CZ290459B6

CZ290459B6 - Turbínová lopatka

Info

Publication number: CZ290459B6
Application number: CZ1998634A
Authority: CZ
Inventors: Akitsugu Fujita; Masatomo Kamada; Hiroshi Yokota; Mitsuyoshi Tsuchiya; Yoshinori Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 2002-07-17
Also published as: EP0863221A1; US6095756A; DE69800133D1; DE69800133T2; ES2149023T3; ATE192508T1; CZ63498A3; JPH10245658A; EP0863221B1

Abstract

Turb nov lopatka m profil dut konstrukce a je vyrobena metodou p°esn ho lit z materi lu pro p°esn lit s vysok²m obsahem chromu, obsahuj c ho 0,08 a 0,14 % hmotnostn ch uhl ku, 0,1 a 0,3 % hmotnostn ch k°em ku, 0,01 a 1,0 % hmotnostn manganu, 8,5 a 9,5 % hmotnostn ch chromu, 0,01 a 0,6 % hmotnostn ch niklu, 0,1 a 0,2 % hmotnostn ch vanadu, 0,03 a 0,06 % hmotnostn ch niobu, 0,02 a 0,07 % hmotnostn ch dus ku, 0,1 a 0,7 % hmotnostn ch molybdenu, 1,0 a 2,5 % hmotnostn ch wolframu, 0,01 a 4,0 % hmotnostn kobaltu, p°i em zbytek tvo° elezo a nahodil p° m si. Materi l pro p°esn lit d le p° padn obsahuje 0,002 a 0,01 % hmotnostn ch boru.\

Description

(57) Anotace:

Turbínová lopatka má profil duté konstrukce a je vyrobena metodou přesného lití z materiálu pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu, obsahujícího 0,08 až 0,14 % hmotnostních uhlíku, 0,1 až 0,3 % hmotnostních křemíku, 0,01 až 1,0 % hmotnostní manganu, 8,5 až 9,5 % hmotnostních chrómu, 0,01 až 0,6 % hmotnostních niklu, 0,1 až 0,2 % hmotnostních vanadu, 0,03 až 0,06 % hmotnostních niobu, 0,02 až 0,07 % hmotnostních dusíku, 0,1 až 0,7 % hmotnostních molybdenu, 1,0 až 2,5 % hmotnostních wolframu, 0,01 až 4,0 % hmotnostní kobaltu, přičemž zbytek tvoří železo a nahodilé příměsi. Materiál pro přesné lití dále případně obsahuje 0,002 až 0,01 % hmotnostních boru.

(51) Int. Cl. :
C22C	38/22
C22C	38/30
C22C	38/32
F01 D	5/14
F01 D	5/28

Turbínová lopatka

Oblast techniky

Vynález se týká turbínové lopatky, vyrobené z materiálu, který má výborné vlastnosti při vysokých teplotách, a který je vhodný pro výrobu turbínových lopatek a dalších součástí, využívaných při tepelné výrobě elektrické energie.

Dosavadní stav techniky

Materiály pro turbínové lopatky, které se používají při vysokých teplotách u parních turbín elektráren pro tepelnou výrobu elektrické energie, zahrnují kované ocelové materiály, založené na oceli 12Cr, a vysoce legované slitiny. Turbínové lopatky pro využití v současných elektrárnách jsou obvykle vyráběny kováním základního materiálu za tepla a poté jeho tvarováním řezným strojním obráběním. U takovéhoto výrobního procesuje však velké množství materiálu odebíráno, a ve formě třísek putuje do odpadu, a to právě z toho důvodu, že základní materiál je tvarován řezným obráběním.

Jelikož turbínové lopatky mívají velmi složitý- tvar, je nutno provést velké množství kroků třískového obrábění, přičemž strojní obrábění, které spotřebovává velké množství elektrické energie, i jiné obráběcí techniky, které musejí být využity pro tvarování složitých a komplikovaných dutin, mají velmi nízkou efektivitu práce. Tím vznikají obrovské pracovní náklady a značné časové ztráty.

Použití přesného odlévání naopak usnadňuje tváření materiálu do tvaru, který je podobný tvaru požadovanému, takže toto tváření může být prováděno s nízkými náklady. Avšak konvenční běžné odlévací materiály nejsou tak kvalitní, jako materiály vhodné ke kování, a to zejména z hlediska pevnosti při vysokých teplotách, což je typizováno mezí pevnosti, aby jich bylo možno použít jako materiálů pro turbínové lopatky. Ve známém stavu techniky tedy materiály pro přesné lití nebyly dosud využity jako materiály pro výrobu oběžných lopatek parních turbín a podobně.

Kromě toho konvenční lopatky, jako například oběžné lopatky parních turbín, mají všechny pevnou konstrukci, čímž mají i velkou hmotnost a jsou tak velmi těžké. Když se takové oběžné lopatky otáčejí, působí na rotor, který tyto lopatky nese, velmi značné zatížení. V důsledku toho bylo nutno udržovat provozní teplotu na velmi nízké úrovni, anebo použít drahého materiálu, jako je například 12Cr rotorový materiál.

Podstata vynálezu

Z hlediska shora uvedeného dosavadního známého stavu techniky je úkolem předmětu tohoto vynálezu vyvinout materiály pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu, které jsou jednak schopny přeného lití, a jednak mají i navíc výbornou pevnost při vysokých teplotách.

Úkolem předmětu tohoto vynálezu je tedy vyvinout levné a velice spolehlivé turbínové lopatky, vyrobené s použitím uvedených odlévacích materiálů, přičemž takovéto turbínové lopatky rovněž mají mnohem nižší hmotnost.

Za účelem dosažení shora uvedených úkolů byla proto v souladu s předmětem tohoto vynálezu vyvinuta turbínová lopatka, která má profil duté konstrukce a je vyrobena metodou přesného lití z materiálu pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu, obsahujícího 0,08 až 0,14% hmotnostních uhlíku, 0,1 až 0,3 % hmotnostních křemíku, 0,01 až 1,0% hmotnostní manganu,

- 1 CZ 290459 B6

8,5 až 9.5 % hmotnostních chrómu, 0,01 až 0,6 % hmotnostních niklu, 0,1 až 0,2 % hmotnostních vanadu, 0.03 až 0,06 % hmotnostních niobu, 0,02 až 0,07 % hmotnostních dusíku, 0,1 až 0,7 % hmotnostních molybdenu, 1,0 až 2,5% hmotnostních wolframu, 0,01 až 4,0% hmotnostní kobaltu, přičemž zbytek tvoří železo a nahodilé příměsi.

Materiál pro přesné lití dále rovněž s výhodou obsahuje 0,002 až 0,01 % hmotnostních boru.

Turbínová lopatka podle tohoto vynálezu je s výhodou opatřena bandáží s prohlubní, vytvořenou na jejím povrchu, přičemž do prohlubně bandáže je namontován kovový pás nebo bandážový krvi.

Turbínová lopatka podle tohoto vynálezu může být tedy vyrobena z následujících materiálů (1) a (2) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu:

(1) Materiál pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu, obsahující 0,08 až 0,14% hmotnostních uhlíku, 0,1 až 0,3% hmotnostních křemíku, 0,01 až 1 % hmotnostní manganu,

8,5 až 9.5% hmotnostních chrómu, 0,01 až 0,6% hmotnostních niklu, , 0,1 až 0,2% hmotnostních vanadu, 0,03 až 0,06 % hmotnostních niobu, 0,02 až 0,07 % hmotnostních dusíku,, 0,1 až 0.7% hmotnostních molybdenu, 1,0 až 2,5% hmotnostních wolframu, 0,01 až 4,0% hmotnostní kobaltu, přičemž zbytek tvoří železo a nahodilé příměsi.

(2) Materiál pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu, obsahující 0,08 až 0,14% hmotnostních uhlíku, 0,1 až 0,3 % hmotnostních křemíku, 0,01 až 1 % hmotnostní manganu,

8,5 až 9.5% hmotnostních chrómu, 0,01 až 0,6% hmotnostních niklu, , 0,1 až 0,2% hmotnostních vanadu, 0,03 až 0,06 % hmotnostních niobu, 0,02 až 0,07 % hmotnostních dusíku,, 0,1 až 0.7% hmotnostních molybdenu, 1 až 2,5% hmotnostních wolframu, 0,01 až 4% hmotnostní kobaltu, 0,002 až 0,01 % hmotnostních boru, přičemž zbytek tvoří železo a nahodilé příměsi.

Předmětem tohoto vynálezu jsou následující turbínové lopatky (3), (4) a (5):

(3) Turbínová lopatka, vyrobená procesem přesného lití a využívající shora uvedený materiál (1) nebo (2) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu.

(4) Turbínová lopatka, mající profil s dutou konstrukcí, přičemž je tato turbínová lopatka vyrobena procesem přesného lití s využitím shora uvedeného materiálu (1) nebo (2) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu.

(5) Turbínová lopatka, která má profily s dutou konstrukcí a je opatřena bandáží s prohlubněmi, které jsou vytvarovány na povrchu této bandáže, a která byla vyrobena procesem přesného lití s využitím shora uvedeného materiálu (1) nebo (2) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu, přičemž v prohlubních bandáže jsou namontovány kovové desky nebo bandážové kryty.

Přehled obrázků na výkresech

Předmět tohoto vynálezu bude v dalším blíže popsán na příkladech jeho provedení s přihlédnutím k přiloženým výkresům, na kterých:

obr. 1 zobrazuje axonometrický pohled, znázorňující jedno příkladné provedení turbínové lopatky (3) podle tohoto vynálezu;

obr. 2 zobrazuje axonometrický pohled, znázorňující jiné příkladné provedení turbínové lopatky (4) podle tohoto vynálezu;

-2CZ 290459 B6 obr. 3A znázorňuje v řezu tvar profilu opatky, znázorněné na obr. 2;

obr. 3B představuje pohled, který' znázorňuje, jakým způsobem je turbínová lopatka podle obr. 2 ukotvena k rotoru;

obr. 4 zobrazuje axonometrický pohled, znázorňující turbínovou lopatku (5) podle tohoto vynálezu, jejíž bandážje opatřena prohlubní, vytvarovanou na povrchu této bandáže; a obr. 5 zobrazuje axonometrický pohled, znázorňující turbínovou lopatku podle tohoto \ynálezu, u které je v prohlubni bandáže namontován bandážovaný kryt.

Příklady provedení vynálezu

Shora uvedené materiály (1) a (2) jsou založeny na výsledcích intenzivního výzkumu, provedeného původci tohoto vynálezu za účelem zlepšení pevnosti při vysokých teplotách s využitím oceli s vysokým obsahem chrómu, které je použito jako základního materiálu, a do které jsou přidány pečlivě vybrané legovací prvky. Tím tyto materiály pro přesné lití získávají vynikající vlastnosti při vysokých teplotách a jsou vhodné pro využití jako konstrukční materiály u lopatek parních turbín.

Důvody pro obsahové vymezení shora uvedeného materiálu (1) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu podle tohoto vynálezu budou nyní blíže popsány.

Uhlík (C): uhlík spolu s dusíkem vytváří nitridy uhlíku a tím přispívá ke zlepšení meze pevnosti při tečení. Kromě toho působí uhlík jako prvek, vytvářející austenit, což brání tvorbě δ-feritu. Jeli obsah uhlíku menší než 0,08 % hmotnostních, nepřináší to žádný postačující účinek, zatímco je-li jeho obsah větší než 0,14% hmotnostních, seskupují se nitridy uhlíku během využívání a vytvářejí hrubá velká zrna, čehož výsledkem je snížení dlouhodobé pevnosti při vysokých teplotách. Kromě toho vysoký obsah uhlíku způsobuje špatnou svařitelnost, což může vést i k obtížím, neboť během výroby turbínových lopatek procesem přesného lití může docházet k trhlinám ve svarech. Z těchto důvodů nesmí být uhlík přidáván v množství větším, než je množství, zaručující zvýšení pevnosti při vysokých teplotách vytvářením nitridů uhlíku a zamezením tvorbě δ-feritu. Proto by tedy měl být obsah uhlíku v rozmezí od 0,08 % do 0,14 % hmotnostních a zejména od 0,09 % do 0,12 % hmotnostních.

Křemík (Si): křemík efektivně působí jako odkysličovadlo neboli redukční činidlo. Kromě toho je křemík prvkem od kterého se požaduje, aby zabezpečil dobrou tekutost při tavení, neboť u tavných ocelových materiálů musí tavenina zatéci do všech rohů a zákoutí formy. Jelikož však má křemík účinky, které způsobují snížení houževnatosti či tuhosti a pevnosti při vysokých teplotách, přičemž navíc podporuje tvorbu δ-feritu, je nutno udržovat jeho obsah na co nejnižší úrovni. Je-li obsah křemíku menší než od 0,1 % hmotnostních, nelze zabezpečit dostatečnou tavnou tekutost, zatímco je-li jeho obsah větší než 0,3 %, projeví se shora popsané obtíže. Proto by tudíž měl být obsah křemíku v rozmezí od 0,1 % do 0,3 % hmotnostních a s vý hodou od 0,15 % do 0,25 % hmotnostních.

Mangan (Mn): mangan je prvek, který je využitelný jako odkysličovadlo neboli redukční činidlo. Kromě toho způsobuje mangan takové účinky, které brání v tvorbě δ-feritu. Tvorba δ-feritu způsobuje snížení kujnosti, tvárnosti a houževnatosti, a navíc i podstatné snížení meze pevnosti při tečení, což je jeden z ukazatelů pevnosti při vysokých teplotách. V důsledku toho je nutno přidávat mangan s ohledem na rovnováhu mezi křemíkem a ostatními prvky. Na druhé straně však zvýšení obsahu manganu způsobuje odpovídající snížení meze pevnosti při tečení. Na základě těchto profilových údajů musí být mangan přidáván v přísně řízeném množství tak, aby nedošlo ke snížení meze pevnosti při tečení, a aby navíc nedošlo k tvorbě δ-feritu během výroby velmi rozměrných výrobků z lité oceli. Přidáním více než 1 % hmotnostního manganu způsobí

-3 CZ 290459 B6 podstatné snížení pevnosti při vysokých teplotách, přičemž množství manganu, které je nevyhnutelně obsaženo v ocelových materiálech, je zhruba okolo 0,01 % hmotnostních. Proto by tedy měl být obsah manganu v rozmezí od 0,01 do 1 % hmotnostního a s výhodou od 0,03 do

0,06 % hmotnostních.

Chróm (Cr): chróm vytváří karbid a tím přispívá ke zlepšení meze pevnosti při tečení. Kromě toho se chróm rozpouští v základním materiálu, čímž se zvyšuje odolnost proti oxidaci, což rovněž přispívá ke zlepšení dlouhodobé pevnosti při vysokých teplotách zvyšováním pevnosti samotného základního materiálu. Je-li obsah chrómu menší než 8,5 % hmotnostních, nedochází k žádnému výraznému účinku. Na druhé straně je-li obsah chrómu věší než 9,5 % hmotnostních bude docházet ke tvorbě δ-feritu, což způsobí sníženi pevnosti a houževnatosti, na čemž mohou záviset další legovací prvky. Proto by tedy měl být obsah chrómu v rozmezí od 8,5 (zahrnutých) do 9,5 % hmotnostních (nezahrnutých) a s výhodou od 8,7 do 9,3 % hmotnostních.

Nikl (Ni): Nikl je prvkem, který má dobré účinky při zlepšování houževnatosti a tuhosti. Kromě toho je nikl užitečný při zabraňování tvorby δ-feritu. Jelikož však přidání příliš velkého množství niklu způsobuje podstatné sníženi meze pevnosti při tečení, je žádoucí, aby byl nikl přidáván v požadovaném minimálním množství. Přidání více než 0.6 % hmotnostních niklu způsobí podstatné snížení meze pevnosti při tečení, přičemž množství niklu, které je nevyhnutelně obsaženo v ocelových materiálech, činí zhruba 0,01 % hmotnostních. Proto by tedy mělo být množství niklu v rozmezí od 0.01 do 0,6% hmotnostních a s výhodou od 0,03 do 0,4% hmotnostních.

Vanad (V): Vanad vytváří nitridy uhlíku a tím tedy zlepšuje mez pevnosti při tečení Je-li obsah vanadu menší než 0,1 % hmotnostních, nedochází k žádnému výraznému účinku. Je-li však na druhé straně obsah vanadu větší než 0,2 % hmotnostních, bude se mez pevnosti při tečení naopak snižovat. Proto by tedy měl být obsah vanadu v rozmezí od 0,1 do 0,2% hmotnostních a s výhodou od 0,13 do 0,18 % hmotnostních.

Niob (Nb): niob vytváří nitridy uhlíku a tím přispívá ke zlepšení pevnosti při vysokých teplotách. Kromě toho niob způsobuje, že dochází ke zkujňování karbidu (M23C6) a kjeho vysrážení při vysokých teplotách, což přispívá ke zlepšení dlouhodobé meze pevnosti při tečení. Je-li obsah niobu menší než 0,03 % hmotnostních, nedochází k větší než 0,06 % hmotnostních, pak nitridy uhlíku, způsobené niobem, a tvořící se během výroby ocelových ingotů, se úplně nerozpustí v základním materiálu během tepelného zpracování a během využívání budou hrubnout, což způsobí snížení dlouhodobé meze pevnosti při tečení. Proto by tedy celkový obsah niobu měl být v rozmezí od 0,03 do 0,06 % hmotnostních a zejména od 0,04 do 0,06 % hmotnostních.

Dusík (N): Dusík společně s uhlíkem a legovacími prvky vytváří nitridy uhlíku a tím přispívá ke zlepšení pevnosti při vysokých teplotách. Kromě toho je dusík důležitým prvkem v tom, že účinkuje při zamezování tvorby δ-feritu. Je-li obsah dusíku menší než 0,02 % hmotnostních, nemůže se vytvořit žádné dostatečné množství nitridů uhlíku, a navíc nebude plně dosaženo zamezujícího účinku při tvorbě δ-feritu, což způsobí nedostatečnou mez při tečení a velmi nízkou houževnatost. Je-li obsah dusíku větší než 0,07 % hmotnostních, budou se nitridy uhlíku po uplynutí delší doby vzájemně spojovat a budou vytvářet hrubá zrna, v důsledku čehož nebude možno dosáhnout dostatečné meze pevnosti při tečení. Proto by tedy obsah dusíku měl být v rozmezí od 0,02 do 0,07 % hmotnostních a s výhodou od 0,03 do 0,06 % hmotnostních.

Molybden (Mo): molybden se spolu s wolframem rozpouští v základním materiálu a tím zlepšuje mez pevnosti při tečení. Je-li molybden přidáván samostatně, může být použit v množství asi

1,5 % hmotnostních. Je-li však současně rovněž přidáván wolfram, což je případ předmětu tohoto vynálezu, pak je wolfram mnohem účinnější při zlepšování pevnosti při vysokých teplotách. Jsou-li však molybden a wolfram přidávány v příliš vysokém množství, bude se vytvářet δ-ferit, což způsobí snížení meze pevnosti při tečení. Proto tedy s ohledem na vyváženost s obsahem wolframu by měl být obsah molybdenu v rozmezí od 0,1 do 0,7 % hmotnostních. V materiálu

-4CZ 290459 B6 podle tohoto vynálezu, do kterého je přidáno adekvátní množství wolframu, by měl být obsah molybdenu co nejnižší, a to zejména z hlediska jeho ceny. Proto je tedy obzvláště doporučované rozmezí od 0,1 do 0.5 % hmotnostních.

Wolfram (W): jak již bylo výše uvedeno, wolfram se společně s molybdenem rozpouští v základním materiálu a tím zlepšuje mez pevnosti při tečení. V porovnání s molybdenem je wolfram účinnější prvek, který· projevuje daleko mohutnější zpevňovací účinek v důsledku tuhého roztoku. Je-li však wolfram přidán v příliš velkém množství, vytváří se δ-ferit a velké množství Lavesovy fáze, což způsobuje snížení meze pevnosti při tečení. Proto tedy s ohledem na vyváženost s obsahem molybdenu by měl být obsah wolframu v rozmezí od 1,0 do 2,5% hmotnostních a s výhodou od 1,5 do 2,0 % hmotnostních.

Kobalt (Co): stejně jako nikl se kobalt rozpouští v základním materiálu a zamezuje vytváření δ-feritu. Na rozdíl od niklu však kobalt nezpůsobuje snížení pevnosti při vysokých teplotách.

V důsledku toho potom, je-li přidán kobalt, mohou být zpevňující prvky (například chróm a wolfram) přidány ve větším množství než v tom lze dosáhnout vysoké meze pevnosti při tečení. Avšak přidání příliš velkého množství kobaltu (zejména více než 4 % hmotnostní) bude podporovat vysrážení karbidu, což způsobí snížení dlouhodobé meze pevnosti při tečení. A kromě toho, jelikož kobalt je sám o sobě velmi drahý materiál, je z ekonomického hlediska žádoucí přidávat kobalt pouze v co nejmenším množství. U ocelí podle tohoto vynálezu, k nimž je přidán nikl, je rovněž obsaženo nevyhnutelné množství zhruba 0,01 % hmotnostních kobaltu, a to í tehdy, když kobalt sám o sobě nebyl přidán. Proto by tedy obsah kobaltu v materiálu podle tohoto vynálezu měl být v rozmezí od 0,01 do 4,0% hmotnostních. S ohledem na finanční náklady a na užitkové požadavky je výhodné udržovat obsah kobaltu na co nejnižší úrovni. Zejména se tedy doporučuje rozmezí od 0,01 do 2,0 % hmotnostních.

Materiál pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu, mající shora definované složení, má rovněž vynikající pevnost při vysokých teplotách, takže může být využit pro výrobu různých součástí, u kterých je vyžadována dobrá pevnost při vysokých teplotách, a to procesem přesného lití. Jestliže například turbínové lopatky, které byly běžně konvenčně vyráběny pomocí strojního obrábění kovaného ocelového materiálu s vysokým obsahem chrómu, mohou být vyráběny v souladu s procesem přesného lití, lze dosáhnout výrazného snížení časové náročnosti výroby, stejně jako výrobních nákladů.

V dalším budou uvedeny důvody pro obsahové vymezení shora uvedeného materiálu (2) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu podle tohoto vynálezu. Tento materiál (2) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu má stejné složení jako shora uvedený materiál (1) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu, s tím rozdílem, že v tomto případě je přidán bor za účelem zlepšení meze pevnosti při tečení. Proto tedy s ohledem na složky jiné než bor, jsou důvody pro obsahové vymezení tytéž, a jsou zde tedy vynechány. Vysvětlení účinků boru bude provedeno dále.

Bor (B): bor způsobuje zvýšení mezivazební pevnosti a tím přispívá ke zlepšení meze pevnosti při tečení. Je-li však bor přidán v příliš velkém množství, dochází ke snížení houževnatosti a tuhosti. Je-li však na druhé straně obsah boru menší než 0,002 % hmotnostních, nebude docházet k žádnému účinku vlivem jeho působení. Proto by tedy měl být obsah boru v materiálu podle tohoto vynálezu v rozmezí od 0,002 do 0,01 % hmotnostních.

Navíc k vynikajícím vlastnostem, které má shora uvedený materiál (1) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu podle tohoto vynálezu, vykazuje materiál (2) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu, které má shora definované složení, ještě další zlepšení meze pevnosti při tečení.

Nyní budou podrobněji popsány turbínové lopatky (3), (4) a (5) podle tohoto vynálezu, a to s odkazem na připojené výkresy.

Turbínová lopatka (3) podle tohoto vynálezu může být vyrobena vytvarováním shora popsaného odlévatelného materiálu (1) nebo (2) s vysokým obsahem chrómu podle tohoto vynálezu do turbínové lopatky předem stanoveného tvaru, a to v souladu s procesem přesného lití.

Obr. 1 znázorňuje axonometrický pohled, zobrazující jedno příkladné provedení turbínové lopatky (3) podle tohoto vynálezu.

Turbínová lopatka podle obr. 1 přestavuje blok, sestávající z bandáže f, ze tří vzduchových profilů 2 a z paty 3. Tato turbínová lopatka může být připojena k rotoru pomocí průchozích otvorů 4. vyvrtaných v patě 3, která přestavuje spodní část turbínové lopatky, a to ukotvením paty 3 k rotoru pomocí přímých čepů 5, vložených do těchto průchozích otvorů 4. Je zřejmé, že rotor, který není znázorněn je rovněž opatřen průchozími otvory v téže poloze, jako jsou průchozí otvory 4. a že pata 3 je připojena k rotoru posuvným uložením přímých čepů 5. V tomto provedení mají profily 2 pevnou plnou konstrukci.

Tato turbínová lopatka je vytvořena z materiálu, který má vynikající pevnost při vysokých teplotách, a který tedy vykazuje vysokou spolehlivost. Kromě toho, právě proto, že je tato turbínová lopatka vyrobena přesným litím, může být dob jejího zpracování výrazně snížena, stejně jako mohou byl výrazně sníženy výrobní náklady v porovnání s běžným konvenčním třískovým strojním obráběním, využívajícím kovaný materiál s vysokým obsahem chrómu.

U turbínové lopatky (4) podle tohoto vynálezu je hmotnost profilů 2 snížena vytvořením dutiny 6 v každém vzduchovém profilu 2. Jelikož tak může být rovněž sníženo namáhání, vyvozované na patu 3 turbínové lopatky, může být tloušťka této paty 3 rovněž menší. V důsledku toho mohou byt vyrobeny oběžné turbínové lopatky, mající mnohem menší hmotnost (například více než o 10 %). než lopatky, mající pevnou plnou konstrukci. Namáhání, vyvozované na rotor, může být tedy rovněž sníženo více než o 10 %.

V případě rotačních turbínových lopatek, jako jsou například oběžné turbínové lopatky, může být zátěž, vyvozovaná na rotor, který tyto lopatky nese, snížena snížením hmotnosti materiálu. To znamená, že odstředivá síla F, způsobovaná otáčením konstrukce, je přestavována následující rovnicí:

F = m.V²/r kde: m je hmotnost

V je obvodová rychlost r je poloměr setrvačnosti.

Takže pokud namáhání, uplatňované na rotor, vzrůstá úměrně k hmotnosti oběžných lopatek, potom snížení hmotnosti těchto oběžných lopatek vede přímo ke snížení namáhání rotoru.

Avšak materiály, založené na železe, mají specifickou hmotnost kolem 7,8, která nepodléhá žádným podstatným změnám, i kdyby byl modifikován obsah legovacích prvků. Z této skutečnosti je evidentní, že hmotnost lopatky nemůže být snížena bez snížení objemu vlastní lopatky.

Obr. 2 znázorňuje axonometrický pohled, zobrazující jedno provedení turbínové lopatky (4) podle tohoto vynálezu, a obr. 3A znázorňuje pohled, zobrazující tvar profilu lopatky v řezu.

Jak je znázorněno na obr. 3B může být turbínová lopatka tohoto provedení ukotvena k rotoru vložením přímých čepů 5 do průchozích otvorů 4, vyvrtaných v patě 3 rotoru 7. Kromě toho u tohoto provedení turbínové lopatky je každý profil 2 opatřen dutinou 6, vytvořenou v tomto profilu 2 za účelem snížení jeho hmotnosti, jak je znázorněno na obr. 3 A.

-6CZ 290459 B6

Tato dutá konstrukce umožňuje dosáhnout snížení hmotnosti profilu 2 lopatky. Kromě snížení hmotnosti profilu 2 způsobuje snížení odstředivé síly, takže tloušťka paty 3 může být menší. To způsobuje další snížení hmotnosti.

Celková hmotnost oběžné lopatky může být snížena o více než 10 %. Zde je nutno zdůraznit, že z hlediska pevnosti nepředstavuje profil duté konstrukce žádné problémy, protože pevnost vlastní lopatky může být v podstatě udržena prostřednictvím vnějšího pláště.

Jako doplněk k účinkům, poskytovaným turbínovou lopatkou (3) podle tohoto vy nálezu, má turbínová lopatka (4) podle tohoto vynálezu sníženou hmotnost, což umožňuje zmírnit pevnostní požadavky pro rotor, který lopatku nese. V důsledku toho může být pro výrobu rotoru použito poměrně levného materiálu. Předmětný vynález tak rovněž představuje vysoký účinek při snížení finančních nákladů na materiál rotoru.

To znamená, že techniku podle tohoto vynálezu, která umožňuje snížit hmotnost lopatek, lze označit za epochální techniku, která umožňuje zlepšit spolehlivost turbín a vyrábět levné příslušenství turbín.

Je-li hmotnost lopatky snížena použitím profilů s dutou konstrukcí jako u turbínové lopatky (4) podle tohoto vynálezu, způsobí prosec přesného lití, že dutiny profilů zůstanou otevřeny směrem k povrchu bandáže 1 lopatky, jak je znázorněno na obr. 2. Takto vzniklé otvory v bandáži f lopatky mají pouze malý přímý vliv na provoz turbíny a mohou tedy být ponechány tak, jak jsou.

Avšak z hlediska tepelné účinnosti způsobují tyto otvory poruchy v proudění tekutiny kolem vnějšího obvodu lopatky, a způsobují tak snížení tepelné účinnosti, která je tak malá. Z tohoto důvodu je žádoucí otvory v bandáži 1 uzavřít.

Shora uvedená turbínová lopatka (5) podle tohoto vynálezu je turbínovou lopatkou, jejíž profil má dutou konstrukci, a jejíž povrch je tedy hladký vytvořením prohlubně 10 v bandáži 1 lopatky, a opatření této prohlubně 10 kovovým pásem nebo bandážovým krytem 8, a to prostřednictvím vhodných prostředků, například svářením elektronovými paprsky. Na obr. 5 znázorněná úsečka se Šipkami označuje obvodový směr otáčení turbíny.

Jedno provedení turbínové lopatky (5) podle tohoto vynálezu, jejíž bandáž 1 má prohlubeň 10, vytvarovanou v jejím povrchu, je znázorněna v axonometrickém pohledu na obr. 4, a turbínová lopatka podle obr. 4, u které je v prohlubni 10 bandáže 1 namontován kovový pás nebo bandážový kryt 8, je znázorněna v axonometrickém pohledu na obr. 5.

Turbínová lopatka tohoto provedení má takovou konstrukci, že při vytváření tvaru lopatky v průběhu procesu přesného lití je bandáž 1 opatřena prohlubní 10, jak je znázorněno na obr. 4, a to tak, aby bylo možno do této prohlubně 10 namontovat na bandáž 1 bandážový kryt 8, sestávající z kovového pásu. Upevnění bandážového krytu 8 na bandáž 1 může být provedeno svařováním, například svařováním elektronovými paprsky.

Materiál bandážového krytu 8 může být jakýkoliv materiál, který je schopen odolat odstředivé síle, působící v důsledku jeho vlastní hmotnosti, při teplotách okolo 600 °C nebo i nižších. Na základě skutečnosti, že pro oběžné lopatky je použito odlévacího ocelového materiálu s vysokým obsahem chrómu, může být rovněž bez jakýchkoliv problémů využito i jakéhokoliv jiného typu materiálu, který nemá pevnost při vysokých teplotách menší než je třída SUS410 podle japonských průmyslových norem.

Jelikož svařované spoje bandážového krytu 8 musejí být schopny odolat odstředivé síle, způsobené jejich vlastní hmotností, lze dosáhnout postačující pevnosti přivařením bandážového krytu 8 podél dvou linií 9 svaru, rozprostírajících se v obvodovém směru otáčení turbíny.

-7 CZ 290459 B6

Kromě účinků, které poskytuje turbínová lopatka (4) podle tohoto vynálezu, má turbínová lopatka (5) podle tohoto vynálezu ještě ten účinek, že jsou eliminovány poruchy v prodění tekutiny kolem vnějšího obvodu lopatky v porovnání s případem, kdy byly dutiny profilu lopatky otevřeny směrem k povrchu bandáže lopatky, kterážto eliminace poruch rovněž zabraňuje snižování tepelné účinnosti.

Shora popsaný materiál (1) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu podle tohoto \ynálezu byl vyvinut s využitím oceli s vysokým obsahem chrómu jako základního materiálu, a modifikováním obsahů různých přísad a příměsí, v důsledku čehož má vy nikající pevnost při vysokých teplotách.

Při využití tohoto materiálu (1) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu mohou byt přesným litím vyráběny rozlišné součásti, vyžadující vysokou pevnost při vysokých teplotách. Je-li například tento materiál pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu použit jako konstrukční materiál pro turbínové lopatky, mohou být tyto turbínové lopatky vyrobeny procesem přesného lití, namísto procesu konvenčního třískového obrábění, využívajícího kovaný ocelový materiál s vysokým obsahem chrómu. V důsledku uvedené skutečnosti je možno dosáhnout výrazného snížení časové náročnosti výroby a významných úspor výrobních nákladů.

Kromě účinků, které poskytuje shora uvedený materiál (1) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu podle tohoto vynálezu, vykazuje materiál (2) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu podle tohoto vynálezu, do kterého je přidán bor, další zlepšení v oblasti meze pevnosti při tečení.

Turbínová lopatka (3) podle tohoto vynálezu je vytvarována z materiálu, který má vynikající pevnost při vysokých teplotách, takže vykazuje vysokou spolehlivost. Jelikož tato turbínová lopatka (3) může být vyrobena přesným litím, může tak být vyrobena v kratších výrobních termínech a při nižších výrobních nákladech v porovnání s konvenční turbínovou lopatkou, vyrobenou třískovým obráběním kovaného ocelového materiálu s vysokým obsahem chrómu.

U turbínové lopatky (4) podle tohoto vynálezu jsou její profily modifikovány tak, že mají dutou konstrukci. Tím tedy navíc v porovnání s účinky, poskytovanými turbinovou lopatkou (3) podle tohoto vynálezu, tato turbínová lopatky (4) má ještě i ten účinek, že má sníženou hmotnost. Tato snížená hmotnost turbínové lopatky umožňuje zmimit pevnostní požadavky na rotor, který lopatku nese. V důsledku toho může být rovněž pro výrobu rotoru použito mnohem levnějšího materiálu, což má za následek snížení finančních nákladů na materiál rotoru.

U turbínové lopatky (5) podle tohoto vynálezu je její povrch proveden hladký, a to tak, že v bandáži lopatky se vytvoří prohlubeň a do této prohlubně se poté namontuje bandážový kryt. V důsledku toho tedy ještě navíc k účinkům, které poskytuje turbínová lopatka (4) podle tohoto vynálezu, má tato turbínová lopatka (5) ještě ten účinek, že eliminuje poruchy v prodění tekutiny kolem vnějšího obvodu lopatky, což lze pozorovat v případě, kdy jsou dutiny profilu lopatky otevřeny směrem k povrchu bandáže, takže touto eliminací poruch se tak zabraňuje snižování tepelné účinnosti.

Jedno výhodné provedení předmětu tohoto vynálezu bude nyní blíže popsáno s odkazy na připojené výkresy. Zde je však nutno zdůraznit, že předmětný vynález se neomazuje pouze na toto provedení.

-8CZ 290459 B6

Za účelem prokázání účinků, poskytovaných předmětem tohoto vynálezu, uvádějí se následující příklady.

Příklad 1

Co se týče shora uvedeného materiálu (1) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu podle tohoto vynálezu, byla provedena celá řada testů a zkoušek za účelem zhodnocení různých vlastností tohoto materiálu.

Chemické složení materiálů, použitých pro tyto testy, je uvedeno v tabulce 1, přičemž všechny hodnoty jsou uváděny v procentech hmotnostních. Veškeré testované materiály byly připraveny roztavením příslušných složek ve vysokofrekvenční vakuové peci a odlitím výsledné taveniny v keramických formách, připravených metodou ztraceného vosku.

Tyto testované materiály byly tepelně zpracovány jejich ohřátím na 1 050 °C po dobu pěti hodin, a poté jejich ochlazením vzduchem až na 150 °C anebo i níže. Poté byly tyto materiály temperovány na jejich příslušných temperovacích teplotách, které byly stanoveny tak, aby bylo dosaženo 0,2 % konvenční meze průtažnosti neboli konvenční meze kluzu okolo 7-8 N/mm².

Předmětné materiály (1) (testovací materiály č. 1 až 7) a porovnávací materiály (testovací materiály č. 11 až 18), připravené shora uvedeným způsobem, byly podrobeny při pokojové teplotě zkoušce tahem a zkoušce rázem.

Mez pevnosti při tečení těchto testovacích materiálů po jejich držení při teplotě 600 °C po dobu 100 000 hodin byla stanovena extrapolací. Takto získané výsledky jsou obsaženy v tabulce 2. Jak je zřejmé z výsledků tahových zkoušek při pokojové teplotě, je tažnost (vyjádřená prodloužením a zmenšením plochy) a spotřebovaná nárazová práce předmětných materiálů trvale vyšší. A naopak tažnost a houževnatost porovnávacích materiálů je poměrně nižší. A navíc lze vidět, že mez pevnosti při tečení je u předmětných materiálů mnohem lepší, než u porovnávacích materiálů.

Příklad 2

Co se týče shora uvedeného materiálu (2) pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu podle tohoto vynálezu, byla provedena celá řada testů a zkoušek za účelem zhodnocení různých vlastností tohoto materiálu.

Chemické složení materiálů, použitých pro tyto testy, je uvedeno v tabulce 3, přičemž všechny hodnoty jsou uváděny v procentech hmotnostních. Příprava a tepelné zpracování testovaných materiálů bylo provedeno stejným způsobem, jako u příkladu 1.

Předmětné materiály (2) (testovací materiály č. 21 až 25), připravené shora uvedeným způsobem, byly podrobeny za pokojové teploty tahové zkoušce a rázové zkoušce, stejně jako u příkladu 1. Mez pevnosti při tečení předmětných materiálů (2) po jejich držení na teplotě 600 °C po dobu 100 000 hodin byla stanovena extrapolací. Takto získané výsledky jsou uvedeny v tabulce 4. V tabulce 3 a v tabulce 4 jsou údaje o testovacích materiálech č. 1, 4, 5 a 7, zahrnutých do předmětných materiálů (1), které byly získány v příkladu 1, rovněž uvedeny pro srovnávací účely.

Jak je uvedeno v tabulce 4, neexistují žádné rozdíly mezi předmětnými materiály (1) a (2) v jejich tahových vlastnostech a rázových vlastnostech při pokojové teplotě. Takže nebyl zjištěn žádný vliv přidání boru. Lze však vidět, že mez pevnosti při tečení u předmětných materiálů (2),

-9CZ 290459 B6 k nimž byl bor přidán, je dále zlepšena v porovnání s předmětnými materiály (1), k nimž nebyl přidán žádný bor.

Tabulka 1 (hodnoty v % hmotn.)

Skupina	Zkušební materiál č.	C	Si	Mn	Cr	Ni	V	Nb	Mo	W	Co	N
Předmětné materiály (1) _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________i	1	0.12	0.19	0,60	9.3	0,48	0,12	0,04	0,32	2,1	1,5	0,052
2	0.13	0.15	0,03	8,5	0,55	0,12	0,04	0,27	1,8	1,9	0,064
3	0.13	0.14	0,90	8,6	0,06	0,13	0,05	0,32	1,8	1,9	0,050
4	0.09	0.19	0,55	9,1	0,54	0,14	0,05	0,32	2,2	3,8	0,067
5	0.14	0,12	0,61	8.7	0,60	0,14	0,06	0,29	2,1	0,5	0,069
6	0.12	0.26	0,34	9,2	0,56	0,19	0,06	0,31	1,7	1,7	0,035
7	0.12	0.18	0,63	9,3	0,55	0,13	0,05	0,29	2,2	3,5	0,054
Porovnávací materiály	11	0.11	0.18	0,60	10,6	0,21	0,14	0,05	0,20	0,6	0,5	0,013
12	0.25	0.38	1,06	9,1	0,40	0,18	0,09	0,83	2,9	1,8	0,082
13	0.06	0.28	0,15	9,5	0,16	0,17	0,05	0,45	2,8	0,5	0,026
14	0.09	0.65	0,56	9,4	0,44	0,25	0,04	0,56	1,2	1,0	0,045
15	0.07	0.45	0,04	9,2	0,05	0,22	0,05	0,33	2,0	0,1	0,032
16	0.10	0.36	0,46	8,4	0,54	0,15	0,04	0,06	1,5	1,2	0,055
17	0.11	0.28	0,68	9,1	0,85	0,15	0,04	0,54	1,3	5,5	0,065
18	0.13	0.29	0,88	9,2	0,68	0,08	0,04	0,08	1.5	4,2	0,054

Tabulka 2

Skupina	Zkušební materiál C.	Tahová zkouška při pokojové teplotě	Rázová hodnota 2mm vrubu V při 20 °C (N-m)	600 °C*10⁵hod. mez pevnosti při tečení (N/mm²)
0,2 % mez průtažnosti (N/mm²)	Pevnost v tahu (N/mm²)	Prodloužení (%)	Zmenšení plochy (%)
*2 v •o •5 o	1	7,54	8,82	21,6	65,4	0,68	1,54
2	7,43	8,79	20,3	66,6	0,59	1,58
3	7,51	8,80	24,5	68,2	0,66	1,54
4	7,53	8,81	23,8	67,8	0,67	1,68
5	7,48	8,83	23,4	68,8	0,62	1,53
6	7,46	8,80	21,6	66,5	0,70	1,63
7	7,50	8,81	23,8	67,6	0,80	1,67
Porovnávací materiály	11	7,56	8,83	21,6	59,8	0,27	1,04
12	7,44	8,78	18,8	55,4	0,11	1,02
13	7,32	8,68	21,2	62,3	0,18	1,08
14	7,49	8,84	19,2	57,2	0,45	1,00
15	7,52	8,82	17,6	58,8	0,12	1,15
16	7,54	8,79	18,3	57,4	0,43	1,12
17	7,51	8,85	19,5	60,2	0,45	0,98
18	7,50	8,76	20,2	63,8	0,71	0,90

-10CZ 290459 B6

Tabulka 3 (hodnoty v % hmotn.)

Skupina	Zkušební materiál č.	C	Si	Mn	Cr	Ni	V	Nb	Mo	W	Co	B	N
Předmětné materiály (1)	1	0,12	0,19	0,60	9,3	0,48	0,12	0,04	0,32	2,1	1,5	-	0,052
4	0,09	0,19	0,55	9,1	0,54	0,14	0,05	0,32	2,2	3,8	-	0,067
5	0,14	0,12	0,61	8,7	0,60	0,14	0,06	0,29	2,1	0,5	-	0,069
7	0,12	0,18	0,63	9,3	0,55	0,13	0,05	0,29	2,2	3,5	-	0,054
Porovnávací materiály	21	0,12	0,18	0,62	9,2	0,46	0,12	0,04	0,31	2,1	1,4	0.003	0,053
22	0,09	0,19	0,57	9,1	0,56	0,13	0,04	0,34	2.2	3,7	0.006	0,064
23	0,13	0,13	0,61	8,8	0,60	0,14	0,05	0,29	2,1	0,7	0,005	0,068
24	0,12	0,18	0,65	9,3	0,54	0,13	0,05	0,27	2,2	3,5	0,007	0,052
25	0,13	0,14	0,64	9,1	0,50	0,14	0,05	0,35	1,8	1,7	0.009	0,051

Tabulka 4

Skupina	Zkušební materiál č.	Tahová zkouška při pokojové teplotě	Rázová hodnota 2mm vrubu V při 20 °C (N-m)	625 °C*10⁵hod. mez pevnosti při tečeni (N/mm²)
0,2 % mez průtažnosti (N/mm²)	Pevnost v tahu (N/mm²)	Prodloužení (%)	Zmenšeni plochy (%)
Předmětné materiály (1)	1	7,54	8,82	21,6	65,4	0,68	1,54
4	7,53	8,81	23,8	67,8	0,67	1,68
5	7,48	8,83	23,4	68,8	0,62	1,53
7	7,50	8,81	23,8	67,6	0,80	1,67
Porovnávací materiály	21	7,51	8,81	22,0	66,4	0,73	1,68
22	7,48	8,80	22,6	68,2	0,71	1,82
23	7,53	8,82	20,8	69,0	0,68	1,68
24	7,43	8,78	21,4	68,5	0,82	1,80
25	7,49	8,83	23,8	67,5	0,83	1,72

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Turbínová lopatka, v y z n a č uj í c í se t í m , že má profil duté konstrukce a je vyrobena metodou přesného lití z materiálu pro přesné lití s vysokým obsahem chrómu, obsahujícího 0,08 až 0,14 % hmotnostních uhlíku, 0,1 až 0,3 % hmotnostních křemíku, 0,01 až 1,0 % hmotnostní manganu, 8,5 až 9,5 % hmotnostních chrómu, 0,01 až 0,6 % hmotnostních niklu, 0,1 až 0,2 % hmotnostních vanadu, 0,03 až 0,06 % hmotnostních niobu, 0,02 až 0,07 % hmotnostních dusíku, 0,1 až 0,7% hmotnostních molybdenu, 1,0 až 2,5% hmotnostních wolframu, 0,01 až 4,0% hmotnostní kobaltu, přičemž zbytek tvoří železo a nahodilé příměsi.
2. Turbínová lopatka podle nároku 1,vyznačující se tím, že materiál pro přesné lití dále obsahuje 0,002 až 0,01 % hmotnostních boru.
3. Turbínová lopatka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že je opatřena bandáží (1) s prohlubní (10), vytvořenou na jejím povrchu, přičemž do prohlubně (10) bandáže (1) je namontován kovový pás nebo bandážový kryt (8).