DD293402A5

DD293402A5 - PROCESS FOR PREPARING AN EROSION PROTECTION FOR TURBINE SHOVELS

Info

Publication number: DD293402A5
Application number: DD33923490A
Authority: DD
Inventors: Wilfried Storch; Gottfried Beckmann
Original assignee: Bergmann-Borsig Gmbh Berlin,De; Technische Hochschule Zittau,De
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1991-08-29

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}The invention relates to a method for producing erosion protection for turbine blades. On the areas to be protected of the blade surface is in advance a carburizing additive, for. B. apply a graphite coating, which is anschlieszend melted into the surface with a focused laser or electron beam. The martensitic structure resulting from the subsequent self-quenching causes an increase in volume with compressive stresses built up from the blade core, thereby preventing erosion of the machined blade sections. manufacture; Erosion control; Turbine blades; Schaufeloberflaeche; carburizing additive; Graphite paint; Laser beam; Meltdown; Self-quenching; Compressive stresses}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes für Turbinenschaufeln aus härtbarem Stahl, insbesondere den Schaufeleintritts- und Schaufelaustrittskanten von Endstufenschaufeln in Sattdampfturbinen.The invention relates to a method for producing an erosion protection for turbine blades made of hardenable steel, in particular the blade inlet and blade outlet edges of the final stage blades in saturated steam turbines.

Charakteristik des bekannten Standes dar TechnikCharacteristic of the prior art

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.Turbine blades of the final stages of saturated steam turbines are subject to increased erosion due to the water droplets condensing in the low-pressure part. This destruction relates in particular to the entry and the thin-walled trailing edge of the airfoil, wherein the cause of the erosion in the mechanical surface load of the airfoil material structure is due to the permanent drop impact and derived from this material fatigue. In addition to the general sheet volume loss due to the erosive material removal, it comes at the blade edges to form erosion scores that lead to dangerous blade separation.

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.In order to eliminate the lack of drop erosion, therefore provides the blade edges, for example, according to DE-AS 2535251 with an edge protection of a hard alloy. The dendrite structure of the hard alloy is aligned so that the dendrites run uniformly across the direction of droplet impact. However, the improved erosion resistance achieved in this way has the disadvantage of a special, expensive and expensive production of the stellite bar itself and the complicated connection with the blade and necessary adjustment and rework in itself.

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.Another disadvantage arises from the joining of the blade of two different materials. In this case, voltage potentials are inevitably built up, which lead to cracks, separation phenomena or curvatures of the thin-walled airfoil.

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.The high cobalt content of Stellite also makes a use in nuclear power plants questionable, since already low radiation recordings, z. B. caused by leaks or accidents, destructive effect. Even a partial use of the spatially multiple curved blade is due to the only zonal achievable edge protection of only limited effectiveness.

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.Furthermore, from DE-AS 2211830 a method for protecting the blade against stress corrosion cracking known. The corrosion process causes the component fracture, preferably starting from (erosion) notching points, when high tensile stresses in the operating state of the blades in combination with chloride-containing media on the blade surface coincide.

Mit dem vorgeschlagenen Härteverfahren erhält die Eintrittskante eine Druckvorspannung in Richtung der Schaufellängsachse.With the proposed hardening method, the leading edge receives a compressive prestress in the direction of the blade longitudinal axis.

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.The martensite formation achieved with the surface hardening process causes a zonal increase in volume and thus compressive prestress when the remaining part of the blade, which remains cold during hardening and has a sufficiently large cross section, to absorb the resulting tensile stress.

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.A practice-proven application of this through-hardening process is hitherto unknown, because the introduced unilateral compressive stresses on the finished thin-walled blade of an end-stage blade lead to an impermissible curvature of the blade deviating from the given blade geometry. The suction-side arrangement of the pressure bias also causes pressure-side tensile stresses, which are reinforced in the load operation by the impinging, high-speed steam jet and drop impact. With the centrifugal forces occurring above the blade cross section! Only the charged with pressure bias blade blade part is relieved.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is to prevent the removal of material from the end-stage blades of steam turbines by erosion, in particular at the blade edges, or to increase their service life considerably.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to form the blade surface partially or completely as a closed erosion wear-resistant surface and to ensure the applicability of the solution in the new production as well as the regeneration technology already damaged turbine blades.

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.According to the invention, this object is achieved in that the blade surface to be provided with erosion protection is remelted both in the area of the blade entry and the blade exit edge by means of a laser or electron beam focused on the protection zone width to be achieved and an exclusive zonal alloying of the blade material with carbon in FIG the melting zone takes place. The hardening process and thus desired erosion protection of the molten edge zone is effected by the subsequent cooling by the migration of the heat source and the outflow of the heat of fusion into the cold component core zone, without any discarding of the component occurring.

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.The increase in volume due to martensite formation during hardening in the carbon-enriched edge zone is greater than in the blade core. As a result, compressive stresses arise on the surface at least in the region of the remelting zone.

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.The positive effect according to the invention of the residual compressive stress in the blade surface, the zone which is directly exposed to the erosion attack, is based on the finding that the loss of material, known as drop erosion, is due to material fatigue.

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.A measure of the evaluation of material fatigue is its alternating strength, which is proportional to the tensile strength, which in turn allows a direct reference to the local strength increase and its determination via the hardness measurement.

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.Likewise, the effect of increasing the fatigue strength is achieved by pressure biases in the airfoil surface, which reduces the absolute level of the operating load composed of the components of compressive and tensile stresses, which is here formed by the droplet impact, and thus eliminates or delays the damage or erosion progress.

Ausführungsbeispielembodiment

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.The present in their final contour turbine blades whose material is not sufficient for the desired martensite and thus achievable by thermal processes inherent compressive stresses by volume increase in the lattice transformation of the structure necessary content of carbon, are positioned with suitable devices so that the leadership of one on the conversion zone education Focused laser or electron beam is possible.

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.As variable parameters for the formation of the drop impact erosion protection zone, d. H. In the zone of compressive residual stresses to be generated specifically, the process-specific energy inputs during laser or electron beam remelting apply in conjunction with the available carburizing reaction partners such as gas, powder, paints, the cooling rate of the heated regions, the material conversion depth and the alloy composition of the blade material.

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.The good controllability of the laser or electron beam makes it possible to produce the desired central formation of the hard zone in conjunction with compressive residual stress. The respective optimization of the working parameters takes place by the combination of the processes of the beam hardening with the hardness measurement for the achieved structure including the stress distribution measurement over the hardening zone. This makes it possible to carry out a qualitatively new type of erosion protection in the surface of the spatially curved, thin-walled airfoils of the end-stage blades of steam turbines, both at the sheet entry side and at the sheet exit side.

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.The inventive method can also be used for the regeneration of blades, provided that the blade volume is filled by means of build-up welding of an alloy of the blade material and the blade contour is refinished accordingly.

Claims

1. A method for producing an erosion protection for turbine blades made of hardenable ferritic-pearlitic steel using thermal machining processes, characterized in that by a focused laser or electron beam, the blade surface prepared with a carburizing additive, preferably in the form of a Graphite coating zonal is melted, whereby a local, carbon enrichment of the blade material limited to the respective melting zone depth takes place and the martensite formation resulting from the following self-quenching with increased material volume increase in the blade edge zone forms compressive residual stresses in the remelting zone.

2. The method according to claim 1, characterized in that this method is applied to compressor blades of gas turbines.

3. The method according to claim 1, characterized in that this method is applied to propeller blades of aircraft and helicopters.

4. The method according to claim 1, characterized in that this method is applied to ship propellers to reduce wear by cavitation.

5. The method according to claim 1, characterized in that this method is applied to tooth flanks of gears with spray oil lubrication for wear protection.