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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hochfestigkeits-Schaufeln
zum Einsatz in der letzten Stufe Von Dampfturbinen-Triebwerken.
Spezifisch bezieht sich die Erfindung auf die Anwendung gewisser
Legierungen auf Titangrundlage zum Einsatz bei der Herstellung hochfester
Turbinenschaufeln für die letzte Stufe, die Blattlängen
von etwa 45 Zoll oder mehr aufweisen.
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Es
ist allgemein anerkannt, dass die Leistungsfähigkeit einer
Dampfturbine stark durch das Design und die Leistungsfähigkeit
von Schaufeln der letzten Stufe beeinflusst wird, die bei verringerten
Dampfdrucken arbeiten. Idealerweise sollte die Schaufel der letzten
Stufe wirksam die Expansion von Dampf bis zum Turbinen-Auslassdruck
nutzen, während die kinetische Energie der Dampfströmung,
die die letzte Stufe verlässt, minimiert ist.
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Die
Service-Anforderungen von Dampfturbinen-Schaufeln können
komplex und herausfordernd sein. Schaufeln der letzten Stufe im
Besonderen werden routinemäßig einer Vielfalt
schwerer Betriebsbedingungen ausgesetzt, einschließlich
der korrosiven Umgebungen, die durch hohe Feuchtigkeit und das vom
Boiler Mitgerissene verursacht werden. Solche Bedingungen können
zu ernsten Korrosions- und Lochfraß-Problemen am Schaufelmaterial
führen, insbesondere in längeren Turbinenschaufeln
der letzten Stufe, die Blattlängen von 40 Zoll oder mehr
auf weisen. Für einige Zeit waren Turbinenschaufeln der
letzten Stufe Gegenstand wiederholter Untersuchungen und von Entwicklungsarbeit
in einer Anstrengung, ihre Wirksamkeit unter harschen Betriebsbedingungen
zu verbessern, da selbst geringe Zunahmen in der Schaufel-Wirksamkeit
und -Lebensdauer zu signifikanten wirtschaftlichen Nutzen über
die Lebensdauer eines Dampfturbinen-Triebwerkes führen können.
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Turbinenschaufeln
der letzten Stufe sind einem weiten Bereich von Strömungen,
Belastungen und starken dynamischen Kräften ausgesetzt.
Vom Standpunkt der mechanischen Festigkeit und Haltbarkeit schließen
die primären Faktoren, die das endgültige Schaufelprofil-Design
beeinflussen, die aktive Länge der Schaufel, den Teilkreisdurchmesser
und die Betriebsgeschwindigkeit in den operativen Strömungsregionen ein.
Dämpfung, Schaufelermüdung und Korrosionsbeständigkeit
der Konstruktionsmaterialien bei den maximal vorhergesehenen Betriebsbedingungen
spielen auch eine wichtige Rolle beim endgültigen Schaufeldesign
und dem Herstellungsverfahren.
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Die
Entwicklung größerer Turbinenschaufeln der letzten
Stufe, z. B. solche mit Blattlängen von etwa 40 Zoll oder
mehr, ergibt zusätzliche Design-Probleme aufgrund der Trägheitslasten,
die häufig die Festigkeits-Fähigkeiten konventioneller
Schaufelmaterialien, wie Ti6Al4V
und Legierungen auf Eisenbasis, übersteigen. Dampfturbinen-Schaufeln,
insbesondere Schaufeln der letzten Stufe mit längeren Blättern,
erfahren höhere Zugbelastungen und sind so zyklischen Spannungen
ausgesetzt, die, wenn sie mit einer korrosiven Umgebung kombiniert
werden, über lange Gebrauchsperioden sehr schädlich
für die Schaufel sein können. Zusätzlich
ist der Dampf in den letzten Stufen normalerweise „feucht",
d. h., enthält eine höhere Menge gesättigten
Dampfes. Als ein Resultat tritt häufig eine Wassertropfen-Auftrefferosion
des Schaufelmaterials in der letzten Stufe auf. Eine solche Erosion
verringert die nutzbare Gebrauchslebensdauer der Schaufel und die
Wirksamkeit der Dampfturbine als Ganzes.
