DE649302C - Verfahren zur Herstellung von Schaufeln fuer Dampf-, Luft- oder Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung der Schaufeln für Dampf-, Luft- oder Gasturbinen, und zwar solcher Schaufeln, welche einzeln am Turbinenrad befestigt werden. Diese Schaufeln haben meist eine hohlzylindrisch geformte Umlenkfläche, deren mechanische Bearbeitung bisher nach verschiedenen-Fräs-, Hobel- und Schleif verfahren erfolgte. Die mechanische. Bearbeitung solcher hohlzylindrischer Umlenkflächen bereitet nach den bisherigen Verfahren stets Schwierigkeiten, weil es nicht möglich ist, das Fräs-, Hobeloder Schleifwerkzeug mit einem genügend starken Schaft oder Stiel zu versehen. Besonders erschwert wird eine derartige Bearbeitung dadurch, daß bei den großen Fliehkräften und der hohen Erhitzung der heutigen Turbinen das äußere Deckblatt der Schaufel möglichst aus einem Stück mit dem Schaufelkörper herausgearbeitet werden muß. Die hohlzylindrische Umlenkfläche ist hierdurch auch auf der Außenseite durch eine feste Querwand abgeschlossen, während das innere Ende durch den Schaufelfuß verdeckt ist.

Wenn die Umlenkfläche beispielsweise mit einem kleinen Fräser eingearbeitet werden soll, muß dieser Fräser daher einen sehr dünnen und langen Schaft erhalten, kann somit nur kleine Späne abnehmen oder ergibt eine ungenaue und unsaubere Arbeitsfläche, welche Nacharbeiten erfordert.

Die Erfindung beseitigt diese Nachteile dadurch, daß die hohlzylindrisch geformte Umlenkfläche mit einem Werkzeug bearbeitet wird, welches sich gegenüber der Schaufel um den Krümmungsmittelpunkt der Umlenkfläche dreht und nach jedem Schnitt in radiger Richtung so weit abgehoben wird, daß es bis zum Beginn des nächsten Schnittes die Schaufeln an keiner Stelle mehr berührt.

Die dem Verfahren zugrunde liegenden Bearbeitungsarten sind teilweise bekannt. Die Erfindung wird lediglich in der Fertigung der verhältnismäßig schwierig herzustellenden Turbinenschaufeln unter Verwendung der zum Teil bekannten Bearbeitungsarten gesehen.

Beispielsweise werden kantige Walzblöcke bei umlaufendem Werkstück mit hin und her gehendem Werkzeug abgedreht, wie es auch von der gewöhnlichen Hinterdrehbank her bekannt ist. Es wurden auch schon Blockdrehbänke vorgeschlagen, bei denen das Werkstück stillsteht und die Werkzeuge kreisen, die gleichzeitig die für die Formbearbeitung notwendigen Bewegungen ausführen.

Für das Ausarbeiten von Gesenken wurden Vorrichtungen vorgesehen, die das Werk- ' stück fest einspannen und einen schwingenden Stahl aufweisen, dessen Spitze Kreisbogen beschreibt. Gesenkfräsmaschinen sind bekannt, bei denen der umlaufende Fräser fest

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Lothar Stahl in Frankenthal, Pfalz.

angeordnet ist, während das Werkstück unter diesem vorbei schwingt.

Auf Karusseldrehbänken für die Fertigung von Schiffsschrauben schwingt die Planscheibe mit dem Werkstück hin und her, während das Werkzeug eine die Schraubenfläche ergebende Hinundherbewegung senkrecht zur Planscheibe ausführt. Beim Hobeln von Schiffsschraubenblattern steht der Hobelstahl ίο still, und das Werkstück geht hin und her unter gleichzeitigem Verschwenken.

Nach einem noch nicht zum Stande der Technik gehörenden Vorschlag werden muldenförmige Kupplungsteile dadurch aust5 gedreht, daß bei feststehendem Werkstück der Stahl umläuft und gleichzeitig mit seiner 'Frässpindel Ouerbewegungen ausführt. Auch die feste Lagerung des umlaufenden Werkzeugs und die Querbewegung des Werkstücks ist nach diesem Vorschlag möglich.

