DE102008051935A1

DE102008051935A1 - Verfahren zum Montieren eines Schaufelkranzes für einen Rotor und Schaufelkranz hierzu

Info

Publication number: DE102008051935A1
Application number: DE200810051935
Authority: DE
Inventors: Robert Schmidt
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2010-04-15
Also published as: WO2010040339A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Montieren eines Schaufelkranzes (11) für einen Rotor, insbesondere für eine Turbinenscheibe oder einen Turbinenring einer Turbinenstufe einer Strömungsmaschine, bei welchem zumindest die Schritte Anordnen einer Mehrzahl von Rotorschaufeln (16) in Form von zumindest zwei Schaufelkranzsegmenten (12a-d) an einer Haltevorrichtung (10), wobei zwischen den zumindest zwei Schaufelkranzsegmenten (12a-d) zumindest zwei Zwischenräume (14a-d) freigelassen werden, Erzeugen einer Vorspannung in zumindest einer Rotorschaufel (16), Bereitstellen von wenigstens zwei Füllrotorschaufeln (20) für jeden Zwischenraum (14a-d), wobei die für jeden Zwischenraum vorgesehenen Füllrotorschaufeln (20) jeweils nebeneinander angeordnet werden, Erzeugen einer Vorspannung in zumindest einer Füllrotorschaufel (20) und Ausbilden des Schaufelkranzes (11) durch Anordnen der Füllrotorschaufeln (20) in den zugeordneten Zwischenräumen (14a-d), durchgeführt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Schaufelkranz (11) für einen Rotor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Montieren eines Schaufelkranzes für einen Rotor, insbesondere für eine Turbinenscheibe oder einen Turbinenring einer Turbinenstufe einer Strömungsmaschine, sowie einen Schaufelkranz der im Oberbegriff des Patentanspruchs 13 angegebenen Art.
Schaufelkränze für Rotoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein derartiger Schaufelkranz umfasst üblicherweise mehrere einzelne Rotorschaufeln und kann beispielsweise als Turbinenscheibe (Blisk) oder Turbinenring (Bling) ausgebildet sein.
Dabei ist es jedoch gewünscht, die Rotorschaufeln mit einer Vorspannung (Pre-Twist) zueinander zu versehen, damit diese bei einem Hochlaufen des Rotors – beispielsweise in einer Turbine – nicht aneinander schlagen. Die einzelnen Rotorschaufeln können jedoch bislang wegen des Pre-Twists nicht spaltfrei angeordnet werden, da die letzte Rotorschaufel nicht montiert werden kann. Eine genaue Positionierung der Rotorschaufeln im Schaufelkranz ist ebenfalls nicht möglich, so dass der Schaufelkranz nicht über seinen gesamten Aufbaudurchmesser montiert oder gespannt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, welches eine Montage eines Schaufelkranzes mit vorgespannten Rotorschaufeln ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen entsprechenden Schaufelkranz hierzu bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch einen Schaufelkranz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens – soweit anwendbar – als vorteilhafte Ausgestaltungen des Schaufelkranzes und umgekehrt anzusehen sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Montieren eines Schaufelkranzes für einen Rotor werden zumindest die Schritte Anordnen einer Mehrzahl von Rotorschaufeln in Form von zumindest zwei Schaufelkranzsegmenten an einer Haltevorrichtung, wobei zwischen den zumindest zwei Schaufelkranzsegmenten zumindest zwei Zwischenräume freigelassen werden, Erzeugen einer Vorspannung in zumindest einer Rotorschaufel, Bereitstellen von wenigstens zwei Füllrotorschaufeln für jeden Zwischenraum, wobei die für jeden Zwischenraum vorgesehenen Füllrotorschaufeln jeweils nebeneinander angeordnet werden, Erzeugen einer Vorspannung in zumindest einer Füllrotorschaufel und Ausbilden des Schaufelkranzes durch Anordnen der Füllrotorschaufeln in den zugeordneten Zwischenräumen durchgeführt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Schaufelkranz mit vorgespannten Rotorschaufeln montiert werden, wobei zudem eine genaue Positionierung der einzelnen Rotorschaufeln im Schaufelkranz sichergestellt wird. Der Schaufelkranz kann darüber hinaus spaltfrei zu einem definierten Aufbaudurchmesser zusammengefügt werden, was für weitere Verarbeitungsschritte – beispielsweise Füge – bzw. Schweißverfahren – und zur Sicherstellung des geforderten Rotordurchmessers erforderlich ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorspannung in allen Rotorschaufeln und/oder in allen Füllrotorschaufeln erzeugt wird. Hierdurch werden eine besonders hohe Steifigkeit des Schaufelkranzes und ein entsprechend problemloses Anlaufverhalten sichergestellt.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Vorspannung durch Einspannen der zumindest einen Rotorschaufel an der Haltevorrichtung und/oder der zumindest einen Füllrotorschaufel an einem Schlitten erzeugt wird. Dies stellt eine besonders prozesssichere und präzise Möglichkeit zum Erzeugen der gewünschten Vorspannung der Rotorschaufel bzw. der Füllrotorschaufel dar.
Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigte, dass die zumindest eine Rotorschaufel und/oder die zumindest eine Füllrotorschaufel um einen Winkel zwischen 0,5° und 5°, insbesondere zwischen 1° und 3° tordiert wird, wodurch einerseits eine ausreichende Vorspannung erzeugt und andererseits eine Beschädigung der Rotor- bzw. Füllrotorschaufel zuverlässig vermieden wird. Das Tordieren kann beispielsweise durch Einspannen der Rotor- bzw. Füllrotorschaufel an ihrem Innen- und Außendurchmesser und anschließendem Verdrehen durchgeführt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotorschaufeln in Form von zumindest zwei Schaufelkranzsegmenten mit gleichen Mittelpunktswinkeln und/oder in Form von zumindest drei, vorzugsweise von zumindest vier, Schaufelkranzsegmenten angeordnet werden. Dies erlaubt eine prozesssichere und einfach automatisierbare Montage des Schaufelkranzes, wobei die jeweilige Anzahl der Schaufelkranzsegmente beispielsweise in Abhängigkeit des späteren Schaufelkranzdurchmessers gewählt werden kann.
Eine besonders präzise Anordnung der Rotor- bzw. Füllrotorschaufeln ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch gewährleistet, dass eine Haltevorrichtung mit Positionierungsanschlägen für die Rotorschaufeln und/oder für die Füllrotorschaufel verwendet wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die bereitgestellten Füllrotorschaufel zunächst jeweils nebeneinander auf dem Schlitten angeordnet und die Vorspannung durch Einspannen der Füllrotorschaufeln am Schlitten erzeugt wird. Der Schlitten kann damit vorteilhaft als Spann- und Positionierungsvorrichtung verwendet werden, wodurch eine besonders schnelle, einfache und kostengünstige Montage ermöglicht ist. Idealerweise sind die verwendete Haltevorrichtung und der verwendete Schlitten miteinander korrespondierend ausgebildet.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn ein Schlitten mit einem abnehmbaren Positionierungsanschlag für die Füllrotorschaufeln verwendet wird. Hierdurch können zunächst die Füllrotorschaufeln mittels des Positionierungsanschlags auf dem Schlitten positioniert und der Positionierungsanschlag anschließend abgenommen werden, um eine verbesserte Handhabbarkeit des Schlittens zu erzielen.
Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Füllrotorschaufeln durch Positionieren des Schlittens an der Haltevorrichtung in ihrem zugeordneten Zwischenraum angeordnet werden. Hierdurch können die Füllrotorschaufeln schnell und automatisierbar in ihren zugeordneten Zwischenraum eingebracht und präzise positioniert werden.
Indem als Füllrotorschaufel eine Rotorschaufel verwendet wird, kann der Schaufelkranz aufgrund der reduzierten Teilevielfalt besonders kostengünstig montiert werden. Zudem kann hierdurch besonders einfach eine gleichmäßige Massenverteilung über den Umfang des Schaufelkranzes sichergestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schaufelkranz nach dem Ausbilden gefügt, insbesondere verschweißt wird. Auf diese Weise können die Rotor- bzw. die Füllrotorschaufeln dauerhaft miteinander verbunden. Zum Verschweißen können beispielsweise Elektronenstrahl- oder Laserschweißverfahren verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Schaufelkranz für einen Rotor, insbesondere eine Turbinenscheibe oder einen Turbinenring einer Turbinenstufe einer Strömungsmaschine, mit einer Mehrzahl von Rotorschaufeln, wobei eine Vorspannung zumindest eines Teils der Rotorschaufeln dadurch ermöglicht ist, dass der Schaufelkranz zumindest zwei voneinander beabstandete Schaufelkranzsegmente umfasst, zwischen welchen jeweils zumindest zwei Füllrotorschaufeln angeordnet sind. Hierdurch ist zudem eine genaue Positionierung der einzelnen Rotorschaufeln im Schaufelkranz sichergestellt. Weitere sich ergebende Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schaufelkranz mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele montiert und/oder hergestellt ist. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgestellten Merkmale und deren Vorteile gelten – soweit anwendbar – für den erfindungsgemäßen Schaufelkranz.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 eine schematische Perspektivansicht von vier an einer Haltevorrichtung angeordneten Schaufelkranzsegmenten, zwischen welchen vier Zwischenräume freigelassen sind;
2 eine schematische Perspektivansicht eines Schlittens mit einem abnehmbaren Positionierungsanschlag, wobei zwei Füllrotorschaufeln nebeneinander auf dem Schlitten angeordnet sind;
3 eine schematische Perspektivansicht des in 2 gezeigten Schlittens, wobei der Positionierungsanschlag abgenommen ist;
4 eine schematische Perspektivansicht eines Zwischenraums zwischen zwei der in 1 gezeigten Schaufelkranzsegmenten, in welchen der Schlitten mit den Füllrotorschaufeln bewegt wird;
5 eine schematische Perspektivansicht eines Schaufelkranzes, welcher durch Anordnen der Füllrotorschaufeln in den Zwischenräumen zwischen den Schaufelkranzsegmenten ausgebildet ist; und
6 eine schematische und ausschnittsweise Perspektivansicht von mehreren Rotorschaufeln des in 5 gezeigten Schaufelkranzes, die miteinander verschweißt werden.
1 zeigt eine schematische Perspektivansicht von vier an einer Haltevorrichtung 10 angeordneten Schaufelkranzsegmenten 12a–d eines Schaufelkranzes 11 (s. 5), zwischen welchen vier Zwischenräume 14a–d freigelassen sind. Die Schaufelkranzsegmente 12a–d, welche Mittelpunktswinkel α von etwa 80° besitzen, umfassen jeweils eine Mehrzahl an Rotorschaufeln 16, wobei alle Rotorschaufeln 16 an ihren jeweiligen Innen- und Außendurchmessern an der Haltevorrichtung 10 eingespannt und mit einem Pre-Twist zwischen 1° und 3° vorgespannt werden. Die Haltevorrichtung 10 umfasst Positionierungsanschläge 18, so dass die einzelnen Rotorschaufeln 16 im jeweiligen Schaufelkranzsegment 12a–d präzise positioniert werden können. Dabei können jedoch grundsätzlich – beispielsweise bei Schaufelkränzen 11 mit abweichenden Durchmessern – auch weniger oder mehr als vier Schaufelkranzsegmente 12 mit einer entsprechenden Anzahl an Zwischenräumen 14 vorgesehen sein.
Um den gesamten Schaufelkranz 11 zu montieren, werden für jeden Zwischenraum 14a–d jeweils zwei Füllrotorschaufeln 20 bereitgestellt. Wie in 2 erkennbar ist, werden die Füllrotorschaufeln 20 dabei zunächst nebeneinander an einem Schlitten 22 eingespannt und analog den Rotorschaufeln 16 durch Erzeugen eines Pre-Twists von etwa 1°–3° vorgespannt. Der Schlitten 22 umfasst ebenfalls Positionierungsanschläge 18, wodurch die relative Position der Füllrotorschaufeln 20 präzise einstellbar ist und die Füllrotorschaufeln 20 spaltfrei nebeneinander anordenbar sind. Die Positionierungsanschläge 18 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel abnehmbar ausgebildet. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass als Füllrotorschaufeln 20 Rotorschaufeln 16 verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der Größe des Zwischenraums 14 drei oder mehr Füllrotorschaufeln 20 nebeneinander angeordnet werden.
Nach dem Anordnen und Vorspannen der Füllrotorschaufeln 20 am Schlitten 22 werden die Positionierungsanschläge 18 des Schlittens 22 abgenommen. 3 zeigt hierzu eine schematische Perspektivansicht des in 2 gezeigten Schlittens 22 mit den vorgespannten Füllrotorschaufeln 20.
4 zeigt eine schematische Perspektivansicht des Zwischenraums 14b zwischen den Schaufelkranzsegmenten 12b, 12c, in welchen der Schlitten 22 mit den Füllrotorschaufeln 20 gemäß Pfeil IV bewegt wird. Die Haltevor richtung 10 und der Schlitten 22 sind zu diesem Zweck korrespondierend miteinander ausgebildet, so dass der Schlitten 22 definiert in eine entsprechenden Schiebeführung der Haltevorrichtung 10 eingeschoben werden kann. Durch Wiederholen dieses Schritts bei den übrigen Zwischenräumen 14a, 14c, 14d kann schließlich der in 5 in schematischer Perspektivansicht gezeigte Schaufelkranz 11 spaltfrei zu einem definierten Aufbaudurchmesser zusammengefügt und damit vollständig ausgebildet werden. Anschließend kann bei Bedarf der Rundlauf des Schaufelkranzes 11 nachgerichtet werden.
6 zeigt schließlich eine schematische und ausschnittsweise Perspektivansicht von mehreren Rotorschaufeln 16 des in 5 gezeigten Schaufelkranzes 11, die mit Hilfe eines Elektronenstrahlschweißverfahrens unter Ausbildung mehrerer Schweißnähte 24a, 24b miteinander verschweißt werden. Dabei ist mit VIa ein Bereich ohne Verunreinigungen durch mechanische Bearbeitung, Reinigungsmittelrückstände oder dergleichen gekennzeichnet. Die Pfeile VIb markieren demgegenüber Bereiche, die derartige Verunreinigungen aufweisen und dadurch zur Ausbildung eines Restspaltes führen können. Daher werden zunächst radiale Schweißnähte 24a erzeugt, die eine Tiefe von wenigstens 60% einer Oberraupenbreite der axialen Schweißnaht 24b aufweisen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dabei eine Tiefe von etwa 5–6 mm erzeugt. Anschließend werden die radialen Schweißnähte 24a gemäß Pfeil VIc überschweißt und die axiale Schweißnaht 24b erzeugt. Die axiale Schweißnaht 24b kommt auf diese Weise im mit Pfeil VId markierten Bereich nicht in Berührung mit den eventuell vorhandenen Verunreinigungen, wodurch eine Poren- oder Fehlstellenbildung ausgeschlossen und eine entsprechende hohe Fügequalität sichergestellt ist.

Claims

Verfahren zum Montieren eines Schaufelkranzes (11) für einen Rotor, insbesondere für eine Turbinenscheibe oder einen Turbinenring einer Turbinenstufe einer Strömungsmaschine, folgende Schritte umfassend: – Anordnen einer Mehrzahl von Rotorschaufeln (16) in Form von zumindest zwei Schaufelkranzsegmenten (12a–d) an einer Haltevorrichtung (10), wobei zwischen den zumindest zwei Schaufelkranzsegmenten (12a–d) zumindest zwei Zwischenräume (14a–d) freigelassen werden; – Erzeugen einer Vorspannung in zumindest einer Rotorschaufel (16); – Bereitstellen von wenigstens zwei Füllrotorschaufeln (20) für jeden Zwischenraum (14a–d), wobei die für jeden Zwischenraum vorgesehenen Füllrotorschaufeln (20) jeweils nebeneinander angeordnet werden; – Erzeugen einer Vorspannung in zumindest einer Füllrotorschaufel (20); und – Ausbilden des Schaufelkranzes (11) durch Anordnen der Füllrotorschaufeln (20) in den zugeordneten Zwischenräumen (14a–d).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung in allen Rotorschaufeln (16) und/oder in allen Füllrotorschaufeln (20) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung durch Einspannen der zumindest einen Rotorschaufel (16) an der Haltevorrichtung (10) und/oder der zumindest einen Füllrotorschaufel (20) an einem Schlitten (22) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Rotorschaufel (16) und/oder die zumindest eine Füllrotorschaufel (20) um einen Winkel zwischen 0,5° und 5°, insbesondere zwischen 1° und 3° tordiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (16) in Form von zumindest zwei Schaufelkranzsegmenten (12a–d) mit gleichen Mittelpunktswinkeln (α) und/oder in Form von zumindest drei, vorzugsweise von zumindest vier, Schaufelkranzsegmenten (12a–d) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haltevorrichtung (10) mit Positionierungsanschlägen (18) für die Rotorschaufeln (16) und/oder für die Füllrotorschaufel (20) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellten Füllrotorschaufeln (20) zunächst jeweils nebeneinander auf dem Schlitten (22) angeordnet und die Vorspannung durch Einspannen der Füllrotorschaufeln (20) am Schlitten (22) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlitten (22) mit einem abnehmbaren Positionierungsanschlag (18) für die Füllrotorschaufeln (20) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllrotorschaufeln (20) durch Positionieren des Schlittens (22) an der Haltevorrichtung (10) in ihrem zugeordneten Zwischenraum (14a–d) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllrotorschaufel (20) eine Rotorschaufel (16) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkranz (11) nach dem Ausbilden nachgerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkranz (11) nach dem Ausbilden gefügt, insbesondere verschweißt wird.
Schaufelkranz (11) für einen Rotor, insbesondere für eine Turbinenscheibe oder einen Turbinenring einer Turbinenstufe einer Strömungsmaschine, mit einer Mehrzahl von Rotorschaufeln (16), dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest zwei voneinander beabstandete Schaufelkranzsegmente (12a–d) umfasst, zwischen welchen jeweils zumindest zwei Füllrotorschaufeln (20) angeordnet sind.
Schaufelkranz (11) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 montiert und/oder hergestellt ist.