DE3137029A1 - "aus einzelschmiedestuecken zusammengeschweisster turbinenrotor" - Google Patents

"aus einzelschmiedestuecken zusammengeschweisster turbinenrotor"

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DE3137029A1
DE3137029A1 DE19813137029 DE3137029A DE3137029A1 DE 3137029 A1 DE3137029 A1 DE 3137029A1 DE 19813137029 DE19813137029 DE 19813137029 DE 3137029 A DE3137029 A DE 3137029A DE 3137029 A1 DE3137029 A1 DE 3137029A1
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Germany
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turbine rotor
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shaft
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DE19813137029
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Otto-Erich Ing.-grad. 4330 Mülheim a.d.Ruhr Wiemer
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Kraftwerk Union AG
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Kraftwerk Union AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F01D5/063Welded rotors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • Aus Einzel.schmi.e.de.stücken .z.usammeng.es.chweißt.er Turbinen-
  • rotor Die Erfindung bezieht sich auf einen aus Einzelschmiedestücken zusammengeschweißten Turbinenrotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein derartiger Turbinenrotor ist aus dem Buch von W Traupel "Thermische Elrbomaschinen", 2. Band, Springer-Verlag, 1968, Seiten 297 bis 305, bekannt. Dabei sind die durchgehende Welle des Turbinenrotors und die Scheiben als Einzelschmiedestücke ausgebildet. Die Scheiben werden mit leichter Schrumpfspannung auf die Welle aufgezogen und dann durch Schweißung mit dieser verbunden. Die Schweißung ist als sogenannte Lippenschweißung ausgeführt, wobei ein ringförmiger Ansatz der Scheibe mit einem ähnlichen hinterdrehten Ansatz der Welle verbunden ist. Diese Lippenschweißung hat gegenüber einfachen Schrumpfverbindlmgen den Vorteil, daß im Betrieb eine einwandfreie Zentrierung gesichert ist, auch wen die Schrumpfspannung verschwindet. Andererseits dürfte die Festigkeit einer derartigen Verbindung jedoch relativ gering sein. Außerdem führen die für die Lippenschweißung erforderlichen Ansätze von Welle und Scheiben zu einer Vergrößerung des Scheiben standes und damit zu einer größeren Baulänge.
  • Aus der eingangs genannten Literaturstelle ist es auch bekannt, einen Turbinenrotor aus mehreren in axialer Richtung aneinandergereihten Einzelschmiedestücken aufzubauen und die Verbindungen durch entsprechende Schweißnähte herzustellen. Bei dieser Bauart muß å jedoch auf die günstigen Festigkeitseigenschaften einer durchgehenden Welle verzichtet werden.
  • Aus der eingangs genannten Literaturstelle ist es ferner bekannt, einen Turbinenrotor einteilig auszubilden, wobei die Scheiben aus dem Vollen herausgearbeitet werden, so daß Scheiben und Welle ein Schmiedestück bilden. Diese Bauform besitzt wegen der Einheit von Welle und Scheiben besonders günstige Festigkeitseigenschaften. Außerdem ergibt sich bei dieser einteiligen Bauform ein geringer Abstand zwischen den Scheiben, wodurch kleinere Baulängen und eine Verkürzung des Lagerabstandes ermöglicht werden.
  • Die einteilige Bauform stellt jedoch bei großen Abmessungen sehr hohe Anforderungen an die Schmiedetechnik.
  • Insbesondere sind die erforderlichen Werkstoffkontrollen wesentlich schwieriger als bei kleineren Schmiedestücken.
  • Außerdem erfordert das Herausarbeiten der Scheiben aus dem Vollen einen erheblichen Aufwand.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen arbinenrotor zu schaffen, welcher aus einfach herstellbaren Einzelschmiedestücken zusammengebaut werden kann und ähnliche Festigkeitseigenschaften aufweist wie ein einteiliger Turbinenrotor.