In den Zeichnungen ist das erfindungsgemäße Verfahren in verschiedenen Beispielen dargestellt.

Fig. ι zeigt in zwei Rissen die bisher übliche Herstellung einer Schaufel durch Fräsen. Gemäß

Fig. 2 ist im Deckblatt eine Aussparung angeordnet, die eine stärkere Frässpindel ermöglicht. In

Fig. 3 steht die Schaufel still, und das Werkzeug vollführt die ganze Bewegung. In Fig. 4 steht das Werkzeug still, und die Schaufel bewegt sich.

Fig. 5 zeigt eine Aufteilung der Bewegung in der Weise, daß die Schaufel volle Umdrehungen ausführt, während das Werkzeug sich in radiger Richtung verschiebt.

Fig. 6 und 7 zeigen das Verfahren mit schwingender Bewegung, und zwar schwingt in Fig. 6 das Werkzeug, und die Schaufel steht still, in

Fig. 7 steht das Werkzeug still, und die Schaufel bewegt sich.

Fig. 8 zeigt eine Teilung der schwingenden Bewegung in der Weise, daß die Schaufel die Drehung ausführt, während sich das Werkzeug in radiger Richtung abhebt.

Fig. 9 zeigt das Verfahren bei Schaufeln, die durch ein Joch gestützt sind. Fig. 10, 11, 12 zeigen verschiedene Möglichkeiten zur Bearbeitung längerer Schaufeln.

Fig. 13 zeigt das Verfahren zur Herstellung eines schräg "stehenden Deckblattes. In Fig. 3 ist 6 die zu bearbeitende Schaufel im Querschnitt, 7 das Werkzeug, welches z. B. nach Art eines Drehstahles geformt ist. Das Werkzeug 7 ist in den zehn aufeinanderfolgenden Stellungen α bis k eingezeichnet. In den Stellungen a, h und c schneidet das Werkzeug eine genaue Hohlzylinderfläche um den Krüminungsmitteipunkt, weil es sich im Sinne des Pfeiles gegenüber der Schaufel um diesen Punkt dreht. Nach dem Verlassen der Stellung c dreht sich das Werkzeug im selben Sinne weiter um den Punkt P, wird aber in radiger Richtung zurückgezogen in die Stellungen (I und e, und zwar so weit und so rasch, daß es die nicht zu bearbeitenden Teile der Schaufel nicht berührt. Im weiteren Verlauf dreht sich das Messer in die Stellungen /', g, Ii und wird dann von i über k wieder nach α radig hereingeschoben, worauf der nächste Span abgenommen wird.

Da nur die gegenseitige Bewegung zwisehen Werkzeug und Werkstück von Einfluß auf den Vorgang ist, kann auch das Werkzeug festgehalten und die Schaufel bewegt werden. In Fig. 4 ist dieses Verfahren beispielsweise dargestellt. Das Werkzeug 7 steht still, die Schaufel dreht sich um den Krümmungsmittelpunkt, welcher nunmehr bei P₁ liegt. Die Drehung erfolgt im selben Sinne weiter in die Stellungen g, h, i, wobei der Schaufelrücken am Werkzeug vorbeigeht, ohne es zu berühren. Von i aus wird die Schaufel über /; nach α während der Drehung verschoben, so daß ihr Krümmungsmittelpunkt wieder bei P liegt und ein neuer Schnitt beginnen kann.

Weiter kann die gegenseitige Bewegung zwischen Schaufel und Werkzeug auch zerlegt werden, beispielsweise so, daß die Schaufel nur die Drehbewegung ausführt, während das Werkzeug in radiger Richtung hin und her geführt wird. Fig. 5 zeigt ein derartiges Verfahren. Während der Stellungen a, b, c steht das Werkzeug still, die Schaufel dreht sich dauernd um den Krümmungsmittelpunkt P. Nach der Stellung c zieht sich das Werkzeug über d nach e zurück, so daß die Schaufel die Stellungen f, g, h, i einnehmen kann, ohne mit ihrem Rücken die Werkzeugschneide zu berühren. Nachdem die Schaufel die Stellung i durchlaufen hat, wird das Werkzeug über die Stellung k wieder hereingeschoben und beginnt» bei α einen neuen Arbeitsvorgang.

