Herstellungsverfahren eines beschaufelten Düsenrings

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Düsenring (10) für die Leitbeschaufelung einer Turbomaschine, insbesondere einer Dampfturbine für sehr hohe Dampfdrücke, der als Schmiedering hergestellt und anschließend formbearbeitet ist, wobei der Düsenring (10) aus einem Außenring (12) und einem Innenring (14) zusammengesetzt ist, daß jeweils der Innenring (14) für sich mechanisch bearbeitet ist, und beide Ringe (12, 14) miteinander verlötet sind sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Düsenringes (10).

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Düsenring für die Leitbeschaufelung einer Turbomaschine, insbesondere einer Dampfturbine für sehr hohe Dampfdrücke, der als Schmiedering hergestellt und anschließend formbearbeitet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Düsenringes.

Stand der Technik

[0002] Es ist allgemein bekannt, daß die Düsenringe für Dampfturbinen mit sehr hohen Dampfdrücken von etwa p ≥ 18 MPa üblicherweise einstückig als Schmiedeteil hergestellt werden.

[0003] Hierbei werden am fertig geschmiedeten Ring die erforderlichen Konturen der Schaufelprofile mechanisch mittels Fräsen oder mittels Elektroerosion aus dem massiven Ring herausgearbeitet.

[0004] Die mechanische Bearbeitung des massiven Schmiederings ist vergleichsweise aufwendig und führt so zu hohen Stückkosten, wobei die Bearbeitung zur Herstellung der Schaufelprofile mittels Erodieren noch aufwendiger ist.

[0005] Ferner ist es bekannt, bei Dampfturbinen mit niedrigen Frischdampfdrücken, zum Beispiel von etwa 1,5 MPa ≥ p ≤ 5 MPa, aus einem Innenring und einem Außenring zusammengesetzte Düsenringe vorzusehen, bei welchen die dazwischen befindliche Beschaufelung jeweils von Profilstäben gebildet ist, die durch hierfür vorgesehene Durchbrüche in den Ringen durchgesteckt werden und jeweils mit dem Innenring und dem Außenring durch Schweißen oder Löten verbunden werden.

[0006] Als weitere Variante ist bekannt, für Dampfturbinen mit normalen Betriebsdrücken von etwa p < 12 MPa Düsengruppen mit Einzelstückschaufeln vorzusehen. Diese konstruktive Variante kommt jedoch für höhere Dampfdrücke wegen der unzureichenden Festigkeits- und Schwingungseigenschaften nicht in Betracht.

Aufgabe der Erfindung

[0007] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Düsenring für Dampfturbinen mit sehr hohen Dampfdrücken von p ≥ 18 MPa zu schaffen, der die Anforderungen bezüglich seiner Festigkeit und des Schwingungsverhaltens sicher erfüllt. Hierbei soll auf eine möglichst einfache Herstellung eines solchen Düsenringes geachtet werden.

[0008] Außerdem soll ein Verfahren aufgezeigt werden, mittels welchem der zuvor skizzierte Düsenring hergestellt werden kann. Auch hierbei soll darauf geachtet werden, den Aufwand möglichst niedrig zu halten.

Darstellung der Erfindung

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen behandelt.

[0010] Dementsprechend ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der Düsenring aus einem Außenring und einem Innenring zusammengesetzt ist, daß jeweils der Innenring für sich mechanisch bearbeitet ist, und daß beide Ringe miteinander verlötet sind.

[0011] Der wesentliche Vorteil dieses erfindungsgemäßen Düsenrings beruht darauf, daß einerseits der Fertigungsaufwand drastisch reduziert wird, da sich der Innenring wesentlich einfacher bearbeiten läßt als ein massiver, den Außenring und Innenring bildender Schmiedering, bei welchem die Schaufelprofile mit großem Aufwand herausgearbeitet werden müssen, und daß andererseits die Anforderungen an die Festigkeit und an das Schwingungsverhalten problemlos eingehalten werden können. Dementsprechend kann der erfindungsgemäße Ring als dem massiven Schmiedering entsprechend dem Sand der Technik als ebenbürtig angesehen werden.

[0012] Vorzugsweise besitzt der Düsenring gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung einen mittels Fräsen bearbeiteten Innenring, wobei in weiterer Ausgestaltung der bearbeitete Innenring an seinem Außenumfang Schaufelprofile aufweist, welche ebenfalls mittels Fräsen hergestellt sind.

[0013] Ferner kann entsprechend einer weiteren Verbesserung die Außenumfangsfläche des Innenrings mit Ausnehmungen versehen sein, welche zur Aufnahme von Lot dienen und auch als Lottaschen bezeichnet werden. Das Lot schmilzt bei entsprechender Wärmezufuhr und verteilt sich gleichmäßig im Lötspalt zwischen Innen- und Außenring. Auf diese Weise kann die Fertigung des erfindungsgemäßen Düsenrings weitestgehend automatisiert werden, da zur Verbindung des in den Außenring eingesetzten Innenrings mit dem Außenring nur Wärme zugeführt werden muß, um das Lot zu schmelzen, welches hierbei aber nicht wie sonst üblich manuell zugegeben wird, sondern bereits vorhanden ist.

[0014] Um die mechanische Festigkeit zu steigern beziehungsweise zu verbessern kann der einbaufertige Düsenring in den Schaufelprofilen mit Stiften versehen sein, welche vorzugsweise eingelötet oder aber eingeschrumpft sind.

[0015] In bestimmten Einbaufällen kann es erforderlich oder vorteilhaft für die Montage des Düsenrings in der zugeordneten Dampfturbine sein, daß der einbaufertige Düsenring in zwei Halbringe getrennt ist. Diese Trennung erfolgt erst nachdem die Fertigbearbeitung abgeschlossen ist.

[0016] Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Düsenringes ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte

• Schmieden eines ersten Stahlrings,
• Schmieden eines zweiten Stahlrings, der in den ersten Stahlring als Innenring passend eingreift, wobei dessen Außendurchmesser auf den Innendurchmesser des ersten Stahlrings maßlich abgestimmt ist,
• Herstellung der Schaufelprofile durch mechanische Bearbeitung des Innenrings
• Zusammenfügen der beiden Ringe durch Einsetzen des Innenrings in den Außenring und Lötung der beiden Ringe,
• Wärmebehandlung des so zusammengesetzten Stahlrings und
• mechanische Fertigbearbeitung des auf diese Weise hergestellten Düsenrings.

[0017] Man könnte annehmen, daß die Herstellung von zwei Stahlringen, deren Bearbeitung und anschließende Verbindung mittels Löten aufwendiger ist als die Bearbeitung eines massiven einteiligen Schmiederinges, doch zeigt die Praxis, daß die mechanische Bearbeitung des massiven einteiligen Schmiederinges sehr viel mehr Zeit benötigt als die Bearbeitung des mit Schaufelprofilen zu versehenden Innenringes.

[0018] Wie bereits erwähnt, kann die Fertigung des erfindungsgemäßen Düsenringes weitestgehend vereinfacht werden, da praktisch alle erforderlichen Bearbeitungsgänge in einer automatischen Fertigung abgewickelt werden können.

[0019] Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, die Lötung nicht durch örtliche Erwärmung mittels Flamme, wie vielfach üblich, sondern im Ofen, zum Beispiel Vakuumofen, vorzunehmen, wobei das Lot im Bereich des Lotspalts bereitgestellt sein muß.

[0020] In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, daß gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung in die Außenumfangsfläche des Innenrings Ausnehmungen eingeformt sind, in welche anschließend Lot eingebracht wird, welches im Ofen geschmolzen wird, dann in die Lötfuge zwischen Innenring und Außenring eintritt und sich dort gleichmäßig verteilt.

[0021] So ist beispielsweise entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß das Löten in einem Vakuumofen unter Verwendung von Hochtemperaturlot, vorzugsweise auf Ni-Basis erfolgt. Die Ofentemperatur wird hierbei abhängig vom verwendeten Lot auf etwa 1050°C eingestellt.

[0022] Nach dem Lötvorgang wird durch Zuführung von Stickstoffgas der so hergestellte Düsenring, der vorteilhafterweise ebenso wie der Gehäusewerkstoff der zugeordneten Dampfturbine aus 12-prozentigem Chromstahl gefertigt ist, abgekühlt und gehärtet. Durch anschließende erneute Wärmezufuhr folgt eine Anlaßbehandlung bei etwa 700 bis 750 °C, wodurch der Grundwerkstoff in seinem Gefüge eingestellt wird.

[0023] Sofern erforderlich beziehungsweise vorgesehen, können zur mechanischen Verstärkung des Düsenrings zusätzliche Elemente, zum Beispiel Stifte, eingelötet oder eingeschrumpft werden. Zu diesem Zweck ist der Außenring jeweils an den Orten, wo jeweils die am Innenring herausgearbeiteten Schaufeln am Außenring anliegen, mit entsprechenden Durchgangsbohrungen versehen, die in die Stirnflächen der Schaufeln verlängert sind und zur Aufnahme der erwähnten Verstärkungsstifte dienen.

[0024] Entsprechend einer auf einfache Montage abzielenden Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß der Stahlring für den Einbau in die zugeordnete Dampfturbine in zwei Halbringe geteilt wird.

[0025] Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0026] Anhand eines in der beigefügten schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

[0027] Es zeigen:

Fig. 1:

eine ausschnittweise Seitenansicht eines fertigbearbeiteten Innenrings eines erfindungsgemäßen Düsenringes gemäß Fig. 2 entlang Schnittlinie I-I;

Fig. 2:

einen Querschnitt durch den Innenring gemäß Fig. 1 entlang Schnittlinie II-II und

Fig. 3:

einen Querschnitt durch den Düsenring gemäß Fig. 1 entlang Schnittlinie III-III.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0028] In Fig. 1 ist eine Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Düsenring 10 mit abgenommenem oder noch nicht montiertem Außenring 12, das heißt auf einen Innenring 14 eines erfindungsgemäßen Düsenrings 10 ausschnittweise dargestellt, wobei aus dieser Darstellung hervorgeht, daß neben von einzelnen Schaufeln 16 gebildeten Gruppen 17 auch massive Abschnitte vorgesehen sind, die als schaufellose Blindsegmente 18 bezeichnet werden.

[0029] Die dunklen Flächen in der Darstellung in Fig. 1 sind die Stirnseiten der Schaufeln 16 beziehungsweise der Blindsegmente 18 und bilden Kontaktflächen, welche an den in Fig. 2 oder 3 im Querschnitt abgebildeten Außenring 12 angrenzen und mit diesem verbunden werden. Diese Kontaktflächen dienen als Lötflächen, die sich mit dem Außenring verbinden.

[0030] Um die in Fig. 1 senkrecht zur Bildebene hervortretenden Schaufeln 16, die einstückig mit dem in der Zeichnungsebene verlaufenden Innenring 14 verbunden sind, zu verstärken, so daß Schwingungen oder durch hohe Betriebsdrücke verursachte hohe Beanspruchungen unschädlich bleiben, erweist es sich als vorteilhaft, die freien Enden der Schaufeln 14 mittels in Fig. 3 im Längsschnitt gezeigter Stifte 20 zu sichern.

[0031] Wie aus Fig. 3 deutlich hervorgeht, wird zu diesem Zweck der Außenring jeweils mit einer radial gerichteten Bohrung 22 entsprechend dem Durchmesser des vorgesehenen Stiftes beziehungsweise geringfügig kleiner versehen und in die jeweilige Schaufel 16 verlängert. In diese Bohrung 22 wird der Stift 20 eingesetzt, dessen Länge größer ist als die Dicke des Außenrings 12, so daß er hierbei auch in die jeweils zugeordnete Schaufel 16 stirnseitig eingreift.

[0032] In den Fig. 2 und 3 ist jeweils ein Querschnitt durch den Kompletten Düsenring 10 gemäß der Erfindung dargestellt, wobei in Fig. 2 ein Schnitt durch ein Schaufelsegment 17 und in Fig. 3 ein Schnitt durch ein Blindsegment 18 gezeigt ist.

[0033] Bei der Darstellung in Fig. 2, die der Schnittlinie II-II folgt, befindet sich die an sich geschnittene Schaufel 16, welche in zeichnungsüblicher Weise nicht schraffiert ist, zwischen dem Außenring 12 und dem Innenring 14, wobei die zum Außenring 12 beziehungsweise zum Innenring 14 gehörenden Bereiche mit einer gegenläufigen Schraffur versehen sind. (Der Stift 20 ist hier nicht dargestellt.)

[0034] Mit 24 ist die Kontakt- oder Lötfläche zwischen der Stirnfläche der Schaufel und der Innenoberfläche des Außenrings 12 bezeichnet.

[0035] In diese Kontaktfläche ist die Schnittebene für die Darstellung in Fig. 1 gelegt.

[0036] In Fig. 3 ist der Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Düsenring im Bereich eines am Innenring 14 angeformten Blindsegments 18 gezeigt, welches zusätzlich mittels eines radial eingesetzten Stiftes 20 verdrehungssicher mit dem Außenring 12 verbunden ist.

[0037] Der Stift 20 kann hierbei in der hierfür vorgesehenen Bohrung 22 entweder mittels Lötverbindung oder mittels Schrumpfverbindung gesichert sein.

Bezugszeichenliste

[0038] 

10

Düsenring

12

Außenring

14

Innenring

16

Schaufel

17

Schaufelsegment

18

Blindsegment

20

Stift

22

Bohrung

24

Kontaktfläche

Ansprüche

1. Düsenring (10) für die Leitbeschaufelung einer Turbomaschine, insbesondere einer Dampfturbine für sehr hohe Dampfdrücke, der als Schmiedering hergestellt und anschließend formbearbeitet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Düsenring (10) aus einem Außenring (12) und einem Innenring (14) zusammengesetzt ist, daß jeweils der Innenring (14) für sich mechanisch bearbeitet ist, und daß beide Ringe (12, 14) miteinander verlötet sind.

2. Düsenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (14) mittels Fräsen bearbeitet ist.

3. Düsenring nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bearbeitete Innenring (14) Schaufelprofile (16) aufweist.

4. Düsenring nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenumfangsfläche des Innenrings (14) mit Ausnehmungen versehen ist, welche zur Aufnahme von Lot dienen.

5. Düsenring nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der einbaufertige Düsenring (10) zur Verstärkung der Schaufelprofile (16) mit Stiften (20) versehen ist, welche eingelötet sind.

6. Düsenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der einbaufertige Düsenring (10) zur Verstärkung der Schaufelprofile (16) mit Stiften (20) versehen ist, welche eingeschrumpft sind.

7. Düsenring nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der einbaufertige Düsenring (10) in zwei Halbringe getrennt ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Düsenrings nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte

• Schmieden eines ersten Stahlrings, der als Außenring (12) dient,

• Schmieden eines zweiten Stahlrings, der in den ersten Stahlring als Innenring (14) passend eingreift, wobei dessen Außendurchmesser auf den Innendurchmesser des ersten Stahlrings maßlich abgestimmt ist,

• Herstellung der Schaufelprofile (16) durch mechanische Bearbeitung der Außenumfangsfläche des Innenrings (14),

• Zusammenfügen der beiden Ringe durch Einsetzen des Innenrings (14) in den Außenring (12) und Herstellung einer Lötverbindung der beiden Ringe (12, 14),

• Wärmebehandlung des zusammengesetzten Stahlrings und

• mechanische Fertigbearbeitung des auf diese Weise hergestellten Düsenrings (10).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Löten in einem Vakuumofen unter Verwendung von Hochtemperaturlot erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung nach dem Löten eine Vergütungsbehandlung ist und ebenfalls im Vakuumofen erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur mechanischen Verstärkung des Düsenrings (10) zusätzliche Elemente, zum Beispiel Stifte (20), eingelötet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur mechanischen Verstärkung des Düsenrings (10) zusätzliche Elemente, zum Beispiel Stifte (20), eingeschrumpft werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlring für den Einbau in die zugeordnete Dampfturbine in zwei Halbringe geteilt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in die Außenumfangsfläche des Innenrings (14) Ausnehmungen eingeformt werden, in welche anschließend Lot eingebracht wird, welches im Ofen geschmolzen wird und in die Lötfuge (24) zwischen Innenring (14) und Außenring (12) eintritt und sich dort verteilt.

Zeichnung