DE1551221A1

DE1551221A1 - Turbinenschaufel und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE1551221A1
Application number: DE19661551221
Authority: DE
Inventors: Satoru Mito; Satoshi Ote; Kazumi Shimotori; Hiroshi Yoshida
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1965-11-02
Filing date: 1966-11-02
Publication date: 1970-02-12
Also published as: GB1161329A; US3371908A

Description

P 15 51 221.7 - Γ-0? 32 426 la/He 1(J. Februar 1968 Tokyo Shibaura ReF-Gu-4929

Turbinenschaufel und Verfahren zur Herstellung derselben

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Die Erfindung bezieht sich auf Turbinenschaufeln und ein · Verfahren zur Herstellung derselben, insbesondere auf ortsfeste und sich bewegende Schaufeln, die speziell einem Antriebsmedium angepaßt sind, das. z.B. hocherhitzter schnellströmender Dampf oder Sas sein kann.

Während des Betriebs von Dampf- oder Gagturbinen sind deren ortsfeste und sich bewegende Schaufeln ständig hocherhitztem schnellströmendera Dampf oder Gas ausgesetzt,' so daß nach einer längeren Betriebsdauer ihre Verformung aufgrund einer Materialwanderung (o-ru§>) ein. solches Ausmaß annehmen kann, daß Turbinenausfälle auftreten*

Turbinenschaufeln sind in der Regel Biegebeanspruchungen aufgrund eines Druckunterschiedes. des Antriebsmediuras sowie Schwingungsbeanspruchungen ausgesetzt. Die sich bewegenden Schaufeln sind ferner zusätzlich au diesen Beanspruchungen beim Umlauf der Fliehkraft unterworfen. Da die Zugspannungsbeanspruchung aufgrund der Fliehkraft und die Biegebeansprucung aufgrund des Druckunterschieds des· Antriebmediums durch die Umdrehungszahl der Turbine bestimmt sind, können der Belastungsgrad der Schaufeln sowie die Probleme, die durch diese stetig vorhandenen Beanspruchungen hervorgerufen werden, dadurch verringert bzw, umgangen werden> daß die Turbinenschaufel derart konstruiert oder ausgelegt; wird, daß die auf die verschiedenen Abschnitte der Schaufel

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Beanspruchungen geringer sind als die zulässige Beanspruchung des verwendeten Materials. (Im allgemeinen wählt man 1/3 der Zerreißfestigkeit des Materials bei der Betriebstemperatur nach 10 Stunden als zulässige Beanspruchung aus).

Die Schwingungsbeanspruchung ist jedoch schwierig zu analysieren, da es keine wirksame Einrichtung gibt, die diese Beanspruchung aufnehmen bzw. widerstehen könnte, und es ist daher heutzutage üblich, die Konstruktion so festzulegen, daß, soweit wie möglich, das Phänomen der Resonanz der Schaufeln vermieden ist, wenn die Turbine mit der Nenndrehzahl arbeitet. Aber auch bei einer solchen Konstruktion, die eine Schwingung der Schaufeln bei der Nenndrehzahl der Turbine verhindert, ist es klar, daß die Schaufeln während dem Anfahren bzw. Beschleunigen und Abbremsen der Turbine den Resonanzpunkt durchlaufen müssen, was zur Folge hat, daß nach häufigem Anfahren und Anhalten der Turbine die Schaufeln schließlich doch einen Schaden erleiden können.

Unter den Schwingungsarten, denen die Schaufeln ausgesetzt sind, ist diejenige enthalten, welche in der tangentialen Richtung wirkt, ferner diejenige, welche in der axialen Richtung wirkt und diejenige, welche als Torsionsschwingung in Erscheinung tritt. Unter diesen Schwingungsarten haben diejenigen, welche in der axialen Richtung und in der tangentialen Richtung wirken^eine verhältnismäßig schmale Resonanzfr equenzbre it e, wohingegen die Torsionsschwingung eine größere Resonanzfrequenzbreite aufweist. Es ist daher einleuchtend, daß wenn man die IPestigkeit der Schaufeln in der Richtung erhöht, entlang der die Hauptbeanspruchung aufgrund der Torsionsschwingung ausgeübt wird, es möglich sein muß, einen Schaden an den» Schaufeln zuverlässig zu verhindern. Da die Austrittsseibe bzw. die Seite der Schaufel, an der das An-

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triebsmedium die Schaufeln verläßt, besonders dünn ist, wird die dort erzeugte Beanspruchung hoch, wenngleich die Schwingungsamplitude aufgrund der Resonanz die gleiche bleibt. Hinzu kommt, daß auch das Phänomen des Platterns oder der örtlichen Schwingung auftreten kann, wodurch eine Erhöhung der Festigkeit der Schaufel erforderlich wird.

