DE1551220B2 - Verfahren zur herstellung einer erosionsschutzschicht auf einer dampfturbinenschaufel - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Erosionsschutzschicht auf einer Dampfturbinenschaufel aus warmfestem Werkstoff, wobei die Schaufel mindestens an ihrer Eintrittskante mit einem aufgesinterten Hartmetallbelag versehen wird. Ein derartiges Verfahren ist aus der Schweizer Patentschrift 213 483 bekannt.

Bei dem bekannten Verfahren wird der aus der Laufradscheibe herausragende Teil der Dampfturbinenschaufel mit einem auf gesinterten Belag aus verschleiß- und temperaturfesten Metallkarbiden versehen, während der Träger des Belages, d. h. die Schaufel aus einem Werkstoff hoher Warmfestigkeit besteht. Der Belag wird in naß aufbereitetem Zustand aufgebracht und dann durch die Einwirkung von Hitze auf den Träger gesintert. Dabei wird empfohlen, die Temperatur bei der Sinterung über dem dazu notwendigen Wert zu halten. Wohl wird dadurch die Sinterzeit verkürzt, und es können Belagstoffe verwendet werden, die bei höheren als der Schmelztemperatur des Trägerwerkstoffes sintern. Dieses Verfahren ist für kurze Schaufeln geeignet, namentlich für Brennkraftturbinenschaufeln, führt jedoch bei langen Schaufeln unweigerlich zum Verziehen derselben und ist zudem für Dampfturbinen mit ihren niedrigeren Betriebstemperaturen unwirtschaftlich.

Andere Verfahren sehen vor, eine Erosionsschutzschicht durch Flammsprühen von Metall zu erhalten. Als Metall wird im einen Fall rostfreier Stahl, im anderen Fall Aluminium oder eine Mischung aus Aluminium und Zirkonium vorgeschlagen. Diese Verfahren sind an und für sich für kurze Schaufeln brauchbar, führen aber wegen der Temperatureinwirkungen des aufgesprühten Metalls bei langen Schaufeln ebenfalls zum Verziehen derselben. Außerdem setzen sie zu ihrer Durchführung besonders geschulte Fachkräfte voraus.

Es ist auch schon eine Schaufel bekanntgeworden, bei welcher die Erosionsschutzschicht nicht aufgesprüht wird, sondern einen Teil der Schaufel selber, und zwar den äußeren bildet, der mit dem (radial) inneren Teil auf geeignete Weise verbunden ist. Als Material für diesen äußeren Teil ist eine Kombination aus Kobalt, Chrom und.Wolfram oder Molybdän vorgeschlagen. Die Herstellung einer solchen Schaufel ist jedoch kostspielig, da die Verbindung der beiden Schaufelteile besonders sorgfältig ausgeführt werden muß. ,·

Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß sie, wie bereits erwähnt, sich nur für kurze Schaufeln eignen. Im heutigen Dampfturbinenbau kommen jedoch Schaufellängen bis zu 1,7 m vor, bei denen die obigen Verfahren wesentlich erweitert und ergänzt werden müssen, um einwandfreie Ergebnisse zu erzielen.

Es liegt die Aufgabe vor, ein Verfahren zu schaffen, mit dem in besonders einfacher und wirtschaftlicher Weise Dampfturbinenschaufeln mit einer Erosionsschutzschicht versehen werden können, ohne daß für die Dampfturbinenschaufeln die Gefahr des Verziehens gegeben ist. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß durch die Aufeinanderfolge der nachstehenden Schritte gelöst:

a) die Schaufel wird bei einer Temperatur oberhalb 100° C mechanisch gereinigt und aufgerauht,

b) die Schaufel wird an ihrem Fußende starr und

an ihrem Kopfende in axialer Richtung verschieblich und gegen Drehung gesichert eingespannt,

c) die Schaufel wird auf eine Temperatur zwischen 400° C und 750° C erwärmt,

d) die Schaufel wird mit einem Belag durch Auftragen eines vorgewärmten Metallpulvers mittels Flammsprühen versehen, wobei das Metallpulver vorzugsweise aus 10 bis 20 °/o Cr, bis 4 °/o Fe, 1 bis 5«/o Si, bis 5% C und bis 5°/o B, sowie der Rest aus mindestens Nickel oder wahlweise Nickel und Kobalt besteht,

e) die Schaufel wird bis zum Aufsintern des Metallpulvers erhitzt,

f) die Schaufel wird getempert, und zwar derart, daß die Temperatur zuerst während mindestens einer Stunde auf einen Wert, der unterhalb der Sintertemperatur liegt, konstant gehalten wird und anschließend gesenkt wird.