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In
der Vergangenheit war es schwierig, Schaufelmaterialien zu finden,
die all die mechanischen Anforderungen für verschiedene
Endgebrauchs-Anwendungen erfüllen, insbesondere mechanische
Designs, bei denen Schaufeln mit längeren Blättern,
d. h. solche mit Blattlängen von etwa 40 Zoll oder mehr,
eingesetzt wurden. Unveränderlich haben die längeren
Schaufeln erhöhte Festigkeits-Anforderungen und sie leiden,
wie oben ausgeführt, an noch größerem
Erosions- und Lochfraß-Potenzial. Die höheren
Spannungen, die längeren Blattdesigns innewohnen, erhöhen
auch das Potenzial für Spannungsrisskorrosion bei erhöhten
Betriebstemperaturen, weil die in dem Schaufelmaterial erforderliche
höhere Festigkeit die Empfindlichkeit für Spannungsrisse
bei Betriebstemperaturen bei oder nahe 400°F erhöht.
Die Wirkungen der Lochfraß-Korrosion und der Korrosions-Ermüdung
erhöhen sich ebenfalls mit den höheren angewendeten
Spannungen in den Schaufeln der letzten Stufe, die größere
Blattlängen aufweisen. Häufig wird eine Legierung,
die ausgewählt ist, um die grundlegenden mechanischen Design-Anforderungen
anderer Turbinenstufen zu erfüllen, die Minimalanforderungen
an die mechanische Festigkeit und Erosionsbeständigkeit
von Schaufeln der letzten Stufe nicht erfüllen.
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Früheres
Herangehen zum Lösen der Probleme mit größeren
Blattlängen in Turbinenschaufeln der letzten Stufe variieren
in weitem Rahmen in Abhängigkeit von den Endgebrauchs-Anforderungen.
In einigen Fällen, bei denen die Gebrauchsanforderungen
weniger schwer sind, kann ein einzelnes Schaufelmaterial akzeptabel
sein. Um jedoch die Erosionsbeständigkeit zu erhöhen,
erfordert die Schaufel normalerweise ein Härten durch lokalisierte
Wärmebehandlung (z. B. Flammen- oder Induk tionshärten)
an der Vorderkante, um eine zusätzliche Erosionsbeständigkeit
zu schaffen. Alternativ kann ein erosionsbeständiges Abschirmmaterial
(wie Stellit) durch Hartlöten, Wolfram Gaslichtbogen- oder
Elektronenstrahl-Schweißen an der Schaufel angebracht werden.
Diese physischen Befestigungs-Verfahren des Standes der Technik
führen im Laufe der Zeit unveränderlich zu einem
gewissen Grad der Beeinträchtigung der durch die Schweißhitze
beeinflussten Zone, und so kann die Schaufel schließlich
an diesen Punkten versagen. Zusätzlich existiert immer
das Risiko fehlerhafter Schweißstellen und kann in einigen
Fällen zu der teuren Verschrottung gesamter Schaufel-Baueinheiten
führen.
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Ein
anderes bekanntes Verfahren der Herstellung oder des Reparierens
von Dampfturbinen-Schaufeln schließt das Schweißen
eines Einsatzes an die Vorderkante des Schaufelblattes und dann
Härten eines Teiles des Einsatzes ein, um eine äußere
Vorderkante mit einer gehärteten Oberfläche bereitzustellen.
Die Härtungsstufe erstreckt sich jedoch wiederum nicht
so weit wie der Übergang zwischen dem Einsatz und dem Blatt selbst.
Ein Abschnitt des Einsatzes kann daher ungehärtet bleiben
und für vorzeitiges Versagen oder Erosion unter harschen
Betriebsbedingungen verwundbar sein.
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US-PS 5,351,395 von Crawmer
et al. offenbart ein Verfahren zum Schaffen einer bimetallischen
Struktur, die viele der Anforderungen für hoch beanspruchte
Schaufeln der letzten Stufe erfüllt, die in Dampfturbinen eingesetzt
werden. Das in der '395-PS beschriebene Verfahren schließt
das Befestigen eines erosionsbeständigen Einsatzmaterials
ein, wobei sowohl das Schaufel- als auch das Einsatz-Material in
einem nahe Optimum vorliegenden Schweißbarkeits-Zustand
sind. Die bimetallische Baueinheit wird nach dem Schweißen
wärmebehandelt, um die Schaufeleigenschaften ohne signifikante
Verformung zu op timieren. Das Einsatzmaterial kann auch nach der
maschinellen Bearbeitung gehärtet werden (durch Flammenhärtung
oder andere konventionelle Verfahren), um eine verbesserte Erosionsbeständigkeit
bereitzustellen. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Bimetall-Struktur,
die in der '395-PS offenbart ist, nicht alle Lochfraß-
und Korrosions-Probleme löst, die in Turbinenschaufeln
der letzten Stufe inhärent sind, insbesondere solchen mit
Blattlängen von etwa 40 Zoll oder mehr.
