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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel.
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Stand der Technik
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Edelstahlelemente werden, nachdem sie in eine vorbestimmte Form geschmiedet oder gewalzt werden, gewöhnlich Wärmebehandlungen, wie einer Lösungsbehandlung, ausgesetzt.
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Patentdokument 1 legt beispielsweise eine Technologie für das Wärmebehandeln eines Edelstahlelements dar, wobei das Edelstahlelement bei hohen Temperaturen zwischen 1000 und 1300 °C geschmiedet wird, und dann wird es erneut auf hohe Temperaturen zwischen 950 und 1125 °C erwärmt. Die Technologie umfasst das rasche Abkühlen des Edelstahlelements nach dem Erwärmen, bei einer Abkühlgeschwindigkeit von 5 bis 4 °C/Min.
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Zusätzlich zur Technologie, die in Patentdokument 1 beschrieben wird, steht die Technologie, die in Patentdokument 2 beschrieben wird, mit der vorliegenden Erfindung in Verbindung. Diese Technologie betrifft das Wärmebehandeln eines Aluminiumlegierungselements, wobei das Aluminiumlegierungselement erwärmt wird, und dann rasch unter Verwendung eines Kühlmittels, das von einer Mehrzahl an Düsen gesprüht wird, abgekühlt wird. Wenn ein Metallelement rasch abgekühlt wird, neigen einige Abschnitte aufgrund der Form des Metallelements dazu, schneller als andere Abschnitte abzukühlen und einige Abschnitte neigen dazu, langsamer abzukühlen. Dadurch werden Hoch- und Niedrigtemperaturabschnitte im Metallelement gebildet. Folglich werden bei der Abkühlphase des Metallelements thermische Spannungen und Belastungen im Metallelement verursacht. Angesichts dessen umfasst die Technologie, die in Patentdokument 2 beschrieben wird, das Anpassen der Menge des Kühlmittels, das von der Mehrzahl an Düsen gesprüht wird, um die Belastung, die im Aluminiumlegierungselement bei der schnellen Abkühlphase verursacht wird, zu minimieren oder zu verhindern.
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Liste der Entgegenhaltungen
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Patentdokumente
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- Patentdokument 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2012-140690A
- Patentdokument 2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2007-146204A
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Kurzfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Die Technologie von Patentdokument 2 betrifft die Aluminiumlegierungselemente. Aber Edelstahlelemente und Aluminiumlegierungselemente weisen unterschiedliche Eigenschaften auf. Wenn die Technologie, die in Patentdokument 2 beschrieben wird, daher bei einem Edelstahlelement angewendet wird, nachdem es als ein Teil des Wärmebehandelns ohne Änderung erwärmt wird, ist es schwierig, die in der Abkühlphase verursachte Belastung zu minimieren oder zu verhindern. Die Technologie, die in Patentdokument 2 beschrieben wird, ist auch bei einem Wärmebehandeln bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen wirksam. Zum Beispiel ist das Wärmebehandeln bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, wie beispielsweise 500 °C oder weniger, von der Wärmestrahlung wenig betroffen, und folglich kann durch die Kontrolle der Wärmeübertragung, mit Hilfe der Konvektion die Temperatur des Gegenstandes, der wärmebehandelt werden sollte, kontrolliert werden. Aber eine Lösungsbehandlung, die für die Ausscheidungshärtung von Edelstahl erforderlich ist, benötigt Temperaturen bis zu 1000 °C. Wenn die Wärmeübertragung in solchen Fällen nicht kontrolliert wird, ist es schwierig, die Temperatur des Gegenstandes, der wärmebehandelt werden soll, zu kontrollieren.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verformung bei der Herstellung einer Turbinenschaufel aus Edelstahl, die in einem Edelstahlelement in der Abkühlphase nach dem Wärmebehandeln des Elements verursacht wird, zu minimieren oder zu verhindern.
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Technische Lösung
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Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bilden eines Schmiedestücks durch Schmieden von Edelstahl; Wärmebehandeln des Schmiedestücks; und Abkühlen des Schmiedestücks nach dem Wärmebehandeln; wobei beim Wärmebehandeln und dem Abkühlen eine Mehrzahl an Schmiedestücken gefluchtet angeordnet wird, und benachbarte Schmiedestücke der Mehrzahl an Schmiedestücken derart angeordnet werden, dass zumindest jeweilige Abschnitte von Abschnitten der benachbarten Schmiedestücke, die einem Bereich von einem Abschnitt, der einer Plattform einer Turbinenschaufel entspricht, zu einer Mitte in einer Längsrichtung der Turbinenschaufel entsprechen, einander gegenüberliegen und sich gegenseitig mittels Strahlungshitze erwärmen.
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Beim Wärmebehandeln und dem Abkühlen kann eine Ungleichmäßigkeit bei der Menge der Strahlungshitze durch die gefluchtete Anordnung der Schmiedestücke minimiert oder verhindert werden. Dementsprechend kann das Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Ungleichmäßigkeit bei der Abkühlgeschwindigkeit innerhalb eines einzelnen Schmiedestücks minimieren oder verhindern, und folglich auch eine Ungleichmäßigkeit bei der Verformung von jedem Schmiedestück. Hierdurch kann das Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise bei der Herstellung einer Turbinenschaufel aus Edelstahl, die Verformung, die in einem Edelstahlelement in der Abkühlphase nach dem Wärmebehandeln des Elements verursacht wird, minimieren oder verhindern. Das Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Erfindung, beschränkt sich nicht auf die Anwendung bei Edelstahl und kann bei jedem Wärmebehandeln angewendet werden, in der ein Schmiedestück auf ungefähr 1000 °C erwärmt wird.