Der hierdurch erzielte technische Fortschritt besteht darin, daß sowohl das Naßauftragen der Schutzschicht, bei dem stets die Gefahr von Feuchtigkeitskondensation und damit die Gefahr von ungleichmäßiger Haftung der Schutzschicht auf der Schaufel besteht, als auch das die Schaufel verziehende Metallsprühen vermieden werden. Ferner wird die Sintertemperatur niedrig gehalten, was ebenfalls die Gefahr des Verziehens der Dampfturbinenschaufel herabsetzt.

Zur Ausführung des Verfahrens wird vorteilhafterweise eine Vorrichtung so ausgebildet, daß mindestens zwei Halteeinrichtungen gegeneinander verschiebbar und verdrehungsfrei angeordnet und mit Mitteln zur Befestigung der Dampfturbinenschaufel versehen sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Dampfturbinenschaufel mit der Erosionsschutzschicht,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum verdrehungsfreien Befestigen der Schaufel.

Die in Fig. 1 gezeigte Dampfturbinenschaufel besitzt einen Schaufelfuß 10 mit den Nuten 11, 12 bzw. 13,14. Der Schaufelfuß 10 geht in das Schaufelblatt 15 über. In die Stirnfläche 16 des Kopfendes des Schaufelblattes sind drei zylindrische Bolzen 17, 18, 19 eingelassen, deren Achsen in der Längsrichtung der Schaufel verlaufen. Die schraffierte Fläche 20 auf dem Schaufelblatt bezeichnet die mit der Erosionsschutzschicht versehene Zone.

Die Vorrichtung nach F i g. 2 besitzt zwei horizontal nebeneinander angeordnete auf einem (nicht gezeigten) Traggestell befestigte Träger 30,31 mit einem dreieckigen Querschnitt. Eine erste Halteeinrichtung 32, deren untere Fläche mit zwei dreieckigen Ausfräsungen versehen ist, ruht auf diesen Trägern und ist mit Hilfe einer angeschraubten Gegenplatte 33 so fest an die Träger angepreßt, daß er sich nicht verschieben oder bewegen kann. Von der Vorderseite der Halteeinrichtung 32 steht ein Zylinder 34 vor, in dessen ebene Frontseite drei Löcher 36, 37, 38 gebohrt sind. Im Abstand von dieser ersten Halteeinrichtung 32 ist eine zweite Halteeinrichtung 40 mit einem etwa U-förmigen Querschnitt vorgesehen. In der Oberfläche des einen U-Schenkels 41 sind zwei Führungsnuten eingefräst, deren Abmessungen mit den Trägern 31, 32 übereinstimmen und in denen

der zweite Haltebock auf diesen Trägern geführt ist. Der U-Schenkel 41 ist mit einer Gegenplatte 42, die so angepaßt ist, daß die zweite Halteeinrichtung 40 in der Längsrichtung der Träger 30, 31 verschiebbar ist, verschraubt. Der andere U-Schenkel 43 enthält zwei Gewindelöcher für die Schrauben 44, 45. Neben der zweiten Halteeinrichtung 40 ist noch ein Feststeller 50 vorgesehen, in dessen Unterseite wieder zwei Führungsnuten ausgefräst sind, die zu den beiden Trägern 30, 31 passen. Der Feststeller 50 ist mit einer Gegenplatte 51 verschraubt und auf den Trägern festklemmbar. Der Feststeller ist mit der zweiten Halteeinrichtung 40 durch eine kräftige Feder 55, die eine Verschiebung der Halteeinrichtung gegenüber dem Feststeller in der Richtung der Gleitschiene erlaubt, verbunden.

Bei der Herstellung einer Erosionsschutzschicht für eine Turbinenschaufel nach der Erfindung wird zuerst die fertig bearbeitete Schaufel auf etwas über 100° C erwärmt und dann sandgestrahlt.

Die noch warme Schaufel wird dann in die beschriebene Vorrichtung eingelegt, wobei der Schaufelfuß 10 in den freien Raum zwischen den beiden U-Schenkeln 41 und 43 der zweiten Halteeinrichtung 40 gelegt wird. Die Schaufel wird so ausgerichtet, daß die drei aus ihrer Stirnseite hervorstehenden Bolzen 17, 18, 19 in die Löcher 36, 37, 38 der Frontseite des Zylinders 34 eingeschoben werden können. Anschließend wird der Schaufelfuß 10 der Schaufel mit einer geeigneten Unterlage 46 unterlegt und in dieser Stellung durch Anziehen der Schrauben 44, 45 fest mit der zweiten Halteeinrichtung verbunden. Der Feststeller 50 und die zweite Halteeinrichtung 40 werden dann so weit in Richtung auf die erste Halteeinrichtung 32 verschoben, bis die Bolzen 17,18,19 vollkommen in den Löchern 36, 37, 38 versenkt und die Stirnseite der Schaufel auf der Frontseite des Zylinders 34 anliegt. Durch weiteres Verschieben des Feststellers 50 in der gleichen Richtung wird dann die Feder 55 unter Spannung gesetzt und der Feststeller durch Anziehen der (nicht gezeigten) Verbindungsschrauben zur Gegenplatte 51 auf den Trägern blockiert. Auf diese Weise ist die Schaufel gegen Verdrehen gesichert, kann sich aber, z. B. infolge der Wärmeeinwirkung, in axialer Richtung ausdehnen. Schließlich wird der Teil des Schaufelblattes 15, der nicht mit der Schutzschicht versehen werden soll, mit einer Maske 70 aus Stahlblech abgedeckt.

Nachdem das Schaufelblatt in der beschriebenen Art befestigt ist, wird es durch beidseitig angebrachte mehrflammige Brenner 60 gleichmäßig bis auf etwa 500° C erwärmt. Wenn diese Temperatur erreicht ist, wird die Schutzschicht mit Hilfe einer Metallsprühpistole auf die Vorderkante des Turbinenblatts aufgesprüht. Während dieser Zeit steigt die Temperatur der Schaufel bis auf etwa 700° C. Dann wird die Zufuhr des Metallpulvers abgestellt und die nun mit Metallpulver belegte Vorderkante der Turbinenschaufel nur noch mit der Flamme aus der Sprühpistole erhitzt, bis sie eine Temperatur von wenig unterhalb des Schmelzpunktes des Metallpulvers erreicht, bei der das Pulver in die Oberfläche der

Schaufel einsintert. Die glühende Turbinenschaufel wird dann aus der Einspannvorrichtung gelöst und in einen auf 700° C vorgeheizten Temperofen gebracht und 5 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Die Ofentemperatur wird dann bis auf Zimmertemperatur gesenkt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Erosionsschutzschicht auf einer Dampfturbinenschaufel aus warmfestem Werkstoff, wobei die Schaufel mindestens an ihrer Eintrittskante mit einem aufgesinterten Hartmetallbelag versehen wird, gekennzeichnet durch die Aufeinanderfolge der nachstehenden Schritte:

a) die Schaufel wird bei einer Temperatur oberhalb 100° C mechanisch gereinigt und aufgerauht,

b) die Schaufel wird an ihrem Fußende starr und an ihrem Kopfende in axialer Richtung verschieblich und gegen Drehung gesichert eingespannt,

c) die Schaufel wird auf eine Temperatur zwischen 400° C und 750° C erwärmt,

d) die Schaufel wird mit einem Belag durch Auftragen eines vorgewärmten Metallpulvers mittels Flammsprühen versehen, wobei das Metallpulver vorzugsweise aus 10 bis 2O°/o Cr, bis 4 »/0 Fe, 1 bis 5 °/o Si, bis 5 °/o C und bis 5°/o B, sowie der Rest aus mindestens Nickel oder wahlweise Nickel und Kobalt besteht,

e) die Schaufel wird bis zum Aufsintern des Metallpulvers erhitzt,

f) die Schaufel wird getempert, und zwar derart, daß die Temperatur zuerst während mindestens einer Stunde auf einen Wert, der unterhalb der Sintertemperatur liegt, konstant gehalten wird und anschließend gesenkt wird.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Halteeinrichtungen (32, 40) gegeneinander verschiebbar und verdrehungsfrei angeordnet und mit Mitteln zur Befestigung der Dampfturbinenschaufeln versehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Halteeinrichtungen (32, 40) eine dritte verschiebbar und verdrehungsfrei angeordnete Halteeinrichtung vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Halteeinrichtungen (32, 40) ein gemeinsamer Träger (30, 31) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder der beiden Längsseiten des Trägers (30) ein mehrflammiger Brenner (60) zum Erhitzen der Dampfturbinenschaufel angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen