Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelbauteils und Leitschaufelbauteil

Abstract

 Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelbauteils (16,20) für eine Turbine, insbesondere für eine Hochdruck- oder Mitteldruckstufe einer Turbine, werden zur Ausbildung eines Leitschaufelkranzes (16) bevorzugt in einem Außenring (2) Ausnehmungen (4) eingebracht, in die jeweils eine Leitschaufel (6) eingeführt wird, welche mit ihrem Außenende (14) in der jeweiligen Ausnehmung (4) und mit ihrem Innenende (12) an einem Innenring (10) befestigt wird. Dies ermöglicht ein präzises Positionieren der Leitschaufeln (6) und insbesondere ein vollautomatisches und kostengünstiges Herstellen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelbauteils sowie ein Leitschaufelbauteil für eine Turbine, insbesondere für eine Hochdruck- oder Mitteldruckstufe einer Turbine.

[0002] Im Bereich der technischen Energieerzeugung werden thermische Turbomaschinen eingesetzt, beispielsweise Gas- und Dampfturbinen. In diesen wird die thermische Arbeitsfähigkeit des entsprechenden Arbeitsmediums (Gas, Dampf) in mechanische Arbeit umgesetzt. Dabei wirkt die Beschaufelung, aufgebaut aus tragflügelartigen Profilen, die in ringförmigen Leit- und Laufschaufelgittern angeordnet sind, als Übertragungselement. Je ein Leit- und Laufschaufelgitter bilden eine Arbeitsstufe. Da das Umsetzungsvermögen einer Stufe begrenzt ist, werden im Regelfall Turbinen mehrstufig, abhängig vom thermischen Gefälle des Arbeitsmediums, ausgeführt.

[0003] Für einen möglichst hohen Wirkungsgrad ist eine exakte und genaue Strömungsführung des Antriebsmediums unerlässlich. Hierzu ist eine präzise geometrische Ausgestaltung der einzelnen Laufschaufeln und Leitschaufeln sowie deren präzise Lage-Anordnung notwendig.

[0004] Die Leitschaufeln einer Turbine sind ringförmig angeordnet und bilden einen Leitschaufelkranz. Üblicherweise wird dieser aus einzelnen Leitschaufelteilen gebildet, bei denen das eigentliche Schaufelblatt üblicherweise aus Profilmaterial aufgebaut, im Schaufelfußbereich mittels Zwischenstücke und im Schaufelkopfbereich über ein Deckband fixiert wird. Die Zwischenstücke haben insbesondere die Aufgabe, den erforderlichen Abstand zwischen den Leitschaufeln sowie die Verdrehstellung der Leitschaufeln zu gewährleisten. Die Verdrehstellung wird mittels des sogenannten Aufdrehwinkels eingestellt und ist wesentlich für die Strömungsführung. Der gegenseitige Abstand zwischen den einzelnen Schaufelblättern wird auch als Teilung bezeichnet.

[0005] Aufgrund der großen Anzahl von einzelnen Schaufelteilen, beispielsweise den Zwischenstücken, ist die Herstellung und die Montage eines Leitschaufelkranzes sehr zeit- und kostenintensiv.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelbauteils sowie ein Leitschaufelbauteil anzugeben, bei denen eine einfache Herstellung ermöglicht ist.

[0007] Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelbauteils für eine Turbine, insbesondere eines Leitschaufelbauteils für eine Hochdruck- oder Mitteldruckstufe einer Turbine, bei dem zur Ausbildung eines Leitschaufelkranzes

• in einem ersten Ring Ausnehmungen, insbesondere Durchbrüche, für jeweils eine Leitschaufel eingebracht werden,
• in die Ausnehmungen jeweils eine Leitschaufel eingeführt wird, und
• die jeweilige Leitschaufel mit ihrem ersten Ende in der jeweiligen Ausnehmung und mit ihrem zweiten Ende an einem zweiten Ring befestigt wird.