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Vorzugsweise wird die Mehrzahl an Schmiedestücken in einer Aufnahmeanordnung untergebracht, um das Wärmebehandeln und das Abkühlen auszuführen, und eine Wärmeisolationsabschirmung ist zwischen dem Schmiedestück, das gegenüber einer Innenwand der Struktur untergebracht ist, und der Struktur angeordnet. Die Abschirmung kann die Abkühlgeschwindigkeit der Schmiedestücke, die gegenüberliegend angeordnet sind, reduzieren. Folglich wird der Temperaturunterschied zwischen dem dicken Abschnitt und dem dünnen Abschnitt des Schmiedestücks reduziert und folglich wird die Verformung des Schmiedestücks minimiert oder verhindert.
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Die Abschirmung ist vorzugsweise ein plattenähnliches Element, und eine Stärke der Abschirmung ist mit einer maximalen Querschnittsstärke im Abschnitt des Schmiedestücks, das dem Bereich vom Abschnitt, der einer Plattform einer Turbinenschaufel entspricht, bis zu einer Mitte in der Längsrichtung der Turbinenschaufel entspricht, identisch. Die Wärmeisolationswirksamkeit der Strahlungshitze der Abschirmung kann gleich jener der Strahlungshitze des Schmiedestücks sein. Folglich kann eine Ungleichmäßigkeit bei der Temperatur von einzelnen Schmiedestücken und über die Mehrzahl an Schmiedestücken minimiert oder verhindert werden, und folglich kann eine Verformung und eine Ungleichmäßigkeit bei der Verformung der Schmiedestücke während dem Abkühlen minimiert oder verhindert werden.
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Vorzugsweise ist die maximale Stärke eine maximale Querschnittsstärke an einem Ausgangspunkt der Biegung des Schmiedestücks, die nach dem Wärmebehandeln auftritt. Eine Hauptverformung des Schmiedestücks, die beim Abkühlen auftritt, ist die Biegung des Schmiedestücks. Die Biegung des Schmiedestücks wird vom Ausgangspunkt der Biegung stark beeinflusst. Durch Einstellen der Stärke der Abschirmung entsprechend der maximalen Querschnittsstärke am Ausgangspunkt der Biegung, die im Schmiedestück auftritt, kann die Ungleichmäßigkeit bei der Temperatur am Ausgangspunkt der Biegung und in dessen Nähe minimiert oder verhindert werden, und folglich kann die Verformung der Abschirmung wirksam minimiert oder verhindert werden.
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Im Abkühlschritt wird die Mehrzahl an Schmiedestücken vorzugsweise mit Gleichrichterkühlgas versorgt. Durch Versorgung der Elemente durch Gleichrichterkühlgas, kann eine Verformung des Schmiedestücks beim Abkühlen minimiert oder verhindert werden.
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Vorzugsweise handelt es sich beim Edelstahl um ausscheidungsgehärteten Edelstahl. Ausscheidungsgehärteter Edelstahl neigt aufgrund des Phasenübergangs beim Erwärmen und Abkühlen zur Verformung. Aber, gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Erfindung, kann eine Verformung des Schmiedestücks und der Turbinenschaufel wirksam minimiert oder verhindert werden.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung kann eine Verformung bei der Herstellung einer Turbinenschaufel aus Edelstahl, die in einem Edelstahlelement in der Abkühlphase nach dem Wärmebehandeln des Elements verursacht wird, minimieren oder verhindern.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer mit einer Schaufel ausgestatteten Dampfturbine gemäß einer Ausführungsform.
- 2 ist eine schematische Ansicht, die eine Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform darstellt.
- 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform darstellt.
- 4 ist ein Graph, der ein Beispiel der Temperaturänderung eines Materials in einem Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform darstellt.
- 5 ist ein Diagramm, das den Zustand des Schmiedestücks im Wärmebehandlungsschritt darstellt.
- 6 ist eine Querschnittsansicht, die die Form des Schmiedestücks in einem Querschnitt entlang einer Ebene, die orthogonal zur Längsrichtung des Schmiedestücks ist, darstellt.
- 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zur Anordnung von Schmiedestücken, die im Korb vorgesehen sind, in dem Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
- 8 ist ein Diagramm, das Querschnitte des Schmiedestücks von unterschiedlichen Positionen darstellt.
- 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Anordnung der Schmiedestücke, in dem Fall eines Korbes, der größer als jener ist, der in 7 verwendet wird, darstellt.
- 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Korbs mit einer Rechteckform in der Draufsicht darstellt, in dem eine Mehrzahl der Schmiedestücke untergebracht ist.
- 11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Anordnungen einer Mehrzahl der Schmiedestücke, die in einem Korb mit einer Rundform in der Draufsicht angeordnet ist, darstellt.
- 12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Anordnungen einer Mehrzahl der Schmiedestücke, die in einem Korb mit einer Rundform in der Draufsicht angeordnet ist, darstellt.
- 13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Abkühlschrittes darstellt.
- 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Gleichrichtungsstruktur darstellt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Dampfturbine
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1 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration einer mit einer Schaufel ausgestatteten Dampfturbine gemäß einer Ausführungsform. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Dampfturbine 1 ein hohles Gehäuse 11 und einen Rotor 12, d.h. eine Drehwelle, die von einer Mehrzahl an Lagern 13 auf eine Weise gelagert ist, um eine freie Drehbewegung zu ermöglichen. Turbinenschaufeln 15 und Schaufeln 16 sind im Inneren des Gehäuses 11 angeordnet. Die Turbinenschaufeln 15 sind an den Umfang der scheibenförmigen Rotorscheiben 14 befestigt, die auf dem Rotor 12, der in einer Reihe um die Umfangsrichtung des Umfangs der scheibenförmigen Rotorscheiben 14 angeordnet ist, gebildet sind. Die Schaufeln 16 sind an die Innenwand des Gehäuses 11, das in einer Reihe um die Umfangsrichtung der Innenwand angeordnet ist, befestigt. Diese Turbinenschaufeln 15 und Schaufeln 16 sind abwechselnd in der Axialrichtung des Rotors 12 angeordnet.
