EP1342882A2 - Verfahren zur Herstellung eines geschweissten Rotors einer Strömungsmaschine - Google Patents

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EP1342882A2 EP03100886A EP03100886A EP1342882A2 EP 1342882 A2 EP1342882 A2 EP 1342882A2 EP 03100886 A EP03100886 A EP 03100886A EP 03100886 A EP03100886 A EP 03100886A EP 1342882 A2 EP1342882 A2 EP 1342882A2
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hollow channel
welded
rotor disks
disks
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    • Y10T29/49325—Shaping integrally bladed rotor

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a welded rotor of a turbomachine according to the preamble of claim 1.
  • a welded rotor of the generic type for a turbomachine, for example for a gas turbine plant, is described in European publication EP-A1-0 844 367.
  • the rotor has hollow channels which extend circumferentially about the rotor axis between two rotor disks welded to one another.
  • the hollow channels rotating around the rotor axis reference is made to the above-mentioned European publication, to which reference is also made with regard to all details not shown in further detail which are necessary for the technical understanding of the cooling system on which the welded rotor is based.
  • a specially designed insert ring is provided, which at least partially delimits each hollow channel on one side and is welded to the rotor disks by means of corresponding weld seams.
  • the structural design of the cavity geometry and the shape of the insert rings are selected in such a way that conventional welding techniques can be used to produce the weld seams.
  • this corresponds to the desire for the simplest possible manufacturing techniques and conditions, but the production of the insert rings, which are specially adapted to the geometry of the hollow channels, requires high precision and alignment accuracy during assembly, which in turn leads to a considerable measure of manufacturing costs accept.
  • the insert rings also each have a spacer which projects into the interior of the hollow channel and hinders the free propagation of the cooling medium within the hollow channel.
  • the invention has for its object to develop a method for producing a welded rotor of a turbomachine such that, on the one hand, the individual parts required for the assembly of the rotor are as simple and inexpensive to manufacture as possible, and on the other hand, they are conveniently available within the rotor to be welded.
  • the advantages obtained, for example, with the aid of electron beam welding, should be able to be fully utilized with the method according to the invention.
  • the manufacturing process should work reliably at a higher process speed, than is the case with the previously known methods for producing generic, welded rotors.
  • Two directly adjacent rotor disks are firmly attached to one another along their mutual contact surfaces, preferably along a weld seam, for example using conventional welding techniques.
  • the two adjacent rotor disks in the assembled state enclose a hollow channel, the peripheral outer side of which, facing away from the rotor axis, is at least partially open.
  • the rotor disks are also designed such that they enclose a gap which faces away from the rotor, directly adjoins the cavity and into which an annular element consisting of at least two partial elements is introduced.
  • Both ring parts are then firmly attached to one another by means of electron beam welding at their abutting surfaces within the gap.
  • the side flanks of the partial elements of the ring element inserted into the gap are firmly welded to the respective rotor disks by means of electron beam welding.
  • centering lips are provided at the points to be welded, within which the welding beam is guided.
  • the inventive manufacturing method described above relates to a simplified assembly of welded rotors, which provide cooling channels within the rotor shaft for cooling purposes, through which cooling steam is driven. It is of decisive advantage to take advantage of the advantages associated with electron welding technology.
  • Fig. 1 shows a highly schematic representation of a cross section through the adjacent areas of two rotor disks 1, 2 to the hollow channel 5 through which a cooling medium is driven.
  • the hollow channel 5 is delimited on the one hand by the rotor disks 1 and 2, which are firmly connected to one another under the hollow channel 5 via a weld seam 3.
  • cooling channels 4 open, which pass through the rotor disks 1 and 2 accordingly and are introduced or discharged into the hollow channel 5 by the coolant.
  • the cavity 5 enclosed by the two rotor disks 1 and 2 is designed to be open in the region 6 on its peripheral outside.
  • the rotor disks 1 and 2 enclose a gap 7 on the side facing away from the rotor, adjacent to the hollow channel, through which the welding beam required for producing the weld seam 3 for electron beam welding can be directed in order to weld the two rotor disks.
