DE602004006732T2

DE602004006732T2 - Verfahren zur herstellung einer statorkomponente

Info

Publication number: DE602004006732T2
Application number: DE602004006732T
Authority: DE
Inventors: Jan Lundgren
Original assignee: Volvo Aero AB
Current assignee: GKN Aerospace Sweden AB
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: SE0300770D0; SE525879C2; ATE363586T1; CN100338338C; DE602004006732D1; CN1761802A; EP1608846A1; SE0300770L; US7389583B2; RU2005132387A; EP1608846B1; WO2004083605A1; US20060000077A1; JP2006520874A; RU2338888C2; JP4489762B2; ES2286624T3

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Statorbauelements mit der Funktion einen Gasstrom zu leiten und Lasten zu übertragen. Das Statorbauelement kann beispielsweise in einer Gasturbine und insbesondere in einem Strahltriebwerk verwendet werden.
Unter Strahltriebwerk sind verschiedene Triebwerksarten zu verstehen, die Luft mit relativ geringer Geschwindigkeit ansaugen, sie durch Verbrennung aufheizen und mit einer viel höheren Geschwindigkeit austreiben. Der Ausdruck Strahltriebwerk schließt beispielsweise Turbostrahltriebwerke und Mantelstromtriebwerke ein.
Ein solches Statorbauelement, das einen äußeren und einen inneren Ring mit zwischen den Ririgen angeordneten Wandelementen aufweist, kann mit dem Ziel gebaut werden, in Radial- und Axial- sowie auch in Tangentialrichtung hauptsächlich Lasten zu übertragen. Die Wandelemente können beispielsweise hohle Schaufeln bilden, die gewöhnlich eine solche Form haben, dass sie so wenig wie möglich Luftwiderstand bieten. Das Bauelement kann beispielsweise in einem hinteren oder vorderen Halter oder in einem Zwischengehäuse eines Strahltriebwerks angeordnet werden. In diesen Fällen werden die Schaufeln häufig Streben genannt. Streben können jedoch auch von anderen Teiltypen als hohlen Schaufeln gebildet werden.
STAND DER TECHNIK
Nach einer früher bekannten Technik werden Wandelemente in Form von hohlen Schaufeln in Umfangsrichtung des Bauelements zwischen einem inneren und einem äußeren Ring im Abstand voneinander angeordnet. Die Verbindung der hohlen Schaufeln mit den Ringen erfolgt durch Schweißen. Jeder der Ringe wird zuerst mit Teilen hergestellt, die in Radialrichtung vorstehen und den gleichen Querschnitt und die gleiche Abmessung wie die Schaufeln haben. Solche vorstehenden Teile werden häufig Stümpfe genannt. Jede der Schaufeln wird danach an einem solchen vorstehenden Teil in einem Stumpfstoß verschweißt. Die in Radi alrichtung vorstehenden Teile werden normalerweise aus einem Ring ausgefräst. Dies ist ein zeilraubender und teurer Vorgang.
Bei einer anderen bereits bekannten Technik wird das gesamte Statorbauelement in einer einzigen Stufe gegossen. Dies erfordert jedoch eine große und sehr komplizierte Giesanlage.
Die DE 195 44 817 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelsegments für eine Gasturbine. Zwei Schaufeln werden einzeln gegossen und danach miteinander durch Schweißen verbunden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Statorbauelements zu erreichen, das ein besseres gewichtoptimiertes Bauelement bezogen auf früher bekannte Verfahren mit der gleichen oder gesteigerten Haltbarkeit und Lebensdauer bereitstellt. Insbesondere möchte man ein zeitsparendes und kosteneffektiveres Herstellungsverfahren haben.