[0008] Der erste Ring ist hierbei insbesondere ein Außenring und der zweite Ring ein zum Außenring konzentrisch angeordneter Innenring. Der wesentliche Unterschied zu dem herkömmlichen Verfahren ist darin zu sehen, dass der Leitschaufelkranz, insbesondere sein Außenring, nicht aus der Vielzahl oben beschriebener Leitschaufelteile, insbesondere Zwischenstücke, aufgebaut wird. Vielmehr ist der Außenring bei der Herstellung zunächst einstückig. Dadurch ist eine deutlich schnellere und auch einfachere Montage ermöglicht. Aufgrund der Ausnehmungen sind die einzelnen Leitschaufeln einfach und mit hoher Genauigkeit montierbar.

[0009] In einer bevorzugten Ausführung werden in den ersten Ring, den Außenring, Ausnehmungen mit einem an das Leitschaufelprofil angepassten Profilen eingearbeitet, so dass die Leitschaufeln positionsgenau im Außenring gehalten werden. Damit lässt sind in vorteilhafter Weise die Position der einzelnen Leitschaufeln zueinander mit hoher Genauigkeit festlegen.

[0010] Vorzugsweise werden die Ausnehmungen im Außenring derart profiliert, also mit einem an das Leitschaufelprofil angepassten Profil ausgebildet, dass die Verdrehstellung der Leitschaufel bezüglich der Axialachse des Außenrings festgelegt ist. Durch die profilierte Ausgestaltung der Ausnehmungen wird also insbesondere sowohl die Teilung als auch der sogenannte Aufdrehwinkel mit hoher Genauigkeit und Präzision bestimmt. Es sind keinerlei separate Zwischenstücke erforderlich, wie sie bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren notwendig sind. Dadurch wird die Teilevielfalt für den Herstellungsprozess deutlich reduziert, und insbesondere werden die Herstellungskosten durch eine kurze Montagezeit gering gehalten.

[0011] Nicht zuletzt wegen des Vorteils der hohen Positioniergenauigkeit verbunden mit der geringen Teilevielfalt eignet sich dieses Herstellungsverfahren insbesondere zum Herstellen eines Leitschaufelbauteils für eine Hochdruck- oder Mitteldruckstufe einer Turbine. Diese weisen üblicherweise im Vergleich zu einer Niederdruckstufe sehr kleine Leitschaufeln auf.

[0012] Um eine hochpräzise Ausgestaltung der Ausnehmungen vorzunehmen werden diese vorzugsweise mittels Laserschneiden oder mittels Wasserstrahlverfahren eingebracht.

[0013] Für eine sichere und zugleich schnell zu verwirklichende Befestigung werden die Leitschaufeln in den Ausnehmungen insbesondere mittels Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen verschweißt.

[0014] In Abhängigkeit der Leistung des Schneid- oder Schweißwerkzeugs, beispielsweise des Lasers zum Schneiden der Ausnehmungen oder des Lasers zum Verschweißen, ist die Materialstärke des Außenrings unterschiedlich zu wählen. Um den Einsatz von Lasern herkömmlicher Leistungsstärke zu ermöglichen, ist in einer bevorzugten Ausführung am Außenring um diesen herum ein Stützring angebracht. Dieser wird insbesondere nach Fertigstellung des Leitschaufelkranzes am Außenring befestigt und gibt dem Leitschaufelkranz eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit.

[0015] Bei ausreichender Leistungsstärke des Schneid- oder Schweißwerkzeugs können die Ausnehmungen in Form von Durchbrüchen auch durch einen Außenring mit ausreichender Materialstärke eingebracht und die Leitschaufeln darin verschweißt werden. Hierzu eignen sich insbesondere Elektronenstrahlverfahren.

[0016] Nach Fertigstellung des Leitschaufelkranzes wird dieser in einer bevorzugten Ausführung in einzelne Leitschaufelsegmente geteilt. Damit wird beim Einsatz des Leitschaufelkranzes in einer Turbine zwischen den einzelnen Leitschaufelsegmenten eine Wärmedehnung zugelassen. Die Anzahl der Leitschaufelsegmente, in die der Leitschaufelkranz aufgeteilt wird, hängt maßgeblich von der zu erwartenden Wärmebeanspruchung und Wärmedehnung ab.

