DE1086951B

DE1086951B - Turbine guide vane and rotor blade

Info

Publication number: DE1086951B
Application number: DEB35901A
Authority: DE
Inventors: Boris Haas
Original assignee: BMW Triebwerkbau GmbH
Current assignee: BMW Triebwerkbau GmbH
Priority date: 1955-05-26
Filing date: 1955-05-26
Publication date: 1960-08-11

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung bezieht sich auf Turbinenleit- und -laufschaufeln aus einem hochdauerstandfesten, zunderbeständigen, metallischen Werkstoff, die im Betrieb wechselnden Temperaturen vorwiegend über 600'° C ausgesetzt sind. Sie bezweckt eine Verbesserung des Widerstandes der Schaufeln gegen Temperaturwechselrisse und plastische Verwerfungen.The invention relates to turbine guide and rotor blades made of a highly durable, scaling-resistant, metallic material, the temperatures changing during operation mainly above 600 ° C are exposed. It aims to improve the resistance of the blades to temperature change cracks and plastic faults.

Temperaturwechselrisse entstehen bei Turbinenschaufeln, die häufig schroffer Erhitzung oder Abkühlung, insbesondere aber wechselweise rascher Erhitzung und Abkühlung ausgesetzt sind. Solche Verhältnisse treten beispielsweise bei den Leit- und Laufschaufeln von ortsbeweglichen Gasturbinen auf, die öfter angefahren und abgestellt oder in sehr kurzer Zeit beschleunigt und verzögert werden.Cracks in temperature change occur in turbine blades, which are often subjected to severe heating or cooling, but in particular are exposed to alternating rapid heating and cooling. Such conditions occur, for example, in the guide vanes and rotor blades of portable gas turbines that be started up and shut down more often or accelerated and decelerated in a very short time.

Verursacht werden die Temperaturwechselrisse durch Spannungen, die durch ungleiche Temperaturverteilung über dem Querschnitt der Turbinenschaufeln entstehen. Bei einer allseits erhitzten Schaufel weist die Außenzone, vor allem im ersten Zeitpunkt der Erhitzung, eine höhere Temperatur als der Kern auf. Der Temperaturunterschied erreicht nach verhältnismäßig kurzer Zeit ein Maximum. Ein vollkommener Temperaturausgleich findet jedoch nur sehr selten statt, so daß fast immer ein stationäres Temperaturgefälle von der Oberfläche zum Kern der Schaufel bestehenbleibt.The temperature change cracks are caused by stresses caused by uneven temperature distribution arise over the cross section of the turbine blades. With a heated one on all sides Shovel has the outer zone, especially at the first stage of heating, a higher temperature than the core on. The temperature difference reaches a maximum after a relatively short time. A However, perfect temperature equalization takes place only very rarely, so that almost always a stationary one Temperature gradient from the surface to the core of the blade remains.

Die äußere Zone, die sich wegen ihrer höheren Temperatur stärker dehnen will als .die Kernzone, wird hieran durch den molekularen Zusammenhang des Werkstoffes gehindert. Die Schaufel nimmt vielmehr eine mittlere Dehnung über ihren ganzen Querschnitt an, wodurch sich Druckspannungen in den Randzonen und Zugspannungen in der Kernzone ausbilden. Bei allseitigem Abkühlen des Körpers ändern sich die Vorzeichen. Die Druckspannungen der Außenzonen werden zu Zugspannungen und die Zugspannungen der Kernzone werden zu Druckspannungen.The outer zone, which, because of its higher temperature, wants to expand more than the core zone, this is prevented by the molecular connection of the material. Rather, the shovel takes medium elongation across its entire cross-section, which results in compressive stresses in the Form edge zones and tensile stresses in the core zone. Change when the body cools down on all sides the signs. The compressive stresses of the outer zones become tensile stresses and the tensile stresses the core zone become compressive stresses.

Insbesondere bei ortsbeweglichen Gasturbinen, bei denen plötzliche Laständerungen unvermeidbar sind, ist der Werkstoff der Turbinenschaufeln in hohem Maße gefährdet. Infolge der außerordentlich raschen Erhitzung beim Beschleunigen, der schroffen Abkühlung beim Verzögern des Triebwerkes und der schlechten Wärmeleitfähigkeit der hochwarmfesten Werkstoffe — für die nur entweder hochwertige austenitische Stähle oder fast eisenfreie Nickel- und Kobaltbasislegierungen in Frage kommen — entsteht ein großer Temperaturunterschied zwischen Kern und Oberfläche der Schaufel und ein hoher Temperaturgradient nahe der Oberfläche. Da der Kern infolge seines großen Querschnittes sich praktisch nicht elastisch deformiert, wird der an der Oberfläche befindliche Werkstoff gezwungen, nahezu den gesamtenEspecially in the case of portable gas turbines where sudden load changes are unavoidable, the material of the turbine blades is at great risk. As a result of the extraordinarily rapid Overheating when accelerating, the sharp cooling when decelerating the engine and the poor thermal conductivity of the high temperature resistant materials - for the only either high quality austenitic steels or almost iron-free nickel and cobalt-based alloys come into question - arises a large temperature difference between the core and the surface of the blade and a high temperature gradient near the surface. Since the core is practically not due to its large cross-section elastically deformed, the material on the surface is forced, almost all of it

Anmelder:Applicant:

BMW Triebwerkbau Gesellschaft m.b.H., München 68, Dachauer Str. 665BMW Triebwerkbau Gesellschaft m.b.H., Munich 68, Dachauer Str. 665

Boris Haas f, München,
ist als Erfinder genannt wordenBoris Haas f, Munich,
has been named as the inventor

Ausdehnungsunterschied aufzunehmen. Die Folge davon sind sehr hohe Spannungen, die fast immer die Streckgrenze weit überschreiten und zu plastischen Deformationen der äußersten Werkstoffschicht führen. Beim Überschreiten der Streckgrenze tritt ein Fließen der Außenfasern des Werkstoffes ein, wobei diese plastische Verformung um so größer ist, je höher die Temperaturspannung ist. Beim Abkühlen muß dieser plastische Verfoimungsbetrag zurückverformt werden. Die Außenfaser wird plastisch hin und her verformt, bis die Trennfestigkeit des Werkstoffes so weit gesunken ist, daß sie beim Abkühlen von. den Zugspannungen überschritten wird und der Anriß erfolgt.Record expansion difference. The consequence of this are very high voltages, which are almost always the Far exceed the yield point and lead to plastic deformation of the outermost material layer. When the yield point is exceeded, the outer fibers of the material start to flow, and this occurs The higher the temperature stress, the greater the plastic deformation. When cooling down this must plastic coating amount can be deformed back. The outer fiber is plastically deformed back and forth, until the separating strength of the material has decreased so far that it will cool down from. the tensile stresses is exceeded and the crack occurs.

Die Erkenntnis, daß es sich bei den Temperaturwechselrissen um Dauerbrüche im Zeitfestigkeitsgebiet handelt und daß die Risse um so früher auftreten, je größer diese plastischen Wechseldeformationen sind, führte zu dem Gedanken, ihre Größe mit Hilfe eines Überzuges zu verringern.The knowledge that the temperature change cracks are fatigue fractures in the fatigue strength area and that the cracks appear earlier, the greater these plastic alternating deformations led to the idea of reducing their size with the help of a cover.

Durch die Erfindung soll also der Widerstand der Schaufelwerkstoffe erhöht oder aber eine Verlängerung der Betriebszeit bis zum Auftreten der genannten Schäden erreicht werden. Hierzu schlägt die Erfindung vor, daß das Schaufelblatt an der Ein- und Austrittskante von einer auf dem Kernmaterial festhaftenden metallischen Schutzschicht überzogen ist, deren Wärmeausdehnungsbeiwert im Temperaturbereich über 600'° C kleiner als das O,8fache des Wärmeausdehnungsbeiwertes-des Kernwerkstoffes und deren Wechselverformungsfähigkeit und deren Korrosions- oder Zunderbeständigkeit größer als die des Kernwerkstoffes ist.The invention is therefore intended to increase the resistance of the blade materials or to lengthen it the operating time until the damage mentioned occurs. To this end, the Invention before that the airfoil at the inlet and outlet edge of a firmly adhering to the core material metallic protective layer is coated, the coefficient of thermal expansion in the temperature range over 600 ° C less than 0.8 times the Coefficient of thermal expansion of the core material and their ability to alternate deformability and their resistance to corrosion or scaling are greater than that of the Is the core material.

