DE102006013139A1

DE102006013139A1 - Dampfturbinenrotoren

Info

Publication number: DE102006013139A1
Application number: DE102006013139A
Authority: DE
Inventors: Bruce Wynn Dr. Roberts; Ian John Dr. Chilton
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2026-03-21
Also published as: JP2006307840A; CN1840858B; US20060228217A1; DE102006013139B4; JP4791221B2; US7674090B2; CN1840858A; GB2424453A; GB0505980D0

Abstract

Ein Dampfturbinenrotor 2 weist mindestens eine erste Stufe 4a/4b und eine letzte Stufe 18a/18b auf. Der Rotor wird zum Betrieb in einer Nassdampfumgebung bei Dampftemperaturen von weniger als 300 DEG C optimiert, indem er beständiger gegen Spannungsrisskorrosion (SRK) gemacht wird. Dies erfolgt durch Ändern der Fließgrenze des Rotors entlang seiner axialen Länge, wobei die Fließgrenze des Rotors 2 in dem Bereich der ersten Turbinenstufe 4a/4b geringer ist als die Fließgrenze des Rotors in dem Bereich der letzten Turbinenstufe 18a/18b.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Rotoren zur Verwendung in Dampfturbinen, die bei Temperaturen von unter 300°C betrieben werden, und insbesondere Rotoren, die in Nassdampf betrieben werden und somit eine verbesserte Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion (SRK) erfordern.

Hintergrund der Erfindung

Bei niedrigen Temperaturen in Nassdampf betriebene Dampfturbinenrotoren können mit dem Problem von Spannungsrisskorrosion (SRK) behaftet sein. Das Problem ist besonders mit Rotoren verbunden, die aufgeschrumpfte Scheiben aufweisen, tritt aber auch bei einstückigen oder geschweißten Rotoren auf. Die Haupteinflüsse für Einsetzen und Ausbreiten von SRK sind: (i) die Fließgrenze (oftmals definiert als die Angabe der maximalen Spannung, die in einem Material erzeugt werden kann, ohne eine bedeutende plastische Verformung zu verursachen) des Rotormaterials, (ii) die Betriebsbeanspruchung des Rotors und (iii) die Temperatur und Betriebsumgebung des Rotors. Für eine gegebene Temperatur erhöht sich die zum Einsetzen von SRK in Dampfturbinenrotorstahl erforderliche Spannung mit Abnahme der Fließgrenze des Materials. Ebenso nimmt für eine gegebene Fließgrenze die zum Einsetzen von SRK erforderliche Spannung mit Zunahme der Temperatur ab. Deshalb kann für jeden bestimmten Dampfturbinenrotor eine Familie von Schwellenwertkurven erzeugt werden, welche die Fließgrenze des Materials, die Bauteilbelastung und die Betriebstemperatur gegenseitig in Beziehung setzen. Wenn der Rotor mit einer bestimmten Fließgrenze bei Spannungen und/oder Temperaturen betrieben wird, die seine bestimmte Schwellenwertkurve überschreiten, dann wird er als für SRK anfällig betrachtet.

Die bekannte Praxis in der Dampfturbinenindustrie besteht darin, einstückige und geschweißte Rotoren für Niedrigtemperaturanwendungen in Nassdampf einer Wär mebehandlung zu unterziehen, so dass sie durchweg eine gleichmäßige Fließgrenze aufweisen. Jedoch ist die zur Abstützung der Laufschaufeln der letzten, einen großen Durchmesser aufweisenden Turbinenstufe erforderliche Festigkeit in der Regel bedeutend höher als die zur Abstützung der Laufschaufeln der früheren, einen kleineren Durchmesser aufweisenden, stromaufwärts angeordneten Turbinenstufen erforderliche Festigkeit. Dies bedeutet nicht nur, dass die Teile des Rotors, welche die früheren Turbinenstufen abstützen, hinsichtlich ihrer Fließgrenze überdimensioniert („overengineered") sind, sondern auch, dass diese Teile anfälliger für SRK sein können, weil sie auf einer höheren Temperatur und einer rauheren Nassdampfumgebung betrieben werden. Infolgedessen können die Teile der herkömmlichen einstückigen und geschweißten Rotoren, welche die Laufschaufeln der früheren Turbinenstufen abstützen, besonders anfällig für Einsetzen und Ausbreitung von SRK sein.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung überwindet die oben genannten Probleme durch Bereitstellung eines Dampfturbinenrotors, der zum Betrieb in einer Nassdampfumgebung bei Dampftemperaturen von unter 300° optimiert ist, wobei der Rotor entsprechende Bereiche zur Montage einer letzten Stufe von Laufschaufeln und mindestens einer früheren Stufe von Laufschaufeln aufweist, wobei die Fließgrenze des Dampfturbinenrotors im Bereich der letzten Stufe von Laufschaufeln höher ist als die Fließgrenze des Dampfturbinenrotors in dem Bereich der früheren Stufe von Laufschaufeln.

Für Fachleute liegt es auf der Hand, dass die sich am stromabwärtigen oder Austrittsende des Dampfweges befindende Turbinenstufe als die letzte Turbinenstufe und die sich stromaufwärts der letzten Stufe, das heißt näher am Eintrittsende des Dampfweges, befindenden Turbinenstufen als frühere Turbinenstufen bezeichnet werden. In Fällen, in denen der Dampf am Eintritt in die Turbine trocken ist, aber nass wird, wenn er durch eine oder mehrere Stufen expandiert ist, ist die im vorherigen Absatz erwähnte frühere Turbinenstufe von Laufschaufeln die erste Stufe, die Nassdampf erfährt. In Fällen, in denen der Dampf am Eintritt in die Turbine nass ist, ist die im vorhergehenden Absatz erwähnte frühere Turbinenstufe von Laufschaufeln die erste Laufschaufelstufe.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Dampfturbinenrotors mit einer ungleichförmigen Fließgrenze ohne bedeutende Zunahme der Produktionskosten.

Im Gegensatz zu bekannten einstückigen und geschweißten Rotoren, die in Niedrigtemperatur-Niederdruckdampfturbinen verwendet werden, weist der Dampfturbinenrotor der vorliegenden Erfindung entlang seiner axialen Länge keine gleichförmige Fließgrenze auf. Stattdessen unterscheidet sich die Fließgrenze in verschiedenen Bereichen des Rotors, die verschiedenen Turbinenstufen entsprechen. Wenn der Rotor zum Beispiel zur Montage mindestens einer Zwischenstufe von Laufschaufeln zwischen der letzten Laufschaufelstufe und der früheren Laufschaufelstufe ausgebildet ist, dann können die Bereiche des Rotors, die der früheren und der Zwischenstufe entsprechen so ausgeführt sein, dass sie beide die gleiche Fließgrenze, aber eine geringere Fließgrenze als die letzte Stufe aufweisen. Alternativ dazu können die Bereiche verschiedene Fließgrenzen aufweisen, wobei die Fließgrenze der Bereiche in stromabwärtiger Richtung des Dampfweges zunimmt. In diesem Fall würde die Fließgrenze des Dampfturbinenrotors im Bereich einer Zwischenstufe von Laufschaufeln einen Wert zwischen den Fließgrenzen des Dampfturbinenrotors in den Bereichen der früheren bzw. der letzten Laufschaufelstufe aufweisen. Im Falle eines Rotors, der für drei Turbinenstufen konfiguriert ist, wobei ein Betrieb der ersten Turbinenstufe in Nassdampf erwartet wird, kann die Fließgrenze des Dampfturbinenrotors im Bereich der ersten Turbinenstufe geringer sein als die Fließgrenze des Dampfturbinenrotors im Bereich der zweiten Turbinenstufe, und die Fließgrenze des Dampfturbinenrotors im Bereich der zweiten Turbinenstufe kann geringer sein als die Fließgrenze des Dampfturbinenrotors im Bereich der letzten Turbinenstufe.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Dampfturbinenrotor mehrere geschmiedete Scheiben, die in einer axialen Reihe miteinander ver schweißt sind, wobei jede geschmiedete Scheibe zur Montage mindestens einer Laufschaufelstufe ausgebildet ist. Wenn alle geschmiedeten Scheiben aus dem gleichen Material bestehen, können verschiedene Fließgrenzen des Dampfturbinenrotors in den Bereichen der verschiedenen Stufen erreicht werden, indem die entsprechenden Scheiben verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen werden, nachdem sie in ihre Form geschmiedet worden sind, aber bevor sie miteinander verschweißt werden.