[0017] Ein weiterer Vorteil bei der Herstellung des Leitschaufelbauteils ergibt sich, wenn gemäß einer besonders bevorzugten Variante das Leitschaufelbauteil, also der Leitschaufelkranz oder das Leitschaufelsegment, automatisch und insbesondere vollautomatisch gefertigt wird. Die vollautomatische Fertigung wird ermöglicht durch den einfachen Herstellungsablauf, bei dem die einzelnen Leitschaufeln mit den beiden Ringen verschweißt werden, wobei sie in Ausnehmungen des Außenrings eingebracht werden.

[0018] Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Leitschaufelbauteil für eine Turbine, insbesondere für eine Hochdruck- oder Mitteldruckstufe einer Turbine, bei dem eine Leitschaufel zwischen einem ersten Ringsegment und einem weiteren Ringsegment angeordnet ist und in einer insbesondere als Durchbruch ausgebildeten Ausnehmung des ersten Ringsegments mit ihrem ersten Ende und am zweiten Ringsegment mit ihrem zweiten Ende befestigt ist. Das erste Ringsegment ist hierbei vorzugsweise ein Außenringsegment, und das zweite Ringsegment ein Innenringsegment.

[0019] Die im Hinblick auf das Verfahren erwähnten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Leitschaufelbauteil zu übertragen. Bevorzugte Ausführungsformen des Leitschaufelbauteils sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

[0020] Anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung werden die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Leitschaufelbauteils näher erläutert. Es zeigen in stark schematischen Darstellungen:

Fig. 1

eine Turbine mit einem Hochdruckteil und mit einem Niederdruckteil, und

Fig. 2

die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Leitschaufelbauteils.

[0021] Gemäß Figur 1 umfasst eine Turbine 1, insbesondere eine Kraftwerksturbine für ein Kraftwerk zur Energieerzeugung, die für eine Leistung von bis zu über ein Gigawatt ausgelegt ist, einen Hochdruckteil 1A und einen Niederdruckteil 1B. Dieser ist in Strömungsrichtung eines Antriebsmediums, welches die Turbine 1 durchströmt, dem Hochdruckteil 1A nachgeordnet. Zur Illustration sind der Hochdruck- und Niederdruckteil 1A, 1B als getrennte Einheiten dargestellt, die über eine Welle 3 miteinander verbunden sind. Sie sind in der Regel in einem gemeinsamen Turbinengehäuse integriert.

[0022] Das Antriebsmedium, nämlich Dampf im Falle einer Dampfturbine und Gas im Falle einer Gasturbine, wird über Leitungen 5 dem Hochdruck- und Niederdruckteil 1A, 1B zu- und abgeführt. Das Antriebsmedium treibt die Welle 3 mittels auf ihr angeordneten Laufschaufeln an. Das Antriebsmedium wird durch die Turbine 1 über feststehende Leitschaufeln geleitet. Die Laufschaufeln und Leitschaufeln des Hochdruck- und des Niederdruckteils 1A, 1B sind in Figur 1 nicht dargestellt. Die Leitschaufeln sowie die Laufschaufeln einer Turbinenstufe sind in der Regel in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet und bilden jeweils einen Schaufelkranz. Dabei wechseln sich in Axialrichtung 8 der Turbine 1 Leitschaufelkränze und Laufschaufelkränze ab.

[0023] Für eine möglichst effiziente Strömungsführung durch die Turbine 1 ist die Ausbildung der Schaufeln sowie ihre gegenseitige Anordnung von entscheidender Bedeutung. Bei der Herstellung muss daher auf eine hohe Maßgenauigkeit und Positioniergenauigkeit geachtet werden.

[0024] Anhand Figur 2 wird ein Herstellungsverfahren beschrieben, das eine hohe Maßgenauigkeit und Positioniergenauigkeit gewährleistet. In einem Verfahrensschritt A des Herstellungsverfahrens wird ein erster Ring, und zwar ein Außenring 2 hergestellt. Hierzu wird beispielsweise ein Flachstahl zu einem Ring gebogen. Dieser Ring wird anschließend in geeigneter Weise zur Ausbildung des Außenrings 2 bearbeitet. Insbesondere werden die beiden Enden des Flachstahls miteinander zum Ring verschweißt, und der Ring wird geglüht. Die Oberflächen des Rings werden bei Bedarf behandelt, beispielsweise werden Nuten eingedreht.