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Im Gehäuse 11 sind die Turbinenschaufeln 15 und die Schaufeln 16 angeordnet und ein Dampfströmungspfad 17, durch den Dampf fließt, wird gebildet. Der Dampfströmungspfad 17 wird mit einer Dampfzufuhröffnung 18 gebildet, die ein Einlass ist, durch den Dampf versorgt wird, und eine Dampfauslassöffnung 19, die ein Auslass ist, durch den Dampf ausgelassen wird.
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Struktur der Turbinenschaufel
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2 ist eine schematische Ansicht, die eine Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform darstellt. Die Turbinenschaufel 15 umfasst einen Schaufelfuß 21, eine Plattform 22, eine Schaufel 23 und eine Verkleidung 24. Die Turbinenschaufel 15 ist an die Rotorscheibe 14 durch den Schaufelfuß 21, der in die Rotorscheibe 14 eingebettet ist, befestigt. Die Plattform 22 ist ein gekrümmtes, plattenförmiges Element, das einstückig mit dem Schaufelfuß 21 gebildet wird. Die Schaufel 23 umfasst ein Basisende, das an die Plattform 22 befestigt ist, und ein distales Ende, das sich in Richtung der Innenwandoberfläche des Gehäuses 11 erstreckt, und entlang der Schaufellängsrichtung verdreht ist. Die Verkleidung 24 ist ein Element, das an das distale Ende der Schaufel 23 befestigt ist. Die Verkleidungen 24 von benachbarten Turbinenschaufeln 15 kommen miteinander in Berührung, um die Turbinenschaufel 15 zu sichern und eine Schwingung der Turbinenschaufel 15 zu minimieren oder zu verhindern.
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Ein vorsprungartiger Stumpf 25 wird auf beiden Oberflächen der Schaufel 23 im Wesentlichen im Mittelbereich in der Schaufellängsrichtung gebildet. Die Stümpfe 25 von benachbarten Turbinenschaufeln 15 kommen miteinander in Berührung, um die Turbinenschaufel 15 zu sichern und eine Schwingung der Turbinenschaufel 15 zu minimieren oder zu verhindern. Die Turbinenschaufel 15 ist eine Turbinenschaufel für die Dampfturbine 1, die in 1 dargestellt wird. Aber das Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, beschränkt sich nicht auf Schaufeln für Turbinen.
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Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel
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3 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform darstellt. 4 ist ein Graph, der ein Beispiel der Temperaturänderung eines Materials in einem Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform darstellt. Die vertikale Achse in 4 ist die Temperatur Tm eines Materials der Turbinenschaufel 15, und die horizontale Achse ist die zeitliche Veränderung Ti. Das Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, umfasst die Schritte des Schmiedens (Schritt S1), des Abkühlens (Schritt S2), des Entgratens (Schritt S3), des Wärmebehandelns (Schritt S4) und des Bearbeitens (Schritt S5).
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Im Schmiedeschritt von Schritt S1 wird ein Material der Turbinenschaufel 15 auf die gleiche Temperatur wie die Rekristallisationstemperatur des Materials oder höher erwärmt, dann wird es in eine Gussform mit einer Ober- und einer Unterseite gegeben, die bearbeitet ist, um die Form der Schaufel 23 plus ein Überschussteilstück aufzuweisen, und Heißschmieden mit der Druckgussform wird ausgeführt. OPa in 4 bezeichnet den Schmiedeschritt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der Turbinenschaufel 15 beispielsweise Edelstahl. Im Besonderen ist das Material der Turbinenschaufel 15 ausscheidungsgehärteter Edelstahl, wie 17-4 PH. Wenn der Schmiedevorgang ausgeführt wurde, wie in 8 dargestellt, erhält man ein Schmiedestück mit der Form der Schaufel 23 plus das Überschussteilstück 31. Danach folgt der Abkühlschritt von Schritt S2.
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Im Abkühlschritt von Schritt S2 wird das Hochtemperaturschmiedestück, das man im Schmiedeschritt erhalten hat, abgekühlt. OPb in 4 bezeichnet den Abkühlschritt vom Schmiedeschritt. Das Schmiedestück wird bis auf eine Temperatur abgekühlt, die für den nachfolgenden Entgratungsschritt geeignet ist. Danach folgt der Entgratungsschritt von Schritt S3.
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Im Entgratungsschritt von Schritt S3 werden unnötige Teile (Grate) des Schmiedestücks entfernt, die gebildet werden, da das Material in den Spalt zwischen den oberen und unteren Gussformen beim Formpressen des Schmiedeschritts gedrückt wird. Danach folgt der Wärmebehandlungsschritt von Schritt S4.
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Im Wärmebehandlungsschritt von Schritt S4 wird das Schmiedestück wärmebehandelt. Dieses Wärmebehandeln umfasst eine Lösungsbehandlung OPc, eine Stabilisierungsbehandlung OPd und eine Alterungsbehandlung OPe. Im Wärmebehandlungsschritt werden Restspannungen beim Schmiedestück, die beim vorhergehenden Schritt (Schmiedeschritt) verursacht wurden, und thermische Spannungen beim Schmiedestück, die in der Abkühlphase verursacht wurden, entlastet, und das Schmiedestück wird ausgehärtet. Danach folgt der Bearbeitungsschritt von Schritt S5.