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Es
besteht daher ein Bedarf im Stande der Technik für eine
Schaufel der letzten Stufe, die eine größere Blattlänge,
verbesserte Steifheit, verbesserte Dämpfungscharakteristika
und geringe Vibrationsspannungen aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt der Erfindung wird eine Schaufel zum Einsatz im Niederdruckabschnitt
einer Dampfturbine bereitgestellt. Die Schaufel wird mit einer Blattlänge
von mindestens etwa 45 Zoll geformt. Die Schaufel schließt
einen Schwalbenschwanz-Abschnitt, der nahe einer inneren radialen
Position der Schaufel angeordnet ist, einen Spitzenmantel, der nahe
einer äußeren radialen Position der Schaufel angeordnet
ist und einen Teilspannenmantel ein, der an einer radialen Zwischenposition
vorhanden ist. Die radiale Zwischenposition liegt zwischen der inneren
und äußeren radialen Position. Die Schaufel ist
aus einer Legierung auf Titangrundlage zusammengesetzt, die zwischen
etwa 2 und etwa 6,25 Gewichtsprozent (Gew.-%) Aluminium, bis zu
etwa 3,5% Vanadium, bis zu etwa 2,25% Zinn, bis zu etwa 2,25% Zirkonium,
zwischen etwa 1,75% und etwa 5,0% Molybdän, bis zu etwa
2,25% Chrom, bis zu etwa 0,7% Silicium und bis zu etwa 2,3% Eisen
aufweist, wobei der Rest Titan ist.
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In
einem anderen Aspekt wird eine Dampfturbine bereitgestellt, umfassend
einen Niederdruck-Turbinenabschnitt mit einer Vielzahl von Schaufeln
der letzten Stufe, die um eine Turbinenlaufrad herum angeordnet sind.
Die Schaufeln der letzten Stufe haben eine Blattlänge von
etwa 45 Zoll oder mehr. Mindestens eine Schaufel der letzten Stufe
umfasst einen Schwalbenschwanzabschnitt, der nahe einer inneren
radialen Position der Schaufel angeordnet ist, einen Spitzenmantel,
der nahe einer äußeren radialen Position der Schaufel angeordnet
ist, und einen Teilspannenmantel, der an einer radialen Zwischenposition
angeordnet ist. Die radiale Zwischenposition ist zwischen der inneren
und äußeren radialen Position angeordnet. Die
Schaufeln der letzten Stufe sind aus einer Legierung auf Titangrundlage
zusammengesetzt und sie weist zwischen etwa 2 und etwa 6,25 (Gew.-%)
Aluminium, bis zu etwa 3,5% Vanadium, bis zu etwa 2,25% Zinn, bis
zu etwa 2,25% Zirkonium, zwischen etwa 1,75% und etwa 5,0% Molybdän,
bis zu etwa 2,25% Chrom, bis zu etwa 0,7% Silicium und bis zu etwa
2,3% Eisen auf, wobei der Rest Titan ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Darstellung einer
Dampfturbine;
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2 ist
eine perspektivische Darstellung einer Schaufel gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine vergrößerte perspektivische Darstellung des
gekrümmten axialen Eintritts-Schwalbenschwanzes gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform
eines Spitzenmantels, der bei der Schaufel von 2 benutzt
werden kann;
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5 ist
eine perspektivische Darstellung, die die wechselseitige Beziehung
benachbarter Spitzenmäntel zeigt;
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6 ist
eine perspektivische Darstellung der Teilspannenmäntel,
die bei der Schaufel von 2 benutzt werden können;
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7 ist
eine perspektivische Darstellung, die die wechselseitige Beziehung
benachbarter Teilspannenmäntel zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht einer Dampfturbine 10,
die einen Rotor 12 mit einer Welle 14 und einer
Niederdruck(LP)-Turbine 16 einschließt. LP-Turbine 16 schließt
eine Vielzahl axial beabstandeter Rotorlaufscheiben 18 ein.