[0025] Gemäß einem Verfahrensschritt B werden in den Außenring 2 mehrere Ausnehmungen 4 vornehmlich in Form von Durchbrüchen eingearbeitet. Die Ausnehmungen 4 werden umlaufend um den gesamten Außenring 2 eingebracht. Im Ausführungsbeispiel sind lediglich vier Ausnehmungen 4 dargestellt.

[0026] Die als Durchbrüche ausgestalteten Ausnehmungen 4 dienen zur Aufnahme und zur positionsgenauen Befestigung der Leitschaufeln 6. Die Ausnehmungen 4 weisen hierzu ein der Leitschaufel 6 angepasstes Profil auf. Die Ausnehmungen 4 werden insbesondere mittels Laserschweißen oder Wasserstrahlverfahren präzise und profilkonform in den Außenring 2 eingearbeitet.

[0027] In einem Verfahrensschritt C werden die Leitschaufeln 6 nacheinander in die ihnen zugeordneten Ausnehmungen 4 eingeschoben und zwischen dem Außenring 2 und einem Innenring 10 angeordnet. Dabei werden die Leitschaufeln 6 bevorzugt von außen durch die Ausnehmungen 4 in Richtung zum Innenring 10 durchgeschoben. Wegen der profilierten Ausbildung der Ausnehmungen 4 werden die einzelnen Leitschaufeln 6 in den Ausnehmungen 4 ortsfest und verdrehsicher positioniert. Damit ist sowohl der Abstand, die sogenannte Teilung, benachbarter Leitschaufeln 6 zueinander festgelegt als auch ihr sogenannter Aufdrehwinkel in Bezug zur Axialachse 8 des Außenrings 2. Der Aufdrehwinkel gibt die Position oder Drehstellung des Querschnittsprofils der Leitschaufeln 6 bezüglich der Axialachse 8 an.

[0028] In einem darauf folgenden Verfahrensschritt, der in der Figur nicht separat dargestellt ist, werden die Leitschaufeln mit ihren ersten Enden, nämlich ihren Außenenden 14, in den Ausnehmungen 4 befestigt und mit ihren zweiten Enden, nämlich ihren Innenenden 12, am Innenring 10. Sie werden dabei bevorzugt mittels Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen verschweißt.

[0029] Am Ende dieses Verfahrensschritts ist ein Leitschaufelkranz 16 gebildet, der einen Außenring 2, einen Innenring 10 und dazwischen gleichmäßig voneinander beabstandete Leitschaufeln 6 aufweist. Die Leitschaufeln 6 erstrecken sich um die gesamte, zwischen dem Innenring 10 und dem Außenring 2 gebildeten Ringfläche.

[0030] In einem Verfahrensschritt D wird unmittelbar auf den Außenring 2 ein Stützring 18 aufgebracht, welcher um den Außenring 2 bevorzugt vollständig als geschlossener Ring herumläuft.

[0031] Dieser Stützring 18 dient zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Leitschaufelkranzes 16. Bei Verwendung eines geeignet starken Schneid- und Schweißwerkzeugs zur Einarbeitung der Ausnehmungen 4 und zum Verschweißen der Leitschaufeln 6 in und an den Ringen 2,10 kann auf diesen Stützring 18 auch verzichtet werden. In diesem Fall ist der Außenring 2 deutlich stärker als bei der Variante mit Stützring 18 ausgebildet.

[0032] In einem letzten Verfahrensschritt E wird der Leitschaufelkranz 16 in mehrere Leitschaufelsegmente 20 unterteilt, wobei in Figur 2 nur ein Leitschaufelsegment 20 dargestellt ist, welches vier Leitschaufeln 6 aufweist. Die Unterteilung des Leitschaufelkranzes 16 in Leitschaufelsegmente 20 erfolgt durch geeignete Trennverfahren. Die Leitschaufelsegmente 20 weisen jeweils ein erstes Ringsegment, nämlich ein Außenringsegment 24, sowie ein zweites Ringsegment, nämlich ein Innenringsegment 22 auf, wobei die einzelnen Leitschaufeln 6 vom Innenringsegment 22 bis in die Ausnehmungen 4 des Außenringsegments 24 reichen.

