EP3908737A1 - Laufschaufel für eine thermische rotationsmaschine sowie verfahren zum herstellen einer solchen laufschaufel - Google Patents

Laufschaufel für eine thermische rotationsmaschine sowie verfahren zum herstellen einer solchen laufschaufel

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Publication number
EP3908737A1
EP3908737A1 EP20706955.0A EP20706955A EP3908737A1 EP 3908737 A1 EP3908737 A1 EP 3908737A1 EP 20706955 A EP20706955 A EP 20706955A EP 3908737 A1 EP3908737 A1 EP 3908737A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
rotor blade
rotor
area
producing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20706955.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Detlef Haje
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP3908737A1 publication Critical patent/EP3908737A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/04—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass turbine or like blades from several pieces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
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    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]

Definitions

  • the invention relates to a rotor blade for a thermal rotary machine according to the preamble of the independent patent claim 1 and to a method for producing a rotor blade according to the preamble of the independent method claim 7.
  • Rotating blades for thermal rotating machines such as steam or gas turbines
  • the moving blades can only be made with high-strength materials or, ultimately, no longer at all.
  • Blades for different speeds can be compared with each other by the quantity A ⁇ n 2 , where A represents the swept area and n the speed.
  • rotor blades are usually made in one piece, for example from forgings or semi-finished products.
  • the rotor blades have a blade root with which they are inserted into a rotor groove formed in the rotor in order to form a row of blades.
  • Each blade can be inserted into its own axial groove or all blades of a blade row can be inserted into a common circumferential groove.
  • the most highly stressed areas of the blade are the blade root and the transition from the blade root to the
  • the stress on the blade root area and the blade area act as a combination of LCF Low Cycle Fatigue (LCF) and High Cycle Fatigue (HCF), which result from the start-stop load cycles (LCF) and vibration excitations (HCF). Due to the high centrifugal forces of the rotor blade, strong contact loads continue to act in the rotor slots at the blade root. For large blades, centrifugal forces can be up to 100 t per blade.
  • the object is achieved by the features of independent patent claim 1.
  • the object is achieved by the features of the independent patent claim 7.
  • the blade blade area is formed with the blade root area by assembling one or more prefabricated components.
  • the blade root area which is exposed to high contact stresses and high tensile stresses on the blade area, is preferably made of a high-strength, weldable material. In this way, high levels of stress are achieved, which has an advantageous effect on the executable blade length and / or on the permissible number of starts (LCF stress).
  • the prefabricated components are assembled by welding.
  • welding the components it is possible to combine materials with different properties in an advantageous manner.
  • a high-strength blade root area can be combined with an erosion-resistant blade area, or (because it is less stressed) a less high-strength blade area.
  • the blade area can also be made of several (optionally) different materials.
  • the blade area can be protected in the area of the blade edges by an erosion protection measure. All known welding processes can be used for welding.
  • the weld roots of the weld seams are arranged near the neutral fiber of the rotor blades with regard to their main bending moments.
  • the inner contour of the rotor blade in the weld area can be designed in such a way that the weld seam root is spatially closer to the neutral fiber.
  • the bending moments linked to the main eigenmodes are to be considered as the main bending moments.
  • a cross-section should preferably be formed. The spatial arrangement of the weld root near the neutral fiber improves the HCF- Stress clearly.
  • the stress at the weld seam root is not relevant and does not constitute a strength restriction.
  • the weld seam is also positioned here in such a way that shear stresses and main eigenmodes can be tolerated well, ie. H. that the weld root is in turn arranged near the neutral fiber.
  • a further embodiment of the invention provides that the cavity / cavities are formed in the blade area. Due to the formation of the cavity or the cavities of the blade area, the center of gravity of the rotor blade is moved closer to the axis of rotation of the rotor, whereby the centrifugal force can be reduced more than it would result in the same saving of mass, which is closer to the rotor axis.
  • Another embodiment of the invention provides that the cavity / cavities are formed in the blade area and in the blade root area. Because cavities are also formed in the blade root area, the total mass of the rotor blade can be further reduced, which means that even lower rotor blade masses can be achieved and the centrifugal force load can be further optimized with this. As a result, even greater blade lengths can be achieved without the permissible loads, in particular LCF and HCF loads, being exceeded.
  • the geometry of the later inner and outer contour can optionally be checked with a 3D measuring process and the components can be post-treated if necessary.
  • Another advantage of the assembly or of the method according to the invention is that the surfaces of the subsequent cavity are accessible and can be processed during assembly. As a result, high-quality surfaces (higher HCF / LCF resistance) and / or more precise wall thicknesses and geometric properties (load-bearing cross-sections, imbalance or centrifugal force contribution) can be achieved. As a result, an inner contour with a fixed geometry and optionally a machined surface is achieved.
  • prefabricated components made of different materials with different properties can be combined, for example a high-strength foot area can be combined with an erosion-resistant blade area, which is not possible with conventional rotor blades that are made in one piece, for example from forgings or semi-finished products .
  • An embodiment of the method according to the invention is characterized in that after the assembly of the guide vane, a 3D measurement and recording of the blade profile is carried out and a simulation is then carried out on the basis of the recorded blade profile, by means of which it is checked whether previously specified properties, in particular visually Wall thicknesses, blade geometry, blade position, blade weights and natural frequencies are adhered to. In this way, errors that would lead to damage to the thermal rotary machine during operation can already be excluded during manufacture.
  • the 3D measurement can measure the entire rotor blade profile or just the flow profile of the blade area.
  • Another embodiment of the method according to the invention provides that if one or more specified properties are not adhered to based on the recorded blade profile a machining geometry for the outer contour of the blade profile is determined and formed in which all fixed properties, in particular with regard to wall thickness, blade geometry, blade position, blade masses and eigenfrequen zen are maintained.
  • a machining geometry for the outer contour of the blade profile is determined and formed in which all fixed properties, in particular with regard to wall thickness, blade geometry, blade position, blade masses and eigenfrequen zen are maintained.
  • a rotor blade with reduced mass can thus be produced with a defined, highly stressable inner contour which, despite the integral (welding) assembly, meets the requirements for large rotor blades.
  • FIG. 3 shows the rotor blade according to the invention shown in FIG. 2 along the section line A-A;
  • the rotor blade 1 shows a rotor blade 1 according to the prior art.
  • the rotor blade is made in one piece, for example from a forged piece or a semi-finished product.
  • the blade 1 comprises a blade area 3 designed in the form of a flow profile 2 and a blade area 3 designed for fastening the blade 1 to a rotor,
  • Blade root area 4 Due to the massive one-piece training from the blade 1, high centrifugal forces act during operation of the thermal rotary machine. In particular with large blade lengths and / or high speeds, the moving blades can only be steepened with high-strength and therefore expensive materials or, ultimately, not at all.
  • the most heavily stressed areas of the rotor blade 1 are the blade root area 4 and the transition to the blade area 3.
  • the blade area 3 itself is also highly stressed in large parts of its extent.
  • the stress on the blade root and blade act as a combination of LCF and HCF stress, which result from the start-stop load cycles (LCF) and the vibration excitations (HCF). Because of the existing strength limits of today's materials, only blades 1 of a certain size can be built.
  • FIG. 2 shows a rotor blade 1 according to the invention for a thermal rotary machine.
  • the rotor blade 1 in turn comprises a blade area 3 that forms a flow profile 2, as well as a blade root area 4 designed to attach the rotor blade 1 to a rotor.
  • the rotor blade 1 in the exemplary embodiment consists of a series of prefabricated components 5, 6, 7 assembled.
  • the blade 1 has a cavity 8 which is delimited by inner surfaces 9 of the three components 5, 6, 7 of the blades 1.
  • the cavity 8 only extends in the blade area 3. In principle, it would also be bar to form the cavity 8 both in the blade area 3 and in the blade root area 4.
  • the formation of several cavities is also conceivable.
  • the hollow spaces 8 lead to a reduction in the mass of the rotor blade 1, whereby the centrifugal stress on the rotor blade 1 is redu ed.
  • the blade area 3 is joined to the blade root area 4 by assembling several prefabricated components together.
  • the advantage of the assembly is that the surface 9 of the cavity is still accessible during the joining and can thus be processed and / or measured.
  • high-quality surfaces 9, higher HCF / LCF load capacities and / or more precise wall thickness and geometry properties can be achieved.
  • An inner contour of fixed geometry and optionally machined surfaces is thus achieved.
  • the rotor blade 1 shown in the exemplary embodiment is assembled by welding.
  • FIG. 3 shows the rotor blade 1 shown in FIG.
  • the flow profile 2 of the rotor blade 1 has a pressure side 2 'and a suction side 2' '. In order to achieve the required load capacity of the weld seam, it is positioned in such a way that the root area is close to a stress-reduced area when the force flows across the weld seam.
  • FIG. 4 shows the rotor blade 1 known from FIG. 2 in a sectional illustration along the section line B-B. It can be seen from the illustration that the airfoil area 3 is assembled from several prefabricated components 5, 6, 7. Welding makes it possible to combine materials with different properties. For example, a high-strength foot area can be combined with a less high-strength blade area. The sheet area can also be joined from several optionally different materials, as shown in FIG. As can be seen in FIG. 4, the inner contour of the rotor blade 1 in the area of the weld seam 10 is designed in such a way that the weld seam root of the weld seams 10 is spatially closer to the neutral fiber 11; for this purpose, the wall thickness in the inner area has been thickened .
  • the erosion protection measure 12 achieves a high level of resistance to erosion, which is particularly necessary in the case of steam turbines and here in the low-pressure range, since droplets often form from the steam here, which hit the rotor blade 1 at high speed. and regularly lead to erosion damage to the rotor blade 1.
  • the rotor blades shown in the two exemplary embodiments are produced essentially by pre-manufacturing the required components 5, 6, 7 with a given inner and outer contour and then assembling the individual prefabricated components 5, 6, 7 into the finished rotor blade 1.
  • the surfaces of the later cavity 8 remain accessible during the assembly and can thus be edited and / or measured.
  • the external and internal contours can optionally be measured using a 3D measurement process.
  • a measurement of the generated geometry and a possible distortion due to the assembly can take place.
  • the warpage can be assessed, for example, by means of a simulation (e.g. FEM).
  • suitable machining geometries can be defined for the outer contour and, if necessary, also for the inner contour, so that despite a distortion, wall thickness, blade geometry, blade position, blade dimensions - and natural frequency requirements are met. As a result, a scrap of the blade 1 can be avoided in many cases, resulting in significant cost savings.
  • the method according to the invention can produce a mass-reduced rotor blade with a defined, highly stressable, inner contour which, despite the integral / welded assembly, meets the requirements for large rotor blades.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (1) für eine thermische Rotationsmaschine, umfassend wenigstens einen, einen Strömungsprofil (2) ausbildenden, Schaufelblattbereich (3) und einen, zur Befestigung der Laufschaufel (1) an einem Rotor ausgebildeten, Schaufelfußbereich (4). Die Laufschaufel (1) ist aus wenigstens zwei vorgefertigten Bauteilen (5, 6, 7) zusammengebaut und weißt wenigstens einen Hohlraum (8) auf, welcher durch Innenflächen (9) wenigstens zweier Bauteile (5, 6, 7) der Laufschaufel (1) begrenzt ist. Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Laufschaufel (1).

Description

Beschreibung
Laufschaufel für eine thermische Rotationsmaschine sowie Ver fahren zum Herstellen einer solchen Laufschaufel
Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine thermische Rotationsmaschine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Pa tentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer sol chen Laufschaufel nach dem Oberbegriff des unabhängigen Ver fahrensanspruchs 7.
Laufschaufeln für thermische Rotationsmaschinen, wie bei spielsweise Dampf- oder Gasturbinen sind neben den hohen thermischen Belastungen häufig auch hohen Fliehkräften ausge setzt und entsprechend auszulegen. Insbesondere bei großen Schaufellängen und/oder hohen Drehzahlen lassen sich die Laufschaufeln nur noch mit hochfesten Werkstoffen oder schließlich gar nicht mehr realisieren. Schaufeln für ver schiedene Drehzahlen lassen sich dabei durch die Größe A · n2 miteinander vergleichen, wobei A die überstrichene Fläche und n die Drehzahl darstellt.
Derzeit werden Laufschaufeln in der Regel einstückig, bei spielsweise aus Schmiedestücken oder Halbzeugen hergestellt. Die Laufschaufeln weisen dabei einen Schaufelfuß auf, mit dem sie in eine im Rotor ausgebildete Rotornut eingesetzt werden, um eine Schaufelreihe zu bilden. Dabei kann jede Laufschaufel in eine eigene Axialnut oder alle Laufschaufeln einer Schau felreihe in eine gemeinsame umlaufende Nut eingesetzt werden. Die höchst beanspruchten Bereiche der Laufschaufel sind dabei der Schaufelfuß und der Übergang vom Schaufelfuß in den
Blattbereich; auch das Blatt selbst ist in weiten Teilen sei ner Erstreckung hoch beansprucht.
Die Beanspruchung des Schaufelfußbereichs und des Schaufel blattbereichs wirken als eine Kombination von LCF Low Cycle Fatigue (LCF) und High Cycle Fatigue (HCF) , welche sich aus den Start-Stopp-Lastzyklen (LCF) und Schwingungsanregungen (HCF) zusammensetzen. Aufgrund der hohen Fliehkräfte der Laufschaufei , wirken am Schaufelfuß weiterhin starke Kontakt beanspruchungen in den Rotornuten. Fliehkräfte können für große Schaufeln dabei bis zu 100 t pro Laufschaufel betragen.
Aufgrund bestehender Festigkeitsgrenzen heutiger Werkstoffe, können Laufschaufeln bei einer vorgegebenen Drehzahl somit nur in einer bestimmten Größe gebaut werden. Dadurch ist die überstrichene Fläche A begrenzt, wodurch auch der durch einen Schaufelkranz durchsetzbare Massen- bzw. Volumenstrom be grenzt wird. Dies bedeutet, eine Begrenzung der Leistung der Rotationsmaschine pro Flut auf Grund der ausführbaren Schau felgröße .
Neben dieser Begrenzung der Leistung stellt die hohe flieh- kraftbedingte LCF-Beanspruchung heute ausgeführter Laufschau feln oft eine Begrenzung der zulässigen Lastwechselzahl der Bauteile dar. Bei Erreichen der zulässigen Lastwechselzahlen sind dann aufwendige und teure Prüfungs- bzw. Reparaturarbei ten oder der Austausch von Laufschaufeln oder Rotor notwen dig.
Daraus ergibt sich, dass es für thermische Rotationsmaschinen überaus wünschenswert wäre, Laufschaufeln mit einer größeren überstrichenen Fläche aufzuzeigen. Somit könnte pro Flut eine höhere Leistung erzielt werden, wodurch kompaktere und/oder leistungsfähigere Maschinen ermöglicht würden. Außerdem wäre eine Reduzierung der Fliehkraftwirkung (LCF) wünschenswert, um die ertragbaren Lastwechselzahlen zu erhöhen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche Lauf schaufel bereitzustellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Her stellen einer solchen Laufschaufel aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Laufschaufel durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsicht lich des Verfahrens zum Herstellen einer solchen Laufschaufel wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Pa tentanspruchs 7 gelöst.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung, die ein zeln oder in Kombinationen miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Laufschaufel für eine thermische Rotati onsmaschine, umfassend wenigstens einen, ein Strömungsprofil ausbildenden, Schaufelblattbereich und einen, zur Befestigung der Laufschaufel an einem Rotor ausgebildeten Schaufelfußbe reich, zeichnet sich dadurch aus, dass die Laufschaufel aus wenigstens zwei vorgefertigten Bauteilen zusammengefügt ist und wenigstens einen Hohlraum aufweist, welcher durch Innen flächen wenigstens zweier Bauteile der Laufschaufeln begrenzt ist .
Durch den Hohlraum bzw. die Hohlräume innerhalb der Lauf schaufel wird die Masse der Laufschaufel reduziert, wodurch die Fliehkraftbeanspruchung der Laufschaufeln deutlich redu ziert wird. Unter einem Zusammenbau versteht man im Sinne der Erfindung das Fügen mindestens zweier vorgefertigter Bauteile derart, dass deren Oberflächen zumindest einen Teil des spä teren Hohlraums begrenzen. Der Vorteil des Zusammenbaus ist, dass die Oberflächen des späteren Hohlraums vor dem Zusammen bau zugänglich sind und bearbeitet und/oder vermessen werden können. Dadurch können hochwertige Oberflächen des Hohlraums (höhere HCF-/LCF-Beanspruchungen) und/oder genauere Wanddi cken- und Geometrieeigenschaften (tragende Querschnitte, Un wuchtbeiträge und/oder Fliehkraftbeiträge) erzielt werden. Es wird somit eine Innenkontur des Hohlraums fester Geometrie und optional bearbeiteter Oberflächen erzielt. Eine solche Bearbeitung des Hohlraums ist nur durch den Zusammenbau der vorgefertigten Bauteile möglich.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schau felblattbereich mit dem Schaufelfußbereich durch Zusammenbau eines oder mehrerer vorgefertigter Bauteile ausgebildet ist. Bevorzugt wird der Schaufelfußbereich, welcher hohen Kontakt beanspruchungen und hohen Zugbeanspruchungen des Schaufel blattbereichs ausgesetzt ist, aus einem hochfesten, schweiß baren Material hergestellt. Damit werden hohe Beanspruchbar- keiten erzielt, was sich vorteilhaft auf die ausführbare Schaufellänge und/oder auf die zulässigen Startzahlen (LCF- Beanspruchung) auswirkt.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die vorgefertigten Bauteile durch Schweißen zusammengebaut sind. Durch das Schweißen der Bauteile ist es möglich, Werkstoffe unterschiedlicher Eigenschaften in vorteilhafter Weise zu kombinieren. So kann beispielsweise ein hochfester Schaufel fußbereich mit einem erosionsfesten Schaufelblattbereich kom biniert werden, oder (weil weniger beansprucht) einem weniger hochfesten Schaufelblattbereich. Auch kann der Schaufelblatt bereich aus mehreren (optional) unterschiedlichen Werkstoffen gefügt werden. So kann der Schaufelblattbereich beispielswei se im Bereich der Schaufelkanten durch eine Erosionsschutz maßnahme geschützt werden. Für das Schweißen kommen dabei sämtliche bekannte Schweißverfahren in Frage.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schweißnahtwurzeln der Schweißnähte, nahe der neutralen Faser der Laufschaufeln hinsichtlich ihrer Haupt-Biegemomente ange ordnet sind. Hierzu kann die Innenkontur der Laufschaufel im Schweißbereich so ausgebildet sein, dass die Schweißnahtwur zel räumlich näher an der neutralen Faser liegt. Als Haupt- Biegemomente sind hier neben strömungsinduzierten Biegemomen ten insbesondere die mit den Haupt-Eigenformen verknüpften Biegemomente zu betrachten. Um die erforderliche Beanspruch- barkeit der Schweißnaht zu erreichen, ist es zudem sinnvoll, die Schweißnaht so zu positionieren, dass die Schweißnahtwur zel bei Kraftfluss quer zur Schweißnaht nach Möglichkeit in einem spannungsreduzierten Bereich liegt. Zur Erhöhung der LCF-Beanspruchung ist vorzugsweise eine Querschnittsaufdi- ckung auszubilden. Die räumliche Anordnung der Schweißnaht wurzel in der Nähe der neutralen Faser verbessert die HCF- Beanspruchung deutlich. Bei einem Kraftfluss längs zur
Schweißnaht ist die Schweißnahtwurzelbeanspruchung nicht maß geblich und stellt keine Festigkeitseinschränkung dar. Vor teilhaft wird die Schweißnaht auch hierbei so positioniert, dass Schubspannungen und Haupt-Eigenformen gut ertragbar sind, d. h. das die Schweißnahtwurzel wiederum nahe der neut ralen Faser angeordnet ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Hohlraum/die Hohlräume im Schaufelblattbereich ausgebildet sind. Durch die Ausbildung des Hohlraums- bzw. der Hohlräume Schaufelblattbereich wird der Schwerpunkt der Laufschaufel näher an die Rotationsachse des Rotors verlegt, wodurch die Fliehkraftbeanspruchung stärker reduziert werden kann als es eine gleiche Einsparung der Masse bewirken würde, welche nä her zur Rotorachse hin liegt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Hohlraum/die Hohlräume im Schaufelblattbereich und im Schau felfußbereich ausgebildet sind. Dadurch, dass auch im Schau felfußbereich Hohlräume ausgebildet sind, kann die Gesamtmas se der Laufschaufel weiter reduziert werden, wodurch sich noch geringere Laufschaufelmassen realisieren lassen und da mit die Fliehkraftbeanspruchung weiter optimiert werden kann. Hierdurch lassen sich noch größere Schaufeiblattlängen erzie len ohne dass die zulässigen Beanspruchungen, insbesondere LCF- und HCF-Beanspruchungen überschritten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer erfin dungsgemäßen Laufschaufel nach einem der vorherigen Ansprü che, zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus :
Herstellen bzw. vorfertigen der einzelnen Bauteile der
Laufschaufel mit einer vorgegebenen Innen- und Außenkon tur;
Zusammenbau der einzelnen vorgefertigten Bauteile zur fer tigen Laufschaufel . Vor dem Zusammenbau der einzeln vorgefertigten Bauteile kann die Geometrie der späteren Innen- und Außenkontur optional mit einem 3D-Messverfahren überprüft und die Bauteile ggf. nachbehandelt werden. Ein weiterer Vorteil des Zusammenbaus bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass während des Zusammenbaus die Oberflächen des späteren Hohlraums zugäng lich sind und bearbeitet werden können. Dadurch können hoch wertige Oberflächen (höhere HCF-/LCF-Beanspruchbarkeit ) und/oder genauere Wanddicken und Geometrie-Eigenschaften (tragende Querschnitte, Unwucht- oder Fliehkraftbeitrag) er zielt werden. Es wird hierdurch eine Innenkontur mit fester Geometrie und optional bearbeiteter Oberfläche erzielt. Mit Hilfe des Verfahrens können vorgefertigte Bauteile aus unter schiedlichem Werkstoff mit unterschiedlichen Eigenschaften kombiniert werden, so kann beispielsweise ein hochfester Fuß bereich mit einem erosionsfesten Blattbereich kombiniert wer den, was bei üblichen Laufschaufeln, die einstückig bei spielsweise aus Schmiedestücken oder Halbzeugen hergestellt sind nicht möglich ist.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass nach dem Zusammenbau der Leitschaufel eine 3D-Vermessung und Erfassung des Schaufelprofils erfolgt und anschließend auf Basis des erfassten Laufschaufelprofils eine Simulation durchgeführt wird, mittels derer überprüft wird, ob zuvor festgelegte Eigenschaften, insbesondere hin sichtlich Wanddicken, Blattgeometrie, Blattposition, Blatt massen und Eigenfrequenzen eingehalten werden. Hierdurch kön nen Fehler, die im Betrieb zu Schäden an der thermischen Ro tationsmaschine führen würden, bereits bei der Herstellung ausgeschlossen werden. Die 3D-Vermessung kann dabei das ge samte Laufschaufelprofil oder auch nur das Strömungsprofil des Schaufelblattbereichs vermessen.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei Nichteinhaltung einer oder mehrerer fest gelegten Eigenschaften aufgrund des erfassten Schaufelprofils eine Bearbeitungsgeometrie für die Außenkontur des Schaufel profil ermittelt und ausgebildet wird, bei der sämtlich fest gelegte Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Wanddicke, Blattgeometrie, Blattposition, Blattmassen und Eigenfrequen zen eingehalten werden. Hierdurch wird der Ausschuss bei der Herstellung von Laufschaufeln deutlich verringert und die Fertigung der Laufschaufeln kostenoptimiert. Trotzdem wird sichergestellt, dass sämtliche geforderten Eigenschaften der Laufschaufeln eingehalten werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit eine massen reduzierte Laufschaufel mit einer definierten, hoch bean spruchbaren Innenkontur hergestellt werden, welche trotz stoffschlüssigen ( schweißtechnischen) Zusammenbaus den Anfor derungen an große Laufschaufeln entspricht. Dies ermöglicht durch Fliehkraftreduzierung eine Vergrößerung der maßgebli chen Größe A · n2 und/oder eine Erhöhung der Lastwechselzah len/Startzahlen (LCF- bzw. HCF-Beanspruchung) .
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:
FIG 1 eine Laufschaufel nach dem Stand der Technik;
FIG 2 eine erfindungsgemäße Laufschaufel in einer Seitenan sicht ;
FIG 3 die in FIG 2 gezeigte erfindungsgemäße Laufschaufel entlang der Schnittlinie A-A;
FIG 4 die in FIG 2 gezeigte erfindungsgemäße Laufschaufel in einer Detailansicht entlang der Schnittlinie B-B und
FIG 5 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laufschaufei .
Die Figuren stellen jeweils, zum Teil stark vereinfachte und schematische Darstellungen dar. Die Figuren sind dabei nicht zwangsläufig maßstabsgerecht dargestellt. Gleiche bzw. funk tionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt eine Laufschaufel 1 nach dem Stand der Technik. Die Laufschaufel ist dabei einstückig, beispielsweise aus ei nem Schmiedestück oder einem Halbzeug, hergestellt. Die Lauf schaufel 1 umfasst einen in Form eines Strömungsprofils 2 ausgebildenten, Schaufelblattbereich 3 sowie einen zur Befes tigung der Laufschaufel 1 an einen Rotor ausgebildeten,
Schaufelfußbereich 4. Aufgrund der massiven einstückigen Aus bildung der Laufschaufel 1 wirken während des Betriebs der thermischen Rotationsmaschine hohe Fliehkraftbeanspruchungen. Insbesondere bei großen Schaufellängen und/oder hohen Dreh zahlen lassen sich die Laufschaufeln nur mit hochfesten und damit teuren Werkstoffen oder schließlich gar nicht mehr her steilen. Die höchstbeanspruchten Bereiche der Laufschaufel 1 sind dabei der Schaufelfußbereich 4 und der Übergang in den Schaufelblattbereich 3. Auch der Schaufelblattbereich 3 selbst ist in weiten Teilen seiner Erstreckung hoch bean sprucht. Die Beanspruchung von Schaufelfuß und -blatt wirken als eine Kombination von LCF- und HCF-Beanspruchung, welche sich aus den Start-Stopp-Lastzyklen (LCF) und den Schwin gungsanregungen (HCF) ergeben, zusammen. Aufgrund der beste henden Festigkeitsgrenzen heutiger Werkstoffe können somit nur Laufschaufeln 1 einer bestimmten Größe gebaut werden.
FIG 2 zeigt eine erfindungsgemäße Laufschaufel 1 für eine thermische Rotationsmaschine. Die Laufschaufei 1 umfasst wie derum einen, ein Strömungsprofil 2 ausbildenden, Schaufel blattbereich 3, sowie einen zur Befestigung der Laufschaufel 1 an einem Rotor ausgebildeten, Schaufelfußbereich 4. Die Laufschaufel 1 ist dabei im Ausführungsbeispiel aus einer Reihe von vorgefertigten Bauteilen 5, 6, 7 zusammengebaut.
Die Laufschaufel 1 weist dabei einen Hohlraum 8 auf, welcher durch Innenflächen 9 der drei Bauteile 5, 6, 7 der Laufschau feln 1 begrenzt ist. Der Hohlraum 8 erstreckt sich dabei nur im Schaufelblattbereich 3. Grundsätzlich wäre es auch denk- bar, den Hohlraum 8 sowohl im Schaufelblattbereich 3 als auch im Schaufelfußbereich 4 auszubilden. Auch die Ausbildung meh rerer Hohlräume ist denkbar. Grundsätzlich führen die Hohl räume 8 zu einer Reduktion der Masse der Laufschaufel 1, wodurch die Fliehkraftbeanspruchung der Laufschaufel 1 redu ziert wird. Durch den Zusammenbau der Laufschaufeln 1 aus mehreren vorgefertigten Bauteilen kann der Schaufelfußbe reich, welcher hohen Kontaktbeanspruchungen und hohen Zugbe anspruchungen ausgesetzt ist, aus einem hochfesten, schweiß baren Material hergestellt werden. Damit werden hohe Bean- spruchbarkeiten erzielt, was sich vorteilhaft auf die aus führbare Schaufellänge und/oder auf die zulässige Startzahl (LCF) auswirkt. Der Schaufelblattbereich 3 wird durch Zusam menbau mehrerer vorgefertigter Bauteile mit dem Schaufelfuß bereich 4 gefügt. Der Vorteil des Zusammenbaus ist, dass die Oberfläche 9 des Hohlraums während des Fügens noch zugänglich ist und dadurch bearbeitet und/oder vermessen werden kann. Dadurch können hochwertige Oberflächen 9, höhere HCF-/LCF- Beanspruchbarkeiten und/oder genauere Wanddicken- und Geomet rie-Eigenschaften erzielt werden. Es wird somit eine Innen kontur fester Geometrie und optional bearbeiteter Oberflächen erzielt. Die im Ausführungsbeispiel gezeigte Laufschaufei 1 ist durch Schweißen zusammengebaut.
FIG 3 zeigt die in Fig 2 dargestellte Laufschaufel 1 in
Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A. Das Strö mungsprofil 2 der Laufschaufel 1 weist dabei eine Druckseite 2' und eine Saugseite 2'' auf. Um die erforderliche Bean- spruchbarkeit der Schweißnaht zu erreichen, wird diese so po sitioniert, dass der Wurzelbereich bei Kraftfluss quer zur Schweißnaht nahe einem Spannungsreduzierten Bereich liegt.
Der Wurzelbereich sollte dabei möglichst nahe der neutralen Faser 11 der Laufschaufel 1, hinsichtlich der Haupt- Biegemoden, liegen. Bei einem Kraftschluss längs zur Schweiß naht ist die Wurzelbeanspruchung nicht maßgeblich und stellt keine Festigkeitseinschränkung dar. Vorteilhaft wird die Schweißnaht aber auch hier so positioniert, dass sie nahe der neutralen Faser 11 liegt, so dass Schubspannungen der Haupt- Eigenform gut ertragbar sind.
FIG 4 zeigt die aus FIG 2 bekannte Laufschaufel 1 in Schnitt darstellung entlang der Schnittlinie B-B. Aus der Darstellung ist zu erkennen, dass der Schaufelblattbereich 3 aus mehreren vorgefertigten Bauteilen 5,6,7 zusammengefügt wird. Durch das Schweißen ist es möglich, dass Werkstoffe unterschiedlicher Eigenschaften miteinander kombiniert werden. So kann bei spielsweise ein hochfester Fußbereich mit einem weniger hoch festen Blattbereich kombiniert werden. Auch kann der Blattbe reich, wie in FIG 4 gezeigt aus mehreren optional unter schiedlichen Werkstoffen gefügt werden. Wie in FIG 4 zu er kennen ist, ist die Innenkontur der Laufschaufel 1 im Bereich der Schweißnaht 10 derart ausgeführt, dass die Schweißnaht wurzel der Schweißnähte 10 räumlich näher an die neutrale Fa ser 11 herangebracht wird, hierzu ist die Wanddicke im Innen bereich verdickt worden.
FIG 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Laufschaufei 1. Die Laufschaufei 1 ist dabei im We sentlichen identisch zur Laufschaufei nach FIG 2 ausgebildet. Zusätzlich umfasst die Laufschaufel 1 im Schaufelblattbereich 3 an der Schaufelkante eine spezielle Erosionsschutzmaßnahme 12. Die Erosionsschutzmaßnahme 12 kann durch unterschiedliche Maßnahmen erfolgen. Eine Möglichkeit ist das Aufbringen bei spielsweise Aufschweißen, Anschweißen, Auftragsschweißen oder Plattieren eines erosionsfesten Werkstoffes, z.B. Titan- oder Nickelwerkstoffe mit einer Pufferschicht (soweit erforder lich) , eine andere Möglichkeit besteht in der Hartstoffbe schichtung mit einem erosionsfesten Werkstoff und eine dritte Möglichkeit besteht in der Oberflächenhärtung im erosionsbe anspruchten Bereich. Durch die Erosionsschutzmaßnahme 12 wird eine hohe Erosionsbeständigkeit erzielt, welches insbesondere bei Dampfturbinen und hier im Niederdruckbereich notwendig ist, da sich hier häufig aus dem Dampf Tröpfchen ausbilden, welche mit hoher Geschwindigkeit auf die Laufschaufel 1 auf- treffen und hier regelmäßig zu Erosionsschäden an der Lauf schaufel 1 führen.
Die Herstellung der in den beiden Ausführungsbeispielen ge zeigten Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen durch eine Vor fertigung der erforderlichen Bauteile 5, 6, 7 mit einer vor gegebenen Innen- und Außenkontur und dem anschließenden Zu sammenbau der einzelnen vorgefertigten Bauteile 5, 6, 7 zur fertigen Laufschaufei 1. Durch den Zusammenbau bleiben die Oberflächen des späteren Hohlraums 8, während des Zusammen baus noch zugänglich und können somit bearbeitet und/oder vermessen werden. Die Vermessung der Außen- und Innenkontur kann optional mittels eines 3D-Messverfahrens erfolgen. Nach dem Zusammenbau der einzelnen Bauteile kann jeweils eine Ver messung der erzeugten Geometrie und eines möglichen Verzugs auf Grund des Zusammenbaus erfolgen. Die Beurteilung des Ver zugs kann beispielsweise durch eine Simulation (z.B. FEM) er folgen. Wird ein Verzug festgestellt oder weichen die tat sächlichen Geometrien von der zuvor festgelegten Geometrie ab, können geeignete Bearbeitungsgeometrien für die Außenkon tur und ggf. auch für die Innenkontur festgelegt werden, so dass trotz eines Verzuges, Wanddicken-, Blattgeometrien-, Blattposition-, Blattmassen- und Eigenfrequenzanforderungen eingehalten werden. Hierdurch kann ein Ausschuss der Lauf schaufel 1 in vielen Fällen vermieden werden, wodurch sich deutliche Kostenersparnisse ergeben.
Zusammenfassend kann somit festgestellt werden, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine massenreduzierte Lauf schaufel mit einer definierten, hoch beanspruchbaren, Innen kontur hergestellt werden kann, welche trotz stoffschlüssi gen/schweißtechnischen Zusammenbaus den Anforderungen an gro ßen Laufschaufeln entspricht. Dies ermöglicht durch Flieh- kraftreduzierung eine Vergrößerung der maßgeblichen Größe A · n2 und/oder eine Erhöhung der Lastwechselzah
len/Startzahlen (LCF- bzw. HCF-Beanspruchungen) .

Claims

Patentansprüche
1. Laufschaufei (1) für eine thermische Rotationsmaschine, umfassend wenigstens einen, ein Strömungsprofil (2) ausbil denden, Schaufelblattbereich (3) und einen, zur Befestigung der Laufschaufel (1) an einem Rotor ausgebildeten, Schaufel fußbereich ( 4 ) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Laufschaufel (1) aus wenigstens zwei vorgefertigten Bau teilen (5, 6, 7) zusammengebaut ist und wenigstens einen Hohlraum (8) aufweist, welcher durch Innenflächen (9) wenigs tens zweier Bauteile (5, 6, 7) der Laufschaufel (1) begrenzt ist .
2. Laufschaufei (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelblattbereich (3) mit dem Schaufelfußbereich (4) durch Zusammenbau eines oder mehrerer vorgefertigter Bauteile (5, 6, 7) ausgebildet ist.
3. Laufschaufei (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die vorgefertigten Bauteile (5, 6, 7) durch Schweißen zusam mengebaut sind.
4. Laufschaufei (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnahtwurzeln der
Schweißnähte (10), nahe der neutralen Faser (11) der Lauf schaufel (1) hinsichtlich der Haupt-Biegemomente angeordnet sind .
5. Laufschaufei (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlraum/ die Hohlräume im Schaufelblattbereich (3) aus gebildet sind.
6. Laufschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum/ die Hohlräume (8) im Schaufelblattbereich (3) und im Schaufelfußbereich (4) ausgebildet sind.
7. Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel (1) nach ei nem der Ansprüche 1 bis 6,
umfassend die folgenden Verfahrensschritte,
Herstellen der einzelnen Bauteile (5, 6, 7) der Lauf schaufel (1) mit einer vorgegeben Innen- und Außenkontur;
Zusammenbauen der einzelnen vorgefertigten Bauteile (5,
6, 7) zur Laufschaufel (1) .
8. Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel (1) nach An spruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zusammenbau der vorgefertigten Bauteile (5, 6, 7) mittels eines Schweißverfahrens erfolgt.
9. Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel (1) nach An spruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Zusammenbau der Laufschaufei (1) eine 3D- Vermessung und Erfassung des Laufschaufelprofils erfolgt und anschließend,
auf Basis des erfassten Laufschaufelprofils eine Simula tion durchgeführt wird, mittels derer überprüft wird, ob zu vor festgelegte Eigenschaften insbesondere hinsichtlich Wand dicken, Blattgeometrie, Blattposition, Blattmassen und Eigen frequenzen eingehalten werden.
10. Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel (1) nach An spruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei Nichteinhaltung einer oder mehrerer festgelegten Eigen schaften auf Grund des erfassten Schaufelprofils eine Bear beitungsgeometrie für die Außenkontur des Schaufelprofils er mittelt und ausgebildet wird, bei der sämtliche festgelegten Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Wanddicken, Blattge- ometrie, Blattposition, Blattmassen und Eigenfrequenzen ein gehalten werden.
5
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