DE3605153A1 - Vorrichtung zum unterschiedlichen abkuehlen bzw. temperieren von innen- und aussenwaenden oder wandbereichen eines bauteils, insbesondere eines turbomaschinenteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie ist anwendbar im allgemeinen Maschi­ nenbau, insbesondere für den Turbomaschinenbau, wo die Tei­ le eine zentrale Bohrung wie Nabenbohrung aufweisen.

Bei derartigen Maschinenteilen ist gewöhnlich von einer hohen Beanspruchung sowohl durch mechanische Kräfte, wie Zentrifugalkräfte, als auch zugleich durch thermische Be­ anspruchungen auszugehen. Insbesondere ergeben sich in­ stationäre Temperatur- und Spannungsfelder hervorgerufen durch Fluideinflüsse, insbesondere ein Arbeitsfluid wie Gas in einer Gasturbine oder Dampf in einer Dampfturbine oder Luft bei einem Verdichter oder Abgas in einem Turbolader. Die dabei auftretenden Wärmeübergänge, wie Wärmeleitungen, sind nur sehr schwer berechenbar. Siehe hierzu Fortschritts­ berichte der VDI-Zeitschriften Reihe 6 Nr. 39 mit dem Titel "Aufheiz- und Abkühlvorgänge in Platten".

Somit ist die Thermospannung durch den Werkstoff, die Ab­ messungen des Bauteils und die Intensität der Abkühlung bzw. Aufheizung der Plattenoberfläche bzw. des Platten­ innern, d.h. durch den Temperaturgradienten in der Platte, bestimmt.

Solche Temperaturgradienten werden jedoch auch bewußt er­ zeugt, um Eigenspannungen wie Druckeigenspannungen als so­ genannte Vorspannungen zu erzeugen. Siehe das Buch: "Eigenspannungen, Entstehung-Messung-Bewertung", herausgegeben von E. Macherauch und V. Hauk von der Deutschen Gesell­ schaft für Metallkunde e.V. 1983.

In diesem Buch sind verschiedene Untersuchungen durchge­ führt worden, an legierten Stählen, z.B. um die Eigen­ spannungsentwicklung im Oberflächen- und Kernbereich eines Stahlzylinders zu untersuchen. Man kommt zu dem Schluß, daß eine Korrelation zwischen Härtbarkeits- und Eigen­ spannungsausbildung grundsätzlich möglich ist.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, für metallische Werkstoffe insbesondere Metallegierungen einschließlich pulvermetallurgisch hergestellte Werkstoffe einen günstigen Weg aufzuzeigen, um durch gezielte Behandlungen gewünschte Eigenspannungen in einem Bauteil zu erzeugen. Somit ge­ lingt es bei Bauteilen insbesondere Rotationskörpern mit einer Bohrung im Zentralbereich wie insbesondere Turbo­ maschinenteilen mit einer Nabenbohrung, ja selbst für be­ schaufelte Turbinenscheiben die Behandlungsparameter in geeigneter Weise zu steuern.

Die Lösung der Erfindung ist im Patentanspruch 1 enthalten. Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen be­ schrieben. Vorteile sind der Beschreibung an Hand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Der wesentlichste Vorteil, der mit der Erfindung erreicht wird, ist der, daß es gelingt, in gewünschter Weise in dem hochbeanspruchten Bauteil Eigenspannungen zu erzeugen dadurch, daß man gezielt die örtliche und/oder zeitliche Intensität der Abkühlung so steuert, daß gewünschte Temperaturgradienten zur Bohrung, d.h. bei Turbomaschinen­ bauteilen zur Nabe erreichbar sind. Die Kühlung der Nabe kann dadurch gegenüber den größeren Oberflächen beschleu­ nigt werden. Die Kühlung kann auch so erfolgen, daß die Abkühlung nicht zu schnell voranschreitet, um Span­ nungsrisse zu vermeiden. Bevorzugt erfolgt die Steuerung stufenlos. In der einfachsten Ausführung wird die Innen­ kühlung im Nabenbereich eingeschaltet vor der Kühlung des Bauteils von außen. Weitere Ausführungsbeispiele sind nachstehend erläutert.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Werkstoffe, be­ stimmte Bauteile (Abmessungen und Gestalt) bzw. Abkühl- oder Temperiermittel beschränkt. Zur Erfindung gehören ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen dargestellten beanspruchten Merkmale, sowohl untereinander als auch mit an sich bekannten Merkmalen. Wie oben ausgeführt, bezieht sich die Erfin­ dung nicht nur auf Abkühlvorgänge, sondern sie kann genauso gut für ein Erwärmen insbesondere ein langsames Erwärmen mittels eines Mediums wie auch für das Abküh­ len verwendet werden. Ferner kann das Medium dazu die­ nen, eine bestimmte voreinstellbare, d.h. also steuer­ bare Temperatur mit Hilfe eines Mediums zumindest in einem örtlichen Bereich für eine gewisse Zeitdauer aufrecht zu erhalten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat sich in der Praxis gut bewährt. Es zeigte sich, daß es deutliche Hinweise gibt darauf, daß nach der Wärmebehandlung bzw. Abküh­ lung Druckeigenspannungen in einem Bauteil vorliegen. Bei der bevorzugten Anwendung ergab sich in der Nabe des Turbomaschinenteils eine Verringerung des Bohrungs­ durchmessers nach der Abkühlung, die bereits nach mil­ der Kühlung in der Nabe meßbar war. Die Konturänderung in der Nabe stellt also ein quantitatives und zerstö­ rungsfrei zu ermittelndes Maß für die Druckeigenspan­ nungen dar,welche mit der gezielt gesteuerten Behand­ lung wie Härtung im gewünschten Bereich bzw. Ausmaß erreicht wurde.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 Abkühlvorrichtung für Innen- oder Außenkühlung eines Bauteils in der Vorrichtung zentral und stationär festgehalten.