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Im Bearbeitungsschritt von Schritt S5 wird das Überschussteilstück des Schmiedestücks durch Schneiden entfernt. Weiters wird im Bearbeitungsschritt die Plattform 22 an der Basisendseite (Seite des Schaufelfußes) der Schaufel 23 gebildet und die Verkleidung 24 wird an der distalen Endseite (Seite der Schaufelspitze) durch Schneiden gebildet. Auf diese Weise wird die Turbinenschaufel 15, die die gewünschte Endform hat, hergestellt.
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Wärmebehandlungsschritt
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5 ist ein Diagramm, das den Zustand des Schmiedestücks im Wärmebehandlungsschritt darstellt. 6 ist eine Querschnittsansicht, die die Form des Schmiedestücks in einem Querschnitt entlang einer Ebene, die orthogonal zur Längsrichtung des Schmiedestücks verläuft, darstellt. Im Wärmebehandlungsschritt wird das Schmiedestück 10 in einer Aufnahmeanordnung 30 (nachstehend ggf. als Korb 30 bezeichnet) untergebracht und dann in den Heizofen 40 gestellt. Bei der Alterungsbehandlung OPe des Wärmebehandlungsschrittes wird das Schmiedestück 10 auf eine Temperatur von ungefähr 500 °C erhitzt und auf dieser Temperatur belassen. Danach muss die Temperatur des Schmiedestücks 10 um ungefähr 500 °C innerhalb von 30 Minuten gesenkt werden, und folglich ist ein Abkühlen des Schmiedestücks 10 notwendig.
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Gewöhnlich hat ein Metallelement, wie beispielsweise das Schmiedestück 10, aufgrund seiner Form, Abschnitte, die dazu neigen, schneller abzukühlen (in anderen Worten, sie neigen dazu, sich schneller zu erwärmen) und Abschnitte, die dazu neigen, langsamer abzukühlen (in anderen Worten, sie neigen dazu, sich langsamer zu erwärmen). Die Abschnitte der Metallelemente, die dazu neigen, schneller abzukühlen, sind Abschnitte mit einem großen Oberflächenbereich mit einer großen Oberfläche pro Einheitsmasse, und die Abschnitte des Metallelements, die dazu neigen, langsamer abzukühlen, sind Abschnitte mit einem kleinen Oberflächenbereich mit einer kleinen Oberfläche pro Einheitsmasse.
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Im Fall der vorliegenden Ausführungsform, wie in 6 dargestellt, sind beispielsweise die Abmessungen der Stärke eines Vorderkantenabschnitts 10LP, einschließlich eine Vorderkante 10L, und ein Hinterkantenabschnitt 10TP, einschließlich eine Hinterkante 10T, im Schmiedestück 10, geringer, als jene eines Mittelabschnitts 10CP, der sich zwischen dem Vorderkantenabschnitt 10LP und dem Hinterkantenabschnitt 10TP befindet. Folglich wird ein großer Oberflächenbereich A mit einer großen Oberfläche pro Einheitsmasse gebildet, und folglich ein Abschnitt, der dazu neigt, schneller abzukühlen.
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Der Mittelabschnitt 10CP, der sich zwischen dem Vorderkantenabschnitt 10LP und dem Hinterkantenabschnitt 10TP, einschließlich eines Abschnittes TNmax mit maximalem Durchmesser (Maximalstärke) befindet, bildet einen kleinen Oberflächenbereich B mit einer kleinen Oberfläche pro Einheitsmasse, und folglich einen Abschnitt, der dazu neigt, langsamer abzukühlen. Wenn ein solches Metallelement erwärmt oder abgekühlt wird, werden Hochtemperaturabschnitte und Niedrigtemperaturabschnitte im Metallelement gebildet. Folglich wird eine große thermische Spannung im Metallelement, und daher eine Verformung und Belastung, in den Erwärmungs- und Abkühlphasen des Metallelements verursacht. Wenn das Schmiedestück 10 ferner nach dem Wärmebehandeln abgekühlt wird, tritt in den Anfangsphasen des Abkühlens ein Temperaturunterschied zwischen dem Abschnitt mit maximalem Durchmesser TNmax der Schaufel und des Vorderkantenabschnitts 10LP und des Hinterkantenabschnitts 10TP auf. Folglich wird eine große thermische Spannung, und folglich Verformung und Belastung im Schmiedestück 10 verursacht. Der Abschnitt mit maximalem Durchmesser TNmax ist der Abschnitt mit der Maximalstärke, wenn die Turbinenschaufel 15 im Querschnitt angesehen wird.
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Wenn das Metallelement im Heizofen 40 erwärmt wird, steigt die Temperatur des Metallelements in Übereinstimmung mit dem Temperaturanstieg im Heizofen 40, das heißt, die Umgebungstemperatur, in dem sich das Metallelement befindet. Aber wenn das Metallelement aus dem Heizofen 40 zum Abkühlen entfernt wird, wird die Umgebungstemperatur zur Raumtemperatur, und folglich in Bezug auf die Temperatur des Metallelements ist der Temperaturunterschied zwischen dieser Umgebungstemperatur und der Temperatur des Metallelements groß. Folglich ist die Geschwindigkeit der Temperaturabnahme beim Abkühlen größer, als die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs beim Erwärmen. Folglich ist der Temperaturunterschied zwischen den Hochtemperaturabschnitten und den Niedrigtemperaturabschnitten im Metallelement beim Erwärmen gering, und der Temperaturunterschied zwischen den Hochtemperaturabschnitten und den Niedrigtemperaturabschnitten im Metallelement ist beim Abkühlen groß. Durch Minimierung des Temperaturunterschieds zwischen den Hochtemperaturabschnitten und den Niedrigtemperaturabschnitten im Metallelement beim Abkühlen, kann folglich eine thermische Spannung, und daher eine Verformung und Belastung minimiert oder verhindert werden.
