DE4203655A1 - Verfahren zur herstellung eines stroemungsleitringes fuer turbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei Turbinen muß das Strömungsmedium, z. B. der Dampf ei­ ner Dampfturbine, im richtigen Winkel mit der vorgegebe­ nen Geschwindigkeit auf rotierende Turbinenschaufeln ge­ leitet werden. Der Dampf gelangt in der Regel eingangs­ seitig über Dampfeintrittsdüsen zum ersten Schaufelrad der Dampfturbine und von hier über Zwischenböden zum nächsten Schaufelrad. Dabei ähneln die Strömungskanäle der Dampfeintrittsdüsen weitgehend den in den Zwischenbö­ den vorzusehenden Strömungskanälen. In beiden Fällen sind die aneinandergereihten Strömungskanäle in einem Ring angeordnet, der nachfolgend als Strömungsleitring be­ zeichnet wird.

Die zur Anwendung kommenden Fertigungsverfahren für Strö­ mungsleitringe sind sehr zeitaufwendig, erfordern quali­ fiziertes Fachpersonal und sind darüberhinaus noch mit weiteren Nachteilen behaftet.

So ist es bekannt, Düsen aus dem Vollen zu fräsen, wobei die Fräsarbeiten jedoch außerordentlich aufwendig sind, da mit Fräsvorrichtungen und Formfräsern gearbeitet wer­ den muß. Die hierbei erstellten einzelnen Düsensegmente müssen zusammengesetzt werden, wobei das Einpassen von Hand geschieht und das Abdichten bisweilen sehr schwierig ist. Ein Dichtschweißen der einzelnen zusammengesetzten Segmente erfordert weitere Nacharbeit von Hand.

Weiterhin ist ein anderes, ebenfalls sehr zeitaufwendiges Fertigungsverfahren bekannt, bei dem Haltebleche mit ei­ ner Stärke von etwa 3 mm gestanzt werden und jeweils zwei ringförmig angeordnete Haltebleche zur Befestigung gezo­ gener Profilstücke dienen. Die mit den Profilstücken ver­ sehenen Haltebleche werden durch mehrfache Schweißope­ rationen mit einem Innen- und einem Außenring verbunden. In der Regel wird hierbei eine Flächenverschweißung mit Elektronenstrahl vorgenommen, und außerdem werden die Kanten der gestanzten Haltebleche auf einem inneren und einem äußeren Haltering verschweißt. Hierbei entstehen viele einzelne Arbeitsgänge, die zudem teure Nacharbeit von Hand erfordern und trotzdem wegen der relativ dünnen Haltebleche nur eine geringe Betriebsbelastung erlauben. Nachteilig ist auch zu bewerten, daß bei den verwendeten Halteblechen von nur 3 mm Stärke ein Elektronenstrahl­ schweißen nicht immer befriedigende Ergebnisse zeigt und die eingeschränkte Belastungsfähigkeit ein Qualitätspro­ blem darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren zu schaffen, das durch programmgesteuerte Fertigungsab­ läufe und eine Reduzierung der Anzahl der einzelner Ar­ beitsgänge einen geringeren Personalaufwand und schnelle­ ren Durchlauf ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichne­ ten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Wei­ terbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Un­ teransprüchen genannt.

Erfindungsgemäß wird zur Herstellung eines Strömungs­ leitringes zunächst ein kompletter oder aus Ringsegmenten bestehender Profilring erstellt, der im Bereich der ein­ zusetzenden Profilstücke einen U-förmigen Querschnitt be­ sitzt. Die beiden freien Schenkel des U-Profils erstrec­ ken sich dabei in Strömungsrichtung und bilden eine erste Öffnung für den Strömungskanal. Die beiden freien Schen­ kel werden nun miteinander gegenüberliegenden Durch­ brüchen versehen, die der Kontur des Profilstücks ent­ sprechen. Über diese Durchbrüche können die Profilstücke so eingesetzt werden, daß diese eine beidseitig fixierte Brücke zwischen den beiden freien Schenkeln bilden. Um einen durchgehenden Strömungskanal zu schaffen, wird jetzt auf der durch einen Verbindungssteg geschlossenen Seite zwischen den beiden freien Schenkeln des U-Profils eine Öffnung für das Strömungsmedium freigelegt.