  • Bei einem aus Einzelschmiedestücken zusammengeschweißten Turbinenrotor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Turbinenrotor werden dle Fußteile der Scheiben aus dem Vollen herausgearbeitet, so daß die Fußteile und die Welle ein Schmiedestück bilden und in dem für die Festigkeitseigenschaften kritischen Ubergangsbereich zwischen Welle und-Scheiben die gleichen Bedingungen vorliegen wie bei einem einteiligen <«rbinenrotor. Die übrigen ringförmigen Scheibenteile werden dann als separate Schmiedestücke ausgebildet, wobei sämtliche Einzelsehmiedestücke gut durchgeschmiedet werten können. Im Vergleich zu vollständig aus dem Vollen heraus- gearbeiteten Läuferscheiben erfordert das Herausarbeiten der Fußteile nur einen geringen Aufwand. Durch das Zerauso arbeiten der Fußteile aus dem Vollen können die zur Verbindung der Fußteile mit den übrigen ringförmigen Scher ben vorgesehenen Schweißnähte in einen Bereich gelegt werden, in welchem keine Biegewechselspannungen zu erwarten sind und in welchem eine gute Zugänglichkeit für das Anbringen der Schweißnähte gewährleistet ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Turbinenrotors ist, daß insbesondere-im Hinblick auf die Baulänge und den Scheibenabstand die gleichen Abmessungen realisiert werden können, wie bei einem einteiligen Turbinenrotor Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinenrotors ist vorgesehen, daß die Schweißnähte sich über die gesamte Breite der Scheibe an den Verbindungsstellen erstrecken. Der gesamte Turbinenrotor verhält sich dann wie ein einteiliges Werkstück.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Welle angeschmiedete Kupplljngsflansche besitzt, deren Außendurchmesser Jeweils geringer ist als die Innendurchmesser der zugeordneten ringförmigen Scheibenteile. Bei einer entsprechenden Bemessung der ringförmigen Scheibenteile braucht also auf die günstigen Eigenschaften angeschmiedeter Kupplungsflansche nicht erzichtet zu werden.
  • Zur Erleichterung der gegenseitigen Ausrichtung der einzelnen Schmiedestücke beim Zusammenbau des Turbinenrotors können die Fußteile und die ringförmigen Scheibenteile einander zugeordnete Zentrierbunde besitzen. Dann können auch die Nahtwurzeln der Schweißnähte-in die außerhalb der Scheibenkontur liegenden Bereiche der Zentrierbunde gelegt werden. Eine derartige Ausbildung der Schweißnähte hat den Vorteil, daß nach dem Schweißen die Zentrierbunde tris zur Scheibenkontur abgedreht werden können und hierdurch ein Anreißen der damit ebenfalls entfernten Nahtwurzeln ausgeschlossen werden kann.
  • Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigt: Fig. 1 in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen teilweisen Längsschnitt durch einen Dampfturbinenrotor, Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch den Turbinenrotor einer doppelflutigen Dampfturbine und Fig. 3 eine Scheibe des in Fig. 2 dargestellten Turbinenrotors in der Umgebung einer noch nicht angebrachten Schweißnaht.
  • In dem in Fig. 1 dargestellten Teil eines DampSturbinenrotors sind eine Welle 1, ein an die Welle 1 angeschmiedeter Kupplungsflansch 2 und mehrere in Abstand zueinander angeordnete Scheiben zu erkennen. Auf die Darstellung eines zweiten Kupplungsflansches und der von den Scheiben zu tragenden Beschaufelung wurde verzichtet. Die Scheiben 3 bestehen dabei jeweils aus einem Fußteil 31 und einem sich in radialer Richtung nach außen daran anschließenden ringförmigen Scheibenteil 32. Die Verbindung eines Fußteils 31 und des zugeordneten ringförmigen Scheibenteils 32 ist dabei jeweils durch eine in Umfangsrichtung verlaufende und sich über die gesamte Breite der Scheibe 3 erstreckende Schweißnaht 33 hergestellt. Die Fußteile 3 der Scheiben 3 sind aus dem Vollen herausgearbeitet, so daß die Welle 1, die Kupplungsflansche 2 und die Fußteile 31 ein Schmiedestück bilden. Die ringförmigen Scheiben teile 32 sind jeweils als separate Schmiedestücke asbildet. Insgesamt gesehen werden also nur verhältnismäßig leichte Schmiedestücke für den Aufbau des Durbinenrotors benötigt, was die Werkstoffkontrolle erleichtert und die Ausschußgefahr herabsetzt.