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Wenn das Schmiedestück 10 aus ausscheidungsgehärtetem Edelstahl nach dem Wärmebehandeln abgekühlt wird, beginnt das Schmiedestück 10 beim Abkühlen eine Phasenumwandlung bei Erreichen einer Temperatur, die gleich oder weniger als die Martensit (MS)-Starttemperatur ist, durchzumachen. Bei der Phasenumwandlung dehnt sich das Schmiedestück 10 aus. Aber dieser Übergang schreitet mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten beim Abschnitt mit maximalem Durchmesser TNmax und dem Vorderkantenabschnitt 10LP sowie dem Hinterkantenabschnitt 10TP voran (aufgrund eines Temperaturunterschieds). Der resultierende Ausdehnungsunterschied verursacht Spannung im Schmiedestück 10. Wenn weiters eine Spannung in der Übergangsphase bei der Phasenumwandlung verursacht wird, ist das Schmiedestück 10 stark anfällig für eine Verformung (Transformationsplastizität). Durch die Minimierung des Temperaturunterschieds zwischen dem Abschnitt mit maximalem Durchmesser TNmax (sowie der Mittelabschnitt 10CP) und dem Vorderkantenabschnitt 10LP sowie dem Hinterkantenabschnitt 10TP beim Abkühlen des Schmiedestücks 10 nach dem Wärmebehandeln, kann folglich eine thermische Spannung, und daher Verformung und Belastung im Schmiedestück 10 minimiert oder verhindert werden.
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7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zur Anordnung von Schmiedestücken, die im Korb vorgesehen sind, in dem Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. 8 ist ein Diagramm, das Querschnitte des Schmiedestücks von unterschiedlichen Positionen darstellt. Ein Schneidevorgang wurde an den Schmiedestücken 10, die in 8 dargestellt werden, nicht ausgeführt, und folglich beinhalten die Schmiedestücke 10 die Überschussteilstücke 31, die mittels Schneiden entfernt werden. Die Richtung vom Schaufelfuß in Richtung der Schaufelspitze, das heißt, die Richtung von der Plattform 22 in Richtung der Verkleidung 24, wird als die Längsrichtung der Turbinenschaufel 15 oder des Schmiedestücks 10 bezeichnet (Schaufelspitzenrichtung). In 8 stellen eine Gesamtheit von 13 Positionen, A-A bis H-H, J-J bis N-N, von der Verkleidung 24 in Richtung der Plattform 22, Positionen entlang der Längsrichtung der Turbinenschaufel 15 oder des Schmiedestücks 10 dar.
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Im Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wird im Wärmebehandlungsschritt und im Abkühlschritt eine Mehrzahl der Schmiedestücke 10 im Korb 30, wie in 7 dargestellt, untergebracht. Der Korb 30, in dem eine Mehrzahl der Schmiedestücke 10 untergebracht ist, wird in den Heizofen 40, wie in 5 dargestellt, gegeben. Dann wird das Wärmebehandeln ausgeführt. Wenn das Wärmebehandeln beendet ist, wird beispielsweise der Korb 30 aus dem Heizofen 40 entfernt. Dann wird das Abkühlen ausgeführt.
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Im Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wird eine Mehrzahl der Schmiedestücke 10, wie in 7 dargestellt, gefluchtet angeordnet. Benachbarte Schmiedestücke 10 sind so angeordnet, dass zumindest die jeweiligen Abschnitte von den Abschnitten der benachbarten Schmiedestücke 10, die einem Bereich von einem Abschnitt, der der Plattform 22 der Turbinenschaufel 15, die in 2 dargestellt wird, entspricht, zur Mitte in einer Längsrichtung der Turbinenschaufel 15 (Schaufellängsrichtung) entsprechen, einander gegenüberliegen und sich gegenseitig mittels Strahlungshitze erwärmen. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Mehrzahl der Schmiedestücke 10 in einer Reihe mit der Saugseite SU und der Druckseite PR der Schmiedestücke 10, die einander gegenüberliegen, gefluchtet angeordnet und Reihen der Schmiedestücke 10 werden gebildet. Im Beispiel, das in 7 dargestellt wird, umfasst eine Reihe der Schmiedestücke 10 drei Schmiedestücke 10. Der Korb 30 umfasst zwei Reihen der Schmiedestücke 10. Die Mitte der Turbinenschaufel 15 in der Längsrichtung (Schaufellängsrichtung) ist der Abschnitt, der in 8 als H-H bezeichnet wird.
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Ungleichmäßigkeit bei der Menge der Strahlungshitze kann minimiert oder verhindert werden, indem die Schmiedestücke 10 auf solche Weise gefluchtet angeordnet werden. Dementsprechend kann das Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, eine Ungleichmäßigkeit bei der Abkühlgeschwindigkeit innerhalb eines einzelnen Schmiedestücks 10 minimieren oder verhindern, und folglich auch eine Ungleichmäßigkeit bei der Verformung von jedem Schmiedestück 10.
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Um die Biegung des Schmiedestücks 10 zu minimieren oder zu verhindern, wird das Ausmaß der Biegung am Ausgangspunkt der Biegung vorzugsweise reduziert. Folglich werden nach dem Wärmebehandeln und Abkühlen im Fall, in dem eine Biegung im Schmiedestück 10 auftritt, zumindest der Ausgangspunkt der Biegung und dessen Nähe vorzugsweise durch Strahlungshitze von benachbarten Schmiedestücken 10 erwärmt. Eine derartige Ausführungsform reduziert eine Ungleichmäßigkeit bei der Temperaturverteilung am Ausgangspunkt der Biegung zwischen dem Abschnitt mit maximalem Durchmesser TNmax (oder des Mittelabschnitts 10CP) und dem Vorderkantenabschnitt 10LP sowie dem Hinterkantenabschnitt 10TP, und folglich kann die Biegung des Schmiedestücks 10 wirksam minimiert oder verhindert werden. Der Ausgangspunkt der Biegung des Schmiedestücks 10 ist auf der Plattform 22-Seite des Stumpfs 25, und im Besonderen auf der Plattform 22-Seite des Abschnitts, der dem Mittelabschnitt in der Längsrichtung der Turbinenschaufel 15 oder des Schmiedestücks 10 entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform ist Position K-K der Ausgangspunkt der Biegung des Schmiedestücks 10.
