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DE102019202054A1 - Rotor blade for a thermal rotary machine and method for producing such a rotor blade - Google Patents

Rotor blade for a thermal rotary machine and method for producing such a rotor blade Download PDF

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DE102019202054A1
DE102019202054A1 DE102019202054.2A DE102019202054A DE102019202054A1 DE 102019202054 A1 DE102019202054 A1 DE 102019202054A1 DE 102019202054 A DE102019202054 A DE 102019202054A DE 102019202054 A1 DE102019202054 A1 DE 102019202054A1
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DE
Germany
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rotor
rotor blade
area
producing
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102019202054.2A
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German (de)
Inventor
Detlef Haje
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 Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Priority to BR112021015937-1A priority patent/BR112021015937A2/en
Priority to CN202080014750.8A priority patent/CN113518849A/en
Priority to PCT/EP2020/053334 priority patent/WO2020165096A1/en
Priority to EP20706955.0A priority patent/EP3908737A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (1) für eine thermische Rotationsmaschine, umfassend wenigstens einen, einen Strömungsprofil (2) ausbildenden, Schaufelblattbereich (3) und einen, zur Befestigung der Laufschaufel (1) an einem Rotor ausgebildeten, Schaufelfußbereich (4). Die Laufschaufel (1) ist aus wenigstens zwei vorgefertigten Bauteilen (5, 6, 7) zusammengebaut und weißt wenigstens einen Hohlraum (8) auf, welcher durch Innenflächen (9) wenigstens zweier Bauteile (5, 6, 7) der Laufschaufel (1) begrenzt ist. Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Laufschaufel (1).

Figure DE102019202054A1_0000
The invention relates to a rotating blade (1) for a thermal rotary machine, comprising at least one blade area (3) forming a flow profile (2) and a blade root area (4) designed to attach the rotating blade (1) to a rotor. The rotor blade (1) is assembled from at least two prefabricated components (5, 6, 7) and has at least one cavity (8) which is formed by inner surfaces (9) of at least two components (5, 6, 7) of the rotor blade (1) is limited. The invention further comprises a method for producing such a rotor blade (1).
Figure DE102019202054A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine thermische Rotationsmaschine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Laufschaufel nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs 7.The invention relates to a rotor blade for a thermal rotary machine according to the preamble of independent claim 1 and a method for producing such a rotor blade according to the preamble of independent method claim 7.

Laufschaufeln für thermische Rotationsmaschinen, wie beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen sind neben den hohen thermischen Belastungen häufig auch hohen Fliehkräften ausgesetzt und entsprechend auszulegen. Insbesondere bei großen Schaufellängen und/oder hohen Drehzahlen lassen sich die Laufschaufeln nur noch mit hochfesten Werkstoffen oder schließlich gar nicht mehr realisieren. Schaufeln für verschiedene Drehzahlen lassen sich dabei durch die Größe A · n2 miteinander vergleichen, wobei A die überstrichene Fläche und n die Drehzahl darstellt.Rotating blades for thermal rotating machines, such as steam or gas turbines, are often exposed to high centrifugal forces as well as high thermal loads and must be designed accordingly. In particular, with large blade lengths and / or high speeds, the moving blades can only be made with high-strength materials or, ultimately, no longer at all. Blades for different speeds can be compared with each other by the quantity A · n 2 , where A represents the swept area and n the speed.

Derzeit werden Laufschaufeln in der Regel einstückig, beispielsweise aus Schmiedestücken oder Halbzeugen hergestellt. Die Laufschaufeln weisen dabei einen Schaufelfuß auf, mit dem sie in eine im Rotor ausgebildete Rotornut eingesetzt werden, um eine Schaufelreihe zu bilden. Dabei kann jede Laufschaufel in eine eigene Axialnut oder alle Laufschaufeln einer Schaufelreihe in eine gemeinsame umlaufende Nut eingesetzt werden. Die höchst beanspruchten Bereiche der Laufschaufel sind dabei der Schaufelfuß und der Übergang vom Schaufelfuß in den Blattbereich; auch das Blatt selbst ist in weiten Teilen seiner Erstreckung hoch beansprucht.At the moment, rotor blades are usually made in one piece, for example from forgings or semi-finished products. The rotor blades have a blade root with which they are inserted into a rotor groove formed in the rotor in order to form a row of blades. Each moving blade can be inserted into its own axial groove or all moving blades of a blade row can be inserted into a common circumferential groove. The most highly stressed areas of the blade are the blade root and the transition from the blade root to the blade area; the leaf itself is also highly stressed in large parts of its extension.

Die Beanspruchung des Schaufelfußbereichs und des Schaufelblattbereichs wirken als eine Kombination von LCF Low Cycle Fatigue (LCF) und High Cycle Fatigue (HCF), welche sich aus den Start-Stopp-Lastzyklen (LCF) und Schwingungsanregungen (HCF) zusammensetzen. Aufgrund der hohen Fliehkräfte der Laufschaufel, wirken am Schaufelfuß weiterhin starke Kontaktbeanspruchungen in den Rotornuten. Fliehkräfte können für große Schaufeln dabei bis zu 100 t pro Laufschaufel betragen.The stress on the blade root area and the airfoil area act as a combination of LCF Low Cycle Fatigue (LCF) and High Cycle Fatigue (HCF), which are made up of the start-stop load cycles (LCF) and vibration excitations (HCF). Due to the high centrifugal forces of the rotor blade, strong contact loads continue to act in the rotor slots at the blade root. For large blades, centrifugal forces can be up to 100 t per blade.

Aufgrund bestehender Festigkeitsgrenzen heutiger Werkstoffe, können Laufschaufeln bei einer vorgegebenen Drehzahl somit nur in einer bestimmten Größe gebaut werden. Dadurch ist die überstrichene Fläche A begrenzt, wodurch auch der durch einen Schaufelkranz durchsetzbare Massen- bzw. Volumenstrom begrenzt wird. Dies bedeutet, eine Begrenzung der Leistung der Rotationsmaschine pro Flut auf Grund der ausführbaren Schaufelgröße.Due to the strength limits of today's materials, blades can only be built in a certain size at a given speed. As a result, the swept area A is limited, whereby the mass or volume flow that can be passed through a blade ring is also limited. This means a limitation of the performance of the rotary machine per flood due to the feasible blade size.

Neben dieser Begrenzung der Leistung stellt die hohe fliehkraftbedingte LCF-Beanspruchung heute ausgeführter Laufschaufeln oft eine Begrenzung der zulässigen Lastwechselzahl der Bauteile dar. Bei Erreichen der zulässigen Lastwechselzahlen sind dann aufwendige und teure Prüfungs- bzw. Reparaturarbeiten oder der Austausch von Laufschaufeln oder Rotor notwendig.In addition to this limitation of the performance, the high centrifugal force-related LCF stress of the rotor blades used today often represents a limitation of the permissible number of load cycles of the components. When the permissible number of load cycles is reached, complex and expensive testing or repair work or the replacement of blades or rotor are necessary.

Daraus ergibt sich, dass es für thermische Rotationsmaschinen überaus wünschenswert wäre, Laufschaufeln mit einer größeren überstrichenen Fläche aufzuzeigen. Somit könnte pro Flut eine höhere Leistung erzielt werden, wodurch kompaktere und/oder leistungsfähigere Maschinen ermöglicht würden. Außerdem wäre eine Reduzierung der Fliehkraftwirkung (LCF) wünschenswert, um die ertragbaren Lastwechselzahlen zu erhöhen.As a result, it would be highly desirable for rotary thermal machines to have blades with a larger swept area. Thus, a higher output could be achieved per flood, which would enable more compact and / or more powerful machines. In addition, a reduction in the centrifugal force (LCF) would be desirable in order to increase the tolerable number of load cycles.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche Laufschaufel bereitzustellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen einer solchen Laufschaufel aufzuzeigen.The object of the present invention is to provide such a rotor blade. A further object of the present invention is to indicate a corresponding method for producing such a rotor blade.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Laufschaufel durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen einer solchen Laufschaufel wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 7 gelöst.With regard to the rotor blade, the object is achieved by the features of independent patent claim 1. With regard to the method for producing such a rotor blade, the object is achieved by the features of independent claim 7.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombinationen miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantages and embodiments of the invention, which can be used individually or in combinations with one another, are the subject of the subclaims.

Die erfindungsgemäße Laufschaufel für eine thermische Rotationsmaschine, umfassend wenigstens einen, ein Strömungsprofil ausbildenden, Schaufelblattbereich und einen, zur Befestigung der Laufschaufel an einem Rotor ausgebildeten Schaufelfußbereich, zeichnet sich dadurch aus, dass die Laufschaufel aus wenigstens zwei vorgefertigten Bauteilen zusammengefügt ist und wenigstens einen Hohlraum aufweist, welcher durch Innenflächen wenigstens zweier Bauteile der Laufschaufeln begrenzt ist.The rotor blade according to the invention for a thermal rotary machine, comprising at least one blade area forming a flow profile and a blade root area designed to attach the blade to a rotor, is characterized in that the blade is assembled from at least two prefabricated components and has at least one cavity , which is bounded by inner surfaces of at least two components of the rotor blades.

Durch den Hohlraum bzw. die Hohlräume innerhalb der Laufschaufel wird die Masse der Laufschaufel reduziert, wodurch die Fliehkraftbeanspruchung der Laufschaufeln deutlich reduziert wird. Unter einem Zusammenbau versteht man im Sinne der Erfindung das Fügen mindestens zweier vorgefertigter Bauteile derart, dass deren Oberflächen zumindest einen Teil des späteren Hohlraums begrenzen. Der Vorteil des Zusammenbaus ist, dass die Oberflächen des späteren Hohlraums vor dem Zusammenbau zugänglich sind und bearbeitet und/oder vermessen werden können. Dadurch können hochwertige Oberflächen des Hohlraums (höhere HCF-/LCF-Beanspruchungen) und/oder genauere Wanddicken- und Geometrieeigenschaften (tragende Querschnitte, Unwuchtbeiträge und/oder Fliehkraftbeiträge) erzielt werden. Es wird somit eine Innenkontur des Hohlraums fester Geometrie und optional bearbeiteter Oberflächen erzielt. Eine solche Bearbeitung des Hohlraums ist nur durch den Zusammenbau der vorgefertigten Bauteile möglich.The mass of the rotor blade is reduced by the cavity or the cavities within the rotor blade, as a result of which the centrifugal load on the rotor blades is significantly reduced. In the context of the invention, an assembly is understood to be the joining of at least two prefabricated components in such a way that their surfaces delimit at least part of the subsequent cavity. The advantage of the assembly is that the surfaces of the later cavity are accessible before assembly and can be processed and / or measured. This allows high-quality surfaces of the cavity (higher HCF / LCF stresses) and / or more precise Wall thickness and geometry properties (load-bearing cross-sections, unbalance contributions and / or centrifugal force contributions) can be achieved. An inner contour of the cavity of fixed geometry and optionally machined surfaces is thus achieved. Such processing of the cavity is only possible by assembling the prefabricated components.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schaufelblattbereich mit dem Schaufelfußbereich durch Zusammenbau eines oder mehrerer vorgefertigter Bauteile ausgebildet ist. One embodiment of the invention provides that the blade area with the blade root area is formed by assembling one or more prefabricated components.

Bevorzugt wird der Schaufelfußbereich, welcher hohen Kontaktbeanspruchungen und hohen Zugbeanspruchungen des Schaufelblattbereichs ausgesetzt ist, aus einem hochfesten, schweißbaren Material hergestellt. Damit werden hohe Beanspruchbarkeiten erzielt, was sich vorteilhaft auf die ausführbare Schaufellänge und/oder auf die zulässigen Startzahlen (LCF-Beanspruchung) auswirkt.The blade root area, which is exposed to high contact loads and high tensile loads on the blade area, is preferably made of a high-strength, weldable material. In this way, high levels of stress are achieved, which has an advantageous effect on the implementable blade length and / or on the permissible number of starts (LCF stress).

Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die vorgefertigten Bauteile durch Schweißen zusammengebaut sind. Durch das Schweißen der Bauteile ist es möglich, Werkstoffe unterschiedlicher Eigenschaften in vorteilhafter Weise zu kombinieren. So kann beispielsweise ein hochfester Schaufelfußbereich mit einem erosionsfesten Schaufelblattbereich kombiniert werden, oder (weil weniger beansprucht) einem weniger hochfesten Schaufelblattbereich. Auch kann der Schaufelblattbereich aus mehreren (optional) unterschiedlichen Werkstoffen gefügt werden. So kann der Schaufelblattbereich beispielsweise im Bereich der Schaufelkanten durch eine Erosionsschutzmaßnahme geschützt werden. Für das Schweißen kommen dabei sämtliche bekannte Schweißverfahren in Frage.Another embodiment of the invention provides that the prefabricated components are assembled by welding. By welding the components, it is possible to combine materials with different properties in an advantageous manner. For example, a high-strength blade root area can be combined with an erosion-resistant airfoil area, or (because less stressed) a less high-strength airfoil area. The airfoil area can also be joined from several (optionally) different materials. For example, the blade area can be protected by an erosion protection measure in the area of the blade edges. All known welding processes can be used for welding.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schweißnahtwurzeln der Schweißnähte, nahe der neutralen Faser der Laufschaufeln hinsichtlich ihrer Haupt-Biegemomente angeordnet sind. Hierzu kann die Innenkontur der Laufschaufel im Schweißbereich so ausgebildet sein, dass die Schweißnahtwurzel räumlich näher an der neutralen Faser liegt. Als Haupt-Biegemomente sind hier neben strömungsinduzierten Biegemomenten insbesondere die mit den Haupt-Eigenformen verknüpften Biegemomente zu betrachten. Um die erforderliche Beanspruchbarkeit der Schweißnaht zu erreichen, ist es zudem sinnvoll, die Schweißnaht so zu positionieren, dass die Schweißnahtwurzel bei Kraftfluss quer zur Schweißnaht nach Möglichkeit in einem spannungsreduzierten Bereich liegt. Zur Erhöhung der LCF-Beanspruchung ist vorzugsweise eine Querschnittsaufdickung auszubilden. Die räumliche Anordnung der Schweißnahtwurzel in der Nähe der neutralen Faser verbessert die HCF-Beanspruchung deutlich. Bei einem Kraftfluss längs zur Schweißnaht ist die Schweißnahtwurzelbeanspruchung nicht maßgeblich und stellt keine Festigkeitseinschränkung dar. Vorteilhaft wird die Schweißnaht auch hierbei so positioniert, dass Schubspannungen und Haupt-Eigenformen gut ertragbar sind, d. h. das die Schweißnahtwurzel wiederum nahe der neutralen Faser angeordnet ist.Another embodiment of the invention provides that the weld seam roots of the weld seams are arranged near the neutral fiber of the rotor blades with regard to their main bending moments. For this purpose, the inner contour of the rotor blade in the weld area can be designed in such a way that the weld seam root is spatially closer to the neutral fiber. In addition to flow-induced bending moments, the bending moments linked to the main eigenmodes are to be considered as the main bending moments. In order to achieve the required load-bearing capacity of the weld seam, it is also useful to position the weld seam in such a way that the weld seam root lies, if possible, in a stress-reduced area when the force flows across the weld seam. In order to increase the LCF stress, a cross-sectional thickening should preferably be formed. The spatial arrangement of the weld root near the neutral fiber significantly improves the HCF stress. In the case of a force flow along the weld seam, the stress on the weld seam root is not decisive and does not constitute a strength restriction. Here, too, the weld seam is advantageously positioned in such a way that shear stresses and main eigenmodes can be easily tolerated, ie. H. that the weld root is in turn arranged near the neutral fiber.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Hohlraum/die Hohlräume im Schaufelblattbereich ausgebildet sind. Durch die Ausbildung des Hohlraums- bzw. der Hohlräume Schaufelblattbereich wird der Schwerpunkt der Laufschaufel näher an die Rotationsachse des Rotors verlegt, wodurch die Fliehkraftbeanspruchung stärker reduziert werden kann als es eine gleiche Einsparung der Masse bewirken würde, welche näher zur Rotorachse hin liegt.A further embodiment of the invention provides that the cavity / cavities are formed in the blade area. Due to the formation of the cavity or the cavities of the blade area, the center of gravity of the rotor blade is moved closer to the axis of rotation of the rotor, whereby the centrifugal force can be reduced more than it would bring about the same saving of mass, which is closer to the rotor axis.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Hohlraum/die Hohlräume im Schaufelblattbereich und im Schaufelfußbereich ausgebildet sind. Dadurch, dass auch im Schaufelfußbereich Hohlräume ausgebildet sind, kann die Gesamtmasse der Laufschaufel weiter reduziert werden, wodurch sich noch geringere Laufschaufelmassen realisieren lassen und damit die Fliehkraftbeanspruchung weiter optimiert werden kann. Hierdurch lassen sich noch größere Schaufelblattlängen erzielen ohne dass die zulässigen Beanspruchungen, insbesondere LCF- und HCF-Beanspruchungen überschritten werden.A further embodiment of the invention provides that the cavity / cavities are formed in the blade area and in the blade root area. Because cavities are also formed in the blade root area, the total mass of the rotor blade can be further reduced, which means that even lower rotor blade masses can be implemented and the centrifugal force load can thus be further optimized. In this way, even greater blade lengths can be achieved without the permissible loads, in particular LCF and HCF loads, being exceeded.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Laufschaufel nach einem der vorherigen Ansprüche, zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:

  • - Herstellen bzw. vorfertigen der einzelnen Bauteile der Laufschaufel mit einer vorgegebenen Innen- und Außenkontur;
  • - Zusammenbau der einzelnen vorgefertigten Bauteile zur fertigen Laufschaufel.
The method according to the invention for producing a rotor blade according to the invention according to one of the preceding claims is characterized by the following method steps:
  • - Manufacture or prefabricate the individual components of the rotor blade with a predetermined inner and outer contour;
  • - Assembly of the individual prefabricated components to form the finished rotor blade.

Vor dem Zusammenbau der einzeln vorgefertigten Bauteile kann die Geometrie der späteren Innen- und Außenkontur optional mit einem 3D-Messverfahren überprüft und die Bauteile ggf. nachbehandelt werden. Ein weiterer Vorteil des Zusammenbaus bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass während des Zusammenbaus die Oberflächen des späteren Hohlraums zugänglich sind und bearbeitet werden können. Dadurch können hochwertige Oberflächen (höhere HCF-/LCF-Beanspruchbarkeit) und/oder genauere Wanddicken und Geometrie-Eigenschaften (tragende Querschnitte, Unwucht- oder Fliehkraftbeitrag) erzielt werden. Es wird hierdurch eine Innenkontur mit fester Geometrie und optional bearbeiteter Oberfläche erzielt. Mit Hilfe des Verfahrens können vorgefertigte Bauteile aus unterschiedlichem Werkstoff mit unterschiedlichen Eigenschaften kombiniert werden, so kann beispielsweise ein hochfester Fußbereich mit einem erosionsfesten Blattbereich kombiniert werden, was bei üblichen Laufschaufeln, die einstückig beispielsweise aus Schmiedestücken oder Halbzeugen hergestellt sind nicht möglich ist.Before assembling the individually prefabricated components, the geometry of the later inner and outer contour can optionally be checked with a 3D measuring process and the components can be post-treated if necessary. Another advantage of the assembly or the method according to the invention is that the surfaces of the subsequent cavity are accessible and can be processed during assembly. This enables high-quality surfaces (higher HCF / LCF resistance) and / or more precise wall thicknesses and geometric properties (load-bearing cross-sections, imbalance or centrifugal force contribution) to be achieved. As a result, an inner contour with a fixed geometry and optionally a machined surface is achieved. With the help of the process, prefabricated components can be made from various Material with different properties can be combined, for example a high-strength foot area can be combined with an erosion-resistant blade area, which is not possible with conventional rotor blades that are made in one piece, for example from forgings or semi-finished products.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass nach dem Zusammenbau der Leitschaufel eine 3D-Vermessung und Erfassung des Schaufelprofils erfolgt und anschließend auf Basis des erfassten Laufschaufelprofils eine Simulation durchgeführt wird, mittels derer überprüft wird, ob zuvor festgelegte Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Wanddicken, Blattgeometrie, Blattposition, Blattmassen und Eigenfrequenzen eingehalten werden. Hierdurch können Fehler, die im Betrieb zu Schäden an der thermischen Rotationsmaschine führen würden, bereits bei der Herstellung ausgeschlossen werden. Die 3D-Vermessung kann dabei das gesamte Laufschaufelprofil oder auch nur das Strömungsprofil des Schaufelblattbereichs vermessen.An embodiment of the method according to the invention is characterized in that after the assembly of the guide vane, a 3D measurement and recording of the blade profile is carried out and a simulation is then carried out on the basis of the recorded blade profile, by means of which it is checked whether previously defined properties, in particular with regard to wall thicknesses , Blade geometry, blade position, blade dimensions and natural frequencies are adhered to. As a result, errors that would lead to damage to the thermal rotary machine during operation can already be ruled out during manufacture. The 3D measurement can measure the entire blade profile or just the flow profile of the blade area.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei Nichteinhaltung einer oder mehrerer festgelegten Eigenschaften aufgrund des erfassten Schaufelprofils eine Bearbeitungsgeometrie für die Außenkontur des Schaufelprofil ermittelt und ausgebildet wird, bei der sämtlich festgelegte Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Wanddicke, Blattgeometrie, Blattposition, Blattmassen und Eigenfrequenzen eingehalten werden. Hierdurch wird der Ausschuss bei der Herstellung von Laufschaufeln deutlich verringert und die Fertigung der Laufschaufeln kostenoptimiert. Trotzdem wird sichergestellt, dass sämtliche geforderten Eigenschaften der Laufschaufeln eingehalten werden.A further embodiment of the method according to the invention provides that if one or more specified properties are not adhered to based on the recorded blade profile, a machining geometry for the outer contour of the blade profile is determined and formed in which all specified properties, in particular with regard to wall thickness, blade geometry, blade position, blade mass and natural frequencies be respected. As a result, the scrap in the manufacture of rotor blades is significantly reduced and the production of the rotor blades is cost-optimized. Nevertheless, it is ensured that all of the required properties of the rotor blades are maintained.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit eine massenreduzierte Laufschaufel mit einer definierten, hoch beanspruchbaren Innenkontur hergestellt werden, welche trotz stoffschlüssigen (schweißtechnischen) Zusammenbaus den Anforderungen an große Laufschaufeln entspricht. Dies ermöglicht durch Fliehkraftreduzierung eine Vergrößerung der maßgeblichen Größe A · n2 und/oder eine Erhöhung der Lastwechselzahlen/Startzahlen (LCF- bzw. HCF-Beanspruchung).By means of the method according to the invention, a reduced-mass rotor blade can thus be produced with a defined, highly stressable inner contour which, in spite of the integral (welding) assembly, meets the requirements for large rotor blades. By reducing the centrifugal force, this enables an increase in the relevant variable A · n 2 and / or an increase in the number of load changes / start numbers (LCF or HCF stress).

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:

  • 1 eine Laufschaufel nach dem Stand der Technik;
  • 2 eine erfindungsgemäße Laufschaufel in einer Seitenansicht;
  • 3 die in 2 gezeigte erfindungsgemäße Laufschaufel entlang der Schnittlinie A-A;
  • 4 die in 2 gezeigte erfindungsgemäße Laufschaufel in einer Detailansicht entlang der Schnittlinie B-B und
  • 5 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laufschaufel.
Further embodiments and advantages of the invention are explained below with reference to the figures. It shows:
  • 1 a prior art blade;
  • 2 a rotor blade according to the invention in a side view;
  • 3 in the 2 The rotor blade according to the invention shown along the section line AA;
  • 4th in the 2 The rotor blade according to the invention shown in a detailed view along the section line BB and FIG
  • 5 a second embodiment of a blade according to the invention.

Die Figuren stellen jeweils, zum Teil stark vereinfachte und schematische Darstellungen dar. Die Figuren sind dabei nicht zwangsläufig maßstabsgerecht dargestellt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.The figures each represent, in some cases greatly simplified, schematic representations. The figures are not necessarily shown to scale. Identical or functionally identical components are provided with the same reference symbols across the figures.

1 zeigt eine Laufschaufel 1 nach dem Stand der Technik. Die Laufschaufel ist dabei einstückig, beispielsweise aus einem Schmiedestück oder einem Halbzeug, hergestellt. Die Laufschaufel 1 umfasst einen in Form eines Strömungsprofils 2 ausgebildenten, Schaufelblattbereich 3 sowie einen zur Befestigung der Laufschaufel 1 an einen Rotor ausgebildeten, Schaufelfußbereich 4. Aufgrund der massiven einstückigen Ausbildung der Laufschaufel 1 wirken während des Betriebs der thermischen Rotationsmaschine hohe Fliehkraftbeanspruchungen. Insbesondere bei großen Schaufellängen und/oder hohen Drehzahlen lassen sich die Laufschaufeln nur mit hochfesten und damit teuren Werkstoffen oder schließlich gar nicht mehr herstellen. Die höchstbeanspruchten Bereiche der Laufschaufel 1 sind dabei der Schaufelfußbereich 4 und der Übergang in den Schaufelblattbereich 3. Auch der Schaufelblattbereich 3 selbst ist in weiten Teilen seiner Erstreckung hoch beansprucht. Die Beanspruchung von Schaufelfuß und -blatt wirken als eine Kombination von LCF- und HCF-Beanspruchung, welche sich aus den Start-Stopp-Lastzyklen (LCF) und den Schwingungsanregungen (HCF) ergeben, zusammen. Aufgrund der bestehenden Festigkeitsgrenzen heutiger Werkstoffe können somit nur Laufschaufeln 1 einer bestimmten Größe gebaut werden. 1 shows a rotor blade 1 According to the state of the art. The rotor blade is made in one piece, for example from a forging or a semi-finished product. The blade 1 includes one in the form of an airfoil 2 trained, airfoil area 3 and one to attach the blade 1 formed on a rotor, blade root area 4th . Due to the massive, one-piece design of the rotor blade 1 During the operation of the thermal rotary machine, high centrifugal forces act. Particularly in the case of large blade lengths and / or high speeds, the rotor blades can only be manufactured with high-strength and therefore expensive materials, or ultimately no longer at all. The most highly stressed areas of the blade 1 are the blade root area 4th and the transition into the airfoil area 3 . Also the airfoil area 3 itself is highly stressed in large parts of its extension. The stress on the blade root and blade act as a combination of LCF and HCF stress, which result from the start-stop load cycles (LCF) and the vibration excitations (HCF). Due to the existing strength limits of today's materials, only rotor blades can 1 of a certain size.

2 zeigt eine erfindungsgemäße Laufschaufel 1 für eine thermische Rotationsmaschine. Die Laufschaufel 1 umfasst wiederum einen, ein Strömungsprofil 2 ausbildenden, Schaufelblattbereich 3, sowie einen zur Befestigung der Laufschaufel 1 an einem Rotor ausgebildeten, Schaufelfußbereich 4. Die Laufschaufel 1 ist dabei im Ausführungsbeispiel aus einer Reihe von vorgefertigten Bauteilen 5, 6, 7 zusammengebaut. Die Laufschaufel 1 weist dabei einen Hohlraum 8 auf, welcher durch Innenflächen 9 der drei Bauteile 5, 6, 7 der Laufschaufeln 1 begrenzt ist. Der Hohlraum 8 erstreckt sich dabei nur im Schaufelblattbereich 3. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, den Hohlraum 8 sowohl im Schaufelblattbereich 3 als auch im Schaufelfußbereich 4 auszubilden. Auch die Ausbildung mehrerer Hohlräume ist denkbar. Grundsätzlich führen die Hohlräume 8 zu einer Reduktion der Masse der Laufschaufel 1, wodurch die Fliehkraftbeanspruchung der Laufschaufel 1 reduziert wird. Durch den Zusammenbau der Laufschaufeln 1 aus mehreren vorgefertigten Bauteilen kann der Schaufelfußbereich, welcher hohen Kontaktbeanspruchungen und hohen Zugbeanspruchungen ausgesetzt ist, aus einem hochfesten, schweißbaren Material hergestellt werden. Damit werden hohe Beanspruchbarkeiten erzielt, was sich vorteilhaft auf die ausführbare Schaufellänge und/oder auf die zulässige Startzahl (LCF) auswirkt. Der Schaufelblattbereich 3 wird durch Zusammenbau mehrerer vorgefertigter Bauteile mit dem Schaufelfußbereich 4 gefügt. Der Vorteil des Zusammenbaus ist, dass die Oberfläche 9 des Hohlraums während des Fügens noch zugänglich ist und dadurch bearbeitet und/oder vermessen werden kann. Dadurch können hochwertige Oberflächen 9, höhere HCF-/LCF-Beanspruchbarkeiten und/oder genauere Wanddicken- und Geometrie-Eigenschaften erzielt werden. Es wird somit eine Innenkontur fester Geometrie und optional bearbeiteter Oberflächen erzielt. Die im Ausführungsbeispiel gezeigte Laufschaufel 1 ist durch Schweißen zusammengebaut. 2 shows a blade according to the invention 1 for a thermal rotary machine. The blade 1 again includes one, a flow profile 2 forming, airfoil area 3 , and one to attach the blade 1 formed on a rotor, blade root area 4th . The blade 1 is in the exemplary embodiment from a number of prefabricated components 5 , 6th , 7th assembled. The blade 1 has a cavity 8th on, which by inner surfaces 9 of the three components 5 , 6th , 7th of the blades 1 is limited. The cavity 8th extends only in the airfoil area 3 . In principle, it would also be conceivable to use the cavity 8th both in the airfoil area 3 as well as in the blade root area 4th to train. The formation of several cavities is also conceivable. Basically, the cavities lead 8th to a reduction in the mass of the rotor blade 1 , thereby reducing the centrifugal force on the blade 1 is reduced. By assembling the blades 1 The blade root area, which is exposed to high contact loads and high tensile loads, can be manufactured from a high-strength, weldable material from several prefabricated components. This achieves high levels of stress, which has an advantageous effect on the executable blade length and / or the permissible number of starts (LCF). The airfoil area 3 is made by assembling several prefabricated components with the blade root area 4th joined. The advantage of assembling is that the surface 9 of the cavity is still accessible during the joining and can thereby be processed and / or measured. This allows high quality surfaces 9 , higher HCF / LCF loading capacities and / or more precise wall thickness and geometry properties can be achieved. An inner contour of fixed geometry and optionally machined surfaces is thus achieved. The rotor blade shown in the exemplary embodiment 1 is assembled by welding.

3 zeigt die in 2 dargestellte Laufschaufel 1 in Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A. Das Strömungsprofil 2 der Laufschaufel 1 weist dabei eine Druckseite 2' und eine Saugseite 2" auf. Um die erforderliche Beanspruchbarkeit der Schweißnaht zu erreichen, wird diese so positioniert, dass der Wurzelbereich bei Kraftfluss quer zur Schweißnaht nahe einem Spannungsreduzierten Bereich liegt. Der Wurzelbereich sollte dabei möglichst nahe der neutralen Faser 11 der Laufschaufel 1, hinsichtlich der Haupt-Biegemoden, liegen. Bei einem Kraftschluss längs zur Schweißnaht ist die Wurzelbeanspruchung nicht maßgeblich und stellt keine Festigkeitseinschränkung dar. Vorteilhaft wird die Schweißnaht aber auch hier so positioniert, dass sie nahe der neutralen Faser 11 liegt, so dass Schubspannungen der Haupt-Eigenform gut ertragbar sind. 3 shows the in 2 illustrated rotor blade 1 in a sectional view along the section line AA. The flow profile 2 the blade 1 has a print side 2 ' and a suction side 2 " on. In order to achieve the required load capacity of the weld seam, it is positioned in such a way that the root area is close to a stress-reduced area when the force flows across the weld seam. The root area should be as close as possible to the neutral fiber 11 the blade 1 , with regard to the main bending modes. In the case of a frictional connection along the weld seam, the stress on the roots is not decisive and does not constitute a strength restriction. However, the weld seam is advantageously positioned here so that it is close to the neutral fiber 11 so that shear stresses of the main mode can be tolerated well.

4 zeigt die aus 2 bekannte Laufschaufel 1 in Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B. Aus der Darstellung ist zu erkennen, dass der Schaufelblattbereich 3 aus mehreren vorgefertigten Bauteilen 5,6,7 zusammengefügt wird. Durch das Schweißen ist es möglich, dass Werkstoffe unterschiedlicher Eigenschaften miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise ein hochfester Fußbereich mit einem weniger hochfesten Blattbereich kombiniert werden. Auch kann der Blattbereich, wie in 4 gezeigt aus mehreren optional unterschiedlichen Werkstoffen gefügt werden. Wie in 4 zu erkennen ist, ist die Innenkontur der Laufschaufel 1 im Bereich der Schweißnaht 10 derart ausgeführt, dass die Schweißnahtwurzel der Schweißnähte 10 räumlich näher an die neutrale Faser 11 herangebracht wird, hierzu ist die Wanddicke im Innenbereich verdickt worden. 4th shows them off 2 well-known blade 1 in a sectional view along the section line BB. It can be seen from the illustration that the airfoil area 3 is assembled from several prefabricated components 5,6,7. Welding makes it possible to combine materials with different properties. For example, a high-strength foot area can be combined with a less high-strength blade area. Also, as in 4th shown can be assembled from several optionally different materials. As in 4th can be seen, is the inner contour of the blade 1 in the area of the weld seam 10 designed so that the weld root of the welds 10 spatially closer to the neutral fiber 11 is brought up, for this purpose the wall thickness has been thickened in the interior.

5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufschaufel 1. Die Laufschaufel 1 ist dabei im Wesentlichen identisch zur Laufschaufel nach 2 ausgebildet. Zusätzlich umfasst die Laufschaufel 1 im Schaufelblattbereich 3 an der Schaufelkante eine spezielle Erosionsschutzmaßnahme 12. Die Erosionsschutzmaßnahme 12 kann durch unterschiedliche Maßnahmen erfolgen. Eine Möglichkeit ist das Aufbringen beispielsweise Aufschweißen, Anschweißen, Auftragsschweißen oder Plattieren eines erosionsfesten Werkstoffes, z.B. Titan- oder Nickelwerkstoffe mit einer Pufferschicht (soweit erforderlich), eine andere Möglichkeit besteht in der Hartstoffbeschichtung mit einem erosionsfesten Werkstoff und eine dritte Möglichkeit besteht in der Oberflächenhärtung im erosionsbeanspruchten Bereich. Durch die Erosionsschutzmaßnahme 12 wird eine hohe Erosionsbeständigkeit erzielt, welches insbesondere bei Dampfturbinen und hier im Niederdruckbereich notwendig ist, da sich hier häufig aus dem Dampf Tröpfchen ausbilden, welche mit hoher Geschwindigkeit auf die Laufschaufel 1 auftreffen und hier regelmäßig zu Erosionsschäden an der Laufschaufel 1 führen. 5 shows a second exemplary embodiment of a rotor blade according to the invention 1 . The blade 1 is essentially identical to the rotor blade according to 2 educated. Additionally includes the blade 1 in the airfoil area 3 a special erosion protection measure on the blade edge 12 . The erosion control measure 12 can be done by different measures. One possibility is the application of, for example, welding, welding, build-up welding or plating of an erosion-resistant material, e.g. titanium or nickel materials with a buffer layer (if necessary), another possibility is the hard material coating with an erosion-resistant material and a third possibility is surface hardening in the area exposed to erosion. Through the erosion control measure 12 a high level of erosion resistance is achieved, which is necessary in particular in steam turbines and here in the low-pressure range, since droplets often form here from the steam and hit the rotor blade at high speed 1 hit and here regularly to erosion damage to the rotor blade 1 to lead.

Die Herstellung der in den beiden Ausführungsbeispielen gezeigten Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen durch eine Vorfertigung der erforderlichen Bauteile 5, 6, 7 mit einer vorgegebenen Innen- und Außenkontur und dem anschließenden Zusammenbau der einzelnen vorgefertigten Bauteile 5, 6, 7 zur fertigen Laufschaufel 1. Durch den Zusammenbau bleiben die Oberflächen des späteren Hohlraums 8, während des Zusammenbaus noch zugänglich und können somit bearbeitet und/oder vermessen werden. Die Vermessung der Außen- und Innenkontur kann optional mittels eines 3D-Messverfahrens erfolgen. Nach dem Zusammenbau der einzelnen Bauteile kann jeweils eine Vermessung der erzeugten Geometrie und eines möglichen Verzugs auf Grund des Zusammenbaus erfolgen. Die Beurteilung des Verzugs kann beispielsweise durch eine Simulation (z.B. FEM) erfolgen. Wird ein Verzug festgestellt oder weichen die tatsächlichen Geometrien von der zuvor festgelegten Geometrie ab, können geeignete Bearbeitungsgeometrien für die Außenkontur und ggf. auch für die Innenkontur festgelegt werden, so dass trotz eines Verzuges, Wanddicken-, Blattgeometrien-, Blattposition-, Blattmassen- und Eigenfrequenzanforderungen eingehalten werden. Hierdurch kann ein Ausschuss der Laufschaufel 1 in vielen Fällen vermieden werden, wodurch sich deutliche Kostenersparnisse ergeben.The rotor blades shown in the two exemplary embodiments are essentially manufactured by prefabricating the required components 5 , 6th , 7th with a given inner and outer contour and the subsequent assembly of the individual prefabricated components 5 , 6th , 7th to the finished blade 1 . As a result of the assembly, the surfaces of the later cavity remain 8th , still accessible during assembly and can therefore be edited and / or measured. The external and internal contours can optionally be measured using a 3D measurement process. After the assembly of the individual components, the generated geometry and a possible distortion due to the assembly can be measured. The warpage can be assessed, for example, by means of a simulation (eg FEM). If a distortion is detected or if the actual geometries deviate from the previously defined geometry, suitable machining geometries can be defined for the outer contour and, if necessary, also for the inner contour, so that despite a distortion, wall thickness, blade geometry, blade position, blade mass and Natural frequency requirements are met. This can result in a scrap of the rotor blade 1 can be avoided in many cases, resulting in significant cost savings.

Zusammenfassend kann somit festgestellt werden, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine massenreduzierte Laufschaufel mit einer definierten, hoch beanspruchbaren, Innenkontur hergestellt werden kann, welche trotz stoffschlüssigen/schweißtechnischen Zusammenbaus den Anforderungen an großen Laufschaufeln entspricht. Dies ermöglicht durch Fliehkraftreduzierung eine Vergrößerung der maßgeblichen Größe A · n2 und/oder eine Erhöhung der Lastwechselzahlen/Startzahlen (LCF- bzw. HCF-Beanspruchungen).In summary, it can thus be stated that the method according to the invention can produce a mass-reduced rotor blade with a defined, highly stressable inner contour which, despite the material / welded assembly, meets the requirements of large rotor blades. By reducing the centrifugal force, this enables an increase in the relevant variable A · n 2 and / or an increase in the number of load cycles / start numbers (LCF or HCF stresses).

Claims (10)

Laufschaufel (1) für eine thermische Rotationsmaschine, umfassend wenigstens einen, ein Strömungsprofil (2) ausbildenden, Schaufelblattbereich (3) und einen, zur Befestigung der Laufschaufel (1) an einem Rotor ausgebildeten, Schaufelfußbereich (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel (1) aus wenigstens zwei vorgefertigten Bauteilen (5, 6, 7) zusammengebaut ist und wenigstens einen Hohlraum (8) aufweist, welcher durch Innenflächen (9) wenigstens zweier Bauteile (5, 6, 7) der Laufschaufel (1) begrenzt ist.A rotor blade (1) for a thermal rotary machine, comprising at least one blade area (3) forming a flow profile (2) and a blade root area (4) designed to fasten the blade (1) to a rotor, characterized in that the blade (1) is assembled from at least two prefabricated components (5, 6, 7) and has at least one cavity (8) which is delimited by inner surfaces (9) of at least two components (5, 6, 7) of the rotor blade (1). Laufschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelblattbereich (3) mit dem Schaufelfußbereich (4) durch Zusammenbau eines oder mehrerer vorgefertigter Bauteile (5, 6, 7) ausgebildet ist.Blade (1) after Claim 1 , characterized in that the blade area (3) with the blade root area (4) is formed by assembling one or more prefabricated components (5, 6, 7). Laufschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgefertigten Bauteile (5, 6, 7) durch Schweißen zusammengebaut sind.Blade (1) after Claim 1 or 2 , characterized in that the prefabricated components (5, 6, 7) are assembled by welding. Laufschaufel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnahtwurzeln der Schweißnähte (10), nahe der neutralen Faser (11) der Laufschaufel (1) hinsichtlich der Haupt-Biegemomente angeordnet sind.Blade (1) after Claim 3 , characterized in that the weld seam roots of the weld seams (10) are arranged near the neutral fiber (11) of the rotor blade (1) with regard to the main bending moments. Laufschaufel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum/ die Hohlräume im Schaufelblattbereich (3) ausgebildet sind.Rotating blade (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity / cavities are formed in the blade area (3). Laufschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum/ die Hohlräume (8) im Schaufelblattbereich (3) und im Schaufelfußbereich (4) ausgebildet sind.Blade (1) after one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the cavity / cavities (8) are formed in the blade area (3) and in the blade root area (4). Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die folgenden Verfahrensschritte, - Herstellen der einzelnen Bauteile (5, 6, 7) der Laufschaufel (1) mit einer vorgegeben Innen- und Außenkontur; - Zusammenbauen der einzelnen vorgefertigten Bauteile (5, 6, 7) zur Laufschaufel (1).Method for producing a rotor blade (1) according to one of the Claims 1 to 6th Comprising the following method steps, - producing the individual components (5, 6, 7) of the rotor blade (1) with a predetermined inner and outer contour; - Assemble the individual prefabricated components (5, 6, 7) to form the rotor blade (1). Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenbau der vorgefertigten Bauteile (5, 6, 7) mittels eines Schweißverfahrens erfolgt.Method for producing a rotor blade (1) according to Claim 7 , characterized in that the prefabricated components (5, 6, 7) are assembled by means of a welding process. Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass - nach dem Zusammenbau der Laufschaufel (1) eine 3D-Vermessung und Erfassung des Laufschaufelprofils erfolgt und anschließend, - auf Basis des erfassten Laufschaufelprofils eine Simulation durchgeführt wird, mittels derer überprüft wird, ob zuvor festgelegte Eigenschaften insbesondere hinsichtlich Wanddicken, Blattgeometrie, Blattposition, Blattmassen und Eigenfrequenzen eingehalten werden.Method for producing a rotor blade (1) according to Claim 7 or 8th , characterized in that - after the assembly of the rotor blade (1), a 3D measurement and recording of the rotor blade profile takes place and then, - a simulation is carried out on the basis of the recorded rotor blade profile, by means of which it is checked whether previously defined properties, in particular with regard to wall thicknesses, Blade geometry, blade position, blade dimensions and natural frequencies are observed. Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichteinhaltung einer oder mehrerer festgelegten Eigenschaften auf Grund des erfassten Schaufelprofils eine Bearbeitungsgeometrie für die Außenkontur des Schaufelprofils ermittelt und ausgebildet wird, bei der sämtliche festgelegten Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Wanddicken, Blattgeometrie, Blattposition, Blattmassen und Eigenfrequenzen eingehalten werden.Method for producing a rotor blade (1) according to Claim 9 , characterized in that in the event of non-compliance with one or more specified properties on the basis of the recorded blade profile, a machining geometry for the outer contour of the blade profile is determined and formed in which all specified properties, in particular with regard to wall thicknesses, blade geometry, blade position, blade masses and natural frequencies are observed.
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