Es ist bekannt, daß ein durch plastische Verformung in einem Metallkörper erzeugtes faseriges Kristallgefüge einen außerordentlich hohen Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften, j insbesondere die Dauerfestigkeit des Metallkörpers hat. Im einzelnen weisen Metallkörper mit einem stark orientierten Fasergefüge eine sehr hohe Pestigkeit gegen das Biegemoment auf, das in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Pasergefüges angreift.

Bei den herkömmlichen, durch Strangpressen (extrusion) hergestellten Turbinenschaufeln kann jedoch, da das Fasergefüge in einer Richtung senkrecht zum Schaufelprofil ausgebildet ist, dieses Pasergefüge durch Torsipnsbeanspruchungen, Flat-

tern und dergl., welche auf die Schaufel einwirken, leicht zerrissen oder unterbrochen werden. Die Orientierung des Pasergefüges wird hier al'so nicht wirksam genutzt. ι

Um nun das Leistungsvermögen des Pasergefüges von Metallen gegen mechanische Kräfte weiter zu erhöhen, hat die Anmelderin herausgefunden, daß zusätzlich zur oben erwähnten Auswahl des PasergefügeVerlaufs oder -richtung der Grad der Paserbildung einen Wert von mehr als 10 betragen soll. Unter dem Ausdruck "Grad der Paserbildung" wird ein Verhältnis L/W verstanden, wobei L die länge und W die Breite eines jeden faserigen Kristalls in dem Metall darstellt. Da die Auswahl des" Grads der Paserbildung"mit einem Wert von mehr

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als "10" das wichtige Merkmal der Erfindung darstellt, wird anschließend hierauf näher eingegangen.

Wie bereits oben erwähnt, werden Metallfasergefüge in der Regel durch plastische Verformung ausgebildet. Da nun das Eigenverhalten oder die plastische Verformbarkeit des Metalls zu wünschen übrig läßt, wenn das Metall eine höhere Wärmefestigkeit als die von üblichen Legierungen auf Eisenbasis aufweist und als Herstellungsmaterial für Turbinenschaufeln verwendet wird, oder wenn das Metall aus einer sog. wärmefesten Legierung besteht, ist es schwierig, durch die herkömmliche Technik des Kaltverformen (cold working) einwandfrei ausgebildete Fasergefüge zu erhalten. Mit der Warmverformung ist es zunächst unmöglich, infolge des hohen Widerstandes der wärmefesten Legierungen gegen eine Verformung eine große Formänderung zu erhalten, und es ist daher erforderlich, die Aufheiz- und Bearbeitungszyklen zu wiederholen, um einen hohen Grad der Faserbildung zu erreichen. Aus diesem Grund liegt der nach der Rekristallisation und dem Anwachsen der Kristalle (growth of crystal-is) ereichbare Grad der Faserbildung meistens bei etwa 2 bis 5.

Es ist jedoch ein sog. mit pneumatischen mechanischen Maschinen ausführbares Hochleistungsverformungsverfahren zur plastischen Verformung bekannt, bei dem durch Verwendung eines Hochdruckgases als Energiequelle eine hohe Verformungsleistung hervorgebracht wird, um die plastische Verformung des Metalls durchzuführen. Durch dieses Verfahren wird es möglich, insbesondere an wärmebeständigen Legierungen oder Metallen mit hohem Schmelzpunkt in einer äußerst kurzen Zeitspanne in der Größenordnung von mehreren Millisekunden' eine intensive Verformungsarbeit auszuführen. Mittels dieses Hochleistungsverformungsverfahrens ist es möglich, einen

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hohen Grad der Faserbildung von mehr als 10 auch bei wärmefesten Legierungen auszubilden, die ansich eine schlechte plastische Verformbarkeit aufweisen.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, Turbinenschaufeln zu schaffen, die in einem einwandfreien Zustand über eine lange Zeitspanne und unter ungünstigen Umständen, bei denen die Schaufeln heißen, schnell strömenden Arbeitsmedien ausgesetzt sind, verwendet v/erden können sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Schaufeln anzugeben. Diese Turbinenschaufeln sollen ferner eine große festigkeit gegen Biegebeanspruchungen, die parallel zum Schaufelprofil und in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der Schaufel verlaufen, sowie gegen iDorsionsbeanspruchungen zeigen, die rund um die Längsachse wirken.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Turbinenschaufel, die aus einem wärmefesten Metall hergestellt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ' die dünnen Abschnitte der Schaufel ein faseriges Kristallgefüge aufweisen, das parallel zur Profilsehne des Schaufelprofils verläuft, und daß das faserige Kristallgefüge einen Grad der Faserbildung von mehr als 10 besitzt.'

