DE604732C - Verfahren zur Herstellung von hohlen, nahtlosen Turbinenschaufeln - Google Patents

Description

Infolge der hohen Umlaufgeschwindigkeiten, mit denen neuzeitliche Turbinen, Kompressoren oder ähnliche Maschinen betrieben werden, setzen die auf die Laufschaufeln einwirkenden Fliehkräfte sowohl den Schaufelfuß wie seine Befestigung an dem Turbinenläufer sehr erheblichen Beanspruchungen aus; besonders hoch sind diese Beanspruchungen an dem Niederdrückende, wo bei großen Krafteinheiten die Schaufeln unter Umständen eine Länge von etwa einem Meter annehmen können.

Um diese Beanspruchungen zu vermindern, ist vorgeschlagen worden, Hohlschaufeln dadurch aufzubauen, daß man Metallstreifen miteinander verschweißt.

Derartige Schaufeln genügen aber nicht allen Ansprüchen der Technik; vielmehr muß das Bestreben des Fachmannes dahingehen, solche Schaufeln aus einem. Stück und ohne Naht herzustellen, und, soweit bekannt, ist es bisher noch nicht gelungen, derartige von einem Ende bis zum anderen hohle Schaufeln von einer den neuzeitlichen Ansprüchen entsprechenden Länge herzustellen, und zwar infolge der schwierigen Schaufelquerschnitte, die es unmöglich machen, die Hohlschaufeln aus einem massiven Werkstück herauszuarbeiten.

Um diese von dem Querschnitt herrührende S chwierigfeeit zu üb erwinden, ist vorgeschlagen worden, ein Rohwerkstück von kreisförmigem Querschnitt herzustellen, das von der Spitze bis nahe zum Fuß von einem axialen kreisförmigen Loch durchsetzt ist, derart, daß der Schaufelfuß; massiv bleibt, worauf dieser axiale Hohlraum mittels eines Füllstückes ausgesetzt und dann das Werkstück einem geeigneten Verfahren, beispielsweise einer Preßbehandlung zwischen Gesenken, unterworfen wurde, um das ausgefüllte Rohwerkstück ohne Vergrößerung der Länge auf den gewünschten Querschnitt zu bringen, worauf dann das Füllstück herausgenommen wurde.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die mechanischen Arbeiten bei der Herstellung einer derartigen Schaufel bei einer Schaufellänge von einem Meter, besonders aber die Herstellung eines langen, an einem Ende geschlossenen Hohlraumes von geringerem Durchmesser, kaum überwindbare Schwierigkeiten bieten, und ein wesentlicher Zweck der Erfindung- besteht darin, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, mittels dessen man hohle, nahtlose Schaufeln von erheblicher Länge ohne Schwierigkeit herstellen kann.
- Zu diesem Zweck besteht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von hohlen,

nahtlosen Turbinenschaufeln darin, daß ein hohles Rohwerkstück, dessen Hohlraum mit einem, widerstandsfähigen Werkstoff ausgefüllt ist, mit einer Länge hergestellt wird, die gegenüber der lendgültigen Länge der Schaufel gering ist, worauf das ausgefüllte Rohwerkstück auf .die endgültige Länge gestreckt oder verlängert wird, beispielsweise durch Walzen.

ίο In der Zeichnung ist schematisch in mehreren Ausführungsformen der Gang des Verfahrens dargestellt, es zeigen Fig. ι schaubildlich eine Ausführungsform zur Herstellung einer hohlen Schaufel in einem Gesenk, Fig. 2 das so entstandene hohle Rohwerkstück, Fig. 3 ein entsprechendes, aber massives Rohwerkstück vor der Anbringung des Hohlraumes durch Ausbohren, Fig. 3a, 3b, 3c die allmähliche Formgebung des Hohlraumes in drei Stufen, Fig. 4 im Längsschnitt das ausgebohrte Rohwerkstück, Fig. S im Längsschnitt das mit widerstandsfähigem Werkstoff ausgesetzte Rofiwerkstück, Fig. 6 die Verlängerung des Werkstückes zwischen Profilwalzen, Fig. 7 im Querschnitt die Eingriffstelle der Walzenprofile, Fig. 8 das gestreckte Werkstück in Ainsicht von der Seite und von Oben, Fig. 9 eine Ausführungsform eines konischen Stempels, Fig. 10, ioa im Längsschnitt und von oben eine Ausführungsform eines Rohlings mit konischen Wandungen, Fig. 11 im Längsschnitt eine Ausführungsform der nahtlosen Hohlschaufel mit parallelen Außenflächen und vom Fuß bis zur Spitze verminderter Dicke der Wandungen, Fig. ι ia und 1 ib Schnitte nach A-B und C-D der Fig. 11, Fig. 12 einen aufgeweiteten hohlen Rohling mit Wandungen von gleichförmiger Dicke, Fig. 13 im Längsschnitt eine weitere Ausführungsform der Hohlschaufel mit parallelen Innenwänden und vom Fuß zur Spitze verjüngter Außenwandung, Fig. 13a'und 13b Schnitte nach E-F und Q-H der Fig¹. 13, Fig. 14 im Querschnitt den den Schaftteil der Schaufel bildenden Teil eines Rohlings, bei dem die Höhlung nach einer Seite verschoben ist, Fig. 15 den entsprechenden Querschnitt der sich daraus ergebenden Schaufel, Fig. 16 ein Rohwerkstück mit einem Hohlraum von rechteckigem Querschnitt mit verhältnismäßig geringer Seitenlänge, Fig. 17 den Querschnitt der sich daraus ergebenden Schaufel mit verstärkten Wandten an den Kanten, Fig. 18 im Längsschnitt einen hohlen Rohling, bei dem der Hohlraum auch den den Fuß bildenden Teil des Rohlings durchsetzt, Fig. 19 einen Schaufelrohling, bei dem der den Fuß bildende Werkstückteil durch eine axiale Bohrung leichter gemacht ist, Fig. 20 einen solchen, bei dem die Bohrung zum Leichtermachen quer verläuft, Fig. 21 einen Querschnitt durch eine Hohlschaufel mit einem Versteifungssteg im Hohlraum, Fig. 22 und 23 im Längsschnitt und von oben einen hohlzylindrischen fußlosen Rohling mit Füllstück, Fig. 24 im Längs- und Querschnitt eine hohle streifenförmige Schaufel ohne Fuß, Fig. 25 und 26 in Längs- und Querschnitt einen Schaufelrohling aus einem Stück mit dem Fuß und mit kreisförmigem Hohlraum.

Zur Ausführung der Erfindung gemäß einer auf die Schaufehl einer Dampfreaktionsturbine anwendbaren Ausführungsform besteht ein Rohling .A- (s. Fig. 1) aus einem die eigentliche Schaufel bildenden Teil 2 gleichmäßigen rechtwinkligen Querschnitts und einem in einem Stück mit ihr hergestellten, sich seitlich erstreckenden, den Fuß bildenden Teil, wobei diese die Schaufel und den 'Fuß bildenden Teile durch eine Leiste^ 4 solcher Art miteinander verbunden sind, wie sie beispielsweise in dem britischen Patente 306 182 beschrieben ist.

Gemäß einer Durchführung des Verfahrens wird das auf diese Weise hergestellte und auf einer geeigneten Temperatur gehaltene Rohwerkstück A zweckmäßig in ein mehrteiliges Gesenk/? eingesetzt; der den Schaufelschaft bildende Teil 2 wird in einer in dem Gesenk angeordneten Längsausnehmung 5 eingeschlossen, und ein gleichfalls rechteckigen Querschnitt besitzender Formstempel C, dessen Kanten abgerundet sein können, wird in Längsrichtung von einem Ende in den den Schaufelschaft bildenden Teil 2 des Rohlings A eingepreßt, wobei die Seiten der beiden Rechtecke nahezu parallel sind. Das Metall des Werkstückes wird auf diese Weise durch Verdrängung gezwungen, in den Ringraum zwischen dem Stempele und dem Gesenk B zu fließen, wodurch der den Schaufelschaft bildende Teil des Rohlings .A auf die Länge 2° verlängert (s. Fig. 2) und ihm eine Höhlung gegeben wird, so daß der Teil« für eine gewünschte Länge eine röhrenförmige Vorform besitzt.

Der hohle Rohling nimmt die in Fig. 2 dargestellte FormiD an.

Gemäß einer anderen Art des Verfahrens wird ein massiver Rohling £ mit einer Form, wie in Fig. 3 dargestellt, mit einem den Schaufelschaft bildenden Teil 2^δ von erforderlicher Länge hergestellt. Dann wird ein Loch 6° (s¹. Füg¹.3c) von erforderlicher Form in Längsrichtung in dem die Schaufel bildenden Teil 2⁶ des Rohlings E dadurch gebildet, daß zwei Löcher 7 und 8 (s. Fig. 3a) gebohrt, diese Löcher mit Bolzen 7^a und 8^a ausgesetzt werden und ein dazwischenliegendes Loch 9 (s. Fig. 3d) gebohrt wird. Auf diese Weise wird, ein Loch von uirregelmäßiger Form hergestellt, dem seine endgültige Form 6^a (s.

Fig;. 3c) durch Schleifen, Bohren, Stoßen, Stanzen oder eine andere maschinelle oder Handbearbeitung gegeben werden kann.

Der hohle Rohling- weist dann die in Fig. 4 dargestellte Form F auf.

Gemäß ieiner anderen Ausführungsform können die drei Löcher 7, 8 und 9 nachgebohrt werden, wobei kleinere Leitlöcher zuerst in den geeigneten Mittelachsen vorgebohrt werden.

Um dem den Schaufelschaft bildenden Teil des nach einer der lobengenannten Verfahrensweisen (oder ieiner anderen) hergestellten Rohlings die gewünschte Querschnittsform geben zu können, wird die Höhlung 6 oder 6^a mit einem geeigneten widerstandsfähigen Werkstoff 10 ausgesetzt, wie in Fig. 5 dargestellt. Hierauf wird der den Schaufelschaft bildende Teil z^c des Rohlings zu einer geraden Schaufel gleichmäßigen Querschnitts dadurch verlängert, daß er zwischen Gesenkwalzen 12, 13 von vorzugsweise gleichem Durchmesser ihindurchgeführt wird. Diese Walzen weisen zur Aufnahme des Fußes 3 der Schaufel.am Umfang Ausnehmungen I2^a, 13° auf, während der verbleibende Teil des Umfanges i2^&, 13^s profiliert ist (s. Fig. 7), um der Schaufel den gewünschten Querschnitt zu geben.

Hierauf wird die Füllmasse entfernt, um· als endgültiges Ergebnis des Verfahrens¹ (ohne weitere Fertigstellungs verfahren, wie Schleifen, Polieren o. dgl. oder maschinelles Bearbeiten gemäß nachfolgender Beschreibung) eine Schaufel H mit Fuß zu erhalten (s. Fig. 8), wobei die hohle Schaufel selbst den genauen Reaktionsquerschnitt mit Wandungen 2^d, i^e von im wesentlichen gleicher Dicke erhält und mit dem Fuß 3 aus einem Stück besteht.

Wenn die Schaufel aus rostfreiem Stahl besteht, der bei einer Temperatur von ungefähr 950° gewalzt wird und bei etwa 1500° schmilzt, kann als Füllstoff sehr gut Kupfer benutzt werden, da dieses Metall einen Schmelzpunkt von etwa 1085° hat, so daß es sehr leicht herausgeschmolzen werden kann, wenn man die fertiggestellte Schaufel auf beispielsweise iioo⁰ erhitzt.

Indem man den Stempel der Fig. 1 nach seiner Spitze hin allmählich verjüngt, gegebenenfalls der Breite und der Dicke nach, wie bei/ (Fig. 9) dargestellt, kann die Dicke der Wandungen des sich ergebenden Rohlings K. (Fig. 10) und der fertigen Schaufel L (Fig. 11) sich vom Fuße nach der Spitze allmählich vermindern, während die Außenwände der Schaufel parallel bleiben.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Rohling F mit parallelen Innenwänden der Bohrung 6^a, wie mit Bezug auf die Fig. 4 beschrieben, hergestellt und dann ein konischer Dorn in die Bohrung eingepreßt werden, um den den Schaufelschaft bildenden Teil des Rohlings aufzuweiten und ihm die in Fig. 12 dargestellte Form zu geben. Der so aufgeweitete Rohling jW wird dann von außen durch Schmieden oder sonstwie maschinell bearbeitet, um wieder paraUele Außenwände bei kegeligen Innenwänden zu erhalten, wie bei K. (Fig. 10) gezeigt.

Während so das Eigengewicht der Schaufel unter entsprechender Verminderung der Beanspruchungen am Schaufelfuß und am Rotor herabgesetzt wird, ergeben die parallelen Außenwände der Schaufel einen Dampfdurchlaß zwischen den Schaufeln, der demjenigen weit überlegen ist, der bei massiven Schaufeln mit schrägen Außenwänden erhalten wird, so daß der Wirkungsgrad der Schaufelung erhöht wird.

Bei höheren Schaufelspitzengeschwindigkeiten kann es jedoch in manchen Fällen notwendig sein, die Schaufeln außen verjüngt verlaufen zu lassen. Dieses Ergebnis wird gemaß einer weiteren Ausführungsform der Er-' findung dadurch sichergestellt, daß ein hohles Schaufelwerkstück mit verhältnismäßig dicken Wandungen, beispielsweise F (Fig. 4), mit gleichbleibendem oder auch verjüngtem Quer- go schnitt auf die oben beschriebene Weise'hergestellt und dann die Außenseite der Schaufel auf der konkaven und/oder der konvexen Fläche oder auf beiden maschinell bearbeitet wird, um die gewünschte, außen verjüngte Form zu erhalten (s. Schaufel N, Fig. 13).

Eine ungleichförmige Verteilung des Metalls in den Wänden der fertigen hohlen Schaufel kann durch unsymmetrische Anordnung der Höhlung in dem Rohling in beliebiger Weise erzielt- werden.

Beispielsweise kann durch näheres Heranrücken der Höhlung 6^a in dem den Schaufelschaft bildenden TeU des Rohlings (s. Fig. 14) an eine Seite des Rechteckes zwecks Schaffung einer dicken Wandung 2' einerseits und einer dünnen, 2«, -andererseits den entsprechenden Wandungen 2^ft und 2* der fertigen Schaufel O₁ wie dargestellt, verschiedene Dicke gegeben werden (s. Fig. 15). no

Oder es kann auch, um die dünne Auslaßkante der Schaufel zu verstärken, oder auch, um einen besseren Halt für erosionsfeste Beläge zu schaffen, wenn solche auf den Leitkanten angebracht werden sollen, wünschens- ng wert sein, die Langseite des rechtwinkligen Hohlraumquerschnittes (Fig. 16) relativ zu dem äußeren Querschnitt zu vermindern, so daß ein Metallüberschuß 2^k. zur Bildung der massiven Leit- und Auslaßkanten 2^m der fertigen Schaufel/¹ geschaffen wird.

Bei jeder der oben beschriebenen Ver-

fahrensweisen kann der axiale Hohlraum 6 in dem Rohling gegebenenfalls nicht nur den den Schaufelschaft bildenden Teil 2, sondern auch den den Fuß bildenden Teil des Rohlings Q (s. Fig. 18) durchsetzen. Dies kann wahlweise, z. B. durch Bohren axial oder quer gerichteter Löcher, durch Einbringen von Nuten, durch Hohlschleifen usw. erfolgen. So ist beispielsweise in Fig. 19 ein Rohling/? dargestellt, in dem zwei axiale Löcher 3° zwecks Gewichtsverminderung in dem Fuß. gezeigt sind, während dies bei 'dem Fuß 3 des Rohlings S durch ein Querloch 3* erzielt ist. Diese Arbeiten 'können entweder vor oder nach dem Strecken des den Schaufelschaft bildenden Teiles des Rohlings erfolgen.

Auch können bei irgendeiner der beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung statt der Herstellung eines einzigen rechtwinkligen, kreisförmigen oder ähnlich ge* stalteten Hohlraumes in dem Rohling zwei ■oder mehrere parallele (oder konische) Löcher, wie 7 und 8 (Fig. 3a), bis zu einer •gewünschten Tiefe gelegt werden, oder es können gemäß einer anderen Ausführungsform zwei oder mehr derartige in dem Fußteil vorgesehene Löcher in ein einziges Loch in dem Spitzenende einmünden.

Bei dieser Verfahrensweise werden sich dann eine oder mehrere Metallbrücken 2", die sich in der Dicke vom Fuß· zur Spitze verjüngen können, in Querrichtung von der konvexen nach der konkaven Wandung der fertigen Schaufelung T erstrecken (s. Fig. 21) und als wirksame Vier steifungs organe dienen.

Es ist aus vorstehendem Verfahren ersichtlich, daßi die Dicke jeder Wandung der fertigen Hohlschaufel im wesentlichen gleichförmig gemacht werden kann, obgleich die Dicke der konkaven oder der konvexen Seite voneinander abweichen können. Desgleichen kann die Dicke sich über irgendeine gewünschte Länge der Schaufel durch Verjüngung in der Richtung vom Fuß zur Spitze verändern. Jede dieser Formen kann leicht entweder durch Anbringen eines konischen Loches in dem Rohling oder durch äußere maschinelle Bearbeitung der Oberfläche der Schaufel oder durch eine Kombination dieser Arbeitsweisen erhalten werden.

Pairallelschaufeln von gleichmäßiger Wanddicke können durch äußeres maschinelles Bearbeiten fertiggestellt werden.

Hohle Turbinenschaufeln, die gemäßi obiger Beschreibung hergestellt worden sind, haben alle für die Rotorschaufel einer mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten laufenden Dampfturbine wünschenswerten Eigenschaften, da die Schaufel selbst aus einem Stück mit ihrem Fuß hergestellt und dieser am meisten beanspruchte Teil massiv ist, während zufolge der hohlen Ausbildung des Schaufelschaftes das Gewicht dieser Schaufel im Vergleich mit einer massiven Schaufel von gleichem äußerem Umriß erheblich vermindert ist und infolgedessen die Beanspruchungen auf den Fuß und den Turbinenrotor ebenfalls auf ein entsprechendes Maßi herabgesetzt werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine hohle Schaufelung als lange Stange von gleichmäßigem Querschnitt, % B. Reaktionsquerschnitt, hergestellt und zwecks Herstellung von Schaufeln in geeignete Längen zerschnitten.

Eine solche Schaüfelprofilstange- wird gemaß einer Ausführungsform der Erfindung aus einer runden Stange U hergestellt (Fig. 22, 23), durch die ein axiales Loch 14 entweder konzentrisch oder exzentrisch durchgebohrt Worden ist. Das Loch 14 wird dann mit Kupfer oder einem anderen Werkstoff 15 ausgefüllt, der durch einen Bolzen 16 an Ort und Stelle gehalten-wird; die hergestellte Stange wird durch Walzen oder Pressen in abwechselnd im rechten Winkel zueinander liegenden Richtungen in eine rechteckige Fiorm gebracht. Die auf diese Weise gebildete rechteckige Stange mit einem entsprechenden mehr oder weniger rechtwinkligen ausgefüllten Hohlraum wird dann zwischen profilierten Walzen hindurchgeführt, um ihr den erforderlichen Querschnitt zu geben. Hierauf wird der Füllstoff entfernt, um leine Länge einer' hohlen Schaufell/, wie in den Fig. 24 und 24a dargestellt ist, zu erhalten. -

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Länge einer Schaufelung unmittelbar von der Stange kreisförmigen Querschnittes gewalzt werden, ohne sie vorher auf eine rechteckige Form zu bringen. 100.₅

Eine auf diese Weise hergestellte'Schaufelstange kann Wandungen von im wesentlichen gleichförmiger Dicke haben mit einer genügenden Menge verfügbaren Metalls zwecks Bildung der Einlaß- und Auslaßkanten. Auch kann die Dicke der beiden Wandungen gemäß vorstehender Ausführungen voneinander abweichen. Auch hier können Querversteifungen gemäß vorstehender Beschreibung vorgesehen werden.

Eine ähnliche" Art des Herstellungsverfahrens kann dann angewendet werden, wenn sin Rohling einen hohlen Schaftteil und einen,· massiven Fuß besitzt, der mit ihm aus einem Stück besteht. Beispielsweise umfaßt der Rohling W (s. Fig. 25 und 26) einen Fußiteil 17 und einen kreiszylindrischen Schaftteil mit Wandungen 18 und einer exzentrisch angeordneten Höhlung 19. Gemäß vorstehender Beschreibung· kann der den Schaufelschaft bildende Teil eines derartigen Rohlings auf einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt

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gebracht und dann verlängert werden, um den gewünschten Querschnitt durch irgendwelche geeigneten Organe zu erhalten, oder aber die Schaufel kann unmittelbar aus dem Rohling kreisförmigen Querschnitts verlängert werden.

Zum Aussetzen der Höhlung kann man ein Metall benutzen, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als der des Metalls, aus dem die

to Schaufel besteht, so daßi, wenn das Walzen beendigt ist, der Kern herausgeschmolzen werden kann. Kupfer hat sich in Verbindung mit den gebräuchlichen Schaufelmetallen, z. B. rostfreiem Stahl, als geeignet erwiesen, weil sein Schmelzpunkt oberhalb der Walztemperatur, aber unterhalb der Schmelztemperatur des Schaufehnetalls liegt.

Es können jedoch andere geeignete Metalle oder Legierungen in der gleichen Weise benutzt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann als Füllstoff eine nichtmetallische Substanz körniger Art, z. B. Sand oder mit einem geeigneten Öl versetzter Sand, dienen, der zwecks Entfernung ,aus der gewalzten Schaufel zerbröckelt werden kann. Bei Verwendung dieser Art Füllung müssen die Enden des hohlen Rohlings mittels Pfropfen aus Kupfer o. dgl. verschlossen werden, um ein Auslaufen ί der Füllung während des oben beschriebenen Walzvorganges zu verhindern.

Es ist selbstverständlich, daß die dargestellten Verfahrensweisen zur Herstellung hohler Schaufelung gemäß vorstehender Beschreibung nicht nur auf Schaufeln der Reaktionsgattung beschränkt sind, sondern auch auf Schaufeln anderer Art angewendet werden können.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von hohlen, nahtlosen Turbinenschaufeln, wobei ein mit widerstandsfähigem Werkstoff gefüllter hohler Rohling durch. Bearbeiten auf den endgültigen Querschnitt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein gefülltes Hphlwerkstück von einer relativ zu der Länge der fertigen Schaufel geringen Länge durch Strecken, z. B. mittels eines Walzvorganges, auf die erforderliche Länge gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck, eine gewünschte Verteilung des Metalls in der fertigen Schaufel zu erzielen, der Hohlraum unsymmetrisch" in dem Rohwerkstück angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen