden Enden fest ange-schweisst sind, wird die gesamte Baugruppe spannungsfrei geglüht und getempert, wozu konventionelle Schutzgas-Wärmetechniken verwendet werden, um Restspannungen zu entfernen, die nach Beendigung des Schweissens in der Baugruppe verblieben sind, und um den von der Schweisshitze beeinträchtigten Bereich zu tempern. Nach dem Beseitigen der Spannungen werden das innere und das äussere Band 54 und 52 durch zwei Schnitte, die um 180° auseinanderliegen und deren Schnittlinie zwischen benachbarten Leitschaufeln 20 verlaufen, voneinander getrennt. Um die Baugruppe in zwei Stücke, von denen jedes einem Kreisbogen von 180° entspricht, zu trennen, wird eine gekrümmte Schnittlinie verwendet werden, wie es in Fig. 5 mit der gestrichelten Linie 76 gezeigt ist. Wenn es die Anordnung der Leitschaufeln ermöglicht oder erfordert, kann aber auch eine andere Schnittlinie verwendet werden, beispielsweise eine geradlinige oder eine aus einer Mehrzahl miteinander verbundener gerader Linien gebildete Schnittlinie. Beim Schneiden längs der gekrümmten Schnittlinie 76 wird vorzugsweise so wenig Material wie möglich entfernt, damit beim späteren Zusammenpassen der Enden in der Turbine die Form der Baugruppe nur unwesentlich von der ursprünglichen Ringform abweicht. Eine gekrümmte Schnittlinie 76 kann beispielsweise mit der Drahtelektrode einer Funkenerosionsanlage ausgeführt werden, wobei die Schnittlinie nicht mehr als 0,3 mm (0,012") beträgt. Die entsprechende Materialmenge ist im Verhältnis zum Radius des Leitrads vernachlässigbar. Die unabhängig davon vorbereiteten, sich über einen Sektor von 180° erstreckenden Teile des äusseren und des inneren Rings 32 bzw. 34 (Fig. 3) werden dann zu der weiter oben beschriebenen, sich über 180° erstreckenden Dampfleitan-ordnung zusammengebaut, und es werden das äussere Band 52 an dem äusseren Ring 32 und das innere Band 54 an dem inneren Ring 34 mit den relativ schwachen Schweissungen 68,70,72 und 74 befestigt.

Die Fig. 6 zeigt die Anlagefläche einer der zusammengebauten Hälften eines Leitrads. Wie zu erkennen ist, weist der äussere Ring 32 eine ebene, radiale Anlagefläche 78 auf, die zum Anlegen an eine entsprechend ebene Radialfläche an eimtm5i WfffBin Rille Yorplra ist. Der Im senring 32 weist weiter ein Führungsloch 80 auf, das zum Positionieren und Halten eines mit einem vorstehenden Positionierstift versehenen und angelegten (nicht gezeigten) Aus-senrings vorgesehen ist.

Der Innenring 34 weist ebenfalls eine ebene, radiale Anlagefläche 82 auf, die zum Anlegen an eine entsprechende Fläche der anzulegenden Leitradhälfte vorgesehen ist. Es ist üblich, an der Anlagefläche 82 einen vorstehenden Zapfen oder eine Feder vorzusehen, der bzw. die zum Eingriff in die Nut der (nicht gezeigten) Gegenanlagefläche vorgesehen ist. Weiter ist an der inneren Anlagefläche 82 ein Einstellzapfen 86 angeordnet, der beim Einsetzen in eine entsprechende Bohrung in der (nicht gezeigten) Gegenanlagefläche eine Führungshilfe bildet. Es sei darauf hingewiesen, dass der gekrümmte Schnitt 76 sowohl gekrümmt als auch gegenüber der Ebene des Leitrads 26 geneigt ist, während die Anlageflächen 78 und 82 radial ausgerichtete Ebenen bilden, deren Verlängerungen vorzugsweise die Achse des Leitrads schneiden. Durch die Verwendung eines gebogenen Schnitts 76 kann die Schnittlinie zwischen benachbarten Leitschaufeln geführt werden, während ein das innere und das äussere Band 54 und 52 geradlinig und parallel zwischen den Anlageflächen 78 und 82 trennender, in axialer Richtung geführter Schnitt mindestens eine Leitschaufel in zwei Teile trennen würde. Die ebenen Anlageflächen 78 und 82 erleichtern das gegenseitige Positionieren und Aneinanderlegen der beiden sich je über 180° erstreckenden Leitradteile.

Mit dem erfindungsgemäss hergestellten Leitrad können während der Herstellung erzeugte Spannungen unter Ausnutzung der natürlichen geometrischen Festigkeit der sich über 360° erstreckenden inneren und äusseren Bänder 54 und 52 während der Herstellung der Dampfleitanordnung und durch die Anwendung kleiner Schweissungen zum Befestigen der Bänder an den Ringen gesteuert und kleinstmöglich gehalten werden. Die gebogenen Schnitte 76 zwischen benachbarten Leitschaufeln 20 vermeiden Turbulenzen, die durch zu wenige befestigte Leitschaufelsegmente erzeugt werden. Weil das innere und das äussere Band 54 und 52 eine strukturelle Befestigung der Leitschaufeln 20 gewährleisten, ist für das Positionieren des inneren und des äusseren Bands 54 und 52 am inneren und äusseren Ring 34 bzw. 32 nur eine minimale Verschweissung erforderlich, die nicht notwendigerweise bis zu den Enden der Leitschaufeln eindringt.

Obwohl bei dem erfindungsgemäss hergestellten Leitrad das direkte Verschweissen zwischen den Ringen 32 und/oder 34 und den Leitschaufeln 20 nicht erforderlich ist, sind überlappende Schweissungen nicht ausgeschlossen. Es gibt Leiträder, bei denen die Leitschaufeln 20 so nahe an das zustrom-oder abstromseitige Ende des Laufrads gesetzt sind, dass auch bei einer relativ schwachen Verschweissung der Berührungsflächen von Bändern und Ringen Schweissgutbis zu den Leitschaufeln fliesst. Ein Leitrad, bei dem ein Teil des Schweissguts solcher Art unbeabsichtigt bis zu den Leitschaufeln verfliesst, fällt darum auch in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung.

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1. Verfahren zum Herstellen eines Turbinenleitrads, gekennzeichnet durch das Formen von zwei sich über 360° erstreckenden kreisförmigen Bändern mit unterschiedlichen Durchmessern, das Ausschneiden einer Mehrzahl von Ausnehmungen aus den beiden Bändern, welche Ausnehmungen zum Einsetzen der inneren und äusseren Enden einer Mehrzahl von Leitschaufeln vorgesehen sind, das koaxiale Anordnen der beiden Bänder zur Bildung eines inneren und eines äusseren Bands, das Einsetzen und Heftschweissen sowie das nachfolgende Strukturschweissen der inneren und äusseren Enden in entsprechende Ausnehmungen im inneren und äusseren Band, das Spannungsfreiglühen, das Zerschneiden des inneren und äusseren Bands an zwei Orten, die praktisch um 180° voneinander getrennt sind, mittels einer ersten und einer zweiten Schnittlinie, die zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln und von diesen beabstandet verlaufen, das Herstellen eines Paars sich über einen Kreisbogen von 180° erstreckenden inneren und äusseren Halbringen, von denen jeder an seinen gegenüberliegenden Enden eine praktisch ebene Anlagefläche aufweist und das Anschweissen des Paars der inneren und äusseren Halbringe an das innere bzw. an das äussere Band an den beiden Stirnseiten, wobei die Schnittlinien zwischen benachbarten Leitschaufeln und die Anlageflächen der inneren und der äusseren Halbringe an jeder Schweissstelle nicht in der gleichen radialen Ebene liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerschneiden des inneren und des äusseren Bands längs einer gekrümmten Schnittlinie ausgeführt wird.