Dieses Ziel wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Da die Sektoren einzeln gegossen werden, bestehen bestimmte Vorteile in Bezug auf ein Gießen des gesamten Statorbauelements in einem einzigen Schritt. Ein Vorteil besteht darin, dass im Falle eines Fehlers oder eines Defekts es nicht erforderlich ist, ein gesamtes Statorbauelement auszumustern, sondern nur einen Sektor. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass das Gießen bei kleineren Teilen mit einer weniger komplizierten Auslegung leichter ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche eines jeden der Sektoren, die geschweißt werden sollen, durchgehend. Dies heißt mit anderen Worten, dass die Schweißoberfläche keine Unterbrechungen oder plötzliche Richtungsänderungen aufweist. Dadurch ist es möglich, einen effizienten Schweißprozess zu erhalten, der eine Schweißverbindung mit hoher Haltbarkeit ergibt. Zusätzlich hat die Oberfläche eines jeden der Sektoren, die geschweißt werden soll, im Wesentlichen die gleiche Dicke im Querschnitt über der Länge der ganzen Oberfläche. Dadurch besteht eine geringere Notwendigkeit, die Schweißparameter während des Schweißvorgangs zu ändern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind andere Teile des Sektors angrenzend an die Oberfläche, die geschweißt werden soll, in Umfangsrichtung bezüglich der Schweißfläche leicht zurückgesetzt, um die Schweißbahn nicht zu behindern. Dies gilt insbesondere, wenn die Sektoren in eine solche Form gegossen sind, dass sie wenigstens eine Rippe haben, die sich in Umfangsrichtung erstreckt und in Axialrichtung vorsteht. Der Sektor wird dann in eine solche Form gegossen, dass sich die Rippe so erstreckt, dass ein Spalt in Umfangsrichtung zwischen dem Ende der Rippe und dem Rand des Sektors vorhanden ist. Dies ermöglicht es, die Sektoren miteinander auf einfache Weise zu verbinden, nachdem die Sektoren aneinander in Umfangsrichtung angeordnet sind und die Sektoren so durch Verschweißen zusammen mit den benachbarten Rändern der Sektoren zwischen den Enden der Rippen in Radialrichtung verbunden werden.
Gemäß einer weiteren Entwicklung der vorstehenden Ausführungsform wird nach dem Zusammenschweißen der Raum zwischen zwei benachbarten Rippenrändern durch eine Materialablage so gefüllt, dass die Rippen einen durchgehenden Aufbau in Umfangsrichtung bilden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und der Erfindung zugeordnete Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüche ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun nachstehend unter Bezug auf die Ausführungsform, die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist, näher erläutert, in denen
1 in einer perspektivischen Ansicht einen gegossenen Sektor,
2 das Statorbauelement, das aus einer Vielzahl von Sektoren von 1 gebaut ist, in seiner Umfangsrichtung und
3 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Bauelements von 2 und insbesondere den teilenden Bereich zwischen zwei Sektoren zeigt, wo die Rippen von zwei benachbarten Sektoren miteinander durch Ablage von metallischem Material verbunden worden sind.
INS EINZELNE GEHENDE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt einen gegossenen Sektor 1 in einer perspektivischen Ansicht. Der Sektor 1 hat einen Gaskanal 2, der hauptsächlich in Axialrichtung direkt hindurchgeht. Man kann auch einen oder mehrere Gaskanäle in Radialrichtung für einen Kompressorstrom (nicht gezeigt) sowie auch in bestimmten Fällen für einen Gebläsestrom, vorsehen.
Der Sektor 1 wurde mit Wandelemente 4, 5, 6, 7, 8 gegossen, die einen durchgehenden Aufbau in Radialrichtung für eine Übertragung von Lasten bilden. Bei der gezeigten Ausführungsform hat der Sektor 1 ein erstes Wandelement 3 und ein zweites Wandelement 4, die sich in der vorgesehenen Radialrichtung des Statorbauelements erstrecken und in einem Abstand voneinander angeordnet sind, um zwischen sich den Gaskanal 2 in Umfangsrichtung des Statorbauelements zu bilden.
Wenn zwei Sektoren miteinander verbunden sind, bildet der durchgehende Wandaufbau 4, 5, 6, 7, 8 zusammen mit einem entsprechenden Wandaufbau 21 eines angrenzenden Sektors eine Vorrichtung 11, die sich in Radialrichtung des Bauelements zum Leiten des Gasstroms und zum Übertragen von Lasten in einer Radial-/Axial-/Tangential-Richtung während der Funktion des Bauelements, siehe 2, erstreckt. Diese Vorrichtung 11 zum Leiten/zur Lastübertragung wird gewöhnlich Strebe genannt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Teilung zwischen zwei benachbarten Sektoren somit genau durch eine solche Strebe ausgeführt. Für bestimmte Anwendungen kann es jedoch zweckmäßiger sein, die Teilung zwischen den Streben vorzusehen. Bei der gezeigten Ausführungsform hat jedoch das Statorbauelement einen derart komplizierten inneren Nabenabschnitt, dass die einzig vernünftige Unterteilung durch die Streben gehen muss.
Der Sektor 1 hat zusätzlich ein drittes Wandelement 5, das sich zwischen dem ersten Wandelement 3 und dem zweiten Wandelement 4 erstreckt und den radial nach außen gehenden Gaskanal 2 begrenzt. Der Sektor 1 hat zusätzlich ein viertes Wandelement 6, das sich zwischen dem ersten Wandelement 3 und dem zweiten Wandelement 4 erstreckt und den radial nach innen gehenden Gaskanal begrenzt.
Die Enden 9, 10 des Sektors 1 in Umfangsrichtung haben eine solche Auslegung, die die Enden des benachbarten Sektors ergänzt, damit sie, wenn sie nahe aneinander angeordnet sind, wenigstens im Wesentlichen fest aneinander sitzen. Die Enden 9, 10 in Umfangsrich tung haben insbesondere eine geradlinige Begrenzung in Radialrichtung. Als Folge dieser Auslegung können zwei benachbarte Sektoren miteinander in Umfangsrichtung auf relativ einfache Weise von außen her verbunden werden.
Jedes der Enden 9, 10 des Sektors 1 hat eine langgestreckte durchgehende Oberfläche 22, 23, 24, 25, 26, die den Sektor 1 in der Umfangsrichtung begrenzt und die für das Schweißen vorgesehen werden soll. Die Schweißoberfläche erstreckt sich wenigstens teilweise um den Sektorkörper am Umfang des Sektors herum. Die Schweißoberfläche hat einen ersten Teil 22, der sich hauptsächlich in Radialrichtung erstreckt, einen zweiten Teil 23, der sich hauptsächlich in Axialrichtung erstreckt, und einen dritten Teil 24, der sich hauptsächlich in Radialrichtung erstreckt. Das Verschweißen wird in einem durchgehenden Vorgang von einem Anguss 12 an einem Außenende der Schweißoberfläche in Radialrichtung, radial nach innen, dann axial und schließlich radial nach außen zurück zum Anguss 12 ausgeführt. Die Schweißoberfläche bildet so im Wesentlichen eine O-Form. Jedes der Teile 25, 26 der Schweißoberfläche, der eine Richtungsänderung zwischen der Radial- und Axialrichtung bildet, ist gleichmäßig abgerundet. Zusätzlich hat die Schweißoberfläche im Wesentlichen die gleiche Dicke im Querschnitt über der gesamten Länge der Oberfläche. Von der Schweißoberfläche kann somit gesagt werden, dass sie eine fortlaufende Kurve bildet.
Andere Teile des Sektors angrenzend an die Oberfläche, die für das Verschweißen vorgesehen werden soll, sind in Umfangsrichtung bezüglich der Schweißoberfläche etwas zurückgesetzt, um die Schweißbahn nicht zu behindern. Beispiele für solche Teile sind die Ränder des dritten und vierten Wandelements 5, 6 in Umfangsrichtung.
Es sind mehrere andere Schweißverfahren möglich, bevorzugt wird jedoch die Laser- oder Elektronenstrahlschweißung verwendet.
Das erste und das zweite Wandelement 3, 4 erstrecken sich somit im Wesentlichen in der Radialrichtung des Bauelements 1. Zusätzlich haben sie eine Erstreckung im Wesentlichen in Axialrichtung des Bauelements.