  • a preferably two-part ring element 8 is inserted radially from the outside into the gap 7, which is firmly welded to its abutting edges 9 by means of electron beam welding. Electron beam welding can also produce a fixed connection along the peripheral seams 10 and in this way establish a fixed connection between the ring elements 8 and the rotor disks 1 and 2.
  • centering lips 11 are provided along the separating edges to be welded, which serve to avoid welding spots, which are often associated with bead and material droplet formation directly on the welding groove.
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the lower end of the peripheral seam 10 according to FIG. 1.
  • the centering lip 11 At the lower end of the peripheral seam 10 of the rotor disk 1 there is a small projection, referred to as the centering lip 11, which projects slightly beyond the ring element 8 on its underside. When welding, the centering lip 11 is not completely welded through, as can be seen from the detailed illustration according to FIG. 2.
  • known relief grooves can also be provided in order to reduce the mechanical stresses on the individual welding grooves. Relief grooves are concave contours that directly adjoin a weld seam elevation and serve a smooth transition from the weld seam to the contour of the adjoining molded part.
  • the method according to the invention described above leads to welded rotors with circumferential hollow channels, in which there are no surface elements which prevent the cooling medium within the cavity from spreading out.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines geschweissten Rotors einer Strömungsmaschine, der aus mehreren Rotorscheiben (1, 2) zusammengesetzt ist. Zwei unmittelbar aneinandergrenzende Rotorscheiben (1, 2) werden entlang wenigstens einer Schweissnaht (3) ausgehend von einem Hohlkanal (5) in Richtung Rotorachse miteinander verschweisst. Der rotorseitig abgewandte Bereich des Hohlkanals (5) ist an seiner peripheren Aussenseite wenigstens teilweise offen ausgebildet und beide Rotorscheiben (1, 2) schliessen einen Spalt (7) ein, in den ein, aus wenigstens zwei Teilelementen bestehendes Ringelement (8) eingebracht wird. Die Teilelemente des Ringelementes (8) werden an ihren gegenüberliegenden Stossflächen miteinander sowie mit Ihren Seitenflanken an den diesen gegenüberliegenden Rotorscheiben (1, 2) verfügt. <IMAGE>

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines geschweissten Rotors einer Strömungsmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Ein gattungsgemässer geschweisster Rotor für eine Strömungsmaschine, bspw. für eine Gasturbinenanlage, ist in der europäischen Druckschrift EP-A1-0 844 367 beschrieben. Der Rotor weist zu Kühlzwecken Hohlkanäle auf, die sich umlaufend um die Rotorachse zwischen zwei miteinander verschweissten Rotorscheiben erstrecken. Auf die technische Notwendigkeit der um die Rotorachse umlaufenden Hohlkanäle sei auf die vorstehend genannte europäische Druckschrift verwiesen, auf die im übrigen hinsichtlich aller nicht weiter im Detail dargestellten Einzelheiten, die zum technischen Verständnis des dem geschweissten Rotor zugrundeliegenden Kühlsystems notwendig sind, verwiesen wird.
  • Zur peripheren Abdichtung der Hohlkanäle, die zu Kühlzwecken den vorstehend beschriebenen Rotor umlaufen, ist jeweils ein speziell ausgebildeter Einsatzring vorgesehen, der jeden Hohlkanal wenigstens teilweise einseitig begrenzt und über entsprechende Schweissnähte mit den Rotorscheiben fest verschweisst ist.
  • Die konstruktive Auslegung der Hohlraumgeometrie sowie die Gestalt der Einsatzringe ist derart gewählt, dass zur Herstellung der Schweissnähte mit konventionellen Schweisstechniken gearbeitet werden kann. Zwar entspricht dies bei der Produktion und Herstellung von geschweissten Rotoren dem Wunsch nach möglichst einfachen Herstellungstechniken und -bedingungen, doch erfordert die Herstellung der speziell an die Geometrie der Hohlkanäle angepassten Einsatzringe eine hohe Präzision und Ausrichtungsgenauigkeit während der Montage, wodurch die Herstellungskosten wiederum ein beachtliches Mass annehmen. Die Einsatzringe weisen zudem je einen Distanzsteg auf, der in das Innere des Hohlkanals hineinragt und die freie Ausbreitung des Kühlmediums innerhalb des Hohlkanals behindert. Diese Massnahmen sind aus Gründen einer vereinfachten Montage unter Verwendung konventioneller Schweisstechninken gewählt worden. Es bilden sich jedoch unweigerlich Toträume aus, in denen sich das Kühlmedium fangen bzw. ansammeln kann, wodurch Materialschäden nicht ausgeschlossen werden können.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines geschweissten Rotors einer Strömungsmaschine derart weiterzubilden, dass zum einen die für die Montage des Rotors erforderlichen Einzelteile möglichst einfach und kostengünstig in der Herstellung und zum anderen innerhalb des zu verschweissenden Rotors komfortabel zu Verfügen sind. Insbesondere sollen die Vorteile, die man beispielsweise mit Hilfe des Elektronenstrahlschweissens erhält, mit dem erfindungsgemässen Verfahren vollständig genutzt werden können. Das Herstellverfahren soll zuverlässig mit einer höheren Prozessgeschwindigkeit arbeiten, als es bei den bisher bekannten Methoden für die Herstellung gattungsgemässer, geschweisster Rotoren, der Fall ist.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines geschweissten Rotors einer Strömungsmaschine, der durch rotorinterne Zu- und Abströmkanäle von einem Kühlmedium durchströmt wird und aus mehreren Rotorscheiben zusammengesetzt ist, die durch radial oder weitgehend radial zur Rotorachse verlaufende Schweissnähte miteinander verbunden werden und jeweils einen um die Rotorachse umlaufenden Hohlraum miteinander einschliessen, der die Schweissnähte derart unterbricht, dass eine rotorseitig zugewandte Schweissnaht unmittelbar an den Hohlraum angrenzt, ist durch die folgenden Verfahrensschritte ausgebildet:
  • Zwei unmittelbar aneinandergrenzende Rotorscheiben werden entlang ihrer gegenseitigen Berührflächen, vorzugsweise entlang einer Schweissnaht, miteinander fest verfügt, beispielsweise unter Verwendung konventioneller Schweisstechniken. Gleich dem vorstehend genannten Fall eines geschweissten Rotors gemäss der Lehre aus der europäischen Druckschrift EP-A1-0 844 367 schliessen die zwei benachbarte Rotorscheiben im zusammengefügten Zustand einen Hohlkanal ein, dessen periphere, der Rotorachse abgewandte Aussenseite, wenigstens teilweise offen ausgebildet ist. Die Rotorscheiben sind überdies derart ausgebildet, dass sie einen Spalt einschliessen, der sich rotorseitig abgewandt, unmittelbar an den Hohlraum anschliesst und in den ein, aus wenigstens zwei Teilelementen bestehendes Ringelement eingebracht wird. Beide Ringteile werden anschliessend mittels Elektronenstrahlschweissen an ihren Stossflächen innerhalb des Spaltes miteinander fest verfügt. Ebenso werden die Seitenflanken der in den Spalt eingefügten Teilelemente des Ringelementes mit den jeweiligen Rotorscheiben mittels Elektrone nstrahlschweissens fest verschweisst.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens ist es möglich, unter Anwendung der Elektronenstrahlschweisstechnik in nahezu einem einzigen Verfahrensschritt den um die Rotationsachse umlaufenden Hohlkanal zwischen zwei zu verschweissenden Rotorscheiben radial nach aussen abzudichten. Hierzu wird ein vorzugsweise zweigeteilter Ring von aussen in den offenen Spalt der beiden zu verschweissenden Rotorscheiben gelegt, wobei nachfolgend mit Hilfe eines Elektronenstrahls die Stossflächen der Ringteile miteinander verschweisst werden. Ebenso erfolgt ein Verschweissen der Seitenflanken der Ringelemente mit den entsprechenden Rotorscheiben. Dies ist unter Verwendung von Elektronenstrahlschweissen möglich, da mit Hilfe dieser Technik ein in die Tiefe des Materials einwirkender Schweissprozess gewährleistet ist.
  • Um den Schweissvorgang selbst zu optimieren, sind an den zu schweissenden Stellen Zentrierlippen vorgesehen, innerhalb derer der Schweissstrahl geführt wird.
  • Das vorstehend beschriebenen erfindungsgemässe Herstellverfahren betrifft eine vereinfachte Montage von geschweissten Rotoren, die innerhalb der Rotorwelle zu Kühlzwecken Kühlkanäle vorsehen, durch die Kühldampf getrieben wird. Von entscheidendem Vorteil ist das Zunutzemachen der mit der Elektronenschweisstechnik verbundenen Vorteile.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch. Es zeigen:
    • Fig. 1
    Querschnitt durch einen erfindungsgemäss verschweissten Hohlkanal mittels Elektronenstrahlschweisstechnik und
    Fig. 2
    schematisierte Darstellung einer Zentrierlippe.
  • Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente werden in verschiedenen Figuren gleich bezeichnet.
    • WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Fig. 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Querschnitt durch die angrenzenden Bereiche zweier Rotorscheiben 1, 2 an den Hohlkanal 5, durch den ein Kühlmedium getrieben wird. Der Hohlkanal 5 wird einerseits durch die Rotorscheiben 1 und 2 begrenzt, die unter dem Hohlkanal 5 über eine Schweissnaht 3 fest miteinander verbunden sind. Links und rechts an den Hohlkanal 5 münden Kühlkanäle 4, die die Rotorscheiben 1 und 2 entsprechend durchsetzen und durch die Kühlmittel in den Hohlkanal 5 ein- bzw. ausgeleitet wird.
  • Zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten miteinander verschweissten Rotorscheiben 1 und 2 werden diese zunächst entlang der Schweissnaht 3 miteinander fest verfügt. Dieser Schweissvorgang kann entweder mit konventionellen Schweisstechniken oder mit Elektronenstrahlschweissen erhalten werden.
  • Der von den beiden Rotorscheiben 1 und 2 eingeschlossene Hohlraum 5 ist im Bereich 6 an seiner peripheren Aussenseite offen ausgestaltet. Die Rotorscheiben 1 und 2 schliessen zur rotorabgewandten Seite an den Hohlkanal angrenzend einen Spalt 7 ein, durch den zum Verschweissen der beiden Rotorscheiben 1 und 2 der für die Herstellung der Schweissnaht 3 bei Elektronenstrahlschweissung erfo r-derliche Schweissstrahl gerichtet werden kann.
  • Im bereits zusammengefügten Zustand beider Rotorscheiben 1 und 2 entlang der Schweissnaht 3 wird radial von aussen ein vorzugsweise zweigeteiltes Ringelement 8 in den Spalt 7 eingelegt, das mittels Elektronenstrahlschweissen an seinen gegenüberliegenden Stosskanten 9 fest verschweisst wird. Ebenso vermag das Elektronenstrahlschweissen eine feste Verbindung entlang den Umfangsnähten 10 herzustellen und auf diese Weise eine feste Verbindung zwischen den Ringelementen 8 und den Rotorscheiben 1 und 2 herzustellen.
  • Um den Vorgang des Elektronenstrahlschweissens sicherer zu gestalten, insbesondere hinsichtlich der Herstellung sauberer Schweissnuten, werden entlang der zu verschweissenden Trennkanten sogenannte Zentrierlippen 11 vorgesehen, die zur Vermeidung von Durchschweissstellen dienen, die häufig mit Wulst- und Materialtröpfchenbildung unmittelbar an der Schweissnut verbunden sind.
  • In Figur 2 ist eine Detaildarstellung des unteren Endes der Umfangsnaht 10 gemäss Figur 1 dargestellt. Am unteren Ende der Umfangsnaht 10 der Rotorscheibe 1 ist ein kleiner, als Zentrierlippe 11 bezeichneter Vorsprung angebracht, der das Ringelement 8 an seiner Unterseite leicht überragt. Beim Schweissen wird die Zentrierlippe 11 nicht vollständig durchschweisst, wie es aus der Detaildarstellung gemäss Figur 2 hervorgeht. Typischerweise verbleibt ein Abstand δ zwischen Strahlende bzw. Schweissnahtende und Innenkontur von ca. 2-5 mm. Um axial gerichtete Spannungen auszugleichen, können überdies an sich bekannte Entlastungsnuten vorgesehen werden, um die mechanischen Beanspruchungen auf die einzelnen Schweissnuten zu reduzieren. Entlastungsnuten sind konkave Konturen, die sich unmittelbar an eine Schweissnahtüberhöhung anschliessen und einem geschmeidigen Übergang von der Schweissnaht an die Kontur des sich daran anschliessenden Formteil dienen.
  • Das vorstehend beschriebenen erfindungsgemässe Verfahren führt zu geschweissten Rotoren mit umlaufenden Hohlkanälen, in denen keine, das Kühlmedium innerhalb des Hohlraums beim Ausbreiten behindernde Flächenelemente vorgesehen sind.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Rotorscheibe
    2
    Rotorscheibe
    3
    Schweissnaht
    4
    Kühlkanal
    5
    Hohlkanal
    6
    Offener Bereich des Hohlraums
    7
    Spalt
    8
    Ringelement
    9
    Stossfläche
    10
    Umfangsnaht
    11
    Zentrierlippe
    18
    Entlastungsnut

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung eines geschweissten Rotors einer Strömungsmaschine, der durch rotorinterne Zu- und Abströmungskanäle von einem Kühlmedium durchströmt wird und aus mehreren Rotorscheiben (1, 2) zusammengesetzt ist, die durch radial oder weitgehend radial zur Rotorachse verlaufende Schweissnähte (3) miteinander verbunden werden und jeweils einen um die Rotorachse verlaufenden Hohlkanal (5) miteinander einschliessen, der die Schweissnähte (3) derart unterbricht, dass eine rotorseitig zugewandte Schweissnaht (3) unmittelbar an den Hohlkanal (5) angrenzt, wobei zwei unmittelbar aneinandergrenzende Rotorscheiben (1, 2) entlang wenigstens einer Naht (3), die sich ausgehend von dem Hohlkanal (5), der von beiden Rotorscheiben (1, 2) eingeschlossen wird, in Richtung Rotorachse erstreckt, miteinander verschweisst werden, wobei der rotorseitig abgewandte Bereich des Hohlkanals (5) an seiner peripheren Aussenseite (6) wenigstens teilweise offen ausgebildet ist und dass beide Rotorscheiben (1, 2) einen Spalt (7) einschliessen, der sich rotorseitig abgewandt unmittelbar an den Hohlkanal (5) anschliesst und in den ein, aus wenigstens zwei Teilelementen bestehendes Ringelement (8) eingebracht wird, wobei die Teilelemente des Ringelementes (8) an ihren gegenüberliegenden Stossflächen (9) miteinander verfügt werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Teilelemente des Ringelementes (8) durch Umfangsscheissnähte (10) radial mit Ihren Seitenflanken an den angrenzenden Rotorscheiben (1, 2) verfügt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verfügen der Stosskanten (9) der Teilelemente des Ringelements (8) miteinander und/oder der Seitenflanken mit den Rotorscheiben (1, 2) mittels Elektronenstrahlschweissen durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Entlastung der beim Schweissen entstehenden Schweissnaht eine Entlastungsnut (18) eingearbeitet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an den Schweissstellen jeweils eine Zentrierlippe (11) eingearbeitet wird, die einen Vorsprung an der Nahtoberfläche beider zu verschweissenden Teile vorsieht, die vom Schweissstrahl nicht durchtrennt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ausgehend von dem Hohlkanal (5), der von beiden Rotorscheiben (1, 2) eingeschlossen wird, in Richtung Rotorachse erstreckende Schweissnaht (3) als Flächenschweissnaht ausgebildet wird.
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