Fig. 2 mit stationär gehaltertem Bauteil und beweglichen Düsenanordnungen bzw. Strahlarmen.

Fig. 3 mit relativ zueinander beweglichen Düsenanord­ nungen bzw. Strahlarmen.

Fig. 4 zeigt die Vorrichtung mit rotierendem Bauteil und wenigstens teilweise stillstehenden Düsen­ anordnungen bzw. Strahlarmen.

Fig. 5 zeigt die Vorrichtung mit stationär oder kontra­ rotierendem Bauteil zum rotierenden Bottich.

Fig. 6 zeigt ein Transportschema für den Durchlauf des Bauteils vom Ofen zur Kühlstation und ggf. weite­ rer Behandlungsstationen.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs­ zeichen belegt.

In Fig. 1 ist dargestellt die Vorrichtung zur steuerbaren Erzeugung unterschiedlicher Temperaturen an einem Bauteil insbesondere innen und außen.

Die Steuerung erfolgt zeitlich oder örtlich versetzt, d.h. im einfachsten Fall ist eine Zeitsteuerung vorgesehen, insbesondere eine elektronische Steuerschaltung, mit Mitteln, wie RC-Gliedern, die es gestatten, die Innenküh­ lung einzuschalten, bevor die Außenkühlung eingeschaltet wird. Das Anfang und das Ende einer jeglichen Zufuhr von Kühlmedium zu einer Düse oder einem Strahlrohr wird von diesem Zeitwerk oder diesen Zeitwerken (RC-Gliedern) in gewünschter voreinstellbarer Weise gesteuert.

Die örtlich versetzte Steuerung für Innen- und Außenküh­ lung ist gut erkennbar am Beispiel der Fig. 1, wo in einem Bottich 1 oder Gehäuse der Vorrichtung ein Bauteil 2 wie Rotorscheibe einer Turbomaschine mit äußeren Oberflächen 3 und innerer Oberfläche 4, hier eine Nabenbohrung, um die Zentralachse 5 herum angeordnet ist. Die Zentralachse ist zugleich die Mittelachse aller Düsenanordnungen oder Strahlarme, seien sie beweglich oder unbeweglich angeord­ net.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, sind die Strahlarme 6 befestigt an dem Bottich 1 der Abkühlvorrichtung und in mehreren Reihen übereinander auf dem Umfang des Bottichs verteilt, wobei die Umfangsverteilung möglichst gleichmäßig ist und die Strahlarme 6, 8 in der oberen und unteren Ecke jeweils des Bottichs einen Winkel zur Achse 5 einnehmen. Während die Strahlarme oder Düsen in etwa halber Höhe des Bottichs horizontal befestigt sind an der Innenwand des Bottichs 1. Die Halterung des Bauteils 2 ist stationär und trägt das Bezugszeichen 7. Die Halterung ist so getroffen, daß sie eine die Besprühung aus den Düsen und/oder Strahlrohren nicht störende Struktur aufweist. Durch die Düsen oder Strahlrohre 6, 8 kann im einfachsten Falle Preßluft einge­ führt werden, die von einem Gebläse erzeugt wird und zwar in nach Druck und Strömungsmenge pro Zeiteinheit steuer­ barer Weise. Ebenso kann durch die Strahlrohre oder Düsen von 6, 8 Kühlwasser zugeführt werden oder ein anderes Medium mit einer im voraus bestimmten und ggf. konstant zu halten­ den Temperatur mittels in solcher Weise steuerbarer Pumpen wie das Druckluftgebläse.

Mit 9 ist eine Düse bezeichnet, die in der zentralen Achse 5 in der Zeichnung von oben her auf die Innenbohrung des Bauteils 2 gerichtet ist über ein Abstandsrohr 10, welches die Strahlen, die aus der Düse austreten führen, so daß sie in der Nabenbohrung 4 auf deren Oberfläche möglichst gleich­ mäßig verteilt oder in anderer gewünschter Verteilung auf­ treffen. Die Düse 9 kann als Mischdüse insbesondere für zwei Stoffe wie Luft aus dem Rohr 11 und Wasser aus dem Rohr 12 ausgebildet sein und eine nicht dargestellte, jedoch an sich bekannte Ventilsteuerung regelt das Mischungsverhältnis zwischen den beiden zu mischenden Stoffen stufenlos.