Außerdem hat der Sektor 1 eine gekrümmte Platte 14 zur Begrenzung des Sektors radial nach innen und eine gekrümmte Platte zum Begrenzen des Sektors radial nach außen.
Der Sektor 1 ist in eine solche Form gegossen, dass er wenigstens eine Rippe 16, 17 – siehe 1 – hat, die sich in Umfangsrichtung erstreckt und in Axialrichtung vorsteht. Die Rippen 16, 17 erstrecken sich in Radialrichtung mit unterschiedlichen Entfernungen. Außerdem ist ein Spalt in Umfangsrichtung zwischen dem Ende 18 der Rippe 17 und dem Rand 19 des Sektors vorhanden, siehe 3. Dadurch wird die Schweißoberfläche für den Schweißvorgang zugänglich.
Nachdem die Sektoren in Umfangsrichtung nahe aneinander angeordnet sind, siehe 2, werden sie dadurch verbunden, dass die benachbarten Ränder 19 der Sektoren zwischen denn Enden 18, 18' der Rippen in Radialrichtung verschweißt werden. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Auslegung der Sektoren ist es möglich, die Trennlinie zwischen zwei benachbarten Sektoren zu verschweißen. Dies erfolgt, wie erwähnt, vorzugsweise in einem fortlaufenden Durchgang pro Schweißbahn.
Nach diesem miteinander Verbinden wird der Raum zwischen zwei benachbarten Rippenrändern 18, 18' durch Ablage von metallischem Material 21 so gefüllt, dass die Rippen einen durchgehenden Aufbau in Umfangsrichtung bilden. Der durchgehende Rippenaufbau in Umfangsrichtung bildet einen Verstärkungsaufbau in Form eines Kreisflansches und wird dazu verwendet, eine Verbindung in Axialrichtung mit benachbarten Teilen und/oder Lagern und Dichtungen in der Gasturbine herzustellen.
Auf diese Weise werden längs einander, siehe 2, eine Vielzahl von identischen Sektoren 1, 20 oder Teilen, die unterschiedliche Formen, jedoch identische Querschnitte haben, nach der vorstehenden Beschreibung hergestellt.
Das Statorbauelement kann beispielsweise einen lasttragenden Aufbau zwischen Lagern bilden, die radial oder axial innen angeordnet sind, und Aufbauten aufweisen, die außen befestigt sind.
Während des Verschweißens wird ein Raum zwischen zwei Wandelementen benachbarter Sektoren erzeugt. Diese Räume können nun für die Aufnahme verschiedener Einrichtungen, wie Einlässe und Auslässe zum Versorgen des Bauelements beispielsweise mit Öl und/oder Luft aufnehmen oder für die Aufnahme von Instrumenten, wie elektrischen und metallischen Kabeln für die Informationsübertragung bezüglich eines gemessenen Drucks und/oder einer gemessenen Temperatur verwendet werden. Die Räume können auch für die Einführung von Kühlmitteln genutzt werden.
Des Statorbauelement kann beispielsweise ein Einlassteil, ein Zwischengehäuse, ein Turbinenauslassgehäuse (d. h. ein abschließendes Gehäuseteil) oder ein Teil eines Gehäuses für eine Gasturbine sein. Seine Hauptaufgabe besteht darin, als Anbringeinrichtungen für Lager zu wirken, Lasten zu übertragen und einen Kanal für Gase zu bilden.
Die Erfindung ist nicht als auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen begrenzt anzusehen, vielmehr ist eine Anzahl von zusätzlichen Varianten und Modifizierungen innerhalb des Rahmens der folgenden Ansprüche möglich.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Statorbauelements, das im Betrieb zum Führen eines Gasstroms und zum Übertragen von Lasten vorgesehen wird, wobei – das Bauelement aus wenigstens zwei Sektoren (1, 20) in der Richtung seines Umfangs aufgebaut wird und – die Sektoren als getrennte Stücke gegossen, angrenzend aneinander angeordnet und miteinander durch Schweißen verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, – dass jeder der Sektoren (1, 20) zu einer solchen Form gegossen wird, dass ein erstes Wandelement (3) und ein zweites Wandelement (4) in einem Abstand voneinander angeordnet sind, um zwischen sich einen Gaskanal (2) in der Umfangsrichtung zu bilden, und – dass zwei Wandelemente (4, 21), nämlich eines von jedem der beiden benachbarten Sektoren, verbunden werden, um zusammen eine Vorrichtung (11) zu bilden, die sich in der Radialrichtung des Bauelements zum Leiten des Gasstroms und/oder zum Übertragen von Lasten während des Betriebs des Bauelements erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (22, 23, 24, 25, 26) eines jeden der Sektoren (1, 20), der für das Verschweißen vorgesehen wird, sich wenigstens teilweise um den Körper des Sektors herum erstreckt und an seinem Umfang angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (22, 23, 24, 25, 26) eines jeden der Sektoren, der für das Verschweißen vorgesehen wird, sich sowohl in Radial- als auch in Axialrichtung erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (25, 26) der Schweißoberfläche, der eine Richtungsänderung zwischen Radial- und Axialrichtung bildet, gleichmäßig abgerundet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (22, 23, 24, 25, 26) eines jeden der Sektoren, die für das Verschweißen vorgesehen werden, durchgehend ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (22, 23, 24, 25, 26) eines jeden der Sektoren, die für das Verschweißen vorgesehen werden, im Querschnitt über der gesamten Länge der Oberfläche im Wesentlichen die gleiche Dicke hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anderen Teile (5, 6, 16, 17) des Sektors angrenzend an die Oberfläche (22, 23, 24, 25, 26), die für das Verschweißen vorgesehen wird, etwas in Umfangsrichtung bezogen auf die Schweißoberfläche zurückgesetzt werden, um die Schweißbahn nicht zu behindern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Sektoren (1, 20) in einer solchen Form gegossen wird, dass er wenigstens eine Rippe (16, 17) hat, die sich in der Umfangsrichtung erstreckt und in Axialrichtung vorsteht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippe (16, 17) so erstreckt, dass in Umfangsrichtung zwischen dem Ende (18) der Rippe und dem Rand (19) des Sektors ein Spalt vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem die Sektoren (1, 20) angrenzend aneinander in Umfangsrichtung angeordnet worden sind, die Sektoren dadurch verbunden werden, dass die benachbarten Ränder (19) der Sektoren zwischen den Enden (18, 18') der Rippen zusammengeschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Zusammenschweißen der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Rippenrändern (18, 18') durch Ablage von Material (21) so gefüllt wird, dass die Rippen in der Umfangsrichtung einen durchgehenden Aufbau bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sektoren (1, 20), die miteinander verbunden werden sollen, zu solchen Formen gegossen werden, dass ihre Enden (9, 10) in der Umfangsrichtung so gebaut sind, dass sie einander ergänzen, damit, wenn sie nahe zueinander angeordnet werden, sie wenigstens im Wesentlichen eng aneinander angepasst sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sektoren (1, 20), die miteinander verbunden werden sollen, zu solchen Formen gegossen werden, dass die Stirnflächen an ihren Enden (9, 10) sich in der Umfangsrichtung parallel zu einer Ebene in der Radialrichtung erstrecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Sektoren (1, 20) miteinander durch Laserverschweißung von der Außenseite des Sektors verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sektor mit Wandelementen gegossen wird, die für die Übertragung von Lasten in der Radialrichtung einen fortlaufenden Aufbau bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Sektoren (1, 20) zu einer solchen Form gegossen wird, dass das erste Wandelement (3) und das zweite Wandelement (4) bezogen aufeinander so angeordnet sind, dass sie in der in dem Bauelement vorgesehenen Position sich wenigstens teilweise im Wesentlichen in der Radialrichtung des Bauelements erstrecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorbauelement für eine Gasturbine vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorbauelement für ein Strahltriebwerk vorgesehen wird.