Als Schutz werkstoff für die Legierungen eignen sich beispielsweise die bekannten, sogenannten zunderbeständigen ferritisch-austenitischen oder rein ferritischen Stähle, wie beispielsweise solche mit 25 % Cr,The well-known, so-called scale-resistant materials, for example, are suitable as a protective material for the alloys ferritic-austenitic or purely ferritic steels, such as those with 25% Cr,

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4% Ni und sonstigen Zusätzen oder solche mit 13 bis 30% Cr und sonstigen Zusätzen oder duktiles Chrom. Sie haben Wärmeausdehnungsbeiwerte, die zu denen der zu schützenden Legierungen in dem erforderlichen, bereits genannten Verhältnis stehen, und weisen ausreichende Verformungsfähigkeit auf. Ihre Zunderbeständigkeit und ihre Beständigkeit gegen reduzierende und schwefelhaltige Gase und gegen Vanadinpentoxydangriffe ist besser als die der nickel- oder kobalthaltigen Werkstoffe. Da. der Korrosionsangriff überwiegend an den dünnen Kanten erfolgt, kann diese Eigenschaft sehr wertvoll sein. Zwar ist die Dauerstandfestigkeit der genannten Schutzwerkstoffe gering, die Tragfähigkeit des geschützten Schaufelquerschnittes wird aber gegenüber der des ungeschützten Profilquerschnittes nur unwesentlich herabgesetzt, weil der Anteil der Schutzschicht am Querschnitt klein ist.4% Ni and other additives or those with 13 to 30% Cr and other additives or ductile chromium. They have coefficients of thermal expansion that are similar to those of the alloys to be protected in the required already mentioned ratio are, and have sufficient deformability. Your scale resistance and their resistance to reducing and sulphurous gases and to attack by vanadium pentoxide is better than that of materials containing nickel or cobalt. There. the corrosive attack occurs predominantly on the thin edges, this property can be very valuable. It is true The fatigue strength of the protective materials mentioned is low, the load-bearing capacity of the protected blade cross-section but is only slightly reduced compared to that of the unprotected profile cross-section, because the proportion of the protective layer in the cross-section is small.

Die Bildung der Wärmewechselrisse wird durch Korrosion der Werkstoffoberfläche infolge des berührenden, wärmeübertragenden Mittels unterstützt. Meist tritt sie als Korngrenzenoxydation auf und bewirkt neben örtlicher Spannungserhöhung infolge Kerbwirkung eine starke Senkung der Trennfestigkeit, vor allem, wenn zwischen Erhitzen und Abkühlen jeweils eine längere Betriebszeit mit hohen Temperaturen liegt. Es soll daher nach der Erfindung die Oberflächenschutzschicht eine höhere Korrosionsund Zunderbeständigkeit als der Kernwerkstoff aufweisen. Gegebenenfalls kannn auf die Schicht mit geringer Wärmeaus dehnung zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit noch eine eigene korrosions- oder zunderbeständige Schutzschicht zusätzlich aufgebracht sein.The formation of heat cycle cracks is caused by corrosion of the material surface as a result of the touching, heat transfer agent supported. Mostly it occurs and causes grain boundary oxidation in addition to a local increase in tension as a result of Notch effect greatly reduces the separation strength, especially when between heating and cooling each has a longer operating time at high temperatures. It is therefore intended according to the invention the surface protective layer has a higher corrosion and scaling resistance than the core material. If necessary, the layer with low thermal expansion can be applied to increase the corrosion resistance a separate corrosion- or scale-resistant protective layer is also applied be.

An sich sind Oberflächen-Schutzschichten an Türbinenschaufeln bereits bekannt. So wurden schon Schutzschichten aus oxydischen, mineralischen, glasartigen oder keramischen Massen benutzt. Diese Schutzschichten haben im wesentlichen die Aufgabe, den Kernwerkstoff gegen chemische und thermische Einflüsse zu schützen. Auch metallische Überzüge sind bei Dampfturbinenschaufeln aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl bereits bekannt. Hierbei wurde eine Schutzschicht vorgeschlagen, die Nickel oder Kobalt enthält oder aus Nickelstahl besteht. Wird für den Schutz ein niedrig mit Nickel legierter Stahl oder auch Reinnickel verwendet, so hat er den gleichen Ausdehnungsbeiwert, wie der Kernwerkstoff. Die beste Widerstandsfähigkeit haben austenitische Eisen- und Nickellegierungen mit 25% bis 27% Nickel, so Gerade diese haben aber einen Ausdehnungsbeiwert, der etwa 50% größer ist als der unlegierter oder niedrig legierter Stähle. Bei Kobalt liegen die Verhältnisse ähnlich.In and of themselves, there are surface protective layers on door frame blades already known. Protective layers of oxide, mineral and vitreous have already been created or ceramic masses used. These protective layers essentially have the task of to protect the core material against chemical and thermal influences. Also metallic coatings are already known for steam turbine blades made of unalloyed or low-alloy steel. Here was proposed a protective layer that contains nickel or cobalt or consists of nickel steel. Is for If a steel with a low nickel alloy or pure nickel is used, it has the same protection Expansion coefficient, like the core material. Austenitic ferrous metals have the best resistance and nickel alloys with 25% to 27% nickel, see above However, it is precisely these that have an expansion coefficient that is around 50% greater than that of unalloyed or low alloy steels. The situation is similar for cobalt.

