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Verfahren zum Verbinden des Schaufelblattes einer Strömungsmaschinen-
insb. Turbomaschinen-Schaufel mit einem Deckband stück Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum Verbinden des Schaufelblattes einer Strömungsmaschinen, insb.
Turbomaschinen-Schaufel mit einem Deckbandstück, wobei das Schaufelblatt ein übliches
Schaufeiprofil mit etwa. ballig, tropfen-oder keulenförmig ausgebildeter Eintrittskantenpartie
und demgegenüber sich verjüngender Austrittska.ntenpa.rtie aufweist.
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Ein derartiges Verfahren ist bekannt (deutsche Offenlegung 5-schrift
2 016 283). Hierbei sind die Schaufelspitzen mit zapfenartigen Vorsprüngen versehen
und die Deckbandstücke mit entsprechenden Aussparungen, wobei die Deckbandstücke
unter gegenseitirer Uberlappung auf die zapfen artigen Vorsprünge aufgesetzt und
durch Überwalzen der Zapfen in dieser Lage befestigt werden. Die an die Schaufelspitzen
angeformten zapfen artigen Vorsprünge erfordern eine Reihe kostspieliger Bearbeitungsgänge;
die Zapfen bilden außerdem kein in Drehrichtung durchgehendes Deckband, was im Hinblick
darauf, daß bei Turbinen der Überdruckbauart tangential durchgehende Dichtflächen
der Deckbänder, die mit feststehenden Dichtspitzen zusammenarbeiten, erwünscht sind,
abdiehtungsmüßlg wenif,er günstig ist. Bekannt ist es ferner (DAS 1 551 162), bei
Turbinen schaufeln, die mit dem Schaufelblatt aus einem Stück bestehende Deckplatten
aufweia en, den Schaufelkran z mit einem Deckband zu umfassen und das Deckband mit
den Deckplatten mittels Schweißens zu verbinden. fllerbei wird jedoch von einer
Ausführung ausgegangen, bei der die i)eckpln.t;te an das Schaufelblatt angearbeitet
ist; durch die Erfindung sollen demgegenüber die durch das Herausarbeiten des Deckband
aus einem Schaufelrohling, sei es Schmieden, sei es durch Fräsen, erforderlichen
Arbeitsgänge vermieden werden.
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Es liegt die Aufgabe vor, ein Verfahren zum Verbinden des Schaufelblattes
einer Strömungam sehinen - insb. Turbomaschinen-Schaufel mit einem Deckbandstück
anzugeben, mit welchem eine dauerhafte und bei Laufschaufeln fliehkraftsichere Verbindung
erzielbar ist, ohne daß die Schaufel spitz en mit besonderen zapfenartigen oder
ähnlich geformten Vorsprüngen zur formschlüssigen Verbindung versehen werden müßten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verbinden
durch einen Strahl hoher IIeistungsdichte vorzugsweise durch %ektronenstrahlschweißen
(EB-Schweißen), erfolgt, daß hierzu die zu verschweißenden Enden des Schaufelblattes
und des Deckbandstückes mit zueinander passenden Anlageflächen unter Bildung einer
Stoßfuge in Flächenberührung miteinander gebracht werden, daß das an die Stoßfuge
angrenzende Schaufelmaterial zumindest im letzten Teilbereich der anzubringenden
Schweißnaht und zumindest auf der dem Elektronenstrahl zugewandten Seitedurch ein
Metallstück verstärkt wird, welches den überschüssigen Teil der Strahlenergle bzw.
Schweißwärme aufnimmt und welches aus dem gleichen oder artgleichen Werkstoff wie
das Schaufelblatt und das Deckbandstück besteht, und daß das an die so vorbereitete
Stoßfuge unmittelbar angrenzende Material in Richtung der Steßfugenftächen durchstrahlt
und verschweißt wird.
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Der technische- Fortschritt besteht insb. darin, daß das Schaufelbla.tt
für den Schweißvorgang außer der planen Anlagefläche keine besonderen Ausgestaltungen
aufzuweisen braucht, die Schweißverbindung im Bereich der gesamten Anlagefläche
erfolgt und auch im Austrtittskantenbereich eine einwandfreie Schweißverbindung
ohne das Auftreten von sogenannten Einbrandkerben erzielt werden kann. Bevorzugt
wird das Verfahren zur Herstellung von Turbomaschinen-Schaufeln, insb. der Laufschaufeln
von lampfturbinen, angewendet, da hier bei der vielfach verwende-Len Überdruck-
bzw. Reaktions-Baua-rt durchgehende Deckbänder benögtigt werden. Wenn das Elektronenstrahlschweißen
zum Verschweißen besonders günstig ist und entsprechende Apparaturen
hierfür
sich bereits bewährt haben, so ist grundsätzlich auch das Verbinden mit einem laser-Strahl
möglich, bei welchem bekanntlich die leistungsdichte -noch größer als bei einem
Elektronenstrahl ist. Mit einem I:aser-Strahl erfolgt das Verschweißen ggf. in Schutzgasa.tmosphäre.
Das erwähnte Strahlschweißen ergibt eine dauerhafte, großflächige Verbindung, ohne
daß eine zu große Erwärmung und ein Verzug der übrigen Werkstückteile eintritt.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Stoßfuge bzw. das an sie unmittelbar
angrenzende Material, beginnend bei der Eintrittskantenpartie und in Richtung auf
die Austrittskantenpartie fortschreitend, durchstrahlt bzw. verschweißt wird, weil
das Applizieren und Entfernen des Metallstückes im Austrittskantenbereich besonders
einfach ist. Jedoch auch die umgekehrte Schweißrichtung ist im Rahmen der Erfindung
grundsätzlich möglich. Zweckmäßigerweise wird zumindest im letzten Teilbereich der
anzubringenden Schweißnaht die Stoßfuge auf der dem Elektronenstrahl zugewandten
Seite durch einen Blechstreifen abgedeckt, welcher mit einem vielfach breiteren
Auslaufblechstück in wärmeleitendem Kontakt steht. Dieses Auslaufblechstück ist
im Sinne der Erzielung einer ausreichenden Wärmekapazität zu dimensionieren, so
daß der Elektronenstrahl im Strahlauslaufbereich durch den Blechatreifen genügend
Ma.-serial angeboten bekommt und andererseits die überschüssige Wärme abgestrahlt
werden kann. Das Applizieren des Metallstückes kann dadurch besonders einfach gestaltet
werden, daß der Blechstreifen und das Auslaufblechstück durch Aufstecken, d. h.
mittels Klemmeingriff entsprechender Haltezungen, im abzudeckenden Bereich der Stoßfluge
am Schaufelblatt und/oder an dem Deckbandstück befestigt werden. Gemäß einer anderen
Ausfahrungsform der Erfindung ist es jedoch auch möglich, als Deckbandstück ein
Formteil zu verwenden, welches mit einer entsprechend dem Schaufelblattprofil geformten
Aus sparung versehen ist, wobei dieses Deckbandstück mit seiner Aussparung auf das
zu verschweißende Ende des Scha,ufelbla,ttes aufgesteckt wird, so daß die Stoßfuge
Im Inneren des Deckbandstückes
liegt, und daß der Strahl bzw. Elektronenstrahl
so bemessen und längs einer äußeren Mantel- bzw. Seitenfläche des Deckbandstückes
so geführt wird, daß er das Deckbandstück in der Ebene der Stoßfuge durchdringt
und mit dem Schaufelblatt verschweißt.
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Im folgenden wird das Verfahren nach der Erfindung anhand von drei
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch im Aufriß eine Dampfturbinenla.ufecha.ufel, bei welcher das Deckbandstück
an das Scha.uSelbla.tt angeschweißt wird; Fig. 1a den Schnitt längs der -Schnittebene
Ia.-la.; Fig. 1b in perspektivischer Darstellung ein aufsteckbares Metallstück für
die Schweißnaht im Austrittskantenbereich für den Fall, daß die Naht von der Eintrittskante
her in Richtung Austrittska-nte geschweißt wird; Fig. le perspektivisch die Laufschaufel
und das mit ihr zu verschweißende Deckbandstück vor dem Schweißvorgang; Fig. 2 ein
anderes Ausführungsbeispiel, bei dem ansta-tt eines gesonderten Metallstückes im
Strahlauslaufbereich das Deckbandstück eine besondere Ausbildung erfahren hat, in
entsprechender Da.rstellung zu Fig. 1; Fig. 2a. in entsprechender Darstellung zu
Fig. 1c das aus zwei Teilen aufgebaute Deckbandstück vor den Verschweißen mit dem
übrigen Teii der Turbinenlaufschaufel; Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem in Weiterbildung der Konzeption nach den Fig. 2, 2a das Deckbandstück als
ein mehreren Laufschaufeln zugeord-neter Deckbandstreifen
ausgeführt
ist, welcher an den Spitzen der am Rotor befestigten Laufschaufeln angeschweißt
wird. Dargestellt ist ein sektorförmiger Ausschnitt eines bescha-ufelten Turbinenrotors;
Fig. 3a den Deckbandstreifen im noch nicht gebogenen Zustand; Fig. 3b den Deckbandstreifen
nach Fig. 3a im gebogenen Zustand zur Befestigung am La.ufscha.ufelkranz nach Fig.
3.
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Das in Fig. 1c dargestellte Schaufelstück 1 besteht aus einem Schaufelfußteil
2 und einem Schaufelbla.tt-Teil 3a, wobei das darüber angeordnete Deckbandstück
4 mit einem kürzeren zweiten Schaufelblatt-Teil 3b versehen ist und zum Zwecke des
Strahlverschweißens mit dem Schaufel stück 2 mit seiner Anlagefläche 4b in Flächen
berührung gebracht wird mit der Gegen-Anlagefläche 4a. des Schaufelblattes 3a.,
was anhand der Fig. 1, 1a noch erläutert wird. Nach dem Schweißvorgang (Fig.
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1, 1a.) wird das durchgehende Schaufelblatt 3 gebildet. Wie es Fig.
1a., 1c zeigen, hat das Schaufelblatt 3, 3a, 3b eine etwa. ballig, tropfen- oder
keulenförmig ausgebildete Eintrittskantenpartie 5 und eine demgegenüber sich verjüngende
Austrittskantenpartie 6; 7 ist die Bauch- bzw. Druckseite, 8 die Rücken- bzw. Saugseite
der Laufscha.ufel. Erfindungsgemäß wird nun das Deckbandstück 4 mit dem Schaufel
blatt 3a durch einen Strahl 9 (Fig. ia, 1) hoher Leistungsdichte verschweißt. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Verbinden durch Elektronenstrahlschweißen,
im folgenden abgekürzt als EB-Schweißen bezeichnet. Hierzu werden die zu verschweißenden
Enden des Schaufel blattes 3a und des Deckbandstückes 4 mit den schon erwähnten,
zueinander passenden Anlageflächen 4a, 4b unter Bildung einer Stoßfuge 10 in Flächenberührung
miteinander gebracht. Dies erfolgt durch eine nicht dargestellte Haltevorrichtung.
Im letzten Teilbereich 6a der Stoßfuge 10, d. h. in diesem Beispiel in der Austrittskantenpartie
6, wird das an die Stoßfuge 10 angrenzende Schaufelmaterial auf der dem Elektronenstrahl
9 zugewandten
Seite durch ein Metallstück 11 verstärkt, durch welches
dem Elektronenstrahl zusätzliches Sohweißmaterial angeboten wird und welches den
überschüssigen Teil der Strahlenergie bzw.
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Schweißwärme aufnimmt sowie aus dem gleichen oder artgleichen Werkstoff
wie das Schaufelblatt 3a und das Deckbandstück 4 besteht. Das an die so vorbereitete
Stoßfuge 10 unmittelbar angrenzende Material wird, wie es Fig. 1, la zeigen, in
Richtung der Stoßfugenfläche, d. h. quer zur Schaufellängsrichtung, durchstrahlt
und verschweißt. Die Elektronenst-rahl-Schweiß-Verrichtung ist in der Zeichnung
nicht dargestellt, da dies zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich ist
und im übrigen solche Schweißvorrichtungen bekannt und im Handel sind.
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Im folgenden seien jedoch die wichtigsten Einstelldaten eines praktischen
Versuches angegeben: Strahlbeschleunigungsspannung = 140 kV, Strahlstrom = 38 mA,
Schweißvorschub = 20 mm/sek, Hochvakuum = 5 x 10 4 Torr. Es versteht sich, daß dies
nur Richtwerte sind, die nach oben und unten variiert werden können, um für den
Einzelfall das günstigste Ergebnis zu erhalten. Bei dem raktischen Versuch war beispielsweise
die Schweißrichtung gemäß Pfeil 12 von der Schaufeleintrittskante 5 zur Scha.ufela.ustrittskante
6. Es bildet sich aufgrund der hohen Energiedichte des Elektronen strahls zwischen
den Anla.geflächen 4a, 4b auf der gesamten Fläche eine saubere Schweißnaht 13 aus,
wobei - wie bereits angedeutet - durch das Metallstück 11 bewirkt wrd, daß der Elektronenstrahl
9 im letzten Bereich der Schweißnaht 13 eine genügende Menge zu verschweißenden
Materials angeboten bekommt und die überschüssige Strahlenergie bzw. Schweißwärme
aufgenommen und abgeführt wird. Hierzu wird vorteilhaft, wie dargestellt, die Stoßfuge
10 durch einen Blechstreifen 11a abgedeckt, welcher mit einem vielfach breiteren
Auslaufblechstück 11b in wärmeleitendem Kontakt steht.
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Wie es Fig. 1b zeigt, ist es beispielsweise zweckmäßig, den Blechstreifen
11a und das Auslaufblechstück lib zu einem aufsteckbaren Metallstück zu vereinigen,
wobei dann der Blechstreifen 11a und die Zungen 11c als Haltezungen dienen. In dem
vorerwähnten praktischen Versuch lag die Dimension des Ble&nstreifens 11a bei
1 mm in der Breite und Höhe (bei Rechteckquer
schnitt) und 6 mm
Länge; die Maße des Auslaufblechstückes 1b waren 10 x 10 x 1 mm. Der Werkstoff des
Metallstückes 11, d.
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h. des Blechstreifens 11a. und des Auslaubblechstückes 11b war Chromstahl
der Bezeichnung X 10 Cr 13. Die Probeschaufel bestand aus dem artgleichen Chromstahl
X 20 Ce Mo 13. Na.ch der Durchführung des Schweißvorganges kann das Metallstückll,
von dem der größte Teil des Metallstreifens 11a für den Schweißvorgang verbraucht
wird, auf einfache Weise entfernt werden. - Im Ausführungsbeispiel nach den Fig.
1 bis le ist, wie ersichtlich, die Anlagefläche 4b des Deckbandstückes 4 an einem
entsprechend dem Schaufelblattprofil ausgebildeten Fortsatz 3b angeordnet, wobei
dieser Fortsatz 3b mindestens die Länge der halben auslaufblechstückbreite b (Fig.
1) hat.
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Dies ist zum Befestigen des Metallstückes 11 erforderlich und deshalb,
damit der Elektronenstrahl 9 durch allzu große Nähe der eigentlichen Deckbandstückpartie
4' nicht gestört wird.
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Der Scha.ufelfußteil 2 der Schaufel 1 weist ein übliches Hammerkopfprofil
mit Nuten 2a auf, wobei der Hammerkopf 2b da.-zu dient, die Schaufel in den Umfangsnuten
einer lurbinenra.dscheibe bzw. eines Rotorkörpers fliehkraftsicher zu befestigen.
Der im Ausführungabeispiel treppenförmig gestuft dargestellte Deckbandteil 4' dient,
wie an sich bekannt, dazu, mit den Nachbarschaufeln des Laufschaufelkranzes ein
durchgehendes Deckband zu erzielen, mit dessen Dichtflächen 4c feststehende Dichtkränze
am Innenumfang eines Beischa.uSelträgers zusa.mmena.rbeiten können.
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Fig. 2, 2a zeigen, daß für das Strahlverschweißen als Deckbandstück
ein Formteil 40 verwendet wird, welches mit einer entsprechend dem Schaufelblattprofil
geformten Aussparung 41 versehen ist. Das Deckbandstück wird mit seiner Aussparung
41 auf das zu verschweißende Ende 3c des Schaufelblattes 3.
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aufgesteckt, so daß die Stoßfuge 10 im Innern des Deckbandstückes
40 liegt (vgl. Fig. 2). Im Bereich der Stoßfuge 10 liegen somit die Anlageflächen
4a des Schaufelblattes 3 und 42a. des Aufsteckplättchens 42 einerseits sowie 43a
des Endteils 3 andererseits aufeinander. Auf diese Weise kann das
Deckbandstück
40 im Endbereich 6a der Schweißnaht 13 die Funktion des Metallstückes 11 übernehmen,
d. h. längs der gesamten Stoßfuge 10 bzw. Schweißnaht 13 wird dem Elektronenstrahl
9 eine ausreichende und im vorliegenden Falle gleichbleibende Menge von Material
angeboten, und die Wärmeabfuhr ist entsprechend gleichmäßig. Der Strahl wird hierbei
so bemessen und längs der äußeren Mantel- bzw. Seitenfläche 44 des Deckbandstückes
40 geführt, daß er das Deckbandstück 40 in der Ebene der Stoßfuge 10 durchdringt
und mit dem Schaufel.-blatt 3 verschweißt. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel
nach den Fig. 1 b. 1c ist die Strahlintensität zu vergrößern, da.
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die Strecke der zu durchatrahlenden Flächen vergrößert ist.
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Wie bereits angedeutet, ist beim Ausführungsbeispiel nach den Fig.
2, 2a das Deckbandstück 40 aus zwei Formteilen zusammengesetzt, einem ufsteckplättchen
42, welches mit einer dem Schaufelblattprofil entsprechenden Ausnehmung 41, z. B.
Ausstanzung, auf das Schaufelblattende 3c derart aufsetzbar ist, daß es mit der
Schaufelblattendfläche 4a bündig abschließt und mit dieser die eine Anlagefläche
4a, 42a bildet, und einem Endteil 43, welches mit seiner Anlagefläche 43a auf die
erstgenannte Anlagefläche 41, 42a paßt bzw. an letzterer unter Bildung der Schweißfuge
10 satt anliegt. Der Strahl 9 durchdringt dann beim Schweißvorgang die Stoßfuge
10 zwischen der Schau felblattendfläc ha 3c und dem Aufsteckplättchen 42 einerseits
sowie dem Endteil 43 andererseits. Hierdurch werden die genannten Teile im Bereich
der Stoßfuge 10 fest miteinander verschweißt. Die geteilte Ausführung des Deckbandstückes
40 nach Fig. 2, 2a. hat gegenüber einer einteiligen Ausführung, welche auf der Schaufelblattseite
mit einer der Aussparung 41 entsprechenden Einsenkung versehen wäre den Vorteil
der einfcheren Herst-ellbarkeit (Stanzen statt Fräsen bzw. EC-Senken) und ferner
den Vorteil, daß der Strahl 9 durch eine Stoßfuge geführt werden kann.
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Fig. 3 zeigt, daß die Deckbandstücke 4 bzw. 40 prinzipiell von einem
durchgehenden oder an der gestrichelt angedeuteten Fugge 14' in Segmente 14 unterteilten
Deckba.rldst-Leifen 44 gebildet
werden können. Dieser Deckbandstreifen
44, der in Fig. 3a als gerader Rohling 44t dargestellt ist, ist gemäß Fig. 3b und
Fig.
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3 entsprechend dem Krümmungsradius der äußeren Anlage flächen eines
bereits vormontierten Schaufelkranzes 30 geformt. Er wird über den Scha.ufelkranz
30 geschoben, in dieser Stellung gehalten und dann mit den einzelnen freien Schaufelblattenden
3c strahlverschweißt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind entsprechend dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2, 2a noch auf die einzelnen Scha.uSelbla.ttspitzen Aufsteckplättchen
42' gesteckt, die zur thermischen Symmetrierung ebenso wie beim Ausführungsbeispiel
nach den Fig. 2, 2a. dienen. Schwingungstechnisch kann es günstig sein, die Segmente
14 nur z. B. zwei oder drei Laufschaufeln 1 überdecken zu lassen und benachbarte
Segmente an Anlageflächen aneinanderstoßen zu lassen, was zur Schwingungsverminderung
aufgrund von Reibung beiträgt. Besteht die Notwendigkeit einer derartigen Schwingungsverminderung
nicht, so können die Segmente im Stoßfugenbereich aneinanderstoßender Deckbandstreifenenden
zu größeren Deckbandringstücken oder zu einem geschlossenen Deckbandring gleichfalls
strahlverschweißt werden.
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Insb. für die Deckbandstückform nach dem Ausführungsbeispiel der Fig.
1 bis 1c empfiehlt sich eine Herstellung der Deckbandstücke nach einem elektrischen
Abtragverfshren, insb. nach dem EC-Verfahren (elektrochemisches Senken). Falls auch
im Schaufelfußbereich das Schaufelblatt 3 mit dem Fußteil 2 verschweißt wird, kann
gezogenes Stangenprofil-Ma.teria.l für das Schaufelblatt verwendet werden. Gezogenes
Stangenprofil-Material kann ferner für die Deckbandstreifen 44, 44-' (Fig. 3 bis
3b) verwendet werden.
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Wenn auch die Ausführungsbeispiele sich auf Lauf schau feln beziehen,
für weiche die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders günstig ist,
so versteht es sich, daß auch Leitschaufeln auf entsprechende Weise hergestellt
werden können, welche an den Schaufelblattenden aus Dichtungsgründen plattformartige
Teile aufweisen. Z 9 Fig.
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10 Ansprüche