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Case Study: Turbinenschaufelrad

Mittels 3D-Druck in Metall Montage- und Zeitaufwand minimieren

Die Verbesserung von Qualität und Wettbewerbsfähigkeit insbesondere des Kerngeschäftes im Systemverbund Bahn sind eine der Herausforderungen der Deutschen Bahn. Auch im Bereich Ersatzteile blickt die DB in die Zukunft. Für die Herstellung einer Komponente in einer Lichtmaschine, die mittels Wasserdampf Strom erzeugt, kommt der 3D-Druck in Metall zum Einsatz. Die „Lima“ ist eine Standard-Lichtmaschine für Dampflokomotiven und in beinahe jeder noch fahrenden Baureihe verbaut. Das überarbeitete Bauteil besteht aus neun einzelnen Turbinenschaufel, die zu einem Turbinenschaufelsegment verbunden sind. Das komplette Turbinenrad setzt sich wiederum aus zehn Segmenten zusammen. Durch eine lösbare Verbindungstechnik können einzelne Segmente schnell und einfach ersetzt werden. Dabei greift die Deutsche Bahn auf die komplette additive Prozesskette bei toolcraft zurück – von der Konstruktion und Simulation über die Fertigung und spanende Nacharbeit bis zur optischen, taktilen und zerstörungsfreien Prüfung.

www.deutschebahn.com

Die Ausgangslage:
Hoher Montage- und Zeitaufwand

Die Turbinenschaufeln unterliegen einem hohen Verschleiß. Das Auswechseln der einzelnen Schaufeln ist bislang jedoch teuer und zeitaufwendig. Der Zusammenbau der konventionellen Variante, einer Schweißgruppe, ist mit einigen Herausforderungen verbunden. Bislang sind 90 Turbinenschaufeln in einer Nut um den Schaufelgrundkörper angebracht. Diese werden zur Fixierung mit einem Außenring vernietet, teilweise wird auch ein aufgeschrumpfter Spannring verwendet. Das Ersetzen einer einzelnen Komponente ist daher nur durch das Zerlegen der gesamten Baugruppe möglich. Somit wäre auch das Auswechseln einzelner verschlissener Schaufelblätter extrem aufwendig.

Die Herausforderung:
Aus Alt mach Neu und Besser

Die Aufgabe bestand in der Verkürzung der Montagezeit und des Montageaufwands durch die konstruktive Optimierung der Bauteile. Insbesondere waren eine einfach lösbare Verbindung der Turbinensegmente zu erreichen, eine Turbinenleistung von 500W zu gewährleisten sowie die Konstruktion für die hohe dynamische Last von 3750 Umdrehungen pro Minute auszulegen. Auch die Umgebungstemperatur von ca. 220°C, die feuchte und heiße Umgebung (bedingt durch den Wasserdampf) sowie die Oberflächenrauigkeit von Ra= 3,2µm waren zu berücksichtigen. Dabei sollten die Festigkeitswerte sowie die Korrosions- und Temperaturbeständigkeit gleich oder besser im Vergleich zum bisherigem Werkstoff sein. Zudem herrschen an der Verbindungsstelle zum Grundkörper geringe Toleranzen. Um eine Unwucht zu vermeiden, muss der Aufbau rotationssymmetrisch sein. Eine zusätzliche Herausforderung bestand in der Reduktion der Kosten.

Die Vorgehensweise:
Rundum zielführend

  • Inanspruchnahme der gesamten additiven Prozesskette – Konstruktion/Simulation, 3D-Druck, spanende Nacharbeit, Qualitätskontrolle (optisch, taktil und zerstörungsfrei)
  • Materialauswahl Inconel® 625
  • Konstruktive Neuauslegung und strömungsoptimierte Auslegung der Turbinenschaufelsegmente mit möglichst wenig Supportstrukturen und Nacharbeit
  • Zusätzliche Optimierung der Baugruppe inklusive Laufrad und Neuauslegung der Verbindungstechnik
  • Schaufelrad nur in Stückzahl 1 verfügbar (Gussteil), dementsprechend enge Toleranzen und anspruchsvolle Nacharbeit der Segmente
  • Erarbeitung von Handlungsempfehlungen für zukünftige Varianten

Das Ergebnis:
Mit Volldampf in ein neues Zeitalter

Die erste Erprobung der neuen Variante zeigte eine Leistungssteigerung des Dampfgenerators. Statt den ursprünglichen 500W werden mit der Segmentbauweise und dem optimierten Schaufelprofil 560W gewonnen. Gleichzeitig wurde der Kostenrahmen eingehalten. Für Nachfolgeprojekte stehen die Neubewertung der Verbindungstechnik sowie ein neuer Ansatz, neben den Segmenten auch das Schaufelrad zu ersetzen, an. Das neue Laufrad soll mittels Dreh-/Fräsbearbeitung aus Vollmaterial hergestellt werden, sodass sich zusätzliche Kostenvorteile gegenüber der konventionellem Schweißbaugruppe realisieren lassen.

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