Es ist hierbei möglich, daß die Schaufel eine gleichförmige ununterbrochene Drehbewegung ausführt, also beispielsweise mit der Spindel einer Drehbank fest verbunden ist, deren Achse durch den Krümmungsmittelpunkt P geht. Die Hinundherbewegung des Werkzeuges kann beispielsweise durch eine sog. Hinterdrehvorrichtung erzwungen werden, welche einmal je Umdrehung den Werkzeughalter in radiger Richtung abhebt und wieder anstellt. Gegenüber dem sonst üblichen Hinterdrehen bestehen aber wesentliehe Unterschiede. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren macht das Werkzeug

während des Schneidvorganges keine Bewegung in radiger Richtung; die entstehende Hohlzylinderform der Umlenkfläche ist daher nicht von der Einrichtung zum Verschieben des Werkzeuges abhängig, und Fehler und Ungenauigkeiten dieser Einrichtung übertragen sich nicht auf das Werkstück, was beim üblichen Hinterdrehen aber stets der Fall ist. Ferner ist die Drehrichtung entgegengesetzt derjenigen beim üblichen Hinterdrehen und entspricht der Drehrichtung, welche beim Bohren auf der Drehbank üblicherweise angewendet wird.

Die Verfahren nach den Beispielen Fig. 3

ig und 4 erfordern besondere Getriebe zur Herstellung der gewünschten gegenseitigen Bewegung von Werkzeug und Werkstück. Die bauliche Gestaltung solcher Vorrichtungen ist dem Fachmann geläufig und fällt nicht in den Rahmen der Erfindung.

Das Verfahren nach dem Beispiel Fig. 5 besitzt dagegen den Vorzug, daß es auf einer gewöhnlichen Hinterdrehbank ohne größere Umänderung derselben ausgeführt werden kann. Je nach den vorliegenden Verhältnissen kann das eine oder andere Verfahren ange-■wendet werden; die erfindungsgemäßen Vorteile werden in allen drei Fällen erreicht. Es ist weiter nicht notwendig, daß das Werkzeug gegenüber det Schaufel volle Umdrehungen um 360⁰ beschreibt, wie das bei den bisher angeführten Beispielen der Fall war. Es genügt schon, wenn die Bewegung nur so lange eine Drehung um den Krümmungsmittelpunkt der Ablenkfläche ist, solange das Werkzeug mit der Schaufel in Berührung steht und schneidet. Es kann hierauf in radiger Richtung um einen kleinen Betrag abgehoben und wieder gegen die Ausgangsstellung zurückgeschwenkt werden, in welcher es wieder radig vorgeschoben und zum neuen Schnitt angesetzt wird.

Fig. 6 zeigt ein derartiges Verfahren. Das Werkzeug geht aus der Stellung α über b nach c, während es sich um den Krümmungsmittelpunkt P dreht. Hierauf wird es um die kleine Strecke j in radiger Richtung abgehoben und über die Stellungen d, e, f zurückgeschwenkt, worauf es wieder um den Wegs vorgeschoben wird und in die Ausgangsstellung α zurückgelangt.

Auch hierbei ist eine Umkehrung der Bewegung in der Weise möglich, daß das Werkzeug stillsteht, während die Schaufel die Schwenkbewegung und die radige Verschiebung ausführt. Fig. 7 zeigt einige der aufeinanderfolgenden Stellungen der Schaufel gegenüber dem stillstehenden Werkzeug.
Ferner kann auch hier wieder die gegenseitige Bewegung in verschiedener Weise geteilt werden, z. B. so, daß die Schaufel nur eine schwingende Drehbewegung um den Krümmungsmittelpunkt ausführt, während das Werkzeug in radiger Richtung hin und her geführt wird. Fig. 8 stellt einen solchen Vorgang dar. Die gleichen Buchstaben an Werkzeug und-Werkstück bezeichnen wieder gleichzeitige Lagen der beiden Teile. Auch dieses Verfahren kann auf der .Hinterdrehbank ausgeführt werden, doch muß hierzu die Spindel nicht in eine fortlaufend \drehende, sondern in eine schwingende Bewegung versetzt werden, was durch ein Kurbel- oder ähnliches Getriebe erreicht werden kann. Dieses Verfahren hat gegenüber den Verfahren mit vollständiger Drehung um 360⁰ den Vorzug, daß der radige Weg s, um welchen das Werkzeug verschoben werden muß, nur sehr klein ist, wobei der Rücken der Schaufel beliebig hoch sein kann. Bei längeren Schaufeln kann es erforderlich werden, den Schaufelrücken durch ein stillstehendes oder sich mit der Schaufel bewegendes Joch zu stützen, damit die Schaufel sich unter dem Arbeitsdruck des Werkzeuges nicht unzulässig ausbiegt. Falls dieses Joch sich mit der Schaufel bewegt, würde bei den Verfahren mit Drehung um 360⁰ das Werkzeug so weit zurückgezogen werden müssen, daß nicht nur der Schaufelrücken, sondern auch das Joch an der Werkzeugschneide vorbeigehen kann. Es wären daher sehr große Wege in radiger Richtung erforderlich, wodurch der Bearbeitungsvorgang verlangsamt würde.

Fig. 9 stellt eine Schaufel dar, die zur Unterstützung gegen Ausbiegung in ein Joch 8 gebettet ist, welches sich mit der Schaufel bewegt. Hierbei müßte das Werkzeug um die sehr große Strecke S zurückgezogen werden, wenn die Drehung um 360⁰ erfolgen sollte. Für solche Fälle sind daher die Verfahren naeh Fig. 6, 7 und 8 von Vorteil.

Kurze Schaufeln können nach dem neuen Verfahren mit einem Werkzeug bearbeitet werden, dessen Schneide so lang ist, wie die zu bearbeitende Hohlzylinderfläche werden soll. Fig. 10 zeigt eine Schaufel 9 mit dem zugehörigen Werkzeug 10. Die Schneide ist so lang wie der hohle Umlenkraum. Dieser kann .daher ohne Verschiebung des Werkzeu- no ges in achsiger Richtung bearbeitet werden.

Längere Schaufeln können auf verschiedene Weise bearbeitet werden. Nach Fig. 11 z. B. wird ein schmales Werkzeug nacheinander in den Stellungen a, b, c angesetzt oder stetig, bei jeder Umdrehung bzw. bei jedem Schwingungsausschlag um ein kleines Stück in achsiger Richtung verschoben, so daß es allmählich aus der Anfangsstellung α in die Endstellung c gelangt. Es kann aber auch nach Fig. 12 ein breites Werkzeug 11 verwendet werden, welches zur Unterbrechung

des Spanes in bekannter Weise mit Nuten 12 versehen ist, an denen es nicht schneidet. Führt man dieses Werkzeug zwischen je zwei Schnitten um die Strecke m hin und her, so entsteht trotz der Nuten 12 eine glatte Hohlzylinderfläche von der Breite B = b -\-m.