Verschiedene Fließgrenzen des Dampfturbinenrotors in den Bereichen der verschiedenen Stufen können auch dadurch erreicht werden, dass die entsprechenden Scheiben aus Legierungsmaterialien mit verschiedenen chemischen Eigenschaften hergestellt werden. Insbesondere kann ein Material mit geringerer Festigkeit für die den früheren Turbinenstufen zugeordneten Scheibenschmiedeteile verwendet werden. Die Scheiben können nach dem Schmieden aber vor dem Schweißen verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen werden, um ihre Fließgrenzen richtig einzustellen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Dampfturbinenrotor eine einstückige Ausführung sein, bei welcher der Rotor aus einem einzigen Schmiedeteil hergestellt ist, das dann maschinell bearbeitet wird, um den Laufschaufeln Rechnung zu tragen. In diesem Fall kann die erforderliche Variation der Fließgrenze der einzelnen Bereiche durch lokalisierte Wärmebehandlung (zum Beispiel durch Induktions- oder Widerstandserwärmung) des Rotorbereichs, in dem die Laufschaufeln zu montieren sind, erreicht werden, das heißt verschiedene Fließgrenzen des Dampfturbinenrotors in den Bereichen der verschiedenen Stufen werden dadurch erreicht, dass die Bereiche verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen werden.

Des Weiteren stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Dampfturbinenrotors bereit, der zum Betrieb in einer Nassdampfumgebung bei Dampftemperaturen von unter 300° optimiert ist, wobei der Rotor entsprechende Bereiche zur Montage einer letzten Laufschaufelstufe und mindestens einer früheren Laufschaufelstufe aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Auswählen und/oder Wärmebehandeln des Materials in dem Bereich der letzten Laufschaufelstufe zum Erreichen einer ersten Fließgrenze; und Auswählen und/oder Wärmebehandeln des Materials in dem Bereich der früheren Laufschaufelstufe zum Erreichen einer zweiten Fließgrenze; wobei die erste Fließgrenze höher ist als die zweite Fließgrenze.

In Fällen, in denen der Rotor mindestens einen Zwischenbereich zur Montage mindestens einer Zwischenstufe von Laufschaufeln zwischen dem Bereich der letzten Laufschaufelstufe und dem Bereich der früheren Laufschaufelstufe aufweist, kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Auswählens und/oder Wärmebehandelns des Materials im Zwischenbereich des Rotors zum Erreichen einer Fließgrenze zwischen der ersten und der zweiten Fließgrenze umfassen.

Eine geringere Fließgrenze in den Bereichen des Dampfturbinenrotors, die den früheren Turbinenstufen zugeordnet sind (mit anderen Worten denjenigen, die in einer nassen Umgebung mit höherer Temperatur betrieben werden) verringert die Gefahr, dass es in diesen Bereichen zu einem Einsetzen von Spannungsrisskorrosion (SRK) kommt. Um zu gewährleisten, dass ein bestimmter Bereich des Dampfturbinenrotors nicht anfällig für SRK ist, kann die Fließgrenze des Bereichs so ausgewählt werden, dass sie einen Schwellenwert basierend auf dem erwarteten Rahmen der Bauteilspannung und der Betriebstemperatur für den Bereich nicht überschreitet. Besondere Aufmerksamkeit sollte Spitzenspannungshöhen irgendwo im Nassdampfpfad und den erwarteten Bauteilspannungshöhen in den Schaufelbefestigungsbereichen geschenkt werden. Eine optimierte Fließgrenze innerhalb der durch die Schwellenwertkurve eingestellten Grenzen ist so niedrig wie möglich, jedoch ausreichend, um die Laufschaufeln der dem Bereich zugehörigen Turbinenstufe abzustützen.

Weitere Aspekte der Erfindung werden bei Durchsicht der folgenden Beschreibung und Ansprüche offenbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
1 eine Axialquerschnittsansicht eines Teils einer Dampfturbine mit einem geschweißten Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung einer Familie von Schwellenwertkurven, die zur Bestimmung der Fließgrenze der einzelnen Scheibeschmiedeteile, die den geschweißten Rotor von 1 bilden, oder zur Bestimmung der Fließgrenze der einzelnen Bereiche eines einstückigen Rotors von 3 verwendet werden können; und
3 eine Axialquerschnittsansicht eines einstückigen Dampfturbinenrotors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Auf 1 Bezug nehmend, enthält eine Niederdruck-Reaktionsdampfturbine einen Rotor 2, der aus mehreren einzelnen geschmiedeten Scheiben hergestellt ist. Im vorliegenden Fall sind eine erste, zweite und dritte Scheibe 10, 16 bzw. 20 vorgesehen. Beispiele für geeignete Scheibenmaterialien sind 2%CrNiMo-, 3%NiCrMo-, 3,5%NiCrMoV- und 12%CrNiMo-Stahl. Die Scheiben sind entlang ringförmiger Verbindungslinien A und B miteinander verschweißt, welche durch Flansche oder Bunde 16a, 16b auf beiden Seiten der mittleren Scheibe und zusammenpassende Flansche oder Bunde 10a, 20a auf der rechten Seite der ersten Scheibe bzw. der linken Seite der dritten Scheibe bereitgestellt werden.
Der Dampf expandiert durch die Dampfturbine von links nach rechts wie dargestellt und tritt in den meisten Fällen in einem trockenen Zustand, aber mit einem solchen Druck und einer solchen Temperatur in die Turbine ein, dass er schnell zu „Nassdampf", das heißt einer Mischung aus Wasserdampf und kleinen Wasser tröpfchen wird. Unter gewissen Umständen, zum Beispiel in Dampfturbinen für einige Kernreaktoranlagen, ist der Dampf am Eintritt in die Turbine bereits nass. Um Energie aus dem Dampf zu ziehen, sind die Scheiben 10, 18, und 20 mit ringförmigen Reihen von Turbinenlaufschaufeln 4b, 6b, 14b und 18b versehen. Vor jeder Reihe von Laufschaufeln ist eine ringförmige Reihe von Leitschaufeln 4a, 6a, 14a und 18a vorgesehen, deren Zweck darin besteht, zu gewährleisten, dass der Dampf unter optimalen aerodynamischen und thermodynamischen Bedingungen in die folgenden Laufschaufelreihen expandiert. Die Kombination jeder Laufschaufelreihe mit einer vorhergehenden Leitschaufelreihe umfasst eine Turbinenstufe. Deshalb umfasst der ganze Rotor mehrere Stufen von Turbinenschaufeln, in diesem Beispiel vier Stufen. Somit tritt trockener oder nasser Dampf mit relativ hohem Druck über die Leitschaufeln 4a bei weniger als 300 Grad Celsius in die Turbine ein und expandiert schnell durch die Turbinenstufen 4a/4b, 6a/6b, 14a/14b, 18a/18b und wird zu einem Nassdampf mit geringerem Druck bei niedrigeren Temperaturen. In jedem Fall sind die Leitschaufeln 4a, 6a, 14a und 18a wie bekannt an einem äußeren Gehäuse 8 befestigt, wobei die Laufschaufeln 4b, 6b, 14b und 18b unter Verwendung bekannter Arten von Fußbefestigungen an ihren jeweiligen Scheiben 10, 16, 20 angebracht sind. Obgleich die zweite und die dritte Scheibe in der Regel jeweils nur eine Reihe von Laufschaufeln 14b, 18b stützen, kann die erste Scheibe 10 mehr als eine Laufschaufelreihe stützen, im vorliegenden Fall zwei Reihen 4b, 6b, jeweils mit ihren eigenen Fußbefestigungen 12.
Wie oben besprochen, werden die Scheiben 10, 16 und 20 bei verschiedenen Temperaturen in der Dampfturbine betrieben und werden somit gemäß der Erfindung so hergestellt, dass sie verschiedene Fließgrenzen aufweisen, die zum Betrieb in einer allgemeinen Nassdampfumgebung geeignet sind. Zum Beispiel werden die erste und die zweite Turbinenstufe an der Scheibe 10 bei höheren Temperaturbedingungen betrieben. Wenn der Dampf auch nass ist, ist es von Vorteil, wenn die erste Scheibe 10 eine geringe Fließgrenze aufweisen kann, weil dadurch die Gefahr eines Einsetzens und Ausbreitens von Spannungsrisskorrosion (SRK) verringert wird (siehe unten). Die dritte Turbinenstufe an der Scheibe 16 wird unter Nassbedingungen mit geringerer Temperatur als die erste und zweite Turbinenstufe betrieben. Die Fließgrenze der zweiten Scheibe 16 kann deshalb höher sein als die der ersten Scheibe 10, während immer noch von einer geringeren SRK-Gefahr profitiert wird. Natürlich muss die Fließgrenze der ersten und zweiten Scheibe 10 und 16 dazu ausreichend sein, dass die Laufschaufeln der ersten, zweiten und dritten Turbinenstufe ordnungsgemäß gestützt werden.
Die dritte Scheibe 20 muss die großen Laufschaufeln 18b der letzten Turbinenstufe stützen und muss deshalb eine höhere Fließgrenze aufweisen. Die letzte Turbinenstufe wird jedoch bei einer sogar noch niedrigeren Temperatur als die erste, zweite und dritte Stufe betrieben, und dies bedeutet, dass die Fließgrenze der dritten Scheibe 20 höher sein kann, ohne dass sie dadurch zwangsweise anfällig für SRK wird. Allgemein gilt, je geringer die Fließgrenze des Scheibenmaterials, desto höher ist die Spannung, die an die Scheibe angelegt werden kann, ohne dass Bedenken hinsichtlich des Einsetzens von SRK bestehen. Somit schlägt die Erfindung Scheibenschmiedeteile mit geringerer Festigkeit für Nassdampfstufen höherer Temperatur und Schmiedeteile mit höherer Festigkeit für Nassdampfstufen geringerer Temperatur vor.
Im Vergleich zu anderen Arten von Dampfturbinenausführungen (d.h. einstückigen Rotoren und Ausführungen, bei denen eine geschmiedete Scheibe auf eine zentrale Welle aufgeschrumpft ist) gestattet die in 1 gezeigte Turbinenausführungsart – die eine axiale Reihe von geschmiedeten und geschweißten Scheiben aufweist, in denen das Scheibenmaterial durch die durch die Schaufeln ausgeübten Rotationskräfte relativ gering beansprucht wird – die Verwendung von Materialien mit einer geringeren Fließgrenze. In der Regel liegen die Fließgrenzen für solche Scheiben in einem Bereich von 550–800 MPa für die oben erwähnten Stähle, aber gemäß der Erfindung wird die tatsächlich gestattete Fließgrenze für jede der geschmiedeten Scheiben 10, 16 und 20 unter Bezugnahme auf eine Schwellenwertkurve bestimmt.
2 zeigt eine Familie von Schwellenwertkurven für ein bestimmtes Scheibenmaterial, die eine Untergrenze der Anfälligkeit für SRK darstellen. Jede der Schwellenwertkurven ist ein Kurvenbild der effektiven Spannung gegenüber der Fließgrenze für eine feste Temperatur. Die Temperatur T₁ ist niedriger als die Temperatur T₂, die wiederum niedriger ist als die Temperatur T₃. Die Betriebstemperatur und die Effektivspannungshöhen unterscheiden sich für jede der Scheiben. Aus 2 geht hervor, dass bei Betrieb der ersten Scheibe 10 bei einer Temperatur T₃, die Scheibe anfällig für Einsetzen und Ausbreitung von SRK ist, wenn die Fließgrenzen- und Effektivspannungskoordinaten rechts (oder mit anderen Worten über) der unteren Schwellenwertkurve liegen. Wenn die Fließgrenzen- und Effektivspannungskoordinaten jedoch links (das heißt unter) der unteren Schwellenwertkurve liegen, dann ist die erste Scheibe 10 nicht anfällig für SRK. Die Fließgrenze der ersten Scheibe 10 kann deshalb so ausgewählt werden, dass gewährleistet wird, dass die Fließgrenzen- und Effektivspannungskoordinaten bequem auf der richtigen (linken) Seite der Schwellenwertkurve liegen. Wenn die dritte Scheibe 20 bei der niedrigeren Temperatur T₁ betrieben wird, versteht sich, dass die dritte Scheibe eine viel höhere Fließgrenze aufweisen kann, während immer noch gewährleistet wird, dass die Fließgrenzen- und Effektivspannungskoordinaten links der oberen Schwellenwertkurve liegen.
Hinsichtlich der Anfälligkeit für Einsetzen und Ausbreitung von SRK ist offensichtlich, dass die Fließgrenze so ausgewählt werden kann, dass die Fließgrenzen- und Effektivspannungskoordinaten irgendwo links der geeigneten Schwellenwertkurve liegen, natürlich vorbehaltlich, dass die Fließgrenze dafür ausreichend ist, dass die Laufschaufeln in der relevanten Stufe der Dampfturbine ordnungsgemäß gestützt werden können.
Es ist zweckmäßig, wenn die Scheiben 10, 16 und 20 aus dem gleichen Material geschmiedet, jedoch verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen werden, so dass sie für ihre jeweilige Betriebsumgebung die ordnungsgemäße Fließgrenze aufweisen. Es liegt jedoch auf der Hand, dass die Scheiben 10, 16 und 20 auch aus verschiedenen Materialen geschmiedet sein könnten. Zum Beispiel kann die erste Scheibe 10 für die erste und zweite Turbinenstufe aus einer Legierung mit einer anderen chemischen Zusammensetzung hergestellt sein als die der dritten Scheibe 20 für die letzte Turbinenstufe. Die einzelnen Scheiben 10, 16 und 20 werden dann miteinander verschweißt, um den Rotor 2 auf übliche Weise zu bilden.
Die obige Beschreibung hat sich auf einen Turbinenrotor konzentriert, der aus zwei oder mehr geschmiedeten Scheiben hergestellt ist, die in einer axialen Reihe miteinander verschweißt sind. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Arten von Dampfturbinenrotoren anwendbar, insbesondere einstückige Rotoren, und es gelten ähnliche Betrachtungen, natürlich außer dass der Rotor nur ein Material umfassen kann.
3 ist eine schematische Darstellung eines typischen einstückigen Rotors 22 zur Verwendung in einer Impulsdampfturbine. Der Rotor 22 umfasst eine zentrale Welle 24 und zwei Sätze von „Felgen" 26, 28, wobei jeder Satz fünf Felgen „a" bis „e" in einer axialen Reihe umfasst, die integral mit der Welle geschmiedet sind und die verschiedenen Laufschaufelstufen von sich bewegenden Schaufeln (nicht gezeigt) in der Turbine stützen sollen. Die Anzahl von Felgen definiert die Anzahl von Stufen, welche die Dampfturbine aufweisen wird, und nach der Endbearbeitung des Rotors 22 wird eine ringförmige Reihe von Laufschaufeln an jeder der Felgen 26a-e, 28a-e angebracht. Die fünf Stufen der Turbine werden durch Einsetzen einer ringförmigen Zwischenwand mit Leitschaufeln (nicht gezeigt) vor jeder Laufschaufelreihe gebildet. Im vorliegenden Fall ist der Rotor 22 für eine Dampfturbine der zweiflutigen Impulsbauart bestimmt, bei welcher der Dampf 30 mit relativ hoher Temperatur und relativ hohem Druck an einer bezüglich der axialen Länge des Rotors 22 mittleren Stelle 32 in die Turbine eintritt und gleichzeitig in beiden Richtungen durch die Stufen der Turbine expandiert, wie allgemein durch die Pfeile 34 gezeigt.
Gemäß der Erfindung wird der Rotor 22 nach dem Schmieden wärmebehandelt, um die erforderlichen geringeren und höheren Zugfestigkeiten in den Bereichen des Rotors zu erreichen, die den gewählten Nassdampfstufen mit höherer und niedrigerer Temperatur entsprechen. Beispiele für Verfahren, mit denen die erforderliche lokalisierte Wärmebehandlung auf den Rotor 22 angewendet werden kann, sind Induktions- und Widerstandserwärmen.
Angenommen, der Dampf ist bereits nass, wenn er in die Turbine eintritt, können die Felgen so wärmebehandelt werden, dass zum Beispiel die Felgen 26a,b und die Felgen 28a,b in dem Teil der Turbine mit höherer Temperatur eine geringere Fließgrenze aufweisen als die Felgen 26c-e und die Felgen 28c-e in dem Teil der Turbine mit niedrigerer Temperatur. Es wäre auch möglich (wenn wirtschaftlich vertretbar), jede der Felgen einer solchen Wärmebehandlung zu unterziehen, dass die Erhöhung der Fließgrenze in drei oder mehr Stufen abgestuft erfolgt. Die Felgen 26a,b und 28a,b, welche die Nassdampfstufen mit dem höchsten Druck/der höchsten Temperatur stützen, könnten die geringste Fließgrenze aufweisen, die Felgen, welche die Zwischendruck-/Zwischentemperatur-Nassdampfstufen 26c,d und 28c,d stützen, könnten eine Zwischenfließgrenze aufweisen, und die Felgen 26e, 28e, welche die Nassdampfstufe mit niedrigstem Druck/niedrigster Temperatur stützen, könnten die höchste Fließgrenze aufweisen.
Wenn andererseits der Dampf bei Eintritt in die Turbine nicht nass ist, aber durch die den Felgen 26c, 28c entsprechende Stufe nass wird, können die Felgen einer solchen Wärmebehandlung unterzogen werden, dass zum Beispiel die Felgen 26c,d und die Felgen 28c,d im Nassdampfteil der Turbine mit höherer Temperatur eine geringere Fließgrenze aufweisen als die Felgen 26e und 28e im Nassdampfteil der Turbine mit der geringeren Temperatur.
Somit kann, ähnlich wie beim Rotor 2 von 1:

– die erforderliche Variation der Fließgrenze der einzelnen Bereiche des Rotors 22 durch Wärmebehandlung der Rotorstelle erreicht werden, an der die Laufschaufeln angebracht sind, das heißt Felgen mit geringerer Fließgrenze für Nassdampfstufen höherer Temperatur und Felgen mit höherer Fließgrenze für Nassdampfstufen niedrigerer Temperatur; und
– die Fließspannung für jeden Bereich durch Bezugnahme auf eine geeignete Familie von Effektivspannungs-/Fließgrenzen-Schwellenwertkurven für ein bestimmtes Rotormaterial optimiert werden, wie durch 2 beispielhaft gezeigt.

Die vorliegende Erfindung ist oben rein beispielhaft beschrieben worden, und es können Modifikationen in dem beanspruchten Schutzbereich der Erfindung durchgeführt werden. Des Weiteren umfasst die Erfindung jegliche Einzelmerkmale, die hier beschrieben oder impliziert sind oder die in den Zeichnungen dargestellt oder impliziert sind, oder jegliche Kombination aus irgendwelchen dieser Merkmale oder jede Verallgemeinerung jeglicher dieser Merkmale oder Kombinationen, welche sich auch auf Äquivalente davon erstrecken. Somit sollte die Breite und der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht durch irgendwelche der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt werden. Jedes in der Beschreibung, einschließlich der Ansprüche und der Zeichnungen, offenbarte Merkmal kann durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, einem äquivalenten oder einem ähnlichen Zweck dienen, es sei denn, es ist ausdrücklich anders angegeben.
Jegliche Erörterung des Stands der Technik in der gesamten Beschreibung ist kein Zugeständnis dafür, dass solch ein Stand der Technik weithin bekannt ist oder einen Teil des Allgemeinwissens auf dem Gebiet bildet.
Wenn der Kontext dies nicht deutlich anders angibt, sollen in der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen die Begriffe „umfasst", „umfassen" und dergleichen in einschließender und nicht in ausschließender oder erschöpfender Weise ausgelegt werden; das heißt im Sinne von „einschließlich, aber nicht darauf beschränkt".

Claims

Dampfturbinenrotor (2), der zum Betrieb in einer Nassdampfumgebung bei Dampftemperaturen von unter 300° optimiert ist, wobei der Rotor jeweils Bereiche zur Montage einer letzten Stufe von Laufschaufeln (18b) und mindestens einer früheren Stufe von Laufschaufeln (4b) daran aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließgrenze des Dampfturbinenrotors im Bereich der letzten Stufe von Laufschaufeln (18b) höher ist als die Fließgrenze des Dampfturbinenrotors in dem Bereich der früheren Stufe von Laufschaufeln (4b).
Dampfturbinenrotor nach Anspruch 1, der einen Bereich zur Montage mindestens einer Zwischenstufe von Laufschaufeln (14b) zwischen der letzten Stufe von Laufschaufeln (18b) und der früheren Stufe von Laufschaufeln (4b) aufweist, wobei die Fließgrenze des Dampfturbinenrotors im Bereich der Zwischenstufe der Laufschaufeln einen Wert zwischen den jeweiligen Fließgrenzen des Dampfturbinenrotors in den Bereichen der letzten und der früheren Laufschaufelstufe aufweist.
Dampfturbinenrotor nach Anspruch 1 oder 2, der mehrere geschmiedete Scheiben (10, 16, 20) umfasst, die in einer axialen Reihe miteinander verschweißt sind, wobei jede geschmiedete Scheibe zur Montage mindestens einer Stufe von Laufschaufeln (4b, 6b, 14b, 18b) daran ausgebildet ist.
Dampfturbinenrotor nach Anspruch 3, bei dem die geschmiedeten Scheiben, die den Rotor in den Bereichen mit verschiedenen Fließgrenzen umfassen, aus dem gleichen Material bestehen.
Dampfturbinenrotor nach Anspruch 3, bei dem die geschmiedeten Scheiben, die den Rotor in den Bereichen mit verschiedenen Fließgrenzen umfassen, aus voneinander verschiedenen Materialen bestehen.
Dampfturbinenrotor nach Anspruch 1 oder 2, der einen einstückigen Dampfturbinenrotor umfasst.
Dampfturbinenrotor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Bereiche mit verschiedenen Fließgrenzen einer unterschiedlichen Wärmebehandlung unterzogen wurden.
Dampfturbinenrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bereich der früheren Stufe von Laufschaufeln der Turbine der Bereich der ersten Stufe der Laufschaufeln (4b) der Turbine ist.
Verfahren zur Herstellung eines Dampfturbinenrotors (2), der zum Betrieb in einer Nassdampfumgebung bei Dampftemperaturen von unter 300° optimiert ist, wobei der Rotor jeweils Bereiche (20, 10) zur Montage einer letzten Stufe von Laufschaufeln (18b) und mindestens einer früheren Stufe von Laufschaufeln (4b) aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Wärmebehandeln und/oder Auswählen des Materials in dem Bereich (20) der letzten Laufschaufelstufe zum Erreichen einer ersten Fließgrenze; und Wärmebehandeln und/oder Auswählen des Materials in dem Bereich (10) der früheren Laufschaufelstufe zum Erreichen einer zweiten Fließgrenze; wobei die erste Fließgrenze höher ist als die zweite Fließgrenze.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Bereich der früheren Laufschaufelstufe der Turbine der Bereich der ersten Laufschaufelstufe der Turbine ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Rotor mindestens einen Zwischenbereich (16) zur Montage mindestens einer Zwischenstufe von Laufschaufeln zwischen dem Bereich der letzten Stufe von Laufschaufeln (20) und dem Bereich der früheren Stufe von Laufschaufeln (10) aufweist, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt des Auswählens und/oder Wär mebehandelns des Materials im Zwischenbereich des Rotors zum Erreichen einer Fließgrenze zwischen der ersten und der zweiten Fließgrenze umfasst.
Verfahren zur Herstellung des Dampfturbinenrotors nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Auswählen des gleichen Materials für alle Scheiben (10, 16, 20) im Rotor (2), wobei das Material einen vorbestimmten Bereich von Fließgrenzen in der Nassdampfumgebung des fertigen Rotors aufweist; Schmieden jeder Scheibe zu einer gewünschten Form; Wärmebehandeln der geschmiedeten Scheiben zum Erreichen verschiedener Fließgrenzen gemäß einem durch jede Scheibe gebildeten Bereich des Rotors; und Verschweißen der Scheiben miteinander in einer axialen Reihe zur Herstellung des Dampfturbinenrotors mit den Bereichen verschiedener Fließgrenze.
Verfahren zur Herstellung des Dampfturbinenrotors nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Auswählen von mindestens ersten und zweiten unterschiedlichen Scheibenmaterialien, wobei das erste Material in der Nassdampfumgebung des fertigen Rotors (2) eine geringere Fließgrenze als das zweite Material aufweist; Schmieden des ersten Scheibenmaterials zu einer Scheibe (20), die zur Montage der letzten Stufe von Laufschaufeln (18b) ausgebildet ist; Schmieden des zweiten Scheibenmaterials zu mindestens einer Scheibe (10), die zur Montage der mindestens einen früheren Stufe von Laufschaufeln (4b) ausgebildet ist; getrenntes Wärmebehandeln der geschmiedeten Scheiben zur Erzeugung der Bereiche mit verschiedener Fließgrenze; und Verschweißen der Scheiben miteinander in einer axialen Reihe zur Herstellung des Dampfturbinenrotors.
Verfahren zur Herstellung des Dampfturbinenrotors nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Auswählen eines Materials für den Rotor, wobei das Material nach dem anschließenden Formen und Wärmebehandeln einen vorbestimmten Bereich von Fließgrenzen in der Nassdampfumgebung des fertigen Rotors aufweist; Formen des Rotors in eine gewünschte Form; und Wärmebehandeln der Bereiche des Rotors zur Herstellung des Dampfturbinenrotors mit den Bereichen verschiedener Fließgrenze.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, das den Schritt des Bestimmens der optimalen Fließgrenze jedes Bereichs des Dampfturbinenrotors durch Bezugnahme auf Schwellenwertkurven auf Grundlage erwarteter Spannungs- und Betriebstemperaturbereiche für jeden Bereich des Dampfturbinenrotors umfasst.