DE2363722A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von ringen durch zusammenschweissen von segmentartigen teilstuecken - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung von ringen durch zusammenschweissen von segmentartigen teilstuecken

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DE2363722A1 DE2363722A DE2363722A DE2363722A1 DE 2363722 A1 DE2363722 A1 DE 2363722A1 DE 2363722 A DE2363722 A DE 2363722A DE 2363722 A DE2363722 A DE 2363722A DE 2363722 A1 DE2363722 A1 DE 2363722A1
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Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION . 2363722
MÜNCHEN GMBH
München, den 18. Dezember 1973
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ringen durch Zusammenschweißen von segmentartigen Teilstücken
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines aus einer Vielzahl von vorgefertigten Einzelsegmenten zusammengeschweißten Ringes mit hoher Genauigkeit, insbesondere eines Leitschaufelkranzes, mit Hilfe der Elektronenstrahlschweißung.
Es ist bekannt, Ringe hoher Genauigkeit aus Einzelsegmenten herzustellen, indem man jeweils einen Teil der Einzelsegmente zu Segmentgruppen zusammenfaßt und diese in einer Vakuumkammer elektronenstrahlverschweißt. Nach dem Schweißen werden die Segmentgruppen vermessen, nachgearbeitet, wieder zu größeren Gruppen zusammengesetzt, in die Vakuumkammer eingesetzt und wieder verschweißt. Dieser Verfahrensablauf wird solange wiederholt, bis der ganze Ring fertiggestellt ist. Auf diese Art konnte man bisher z.B. Verdichterstatorringe mit mehr als loo Segmentplatten herstellen, wobei jede Segmentplatte eine Leitschaufel trug. Der Nachteil dabei war, daß zur Herstellung eines solchen Statorringes ein mehrmaliges Einsetzen in die Vakuumkammer und deren
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Evakuieren und insgesamt ein großer Aufwand erforderlich ist.■ Außerdem ist bei wirtschaftlich vertretbarer Einschränkung der Anzahl der Wiederholungen, dieses Verfahrensablaufes eine befriedigende Herstellgenauigkeit nicht immer erreichbar, was zu Ausschuß und. damit zu Unwirtschaftlichkeit führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, das wesentlich wirtschaftlicher ist als das bekannte, dabei insbesondere den hohen Aufwand des mehrmaligen Einsetzens in die Vakuumkammer und das wiederholte Evakuieren vermeidet und dabei die erforderliche Herstellgenauigkeit ohne unerträglich hohe Ausschußquoten und bei großer Gleichmäßigkeit gewährleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß alle S,egmentplatten für einen Ring mit Übermaß unter Berücksichtigung des Schweißschrumpfes hergestellt, in ringförmiger Anordnung eingesetzt, gegeneinander verspannt und nach Einsetzen in die Vakuumkammer miteinander verschweißt werden.
Dieses Verfahren ermöglicht die Vermeidung der obengenannten Nachteile des bisher bekannten Standes der Technik, insbesonderewird hierbei das kostenträchtige wiederholte Einsetzen von Segmentgruppen in die Schweißkammer vermieden und es ergibt bessere Formgenauigkeit und eine zuverlässigere Erzielung, der gewünschten engtolerierten Meßgenauigkeit als beim bekannten Verfahren.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens .wird die Schweißung in zwei Abschnitte, nämlich Heften und Hauptschweißung durchgeführt. Dadurch wird eine unbeabsichtigte Verschiebung beim Fertigschweißen vermieden., welche die Herstellgenauigkeit beeinträchtigen könnte.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Führung des Schweißstrahles über die zu verschweißenden Stoßfugen elektronisch bewirkt, wodurch sich kurze Schweißzeiten ergeben. Außerdem ist diese Methode nach anfänglicher Einstellung leicht und. schnell automatisch wiederholbar.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Wechseln des Elektronenstrahls von einer Stoßfuge zur nächstendurch Drehen der Vorrichtung bewerkstelligt, was wegen der sonst eintretenden Änderung der Schweißvorrichtung einfacher ist als das Ablenken des Elektronenstrahles.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Reihenfolge der Schweißung der einzelnen Fugen beim Heften so gewählt, daß jeweils nach dem Heften einer Fuge die Vorrichtung so weit gedreht wird, bis die benachbarte Fuge in die Strahlrichtung zu liegen kommt. Hierdurch wird das Heften besonders wirtschaftlich gestaltet.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Reihenfolge der Schweißung der einzelnen Fugen bei der Hauptschweißung so festgelegt, daß jeweils nach dem Schweißen einer Fuge die Vor-
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richtung um l8o° gedreht wird, um als nächstes eine diametral gegenüberliegende Fuge zu verschweißen. Dadurch wird die Schrumpfung gleichmäßiger über den Ring verteilt und die Herstellgenauigkeit verbessert.
Zur Durchführung des Verfahrens wird zur Aufnahme der Schaufel-* Segmentplatten eine Vorrichtung verwendet, welche auf einer Grundplatte eine Anzahl von kreisf.ö.rmig angeordneten und in eine Ebene radial verschiebbaren Segmentbacken aufweist, die an ihrem radial äußeren Ende je einen dem Ringdurchmesser' angepaßten Abstützrand und an ihrem inneren Ende einen aufwärtsgerichteten Gleitbacken aufweist, mit dessen Hilfe die Segmentbacken vermittelst eines passenden Spannringes mit Innenkonus gleichmäßig nach innen gezogen werden und die weiter eine mittels einer zentralen Bohrung auf einer Führungsstange verschiebbaren Deckplatte mit kegeliger Innenfläche am äußeren Rand versehen sind, wobei die Abstützränder der Segmentbacken und die kegelige Innenfläche die einzelnen Ringsegmente gleichmäßig radial innen drücken und sie dabei gleichzeitig in Ringform zv/ingen und gegeneinander verspannen.
Diese Vorrichtung dient zum schnellen Anordnen und Festhalten aller zur Herstellung eines Ringes erforderlicher Ringsegmente in ihrer gegenseitigen Lage und erlaubt ein sicheres gegenseitiges Verspannen vorn' sowie' ein Nachdrücken der Ringsegmente beim Schweißen, welch letzteres durch den Schweißschrumpf erforderlich wird, Sie gewährleistet weiter eine genaue Einhaltung der Ringform vor und beim Verschweißen.
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In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung sind in den Rand des Deckels und in jeden Abstützrand Schlitze eingefräst, die so liegen, daß der Elektronenstrahl auf die gesamte Länge der Stoßstellen ungehindert auftreffen kann, wodurch es möglich wird, die Stoßstellen zwischen den Ringsegmenten auf ihrer gesamten Länge zu verschweißen.
In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung sind zwischen den Segmentbacken Flächenkugellager angeordnet, wodurch die Reibung zwischen Segmentbacken und Grundplatte vermindert und die radialen Nachstellbewegungen der Segmentbacken erleichtert werden.
In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung ist zwischen der: zentralen Führungsbohrung im Deckel und der Führungssäule ein ringförmiges Flächenkugellager angeordnet, wodurch die Nachstellbewegungen des Deckels erleichtert und damit die Herstellgenauigkeit verbessert wird.
Insider Zeichnung sind Beispiele von Ringen und eine Vorrichtung dargestellt, die beim Verfahren nach der Erfindung hergestellt bzw. benutzt werden. Es zeigen:
Fig. 1 eireSegmentplatte mit Schaufelblatt,
Fig. 2 einen aus Segmentplatten zusammengesetzten
Ring vor und nach dem Verschweißen (letzteres gestrichelt),
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Pig. J5 einen nach dem Verfahren hergestellten Leitschaufelkranz,
Pig«, 4 die Darstellung der Schweißfolge beim Heften,
Pig. 5 die Darstellung einer Schweißfolge bei der Hauptschweißung,
Pig. 6 die linke Hälfte einer Vorrichtung zum Herstellen eines Ringes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren . mit Gleitlagerung im Schnitt VI - VI,
Pig. 7 die rechte Hälfte einer Vorrichtung entsprechend Fig., 6, jedoch mit Rollenlagerung im Schnitt,
Fig. 8 die Halterung der Schaufeln entsprechend Ausschnitt VIII mit Schlitzen
Fig. 9 einen Sektor der Grundplatte mit Segmentplatten in der Draufsicht, (Ausführung mit Schlitze),
Fig. Io einen Sektor wie Fig. 9» mit eingesetzten Schaufeln und Spannring,
Fig. 11 einen Sektor wie Fig. 9* mit aufgesetzter Deckplatte und mit Schlitzen
Fig. 12 einen Sektor wie Fig., 11, jedoch ohne Schlitze
Ein gemäß dem Verfahren herzustellender Ring 1 wird aus Einzelsegmenten 2 vollständig zusammengestellt, wobei diese an einer zu verschweißenden Kante ein Übermaß haben^ das dem Schweißschrumpf entspricht. Dadurch hat der zusammengesetzte Ring vor dem
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Schweißen ein beträchtliches Übermaß. Der Ring wird sodann in die Vakuumkammer einer Elektronenstrahlschweißmaschine eingesetzt und die einzelnen Segmente'werden miteinander verschweißt, wobei an jeder Schweißfuge der besagte und vorher durch Übermaß berücksichtigte Schweißschrumpf auftritt. Nach dem Verschweißen und Erkalten weist der Ring dann den gewünschten Durchmesser auf. Ein solcher, aus einfachen Platten 2 bestehender Ring ist in Fig. 2 vor und nach dem Verschweißen, letzteres gestrichelt, dargestellt.
Ein gleichfalls aus Einzelsegmenten 3 hergestellter Verdichterstatorring 6 wird prinzipiell genauso hergestellt, nur daß die Einzelsegmente 5 hier Platten 5 sind, die zusammen mit den Verdichterschaufeln 6, aus einem Stück bestehen, wobei die Platten ebenfalls an den Stoßstellen das Übermaß 7 zur Berücksichtigung des Schweißschrumpfes aufweist (Fig. 1 und 3). 3eim Elektronenstrahlschweißen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zuerst in einem ersten Arbeitsgang die Schaufeln zu heften und sie dann in einem zweiten Arbeitsgang vollständig zu verschweißen. Außerdem hat sich gezeigt, daß die Schweißfolge zweckmäßigerweise nicht beliebig sein kann. In der Zeichnung ist die Schweißfolge an einem aus 36 Einzelsegmenten bestehenden Ring beim Heften (Fig. 4) und beim Fertigschweißen (Fig. 5) dargestellt. Dabei ist es für das Heften ausreichend, wenn die Fugen in der V/eise nacheinander verschweißt werden, daß man stets nur in einer LFmfangsrichtung zur nächsten vorrückt und dabei der Einfachheit halber einmal vorwärtslaufend und das nächste Mal rückwärtslaufend schweißt.
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Beim Fertigschweißen jedoch ist dieses Verfahren nicht mehr ausreichend. Hier muß jeweils nach Schweißen einer Fuge als nächstes eine um l8o versetzte Fuge verschweißt werden, so daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schweißungen entweder die Strahlachse dorthin versetzt oder die zu verschweißende Stelle in die Strahlrichtung verschoben werden muß, was am einfachsten durch Drehen der Vorrichtung geschieht. Auch beim Heften wird der Wechsel von einer Fuge zur nächsten am einfachsten durch Drehen erreicht.
Eine zweckmäßige Vorrichtung zum Aufspannen von z.B. Verdichterschaufelsegmenten, aus deren ein Verdichterstatorring hergestellt werden soll, ist in der Zeichnung ebenfalls dargestellt (Fig. 6 bis 12). Auf einer Grundplatte 8 ist eine Anzahl von z.B. 12 verschiebbaren Segmentbacken 9, Io im Kreis angeordnet, die radial bewegt werden können. An ihren radial äußeren Enden weisen sie Abstützränder 11 auf, innerhalb deren alle zu einem Ring gehörigen Ringsegmente in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet werden. An ihren radial inneren Enden haben sie hochstehende Gleitbacken 12 mit Gleitflächen 1J5, die im Zusammenwirken mit der konischen Innenfläche 14 eines Spannringes 15 gleichmäßig radial nach innen gezogen werden. Durch diese Einrichtung wird die Gesamtheit aller Ringsegmente am der Grundplatte näheren Ende des Ringes zu einem Ring verspannt. Dem gleichen Zweck dient auch eine Deckplatte 1β, durch deren kegelförmige Innenfläche 21 der Ring auch am oberen Ende und damit vollständig verspannt wird. Die Spannkräfte entstehen durch die
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zur Grundplatte gerichtete Axialkraft des Spannringes und der Deckplatte, die außer durch das Gewicht vor allem durch mittels Muttern vorgespannte Federn 17, 18 erzeugt wird. Dadurch ist die ordnungsgemäße Punktion der Vorrichtung weitgehend lageunabhängig.
In dieser Vorrichtung können jedoch die Stoßstellen zwischen den Segmentplatten nicht auf ihre gesamte Länge verschweißt werden, da sie teilweise durch die Abstützränder und dem äußeren Rand der Deckplatte verdeckt werden. Dieser Nachteil wird durch das Einbringen von Schlitzen I9, 2o in Abstützränder und Deckplattenrand beseitigt (Fig. 8, Io bis 12).
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Claims (1)

  1. MOTOREN- UND TURBINEN-UNION - ~~^^„ΛÄ
    MÜNCHEN GMBH 2363722
    München, den 18. Dezember 1973
    Patentansprüche
    1.) Verfahren zur Herstellung eines aus einer Vielzahl von vorgefertigten Einzelsegmenten zusammengeschweißten Ringes von hoher Genauigkeit, insbesondere eines Leitschaufelkranzes, mit Hilfe der Elektronenstrahlschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß alle Segmentplatten (2, 3> 5) für einen Ring (l, 6) mit Übermaß unter Berücksichtigung des Schweißschrumpfes (7) hergestellt, in ringförmiger Anordnung eingesetzt und nach Einsatz in die Vakuumkammer miteinander elektronenstrahlverschweißt werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,; dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung in zwei Abschnitten durchgeführt wird, und zwar Heften und Hauptschweißung.
    3· Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung des Schweißstrahles über die zu verschweißenden Stoßfugen elektronisch bewirkt wird.
    4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechseln des Elektronenstrahls von einer Stoßfuge zur nächsten elektronisch bewirkt wird»
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    5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechseln des Elektronenstrahls von einer Stoßfuge zur nächsten durch Drehen der Vorrichtung bewerkstelligt wird.
    6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, i daß die Reihenfolge der Schweißung der einzelnen Fugen beim ' Heften so gewählt wird, daß jeweils nach dem Heften einer Fuge durch Drehen der Vorrichtung die benachbarte Fuge in die Strahlrichtung zu liegen kommt.
    7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, ; daß die Reihenfolge der Schweißung der einzelnen Fugen bei der Hauptschweißung so festgelegt ist, daß jeweils nach dem Schweissen einer Fuge die Vorrichtung um l8o° gedreht wird, um als nächstes eine diametral gegenüberliegende Fuge zu verschweißen.
    8. Vorrichtung zur Herstellung eines aus einer Vielzahl von vorgefertigten Einzelsegmenten zusammengeschweißten Ringes von hoher Genauigkeit mit Hilfe der Elektronenstahlschweißung, -dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einer Grund- ( platte (8) besteht, die eine Anzahl von kreisförmig angeordneten verschiebbaren Segmentbacken (9, lo) aufweist, an deren ! radial äußeren Enden sich je ein dem Ringdurchmesser angepaßter'! Abstützrand (11) und an deren inneren Enden sich je ein aufwärtsgerichteter Gleitbacken (12) befindet, der im Zusammenwirken mit einem paseenden Spannring (15) mit Innenkonus (14) beim Abwärtsbewegen des Spannringes die Gleitbacken (9, lo) ! gleichmäßig radial nach innen zieht, die weiter eine zur Grund- ; platte hin verschiebbare Deckplatte (l6) mit einer Innenkegel- !
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    fläche (21) nahe dem Außenrand aufweist, wobei der Deckel unter dem Druck einer- vorgespannten Feder im Zusammenwirken zwischen den Abstützrändern (11) der Segmentbacken und der Innenkegelflache (21) die einzelnen zu verschweißenden Ringsegmente (2, ~5, 5) radial nach innen ziehen und sie dabei gleich-. zeitig in eine Ringform zwingen und gegeneinander verspannen kann.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitbacken (12) in einer Ebene radial verschiebbar sind.
    10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (16) mittels zentraler Bohrung auf einer Führungsstange verschiebbar ist.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rand des Deckels und in jedem Abstützrand Schlitze (19, 2o) eingefräst sind, die so liegen, daß der Elektronenstrahl auf die gesamte Länge der Stoßstellen ungehindert auftreffen kann. · ' .
    12. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3.» dadurch gekennzeichnet, daß zv/ischen den Segmentbacken (9, ' lo) und der Grundplatte (8) Flächenkugellager angeordnet sind.
    13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zentralen Führungsbohrung im
    Deckel und der Führungssäule (23) ein ringförmiger Kugelkäfig (22) angeordnet ist.
    18.12.1973 ■ .· - 4 -
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    Leerseite
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