Das Verfahren zur Herstellung dieser Turbinenschaufeln umfaßt das Erwärmen eines wärciefesten Metalls auf eine Temperatur, die über dessen Rekristallisationstemperatur liegt, das Einlegen des erwärmten Materials in ein Gesenk, das einen Abdruck der Turbinenschaufel aufweist, das Ausformen der Turbinenschaufel durch Zuführen einer Verformungskraft auf das Gesenk mit einer Geschwindigkeit von 7 m/Sek. in einer· Richtung senkrecht zur Längsachse des Abdrucks und parallel zu den Schaufelprofilabschnitten des Abdrucks, und das Ab-

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kühlen der geformten Turbinenschaufel, bevor eine Rekristallisation und ein Anwachsen der Kristalle stattfindet, so daß ein faseriges Kristallgefüge wenigstens an den dünnen Abschnitten der Turbinenschaufel ausgebildet wird, das einen Grad der Paserbildung von mehr als 10 auf v/eist und parallel zur Profilsehne des Schaufelprofils verläuft.

_Die Erfindung, wird nun auch an Hand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Yiillen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden. Es zeigen:

Pig. 1 eine perspektivische Ansicht, die schematisch das Xristall^gefüge der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel zeigt;

Pig. 2 eine vergrößerte mikroskopische Darstellung des in Pig. 1 gezeigten Kristallgefüges;

Pig. 3 einen Querschnitt der Pormwerkzauganordnung einer pneumatischen mechanischen Hochleistungsschmiedenaschine, die zur Ausführung des Verfahrens zur Herstellung der Turbinenschaufeln verwendet wird und

Pig. 4 bis 6 einige Kurven zur Erläuterung von Merkmalen der neuen Turbinenschaufel, wobei Pig. 4 das Verhältnis zwischen der Verformungsarbeit .und dem Grad der Paserbildung im Kristallgefüge, Pig. 5 das Verhältnis zwischen der Verformungsarbeit und der Arbeitsgeschwindigkeit und Pig. 6 das Verhältnis zwischen der Verformungsarbeit und der Härte des Schmiedeerzeugnisses zeigen.

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Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. Der Grund, warum der "Grad der Paserbildung" des faserigen Kristallgefüges mehr als TO betragen soll, und warum die Arbeitsgeschwindigkeit bzw. relntive Geschwindigkeit der zwei Formwerkzeuge mehr als 7 m/Sek. betragen soll, wird zunächst unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 6 behandelt.Diese Figuren zeigen Ergebnisse von Versuchen _Ϋ die mit einem Probestück von Turbinenschaufeln durchgeführt wurden, welche aus einer wärmebeständigen Legierung hergestellt waren, die aus 0,05 ?£ Kohlenstoff, 12 ^c/o Chrom, 0,2 '/ο Aluminium und einem Rest an Eisen bestand (die Angaben verstehen sich in Gewichtsprozentcr} und sehr leicht ein faseriges Gefüge bildete. Fig. 4 zeigt das Verhältnis zwischen dem Grad der Faserbildung, ausgedrückt in den Größen L/W, und der Verformungsarbeit, ausgedrückt in Meter-Tonnen. Wie aus Fig. hervorgeht, erhöht sich der Grad der Faserbildung des faserigen Gefüges des Gegenstandes mit der Verformungsarbeit. Aus der in Fig. 5 gezeigten Kurve geht hervor, daß die Arbeitsgeschwindigkeit mehr als 7 m/Sek. betragen soll, um den Grad der Faserbildung von mehr als 10 zu erreichen. Fig. 6 zeigt das Verhältnis zwischen einer mechanischen Eigenschaft, ausgedrückt in einem Verhältnis derjinoop Härte Hk.1 zur Knoop Härte IHcI-1 und der Verformungsarbeit. Die Knoop Karte Hk11 erhält man durch Messen einer Einprägung parallel zum faserigen Kristallgefüge und die Knoop Härte HIc 1 erhält man durch Messen einer Einprägung normal zum faserigen Kristallgefüge. Durch einen Vergleich der Fig. 4 und 6 erkennt man, daß die mechanische Eigenschaft beim Wert 10 der Grad der Faserbildung erheblich variiert. Aus obigen Ausführungen geht hervor, warum die unteren Grenzen des Grades der Faserbildung und der Verformungsarbeit 10 ' bzw. 7 m/Sek. betragen sollten.