Bei einem so hergestellten Strömungsleitring entfallen alle Schweißarbeiten, wodurch ein schnellerer Durchlauf bei geringerem Personalaufwand erreichbar wird. Da es möglich ist, den freien Schenkeln des U-Profils die ge­ wünschte Dicke zu geben, kann damit eine entsprechend hö­ here Festigkeit und damit verbesserte Qualität erreicht werden. Weiterhin kann man dem Strömungskanal eine nach thermodynamischen Anforderungen optimierte Form geben.

Die Grundform des Profilrings oder der Profilringsegmente kann auf einfache Weise aus einem Blech oder einer Platte entsprechender Dicke durch Schneidbrennen gewonnen wer­ den. Dementsprechend wird die Grundform zunächst einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzen, erhält jedoch anschließend durch Ausdrehen oder Ausfräsen einer Nut den geforderten U-förmigen Querschnitt.

Ein wesentlicher Vorteil im Sinne weitgehender Automati­ sierung ist dadurch erreichbar, daß die in den beiden freien Schenkeln des U-Profils herzustellenden Durchbrü­ che durch Drahterodieren erzeugt werden. Zu einem eben­ falls automatisierten Einbringen des Erodierdrahtes müs­ sen zuvor im Bereich der Durchbrüche Startlöcher gebohrt werden. Weiterhin ist es zweckmäßig, beim Drahterodieren der Durchbrüche mit Haltestegen zu arbeiten, um die Aus­ fallstücke zu sichern. Somit kann der gesamte Ablauf des Erodierens der Durchbrüche programmgesteuert vollautoma­ tisch erfolgen.

Zur Sicherung der in den Profilring eingesetzten Profil­ stücke kann man einen Kleber verwenden oder die Durchbrü­ che maßlich so auf die Profilstücke abstimmen, daß diese zum Einfügen eingeschlagen werden müssen und danach durch einen Preßsitz fixiert sind.

Das Entfernen des Verbindungsstegs des U-Profils und die Bearbeitung der Öffnungskontur kann zweckmäßigerweise durch Drehen oder Fräsen derart erfolgen, daß die ge­ wünschte thermodynamische Form des Strömungskanals er­ reicht wird. Die dabei freizulegende Öffnung des Strö­ mungskanals kann den Umständen entsprechend auf der Ein­ trittsseite oder Austrittsseite des Strömungsmediums lie­ gen. Die spanabhebenden und schneidenden Bearbeitungen bei der Erstellung des Strömungsleitringes können eben­ falls programmgesteuert ablaufen.

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Strömungsleitring kann zur Schaffung eines Zwischenbodens dienen und muß in diesem Fall vor dem Trennen des äußeren Schenkels vom inneren Schenkel des U-Profils beim Freile­ gen der Öffnung des Strömungskanals zwischen einem Innen­ ring und einem Außenring eingefügt und mit diesen durch Schweißen verbunden werden. Bezüglich seines durch das erfindungsgemäße Verfahren vorgegebenen Grundaufbaus kann der Strömungsleitring ebenso auch als Düsenstock z. B. im Bereich des Dampfeintritts bei Dampfturbinen dienen.

