DE513800C - Zentrierverfahren fuer aus einem Knueppel geschmiedete, vorgeschrubbte und einer Waermebehandlung unterworfene Wellen, insbesondere Dampfturbinenwellen - Google Patents

Description

Es hat sich herausgestellt, daß häufig schwere, schnell laufende Wellen, z. B. die Wellen von Dampfturbinen, während des Betriebes Erzitterungserscheinungen zeigen, obwohl diese Wellen zur Verbesserung ihrer physikalischen Eigenschaften vor ihrer Fertigstellung einer Wärmebehandlung unterzogen worden waren. Dies ist anscheinend darauf zurückzuführen, daß die Körner der einmal nach ihrer Schwerpunktachse zentrierten Welle, nachdem sie am Schmiedeort vorgeschrubbt worden ist, auch bei ihrer Abdrehung auf die endgültige Form beibehalten wurden. In der Erkenntnis, daß der Stahl nur in gleichen Abständen von dem Mittelpunkt der chemischen Seigerung die gleiche Ausdehnung besitzt, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Welle vor ihrer Abdrehung auf ihre endgültige Form zweckmäßig nach dem Abstechen der Wellenenden auf ihre Knüppelachse neu zu zentrieren, so daß eine Abweichung der Wellenachse von der Knüppelachse, welche Anlaß zu Erzitterungserscheinungen geben würde, vermieden wird. Versuche haben ergeben, daß Wellen, die im Erfindungssinne hergestellt wurden, im Betriebe bei allen Betriebsverhältnissen keinerlei Erzitterungserscheinungen zeigen, was darauf zurückzuführen ist, daß sich die Welle in jedem zur Achse senkrechten WeI-lenquerschnitt von der Seigerungsmitte, die nunmehr mit der Wellenachse zusammenfällt, radial in jeder Richtung gleichmäßig ausdehnt, so daß keine Verlagerung des Wellenmittelpunktes eintritt.

Der Erfindungsgegenstand sei an Hand der Zeichnung erläutert, worin Abb. 1 einen Ofen mit einer einer Wärmebehandlung unterzogenen Turbinenwelle im Längsschnitt, Abb. 2 eine Endansicht der Welle, Abb. 3 einen Querschnitt des Ofens darstellen. Die Abb. 4, 5 und 6 zeigen Diagramme in vergrößertem Maßstabe über die Durchbiegungswerte einer fertigen Welle, die nicht gemäß der Erfindung behandelt worden ist, während in den Abb. 7, 8 und 9 Diagramme einer gleichen Welle veranschaulicht sind, die im Sinne der Erfindung behandelt worden ist.

Die in Abb. 1 dargestellte Welle besitzt einen mittleren verstärkten Teil« und Ansätze b von schwächerem Durchmesser, die in die Wellenstümpfe c auslaufen. Eine solche Welle ist aus einem Knüppel geschmiedet, nach erfolgter Zentrierung vorgeschrubbt und zwei- oder dreimal ausgeglüht worden, ehe sie nach dem neuen Verfahren behandelt wird.

Die Welle ist nach ihrer Fertigstellung in der Schmiede an ihrem einen Ende, wie in Abb. 2 gezeigt, mit Buchstaben A, B, C, D versehen worden, welche um je 90⁰ zueinander versetzt angeordnet sind. Bisher war es im Turbinenbau gebräuchlich, daß die Wellen sich nicht mehr als etwa ¹Z₁QmIn nach einer Erhitzung auf 135⁰ C durchbiegen durften. Diese Durchbiegung beim Erhitzen wird dadurch festgestellt, daß die Welle in einem Ofen unter langsamem Drehen derselben erhitzt wird und Ablesungen in den Punkten A₁B, C₁ D vorgenommen werden. Erschien die vorgeschrubbte Welle den Vorschriften bezüglich der Durchbiegung zu genügen, so wurde sie angenommen und fertig bearbeitet. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß solche Wellen, die anscheinend die .vorgenannten Vorschriften erfüllten und auch anderseits als in Ordnung befindlich angesehen wurden, nach ihrem Einbau in eine Turbine den Anforderungen nicht genügten.

Gemäß der Erfindung wird die Herstellung der Welle so vorgenommen, daß die Achse des Knüppels annähernd mit der Achse der vorgeschrubbten Welle zusammenfällt oder, mit anderen Worten, daß die Mittelachse der chemischen Seigerung des Wellenbaustoffs möglichst mit der Umdrehungsachse übereinstimmt. Unter chemischer Mittelachse ist hierbei die Achse zu verstehen, um die der Stahl in irgendeiner Entfernung davon die gleichen Eigenschaften besitzt und insbesondere solche, die sich auf die Ausdehnung beziehen. Ist diese Achse auch die mechanische Mittelachse der Welle, so wird vermieden, daß sich die Welle radial nach einer Seite stärker ausdehnt als nach der anderen. Nach dem Schmieden wird die Welle zentriert und vorgeschrubbt, worauf sie zwei- oder dreimal in einem Glühofen ausgeglüht wird, um die Abkühlungsund Schmiedespannungen zu beseitigen. Die sich beim Glühen bildende Kruste wird hierbei durch Abdrehen nach

45. jedem Ausglühen entfernt. Zweckmäßig wird die Welle beim Ausglühen an einem Ende aufgehängt, da hierbei die inneren Spannungen besser als bei einer horizontalen Lage der Welle ausgemerzt werden können. Der letzte Vorgang bei der Vorbehandlung besteht in dem Erhitzen der Welle und Heißablöschen derselben auf eine vorher bestimmte, dem Härtegrad des Metalls angemessene Temperatur.

Nachdem die Welle soweit fertig ist, wird sie erfindungsgemäß in Hinsicht auf die zulässige Durchbiegung geprüft. Dies kann in einem Ofen bekannter Bauart vorgenommen werden. Die Welle ist Herbei zwischen Spitzen gelagert, wobei sie entweder nach neuer Zentrierung oder unter Benutzung der ursprünglichen Körner in dem Ofen bei einer im Verhältnis zu der bisher üblichen, wesentlich höheren Temperatur von 400⁰ C langsam gedreht wird und von Zeit zu Zeit an verschiedenen Stellen ihrer Länge die Durchbiegungen festgestellt werden. Durch einen solchen Versuch wird festgestellt, ob die Welle für eine weitere Behandlung geeignet oder Ausschuß ist. Es ist hierbei zweckmäßig, vor dem Erhitzen der Welle dieselbe an ihren beiden Enden etwas abzudrehen und neu zu zentrieren, es sei denn, daß die Wellen- und Knüppelachse ungefähr zusammenzufallen scheinen. Der Mit- ^7S telpunkt der chemischen Seigerung ist aus den Gefügebildern zu entnehmen. Wenn solche Gefügebilder sorgfältig aufgenommen sind, erscheint der Mittelpunkt der Seigerung am schwärzesten, da dort die Seigerung am großten ist. Unter Benutzung der Gefügebilder können neue Mittelpunkte der Wellenenden gefunden werden, in welchen alsdann Körner eingeschnitten werden, worauf die Welle später abgedreht und anderweit behandelt wird.

Wird die Welle für gut befunden, so wird sie auf ihre richtige Abmessung abgedreht, geschliffen und an den Lagerstellen poliert. Schleifen und Polieren galten bisher nicht als schädlich für die Welle. Untersuchungen haben jedoch bewiesen, daß durch diese Verfahren Oberflächenspannungen in dem Wellenbaustoff verursacht werden. Wenn Wellen nach der früheren Behandlungsweise mitunter keine schlechten Lauf Charakteristiken aufweisen, so ist dies wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß in einigen Fällen die Knüppelachse näher an der Wellenachse lag, und daß bei der Bearbeitung die Spandicke und der von den Drehstählen ausgeübte Druck nicht in allen Fällen gleich waren.

Nachdem die Wellen fertiggestellt und die Zapfen poliert worden sind, beginnt der letzte Teil des Behandlungsverfahrens, Die fertige Welle mit herausgezogenem Keil wird in den Ofen eingeführt. Der Ofen ist lang genug, um den Mittelteil der Welle und auch deren Zapfen zu überdecken. Der Ofen mit Welle wird alsdann z. B. mit Gas erhitzt. Während sich die Welle im Ofen befindet, ist sie in Spitzen gelagert und wird langsam in Umdrehung versetzt. Eine Drehzahl von zwei Umdrehungen pro "Minute ist als befriedigend angesehen worden. Die Welle wird alsdann allmählich während 4 bis 5 Stunden auf eine Temperatur von 400⁰ C erhitzt. Die Temperaturerhöhung beträgt etwa ioo° C pro Stunde mit Ausnahme der letzten Stunde, während welcher die Erhöhung niedriger ist, iao Die Oberflächentemperatur auf der Welle wird beim Umlaufen derselben durch ein

oder mehrere Thermoelemente, die sich in Gleitberührung mit der Wellenober fläche befinden, gemessen. Jedes Element ist an einen Millivoltmeter angeschlossen, welcher mit einer Wärmegradteilung versehen ist. Die Welle wird mehrere Stunden lang auf einer Temperatur von 400⁰ gehalten, wobei stündlich durch geeignete Mittel Durchbiegungsablesungen vorgenommen werden, bis drei aufeinanderfolgende Ablesungen angeben, daß die Oberflächenspannungen beseitigt sind. Dies erfolgt gewöhnlich in der sechsten, siebenten oder sogar achten Stunde. Hierauf wird das Gas abgestellt und das Geis häuse teilweise geöffnet, bis die Temperatur der Welle auf 1 oo° an der Oberfläche zurückgegangen ist. Während der Kühlung der Welle wird sie wie vorher gedreht, bis die angegebene Temperatur erreicht ist. Gewöhnlieh wird die Welle während 8 bis 10 Stunden einer Wärmebehandlung in dem Ofen unterworfen, während der auf die Abkühlung fallende Teil der Behandlung 12 Stunden beträgt. Vor der Aufbringung der Räder auf die Welle läßt man sie nach ihrer Entfernung aus dem Ofen noch 2 Tage lang abkühlen.

Bei einer gebräuchlichen Welle tritt das Höchstmaß der Durchbiegung gewöhnlich in der dritten Stunde ein, wenn die Temperatur eine Höhe von 300 bis 350° C erreicht, und nimmt hiernach bis zu einem Minimum oder bis zur Durchbiegung ο ab, während die Temperatur des Ofens und der Welle weitersteigt. Dieser Zustand tritt etwa in der sechsten oder siebenten Stunde ein. Irgendeine Durchbiegung der Welle führt eine Exzentrizität derselben herbei, welche durch geeignete Meßvorrichtungen, die zweckmäßig längs der Welle an drei verschiedenen Stellen vorgesehen sind, angezeigt werden. Es können Ablesungen im kalten Zustand der Welle vor ihrer Einführung in den Ofen gemacht werden, die alsdann, nachdem sich die Welle nach einer Wärmebehandlung abgekühlt hat, wiederholt werden. Aus diesen Messungen kann festgestellt werden, ob die Welle bei ihrem Einbau in die Turbine im Betrieb Temperatureinflüssen gegenüber unempfindlich ist.

Als Kontrolle hierfür sind Wellen 2 bis 5 Tage nach ihrer Wärmebehandlung ein- oder zweimal wieder abgekühlt worden, wobei die Wellen keine größere Durchbiegung zeigten als die zulässige Fehlergrenze von etwa Vioo^mm· Nachdem eine Welle in der vorbeschriebenen Weise behandelt worden ist, ist sie für den Gebrauch in einer Turbine geeignet. Es hat sich herausgestellt, daß ein zweiter Versuch unnötig ist.
Nachdem das Verfahren zur Herstellung von Temperatureinflüssen gegenüber unempfindlichen Wellen beschrieben ist, soll nachfolgend eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens beschrieben werden. Die Welle ist zwischen Spitzend und e gelagert, von denen die erstere umläuft und die letztere, welche in einem Reitstock gelagert ist, feststeht. Über der Welle ist ein zweckmäßig U-förmig gebogener Mantel/ aus Eisenblech gestülpt, der an seinem unteren Rande auf dem Bett g des Reitstockes ruht. Das Gehäuse ist innen oder außen mit einer Wärmeisolierung h z. B. aus Asbest versehen. Unter der Welle und zwischen dem Bettg sind zwei mit einer Anzahl von Öffnungen versehene Gasleitungen i angeordnet. Über den Brennern ist eine Schutzplatte k vorgesehen, um eine unmittelbare Einwirkung der Gasflammen auf die Welle zu verhindern. Seitlich am Gehäuse befindet sich eine Öffnung/ (Abb. 3) für den Austritt der Verbrennungsgase. In dem oberen Teil des Gehäuses sind Bohrungen vorgesehen, in welche Thermometer m zur Überwachung der Ofentemperatur eingeführt werden. Die Temperatur der Welle wird durch ein oder mehrere Thermoelemente«, gewöhnlich drei, bestimmt, die je in einer mit Asbest abgedeckten, auf der Wellenoberfläche aufliegenden Metallkapsel untergebracht sind. Von jedem Thermoelement ti sind Leitungen nach einem Millivoltmeter ο geführt, welches mit einer Wärmegradeinteilung versehen ist. Seitlich vom Gehäuse ist ein Stehbolzen für ein Rohr ρ angeordnet. In diesem Rohr ist ein als Taster wirkender Stift q geführt, der durch eine Feder gegen die Wellenoberfläche gedrückt wird und sich bei unrundem Lauf der Welle vor und zurück bewegt. Zur Messung der Ausschläge des Tasters ist eine Anzeigevorrichtung/· vorgesehen. In bekannter Weise können die an sich kleinen Ausschläge des Tasters q in vergrößertem Maßstabe auf die Meßvorrichtung r übertragen werden. Da durch die dauernde Umdrehung einer schweren Welle die Zentrierspitzen abgenutzt werden, sind auf beiden Seiten der Welle Stützvorrichtungen vorgesehen, welche das Gewicht der Welle aufheben, wenn Durchbiegungsablesungen nicht vorgenommen-werden. Diese Stützen bestehen aus je einer Stange s, welche an ihrem einen Ende auf einer Schneide t aufruht und an ihrem anderen Ende durch eine einstellbare Schraube« getragen wird. An der Oberseite dieser Stange s ist eine Lagerschale ν zur Aufnähme der Welle vorgesehen. Wenn die Welle durch die Lager ν getragen wird, können die Spitzen zu ihrer Entlastung durch seitliche Verschiebung außer Eingriff mit ihren zugehörigen Körnern gebracht werden. Wenn Ablesungen vorgenommen werden sollen, werden sie wieder in ihre Betriebslage

zurückgebracht, wobei die Lager ν durch Abwärtsdrehen der Schrauben« gesenkt werden. Die in den Abb. 4, 5 und 6 dargestellten Linienzüge geben bei einer Erhitzung auf 400⁰ G den Durchbiegungswert einer Welle an, die früher als brauchbar angesehen wurde. Wie vorher erwähnt, ist die Welle an ihrem einen Ende mit Buchstaben A, B, C₁D für die Durchbiegungsprüfung versehen. Die Ablesungen werden hierbei vorgenommen, wenn diese Buchstaben nacheinander an den Anzeigevorrichtungen vorbeikommen. Die Welle wird während ihrer Prüfung und hinterher langsam gedreht, z. B. mit zwei Umdrehungen pro Minute, und nach genügender Erhitzung werden Ablesungen an den vorgesehenen Anzeigevorrichtungen, z. B. drei, von denen zwei nahe am Wellenende und eine in der Mitte vorgesehen ist, vorgenommen. Der Abstand der punktierten Kreise in Abb. 4 und 5 voneinander beträgt 0,025 mm, wobei der innere Kreis einen Radius von 0,025 mm, der zweite 0,050 mm usw. besitzen. Um jeden betreffenden Punkt auf der Kurve oder in dem Diagramm festzulegen, müssen vier Ablesungen, die mit den Marken A, B, G, D auf den Wellen übereinstimmen, vorgenommen werden. Ausgehend von w als Mittelpunkt der Welle bei der Durchbiegung ο (Abb. 4), biegt sich die Welle in der ersten Stunde derart, daß der Punkt w in die Lage/ kommt, von wo aus er in der zweiten Stunde nach 2 wandert. Aus der letzteren Stellung gelangt der Punkt w in der dritten Stunde in die Lage 3, welche die größte Durchbiegung darstellt. Beim weiteren Erhitzen nimmt der Punkt w in der vierten Stunde die Lage 4 ein, wandert von dort nach 5 und 6, von wo aus er unter scharfer Drehung nach innen in die Stellung 7 und hierauf nach 8 gelangt. In der neunten und zehnten Stunde des Versuchs kehrt der Punkt w in die Lage 7 zurück.

Abb. 5 zeigt die beträchtlich größere Durchbiegung der Stelle der Welle, auf welcher die fünfte Stufe der Turbine sitzt. In diesem Falle ist der Punkt w etwas unter der Linie D-B gelegen. Die größte Durchbiegung von ungefähr 0,0825 mm ergibt sich etwa am Ende der dritten Stunde, wie durch Stellung 3 des Punktes w angegeben. Hierauf durchläuft der Punkt w einen ähnlichen Linienzug wie in Abb. 4, um endlich nach der zehnten Stunde in die Lage 10 zu gelangen.

Abb. 6 stellt die Wanderung des Mittelpunktes w des Wellenteils dar, auf welchem im Betrieb das Ende des Niederdruckteils der Turbine sitzt. Der Punkt ic liegt beim Beginn des Versuchs etwas unter der Linie D-B. Die stündlichen Durchbiegungswerte der Welle sind aus den betreffenden Lagen ihres Mittelpunktes zu entnehmen. Die größte Durchbiegung beträgt in diesem Falle 0,075 mm, wie durch den äußersten punktierten Kreis angegeben ist. Es ist auch festgestellt worden, daß am Ende der zehnten Stunde der Punkt w in seine Ausgangsstellung zurückgekehrt ist.

Die Abb. 7, 8 und 9 stellen Linienzüge für den Durchbiegungsverlauf einer gleichen Welle dar, die gemäß der Erfindung einer Temperatur ausgesetzt worden ist, die der höchsten Dampf temperatur entspricht, welcher sie beim Betrieb in einer Turbine ausgesetzt ist, z.B. 400⁰C. Der innere punktierte Kreis hat einen Radius von 0,025 mm, und es ist festgestellt worden, daß die Welle von dem Nullpunkt w aus niemals eine über diesen Betrag hinausgehende Durchbiegung erleidet. Dieses ist besonders in Hinsicht auf Abb. 5 und 8 bemerkenswert, welche in dem gleichen Maßstabe gezeichnet sind. Aus Abb. 7 ist ersichtlich, daß der Punkt w nicht in der ersten Versuchsstunde in die Stellung 1 gewandert ist, sondern dort in der zweiten geblieben ist. Erst in der dritten Stunde ist er nach 3 gewandert. Dort blieb er während der vierten Stunde und bewegte sich in der fünften Stunde nach 5, um endlich in der letzten oder siebenten Stunde nach 7 zurückzukehren, also in eine Stellung, die er in der ersten und fünften Stunde innehatte. In Abb. 8 verbleibt der Punkt w während des ganzen Versuchs oder Umlaufs in seiner Lage. Aus Abb. 9 ist ersichtlich, daß der Punkt w eine ganz kleine Bewegung ausgeführt hat. Die verschiedenen Zahlen geben die Stellungen des Punktes w für jede Versuchsstunde an. Die letztbeschriebenen Linienzüge oder Diagramme zeigen sehr deutlich, daß die vorher vorhandenen Oberflächenspannungen ¹O" nach dem im Erfindungssinne ausgeführten Behandlungsverfahren der Welle zu einem zu vernachlässigenden Wert vermindert worden sind, und daß eine so behandelte Welle während des Laufens keine durch die Ober- ¹QS flächenspannungen hervorgerufenen Erzitterungen zeigt. Wie vorstehend erwähnt, beträgt die größte radiale Durchbiegung in den Abb. 7 bis 9 weniger als 0,025 mm. Eine solche Welle besitzt demnach gegenüber einer Welle mit höheren Durchbiegungswerten ein wesentlich größeres Anwendungsgebiet. Als äußerste Grenze für die zulässige Durchbiegung einer Turbinenwelle dürfte der Wert von 0,0375 anzusehen sein. Je mehr sich die Durchbiegung dem Wert ο nähert, um so besser ist die Welle.

Claims (2)

1. Patentansprüche.

   i. Zentrierverfahren für eine aus einem Knüppel geschmiedete, vorgeschrubbte und

   einer Wärmebehandlung unterworfene Welle, z. B. Turbinenwelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle vor ihrer Abdrehung auf ihre endgültige Form zweckmäßig nach dem Abstechen der Wellenenden zwecks Vermeidung von Erzitterungserscheinungen auf die Knüppelachse neu zentriert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Knüppelachse aus den Gefügebildern erfolgt.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen