EP3640433A1 - Regelradanordnung für eine dampfturbine sowie verfahren zum herstellen einer regelradanordnung - Google Patents

Regelradanordnung für eine dampfturbine sowie verfahren zum herstellen einer regelradanordnung Download PDF

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EP3640433A1
EP3640433A1 EP19200724.3A EP19200724A EP3640433A1 EP 3640433 A1 EP3640433 A1 EP 3640433A1 EP 19200724 A EP19200724 A EP 19200724A EP 3640433 A1 EP3640433 A1 EP 3640433A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control wheel
wheel arrangement
turbine
turbine shaft
arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19200724.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan PREIBISCH
Matthias SCHÖNEICH
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 AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3640433A1 publication Critical patent/EP3640433A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
    • 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
    • F01D5/34—Rotor-blade aggregates of unitary construction, e.g. formed of sheet laminae
    • 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
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
    • 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
    • F05D2230/10—Manufacture by removing material

Definitions

  • the invention relates to a control wheel arrangement for a steam turbine according to the preamble of independent patent claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing a control wheel arrangement according to independent patent claims 5 and 6.
  • a steam turbine usually consists of several turbine stages, each of which is composed of a ring of guide vanes and rotor blades. The blades are attached to the rotor.
  • the guide vanes are arranged on the inside of the housing or on a special guide vane carrier.
  • the turbine power is regulated by regulating the amount of steam supplied by means of control valves.
  • a control wheel arrangement is connected upstream of the first turbine stage.
  • the control wheel arrangement is a special constant pressure stage.
  • the control wheel or the blading of the control wheel arrangement is also referred to as an action wheel or as an A wheel if the impeller is single-ring and as a Curtis wheel if the impeller has two rings.
  • the rotor blades of the impeller, in particular those of the control wheel, of the control stage of a steam turbine are milled from the solid together with the shroud and, if necessary, are additionally provided with damping wires that are calked in at the side for optimum vibration damping in the shroud area.
  • the cover bands of the rotor blades avoid gap losses at the rotor blade tip and thereby increase the efficiency of the steam turbine.
  • the radial gap between the cover band and the steam turbine housing or the guide vane carrier is sealed with a labyrinth in order to minimize the gap losses.
  • the blades of the control wheel are preferably attached to the turbine shaft by means of a foot / groove connection.
  • a foot / groove connection Depending on the mechanical stress, different foot / groove connections are available for attaching the rotor blades to the turbine shaft, such as hammer head, double hammer head, dovetail, fir tree or plug-in feet or T-foot / groove connections.
  • the turbine shaft is provided with grooves with corresponding undercuts, into which adapted feet are inserted on the rotor blades.
  • the blades of the control wheel are exposed to high centrifugal forces due to their function. In order to achieve a high efficiency of the steam turbine, they have the largest possible outflow area. This means that the blades of the control wheel preferably have large blade lengths. At the same time, however, the blades are subject to larger pressure differences, which in turn limit the maximum blade length. High-strength steels are therefore used for common applications. Where these can no longer be used for reasons of centrifugal force, titanium blades are used which, due to their lower density, also experience lower centrifugal forces. However, these blades are considerably more expensive than steel blades and are also limited in terms of their maximum operating temperatures.
  • the currently used foot / groove connections of the control wheel arrangement are overstressed in part. Due to the higher centrifugal forces and the increased steam forces, the stresses in the foot / groove connections of the control wheel can often be greater than acceptable.
  • the currently known embodiments of the control wheel are based on a one-piece design of the rotor blades and the shroud, the rotor blades using conventional foot / groove connections such as for example fir tree foot connections, are connected to the turbine shaft.
  • the control wheel forms a closed ring and enables the control wheel to withstand higher loads.
  • Such a design of the control wheel requires a very precise production so that all groove and foot connections mesh cleanly.
  • the formation of the T-shaped grooves is still necessary, which are complex to form individually and represent a weakening of the shaft.
  • the object of the present invention is therefore to provide a control wheel arrangement for a steam turbine which is simple, safe and inexpensive to manufacture and which withstands high steam inlet parameters and high rotation speeds. Furthermore, it is an object of the invention to provide a method for producing such a control wheel arrangement.
  • control wheel arrangement for a steam turbine, comprising a turbine shaft and a control wheel connected in a rotationally fixed manner to the turbine shaft and comprising a plurality of moving blades, is characterized in that the control wheel is formed in one piece with the turbine shaft.
  • the one-piece design of the control wheel and turbine shaft eliminates the otherwise common foot / groove connection. Due to the one-piece design, the shaft / blade connection is no longer limiting the load capacity of the control wheel. Thus, the speed can be increased significantly, whereby the performance of the machine driven by the turbine can also be increased. As a result, the machines on a rod (e.g. steam turbine and compressor) are better coordinated and run at their optimum operating point.
  • a rod e.g. steam turbine and compressor
  • control wheel arrangement Due to the integral design of the control wheel with the turbine shaft, an axial securing of the control wheel on the turbine shaft is no longer necessary. Such a control wheel also enables a larger compensating piston to be used on the turbine shaft, since there is no need for complex and space-consuming drilling. Accordingly, the axial bearings on the turbine shaft can advantageously be made smaller due to the lower axial forces.
  • the control wheel arrangement according to the invention has significant cost advantages over the previous control wheel arrangements, since the individual blades no longer have to be manufactured individually and have to be introduced manually into the shaft.
  • An embodiment of the invention provides that the rotor blades of the control wheel are formed by means of a machining production process, in particular milling.
  • the cutting process enables a particularly simple and inexpensive possibility of forming the individual blades in the control wheel.
  • post-processing can be carried out, for example, by grinding, polishing or rolling.
  • control wheel is provided with a shroud which is formed in one piece with the control wheel.
  • the integral design of the control wheel and shroud eliminates the need to retrofit the shroud to the individual blades of the control wheel.
  • the one-piece design ensures a particularly rigid design of the control wheel.
  • the shroud connects the free ends of the blade to one another, thereby stabilizing them against vibrations and sealing them axially.
  • control wheel is provided with a shroud which is connected to the control wheel in a material and / or form-fitting manner.
  • the separate training of control wheel and shroud can. U. easier to manufacture. Due to the lack of a shroud, the blades, in particular, can be formed more easily from the turbine shaft blank by means of a machining production process.
  • the cover band can then be attached in a simple manner by means of a material and / or positive connection to the ends of the rotor blade of the control wheel.
  • the control wheel is formed in one piece with the turbine shaft.
  • the turbine shaft blank has material added, for example in the form of a corresponding shoulder.
  • the individual rotor blades are then machined from this by machining the turbine shaft blank.
  • the machining is carried out in such a way that the blade ends are formed in one piece with the shroud.
  • the control wheel and cover band are therefore an integral part of the turbine shaft.
  • the control wheel can be stressed much more, since the limiting shaft / groove connection is completely eliminated.
  • the control wheel arrangement is therefore suitable for significantly higher speeds as well as for significantly higher steam parameters, as a result of which the overall efficiency of the turbomachine can be increased.
  • the one-piece design of the control wheel with the turbine shaft results in significant cost advantages. Furthermore, the assembly is simplified since the turbine shaft does not have to be individually equipped with the moving blades.
  • the control wheel is again formed in one piece with the turbine shaft.
  • the cover band is subsequently applied by means of a material and / or positive connection, for example by welding or riveting or by additive manufacturing processes, and connects the free ends of the rotor blade to one another, thereby stabilizing them against vibrations and sealing them axially.
  • control wheel arrangement according to the invention and the method according to the invention for producing such a control wheel arrangement create a control wheel arrangement which can withstand significantly higher forces and loads than the known embodiments.
  • the one-piece design of the control wheel with the turbine shaft eliminates the shaft vane connection which was previously limiting.
  • the one-piece training results in cost advantages and assembly advantages.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a control wheel arrangement 1 for a steam turbine in a side view.
  • the control wheel arrangement 1 comprises a turbine shaft 2 and a control wheel 4, which is connected to the turbine shaft 2 in a rotationally fixed manner and comprises a plurality of rotor blades 3.
  • the control wheel 4 is formed in one piece with the turbine shaft 2.
  • the individual blades 3 of the control wheel 4 are produced from a turbine shaft blank by means of a machining production process, for example milling.
  • the one-piece design of the control wheel 4 eliminates the otherwise necessary foot / groove connection, which is usually responsible for limiting the load capacity of the control wheel 4.
  • the one-piece design of the control wheel 4 and the turbine shaft 2 eliminates the complex production of the grooves in the turbine shaft and the likewise very complex production of the blade root profiles on the individual rotor blades 3. In addition, there is no manual assembly of the individual rotor blades 3 in the respectively associated groove in the Turbine shaft 2 necessary, which significantly reduces the manufacturing and assembly times.
  • the control wheel 4 of the control wheel arrangement 1 further comprises a shroud 5.
  • the shroud 5 connects the free ends of the blades 3 to one another, as a result of which they are stabilized against vibrations. Furthermore, the shroud seals the gap between the control wheel 4 and the turbine housing. For this purpose, sealing tips are usually attached in the cover band.
  • the cover band 5 is formed in one piece with the control wheel 4. This results in a particularly rigid connection of the blade ends to the cover band 5. A subsequent, time-consuming application of the cover band 5 is eliminated.
  • FIG 2 shows the detail Z FIG. 1 .
  • the detailed view again shows the one-piece design of the control wheel arrangement 1, comprising the control wheel 4, the turbine shaft 2 and the cover band 5 clearly.
  • the one-piece design of the control wheel arrangement is achieved by first producing a turbine shaft blank by means of casting or forging, a corresponding material addition, for example in the form of a shoulder, being provided directly during manufacture.
  • the control wheel 4 is then formed with the individual moving blades 3 and possibly the cover band 5 by machining, for example milling.
  • a further processing of the surfaces for example grinding, polishing or rolling, can be carried out after milling.
  • the individual blades 3 can be formed from the turbine shaft blank in a very simple manner.
  • the control wheel 4 or the control wheel arrangement 1 is suitable for substantially higher speeds and steam input parameters. As a result, the efficiency of the steam turbine can be increased significantly.
  • FIG 3 shows a second embodiment of a control wheel arrangement 1.
  • the figure shows a radial section through a rotor blade 3.
  • the cover band 5 is not formed in one piece with the control wheel 4 or the rotor blades 3, but later by means of a material and / or positive connection the control wheel 4 connected.
  • the two-part design simplifies the milling process for the rotor blades 3.
  • the cover tape 5 can then be applied in a simple manner. For example, brazing or welding is suitable as the integral connection.
  • it is attached by means of a positive transition to the blade ends.
  • the shroud 5 is stepped and shrunk onto the free ends of the blades 3.
  • control wheel arrangement 1 for a steam turbine with the integral construction of the control wheel 4 and turbine shaft 2 has clear advantages over the control wheel arrangements known from the prior art.
  • control wheel arrangement 1 In addition to the significantly higher load capacity of the control wheel arrangement 1, there are also significant simplifications in the manufacture and assembly. In addition to the higher resilience, this results in significant cost advantages.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelradanordnung (1) für eine Dampfturbine umfassend eine Turbinenwelle (2) sowie ein mit der Turbinenwelle (2) drehfest verbundenes und eine Vielzahl von Laufschaufeln (3) umfassendes Regelrad (4). Das Regelrad (4) ist dabei einstückig mit der Turbinenwelle (2) ausgebildet. Ferner umfasst die Erfindung Verfahren zum Herstellen einer solchen Regelradanordnung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Regelradanordnung für eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Regelradanordnung nach den unabhängigen Patentansprüchen 5 und 6.
  • Eine Dampfturbine besteht in der Regel aus mehreren Turbinenstufen, die sich jeweils aus einem Kranz von Leit- und Laufschaufeln zusammensetzen. Die Laufschaufeln sind am Rotor befestigt. Die Leitschaufeln sind an der Innenseite des Gehäuses oder an einem speziellen Leitschaufelträger angeordnet. Die Regelung der Turbinenleistung erfolgt durch eine Regelung der zugeführten Dampfmenge mittels Stellventilen. Bei Turbinen mit einem großen Regelbereich, wird der ersten Turbinenstufe eine Regelradanordnung vorgeschaltet. Bei der Regelradanordnung handelt es sich um eine spezielle Gleichdruckstufe. Das Regelrad bzw. die Laufbeschaufelung der Regelradanordnung wird auch als Aktionsrad oder als A-Rad bezeichnet, wenn das Laufrad einkränzig ausgebildet ist und als Curtisrad, wenn das Laufrad zweikränzig ausgebildet ist. Es ist bekannt, dass die Laufschaufeln des Laufrades, insbesondere die des Regelrades, der Regelstufe einer Dampfturbine zusammen mit dem Deckband aus dem Vollen gefräst sind und ggf. zusätzlich im Deckbandbereich mit seitlich eingestemmten Dämpfungsdrähten für optimale Schwingungsdämpfung versehen sind. Die Deckbänder der Laufschaufeln vermeiden Spaltverluste an der Laufschaufelspitze und erhöhen dadurch den Wirkungsgrad der Dampfturbine. Der radiale Spalt zwischen dem Deckband und dem Dampfturbinengehäuse bzw. dem Leitschaufelträger ist mit einem Labyrinth abgedichtet, um die Spaltverluste zu minimieren.
  • Die Befestigung der Laufschaufeln des Regelrades an der Turbinenwelle erfolgt vorzugsweise durch eine Fuß/NutVerbindung. Je nach mechanischer Beanspruchung stehen für die Befestigung der Laufschaufeln des Regelrades an der Turbinenwelle verschiedene Fuß/Nut-Verbindungen wie beispielsweise Hammerkopf-, Doppelhammerkopf-, Schwalbenschwanz-, Tannenbaum- oder Steckfüße bzw. T-Fuß/Nut-Verbindungen zur Verfügung. Die Turbinenwelle ist dabei mit Nuten mit entsprechenden Hinterschneidungen versehen, in die daran angepasste Füße an den Laufschaufeln eingeführt werden.
  • Die Laufschaufeln des Regelrades sind funktionsbedingt hohen Fliehkraftbeanspruchungen ausgesetzt. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Dampfturbine weisen diese eine möglichst hohe Abströmfläche auf. Das bedeutet, dass die Laufschaufeln des Regelrades vorzugsweise große Schaufellängen haben. Gleichzeitig sind die Laufschaufeln jedoch größeren Druckdifferenzen unterlegen, die die maximale Laufschaufellänge wiederum begrenzen. Für übliche Anwendungen kommen daher hochfeste Stähle zur Anwendung. Wo diese aus Gründen der Fliehkraftbeanspruchung nicht mehr einsetzbar sind, werden Titanschaufeln verwendet, die aufgrund der geringeren Dichte auch geringere Fliehkraftbeanspruchungen erfahren. Allerdings sind diese Schaufeln wesentlich teuer als Stahlschaufeln und auch hinsichtlich ihrer maximalen Einsatztemperaturen begrenzt.
  • Da die Dampfeinsatzparameter vor der Regelradanordnung einer Dampfturbine stets größer werden und die Rotationsgeschwindigkeit des Regelrades der Regelradanordnung ebenfalls stetig zunimmt, sind die derzeit verwendeten Fuß/Nut-Verbindungen der Regelradanordnung zum Teil überbeansprucht. Aufgrund der höheren Zentrifugalkräfte und den erhöhten Dampfkräften können die Spannungen in den Fuß/Nut-Verbindungen des Regelrades häufig größer als akzeptabel sein. Die derzeit bekannten Ausführungsformen des Regelrades basieren auf einer einstückigen Ausführung der Laufschaufeln und des Deckbandes, wobei die Laufschaufeln über konventionelle Fuß/Nut-Verbindungen wie beispielsweise Tannenbaumfußverbindungen, mit der Turbinenwelle verbunden sind.
  • Im Falle eines hochbeanspruchten Regelrades können zwei oder drei Laufschaufeln ein Laufradsegment bilden. Hierdurch kann die Anzahl der Füße für die Fuß/Nut-Verbindung optimiert werden, um eine höhere Beanspruchung zu ermöglichen. Um eine höhere Rotationsgeschwindigkeit zu ermöglichen, kann der Mittendurchmesser des Regelrades verringert werden, um eine reduzierte Spannungsbeanspruchung zu erzielen. Dies führt aber zu höheren axialen Kräften, welche größere Axiallager erfordert. Gleichzeitig wird das Leistungsvermögen der Dampfturbine reduziert.
  • Um eine höhere Beanspruchbarkeit des Regelrads zu ermöglichen, schlägt die DE 10 2010 007 335 A1 vor, die Laufschaufeln, das Deckband und die Füße des Regelrades monolithisch mittels Funkenerodieren und/oder spanend aus einem einzigen Werkstück herzustellen, wobei die Füße des Laufrades einen T-förmigen Querschnitt aufweisen. Das Regelrad bildet dabei einen geschlossenen Ring und ermöglicht hierdurch dass das Regelrad höheren Beanspruchungen standhält. Eine derartige Ausbildung des Regelrades erfordert jedoch eine sehr genaue Fertigung, damit sämtliche Nut- und Fußverbindungen sauber ineinandergreifen. Außerdem ist weiterhin die Ausbildung der T-förmigen Nuten notwendig, welche aufwändig einzeln auszubilden sind und eine Schwächung der Welle darstellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Regelradanordnung für eine Dampfturbine bereitzustellen, die einfach, sicher und günstig herzustellen ist, und die hohen Dampfeinlassparametern sowie hohen Rotationsgeschwindigkeiten standhält. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Regelradanordnung bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich der Regelradanordnung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 5 und 6 gelöst.
  • Weitere Vorteile der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Regelradanordnung für eine Dampfturbine, umfassend eine Turbinenwelle sowie ein mit der Turbinenwelle drehfest verbundenes und eine Vielzahl von Laufschaufeln umfassendes Regelrad zeichnet sich dadurch aus, dass das Regelrad einstückig mit der Turbinenwelle ausgebildet ist.
  • Durch die einstückige Ausbildung von Regelrad und Turbinenwelle entfällt die sonst übliche Fuß/Nut-Verbindung. Durch die einstückige Ausbildung ist die Wellen/Schaufel-Verbindung nicht mehr begrenzend für die Belastbarkeit des Regelrades. Somit kann die Drehzahl deutlich gesteigert werden, wodurch die Leistung der durch die Turbine angetriebenen Maschine ebenfalls gesteigert werden kann. Die Maschinen eines Stanges (z.B. Dampfturbine und Verdichter) sind hierdurch besser aufeinander abgestimmt und laufen in ihrem optimalen Betriebspunkt.
  • Durch die einstückige Ausbildung des Regelrads mit der Turbinenwelle ist eine axiale Sicherung des Regelrads auf der Turbinenwelle nicht mehr notwendig. Ein derartiges Regelrad ermöglicht auch, dass ein größerer Ausgleichskolben an der Turbinenwelle eingesetzt werden kann, da ein aufwändiges und platzbenötigendes Verbohren entfällt. Dementsprechend können vorteilhafterweise die Axiallager an der Turbinenwelle, aufgrund der geringeren Axialkräfte, kleiner ausgebildet werden. Die erfindungsgemäße Regelradanordnung besitzt gegenüber den bisherigen Regelradanordnungen deutliche Kostenvorteile, da die einzelnen Schaufeln nicht mehr einzeln gefertigt und manuell in die Welle eingebracht werden müssen.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Laufschaufeln des Regelrades mittels eines spanenden Fertigungsverfahrens, insbesondere Fräsen ausgebildet sind. Das spanende Verfahren ermöglicht eine besonders einfache und preiswerte Möglichkeit der Ausbildung der einzelnen Schaufel im Regelrad. Zur Verbesserung der Oberflächenqualität kann eine Nachbearbeitung beispielsweise mittels Schleifen, Polieren oder Rolieren erfolgen.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Regelrad mit einem Deckband versehen ist, welches einstückig mit dem Regelrad ausgebildet ist. Durch die einstückige Ausbildung von Regelrad und Deckband entfällt eine nachträgliche Montage des Deckbands an den einzelnen Laufschaufeln des Regelrads. Die einstückige Ausbildung sorgt für eine besonders steife Ausführung des Regelrads. Das Deckband verbindet die freien Enden der Laufschaufel miteinander, wodurch diese gegen Schwingungen stabilisiert und axial abgedichtet werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Regelrad mit einem Deckband versehen ist, welches stoff- und/oder formschlüssig mit dem Regelrad verbunden ist. Das separate ausbilden von Regelrad und Deckband kann u. U. fertigungstechnisch einfacher erfolgen. Durch das fehlende Deckband können insbesondere die Laufschaufeln einfacher mittels eines spanenden Fertigungsverfahren aus dem Turbinenwellenrohling ausgebildet werden. Das Befestigen des Deckbands mittels einer stoff- und/oder formschlüssigen Verbindung an den Enden der Laufschaufel des Regelrads kann danach auf einfache Weise erfolgen.
  • Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Regelradanordnung zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:
    • Herstellen eines Turbinenwellenrohlings mittels Gießen oder Schmieden;
    • Ausbilden des Regelrads aus dem Turbinenwellenrohling durch spanende Bearbeitung, insbesondere Fräsen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bereits beim Herstellen des Turbinenwellenrohlings berücksichtigt, dass das Regelrad einstückig mit der Turbinenwelle ausgebildet ist. Der Turbinenwellenrohling weist hierzu an der entsprechenden Stelle eine Materialzugabe beispielsweise in Form eines entsprechenden Absatzes auf. Hieraus werden anschließend durch spanende Bearbeitung des Turbinenwellenrohlings die einzelnen Laufschaufeln herausgearbeitet. Dabei erfolgt die spanende Bearbeitung derart, dass die Laufschaufelenden mit dem Deckband einstückig ausgebildet werden. Somit ist das Regelrad samt Deckband integraler Bestandteil der Turbinenwelle. Hierdurch kann das Regelrad deutlich stärker beansprucht werden, da die limitierende Wellen-/Nutverbindung vollständig entfällt. Die Regelradanordnung ist somit für deutlich höhere Drehzahlen, als auch für deutlich höhere Dampfparameter geeignet, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad der Turbomaschine steigern lässt. Durch die einstückige Ausbildung des Regelrads mit der Turbinenwelle ergeben sich deutliche Kostenvorteile. Des Weiteren vereinfacht sich die Montage, da die Turbinenwelle nicht einzeln mit den Laufschaufeln bestückt werden muss.
  • Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Regelradanordnung umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
    • Herstellen eines Turbinenrotorrohlings mittels Gießen oder Schmieden;
    • Ausbilden des Regelrads aus dem Turbinenwellenrohling durch spanende Verarbeitung insbesondere Fräsen;
    • Montage des Deckbandes auf dem Regelrad durch eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung.
  • Auch bei dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren ist das Regelrad wieder einstückig mit der Turbinenwelle ausgebildet. Hierdurch ergeben sich wiederum die bereits beschriebenen Vorteile, insbesondere der Wegfall der begrenzenden Wellen/Nutverbindung, wodurch deutliche höhere Belastungen ertragbar sind. Das Deckband wird bei diesem Verfahren nachträglich durch eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung, beispielsweise durch Schweißen oder Nieten oder durch additive Fertigungsverfahren aufgedruckt, aufgebracht und verbindet die freien Enden der Laufschaufel miteinander, wodurch diese gegen Schwingungen stabilisiert und axial abgedichtet werden.
  • Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass durch die erfindungsgemäße Regelradanordnung sowie durch die erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer solchen Regelradanordnung eine Regelradanordnung geschaffen wird, die im Vergleich zu den bekannten Ausführungsformen deutlich höhere Kräfte bzw. Belastungen stand hält. Durch die einstückige Ausbildung des Regelrads mit der Turbinenwelle entfällt die bislang begrenzende Wellenschaufelverbindung. Gleichzeitig ergeben sich durch die einstückige Ausbildung Kostenvorteile sowie Vorteile hinsichtlich der Montage.
  • Nachfolgend werden weitere Vorteile der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1
    eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Regelradanordnung;
    FIG 2
    eine Detailansicht Z der erfindungsgemäßen Regelradanordnung aus FIG 1;
    FIG 3
    einen Axialschnitt durch eine Laufschaufel einer erfindungsgemäßen Regelradanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Die Zeichnungen stellen jeweils nur schematische Darstellungen der Erfindung dar, die nicht zwangsläufig maßstabgerecht sein müssen. Dabei werden nur die für die Erfindung wesentlichen Bauteile gezeigt. Gleiche bzw. funktionsreiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • FIG 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Regelradanordnung 1 für eine Dampfturbine in einer Seitenansicht. Die Regelradanordnung 1 umfasst eine Turbinenwelle 2 sowie ein mit der Turbinenwelle 2 drehfest verbundenes und eine Vielzahl von Laufschaufeln 3 umfassendes Regelrad 4. Das Regelrad 4 ist dabei einstückig mit der Turbinenwelle 2 ausgebildet. Dabei sind die einzelnen Laufschaufeln 3 des Regelrads 4 mittels eines spanenden Fertigungsverfahrens, beispielsweise Fräsen, aus einem Turbinenwellenrohling hergestellt. Durch die einstückige Ausbildung des Regelrads 4 entfällt die sonst notwendige Fuß/Nut-Verbindung, die üblicherweise für die Begrenzung der Belastbarkeit des Regelrads 4 verantwortlich ist. Durch die einstückige Ausbildung von Regelrad 4 und der Turbinenwelle 2 entfallen das aufwändige Herstellen der Nuten in der Turbinenwelle und das ebenfalls sehr aufwändige Herstellen der Schaufelfußprofile an den einzelnen Laufschaufeln 3. Zudem ist keine manuelle Montage der einzelnen Laufschaufeln 3 in der jeweils zugehörigen Nut in der Turbinenwelle 2 notwendig, wodurch sich die Fertigungs- und Montagezeiten deutlich verringern. Das Regelrad 4 der Regelradanordnung 1 umfasst weiterhin ein Deckband 5. Das Deckband 5 verbindet die freien Enden der Laufschaufeln 3 miteinander, wodurch diese gegen Schwingungen stabilisiert werden. Des Weiteren dichtet das Deckband den Spalt zwischend dem Regelrad 4 und dem Turbinegehäuse ab. Hierzu sind im Deckband üblicherweise Dichtspitzen angebracht. Das Deckband 5 ist in einem ersten Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Regelrad 4 ausgebildet. Hierdurch ergibt sich eine besonders steife Verbindung der Laufschaufelenden mit dem Deckband 5. Ein nachträgliches zeitaufwändiges Aufbringen des Deckbandes 5 entfällt.
  • FIG 2 zeigt das Detail Z aus FIG 1. Aus der Detailansicht wird noch einmal die einstückige Ausbildung der Regelradanordnung 1, umfassend das Regelrad 4, die Turbinenwelle 2 sowie das Deckband 5 deutlich. Die einstückige Ausbildung der Regelradanordnung wird erreicht, indem zunächst ein Turbinenwellenrohling mittels Gießen oder Schmieden hergestellt wird, wobei bei der Herstellung direkt eine entsprechende Materialzugabe beispielsweise in Form eines Absatzes vorgesehen ist. Anschließend wird das Regelrad 4 mit den einzelnen Laufschaufeln 3 und ggf. dem Deckband 5 durch spanende Bearbeitung, beispielsweise Fräsen, ausgebildet. Um eine höhere Oberflächenqualität zu erzielen kann nach dem Fräsen eine weitere Bearbeitung der Oberflächen beispielsweise ein Schleifen, Polieren oder Rolieren durchgeführt werden. Das Ausbilden der einzelnen Laufschaufeln 3 aus dem Turbinenwellenrohling kann auf sehr einfache Weise erfolgen. Da das aufwändige Ausbilden der Nuten in der Turbinenwelle 2 und das Ausbilden der Schaufelfüße an den einzelnen Laufschaufeln 3 entfällt, vereinfacht sich die Herstellung erheblich, dies geht mit deutlichen Kosteneinsparungen und einer deutlich verringerten Montagezeit einher. Dadurch dass keine Nut/Fuß-Verbindung erforderlich ist, ist das Regelrad 4 bzw. die Regelradanordnung 1 für wesentliche höhere Drehzahlen und Dampfeingangsparameter geeignet. Hierdurch kann der Wirkungsrad der Dampfturbine deutlich gesteigert werden.
  • FIG 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Regelradanordnung 1. Die Abbildung zeigt dabei einen radialen Schnitt durch eine Laufschaufel 3. Das Deckband 5 ist hierbei nicht einstückig mit dem Regelrad 4 bzw. den Laufschaufeln 3 ausgebildet, sondern nachträglich mittels einer stoff- und/oder formschlüssigen Verbindung mit dem Regelrad 4 verbunden. Durch die zweiteilige Ausbildung wird der Fräsvorgang für die Laufschaufeln 3 vereinfacht. Das Aufbringen des Deckbands 5 kann anschließend auf einfache Weise erfolgen. Als stoffschlüssige Verbindung ist beispielsweise ein Hartlöten oder Schweißen geeignet. Im Ausführungsbeispiel nach FIG 3 erfolgt die Befestigung mittels eines formschlüssigen Übergangs an den Laufschaufelenden. Hierzu ist das Deckband 5 gestuft ausgebildet und auf die freien Enden der Laufschaufeln 3 aufgeschrumpft.
  • Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die erfindungsgemäße Regelradanordnung 1 für eine Dampfturbine mit der einstückigen Ausbildung von Regelrad 4 und Turbinenwelle 2 deutliche Vorteile gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Regelradanordnungen aufweist. Neben der deutlich höheren Belastbarkeit der Regelradanordnung 1 ergeben sich zusätzlich deutliche Vereinfachungen bei der Herstellung und der Montage. Hierdurch ergeben sich zusätzlich zu der höheren Belastbarkeit deutliche Kostenvorteile.

Claims (6)

  1. Regelradanordnung (1) für eine Dampfturbine, umfassend einen Turbinenrotor (2) sowie ein mit dem Turbinenrotor (2) drehfest verbundenes und eine Vielzahl von Turbinenschaufeln (3) umfassendes Regelrad (4),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Regelrad (4) einstückig mit dem Turbinenrotor (2) ausgebildet ist.
  2. Regelradanordnung (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Turbinenschaufeln (3) des Regelrades (4) mittels eines spanenden Fertigungsverfahrens, insbesondere Fräsen, ausgebildet sind.
  3. Regelradanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Regelrad (4) mit einem Deckband (5) versehen ist, welches einstückig mit dem Regelrad (4) ausgebildet ist.
  4. Regelradanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Regelrad (4) mit einem Deckband (5) versehen ist, welches stoff- und/oder formschlüssig mit dem Regelrad (4) verbunden ist.
  5. Verfahren zum Herstellen einer Regelradanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
    - Herstellen eines Turbinenrotorrohlings mittels gießen oder schmieden;
    - Ausbilden des Regelrades (4) aus dem Turbinenrotorrohlings durch spanende Bearbeitung, insbesondere Fräsen.
  6. Verfahren zum Herstellen einer Regelradanordnung (1) nach Anspruch 4,
    umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
    - Herstellen eines Turbinenrotorrohlings mittels gießen oder schmieden;
    - Ausbilden des Regelrades (4) aus dem Turbinenrotorrohlings durch spanende Bearbeitung, insbesondere Fräsen;
    - Montage des Deckbandes (5) auf dem Regelrad (4) durch eine stoff- und/oder formschlüssig Verbindung.
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