  • Bei dem-dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Scheiben 3 als Scheiben gleicher Dicke ausgebildet, die lediglich im Ubergangsbereich zu der Welle 1 verbreitert sind.
  • Es ist aber ersichtlich, daß die Scheiben 3 auch mit Fußverstärkungen ausgeführt werden könnten, wodurch der Span abfall beim Herausarbeiten der Fußteile 31 reduziert w'?1rde. Damit die ringförmigen Scheibenteile 32 beim Zusammenbau des Turbinenrotors über die Kupplungsflansche 2 geschoben werden können, ist der Innendurchmesser Di der ringförmigen Scheibenteile 33 stets etwas größer zu bemessen, als der Außendurchmesser Da der Kupplungsflansche 2.
  • Der I.nnendurchmLesser D. der ringförmigen Scheibenteile 32 sollte jedoch nicht zu groß bemessen werden, da sonst die Abmessungen des inneren Schmiedestückes vergrößert wirden md auch beim Herausdrehen der Kontur zwischen den vU13-teilen 3< der Aufwand Mid der Spananfall gesteigert würden.
  • In dem in Fig. 2 dargestellten Teil des Durbinenrotors einer doppelflutigen Dampfturbine sind eine Welle 4 und im Abstand zueinander angeordnete Scheiben 5, 6, 7 und 8 zu erkennen. Die übrigen in der Zeichnung nicht dargestellten Scheiben des Turbinenrotors sind bezüglich der mit M bezeichneten Mittenebene genau spiegelbildlich zu den Scheiben 5 bis 8 angeordnet. Die Scheibe 5 besteht aus einem mit der Welle 4 einstückig verbundenen Fußteil 51 und einem sich in radialer Richtung nach außen daran anschließenden ringförmigen Scheibenteil 52, wobei die Verbindung durch eine in Unifangsrichtung verlaufende Schweißnaht 53 hergestellt ist. In entsprechender Weise bestehen die Scheiben 6, 7 und 8 aus Fußteilen 61 bzw. 71 bzw.- 8i und ringförmigen Scheibenteilen 62 bzw, 72 bzw 82, wobei die Verbindungen durch Schweißnähte 63 bzw. 73 bzw. 83 hergestellt sind. Die Kontur der Fußteile 51, 61, 71 und 81 wird aus dem Vollen herausgedreht und kann daher hinsichtlich der Fußverstärkung der Einstechtiefe auf die an der jeweiligen Stelle vorhandenen Erfordernisse abgestellt werden. Die Kontur der ringförmigen Scheibenteile 52, 62, 72 und 82 wird ebenfalls vor dem Zusammenbau des Turbinenrotors weitgehend fertiggestellt, so daß sie nach dem Verschweißen nur noch geringfügig überarbeitet werden muß. Die Innendurchmesser der ringförmigen Scheibenteile 52, 62, 72 und 82 können ebenfalls den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden, wobei jedoch im Hinblick auf den Zusammenbau diese Innendurchmesser von außen her zur Mittenebene M hin ansteigen sollten. Außerdem sollte bei der Festlegung der Abmessungen und der Einstechtiefen auf die gute Zugänglichkeit für die Anbringung der Schweißnähte 53, 63, 73 und 83 geachtet werden1 d. h. die Fußteile 51, 61, 71 und 81 sollten deutlich aus der Welle 4 hervorstehen.
  • Am Beispiel der Scheibe 7 ist in Fig. 3 dargestellt, wie der Zusammenbau des Turbinenrotors vereinfacht und gleichzeitig die Güte der Schweißung verbessert werden kann. Der Fußteil 71 der Scheibe 7 besitzt einen seitlichen Zentrierbund 74, mit welchem ein entsprechender Zentrierbund 75 des ringförmigen Scheibenteils 73 in radialer und axialer Richtung zur Anlage gebracht werden kann. Die Zentrierbunde 74 und 75 ermöglichen somit- eine rasche und exakte Ausrichtung des ringförmigen Scheibenteils 72. In Fig. 3 ist ferner zu erkennen, daß der Fußteil 71 eine konisch geneigte Außenfläche und der ringförmige Scheibenteil 73 eine konisch geneigte Innenfläche besitzt, wobei die Neigungen auf den keilförmigen Querschnitt der Schweißnaht 73 (Fig. 2) abgestellt sind..
  • Beim Anbringen der Schweißnaht 73 werden die Zentrierbunde 74 und 75 zumindest so weit aufgeschmolzen, daß die Nahtwurzel in einem.Bereich außerhal-b der eigentlichen Scheibenkontur liegt. Beim Überdrehen der Scheibenkontur nach dem Schweißen wird dann die Nahtwurzel entfernt und eine von ihr ausgehende Rißgefahr vollständig vermieden. Der Turbinenrotor kann nach dem Verschweißen der Einzelschmiedestücke ggf. noch spannungsarm glüht werden.
  • 5 Patentansprüche 3 Figuren Leerseite

Claims (5)

  1. Pat entansrüche Aus Einzelschmiedestücken zusammengeschweißter Turbinenrotor, insbesondere Dampfturbinenrotor, mit einer durchgehenden Welle und im Abstand zueinander darauf angeordneten Scheiben, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) die Welle (1; 4) und aus dem Vollen.herausgearbeitete Fußteile (31; 51, 61, 71, 81) der Scheiben- (3; 5, 6, 7, 8) bilden ein Schmiedestück; b) die in radialer Richtung nach außen an die Fußteile (31; 51, 61, 71, 81) anschließenden ringförmigen Scheibenteile (32; 52, 62, 72, 82) sind als separate Schmiedestücke ausgebildet; c) die Verbindungen zwischen den Fußteilen (31; 51, 61, 71, 81) und den ringförmigen Scheibenteilen (32i 52, 62, 72, 82) sind durch in Umoangsrichtung verlaufende Schweißnähte (33; 53, 63, 73, 83) hergestellt.
  2. 2. Aus vinzelschmiedestücken zusammengeschweiSter Turbinenrotor nach- Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Schweißnähte (33; 53, 63, 73, 83) sich über die gesamte Breite der Scheiben (3; 5, 6, 7, 8) an den Verbindungsstellen erstrecken.
  3. 3. Aus Einzeischmiedestücken zusammengeschweißter Turbinenrotor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g ek e n n z e i c n n e t, daß die Welle (1) angeschmiedete Kupplungsflansche (2) besitzt, deren Außendurchmesser (Da) jeweils geringer ist als die Innendurchmesser (Di) der zugeordneten ringförmigen Scheibenteile (32).
  4. 4. Aus Einzelschmiedestücken zusammengeschweißter Turbinenrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche , d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, -daß die Fußteile (71) und die ringförmigen Scheibentelle (72) einander zugeordnete Zentrierbunde (74, 75) besitzen.
  5. 5. Aus Einzelschmieiestücken zusamnengeschweißter Turbinenrotor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Nahtwurzeln der Schweißnähte (73) in die außerhalb der Scheibenkontur liegenden Bereiche der Zentrierbunde (74, 75) gelegt sind.
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