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Dokumentenidentifikation DE20221061U1 24.02.2005
Titel Lasergeschweißte Laufräder und Leiträder für Turbinen und Verdichter
Anmelder Winter, Lothar, 12623 Berlin, DE;
Hannemann, Erik, 14197 Berlin, DE
DE-Aktenzeichen 20221061
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 24.02.2005
Registration date 20.01.2005
Application date from patent application 27.12.2002
File number of patent application claimed 102 61 262.5
IPC-Hauptklasse F04D 29/18
IPC-Nebenklasse F04D 29/28   F01D 5/12   F01D 9/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Laufräder und Leiträder für Turbinen und Verdichter, die bisher aus massivem Material, vorzugsweise hochfesten Edelstählen, gefertigt und die Leitschaufeln durch spanabhebende Bearbeitung aus diesem Material heraus gearbeitet werden, dies betriftt alle Laufrädern, die der 1 bei Radialverdichtern entsprechen. Bei geometrisch einfachen aufgebauten Laufrädern und Leiträdern wie z.B. von Axialverdichter, die nicht so hohen Belastungen hinsichtlich an den Verbindungsstellen ausgesetzt sind, können die Laufräder auch aus Einzelteilen zusammengesetzt werden. Für diesen Fall sind komplizierte Passungen (z.B. tannenbaumförmig) und Spannelemente für die Verbindung mit dem Rotationsgrundkörper notwendig.

Bei den einfacher aufgebauten Leiträdern die ohnehin nicht großen Betriebsbelastungen ausgesetzt sind, da sie selber nicht bewegt werden und somit auch keine Unwuchten oder zentrifugalen Kräfte auftreten können, werden anstelle der lösbaren Spannelemente auch Passungen gefertigt, die dann mittels Schweißen dauerhaft verbunden werden. Diese Schweißarbeiten dienen nur der Lagefixierung, für die Übertragung größerer Kräfte und Belastungen sind sie nicht geeignet, so daß die Schweißnahtbereiche immer in unkritischen Bereichen weit weg von der wirksamen Leitschaufel liegen müssen.

Diese Erfindung hat neue konstruktive und technische Lösungen zum Inhalt, die die bisherige aufwendige spanabhebende Bearbeitung der Leitschaufeln aus dem massiven Material der Laufräder und Leiträder, durch Anschweißen der Leitschaufeln auf den Rotationskörper der Laufräder und Leiträder, vermeidet.

Die meisten dieser Turbinen- und Verdichter arbeiten überwiegend nach dem Prinzip der Umwandlung von Rotationsenergie in einem Laufrad / Rotor in kinetische Energie und bei Verdichtern in Druckenergie. In beiden Aggregaten – Turbinen und Verdichter – kommen Laufräder und Leiträder zum Einsatz, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht.

Turbinen und Verdichter haben in der Industrie und anderen Bereichen der Volkswirtschaft eine große Einsatzbreite. So finden Verdichter Verwendung, in

  • der Grundstoffindustrie,
  • der Chemische Industrie,
  • der Düngemittelindustrie,
  • der Petrochemie und in Raffinieren,
  • der Öl- und Gasindustrie
  • für
  • den Gastransport,
  • die Herstellung von: Ammoniak, Salpeter-, Terephthalsäure usw.
  • die Erzeugung von Kälte,
  • die Herstellung von Methanol,
  • die Kohlevergasung,
  • die Hochofenwinderzeugung,
  • die Luftzerlegung,
  • die Drucklufterzeugung,

Die Erfindung soll am Beispiel der Radialverdichter und Axialverdichter beschrieben werden.

Der Radialverdichter besteht wie die Kreiselpumpe in der Hauptsache aus einem rotierenden Schaufelrad = Laufrad, welches sich auf einer Achse befindet, und einem umschließenden Leitrad. Das Laufrad kann sowohl geschlossen, d.h. mit Deckel, als auch offen ohne Deckel gestaltet sein, bei der Version ohne Deckel bildet das Gehäuseoberteil den oberen Abschluß der Verdichterkannäle des Laufrades wobei allerdings durch den Luftspalt zwischen Rotor und Gehäuse ein Leistungsverlust auftritt.

Das Leitrad hat die Form eines Diffusors, in dem ein Teil der im Rotor erzeugten kinetischen Energie in Druckenergie umgewandelt wird. Das Medium, nehmen wir hier zum Beispiel Luft, wird vorne im Laufrad in der Achsnähe angesaugt und durch die Schaufeln des Laufrades auf hohe Winkelgeschwindigkeiten gebracht. Durch die dabei entstehende Zentrifugalkraft wird die Luft nach außen geschleudert. Dadurch wird ein statischer Druckanstieg im Rotor verursacht, der mit wachsendem Radius ansteigt. Im Leitrad wird der Rest an statischer Energie gewonnen. Das Leitrad für diese Type ist denkbar einfach aufgebaut und besteht aus Ober- und Unterscheibe, auch Deckel genannt, zwischen denen sich, wenn benötigt, die Schaufeln befinden. Ein Laufrad zusammen mit seinem Leitrad bilden immer eine Verdichterstufe. Die Radialverdichter können sowohl einstufig als auch mehrstufig aufgebaut werden.

Dabei können die Verdichterstufen hintereinander auf einer Welle liegen oder auch z.B. bei den Getriebeverdichtern auf einzelnen Achswellen liegen, die über Zahnradritze von einem großen Zahnrad zentral angetrieben werden. Wirkprinzip ist, dass die in einer Verdichterstufe beschleunigte oder verdichtete Luft in der darauf folgenden Verdichterstufe weiter beschleunigt oder verdichtet wird.

Der Axialverdichter besteht aus einem Rotor und dem Stator. Der Rotor ist die Antriebswelle auf dem sich die Laufräder befinden Diese Laufräder können mit und ohne Außenring hergestellt sein. Der Stator ist das umfassende Gehäuse in dem die fest stehenden Leiträder untergebracht sind. Die Laufräder und Leiträder sind abwechselnd hintereinander angeordnet, ein Laufrad und das dazugehörige Leitrad bilden zusammen eine Verdichterstufe.

Die hochpräzisen und hochbelasteten Laufräder und die hochpräzisen und belasteten Leiträder wurden auf Grund ihrer mechanischen und thermischen Belastung, sowie der oft komplizierten geometrischen Gestaltung der Leitschaufeln und deren rotationssymetrischen Anordnung auf dem Lauf- oder Leitrad durch mechanische, spanabhebende Bearbeitung aus dem vollem Material der Rotationskörper herausgearbeitet, Die Rauhigkeit der Oberflächen wird durch geeignete technologische Verfahren minimiert. Die Laufräder und Leiträder werden abschließend thermisch vergütet. Der technisch technologische Aufwand für diese Arbeiten ist erheblich und wird nur von hoch spezialisierten Unternehmen durchgeführt. Schweißtechnik für das Bearbeiten von Laufrädern und Leiträdern wird nur dort eingesetzt, wo keine hohen Anforderungen hinsichtlich Präzision, mechanischer und thermischer Belastung bei einfacher geometrischer Gestaltung der Leitschaufeln bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit Hilfe der neuen technisch-technologischen Möglichkeiten des Laser- und Elektronenstrahlschweißens auch die bisher aus massivem Material oder mit kompliziert gestalteten Passungen versehenen Einzelteilen hergestellte Lauf- und Leiträder durch neue konstruktive Lösungen technisch-technologisch einfacher und kostengünstiger herzustellen.

Die erfinderische Lösung wird mit einer getrennten Bearbeitung der Rotationskörper und der Leitschaufeln sowie dem schweißtechnischen Zusammenfügen von Rotationskörper, Leitschaufeln, Deckscheiben der Laufräder sowie den Außenringen und Innenringen der Leiträder mit Stumpf- und Durchschweißnähten der Laser- und Elektronenstrahlschweißtechnik erzielt.

Die Erfindung und die Schutzansprüche sollen an Hand der Abbildungen beispielhaft beschrieben werden.

In den 13 ist das Laufrad eines Radialverdichters mit und ohne Deckscheibe (3) dargestellt.

In der 4 wird das Laufrad eines Axialverdichters und in der 5 ein Leitrad dargestellt.

In der 68 ist das Laufrad eines Radialverdichters im Schnitt und der Draufsicht dargestellt.

Die 9 beschreibt das Zusammenfügen von Leitschaufel (2) mit der Deckscheibe (3) eines Radialverdichterlaufrades, den äußeren Leitschaufelring (4) eines Axialverdichterlaufrades und einen inneren bzw. äußeren Ring eines Leitrades (4, 5) mit Durchschweißnähten einer Laser- und/oder Elektronenstrahlschweißanlage.

Die 10 und 11 beschreiben das Zusammenfügen nach 9 mit verschiedenen Führungsnutformen für Leitschaufeln (7).

In der 12 ist das Zusammenfügen der Leitschaufeln (2) eines Radial- und Axialverdichters mit dem Rotationsgrundkörper (1) des Laufrades dargestellt. Hier wird die Leitschaufel (2) in einer Nut (7) des Rotationsgrundkörpers (1) fixiert und mit dem Rotationsgrundkörper (1) mit Hilfe einer Stumpfnaht (8), einer Laser- und/oder Elektronenstrahlanlage verschweißt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der erheblichen Reduzierung des Fertigungsaufwandes der Laufräder durch Wegfall des spanabhebenden mechanischen Herausarbeitens vorzugsweise Fräsens der Leitschaufeln aus dem massiven Rotationsgrundkörper der Laufräder oder dem sehr komplizierten und teurem spanabhebenden Herstellen von sehr genauen Passungen. Durch den Wegfall der verspannten Passungen und dem Einsatz des Laser- oder Elektronenstrahlschweißens wird sowohl die Qualität, besonders die thermische und mechanische Belastbarkeit der Laufräder und Leiträder verbessert .

Das Laser- und/oder Elektronenstrahlschweißen ermöglicht die Herstellung von Stumpfnähten und Durchschweißnähten mit den verschiedenen zu verschweißenden Materialien ohne Schweißhilfsstoffe und mit geringer Erwärmung des gesamten Schweißkörpers (Rotationsgrundkörper und Leitschaufeln).

Auf Grund dieser geringen Erwärmung wird eine Nachbearbeitung und eine thermische Nachbehandlungen des fertigen Laufrades minimiert. Die Stumpf- und Durchschweißnähte der Laser- und/oder Elektronenstrahlanlagen bedürfen keiner mechanischen Nachbearbeitung und verringern so ebenfalls die Fertigungsaufwendungen.

Die Leitschaufeln können einzeln je nach dem Typ und den Anforderungen hinsichtlich Form, Oberfläche und Materialeigenschaften bearbeitet werden.

Mit dieser erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich geworden, für den Rotationsgrundkörper des Laufrades und die Leitschaufeln jeweils das günstigste Material und die Bearbeitung auszuwählen.

1.Rotationsgrundkörper 2.Leitschaufel 3.Deckscheibe 4.Leitschaufelring außen 5.Leitschaufelring innen 6.Durchschweißnaht 7.Führungsnut für Leitschaufel 8.Stumpfnaht 9.Leitschaufelfuß

13 Laufrad eines Radialverdichters

4 Laufrad eines Axialverdichters

5 Leitrad eines Axialverdichters

6 Laufrad eines Axialverdichters im Schnitt

7, 8 Laufrad eines Radialverdichters Daraufsicht

9 Detail im Schnitt der Verbindung Leitschaufel mit der Deckscheibe eines Radialverdichter oder Außen- und Innenring eines Axialverdichter.

10 Detail wie 9 mit Nut für Leitschaufel

11 Detail wie 9 mit veränderter Nut für Leitschaufel

12 Detail im Schnitt der Verbindung Leitschaufel mit dem Rotationsgrundkörper


Anspruch[de]
  1. Lasergeschweißte Laufräder für Turbinen und Verdichter (15) dadurch gekennzeichnet, daß die Laufräder aus dem Rotationsgrundkörper (1) und den einzeln gefertigten Leitschaufeln (2) bestehen, die in ihren Festigkeitswerten optimiert, deren Form und Oberflächen entsprechend dem Einsatzzweck der Turbine und des Verdichters bearbeitet und vergütet sind, und diese Leitschaufeln (2) auf den Rotationsgrundkörper (1) der Laufräder mit den Leitschaufelfuß (9) mit einer Stumpfnaht (8), einer Laser-/oder Elektronenstrahlschweißanlage eingeschweißt sind.
  2. Lasergeschweißte Laufräder für Turbinen und Verdichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (2) in gefrästen Nuten (7) des Rotationsgrundkörpers (1) des Laufrades fixiert und mit einer Stumpfnaht (8), einer Laser-/oder Elektronenstrahlschweißanlage eingeschweißt sind.
  3. Lasergeschweißte Laufräder für Turbinen und Verdichter nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Deckscheiben (3) oder der äußere Leitschaufelring (4) des Laufrades mit Nuten (7) zum Fixieren und der Aufnahme der Leitschaufeln (2) versehen und mit einer einlagigen oder mehrlagigen Durchschweißnaht einer Laser-/ oder Elektronenstrahlanlage mit den Leitschaufeln (2) verschweißt sind.
  4. Lasergeschweißte Leiträder für Turbinen und Verdichter dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und Aussenringe (4, 5) des Leitrades mit einer einlagigen oder mehrlagigen Durchschweißnaht einer Laser-/ oder Elektronenstrahlanlage mit den Leitschaufeln (2) des Leitrades verschweißt sind.
  5. Lasergeschweißte Leiträder für Turbinen und Verdichter dadurch gekennzeichnet, das die Leitschaufeln (2) des Leitrades in gefräste Nuten in der zur Schaufel hin zeigenden Seite der Innen- und Aussenringe (4,5) des Leitrades eingesteckt und mit einer einlagigen oder mehrlagigen Durchschweißnaht einer Laser-/ oder Elektronenstrahlanlage verschweißt sind.
Es folgen 12 Blatt Zeichnungen






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