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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer bimetallischen
Turbinenschaufel, und insbesondere einer Schaufel für eine Dampfturbine, die
für die
Niederdruckstufe der Dampfturbine bestimmt ist.
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Die
umlaufenden Maschinen, wie zum Beispiel Dampfturbinen, weisen auf
ortsfeste oder drehbewegliche Teile der umlaufenden Maschinen montierte,
mit Profil versehene Schaufeln auf, die mit einem Fluid in Berührung kommen,
das die umlaufende Maschine während
ihres Betriebs mit sehr großer Geschwindigkeit
durchquert.
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Die
Schaufeln der umlaufenden Maschinen weisen eine Vorderkante, die
zur Strömung
des auf die Schaufel der umlaufenden Maschine auftreffenden Fluids
gerichtet ist, und eine Hinterkante auf, die in Bezug auf die Fließrichtung
des Fluids an der Rückseite
der Schaufel angeordnet ist.
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In
manchen Fällen
ist die Schaufel der umlaufenden Maschine in der Nähe ihrer
Vorderkante durch das zirkulierende Fluid einer starken Erosion ausgesetzt.
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Insbesondere
bei Dampfturbinen sind aufgrund der Tatsache, dass der Dampf dann
eine hohe Feuchtigkeit aufweist und Wassertröpfchen transportiert, die auf
der Vorderkante der Schaufeln zerplatzen, die Schaufeln der letzten
Stufe(n) der Turbine, oder Niederdruckstufe, in der Nähe ihrer
Vorderkante einer starken Erosion ausgesetzt. Der Kontakt der Wassertröpfchen mit
der Vorderkante der Schaufel erzeugt ein Erosionsphänomen, das
sich in einem Verlust an Schaufelmetall in einem Bereich nahe ihrer
Vorderkante äußert. Aufgrund
der unsymmetrischen Abnutzung der Rotorschaufeln der Niederdruckstufen
der Dampfturbinen kann man nach einer gewissen Betriebszeit der
Turbinen ein Un gleichgewicht der Rotoreinheit beobachten. Durch
dieses Ungleichgewicht wird die Entstehung von Vibrationen begünstigt,
die wiederholte Beanspruchungen des Rotors nach sich ziehen, welche
gefährlich
werden und zum Bruch des Rotors führen können.
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Wenn
solche Vibrationen festgestellt werden, muss die Turbine, und somit
die diese Turbine enthaltende Anlage, abgeschaltet werden.
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Bei
großen
Anlagen, wie zum Beispiel Kernkraft- oder Wärmekraftwerken, können daraus
sehr hohe Betriebsverluste entstehen.
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Andererseits
müssen
die beschädigten
Rotorschaufeln repariert oder ausgetauscht werden, was ein langer
und teurer Vorgang sein kann.
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Um
die Erosion der Vorderkanten der Schaufeln von umlaufenden Maschinen,
und insbesondere von Turbinenschaufeln, zu begrenzen, wurde vorgeschlagen,
eine verschleißverhindernde
Beschichtung auf einen Bereich der Schaufel nahe ihrer Vorderkante
und über
einen Teil der Länge
der Vorderkante im äußeren Bereich
der Schaufel in der radialen Richtung der umlaufenden Maschine aufzubringen.
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Eine
solche Beschichtung oder Auffüllen
von Fehlstellen, die bei hoher Temperatur an der maschinell fertig
bearbeiteten Schaufel durchgeführt
werden muss, kann eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften
des die Schaufel bildenden Metalls oder bestimmte Verformungen der
Schaufel aufgrund der während
des Beschichtens bei hoher Temperatur erfahrenen Wärmebeanspruchungen
nach sich ziehen.
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Es
wurde also, insbesondere in der US-A-5,351,395, vorgeschlagen, die
Verstärkung
einer Turbinenschaufel gegen den Verschleiß in der Nähe ihrer Vorderkante auszuführen, indem
ein Einsatz aus einem harten, verschleißfesten Material oder einem
Material, das durch eine andere Wärmebehandlung gehärtet wird
als das den Körper
der Turbinenschaufel bildende Material, in der Zone der Vorderkante
angesetzt und durch Schweißen
am Schaufelkörper
befestigt wird. Der Verstärkungseinsatz
der Schaufel wird am Körper
der Schaufel befestigt, der durch Präzisionsformen erhalten werden
kann. Der Einsatz, der auf einen zu diesem Zweck vorgesehenen Bereich
des Schaufelkörpers
angesetzt und befestigt wird, hat eine Rohform und muss maschinell bearbeitet
werden, um der Form und dem Profil der Turbinenschaufel in der Nähe ihrer
Vorderkante angepasst zu werden.
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Nach
dem Schweißen
des Verstärkungseinsatzes
auf den geformten Rohling des Turbinenschaufelkörpers werden die maschinelle
Endbearbeitung des geformten Rohlings des Schaufelkörpers und
die maschinelle Formgebungsbearbeitung des Einsatzes durchgeführt. Schließlich wird
eine thermische Aushärtungsbehandlung
durchgeführt,
die es ermöglicht,
die Härte-
und Verschleißfestigkeitseigenschaften
des Einsatzes zu entwickeln.
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Der
geformte Rohling des Schaufelkörpers hat
aber eine Form nahe der endgültigen
Form der Schaufel, und insbesondere eine verwundene und gebogene
Form: Der Einsatz muss ein Profil aufweisen, das die Gewährleistung
einer Kontinuität
mit dem Körper
der Schaufel in seiner Zone nahe der Vorderkante erlaubt. Aufgrund
der komplexen Form des Schaufelkörpers
können
der Entwurf und die Ausführung
des Einsatzes äußerst schwierig
sein, was einen beträchtlichen
Einfluss auf die Kosten der bimetallischen Turbinenschaufeln hat,
die mit diesem Verfahren hergestellt werden.
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Es
ist also Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer
bimetallischen Turbinenschaufel vorzuschlagen, die einen Körper aus
einem ersten metallischen Material und einen Einsatz aus einem zweiten
metallischen Material mit großer
Verschleißfestigkeit
aufweist, aus dem zumindest ein Teil einer Vorderkante der Schaufel
hergestellt wird, wobei dieses Verfahren es ermöglicht, die bimetallische Turbinenschaufel
auf einfache Weise und zu einem mäßigen Preis herzustellen.
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Mit
diesem Ziel:
- – wird in einem aus dem ersten
metallischen Material bestehenden Metallblock von einfacher geometrischer
Form ein Aufnahmehohlraum von einfacher geometrischer Form maschinell
hergestellt,
- – wird
ein aus dem zweiten Material bestehendes Element von einfacher geometrischer
Form hergestellt und im Hohlraum befestigt, um einen metallischen
Verbundblock zu erhalten, und
- – wird
die Turbinenschaufel aus dem Verbundblock maschinell hergestellt,
wobei der Körper
der Schaufel aus dem aus dem ersten Material bestehenden Metallblock
und der Einsatz aus dem aus dem zweiten Material bestehenden Element
maschinell hergestellt wird.
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Das
aus dem zweiten Material bestehende Element kann vorgefertigt und
dann durch Schweißen
im Hohlraum befestigt werden.
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Das
aus dem zweiten Material bestehende Element kann auch durch Einbringen
und Verfestigen eines geschmolzenen Metalls im Hohlraum erhalten werden.
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Der
aus dem ersten Material bestehende Metallblock und das aus dem zweiten
Material bestehende metallische Element weisen eine im wesentlichen
parallelepipedische Form auf.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung werden nun als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Figuren eine bimetallische Dampftur binenschaufel und ihre Herstellung
durch das erfindungsgemäße Verfahren
beschrieben.
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1 ist eine perspektivische
Ansicht einer bimetallischen Dampfturbinenschaufel.
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2 ist eine Vorderansicht
eines metallischen Verbundblocks zur Herstellung einer bimetallischen
Turbinenschaufel mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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3 ist eine Draufsicht auf
den in 2 dargestellten
Block.
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4 ist eine Vorderansicht
einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten bimetallischen Schaufel im fertigen Zustand.
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5 ist eine Draufsicht auf
die Turbinenschaufel im in 4 dargestellten,
fertigen Zustand.
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In 1 ist eine Dampfturbinenschaufel
dargestellt, die vorzugsweise eine Schaufel der Niederdruckstufe
der Turbine sein kann und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet
ist.
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Die
Schaufel 1 besitzt einen Fuß 2 mit einer mit
einem derartigen Profil versehen Form, dass er die Befestigung der
Turbinenschaufel 1 auf einem Niederdruckrotor der Dampfturbine
ermöglicht,
sowie ein fest mit dem Fuß 2 verbundenes
Schaufelblatt 3, das im allgemeinen aus einem Stück mit dem
Fuß 2 hergestellt
ist und eine komplexe, gekrümmte,
gebogene und verwundene Form aufweist.
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Der
Schaufelblattteil 3 der Schaufel 1 weist eine
Vorderkante 4 und eine Hinterkante 5 auf, auf deren
Höhe der
Schaufelblattteil 3 der Schaufel 1 eine minimale
Stärke
aufweist. Zwischen der Vorderkante 4 und der Hinterkante 5 weisen
die Querschnitte des Schaufelblattteils 3 der Schaufel
die Form einer spitz zulaufenden Spindel auf.
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Die
in 1 dargestellte Turbinenschaufel 1 ist
eine bimetallische Schaufel, die einen Einsatz 6 aufweist,
der einen Teil des Schaufelblatts 3 der Schaufel 1 in
der Nähe
ihrer Vorderkante 4 bildet und sich im in radialer Richtung äußeren Bereich
der Schaufel über
eine bestimmte Länge
entlang der Vorderkante erstreckt.
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Die
bimetallische Schaufel 1 besteht aus einem einstückigen Körper, der
den Fuß 2 und
den Schaufelblattteil 3 mit Ausnahme einer Aussparung aufweist,
in die der Einsatz 6 eingesetzt ist, sowie dem Einsatz,
der in der Aussparung angeordnet und fest mit dem Körper der
Schaufel 1 verbunden ist.
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Der
Körper
der Schaufel 1 ist aus einem für ihre Verwendung in der Niederdruckstufe
einer Dampfturbine geeigneten Material hergestellt, zum Beispiel
aus einem rostfreien Stahl mit 13% Chrom.
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Der
Einsatz 6 ist aus einem harten, verschleißfesten
Material, wie zum Beispiel eine Legierung auf der Basis von Kobalt,
die Chrom und Wolfram enthält,
zum Beispiel ein Stellit Grad 6 oder Grad 12.
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Erfindungsgemäß kann eine
bimetallische Turbinenschaufel, wie sie in 1 dargestellt ist, durch das erfindungsgemäße Verfahren
auf relativ einfache und kostengünstige
Weise hergestellt werden.
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In
den 2 und 3 ist ein metallischer Block aus
einem bimetallischen Verbundmaterial dargestellt, der allgemein
mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet ist, aus dem eine wie
in 1 dargestellte bimetallische
Schaufel maschinell hergestellt werden kann.
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Der
bimetallische Block 7 besitzt eine allgemein parallelepipedische
Form.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren führt man
zur Herstellung des bimetallischen Blocks 7 zuerst die
maschinelle Bearbeitung eines parallelepipedischen Blocks 8 aus
einem ersten metallischen Material durch, das ein für die Herstellung
von Dampfturbinenschaufeln übliches
Material ist. Der Ausgangsblock 8 kann zum Beispiel aus
einem Stahl mit 13% Chrom bestehen und durch Schmieden eines gegossen
Produkts, wie zum Beispiel eines Barrens, erhalten werden. Der Block 8 könnte auch
aus einem Halbzeug, wie zum Beispiel einer Stange mit rechteckigem
Querschnitt, ausgeschnitten werden. Der Block 8 wird maschinell
bearbeitet, um einen Hohlraum 9 von parallelepipedischer
Form herzustellen, der einen Winkel des Querschnitts des Blocks 8 einnimmt
und sich entlang der Höhe
des Blocks 8 über
eine Länge
erstreckt, die im wesentlichen der Länge des Einsatzes 6 entspricht,
der entlang der Vorderkante der in Herstellung befindlichen, bimetallischen
Turbinenschaufel hergestellt werden soll.
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Dann
wird aus einer Stange mit quadratischem Querschnitt aus einem verschleißfesten
Material, wie z. B. einem Stellit 6 oder 12, ein
Element 10 von parallelepipedischer Form ausgeschnitten, dessen
Höhe im
wesentlichen gleich der Höhe
des Hohlraums 9 des Blocks 8 ist, und dessen Querschnitt
geringere Abmessungen als der Querschnitt des Hohlraums 9 aufweist.
Allgemeiner gesagt, kann das Element 10 durch Aus schneiden
eines mit Profil versehenen Produkts erhalten werden, das eine beliebige
Querschnittsform hat.
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Man
könnte
das Element 10 auch durch Formen oder Schmieden eines Blocks
mit den gewünschten
Abmessungen ausarbeiten.
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Das
vorgefertigte Element 10 aus verschleißfestem Material wird im inneren
Winkel des Hohlraums 9 so angeordnet, dass es die ganze
Höhe des
Hohlraums 9 ausfüllt.
Der Block 8 und das Element 10 werden in ihrer
in den 2 und 3 dargestellten Zusammenbaustellung
durch Zangen miteinander in Kontakt gehalten.
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Das
Vorwärmen
der aus dem Block 8 und dem im Hohlraum 9 angeordneten,
vorgefertigten Element 10 bestehenden Einheit mit Hilfe
eines Acetylenschweißbrenners
wird auf beispielsweise zwischen 550°C und 780°C durchgeführt.
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Der
Zusammenbau des vorgefertigten Elements 10 und des Blocks 8 wird
durch Schweißen
mit Schweißwerkstoff
oder einem Lot durchgeführt,
wobei die Temperatur der zusammenzubauenden Teile im Temperaturbereich
zwischen 550°C
und 780°C gehalten
wird.
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Man
lässt den
erhaltenen bimetallischen Block 7 an der Luft abkühlen.
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Dann
wird eine Kontrolle der durch Löten
erhaltenen Verbindungsschweißnaht
durch ein Kontrollverfahren der Art Fluoreszenzprüfung durchgeführt. Wenn
nötig,
werden Reparaturen der Schweißnaht
durchgeführt.
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Der
bimetallische Zusammenbau wird einer Qualitäts-Wärmebehandlung (die die Eigenschaften des
Materials verändert),
einer Behandlung des Entspannungsglühens oder der Entspannung der
durch das Schweißen
des angesetzten Teils verursachten Spannungen unterzogen.
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Dann
wird die vollständige
maschinelle Bearbeitung der Turbinenschaufel im bimetallischen Block 7 durchgeführt.
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In
den 2 und 3 ist in unterbrochenen Linien
der Umriss der bimetallischen Schaufel 1 dargestellt, deren
maschinelle Bearbeitung ausgehend vom bimetallischen Block 7 durchgeführt wird.
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Der
Körper
der bimetallischen Schaufel 1, der den Fuß 2 und
den Schaufelblattteil 3 der Schaufel mit Ausnahme des Einsatzes
enthält,
wird im metallischen Block 8 aus Stahl mit 13% Chrom maschinell
bearbeitet.
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Der
Einsatz 6, der entlang der Vorderkante 4 der Schaufel
angeordnet ist, wird aus dem angesetzten Element 10 aus
verschleißfester
Legierung maschinell hergestellt.
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Die
maschinelle Bearbeitung der Turbinenschaufel 1 im bimetallischen
Block 7 wird in gleicher Weise wie die maschinelle Bearbeitung
einer klassischen, einmetallischen Metallschaufel in einem homogenen
Block durchgeführt.
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Die
die Umrisse der Schaufel 1 darstellenden, gestrichelten
Linien in den 2 und 3 stellen die Verläufe der
maschinellen Bearbeitungsflächen der
Schaufel in einer Längsebene
bzw. einer Querebene dar.
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Natürlich haben
der metallische Block 8 und das angesetzte Element 10 in
Bezug auf die Abmessungen der verschiedenen Teile der herzustellenden bimetallischen
Schaufel optimierte Abmessungen, um die Mengen an bei der maschinellen
Bearbeitung des bimetallischen Blocks zu entfernendem Material zu
minimieren. Der Querschnitt des metallischen Blocks 8 entspricht
im wesentlichen dem Querschnitt des Fußes der herzustellenden Schaufel.
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Die
maschinelle Bearbeitung des bimetallischen Blocks enthält eine
erste maschinelle Bearbeitung zur Herstellung des Rohlings des Schaufelblattteils 3 und
eine zweite maschinelle Endbearbeitung des das Schaufelblatt 3 bildenden
Teils. Es wird auch die maschinelle Bearbeitung des Rohlings des
Fußes 2 und
dann die Endbearbeitung des Fußes 2 zum Beispiel
durch einen Feinschleifvorgang durchgeführt.
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Wie
in den 4 und 5 zu sehen, weist die Schaufel 1 im
fertigen Zustand einen Körper
aus rostfreiem Stahl mit 13% Chrom, der selbst aus dem Fuß 2 und
einem Schaufelblattteil 3 besteht, und ein angesetztes
Element 6 aus Stellit auf, das durch Schweißen am Schaufelkörper 1 befestigt
wird.
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Das
angesetzte Element 6 ist in einem Bereich des Körpers der
Schaufel 1 in der Nähe
der Vorderkante 4 angeordnet, die zum Teil im angesetzten Teil 6 und
zum restlichen Teil im Körper
der Schaufel 1 maschinell bearbeitet wird.
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Vorzugsweise
bedeckt das angesetzte Teil 6, das einen Teil der Vorderkante
bildet, etwa zwei Drittel der Vorderkante 4 der Schaufel 1.
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Die
bimetallische Schaufel 1 in ihrer Gesamtheit weist eine
perfekte Kohäsion
auf, und die gekrümmten
Flächen,
die den den Einsatz 6 enthaltenden Schaufelblattteil begrenzen,
sind perfekt kontinuierlich, da sie im bimetallischen Teil in gleicher
Weise wie die gekrümmten
Flächen
maschinell bearbeitet wurden, welche den Schaufelblattteil einer
einmetalli schen Schaufel begrenzen, die aus einem Teil mit homogener
Zusammensetzung maschinell hergestellt wird.
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Außerdem können der
metallische Block und das angesetzte Element des bimetallischen
Teils einfacher geometrischer Form leicht durch Formen, Schmieden,
oder ausgehend von Halbzeugen gewünschter Form und Querschnitts
erhalten werden.
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Das
aus dem zweiten Material bestehende, angesetzte Element kann durch
Einbringen und Verfestigen eines geschmolzenen Metalls in den Hohlraum
des aus dem ersten Material bestehenden, metallischen Blocks hergestellt
werden. Das Einbringen des Metalls kann durch ein beliebiges Verfahren
des Auffüllens
von Fehlstellen oder Schweißens
mit Schmelzen eines Schweißwerkstoffs,
wie zum Beispiel das WIG-Verfahren, oder auch durch Pulverspritzen,
durchgeführt
werden.
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In
jedem Fall können,
zum Beispiel nach der maschinellen Bearbeitung der Turbinenschaufel, eine
Qualitäts-Wärmebehandlung,
eine Behandlung des Spannungsglühens
oder der Entspannung und eine Abmessungsprüfung der maschinell hergestellten
Turbinenschaufel durchgeführt
werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt.
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So
können
der aus dem ersten Material bestehende metallische Block, das angesetzte
Element und der Aufnahmehohlraum für dieses Element im metallischen
Block andere Formen als die eines Parallelepipeds aufweisen.
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In
jedem Fall müssen
aber der metallische Block, das angesetzte Element und der Hohlraum eine
einfache geometrische Form, und im allgemeinen die eines geraden
Prismas aufweisen, um das Formen oder den Erhalt dieser Elemente
und den Zusammenbau des bimetallischen Blocks zu vereinfachen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist also völlig
anders als ein Verfahren, bei dem man ein angesetztes Element auf
einem Rohling einer Turbinenschaufel komplexer Form befestigt. Im
Fall der Erfindung wird die komplexe Form der Schaufel direkt durch
maschinelle Bearbeitung der bimetallischen Schaufel mit einem Bearbeitungsverfahren
gleich der Bearbeitung einer Turbinenschaufel in einem Teil von homogener
Zusammensetzung erhalten.
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Das
den Körper
der Turbinenschaufel bildende, erste Material und das den Verstärkungseinsatz der
Vorderkante der Schaufel bildende, zweite Material können sich
von den oben als Beispiel erwähnten Materialien
unterscheiden.
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Zum
Beispiel kann der Körper
der Schaufel aus einem rostfreien Stahl mit Verfestigung durch Aushärtung oder
auch aus einer eisenfreien Legierung, zum Beispiel einer Titanlegierung,
hergestellt sein.
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Das
angesetzte Verstärkungselement
kann aus rostfreiem Stahl mit Sekundärhärtung sein und/oder härtende Legierungselemente
enthalten. Allgemein kann jedes metallische Material verwendet werden,
das eine hohe Verschleißfestigkeit
aufweist, zum Beispiel Materialien, die eine metallische Matrix enthalten,
in der härtende
Verbindungen verteilt sind.
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Die
Erfindung bezieht sich nicht nur auf die Herstellung von Schaufeln
für Dampfturbinen,
sondern auch auf die Herstellung von Schaufeln für eine beliebige umlaufende
Maschine, wie zum Beispiel Gasturbinen, Kompressoren oder Pumpen.