Bewährt hat sich auch statt reinem Wasser eine Emulsion, wobei hierunter eine solche mit gewünschten Eigenschaften zu verstehen ist z.B. die der Wasserlöslichkeit und guter Versprühbarkeit mittels kleiner Tröpfchen oder als Nebel. In Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform zu Fig. 1 ersichtlich, wobei von unten ein Strahlrohr entlang der zen­ tralen Achse 5 einführbar ist, welches rotiert und zwar be­ vorzugt mit Hilfe des Segner′schen Wasserrades. Dreh- und Bewegungsrichtungen sind durch Pfeile angedeutet. Selbst­ verständlich kann auch die Düse 9 wie das Strahlrohr 13 ausgebildet sein und gegenläufig zu erstgenanntem beweglich sein in steuerbarer Weise (siehe Fig. 3).

In Fig. 4 ist dargestellt eine Abkühlvorrichtung mit einer drehbaren Lagerung des Bauteils 2 z.B. über eine Antriebs­ scheibe mit Zentrierkonus 14 und einem Keilriementrieb 15. Auch ein beliebiger anderer steuerbarer Antrieb für lang­ same Drehzahlen ist geeignet. Insbesondere ein drehzahl­ regelbarer Elektromotor oder ein Getriebemotor.

Ähnliches gilt für eine Ausführung, bei der der Bottich 1 der Abkühlvorrichtung rotiert und die Halterung des Bau­ teils stationär ist. Die Drehung erfolgt um die zentrale Achse 5 und kann entweder über Reibrollen 16, Zahnrad/ -ring oder ähnliches erfolgen.

In Fig. 6 ist dargestellt der Transport des Bauteils vom Ofen zur Kühlstation und zwar entlang der Achse 5, wobei dann unterhalb des Bottichs noch ein weiteres Behandlungs­ becken sich so anschließen kann, daß die Achse 5 die Mit­ telachse des Beckens bleibt. Hierin kann enthalten sein entweder eine Atmosphäre eines Schutzgases oder ein Reaktionsgas oder ein Fluid wie eine Behandlungsflüssig­ keit, um Nachbehandlungen oder Reaktionen zu fördern, zu verzögern, abklingen zu lassen oder die Abkühlung und Trocknung auf Raumtemperatur zu bewerkstelligen.

Im Ofen können eine oder mehrere Heizungen angeordnet sein, z.B. IR-Strahler 17 und/oder eine induktive Heizspule 18. Auch ist ein Heizstab gewünschtenfalls zentral in die Nabe 4 einführbar.

Als Transportmittel dient mit Vorteil ein fernsteuerbarer Manipulator 19 mit einem beweglichen Greifer 20; Isolation 21; Kugellagerring 22.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum unterschiedlichen Abkühlen bzw. Tempe­ rieren von Innen- und Außenwänden oder Wandbereichen eines Bauteils, insbesondere eines Turbomaschinenteils, gekennzeichnet durch örtlich getrennt und/oder zeitlich versetzt ansteuerbare (6, 9) Düsenanordnungen zur Zufuhr von vorgewähltem Medium.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Düse und/oder ein Strahlrohr (13) für die Temperierung, Kühlung einer Innenwand oder eines Innenwandbereiches eines Bauteils vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß sie von ihrem Umfang her nach innen reichende Strahlrohre (6) und/oder Düsenanordnungen (9) zur Tem­ perierung/Kühlung der Außenwände des Bauteils aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Innen- und Außentempe­ riereinrichtungen wie Strahlrohren (6) und/oder Düsen­ anordnungen (9) verschiedene Medien zuführbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Medien unterschiedlicher Temperatur oder unterschiedli­ chen Druckes oder beides zuführbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Medien aus Druckluft, Wasser oder einem Wasser-/Luft­ gemisch oder wasserlöslicher Emulsion bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Gemischdüse zentral angeordnet ist, die eine steuerbare Gemischbildung gestattet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Strahlrohr um eine zentrale Achse der Vorrichtung hin und her beweglich ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Strahlrohre und/oder Düsenanordnungen relativ zueinander beweglich sind.

10. Vorrichtung nach 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Strahlrohr zusätzlich rotierend ist, ins­ besondere nach Art eines Segner′schen Wasserrades.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Bauteil drehbar gelagert ist und die Strahlrohre bzw. Düsenanordnungen fest­ stehen.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Strahlrohr und/ oder Düsenanordnungen und Bauteil bzw. Halterung eine wenigstens partielle Wärmeisolation an- bzw. einbring­ bar ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen einer Wärme­ behandlungsstation wie Ofen und einer Abkühl- und/oder Trocknungsstation angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauteiltransport im Durchlauf entlang der zentralen Achse von Ofen, Temperier- und/oder Abkühl­ station bzw. Behandlungs- und/oder Trocknungsstation ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung zeitlich nacheinander und stufenlos automatisch gesteuert ist.