CH699716A1

CH699716A1 - Bauteil für eine hochtemperaturdampfturbine sowie hochtemperaturdampfturbine.

Info

Publication number: CH699716A1
Application number: CH01638/08A
Authority: CH
Inventors: Richard Brendon Scarlin
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2010-04-15
Also published as: JP2010106827A; CN101724767A; DE102009049018A1; US20100092301A1

Abstract

Ein Bauteil für eine Hochtemperaturdampfturbine, welche bei Temperaturen oberhalb 600°C, insbesondere oberhalb 700°C, arbeitet, besteht aus einer Nickelbasislegierung. Der negativer Einfluss einer vom Heissdampf bedingten Oxidation des Bauteils wird dadurch verhindert, dass die verwendete Legierung die folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweist C: ≤0,2 Si: ≤1,0 Mn: ≤1,0 Cr: 22,0–25,0 Co: 15,0–25,0 Mo: ≤3,0 Nb: ≤2,0 Al: 1,0–3,0 Ti: 2,0–4,0 Fe: ≤2,0 Zr: ≤0,2 B: ≤0,05 Ni: Rest.

Description


  TECHNISCHES GEBIET

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Dampfturbinen. Sie betrifft ein Bauteil für eine Hochtemperaturdampfturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Hochtemperaturdampfturbine.

STAND DER TECHNIK

  

[0002]    Moderne Dampfturbinen arbeiten bei sehr hohen Temperaturen, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Bei Temperaturen oberhalb 600[deg.]C, und insbesondere oberhalb 700[deg.]C, werden viele Bauteile einer solchen Hochtemperaturdampfturbine aus Nickelbasislegierungen hergestellt, um die erforderliche Hochtemperaturfestigkeit (Kriechen, Ermüdung, etc.) zu erreichen.

  

[0003]    Bei den hohen Betriebstemperaturen oxidieren die eingesetzten Werkstoffe (und ebenso die Nickelbasislegierungen), wenn sie dem heissen Dampf ausgesetzt sind. Dies ist insbesondere bei den Turbinenschaufeln der Fall, bei denen die Oxidation dazu führt, dass
ein Verlust an belastbarer Fläche die betriebsbedingte Belastung erhöht;
die Oxidation entlang der Korngrenzen "Mikrokerbungen" erzeugt, welche die Gefahr einer Ermüdungsrissbildung erhöhen;
eine Oberflächenrauigkeit aufgrund der Bildung von irregulären Oxidschichten entsteht und ein Abplatzen von Oxiden von der Oberfläche erfolgt (welche beiden Effekte zu einem Aufrauen der Oberfläche führen, das die aerodynamische Effektivität der Turbine verringert).

  

[0004]    Aus der US-B2-7 238 005 ist ein Dampfturbinenkraftwerk mit Betriebstemperaturen von über 650[deg.]C bekannt, welches sich durch den Einsatz von ausgewählten Nickelbasislegierungen anstelle austenitischer, hitzebeständiger Stähle für bestimmte Bauteile der Turbinen wie beispielsweise Gehäuse oder Schaufeln auszeichnet, um die thermischen Spannungen bei Lastwechseln zu verringern. Die in Frage kommenden Legierungen haben dabei unterschiedliche Anteile von Cr, Co und Mo, und zwar entweder einen Cr-Anteil von <= 21 Gew.-%, z.B. 11,0 bis 20,0 oder 17,0 bis 21,0 Gew.-%, oder einen Cr-Anteil von 19,0 bis 24,0 Gew.- %, dafür aber einen Co-Anteil von <= 15 Gew.-%, oder einen Cr-Anteil von 19,0 bis 25,0 Gew.-%, dafür aber keinen Co-Anteil und einen Mo-Anteil von <= 2,0 Gew.-%.

  

[0005]    Die Frage der Korngrenzenoxidation und der damit verbundenen Ermüdungsrissbildung, sowie Fragen der oxidationsbedingten Oberflächenrauigkeit spielen bei der Lösung der US-B2-7 238 005 keine Rolle.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

  

[0006]    Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die dem heissen Dampf ausgesetzten hochbelastbaren Bauteile einer Heissdampfturbine im Hinblick auf die mögliche Oxidation und deren schädliche Folgen zu verbessern, sowie eine entsprechende Heissdampfturbine anzugeben.

  

[0007]    Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 4 gelöst. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass das Bauteil aus einer speziellen Legierung hergestellt wird, welche die hohe Festigkeit bei hohen Betriebstemperaturen von Nickelbasislegierungen mit der hohen Widerstandsfähigkeit gegen Korngrenzenoxidation, gegen die Oxidation der Oberfläche allgemein und gegen das Abplatzen von Oberflächenoxiden, aufgrund der Wahl der Legierungselemente, insbesondere des Chromanteils, kombiniert.

  

[0008]    Die verwendete Legierung weist erfindungsgemäss die folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] auf:
<tb>C:<sep><=0,2


  <tb>Si:<sep><= 1,0


  <tb>Mn:<sep><= 1,0


  <tb>Cr:<sep>22,0-25,0


  <tb>Co:<sep>15,0-25,0


  <tb>Mo:<sep><=3,0


  <tb>Nb:<sep><=2,0


  <tb>Al:<sep>1,0-3,0


  <tb>Ti:<sep>2,0-4,0


  <tb>Fe:<sep><=2,0


  <tb>Zr:<sep><=0,2


  <tb>B:<sep><=0,05


  <tb>Ni:<sep>Rest.

  

[0009]    Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Anteil von Cr auf den Bereich zwischen 23,0 und 25,0 [Gew.-%] beschränkt.

  

[0010]    Bevorzugt ist das Bauteil eine Schaufel der Dampfturbine.

  

[0011]    Die erfindungsgemässe Hochtemperaturdampfturbine zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil aus einer Nickelbasislegierung besteht, welche die folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweist:
<tb>C:<sep><=0,2


  <tb>Si:<sep><=1,0


  <tb>Mn:<sep><=1,0


  <tb>Cr:<sep>22,0-25,0


  <tb>Co:<sep>15,0-25,0


  <tb>Mo:<sep><=3,0


  <tb>Nb:<sep><=2,0


  <tb>Al:<sep>1,0-3,0


  <tb>Ti:<sep>2,0-4,0


  <tb>Fe:<sep><=2,0


  <tb>Zr:<sep><=0,2


  <tb>B:<sep><=0,05


  <tb>Ni:<sep>Rest.

  

[0012]    Gemäss einer Ausgestaltung ist dabei der Anteil von Cr auf den Bereich zwischen 23,0 und 25,0 [Gew.-%] beschränkt. Insbesondere ist das Bauteil eine Schaufel der Hochtemperaturdampfturbine.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

  

[0013]    Die Erfindung soll nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>ein Diagramm der mittleren Kriechbruchfestigkeit nach 1000 Stunden über der Temperatur einer kommerziell erhältlichen Legierung nach der Erfindung (Nimonic 101<(R)>) im Vergleich zu einer bisher eingesetzten kommerziell erhältlichen Legierung (Waspaloy<(R)>) und


  <tb>Fig. 2<sep>ein Diagramm der mittleren Zugfestigkeit über der Temperatur beider Legierungen aus Fig. 1im Vergleich.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

  

[0014]    Gemäss der Erfindung wird für die mit hohen Dampftemperaturen von 600[deg.]C und mehr belasteten Bauteile, insbesondere Schaufeln (Lauf- und/oder Leitschaufeln), einer Hochtemperaturdampfturbine eine Nickelbasislegierung eingesetzt, welche sich durch einen vergleichsweise hohen Gehalt an Cr und Co auszeichnet, und die folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweist:
<tb>C:<sep><=0,2


  <tb>Si:<sep><=1,0


  <tb>Mn:<sep><=1,0


  <tb>Cr:<sep>22,0-25,0


  <tb>Co:<sep>15,0-25,0


  <tb>Mo:<sep><=3,0


  <tb>Nb:<sep><=2,0


  <tb>Al:<sep>1,0-3,0


  <tb>Ti:<sep>2,0-4,0


  <tb>Fe:<sep><=2,0


  <tb>Zr:<sep><=0,2


  <tb>B:<sep><=0,05


  <tb>Ni:<sep>Rest.

  

[0015]    Hierdurch werden Bauteile realisiert, die sich durch eine hohe Festigkeit bei den Betriebstemperaturen auszeichnet und einen grossen Widerstand gegen Oxidation an den Korngrenzen sowie der Oberflächen im Allgemeinen aufweisen, und nicht zum Abplatzen von Oxidschichten von den Oberflächen neigen.

  

[0016]    Anstelle eines Cr-Gehaltes von 22,0-25,0 Gew.-% kann mit Vorteil ein eingeschränkter Bereich von 23,0-25,0 Gew.-% zur Anwendung kommen.

  

[0017]    Eine kommerziell erhältliche, in dem erfindungsgemässen Zusammensetzungsspektrum liegende Nickelbasislegierung ist unter dem Markennamen Nimonic 101<(R)> bekannt. Diese bekannte Nickelbasislegierung enthält 24,2 Gew.- % Cr, 19,7 Gew.-% Co, 1,5 Gew.-% Mo, 3,0 Gew.-% Ti, 1,4 Gew-% Al, 1,0 Gew.-% Nb und 48,0 Gew.-% Ni und wurde bisher noch nicht für Dampfturbinenbauteile eingesetzt.

  

[0018]    Durch einen Vergleich mit einer anderen kommerziell erhältlichen Nickelbasislegierung, dem Waspaloy<(R)>, die nur 18,0 bis 21,0 Gew.-% Cr und 12,0 bis 15,0 Gew.-% Co enthält, wird deutlich, dass gerade bei den hohen Temperaturen oberhalb 600[deg.]C für die erfindungsgemässen Legierungen deutliche Vorteile bestehen.

  

[0019]    So zeigt Fig. 1, dass die mittlere Kriechbruchfestigkeit bei 1000 h (Rm, 1000h) von Nimonic 101<(R)> (Rechtecke) im interessierenden Temperaturbereich oberhalb 600-650[deg.]C um bis zu 16% höher ist als der entsprechende Wert für Waspaloy<(R)> (Rauten).

  

[0020]    Ebenso ist gemäss Fig. 2die mittlere Zugfestigkeit (Rm) von Nimonic 101<(R)>(Rechtecke) oberhalb 650[deg.]C leicht höher als die von Waspaloy<(R)>(Rauten).

  

[0021]    Insgesamt ergeben sich mit der Erfindung die folgenden Vorteile:
Ein mechanisches Versagen der Schaufeln wird ausgeschlossen (lange Lebensdauer);
Ein Verlust an aerodynamischer Effizienz aufgrund erhöhter Oberflächenrauigkeit wird vermieden.

Claims

1. Bauteil für eine Hochtemperaturdampfturbine, welche bei Temperaturen oberhalb 600[deg.]C, insbesondere oberhalb 700[deg.]C, arbeitet, welches Bauteil aus einer Nickelbasislegierung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Legierung die folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweist:

C: <=0,2

Si: <=1,0

Mn: <=1,0

Cr: 22,0-25,0

Co: 15,0-25,0

Mo: <=3,0

Nb: <=2,0

Al: 1,0-3,0

Ti: 2,0-4,0

Fe: <=2,0

Zr: <=0,2

B: <=0,05

Ni: Rest.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Cr auf den Bereich zwischen 23,0 und 25,0 Gew.-% beschränkt ist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Schaufel der Hochtemperaturdampfturbine ist.

4. Hochtemperaturdampfturbine für den Betrieb bei Temperaturen oberhalb 600 [deg.]C, insbesondere oberhalb 700[deg.]C, welche Hochtemperaturdampfturbine ein dem heissen Dampf ausgesetztes Bauteil umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einer Nickelbasislegierung besteht, welche die folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweist:

C: <=0,2

Si: <=1,0

Mn: <=1,0

Cr: 22,0-25,0

Co: 15,0-25,0

Mo: < 3,0

Nb: <=2,0

Al: 1,0-3,0

Ti: 2,0-4,0

Fe: <=2,0

Zr: <= 0,2

B: <= 0,05

Ni: Rest.

5. Hochtemperaturdampfturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Cr auf den Bereich zwischen 23,0 und 25,0 Gew.-% beschränkt ist.

6. Hochtemperaturdampfturbine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Schaufel der Hochtemperaturdampfturbine ist.