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Die Pig. 1 bis 3 zeigen ein Ausführungabeispiel der Urfindung. !,in Plättchen oder Rohling mit der Abmessung 55 mra χ 42 mm χ 16 mm wurde aus einer wärmebeständigen Ie- , Gierung herausgearbeitet, die aus 12,47 ^lß> Chrom, 0,46 ?4 Aluminium, 0,54 £ Mangan, 0,12 $S Silicium, 0,07 $ Kohlenstoff und einem Kest aus Uisen bestand. Die Angaben verstehen sich in Gewichtsprozenten. Das Plättchen wurde auf eine Temperatur von 1 000 ⁰G erhitzt, die über der Uekristalliaationstemperatur .liegt und bei der das Material einer plastischen Verforjaung unterworfen werden kann, und es wurde 30 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten. Hierauf wurde das erwärmte Plättchen 1 in ein Gesenk 2 einer pneumatischen mechanischen Hocbleistungs-Terformungsmaschine oder -Schmiedemaschine eingelegt, das in Pig. 3 gezeigt ist und ein oberes Gesenkwerkzeug 3 und ein unteres Gesenkwerlczeug 4 enthält, die zusammen einen Gesenkhohlraum begrenzen, der den Abdruck (impression) einer Turbinenschaufel bildet. Sie oberen und unteren Gesenkwerkzeuge 3 und 4 sind an Gesenkhalter 6 und 7 befestigt, die am Körper der nicht gezeigten pneumatischen mechanischen Schmiedemaschine fest attgobradht sind.. ./ährend das obere Gesenkwerkzsug 3 ? ' in seiner angehobenen Lage gehalten wurde, wurde das erwärmte Plättchen oder der Rohling 1 in den Gesenkhohlraura eingelegt, und unmittelbar danach wurde eine Yerformungsarbeit von etwa 1,4 Meter-Tonnen bei einer Arbeitsgeschwindigkeit von etwa 12 m/Sek. in die durch einen Pfeil gezeigte Richtung oder eine Pachtung ausgeführt, die senkrecht zur längsachse des Abdrucks der Turbinenschaufel und parallel zum Schaufelprofil des Abdrucks verlief, wobei das obere und untere Gesenkwerkzeug 3 und 4 zusammentrafen und hierbei in einem einzigen Vorgang die in Pig. 1 gezeigte Turbinenschaufel formteö., Das auf diese Weise erhaltene Kristall- ' gefüge an den dünnen Abschnitten der Schaufel, d.h. an der

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Austrittsseite der Schaufel wurde dann geprüft, und es hat sich herausgestellt, daß man ein faseriges Kristallgefüge mit einem Grad der Paserbildung von etwa 20 erzielt hat, wie dies durch ein mikroskopisches Bild von 18Ofacher Vergrößerung in Pig. 2 gezeigt ist. Es kann erwähnt werden, daß die Kristalle der zweiten Phase und Perlitphase ziemlich langgestreckt ausgebildet sind.

Es wurde auch eine Zugspannungsprüfung durchgeführt, ura die mechanischen Eigenschaften der Schaufel zu bestimmen. Da die plastische Verformung in drei Dimensionen stattfindet, und da ferner diese Verformung keine gleichförmige Verteilung zeigt, muß beim Austrennen der Prüfstücke sorgfältig vorgegangen werden. Es wurden demzufolge Prüfstücke in der Größe von 1,2 mm χ 1,5 mm x 13 πει aus den dünnen Abschnitt · 11, an dem der Grad der Paserbildung hoch war und am MIttelabschhitt .12 ausgetrennt, an dem der Grad der Paserbildung niedrig war. Die. Prüfstücke wurden auf ihre Zugfestigkeit hin unter Verwendung einer Chevenard-Zugspannungsprüfeinrichtung, Type MI geprüft, mit der man Zugspannungsprüfungen an kleinen Prüfstücken ausführen kann. Hierbei wurde ■ bei der Prüfung des dünnen Abschnitts eine Zugspannungsprüfung in der X- und Y-Richtung ausgeführt, um die mechanische Anisotrop.ie/lieses Abschnitts festzustellen. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Material	Geprüfte Abschnitte	TM -houng der Zugspannung	Zu;:- festig keit	O,1£ Streck grenze	Ve rl-.Inge ^ rung
			kg/iain	kg/rani
Erzeugnis geoäß der Erfindung	Dünner End abschnitt	X	96,6	69,8	4,2
Il	Il	X	94,5	61,6	5,5
Il	llittel- abschnitt	X	88,9	56,1	3,6
Rohling		.	54,5	29,3	23,4

Ss ist zu erkennen, daß das Prüfungsergebnis für die Zugspannung in der Y-Richtung gemäß der Tabelle 1 derjenigen des bekannten oder älteren Erzeugnisses entspricht, das durch Extrusion erhalten wird und ein faseriges Kristailgefügo aufweist, dessen Richtung .bzw. Verlauf v.on dem des erfindungsgeaäßen Erzeugnisses unterschiedlich ist. Aus einem Vergleich geht hervor, daß der Richtungsverlauf des faserigen Xristallgefüges, das gemäß der Erfindung hergestellt wird, die mechanische Festigkeit verbessert. Es läßt sich auch feststellen, daß das Erzeugnis gemäß der Erfindung eine beträchtlich höhere Festigkeit als der Rohling hat, und zv/ar aufgrund des hohen Grades der i'as er bildung.

Prüfstücke wurden unter den gleichen Bedingungen aus den Erzeugnis gemäß der Erfindung, dem durch Extrusion geformten Erzeugnis und dem Rohling herausgetrennt, einer Zugspannung von 25 kg/mm vermittels eines Gewichtes unterworfen, und es wurden mit diesen Stücken Dauerfestigkeitsprüfungen bei einer !Temperatur von 500 ⁰C durchgeführt. Die nachstehende Eabelle 2 zeigt die Ergebnisse dieser Prüfungen. .

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Tabelle 2

Prüfmuster	9	JJauerf-3 ο t i&ke i ts- zeItspanne ;	7 Kinuten
lirseu'gnis geiaäS der Brfinduüg \	2	Stunden, 40 Minuten
Durch Extrusion hergestelltes Erzeugnis		Stunden
Eohling

Die iDafeelle 2 se igt auch, daß iäaa Eriseugnis gemäß der Gründung auSergev/öhnlich gut ist,

Vie bereits oben erwähnt, erfordert das erfindungsgcrjclße Vorfahren eine augenblickliche starke Yerforsmng, so daß bekannte V-er— formungsverfahren, v;ie etv/a Preßschnjxeden, 3?assonschraieaen (swaging) .und ähnliches bei der Ausführung des erfindungsgeraaßen Verfahrens nicht angev/endet werden können. 3Da ferner die Angrifisrichtung der Verformungsarbeit durch die Orientierung des faserigen ICfistallgefüges in bezug auf die Schaufeln vorbestimint ist, können bekannte Verformungsverfahren, wie etv/a das Strangpressen oder Extrudieren, Streckwalzen (drawing rolling forging) usw. ebenfalls nicht angewendet werden.

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Claims

Patentansprüche

( 1 «'Turbinenschaufel, hergestellt aus einem wärmefesten Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Abschnitte der Schaufel ein faseriges Kristallgefüge aufweisen, das parallel zur Profilsehne des Schaufelprofils verläuft, und daß das faserige Kristallgefüge einen Grad der Faserbildung von mehr als 10 besitzt.
2. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Erwärmen eines wärmefesten Metalls auf eine Temperatur, die über dessen Rekristallisationstemperatur liegt, Einlegen des erwärmten Materials in ein Gesenk, das einen Abdruck der Turbinenschaufel aufweist, Ausformen der Turbinenschaufel durch Zuführen einer Verformungskraft auf das Gesenk mit einer Geschwindigkeit von 7 m/Sek. in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Abdrucks und parallel zu den Schaufelprofilabschnitten des Abdrucks und Kühlen der geformten Turbinenschaufel bevor die Rekristallisation und ein .Anwachsen der Kristalle auftritt, so daß ein faseriges Kristallgefüge wenigstens an den dünnen Abschnitten der Turbinenschaufel parallel zur Profilsehne des Schaufelprofils ausgebildet wird, das einen Grad der Paserbildung von mehr als 10 besitzt.

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