Unabhängig von der späteren Anwendung des Strömungs­ leitringes ist es vorteilhaft, die den Profilring bilden­ den beiden freien Schenkel des U-Profils bezüglich ihrer Abmessungen zu optimieren. Dabei soll ein Höchstmaß ihrer Dicke nicht überschritten werden, um ein schnelles Drah­ terodieren zu ermöglichen und andererseits ein Mindestmaß ihrer Dicke nicht unterschritten werden, um bei der Her­ stellung von Zwischenböden ein ungehindertes Elektronen­ strahlschweißen zu ermöglichen. Entsprechendes gilt bei der Erstellung von Düsenstöcken, um eine ausreichende Ei­ genstabilität zu gewährleisten, so daß in beiden Fällen vorzugsweise mit einer Schenkeldicke von 8 bis 10 mm ge­ arbeitet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnun­ gen dargestellt und werden im folgenden näher beschrie­ ben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Teilstück eines Strömungsleitrings in Seitenansicht mit Blick auf die Strömungs­ kanäle,

Fig. 2 das gerundete Teilstück nach Fig. 1 entlang einer Ebene abgewickelt, mit Durchbrüchen für die Profilstücke,

Fig. 3 einen Schnitt durch das U-Profil des Strö­ mungsleitrings entsprechend Fig. 1, Pig. 4 einen fertig bearbeiteten Strömungsleitring im Schnitt entsprechend der Ansicht nach Fig. 3.

Die Fig. 1 bis 4 sollen verschiedene Schritte des Ar­ beitsablaufs verdeutlichen, an dessen Ende der in Fig. 4 dargestellte, fertig bearbeitete Strömungsleitring 1 steht, der bei diesem Beispiel als Düsenstock dient. Ent­ scheidend für den Fertigungsablauf ist, daß als tragendes Grundelement zur Schaffung des Strömungsleitrings 1 ein Profilring 5 mit einem U-Profil verwendet wird. Der Pro­ filring 5 mit seinen eine Nut 7 einschließenden beiden freien Schenkeln 52, 53 definiert bereits einen wesentli­ chen Teil der Abmessungen und Form der späteren Strö­ mungskanäle 8.

Eine weitere Formgebung der Strömungskanäle 8 erfolgt nun durch Einsetzen von gezogenen Profilstücken 4, die beid­ seitig in den freien Schenkeln 52, 53 des Profils veran­ kert werden. Das Einsetzen der Profilstücke 4 wird mit Hilfe von Durchbrüchen 6 ermöglicht, die dem Profil der Profilstücke 4 entsprechen und einander gegenüberliegend in den beiden freien Schenkeln 52, 53 so angeordnet sind, daß die Profilstücke eingesteckt werden können.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Aufbaus ist, daß das Aus­ nehmen der Durchbrüche 6 mit Hilfe einer Draht­ erodiermaschine geschehen kann. Hierzu werden zunächst im Bereich der späteren Durchbrüche 6 Startbohrungen 61 in die beiden freien Schenkel 52, 53 gebohrt und an­ schließend kann das Drahterodieren erfolgen, wobei der Schnitt genau entlang der auszuschneidenden Kontur ge­ führt werden kann. Das Belassen eines Haltestegs verhin­ dert dabei ein unkontrolliertes Herausfallen des Schnitt­ stückes.

Das Drahterodieren ermöglicht nicht nur einen sauberen Schnitt, der keiner Nachbearbeitung bedarf, sondern kann, beginnend mit einem automatischen Einfädeln in die jewei­ lige Startbohrung 61, voll automatisch nach einem durch CAM vorgegebenen Programm ablaufen. Somit kann der Ferti­ gungsablauf weitgehend ohne Personal mit einer Nutzung von über 100 Stunden pro Woche gestaltet werden. Stellt man auch die Profilstücke 4 drahterodiert her, so können thermodynamisch optimierte Sonderprofile realisiert wer­ den. Die Sicherung der Profilstücke 4 im Profilring 5 kann durch Kleben erfolgen oder auch durch einen paß­ genauen Schnitt der Durchbrüche 6 derart, daß die Profil­ stücke 4 eingeschlagen werden müssen und danach im Preß­ sitz fixiert sind.

Weitgehend von der Verwendung des Strömungsleitrings 1 hängt es ab, ob es zweckmäßig ist, diesen aus einem kom­ pletten Ring oder aus einzelnen Ringsegmenten herzustel­ len, wobei es weiterhin möglich ist, zunächst einen kom­ pletten Ring zu erstellen und diesen dann in Ringsegmente zu teilen. Bei einem Teilungsschnitt wird man sich vor­ zugsweise wieder des Drahterodierens bedienen. Im übrigen wird die Wahl des Werkzeugs davon abhängen, ob ein Ring oder Ringsegmente zu bearbeiten sind und dementsprechend gedreht oder gefräst werden muß oder sollte.

In jedem Fall müssen ausgehend von dem mit Profilstücken 4 versehenen Profilring 5 die zwischen den Profilstücken 4 liegenden Strömungskanäle 8 noch geöffnet werden. Hierzu wird ein zwischen den beiden freien Schenkeln 52, 53 des U-Profils liegender Verbindungssteg 51 entfernt und die entstandene Öffnung in die gewünschte thermodyna­ mische Form gebracht.

Der Profilring 5 kann auf besonders einfache Weise da­ durch hergestellt werden, daß zunächst ein Rohling aus einem Blech oder einer Platte entsprechender Dicke mit einem Schneidbrenner herausgetrennt und anschließend durch geeignete spanabhebende Bearbeitung aus dem mit ei­ ner Schnittzugabe versehenen Ring mit einem im wesent­ lichen rechteckigen Querschnitt, der Profilring 5 mit U- Profil geschaffen wird.

Bei dem fertig bearbeiteten Strömungsleitring 1 können noch, wie in Fig. 4 dargestellt, Fügeringe 21, 31 heraus­ gearbeitet werden, sofern er als Düsenstock verwendet werden soll, damit dieser in der Turbine an den Fügerin­ gen fixiert werden kann.

Soll der Strömungsleitring 1 jedoch bei einem Zwischenbo­ den verwendet werden, so behält er seine zylindrische Mantelfläche auf der Innen- und Außenseite und wird zwi­ schen einen Innenring 2 und einen Außenring 3 eingefügt und mit diesen beiden Ringen 2, 3 zu einer Einheit ver­ schweißt. Diesen Vorgang kann man sich leicht vorstellen, so daß er nicht in den Zeichnungen dargestellt werden muß. Bei dieser Anwendung ist es auch möglich, die Öff­ nung der Strömungskanäle 8 erst nach dem Schweißvorgang vorzunehmen.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hat gegenüber einem Herausarbeiten der Strömungskanäle aus dem Vollen den Vorteil, daß keine aufwendigen Dreh- und Fräsopera­ tionen erforderlich sind und keine Sonderwerkzeuge benö­ tigt werden. Außerdem müssen keine Einzelschaufeln in den Düsenkasten eingesetzt werden, wobei regelmäßig Abdicht­ probleme an den Stoßstellen auftreten. Dementsprechend kann auch ein Dichtschweißen der Stoßstellen und die hiermit verbundene aufwendige Nacharbeit entfallen. Wei­ terhin werden Endstücke eingespart.

Gegenüber geschweißten Strömungskanälen weist das erfin­ dungsgemäße Fertigungsverfahren den Vorteil auf, daß Bohr- und Stanzarbeiten in Verbindung mit einem 3 mm-Hal­ teblech und eine Vielzahl einzelner zum Teil aufwendiger und kritischer Schweißvorgänge entfällt. Weiterhin wird eine zweimalige Wärmebehandlung sowie ein aufwendiges Nacharbeiten und Egalisieren der Strömungskanäle von Hand überflüssig. Gleichzeitig wird eine höhere Gestaltfe­ stigkeit und verbesserte Qualität erreicht.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines Strömungsleitrin­ ges (1) für Turbinen, bei dem strömungsleitende Profil­ stücke (4) zwischen einem Innenring (2) und einem Außen­ ring (3) so befestigt sind, daß das Strömungsmedium auf rotierende Turbinenschaufeln geleitet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - ein kompletter oder aus Ringsegmenten bestehender Profilring (5) erstellt wird, der im Bereich der einzu­ setzenden Profilstücke (4) einen U-förmigen Querschnitt besitzt und bei dem die beiden freien Schenkel (52, 53) des U-Profils sich in Strömungsrichtung erstrecken,
• - daß die beiden freien Schenkel (52, 53) mit jeweils einander gegenüberliegenden Durchbrüchen (6) versehen werden, die der Kontur des Profilstückes (4) entsprechen,
• - daß die Profilstücke (4) über die Durchbrüche (6) so eingesetzt werden, daß diese eine beidseitig fixierte Brücke zwischen den beiden freien Schenkeln (52, 53) bil­ den,
• - und daß auf der durch einen Verbindungssteg (51) ge­ schlossenen Seite zwischen den beiden freien Schenkeln (52, 53) des U-Profils eine Öffnung für das Strömungsme­ dium geschaffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Grundform des späteren Profilrings (5) oder der Profilsegmente aus einem Blech oder einer Platte ent­ sprechender Dicke durch Schneidbrennen gewonnen wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilring (5) oder die Profilringsegmente zunächst einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzen und durch Ausdrehen oder Ausfräsen einer Nut (7) den geforderten U-förmigen Querschnitt erhalten.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden freien Schen­ keln (52, 53) des Profilrings (5) Startlöcher (61) ge­ bohrt werden, und ausgehend von diesen Startlöchern die Durchbrüche (6) durch Drahterodieren, vorzugsweise Schrupperodieren, erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß beim Drahterodieren der Durchbrüche (6) mit Hal­ testegen gearbeitet wird, um die Ausfallstücke zu si­ chern.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach einem automatisierten Einsetzen des Erodierdrahtes in die Startlöcher (61) das Ausschneiden der Durchbrüche (6) programmgesteuert erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherung der in den Profilring (5) eingesetzten Profilstücke (4), diese durch einen Kleber in den Durchbrüchen (6) fixiert sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (6) maßlich so auf die Profilstücke (4) abgestimmt sind, daß diese zum Einfügen eingeschlagen werden müssen und durch einen Preßsitz fixiert sind.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen des Ver­ bindungsstegs (51) des U-Profils und die Bearbeitung der Öffnungskontur durch Drehen oder Fräsen entsprechend der thermodynamischen Form des Strömungskanals (8) erfolgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungssteg (51) des U-Profils und damit die durch ein spanabhebendes Ver­ fahren freizulegende Öffnung für den Strömungskanal (8) den Umständen entsprechend auf der Eintrittsseite (A) oder Austrittsseite (B) des Strömungsmediums liegt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehendne Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die spanabhebenden und schneidenden Bearbeitungen bei der Erstellung des Strö­ mungsleitringes (1) programmgesteuert ablaufen.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ein komplett erstellter Profilring (5) vorzugsweise durch Drahterodieren, in Seg­ mente getrennt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleitring (1) zur Schaffung eines Zwischenbodens dient und vor dem Trennen des äußeren Schenkels (52) vom inneren Schenkel (53) des U-Profils beim Freilegen der Öffnung des Strömungskanals (8) der Strömungsleitring (1) zwischen einen Innenring (2) und einen Außenring (3) eingefügt und mit beiden so verschweißt wird, daß der den äußeren Schenkel (52) des U-Profils bildende Teil mit dem äußeren Ring (2) und der den inneren Schenkel (53) des U-Profils bildende Teil mit dem inneren Ring (3) vereinigt ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß der Strömungsleitring als Dü­ senstock dient.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die den Profilring (5) bildenden beiden freien Schenkeln (52, 53) des U-Profils bezüglich ihrer Abmessungen optimiert sind, derart, daß ein Höchstmaß ihrer Dicke nicht überschritten wird, um ein schnelles Drahterodieren zu ermöglichen und anderer­ seits ein Mindestmaß ihrer Dicke nicht unterschritten wird, um bei der Erstellung von Zwischenböden ein unge­ hindertes Elektronenstrahlschweißen zu ermöglichen oder bei der Erstellung von Düsenstöcken eine ausreichende Eigenstabilität zu gewährleisten, wobei vorzugsweise eine Schenkeldicke von 8 bis 10 mm vorgesehen ist.