DE102014205062A1

DE102014205062A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Pelton-Laufrades

Info

Publication number: DE102014205062A1
Application number: DE201410205062
Authority: DE
Inventors: Manfred Stummer; Dieter Schmerek
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung eines Pelton-Laufrades, bestehend aus Mitteln zum drehbaren Lagern einer vorgefertigten Laufradnabe um die Nabenachse und Mitteln zum Aufbringen der Laufradbecher, wobei es sich bei den Mitteln zum Aufbringen der Laufradbecher um wenigstens einen 3D-Drucker handelt, wobei der relative Abstand des wenigstens einen 3D-Druckers zur Laufradnabe durch geeignete Positioniermittel einstellbar ist, und wobei die Winkellage der Laufradnabe bezüglich der Nabenachse durch geeignete Mittel einstellbar ist, und wobei sowohl die Abstände als auch die Winkellage durch eine Anlagensteuerung erfasst und geregelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Pelton-Laufrades für ein Wasserkraftwerk.
Pelton-Laufräder werden in einem bekannten Verfahren aus einem separat gefertigten Nabenkörper und den Bechern bzw. Teilen der Becher hergestellt, bei dem die Becher bzw. die Teile der Becher an den Nabenkörper angeschweißt werden. Solche Verfahren werden z.B. in DE 1063540 , DE 1086640 und AT 409407 angegeben.
Die Nachteile des dargestellten Standes der Technik bestehen darin, dass das Anschweißen der Becher bzw. der Becherteile auf Grund der eingeschränkten Zugänglichkeit einerseits sehr schwierig ist und einen erfahrenen Fachmann lange Zeit beschäftigt, wodurch die Herstellungskosten und die Herstellungszeit ansteigen. Außerdem müssen die Becher an den Schweißnähten aufwändig nachgearbeitet und poliert werden.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, das es erlaubt ein Pelton-Laufrad weitgehend automatisch herzustellen. Dadurch kann die Herstellungszeit gesenkt und somit ein kostengünstigeres Pelton-Laufrad hergestellt werden. Außerdem reduziert sich der Aufwand zur Nacharbeitung deutlich.
Die Erfinder haben sich von der Erkenntnis leiten lassen, dass inzwischen auch die Herstellung von Teilen für Gasturbinen mit Hilfe von sogenannten 3D-Druckern angestrebt wird. So beschreibt beispielsweise die DE 10 2009 051 551 ein solches Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine. Alle Verfahren, die sich unter dem Begriff des 3D-Druckens verbergen und die auch in der genannten Schrift erwähnt sind, haben gemeinsam, dass dabei das herzustellende Bauteil schichtweise aufgebaut wird. Es entsteht eine sehr feinkörnige Bauteilstruktur mit einer sehr genau definierten Kontur. Die Erfinder haben weiter erkannt, dass die Herstellung eines kompletten Pelton-Laufrades mit Hilfe eines 3D-Druckers keinen Kostenvorteil bringen würde, da der zeitliche Aufwand für ein so großes Bauteil viel zu hoch wäre. Vielmehr gingen sie von dem Gedanken aus, die Laufradnabe mit den Becheransätzen wie bisher separat zu fertigen, und dann auf die Becheransätze mit Hilfe eines geeigneten 3D-Druckers die Becher schichtweise aufzubringen.
Die Erfinder haben erkannt, dass die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst werden kann. Ein entsprechendes Verfahren wird im unabhängigen Verfahrensanspruch 8 offenbart. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine Vorrichtung, die folgende Teilaufgaben erfüllt, die gestellte Aufgabe löst: Drehbare Lagerung der separat gefertigten Laufradnabe, motorische Drehung, Ausrichtung und Fixierung der Laufradnabe in Bezug auf die Laufradachse (Drehwinkel), Ausrichtung der Laufradnabe zum 3D-Drucker bezüglich dem Abstand zwischen 3D-Drucker und Laufradnabenachse, schrittweise motorische Änderung des Abstandes zwischen 3D-Drucker und Laufradnabenachse und der automatischen Steuerung aller dieser Bewegungen.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
1 erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Pelton-Laufrades; und
2 erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Pelton-Laufrades
In der Darstellung der 1 ist die stark schematisierte Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Dabei ist eine vorgefertigte Laufradnabe mit 10 und ein 3D-Drucker mit 11 bezeichnet. Die Laufradnabe besitzt eine zentrale Öffnung zur Aufnahme der Turbinenwelle. Die Lage der Laufradnabenachse ist mit einem Kreuz gekennzeichnet. Die vorgefertigte Laufradnabe umfasst in der Regel Ansätze, auf die die Becher aufgebracht werden. In 1 ist jedoch nur einer dieser Ansätze dargestellt und mit 12 bezeichnet. Der Pfeil, der sich innerhalb der Umrahmung des 3D-Druckers (11) befindet, kennzeichnet die Wachstumsrichtung des 3D-Druckers. D.h. beim Aufbringen der Becher scheidet der 3D-Drucker Schicht um Schicht ausgehend von der Außenfläche der Ansätze (12) an ab, wobei jede Schicht senkrecht zur Pfeilrichtung verläuft. Die notwendigen Positioniermittel zur Einstellung des Abstandes zwischen dem 3D-Druckers (11) und der Nabenachse und die Mittel zur Einstellung des Drehwinkels der Laufradnabe relativ zur Nabenachse sind in der Figur nicht dargestellt.
2 zeigt schematisch den Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zur Veranschaulichung sei die Anordnung aus 1 vorausgesetzt. Ebenfalls vorausgesetzt ist die Bereitstellung einer vorgefertigten Laufradnabe (10). In dem mit V1 bezeichneten Verfahrensschritt wird der Drehwinkel der Nabe so eingestellt, dass eine erste Außenfläche eines ersten Ansatzes (12) so orientiert ist, dass diese Außenfläche senkrecht zur Wachstumsrichtung des 3D-Druckers (11) verläuft. Auf diese Außenfläche soll in den folgenden Schritten ein Becher aufgebracht werden. In dem mit V2 bezeichneten Verfahrensschritt wird dann der Abstand zwischen dem 3D-Drucker (11) und der Nabenachse so weit verringert, dass die Außenfläche des Ansatzes (12), auf der der Becher aufgebracht werden soll, sich in einer Position befindet, auf die der 3D-Drucker (11) eine Schicht abscheiden kann. In dem mit V3 bezeichneten Verfahrensschritt scheidet der 3D-Drucker (11) eine komplette Schicht ab. In dem mit V4 bezeichneten Verfahrensschritt wird der Abstand zwischen dem 3D-Drucker (11) und der Nabenachse um eine Schichtdicke vergrößert. V3 und V4 werden dann so oft wiederholt bis ein Becher komplett auf den ersten Ansatz (12) aufgebracht worden ist. In dem mit V5 bezeichneten Verfahrensschritt wird der Abstand zwischen dem 3D-Drucker (11) so weit vergrößert, dass die Laufradnabe (10) ohne Kollision gedreht werden kann. In dem mit V6 bezeichneten Verfahrensschritt wird das Laufrad so weit in eine vorgegebene Richtung gedreht, dass die Außenfläche des nächsten Ansatzes (12) so orientiert ist, dass diese Außenfläche senkrecht zur Wachstumsrichtung des 3D-Druckers (11) verläuft. Entsprechend zu V1 soll so der nächste Becher auf den nächsten Ansatz (12) abgeschieden werden. Die Verfahrensschritte V2 bis V6 werden so lange in der beschriebenen Reihenfolge wiederholt, bis alle Becher aufgebracht worden sind. In welche Richtung die Laufradnabe in den Schritten V6 gedreht wird, spielt keine Rolle, jedoch darf natürlich die Drehrichtung während der Durchführung des Verfahrens nicht geändert werden.
Die Mittel zur Einstellung der Winkellage der Nabe kommen in den Schritten V1 und V6 zum Einsatz. Die Positioniermittel zur Einstellung des Abstandes zwischen 3D-Drucker (11) und Nabenachse kommt in den Schritten V2, V4 und V5 zum Einsatz.
Es ist zu Bemerken, dass im Falle der 3D-Drucker (11) mehrere Schichten abscheiden kann, ohne dass der Abstand zwischen 3D-Drucker (11) und Nabenachse verändert werden muss, dass dann der Schritt V3 die Abscheidung von mehreren Schichten umfassen kann. Entsprechend wird dann in V4 der Abstand um die Dicke der in V3 abgeschiedenen Schichten vergrößert.
Es ist genauso gut möglich, dass die Schritte V1 und V2 in umgekehrter Reihenfolge erfolgen, oder dass einer oder beide Schritte fehlen können, wenn z.B. der durch diesen Schritt bewirkte Zweck (nämlich die anfängliche Ausrichtung der Laufradnabe (10) zu den 3D-Druckern (11)) anderweitig gewährleistet wird.
Der 3D-Drucker (11) scheidet die Abfolge der Schichten gemäß dem im Stand der Technik bekannten Verfahren ab, so dass der Becher in der vorgegebenen Kontur aufgebracht wird. Dabei muss der 3D-Drucker nach Abschluss des Schrittes V3 ein entsprechendes Signal liefern, das in der Anlagensteuerung verwendet wird um den Schritt V4 zu veranlassen. In der Zeit in der die Schritte V1, V2, V4, V5 und V6 durchgeführt werden, darf hingegen der 3D-Drucker (11) keine weiteren Schichten aufbringen. Das Signal zum weiteren Abscheiden von Schichten an den 3D-Drucker wird jeweils von der Anlagensteuerung an den 3D-Drucker gesendet, der dann mit einem weiteren Schritt V3 fortfährt.
Damit einer der eingesetzten 3D-Drucker (11) auf die Außenfläche eines Ansatzes (12) eine Schicht aufwachsen kann, müssen die Außenfläche und die Fläche, auf die der 3D-Drucker eine Schicht aufwachsen kann, aufeinander fallen. Das bedeutet, dass sie vor der Annäherung in Schritt V2 parallel zueinander verlaufen müssen. Ein besonders einfacher Fall liegt dann vor, wenn die Außenflächen der Ansätze (12) senkrecht zur radialen Richtung bzgl. der Nabenachse verlaufen und die Wachstumsrichtung der eingesetzten 3D-Drucker daher in radiale Richtung weist. Diese Konstellation ist sowohl für die Fertigung der Laufradnaben sowie für die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung günstig (siehe Anspruch 2).
Die restlichen Vorrichtungsansprüche beziehen sich auf die vorteilhafte Ausgestaltung der Positioniermittel und der Mittel zur Winkeleinstellung der Laufradnabe. Hierzu eignen sich die genannten Messmittel. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen denkbar. Die genannten Ausgestaltungen zeichnen sich durch die einfache Realisierbarkeit und die günstigen Kosten aus. Es sei gesagt, dass diese Messmittel auch Bestandteile des 3D-Druckers sein können.
Die Laufradnabe kann auch ohne Ansätze für die Becher gefertigt sein. Dann sind jedoch geeignete Außenflächen direkt auf der Nabe vorzusehen. Genauso gut können die Ansätze für die Becher schon Teile der Becher selbst beinhalten, so dass nur noch der äußere Teil der Becher mit den 3D-Druckern aufgebracht wird.
Wenn mehrere 3D-Drucker (11) verwendet werden sollen, um so die Fertigungszeit zu verkürzen, werden die 3D-Drucker (11) so um die Nabenachse herum angeordnet, dass sie in etwa gleichmäßig bzgl. der Winkelstellung angeordnet sind. Z.B. bei 2 Druckern in etwa um je 180°, bei 3 Druckern um etwa 120° usw.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst die gestellte Aufgabe, da die Aufbringung der Becher bzw. Becherteile automatisch erfolgt. Durch die hohe Genauigkeit, mit der die 3D-Drucker die Becherkontur fertigen können, erübrigt sich eine aufwändige Nachbearbeitung weitestgehend.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1063540 [0002]
DE 1086640 [0002]
AT 409407 [0002]
DE 102009051551 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Pelton-Laufrades, bestehend aus Mitteln zum drehbaren Lagern einer vorgefertigten Laufradnabe (10) um die Nabenachse und Mitteln zum Aufbringen der Laufradbecher, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln zum Aufbringen der Laufradbecher um wenigstens einen 3D-Drucker (11) handelt, wobei der relative Abstand des wenigstens einen 3D-Druckers (11) zur Laufradnabe (10) durch geeignete Positioniermittel einstellbar ist, und wobei die Winkellage der Laufradnabe (10) bezüglich der Nabenachse durch geeignete Mittel einstellbar ist, und wobei sowohl die Abstände als auch die Winkellage durch eine Anlagensteuerung erfasst und geregelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine 3D-Drucker (11) so relativ zur Nabenachse orientiert ist, dass die Wachstumsrichtung radial in Bezug auf die Nabenachse verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Messeinrichtung zur Messung des Abstandes zwischen dem wenigstens einen 3D-Drucker (11) und der Nabenachse umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Messeinrichtung zur Messung der Winkellage der Laufradnabe (10) relativ zur Nabenachse umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zur Messung der Winkellage der Laufradnabe (10) einen optischen Sensor und eine Lichtquelle umfasst, wobei der optische Sensor Reflexlicht erfasst, das ausgehend von der Lichtquelle von einer geeigneten Oberfläche der Laufradnabe reflektiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messeinrichtung zur Messung des Abstandes zwischen dem wenigstens einen 3D-Drucker (11) und der Nabenachse den Abstand zwischen dem wenigsten einen 3D-Drucker (11) und wenigstens einer geeigneten Oberfläche der Laufradnabe (10) misst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messeinrichtung zur Messung des Abstandes zwischen dem wenigstens einen 3D-Drucker (11) und der wenigstens einen Oberfläche der Laufradnabe (10) einen kapazitiven Abstandssensor umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Pelton-Laufrades, welches unter Benutzung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellung einer vorgefertigten Laufradnabe (10), Aufbringen von Bechern oder Teilen von Bechern auf die Laufradnabe (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen folgende Schritte umfasst: (V1) Ausrichten des Winkels der Laufradnabe (10) bezüglich der 3D-Drucker (11), (V2) radiale Ausrichtung der 3D-Drucker (11) bezüglich der Laufradnabe (10), wiederholende Ausführung der Schritte V3 und V4 bis ein Becher bzw. ein Becherteil vollständig aufgebracht worden ist: (V3) Aufbringen von wenigsten einer Schicht durch die 3D-Drucker (11), (V4) Vergrößerung des Abstandes zwischen Laufradnabe (10) und den 3D-Druckern (11) in radialer Richtung um die in dem vorhergehenden Schritt V3 aufgebrachte Dicke der Schichten, nachdem ein Becher oder ein Becherteil komplett aufgebracht worden ist, folgende Schritte: (V5) Vergrößerung des Abstandes zwischen Laufradnabe (10) und den 3D-Druckern (11) in radialer Richtung, bis die Laufradnabe (10) frei gedreht werden kann, (V6) Drehung der Laufradnabe (10) in eine vorgegebene Richtung, bis der nächste Becher aufgebracht werden kann. wiederholende Durchführung der Schritte V2 bis V6 solange bis alle Becher aufgebracht worden sind.