Eine Vielzahl von Schaufeln 20 ist mechanisch mit jedem Rotorlaufrad 18 gekoppelt.
Spezifischer sind Schaufeln 20 in Reihen angeordnet, die
sich umfangsmäßig um jedes Rotorlaufrad 18 herum
erstrecken. Eine Vielzahl stationärer Düsen 22 erstreckt
sich umfangsmäßig um Welle 14 und ist
axial zwischen benachbarten Reihen von Schaufeln 20 angeordnet.
Düsen 22 arbeiten mit Schaufeln 20 zur
Bildung einer Turbinenstufe zusammen und definieren einen Abschnitt
eines Dampfströmungspfades durch Turbine 10.
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Im
Betrieb tritt Dampf 24 in einen Einlass 26 der
Turbine 10 ein und wird durch Düsen 22 kanalisiert. Düsen 22 richten
Dampf 24 stromabwärts gegen Schaufeln 20.
Dampf 24 passiert die übrigen Stufen und übt auf
Schaufeln 20 eine Kraft aus, die das Rotieren des Rotors 12 verursacht.
Mindestens ein Ende der Turbine 10 kann sich axial weg
vom Rotor 12 erstrecken und kann an einer (nicht gezeigten)
Last oder Maschine angebracht sein, wie einem Generator und/oder
einer anderen Turbine, darauf jedoch nicht beschränkt.
Demgemäß kann eine große Dampfturbineneinheit
tatsächlich mehrere Turbinen einschließen, die
alle koaxial mit der gleichen Welle 14 gekoppelt sind.
Eine solche Einheit kann, z. B., eine Hochdruck-Turbine einschließen,
die mit einer Zwischendruck-Turbine gekoppelt ist, die mit einer
Niederdruck-Turbine gekoppelt ist.
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In 1 und
als eine Beispiel-Ausführungsform, kann die Niederdruck-Turbine,
wie ersichtlich, fünf Stufen aufweisen. Die fünf
Stufen können als L0, L1, L2, L3 und L4 bezeichnet werden.
L4 ist die erste Stufe und die kleinste (in einer radialen Richtung)
der fünf Stufen. L3 ist die zweite Stufe und die nächste
Stufe in einer axialen Richtung. L2 ist die dritte Stufe und in
der Mitte der fünf Stufen gezeigt. L1 ist die vierte und
vorletzte Stufe. L0 ist die letzte Stufe und ist die größte
(in einer axialen Richtung). Es sollte klar sein, dass fünf Stufen
nur als ein Beispiel gezeigt sind und eine Niederdruck-Turbine mehr
oder weniger als fünf Stufen aufweisen kann.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel 20,
die bei der Turbine 10 eingesetzt werden kann. Schaufel 20 schließt
einen Blattabschnitt 102 ein, der eine rückwärtige
Kante 104 und eine Vorderkante 106 aufweist, wobei
Dampf im Allgemeinen von der Vorderkante 106 zur rückwärtigen
Kante 104 strömt. Schaufel 20 schließt
auch eine erste konkave Seitenwand 108 und eine zweite
konvexe Seitenwand 110 ein. Die erste Seitenwand 108 und
die zweite Seitenwand 110 sind axial an der rückwärtigen
Kante 104 und der Vorder kante 106 miteinander
verbunden und erstrecken sich radial zwischen einer Rotor-Schaufelwurzel 112 und
einer Rotor-Schaufelspitze 114. Ein Schaufeltiefen-Abstand
ist ein Abstand, der an irgendeinem Punkt entlang der radialen Länge 118 des
Blattes 102 von der rückwärtigen Kante 104 zur
Vorderkante 106 gemessen wird. In der beispielhaften Ausführungsform
ist die radiale Länge 118 oder Blattlänge
etwa 45 Zoll. In einer anderen Ausführungsform beträgt
Länge 118 etwa 40 bis etwa 50 Zoll oder mehr.
Obwohl die radiale Länge 118 hierin als gleich
etwa 45 Zoll beschrieben ist, sollte klar sein, dass die radiale
Länge 118 irgendeine geeignete Länge
für die radiale Länge 118 in Abhängigkeit
von der spezifischen Anwendung sein kann. Wurzel 112 schließt
einen Schwalbenschwanz 121 ein, der zum Koppeln der Schaufel 20 mit
einer Rotorscheibe entlang der Welle 14 benutzt wird.
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3 veranschaulicht
eine vergrößerte Ansicht des Schwalbenschwanzes 121.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Schwalbenschwanz 121 ein
gekrümmter axialer Eintritts-Schwalbenschwanz, der im Eingriff
steht mit einem passenden Schlitz, der in der Rotorscheibe gebildet
ist. In einer Ausführungsform hat der Schwalbenschwanz 121 vier
konvexe Projektionen 302. In einer anderen Ausführungsform
könnte der Schwalbenschwanz 121 mehr oder weniger
als vier konvexe Projektionen aufweisen. Der gekrümmte
axiale Eintritts-Schwalbenschwanz ist bevorzugt, um eine Verteilung
der mittleren und lokalen Spannung, Schutz gegenüber Bedingungen
bei zu großer Geschwindigkeit und angemessene Grenzen der
Kurzzeit-Ermüdung (LCF) zu erhalten.
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4 veranschaulicht
eine vergrößerte Ansicht einer Ausführungsform
einer Schaufelspitze 4, die einen integralen Spitzenmantel 410 aufweist.
Der Spitzenmantel 410 verbessert die Steifheit und Dämpfungs-Charakteristika
der Schau fel 20. Eine Dichtungsrippe 420 kann
auf der äußeren Oberfläche des Spitzenmantels
angeordnet sein. Die Rippe 420 wirkt als ein Dichtungsmittel
zum Begrenzen der Dampfströmung an dem äußeren
Abschnitt der Schaufel 20 vorbei. Rippe 420 kann
aus einer einzigen Rippe oder aus mehreren Rippen, einer Vielzahl
grader oder winkeliger Zähne oder einem oder mehreren Zähnen
verschiedener Abmessungen (z. B. einer Labyrinth-Abdichtung) gebildet
sein.
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5 veranschaulicht
eine anfänglich zusammengesetzte Ansicht der Spitzenmäntel 410.
Die Spitzenmäntel 410 sind entworfen, während
des anfänglichen Zusammenbaus und/oder unter den Bedingungen keiner
Geschwindigkeit einen Spalt 510 zwischen benachbarten Spitzenmänteln
zu haben. Wie ersichtlich, sind die Rippen 420 in dem Zustand
ohne Rotation auch leicht fehlausgerichtet. Rotiert das Turbinenlaufrad, dann
beginnen die Schaufeln 20 sich aufzudrehen. Erreichen die
Umdrehungen pro Minute das Betriebsniveau (z. B. etwa 1.800 bis
etwa 3.600 Umdrehungen/min) dann drehen sich die Schaufeln aufgrund
der Zentrifugalkraft auf, die Spalte 510 schließen
sich und die Rippen 420 werden miteinander ausgerichtet.
Die verriegelnden Mäntel ergeben verbesserte Schaufelsteifheit,
verbessertes Schaufeldämpfen und verbesserte Abdichtung
an den äußeren radialen Positionen der Schaufeln 20.
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6 und 7 veranschaulichen
den Teilspannenmantel 610, der zwischen dem Spitzenmantel 410 und
dem Wurzelabschnitt 112 angeordnet ist. Die Teilspannenmäntel 610 sind
auf den konvexen und konkaven Seitenwandungen der Schaufel 20 angeordnet.
Unter den Bedingungen keiner Geschwindigkeit existiert ein Spalt
zwischen benachbarten Teilspannenmänteln benachbarter Schaufeln.
Dieser Spalt wird geschlossen, wenn das Turbinenlaufrad zu rotieren
beginnt und sich der Betriebsgeschwindigkeit nähert und
die Schaufeln sich aufdrehen. Die Teilspannenmäntel sind
aerodynamisch geformt, um Spaltreibungs-Verluste zu verringern und
die gesamte Effizienz zu verbessern. Die Schaufelsteifheit und die
Dämpfungs-Charakteristika sind auch verbessert, wenn sich
die Teilspannenmäntel während des Aufdrehens der
Schaufeln berühren. Während sich die Schaufeln
aufdrehen, berühren die Spitzenmäntel 410 und
Teilspannenmäntel 610 ihre entsprechenden Nachbarmäntel.
Die Vielzahl der Schaufeln 20 verhält sich wie
eine einzige kontinuierlich gekoppelte Struktur, die, verglichen
mit einem diskreten und ungekoppelten Design, verbesserte Steifheit
und Dämpfungs-Charakteristika zeigt. Ein zusätzlicher
Vorteil ist ein Rotor, der verringerte Vibrationsspannungen zeigt.