[0033] In Figur 2 ist zum Verfahrensschritt E auf die Darstellung des Stützrings 18 der Übersichtlichkeit halber verzichtet. Die Aufteilung des Leitschaufelkranzes 16 in mehrere Leitschaufelsegmente 20 erfolgt vorzugsweise nach dem Anbringen des Stützrings 18.

[0034] Die Größe der einzelnen Leitschaufelsegmente 20 richtet sich nach ihrer thermischen Beanspruchung beim Betrieb der Turbine. Wesentlich ist hierbei, dass aufgrund der thermischen Belastung zwischen den einzelnen Leitschaufelsegmenten 20 ausreichende Dehnspalte vorgesehen sind.

[0035] Die einzelnen Verfahrensschritte, insbesondere die Verfahrensschritte B und C sowie das anschließende Befestigen der Leitschaufeln 6, erfolgen vorzugsweise automatisch, insbesondere vollautomatisch. Das beschriebene Herstellungsverfahren eignet sich nämlich sehr gut für eine automatische Fertigung. Mit der automatischen Fertigung wird eine deutlich höhere Präzision und Produktivität erzielt, als dies manuell nach herkömmlicher Art möglich ist. Dadurch werden die Strömungsbedingungen in der Turbine gegenüber dem herkömmlichen Herstellungsverfahren verbessert. Aufgrund der im Vergleich zu den Leitschaufeln eines Niederdruckteils vergleichsweise kleinen Leitschaufeln eines Hochdruck- oder auch Mitteldruckteils weist das neue Verfahren insbesondere für eine Hochdruck- oder Mitteldruckstufe montagetechnische Vorteile auf.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelbauteils (16,20) für eine Turbine, insbesondere eines Leitschaufelbauteils 16,20) für eine Hochdruck- oder Mitteldruckstufe einer Turbine, bei dem zur Ausbildung eines Leitschaufelkranzes (16)

- in einem ersten Ring (2) Ausnehmungen (4), insbesondere Durchbrüche, für jeweils eine Leitschaufel (6) eingebracht werden,

- in die Ausnehmungen (4) jeweils eine Leitschaufel (6) eingeführt wird, und

- die jeweilige Leitschaufel (6) mit ihrem ersten Ende (14) in der jeweiligen Ausnehmung (4) und mit ihrem zweiten Ende (12) an einem zweiten Ring (10) befestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ausnehmungen (4) mit einem an das Leitschaufelprofil angepasstem Profil ausgebildet werden und die Position der einzelnen Leitschaufeln (6) zueinander festlegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ausnehmungen (4) mit einem an das Leitschaufelprofil angepassten Profil ausgebildet werden und die Verdrehstellung der Leitschaufeln (6) zu der Axialachse (8) des Rings (2) festlegen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ausnehmungen (4) mittels Laserschneiden oder mittels Wasserstrahlverfahren eingebracht werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leitschaufeln (6) in den Ausnehmungen (4) insbesondere mittels Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen verschweißt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Einfügen der Leitschaufeln (6) am ersten Ring (2) ein Stützring (18) angebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leitschaufelkranz (18) in einzelne Leitschaufelsegmente (20) geteilt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Leitschaufelbauteil (16,20) automatisch gefertigt wird.

9. Leitschaufelbauteil (16,20) für eine Turbine, insbesondere für eine Hochdruck- oder Mitteldruckstufe einer Turbine, bei dem eine Leitschaufel (6) zwischen einem ersten Ringsegment (24) und einem zweiten Ringsegment (22) angeordnet ist und in einer insbesondere als Durchbruch ausgebildeten Ausnehmung (4) des ersten Ringsegments (24) mit ihrem ersten Ende (14) und an dem zweiten Ringsegment (22) mit ihrem zweiten Ende (12) befestigt ist.

10. Leitschaufelbauteil (16,20) nach Anspruch 9, bei dem die Leitschaufel (6) mit dem ersten Ringsegment (24) verschweißt ist.

11. Leitschaufelbauteil (16,20) nach Anspruch 9 oder 10, bei dem am ersten Ringsegment (24) ein Stützringsegment (18) angeordnet ist.

Zeichnung