DE10053770A1

DE10053770A1 - Verfahren zur Herstellung eines Regelrades für Dampfturbinen sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Regelrad

Info

Publication number: DE10053770A1
Application number: DE2000153770
Authority: DE
Inventors: Andreas Nowi
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2002-05-02

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Regelrades (4), bestehend aus einer Mehrzahl über den Umfang des Regelrades (4) angeordneter Laufschaufeln (6) und aus einem Gesamtrotor (5) oder einem Teilrotorstück (55), für Dampfturbinen, bei welchem die Laufschaufeln (6) mittels Senkerodierverfahren aus Vollmaterial hergestellt und anschließend vergütet und geprüft werden, wird als Vollmaterial der Gesamtrotor (5) oder das Teilrotorstück (55) verwendet und somit werden die Laufschaufeln (6) und das Teilrotorstück (55) integral aus einem einzigen Werkstück gefertigt. In einer bevorzugten Ausführungsvariante besteht das Teilrotorstück (55) mit den integrierten Laufschaufeln (6) aus 8-13%-igem Chromstahl und wird an seinen beiden Enden jeweils mit einem weiteren Teilrotorstück (7, 8) verschweißt, welches aus 1%-igem Chromstahl besteht. Das Regelrad zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität aus.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet thermischer Strömungsmaschinen. Sie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Regelrades für Dampfturbinen sowie ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes Regelrad.

Stand der Technik

Für das Erreichen eines guten Teillastverhaltens einer Dampfturbine wird der Reaktionsbeschaufelung eine Gleichdruckstufe als Regelstufe vorgeschaltet. Diese Gleichdruckstufe wird in Abhängigkeit von den Lastanforderungen voll- oder teilbeaufschlagt. Durch die Teilbeaufschlagung der Regelstufe werden der Dampfstrom sowie die Leistung der Turbine geregelt. Alle nachgeschalteten Reaktionsstufen der Turbinenwelle arbeiten dagegen bei allen Lasten vollbeaufschlagt.

Hohe Frischdampfdaten und Teilbeaufschlagungen ergeben für die Regelstufe der Dampfturbine grosse statische und dynamische Belastungen. Die Regelstufe besteht aus einer Leitreihe (Düsenring oder Düsengruppen) und aus einer Laufreihe.

Es ist bekannter Stand der Technik, die Regelradlaufbeschaufelung mittels Senkerodierverfahren aus einem Ring aus 10%igem Chromstahl herzustellen oder die Laufschaufeln als Einzelschaufeln mit Fuss- und Deckplatte aus Vollringabschnitten zu fräsen und am Fussteil und der Deckplatte anschliessend zusammenzuschweissen, so dass ein Schaufelvollring entsteht.

Dieser so entstandene Schaufelring wird anschliessend vergütet, geprüft und über den Rotor gezogen und dann mittels einer Unterpulverschweissung auf einem Scheibenstummel befestigt.

Der aufgeschweisste Schaufelring vermeidet zwar die gravierenden Nachteile einer mechanischen Befestigung der einzelnen Laufschaufeln, weist aber folgende Nachteile auf:

Die Schweissung liegt in einer Zone hoher Temperatur-, Zug- und Biegewechselbeanspruchung. Weiterhin treten in dieser Zone bei Teilbeaufschlagung aufgrund des Wechsels zwischen dampfführenden und dampflosen Düsensegmenten hohe Wärmeübergangsänderungen auf. Die Schweissverbindung bestimmt somit die Lebensdauer der Regelstufe.

Die Applizierung von Ausgleichsbohrungen zum Zwecke des Schubausgleiches oder der Klimatisierung des heissen Wellenbereiches und der Innenwellendichtung (mittels kühlerem Dampf aus der Radkammer nach dem Regelrad) kann zu einer zusätzlichen Verschwächung der Befestigung neben der Schweissung führen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Regelrades und ein mit diesem Verfahren hergestelltes Regelrad zu schaffen, welches gegenüber dem bekannten Stand der Technik zeitsparend und kostengünstig realisierbar ist. Das Regelrad soll zudem eine verbesserte mechanische Integrität aufweisen, und der bei Teilbeaufschlagung auftretende Wechsel zwischen dampfführenden und dampflosen Düsensegmenten mit der Folge starker interferierender Druckstösse auf die Schweissnaht soll vermieden werden. Schliesslich sollen die Ausgleichsbohrungen, die zum Zwecke der Klimatisierung oder des Schubausgleiches angebracht werden, nicht mit der Schweissnaht interferieren.

Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, dass als Vollmaterial der Gesamtrotor oder das Teilrotorstück verwendet wird, so dass die Laufschaufeln und der Gesamtrotor oder die Laufschaufeln und das Teilrotorstück integral aus einem einzigen Werkstück gefertigt werden.

Erfindungsgemäss ist somit das Regelrad für eine Dampfturbine einstückig in Form eines Rotors mit integrierten Laufschaufeln ausgebildet, wobei der Rotor entweder der Gesamtrotor oder ein Teilrotorstück sein kann.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem im Wegfall der bisher üblichen Schweissung des Schaufelringes auf den Scheibenstummel des Rotors mit der mit der Schweissung einhergehenden Wärmeeinflusszonenverschwächung zu sehen. Dadurch wird die mechanische Integrität erhöht und die Lebensdauer der Komponente erhöht.

Es ist zweckmässig, wenn das Teilrotorstück mit den integrierten Laufschaufeln anschliessend einseitig oder beidseitig in Rotorlängsrichtung mit einem bzw. zwei weiteren Teilrotorstücken verschweisst wird. Das hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, dass die Schweissnaht aus einer Zone hoher Temperatur-, Zug- und Biegewechselbeanspruchung in eine niedrigbeanspruchte Zone verlegt wird, so dass sich die Lebensdauer der Komponente erhöht.

Von Vorteil für Maschinen mit höherer Frischdampftemperatur, z. B. < 565°C, ist es weiterhin, wenn nur das Teilrotorstück mit integrierten Laufschaufeln aus teurem 8 bis 10%igen Chromstahl besteht, während die sich anschliessenden Teilrotorstücke aus kostengünstigem niedriglegiertem Chromstahl gefertigt werden können. Bei dieser Variante kann vorteilhaft auch die Lagerzapfenplattierung entfallen. Schliesslich interferieren die Ausgleichsbohrungen zum Zwecke des Schubausgleiches oder der Klimatisierung des heissen Wellenbereiches und der Wellendichtung (mittels kühlerem Dampf aus der Radkammer nach Regelrad) nicht mit der Schweissnaht und der bei Teilbeaufschlagung auftretende Wechsel zwischen dampfführenden und dampflosen Düsensegmenten mit der Folge starker Druckstösse auf die Schweissnaht entfällt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer einwelligen axialdurchströmten Hochdruck (HD)-Dampfturbine mit Regelstufe dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Dampfturbine in einer ersten Ausführungsvariante und

Fig. 2 einen Teillängsschnitt der Dampfturbine in einer zweiten Ausführungsvariante.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Teillängsschnitt eine HD-Dampfturbine mit Regelstufe. Die Hauptkomponenten der HD-Teilturbine sind ein Aussengehäuse 1 mit einer integrierten Ventileinheit, ein Innengehäuse 2 mit Leitschaufeln und ein Rotor 3 mit Laufschaufeln. Der Frischdampf strömt durch eine Frischdampfleitung zur Ventileinheit des Aussengehäuses 1. Von den Ventilen strömt der Dampf dann zum Innengehäuse 2 und gelangt durch den Düsenring zum Regelrad 4 und zur Beschaufelung. Nach Abgabe der Wärmeenergie an die Beschaufelung strömt der Dampf in den Abdampfraum.

Erfindungsgemäss ist das Regelrad 4 einstückig in Form eines Gesamtrotors 5 mit integrierten Laufschaufeln 6 ausgebildet. Die Laufschaufeln 6 sind über den Umfang des Regelrades 4 gleichmässig verteilt angeordnet. Sie werden mittels bekannten Bearbeitungsverfahren, z. B. Senkerodierverfahren oder Fräsen, aus Vollmaterial hergestellt, anschliessend vergütet und geprüft. Als Vollmaterial wird gemäss der vorliegenden Erfindung kein Ring verwendet, sondern ein Gesamtrotor 5, der zusammen mit den integrierten Laufschaufeln 6 aus einem einzigen Werkstück gefertigt wird.

Fig. 2 zeigt in einen Teillängsschnitt einer HD-Dampfturbine ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle des Gesamtrotors 5 ein Teilrotorstück 55 verwendet wird. Erfindungsgemäss ist das Regelrad 4 einstückig in Form eines Teilrotorstückes 55 mit integrierten Laufschaufeln 6 ausgebildet. Die Laufschaufeln 6 sind über den Umfang des Regelrades 4 gleichmässig verteilt angeordnet. Sie werden mittels bekannten Bearbeitungsverfahren, z. B. Senkerodierverfahren oder Fräsen, aus Vollmaterial hergestellt, anschliessend vergütet und geprüft. Als Vollmaterial wird gemäss der vorliegenden Erfindung kein Ring verwendet, sondern eine Rotorscheibe (Teilrotorstück 55), die zusammen mit den integrierten Laufschaufeln 6 aus einem einzigen Werkstück gefertigt wird.