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Die
hierin beschriebene Schaufel kann aus einer Titanlegierung zusammengesetzt
sein, die beispielhafte Gewichtsprozent aufweist, wie sie in der
folgenden Tabelle 1 gezeigt sind: TABELLE 1
| Al | V | Sn | Zr | Mo | Cr | Si | Fe | Ti |
| 2%
bis 6,25% | 0
bis 3,5% | 0
bis 2,25% | 0
bis 2,25% | 1,75% bis
5,0% | 0
bis 2,25% | 0
bis 0,7% | 0
bis 2,3% | Rest |
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Die
zum Bilden von Schaufeln gemäß der Erfindung eingesetzten
Legierungen auf Titangrundlage, d. h., Legierungen, die für
Schaufeln mit einer Blattlänge von mindestens etwa 45 Zoll
eingesetzt werden, haben bei Raumtemperatur eine Mindestzugfestigkeit
von 145 ksi; 0,2% Streckgrenze von 130 ksi bei Raumtemperatur, Mindestzugspannung
bei 400°F von 125 ksi und eine 0,2% Mindeststreckgrenze
von 110 ksi bei 400°F. Die bevorzugten Legierungen zeigen
entweder eine beta- oder alpha/beta Struktur und erzielen eine Mindestbruchzähigkeit
von etwa 50 ksi Zoll1/2.
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Verschiedene
Dampfturbinen-Schaufeln mit Blattlängen von etwa 45 Zoll
wurden gemäß der Erfindung unter Einsatz der obigen
Titanlegierungs-Zusammensetzungsbereiche gebildet. Wie oben ausgeführt,
kann eine Anzahl von Design-Faktoren das endgültige Schaufelprofil
und die eingesetzte spezifische Legierung beeinflussen, wie die
aktive Länge der Schaufel, der Steigungsdurchmesser und
die Betriebsgeschwindigkeit der Schaufel in den operativen Strömungsregionen.
Dämpfung, Schaufelermüdung und Korrosionsbeständigkeit der
Legierung bei den maximal vorhergesehenen Betriebsbedingungen kann
auch eine Rolle in dem endgültigen Schaufeldesign unter
Einsatz von Legierungen auf Titanbasis spielen, die in die obigen
bevorzugten Zusammensetzungsbereiche fallen. Beispielhafte Profile
für Schaufeln der letzten Stufe mit grösserer
Blattlänge, die mit Titanlegierungen gemäß der
Erfindung gebildet werden können, sind in der
US-PS 5,393,200 mit dem Titel „Bucket
for the Last Stage of Turbine" beschrieben.
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Nach
der Bildung wird jede Schaufel gemäß Aspekten
der Erfindung einer Entspannungsbehandlung unterzogen und die Schaufeloberflächen
werden zum Endprofil bearbeitet unter Anwendung konventioneller Endbearbeitungs-
und Wärmebehandlungs-Stufen. Verschiedene beispielhafte
Schaufeln, die Blattlängen von etwa 45 Zoll oder mehr haben,
wurden konventionellen Tests auf mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit
innerhalb der nominalen und maximal vorhergesehenen Betriebstemperaturen
für Dampfturbinen der letzten Stufe unterzogen. Die in
den Schaufeln gemäß der Erfindung eingesetzten
Legierungsmaterialien auf Titangrundlage zeigten verbesserte Korrosionsbeständigkeit
und bessere als mittlere Festigkeits-Charakteristika.
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Ein
beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer Dampfturbinenschaufel
auf Titangrundlage gemäß der Erfindung schließt
die folgenden Stufen ein. Anfänglich wird ein Titanbarren
aus einer Legierungszusammensetzung, wie oben beschrieben, gebildet
und zu einer Schaufel geschmiedet unter Anwendung einer konventionellen
Schraubenpresse, eines Hammerschmiedens und/oder einer hydraulischen
Presse. Wahlweise kann die geschmiedete Schaufel dann wärmebehandelt
und abgeschreckt werden, um eine Entspannung zu erreichen und die
mechanischen Festigkeitseigenschaften zu entwickeln. In Abhängigkeit
von der spezifischen Endanwendung kann die Schaufel auch unter Anwendung
konventioneller Mittel gealtert und dann zur endgültigen
Betriebskonfiguration bearbeitet werden (wobei typischerweise die
maschinelle Bearbeitung auf allen Seiten, d. h. 360 Grad, stattfindet).