Während also die bisher bekannte Anwendung von Oberflächenschutzüberzügen dem Schutz gegen Korrosion diente, werden erfindungsgemäß bei Turbinenschaufeln aus einer hoch dauerstandfesten, zunderbeständigen, metallischen Legierung die infolge der verhinderten Deformation in der Oberfläche auftretenden Spannungsspitzen bzw. plastischen Verformungen durch einen festhaftenden Überzug mit kleinerem Wärmeausdehnungsbeiwert abgebaut. Beispielsweise erreicht man bei einer Betriebstemperatur von 800° C und einer maximalen Temperaturdifferenz von 400° C rechnerisch eine Senkung der Temperaturspannungen, sowohl beim Erhitzen als auch beim Abkühlen um etwa 30%, wenn man eine Schaufel aus austenitischem Stahl mit einer Wärmedehnzahl von 18·10~^β l/° C mit einer entsprechenden Schicht aus einer Legierung mit einer Wärmedehnzahl von 14-10-⁶l/°C überzieht.While the previously known use of protective surface coatings served to protect against corrosion, according to the invention, turbine blades made of a highly fatigue-resistant, scaling-resistant, metallic alloy reduce the stress peaks or plastic deformations that occur in the surface as a result of the prevented deformation by means of a firmly adhering coating with a lower coefficient of thermal expansion. For example, at an operating temperature of 800 ° C and a maximum temperature difference of 400 ° C, a mathematical reduction in temperature stresses, both during heating and cooling, of around 30%, if you use a blade made of austenitic steel with a thermal expansion coefficient of 18.10 ~ ^β l / ° C coats with a corresponding layer of an alloy having a coefficient of thermal expansion of 14-10- ⁶ l / ° C.

Durch die Senkung der Temperaturspannungeu wird der plastische Wechselverformungsbetrag, die sogenannte Wechselgleitung, in den Randfasern entsprechend verringert und damit die Lebensdauer der Turbinenschaufeln beachtlich erhöht. Der Wärmeausdehnungsbeiwert der Schutzschicht kann durch Änderung ihrer chemischen Zusammensetzung auf den erforderlichen Wert gebracht werden.By lowering the temperature stresseu, the amount of alternating plastic deformation, the so-called alternating slip, correspondingly reduced in the edge fibers and thus the service life of the Turbine blades increased considerably. The coefficient of thermal expansion of the protective layer can be through Change in their chemical composition to the required value.

Hat die Oberflächenschutzschicht gleichzeitig eine bessere plastische Verformbarkeit als der Kernwerkstoff, so ist sie imstande, den plastischen Verformbetrag, die Wechselgleitung, häufiger zu ertragen.At the same time, if the surface protection layer has better plastic deformability than the core material, so it is able to endure the amount of plastic deformation, the alternating slip, more frequently.

Durch die erhöhte Korrosionsbeständigkeit des Überzugwerkstoffes wird der ungünstige Einfluß der Korrosion des berührenden Mittels auf die Lebensdauer des Teiles ausgeschaltet.Due to the increased corrosion resistance of the coating material, the unfavorable influence of the Corrosion of the contacting agent is eliminated for the service life of the part.

Die Oberflächenschicht nach der Erfindung kann entweder durch einen Überzug oder durch Diffusion gebildet werden. Der Überzug ist herstellbar z. B. durch Tauchen in eine Schmelze, durch Umgießen, durch Auftragschweißen, durch Plattieren mittels Walzen oder Strangpressen, durch Aufdampfen, durch Aufspritzen oder durch galvanische Abscheidungen.The surface layer according to the invention can be either by coating or by diffusion are formed. The coating can be produced e.g. B. by dipping into a melt, by casting around, by build-up welding, by plating by means of rolling or extrusion, by vapor deposition Spraying on or by galvanic deposition.

Die Zeichnung zeigt das Wesen der Erfindung an Hand eines Querschnittes durch eine Turbinenschaufel mit zugehöriger Temperatur- und Spannungsverteilung. Sie zeigt in der Fig. 1 den Profilquerschnitt einer Turbinenschaufel, deren Kern 1 aus einem hochdauerstandfesten, zunderbeständigen, metallischen Werkstoff besteht und deren Ein- und Austrittskanten durch die Schichten 2 geschützt sind. Der metallische Werkstoff dieser Schutzschichten weist nach der Erfindung im Temperaturbereich über 600° C einen Wärmeausdehnungsbeiwert auf, der kleiner als das 0,8fache des Wärmeausdehnungsbeiwertes des Kernwerkstoffes ist und dessen. Wechselverformungsfähigkeit und dessen Zunderbeständigkeit größer als die des Kernwerkstoffes ist.The drawing shows the essence of the invention on the basis of a cross section through a turbine blade with associated temperature and voltage distribution. It shows the profile cross-section in FIG. 1 a turbine blade, the core 1 of which is made of a highly durable, scaling-resistant, metallic Material consists and the entry and exit edges are protected by the layers 2. The metallic one According to the invention, the material of these protective layers has a temperature range above 600 ° C Thermal expansion coefficient that is less than 0.8 times the thermal expansion coefficient of the core material is and its. Alternating deformability and its scaling resistance greater than that of the core material.

Beim Hochfahren der Turbine entsteht in Längsrichtung des Schaufelprofiles eine stark unterschiedliche Temperaturverteilung, wie sie die Kurve 3 in der Fig. 2 zeigt. Besteht der Schaufelkörper nur aus einem Werkstoff, so erzeugt diese Temperaturverteilung eine Spannungsverteilung, wie sie durch die Kurve 4 in der Fig. 3 dargestellt ist.When the turbine is started up, a very different shape occurs in the longitudinal direction of the blade profile Temperature distribution, as shown by curve 3 in FIG. 2. The blade body only consists of a material, this temperature distribution creates a stress distribution like that caused by the Curve 4 is shown in FIG. 3.

Auffallend sind die hohen Spannungsspitzen an den Kanten. Die Schaufel, deren Kanten mit einer Schutzschicht von der Dicke 5 versehen sind, erhält bei gleicher Temperaturverteilung eine Spannungsverteilung gemäß Kurve 6, aus der deutlich die Verringerung der Randspannungen hervorgeht.The high voltage peaks at the Edge. The blade, the edges of which are provided with a protective layer of thickness 5, is given at the same temperature distribution, a stress distribution according to curve 6, which clearly shows the reduction the edge stress emerges.

Bei rascher Abkühlung erhält man für die Temperatur- und Spannungsverteilung im Prinzip die gleichen, jedoch spiegelbildlich zu den X-Achsen verlaufenden Kurven. Die Z-Achse im Temperaturschaubild der Fig. 2 entspricht dann nicht der Ausgangstemperatur bei Beginn des Hochfahrens, sondern der Betriebstemperatur, Rand- und Kernspannungen wechseln das· Vorzeichen.With rapid cooling, the temperature and stress distribution are in principle the same, however, curves running in mirror image to the X-axes. The Z-axis in the temperature diagram FIG. 2 then does not correspond to the starting temperature at the start of start-up, but to Operating temperature, edge and core stresses change the sign.

Claims

Patent claims:

1. Turbine guide and rotor blades with working temperatures over 600 ° C, which consists of a highly durable, scale-resistant, metallic Material is made, characterized in that the blade at the inlet and outlet

the edge is covered by a metallic protective layer adhering to the core material, whose thermal expansion coefficient in the temperature range above 600 ° C is less than 0.8 times the Thermal expansion coefficient of the core material and its alternating deformation capacity and its Corrosion or scaling resistance is greater than that of the core material.

2. Turbinenleit- and -laufradschaufel according to claim 1, characterized in that on the

Protective layer, a corrosion or scale protection layer is also applied.

Considered publications: German Patent Specifications No. 883 818, 858 449, 788, 818,748;

French Patent No. 1,067,525; Swiss Patent No. 47 126; British Patent No. 656,503; U.S. Patent No. 2,304,259.

1 sheet of drawings