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In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 7 dargestellt wird, werden Wärmeisolationsabschirmungen 32 vorzugsweise zwischen den Schmiedestücken 10, die gegenüber einer Innenwand 30IW des Korbes 30 untergebracht sind, und dem Korb 30 vorgesehen. Die Abschirmungen 32 können die Abkühlgeschwindigkeit der Schmiedestücke 10, die gegenüberliegend angeordnet sind, reduzieren. Daher wird der Temperaturunterschied zwischen beispielsweise einem dicken Abschnitt, wie der Abschnitt mit maximalem Durchmesser TNmax, und einem dünnen Abschnitt, wie der Vorderkantenabschnitt 10LP sowie der Hinterkantenabschnitt 10TP, reduziert, und folglich wird die Verformung der Schmiedestücke 10 minimiert oder verhindert.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Abschirmung 32 ein plattenähnliches Element, wie in 8 dargestellt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Abschirmung 32 ein rechteckiges Element in der Draufsicht. In der vorliegenden Ausführungsform sind im Korb 30 untergebrachte Schmiedestücke 10 gefluchtet angeordnet, so dass sich benachbarte Schmiedestücke 10 einander mittels Strahlungshitze erwärmen. Gegenüberliegende Schmiedestücke 10 und Abschirmungen 32 erwärmen sich ebenfalls einander. Folglich wird die Ungleichmäßigkeit bei der Abkühlgeschwindigkeit der Mehrzahl an Schmiedestücken 10, die im Korb 30 untergebracht ist, minimiert oder verhindert. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Element, das im Wesentlichen dieselbe Strahlungsrate, wie das Schmiedestück 10 hat, vorzugsweise als die Abschirmung 32 verwendet. Die Abschirmung 32 hat vorzugsweise im Wesentlichen dieselbe Strahlungsrate, wie das Schmiedestück 10, wenn die Abschirmung 32 beispielsweise aus demselben Material wie das Schmiedestück 10 ist, und wenn die Farbe und der Zustand der Oberfläche ähnlich jener/jenes des Schmiedestücks 10 ist, und dergleichen.
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Um die Biegung des Schmiedestücks 10, wie oben beschrieben, zu minimieren oder zu verhindern, wird das Ausmaß der Biegung am Ausgangspunkt der Biegung vorzugsweise reduziert. Folglich werden nach dem Wärmebehandeln und Abkühlen im Fall, in dem eine Biegung im Schmiedestück 10 auftritt, zumindest der Ausgangspunkt der Biegung und dessen Nähe vorzugsweise durch die Strahlungshitze von der Abschirmung 32, die dem Schmiedestück 10 gegenüberliegt, erwärmt. Eine derartige Ausführungsform reduziert eine Ungleichmäßigkeit bei der Temperaturverteilung zwischen dem Abschnitt mit maximalem Durchmesser TNmax (oder des Mittelabschnitts 10CP) und dem Vorderkantenabschnitt 10LP sowie dem Hinterkantenabschnitt 10TP, und folglich kann die Biegung des Schmiedestücks 10 wirksam minimiert oder verhindert werden. Wie in 7 dargestellt, sind in der vorliegenden Ausführungsform die Abschirmungen 32 nicht auf der Seite des Vorderkantenabschnitts 10LP und des Hinterkantenabschnitts 10TP angeordnet.
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Das Schmiedestück 10 oder eine Turbinenschaufel 15 ist von der Plattform 22 in Richtung der Verkleidung 24 gedreht. Die Abschirmung 32 kann eine Form haben, die mit der Verdrehung des Schmiedestücks 10 oder der Turbinenschaufel 15 übereinstimmt. Aber eine Abschirmung 32, die ein plattenähnliches Element ist, wie in der vorliegenden Ausführungsform, kann einfach hergestellt werden. In diesem Fall ist der Querschnitt des Schmiedestücks 10 am Ausgangspunkt der Biegung vorzugsweise derart eingestellt, damit er der Abschirmung 32 gegenüberliegt. In einer solchen Ausführungsform werden der Ausgangspunkt der Biegung und dessen Nähe durch Strahlungshitze der Abschirmung 32 erwärmt, und folglich wird die Biegung des Schmiedestücks 10 nach dem Abkühlen minimiert oder verhindert.
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Die Stärke t der Abschirmung 32, wie in 8 dargestellt, ist vorzugsweise die maximale Querschnittsstärke im Abschnitt, der einem Bereich vom Abschnitt, der einer Plattform 22 der Turbinenschaufel 15 entspricht, zur Mitte in Längsrichtung der Turbinenschaufel 15 entspricht, in anderen Worten, eine Stärke, die mit jener des Abschnittes mit maximalem Durchmesser TNmax identisch ist. In diesem Fall ist die Stärke t der Abschirmung 32 vorzugsweise die maximale Querschnittsstärke am Ausgangspunkt der Biegung, in anderen Worten, eine Stärke, die mit jener des Abschnittes mit maximalem Durchmesser TNmax identisch ist. Am Ausgangspunkt der Biegung, an dem die Auswirkung der Biegung des Schmiedestücks 10 am größten ist, kann die Beziehung zwischen dem Schmiedestück 10 und der Abschirmung 32 in Bezug auf die Strahlungshitze, mit einer solchen Ausführungsform, auf eine Weise konfiguriert werden, die ähnlich jener zwischen benachbarten Schmiedestücken 10 ist. Folglich kann die Biegung des Schmiedestücks 10 nach dem Abkühlen minimiert oder verhindert werden.
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Die Länge L der Abschirmung 32 in der Längsrichtung ist eine Länge, mit der die Abschirmung 32, die im Korb 30 vorgesehen ist, den Ausgangspunkt der Biegung des Schmiedestücks 10 gegenüberliegen kann. In der vorliegenden Ausführungsform, ist die Länge L der Abschirmung 32 im Wesentlichen identisch mit der Länge des Schmiedestücks 10 in der Längsrichtung. Bei einer solchen Ausführungsform kann antizipiert werden, dass ein gewisser Grad der Wärmeisolation mittels Strahlungshitze eine Auswirkung auf Abschnitte mit Ausnahme des Ausgangspunktes der Biegung des Schmiedestücks 10 haben kann.
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Die Breite W der Abschirmung 32 in einer orthogonalen Richtung zur Längsrichtung ist eine Breite, die der Abschirmung 32, die im Korb 30 angeordnet ist, ermöglicht, dem gesamten Bereich des Schmiedestücks 10 in der Breitenrichtung am Ausgangspunkt der Biegung gegenüberzuliegen. Mit einer solchen Ausführungsform kann die Abschirmung 32 den Ausgangspunkt der Biegung des Schmiedestücks 10 mittels Strahlungshitze effizient erwärmen.
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9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Anordnung der Schmiedestücke, in dem Fall eines Korbes, der größer als jener ist, der in 7 verwendet wird, darstellt. In der vorliegenden Ausführungsform, kann der Korb 30 jede Größe haben. Wenn ein großer Korb 30 verwendet wird, können mehr Schmiedestücke 10 darin untergebracht werden. In diesem Fall kann, wie oben beschrieben, eine Mehrzahl der Schmiedestücke 10 ebenfalls derart gefluchtet angeordnet sein, dass zumindest die jeweiligen Abschnitte von den Abschnitten der Schmiedestücke 10, die einem Bereich von einem Abschnitt, der der Plattform 22 der Turbinenschaufel 15 entspricht, zur Mitte in Längsrichtung der Turbinenschaufel 15 entsprechen, einander gegenüberliegen und sich gegenseitig mittels Strahlungshitze erwärmen. Zusätzlich werden die Abschirmungen 32 vorzugsweise zwischen dem Korb 30 und den Schmiedestücken 10 angeordnet.
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10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Korbs mit einer Rechteckform in der Draufsicht darstellt, in dem eine Mehrzahl der Schmiedestücke untergebracht ist. In der vorliegenden Ausführungsform kann der Korb, der die Schmiedestücke 10 unterbringt, jede Form aufweisen. Der Korb kann beispielsweise der Korb 30 mit einer Rundform in der Draufsicht sein, wie jene, die in 7 und in 9 dargestellt werden, oder er kann der Korb 30a mit einer Rechtecksform in der Draufsicht sein, wie jener, der in 10 dargestellt wird. Im vorliegenden Beispiel ist eine Mehrzahl der Schmiedestücke 10 in der Längsrichtung des Korbes 30a angeordnet, wobei zwei Reihen gebildet werden. Die Form des Korbes ist nicht beschränkt, sofern eine Mehrzahl an Schmiedestücke 10 ebenfalls derart gefluchtet angeordnet ist, dass zumindest die jeweiligen Abschnitte von den Abschnitten der Schmiedestücke 10, die einem Bereich von einem Abschnitt, der der Plattform 22 der Turbinenschaufel 15 entspricht, zur Mitte in Längsrichtung der Turbinenschaufel 15 entsprechen, einander gegenüberliegen und sich gegenseitig mittels Strahlungshitze erwärmen.
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Die Abschirmungen 32 werden vorzugsweise zwischen dem Korb 30a und den Schmiedestücken 10 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel sind die Abschirmungen 32 auf beiden Seiten des Korbes 30a in der Längsrichtung angeordnet. Jede der Abschirmungen 32 liegt sowohl der Saugseite SU, wie auch der Druckseite PR, gegenüber der Saugseite SU des Schmiedestücks 10, gegenüber.
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11 und 12 sind Diagramme, die andere Beispiele von Anordnungen einer Mehrzahl der Schmiedestücke 10, die in einem Korb mit einer Rundform in der Draufsicht angeordnet ist, darstellt. Im Beispiel, das in 11 dargestellt wird, sind nicht alle Schmiedestücke 10 gefluchtet angeordnet. Obwohl die Auswirkung der Minimierung oder Verhinderung von Ungleichmäßigkeit bei der Temperatur der Schmiedestücke 10 reduziert wird, wird in einer solchen Ausführungsform der Freiheitsgrad, in dem die Schmiedestücke 10 im Korb 30 angeordnet sind, erhöht. Im Beispiel, das in 12 dargestellt wird, sind die Schmiedestücke 10 im Korb 30 mit einer Rundform in der Draufsicht in einer radialen Weise rund um die Mitte des Korbes 30 angeordnet. In diesem Fall sind die Abschirmungen 32, die in 7 dargestellt sind, möglicherweise nicht im Korb 30 vorgesehen. Der Raum, der den Abschirmungen 32 zugewiesen wurde, kann dann verwendet werden, um die Anzahl an Schmiedestücken 10, die der Korb 30 unterbringen kann, zu erhöhen. Obwohl die Schmiedestücke 10 nicht durch die radiante Hitze von den Abschirmungen 32 erwärmt werden, werden die Schmiedestücke 10 durch die radiante Hitze von benachbarten Schmiedestücken 10 erwärmt. Folglich kann, mit der Anordnung, die in 12 dargestellt wird, eine Ungleichmäßigkeit bei der Temperatur zwischen einer Mehrzahl der Schmiedestücke 10 mehr reduziert werden, als in dem Fall, in dem die Abschirmungen 32 verwendet werden.
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13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Abkühlschrittes darstellt. 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Gleichrichtungsstruktur darstellt. Im Abkühlschritt nach dem Wärmebehandlungsschritt kann beispielsweise ein Gebläse 33 ein Kühlgas (nachstehend ggf. als Kühlluft bezeichnet) auf eine Mehrzahl der Schmiedestücke 10, die im Korb 30 untergebracht ist, blasen, und auf diese Weise die Schmiedestücke 10 kühlen. Das Gebläse 33 wird durch eine Steuervorrichtung 34 kontrolliert. In der vorliegenden Ausführungsform ist als Gleichrichtungsstruktur eine Gleichrichterplatte 35 zwischen dem Gebläse 33 und den Schmiedestücken 10 vorgesehen. Die Gleichrichterplatte 35 umfasst eine Mehrzahl an Durchgangslöchern 35H, wie in 14 dargestellt wird. Die Kühlluft, die durch das Gebläse 33 geblasen wird, verläuft durch die Mehrzahl an Durchgangslöchern 35H, um dann gleichgerichtet zu werden und die Schmiedestücke 10 zu erreichen. Verformungen in den Schmiedestücken 10 beim Abkühlen werden minimiert oder verhindert, indem die Schmiedestücke 10 mit der Gleichrichterkühlluft aus dem Gebläse 33 gekühlt werden. In anderen Worten mildert die Gleichrichterplatte 35 die Auswirkungen auf die Schmiedestücke 10 von direkter Berührung der Kühlluft vom Gebläse 33, und folglich ermöglicht sie die Kontrolle der Abkühlgeschwindigkeit. Die Größe und die Anzahl der Durchgangslöcher 35H, die auf der Gleichrichterplatte 35 vorgesehen sind, können geändert werden, um mit den gewünschten Abkühlbedingungen des Abkühlens der Schmiedestücke 10 einherzugehen.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel beschreiben, in dem ausscheidungsgehärteter Edelstahl als Material für das Schmiedestück 10 verwendet wird. In einer ähnlichen Weise wie jener des ausscheidungsgehärteten Edelstahls tritt eine Phasenumwandlung bei martensitischem Edelstahl, ferritischem Edelstahl, austentitischem Edelstahl und austentisch-ferritischem Duplexedelstahl nach dem Erwärmen und dem Abkühlen auf, und folglich können diese Materialien beim Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, als das Material, das zur Herstellung der Turbinenschaufel 15 verwendet wird, angewendet werden.
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Wie oben beschrieben kann das Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, den Temperaturunterschied zwischen einem dicken Abschnitt und einem dünnen Abschnitt reduzieren, indem die Abkühlgeschwindigkeit reduziert wird. Folglich kann eine Verformung (Belastung), die bei der Herstellung einer Turbinenschaufel aus Edelstahl im Edelstahlelement in der Abkühlphase nach dem Wärmebehandeln verursacht wird, minimiert oder verhindert werden, und folglich kann eine Restbelastung reduziert werden. Das Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, kann die Arbeitslast, die mit der Korrektur der Belastung, die im Schritt nach dem Abkühlen ausgeführt wird, in Verbindung steht, reduziert werden, und Verformungen in der Bearbeitung, die danach erfolgt, minimieren.
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Die vorliegende Ausführungsform darf nicht so ausgelegt werden, dass sie durch die vorangehende Beschreibung eingeschränkt wird. Die Bestandteile der vorliegenden Ausführungsform umfassen Elemente, die von jedem Fachmann problemlos ausgeführt werden können, Elemente, die im Wesentlichen dieselben sind, das heißt, Elemente mit einem äquivalenten Ziel. Die unterschiedlichen Bestandteile, die zuvor beschrieben wurden, können ggf. auch kombiniert werden. Außerdem ist es möglich, verschiedene Auslassungen, Substitutionen, und Änderungen an den Bestandteilen in einem Umfang, der nicht vom Zweck der vorliegenden Ausführungsform abweicht, vorzunehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dampfturbine
- 10
- Schmiedestück
- 10CP
- Mittelabschnitt
- 10L
- Vorderkante
- 10LP
- Vorderkantenabschnitt
- 10T
- Nachlaufender Rand
- 10TP
- Hinterkantenabschnitt
- 11
- Gehäuse
- 12
- Rotor
- 13
- Lager
- 14
- Rotorscheibe
- 15
- Turbinenblatt
- 16
- Schaufel
- 17
- Dampfströmungspfad
- 18
- Dampfzufuhröffnung
- 19
- Dampfauslassöffnung
- 21
- Schaufelfuß
- 22
- Plattform
- 23
- Schaufel
- 24
- Verkleidung
- 25
- Stumpf
- 30, 30a Korb
- (Aufnahmeanordnung)
- 30IW
- Innenwand
- 31
- Überschussteilstück
- 32
- Abschirmung
- 33
- Gebläse
- 34
- Steuervorrichtung
- 35
- Gleichrichterplatte
- 35H
- Durchgangsloch
- 40
- Heizofen
- A
- Großer Oberflächenbereich
- A
- Kleiner Oberflächenbereich
- L
- Länge
- OPc
- Lösungsbehandlung
- OPd
- Stabilisierungsbehandlung
- OPe
- Alterungsbehandlung
- PR
- Druckseite
- SU
- Saugseite
- Ti
- Zeitliche Veränderung
- Tm
- Temperatur
- TNmax
- Abschnitt mit maximalem Durchmesser
- W
- Breite