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Während
das obige Verfahren für längere Schaufeln entwickelt
wurde, d. h. Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe mit Blattlängen
von etwa 45 Zoll oder mehr, kann das Verfahren unter Variieren von
Titan-Zusammensetzungen innerhalb der oben erwähnten Zusammensetzungsbereiche
in Abhängigkeit von dem spezifischen Schaufeldesign und
den Endgebrauchs-Anforderungen eingestellt werden.
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Die
Schaufel gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung
wird vorzugsweise in der letzten Stufe eines Niederdruckabschnittes
einer Dampfturbine eingesetzt. Die Schaufel könnte jedoch
auch in anderen Stufen oder anderen Abschnitten (z. B. hoch oder
zwischen) eingesetzt werden. Eine bevorzugte Spannlänge
für Schaufel 20 beträgt etwa 45 Zoll
und diese radiale Länge kann einen Ausgangsringbereich
der letzten Stufe von etwa 112 ft2 (oder
etwa 10,4 m2) bereitstellen. Dieser vergrößerte
und verbesserte Austrittsringbereich kann den Verlust des Dampfes
an kinetischer Energie vermindern, wenn er aus den Schaufeln der
letzten Stufe austritt. Dieser verringerte Verlust ergibt eine verbesserte
Turbineneffizienz.
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Wie
durch Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert, wurde
eine verbesserte Schaufel für eine Dampfturbine bereitgestellt.
Die Schaufel wird vorzugsweise in der letzten Stufe eines Niederdruckabschnittes einer
Dampfturbine eingesetzt. Die integralen Spitzenmäntel und
Teilspannendämpfer der Turbine ergeben eine verbesserte
Steifheit und verbesserte Dämpfungseigenschaften. Der gekrümmte
axiale Eintritts-Schwalbenschwanz verbessert auch die Verteilung
der mittleren und lokalen Spannungen an der Schwalbenschwanz-Grenzfläche.
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Währen
die Erfindung in Form verschiedener spezifischer Ausführungsformen
beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung
mit Modifikation innerhalb des Geistes und Umfanges der Ansprüche
ausgeführt werden kann.
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Eine
Schaufel 20 zum Einsatz im Niederdruckabschnitt eines Dampfturbinen-Triebwerkes
wird bereitgestellt. Die Schaufel hat eine Blattlänge 118 von
mindestens etwa 45 Zoll. Die Schaufel 20 ist aus einem Schwalbenschwanz-Abschnitt 121,
der nahe einer inneren radialen Position der Schaufel angeordnet
ist, einem Spitzenmantel 410, der nahe einer äußeren
radialen Position der Schaufel angeordnet ist, und einem Teilspannenmantel 610,
der in einer mittleren radialen Position angeordnet ist, zusammengesetzt.
Die mittlere radiale Position ist zwischen der innerern und äußeren
radialen Position lokalisiert. Die Schaufel 20 ist aus
einer Legierung auf Titangrundlage zusammengesetzt, die zwischen
etwa 2 und etwa 6,25 Gewichtsprozent Aluminium, bis zu etwa 3,5%
Vanadium, bis zu etwa 2,25% Zinn, bis zu etwa 2,25% Zirkonium, zwischen
etwa 1,75 und etwa 5,0% Molybdän, bis zu etwa 2,25% Chrom,
bis zu etwa 0,7% Silicium und bis zu etwa 2,3% Eisen, Rest Titan
aufweist.
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- 10
- Dampfturbine
- 12
- Rotor
- 14
- Welle
- 16
- Niederdruck-Turbine
- 18
- Rotorlaufrad
- 20
- Schaufeln
- 22
- Düsen
- 24
- Dampf
- 26
- Einlass
- 102
- Blatt
- 104
- rückwärtige
Kante
- 106
- Vorderkante
- 108
- konkave
Seitenwand
- 110
- konvexe
Seitenwand
- 112
- Rotorschaufelwurzel
- 114
- Rotorschaufelspitze
- 118
- radiale
Länge
- 121
- Schwalbenschwanz
- 302
- konvexe
Projektionen
- 410
- Spitzenmantel
- 420
- Dichtungsrippe
- 510
- Spalt
- 610
- Teilspannenmantel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5351395 [0009]
- - US 5393200 [0030]