DD293402A5 - Verfahren zur herstellung eines erosionsschutzes fuer turbinenschaufeln - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes fuer Turbinenschaufeln. Auf die zu schuetzenden Bereiche der Schaufeloberflaeche ist vorab ein aufkohlender Zusatz, z. B. ein Graphitanstrich aufzutragen, der anschlieszend mit einem fokussierten Laser- oder Elektronenstrahl in die Oberflaeche einzuschmelzen ist. Das mit der folgenden Selbstabschreckung entstehende martensitische Gefuege bewirkt eine Volumenzunahme mit gegenueber dem Schaufelkern aufgebauten Druckeigenspannungen, wodurch eine Erosion der bearbeiteten Schaufelblattbereiche verhindert wird.{Verfahren; Herstellung; Erosionsschutz; Turbinenschaufeln; Schaufeloberflaeche; aufkohlender Zusatz; Graphitanstrich; Laserstrahl; Einschmelzen; Selbstabschreckung; Druckeigenspannungen}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes für Turbinenschaufeln aus härtbarem Stahl, insbesondere den Schaufeleintritts- und Schaufelaustrittskanten von Endstufenschaufeln in Sattdampfturbinen.

Charakteristik des bekannten Standes dar Technik

Turbinenschaufeln der Endstufen von Sattdampfturbinen unterliegen auf Grund der im Niederdruckteil verstärkt auskondensierenden Wassertropfen einer erhöhten Erosion. Diese Zerstörung betrifft insbesondere die Eintritts- sowie die dünnwandige Austrittskante des Schaufelblattes, wobei die Ursache der Erosion in der mechanischen Oberflächenbelastung des Schaufelblattmaterialgefüges durch den permanenten Tropfenaufprall und der daraus abzuleitenden Werkstoffermüdung liegt. Neben dem allgemeinen Blattvolumenverlust infolge des erosiven Materialabtrages kommt es dabei an den Schaufelkanten zur Ausbildung von Erosionskerben, die zum gefährlichen Schaufelabriß führen.

Um den Mangel der Tropfenerosion zu beseitigen, versieht man deshalb die Schaufelkanten beispielsweise gemäß der DE-AS 2535251 mit einem Kantenschutz aus einer Hartlegierung. Die Dendritenstruktur der Hartlegierung ist dabei so ausgerichtet, daß die Dendrite einheitlich quer zur Tropfenaufschlagsrichtung verlaufen. Die so erzielte verbesserte Erosionsbeständigkeit trägt jedoch den Nachteil einer speziellen, teuren und aufwendigen Fertigung der Stellitleiste selbst und der komplizierten Verbindung mit dem Schaufelblatt sowie notwendigen Anpaß- und Nacharbeit in sich.

Ein weiterer Nachteil entsteht durch das Fügen des Schaufelblattes aus zwei verschiedenen Werkstoffen. Dabei werden zwangsläufig Spannungspotentiale aufgebaut, die zu Rissen, Ablösungserscheinungen bzw. Verkrümmungen des dünnwandigen Schaufelblattes führen.

Der hohe Kobaltanteil der Stellite macht zudem einen Einsatz in Kernkraftwerken fraglich, da bereits geringe Strahlungsaufnahmen, z. B. durch Leckagen oder Havarien hervorgerufen, zerstörend wirken. Auch ein partieller Einsatz an dem räumlich mehrfach gekrümmten Schaufelblatt ist wegen des dadurch nur zonal erreichbaren Kantenschutzes von nur begrenzter Wirksamkeit.

Weiterhin ist aus der DE-AS 2211830 ein Verfahren zum Schutz der Laufschaufel gegen Spannungsrißkorrosion bekannt. Der Korrosionsprozeß bewirkt den Bauteilbruch, bevorzugt von (Erosions-) Kerbstellen ausgehend, wenn hohe Zugspannungen im Betriebszustand der Schaufeln in Verbindung mit chloridhaltigen Medien an der Schaufeloberfläche zusammentreffen.

Mit dem vorgeschlagenen Härteverfahren erhält die Eintrittskante eine Druckvorspannung in Richtung der Schaufellängsachse.

Die mit dem Oberflächenhärtevorgang erreichte Martensitbildung bewirkt dazu eine zonale Volumenvergrößerung und somit Druckvorspannung, wenn der übrige Teil der Schaufel, der bei der Härtung kalt bleibt und einen genügend großen Querschnitt aufweist, um die resultierende Zugspannung aufzunehmen.

Eine praxisbewährte Anwendung dieses Durchhärteverfahrens Ist bisher nicht bekannt, denn die eingebrachten einseitigen Druckspannungen am fertig bearbeiteten dünnwandigen Schaufelblatt einer Endstufenschaufel führen zu einer unzulässigen, von der vorgegebenen Schaufelgeometrie abweichden Verkrümmung des Blattes. Die saugseitige Anordnung der Druckvorspannung bewirkt zudem druckseitige Zugspannungen, die im Lastbetrieb durch den auftreffenden, im Hochgeschwindigkeitsbereich liegenden Dampfstrahl und Tropfenaufprall noch verstärkt werden. Mit den über dem Schaufelblattquerschnitt auftretenden Zentrifugalkräfte! ι wird lediglich der mit Druckvorspannung beaufschlagte Schaufelblatteil entlastet.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat zum Ziel, die Materialabtragung an Endstufenschaufeln von Dampfturbinen durch Erosion insbesondere an den Blattkanten zu verhindern bzw. ihre Lebensdauer bedeutend zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaufelblattoberfläche teilweise oder vollständig als geschlossene erosionverschleißfeste Fläche auszubilden und die Anwendbarkeit der Lösung bei der Neufertigung als auch der Regeneriertechnologie bereits geschädigter Turbinenschaufeln zu sichern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die mit einem Erosionsschutz zu versehende Schaufelblattoberfläche sowohl im Bereich der Blatteintritts· als auch der Blattaustrittskante mittels eines auf die zu erzielende Schutzzonenbreite abgestimmt fokussieren Laser- oder Elektronenstrahls umgeschmolzen wird und dabei eine ausschließliche zonale Auflegierung des Schaufelwerkstoffes mit Kohlenstoff in der Schmelzzone erfolgt. Den Härtevorgang und damit angestrebten Erosionsschutz der aufgeschmolzenen Randzone bewirkt die nachfolgende Abkühlung durch die Abwanderung der Wärmequelle und des Abfließens der Schmelzwärme in die kalte Bauteilkernzone, ohne daß ein Verwerfen des Bauteils eintritt.

Die beim Härten durch die Martensitbildung bedingte Volumenzunahme in der mit Kohlenstoff angereicherten Randzone ist größer als im Schaufelkern. Infolgedessen entstehen an der Oberfläche mindestens im Bereich der Umschmelzzone Druckeigenspannungen.

Die erfindungsgemäße positive Wirkung der Druckeigenspannung in der Schaufelblattoberfläche, der Zone, die direkt dem Erosionsangriff ausgesetzt ist, beruht auf der Feststellung, daß der als Tropfenerosion bekannte Materialverlust seine Ursache in der Werkstoffermüdung hat.

Ein Maß für die Beurteilung der Werkstoffermüdung ist seine Wechselfestigkeit, die sich proportional zur Zugfestigkeit verhält, was wiederum einen direkten Bezug zur lokalen Festigkeitssteigerung und deren Bestimmung über die Härtemessung erlaubt.

Ebenfalls wird der die Wechselfestigkeit erhöhende Effekt durch Druckvorspannungen in der Schaufelblattoberfläche erzielt, die das absolute Maß der sich aus den Anteilen Druck- und Zugspannungen zusammensetzenden Betriebslast, die hier durch den Tropfenschlag gebildet wird, senkt und damit den Schadens- oder Erosionsfortschritt aufhebt oder verzögert.

Ausführungsbeispiel

Die in ihrer Endkontur vorliegenden Turbinenschaufeln, deren Werkstoff noch nicht ausreichend den zur gewünschten Martensitbildung und damit mittels thermischer Verfahren erzielbaren Eigendruckspannungen durch Volumenzuwachs bei der Gitterumwandlung des Gefüges notwendigen Gehalt an Kohlenstoff aufweist, werden mit geeigneten Vorrichtungen so positioniert, daß die Führung eines auf die Umwandlungszonenausbildung abgestimmt fokussieren Laser- oder Elektronenstrahl möglich ist.

Als variable Parameter zur Ausbildung der Tropfenschlagerosionsschutzzone, d. h. der Zone mit gezielt zu erzeugenden Druckeigenspannungen, gelten die verfahrensspezifischen Energieeinträge beim Laser- oder Elektronenstrahlumschmelzen in Verbindung mit den angebotenen aufkohlend wirkenden Reaktionspartnern wie Gas, Pulver, Anstriche, die Abkühlungsgeschwindigkeit der erhitzten Bereiche, die Materialumwandlungstiefe und die Legierungszusammensetzung des Schaufelwerkstoffes.

Die gute Regulierbarkeit des Laser- oder Elektronenstrahls gestattet es, die gewünschte zentrale Ausbildung der Hartzone in Verbindung mit Druckeigenspannung zu erzeugen. Die jeweilige Optimierung der Arbeitsparameter erfolgt durch die Verbindung der Abläufe der Strahlhärtung mit der Härtemessung für das erzielte Gefüge einschließlich der Spannungsverteilungsmessung über die Härtezone. Damit ist es möglich, in der Oberfläche der räumlich gekrümmten, dünnwandigen Schaufelblätter der Endstufenschaufeln von Dampfturbinen sowohl an der Blatteintritts- als auch der Blattaustrittsseite einen qualitativ neuartigen Erosionsschutz auszuführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann gleichfalls zur Regenerierung von Schaufeln angewendet werden, sofern das Schaufelvolumen mittels Auftragsschweißung einer den Schaufelwerkstoff eigenen Legierung aufgefüllt und die Schaufelkontur entsprechend nachgearbeitet ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes für Turbinenschaufeln aus härtbarem ferritischperlitischen Stahl unter Einsatz thermischer Bearbeitungsprozesse, gekennzeichnet dadurch, daß durch einen fokussierten Laser- oder Elektronenstrahl die mit einem aufkohlenden Zusatz, vorzugsweise in Form eines Graphitanstriches vorbereitete Schaufeloberfläche zonal aufgeschmolzen wird, wodurch eine örtliche, auf die jeweilige Schmelzzonentiefe begrenzte Kohlenstoffanreicherung des Schaufelmaterials erfolgt und die aus der folgenden Selbstabschreckung resultierende Martensitbildung mit in der Schaufelrandzone stärkeren Materialvolumenzunahme Druckeigenspannungen in der Umschmelzzone ausbildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dieses Verfahren an Verdichterschaufeln von Gasturbinen angewendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dieses Verfahren an Propellerblättern von Flugzeugen und Hubschraubern angewendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dieses Verfahren an Schiffspropellern angewendet wird, um den Verschleiß durch Kavitation zu senken.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dieses Verfahren an Zahnflanken von Zahnrädern mit Spritzölschmierung zum Verschleißschutz angewendet wird.