Das Teilrotorstück 55 mit den integrierten Laufschaufeln 6 wird anschliessend an seinen beiden Enden in Rotorlängsrichtung jeweils mit einem weiteren Teilrotorstück 7, 8 verschweisst.

Bei dieser Ausführungsvariante besteht das einstückige Teilrotorstück 55 mit den integrierten Laufschaufeln 6 aus einem hochlegierten teuren 8-13%igen Chromstahl, vorzugsweise einem 10%igem Chromstahl. Nur dieses Teilrotorstück 55 befindet sich im heissen Bereich des Rotors 3 (Frischdampftemperaturen z. B. < 565°C). Die sich beidseitig anschliessenden weiteren Teilrotorstücke 7, 8, welche jeweils mit dem Teilrotorstück 55 verschweisst sind, können auch bei Frischdampftemperaturen < 565°C aus kostengünstigem niedriglegierten Stahl, beispielsweise 1%igen Chromstahl, gefertigt werden. Da die Schweissnaht in einer niedriger beanspruchten Zone liegt, befindet sich die Wärmeeinflusszonenversschwächung im unkritischen Bereich des Rotors.

Selbstverständlich kann in einer weiteren Variante der Erfindung auch das einstückige Teilrotorstück 55 aus niedriglegiertem Stahl bestehen.

Bei der Erfindung ist eine Plattierung des Lagerzapfens nicht mehr notwendig. Der bei Teilbeaufschlagung auftretende Wechsel zwischen dampfführenden und dampflosen Düsensegmenten mit der Folge starker Druckstösse auf die Schweissnaht wird vermieden. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass Ausgleichsbohrungen zum Zwecke der Klimatisierung oder des Schubausgleiches nicht mehr im Bereich der Schweissnaht liegen, so dass insgesamt die mechanische Integrität des Regelrades verbessert und die Lebensdauer der Komponente erhöht wird. Schliesslich werden bei dem erfindungsgemässen Verfahren vorteilhaft nur Schweissungen durchgeführt, die mit Standardprüfverfahren zu bewerten sind und für die zahlreiche Referenzen vorliegen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann z. B. das integrale Teilrotorstück 55 auch nur an einer Seite anstatt auf beiden Seiten mit einem weiteren Teilrotorstück 7 verschweisst sein.

Bezugszeichenliste

1

Aussengehäuse

2

Innengehäuse

3

Rotor

4

Regelrad

5

Gesamtrotor

55

Teilrotorstück

6

Laufschaufeln von Position

5

bzw.

55

7

Teilrotorstück

8

Teilrotorstück

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Regelrades (4), bestehend aus einer Mehrzahl über den Umfang des Regelrades (4) angeordneter Laufschaufeln (6) und aus einem Gesamtrotor (5) oder einem Teilrotorstück (55), für Dampfturbinen, bei welchem die Laufschaufeln (6) mittels Senkerodierverfahren oder mechanischen Bearbeitungsverfahren aus Vollmaterial hergestellt und anschliessend vergütet und geprüft werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Vollmaterial der Gesamtrotor (5) oder das Teilrotorstück (55) verwendet werden und somit die Laufschaufeln (6) und der Gesamtrotor (5) oder die Laufschaufeln (6) und das Teilrotorstück (55) integral aus einem einzigen Werkstück gefertigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilrotorstück (55) mit den integrierten Laufschaufeln (6) in einem anschliessenden Verfahrensschritt an mindestens einer seiner Seiten in Rotorlängsrichtung gesehen mit einem weiteren Teilrotorstück (7, 8) verschweisst wird.

3. Regelrad (4) für eine Dampfturbine, wobei das Regelrad (4) aus einer Mehrzahl über den Umfang des Regelrades (4) angeordneter Laufschaufeln (6) und aus einem Gesamtrotor (5) oder einem Teilrotorstück (55) besteht und nach einem Verfahren gemäss Anspruch 1 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es einstückig in Form eines Gesamtrotors (5) oder eines Teilrotorstückes (55) mit jeweils integrierten Laufschaufeln (6) ausgebildet ist.

4. Regelrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das einstückige Teilrotorstück (55) mit integrierten Laufschaufeln (6) mindestens an einer Seite in Rotorlängsrichtung gesehen mit einem weiteren Teilrotorstück (7, 8) verschweisst ist.

5. Regelrad nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das einstückige Teilrotorstück (55) mit integrierten Laufschaufeln (6) aus einem 8 bis 13%igem Chromstahl besteht und das/die sich anschliessende/n weitere/n Teilrotorstück/e (7, 8) aus einem niedriglegierten Stahl besteht/en.