Für manche Turbinenläufer werden Schaufeln verwendet, deren Deckblätter schräg stehen, beispielsweise nach Fig. 13. Auch solche Schaufeln können mit Vorteil nach dem neuen Verfahren bearbeitet werden, und zwar in der Weise, daß das Werkzeug während des einzelnen Schnittes in der Längsrichtung der Schaufel verschoben wird, so daß es gegenüber der Schaufel eine Schraubenlinie beschreibt. Fig. 13 zeigt eine derartige Schaufel, deren Deckblatt 2 schräg steht. Das Werkzeug 10 wird zu Beginn des' Schnittes in der Stellung α angesetzt und während des einzelnen Schnittes nach rechts verschoben, so daß es am Ende des Schnittes in der Stellung b steht. Es ist auch möglich, die Bewegung umzukehren und die Schaufel während des Schnittes in ihrer Längsrichtung entsprechend zu verschieben. Bei Bearbeitung der Schaufel auf der Drehbank kann die Verschiebung in der Längsrichtung z. B. durch geeignete Anordnung der Hinterdrehvorrichtung selbsttätig erzielt werden. Es kann aber auch die Leitspindel der Drehbank für diesen Zweck benutzt werden, und zwar genügt zum Antrieb derselben von der Hauptspindel aus das übliche Rädergetriebe, wenn die Schaufel in schwingender Bewegung, also z. B. nach dem in Fig. 8 dargestellten Verfahren bearbeitet wird. Wird dagegen nach Fig. 5 mit voller Umdrehung der Spindel gearbeitet, so muß zwischen Hauptspindel und Leitspindel ein Kurbeltrieb ο. dgl. eingeschaltet werden, um ein Wechseln der Werkzeugstellung zwischen α und b in Fig. 13 zu erzielen. Dieselben Gesichtspunkte gelten auch für das in Fig. 12 dargestellte Verfahren, bei welchem das Werkzeug 11 zwischen je zwei Schnitten um die Strecke m verschoben wird.

Das neue Verfahren kann sowohl dazu verwendet werden, Turbinenschaufeln aus vierkantigem, rundem oder sonst geeignet vorgeformtem Werkstoff aus dem Vollen herauszuschneiden, als auch zur Fertigstellung von bereits durch Schmieden, Pressen, Walzen oder spanabhebende Bearbeitung vorbereiteten Schaufeln. Die Füße zur nachherigen Befestigung der Schaufeln am Turbinenrad können vor oder nach der Schaufelbearbeitung hergestellt werden. Werden sie bereits vorher fertiggestellt, so können sie mit Vorteil dazu verwendet werden, die Schaufeln während des Bearbeitungsvorganges fest und genau einzuspannen.

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Herstellung von Schaufeln für Dampf-, Luft- oder Gasturbinen, welche einzeln am Turbinenläufer befestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlzylindrische Umlenkfläche mit einem Werkzeug bearbeitet wird, welches sich in bezug auf die Schaufel um den Krümmungsmittelpunkt der LTmlenkfläche dreht und nach jedem Schnitt in radiger Richtung so weit abgehoben wird, daß es bis zum Beginn des nächsten Schnittes die Schaufel nicht mehr berührt.
2. 2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit bei jedem Schnitt die Schaufel vollständig umkreisendem und gleichzeitig die erforderlichen radigen Bewegungen ausführendem Werkzeug (Fig. 3).
3. 3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit bei stillstehendem Werkzeug sich bei jedem Schnitt vollständig umdrehender und gleichzeitig die erforderlichen radigen Bewegungen ausführender Schaufel (Fig.4)·
4. 4. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit bei jedem Schnitt sich vollständig umdrehender Schaufel und die erforderliche radige Bewegung ausführendem Werkzeug (Fig. 5), vorzugsweise Drehbank mit Hinterdrehvorrichtung.
5. 5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit bei stillstehendem Werkstück eine Drehschwingung und gleichzeitig die erforderliche radige Bewegung ausführendem Werkzeug (Fig. 6).
6. 6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit bei stillstehendem Werkzeug eine Drehschwingung und gleichzeitig die erforderliche radige Bewegung ausführender Schaufel (Fig. 7)·
7. 7. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit eine Dreh-Schwingung ausführender Schaufel und die erforderliche radige Bewegung ausführendem Werkzeug (Fig. 8), vorzugsweise Drehbank mit Hinterdrehvorrichtung.
8. 8. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (ii) mit Spanbrechernuten (12) versehen ist und zwischen je zwei Schnitten so weit in Richtung der Drehachse mindestens um die Nutbreite hin und her beweglich ist,

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   so daß trotz der Nuten eine glatte Hohlzylinderfläche entsteht (Fig. 12).
9. 9. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, .vorzugsweise Drehbank mit Hinterdrehvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug während des einzelnen Schnittes in achsiger Richtung verschieblich ist, so daß schräge seitliche Begrenzungsflächen der Hohlzylinderflächen entstehen (Fig. 13).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen