DE19628506A1 - Turbinenwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenwelle, insbesondere für eine Dampfturbine, welche entlang einer Rotationsachse ge­ richtet ist und einen ersten axial gerichteten Bereich mit einem maximalen Radius R₁ und einen an diesen angrenzenden zweiten axial gerichteten Bereich mit einem maximalen Radius R₂ aufweist.

In der US-PS 3,767,390 ist ein martensitischer Edelstahl für Anwendungen bei hohen Temperaturen, beispielsweise zur Her­ stellung von Dampfturbinenschaufeln oder Bolzen zur Verbin­ dung zweier Hälften eines Dampfturbinengehäuses, beschrieben. Dieser Stahl hat vorzugsweise einen Anteil (alle nachfolgen­ den Angaben in Gewichtsprozent) von 12% Chrom und etwa 0.3% Niob. Durch die Zugabe des Niobs soll eine Erhöhung der Zeit­ standfestigkeit sowie eine weitgehende Freiheit des Stahl von δ-Ferrit erreicht werden. Als weitere Legierungsbestandteile weist der beschriebene Stahl in einer bevorzugten Aus­ führungsform 0.25% Co, 4% Mn, 0.35% Si, 0.75% Ni, 1.0% Mo, 1.0% W, 0.3% V, 0.75% N sowie einen Rest an Eisen und Verunreinigungen von Schwefel, Phosphor und Stickstoff auf.

In dem Artikel "Development and Production of High Purity 9Cr1MoV Steel for High Pressure - Low Pressure Rotor Shaft" von T. Azuma, Y. Tanaka, T. Ishiguro, H. Yoshita und Y. Iketa in Conference Proceedings of Third International Turbine Con­ ference, 25-27. April 1995, Civic Centre, Newcastle upon Tyne, GB, "Materials Engineering in Turbines and Compres­ sors", Herausgeber A. Strang, Seiten 201 bis 210, ist ein Stahl für eine kombinierte Hochdruck- und Niederdruck-Dampf­ turbinenwelle angegeben. Der Stahl soll für die Herstellung einer solchen Turbinenwelle aus einem einzigen Material ge­ eignet sein. Er hat in einer bevorzugten Ausführungsform eine Zusammensetzung von 9.8% Chrom, 1.3% Nickel, 0.16% Kohlen­ stoff, weniger als 0.1% Silizium, weniger als 0.1% Mangan, 1.4% Molybdän, 0.21% Vanadium, 0.05% Niob, 0.04% Stick­ stoff, Rest Eisen sowie Verunreinigungen an Phosphor, Schwe­ fel, Aluminium, Arsen, Zinn, Antimon. Der Hochdruckteil der Turbinenwelle hat einen Durchmesser von 1200 mm und der Nie­ derdruckteil einen Durchmesser von 1750 mm, wobei die Turbi­ nenwelle als Ganzes aus einem Rohling mit einem Durchmesser von 1800 mm gefertigt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenwelle, insbeson­ dere für eine Dampfturbine, anzugeben, die für einen Einsatz bei hohen thermischen Belastungen mit einem in axialer Rich­ tung abnehmenden Temperaturverlauf und mit einer maximalen Temperatur von über 550°C geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Turbinenwelle anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die auf eine Turbinenwelle bezogene Auf­ gabe durch eine entlang einer Rotationsachse gerichtete Tur­ binenwelle gelöst, die einen ersten axial gerichteten Bereich mit einem maximalen Radius R₁ und einen an diesem angrenzen­ den zweiten axial gerichteten Bereich mit einem maximalen Ra­ dius R₂ < R₁ aufweist, wobei der erste Bereich einen ersten Grundwerkstoff und der zweite Bereich einen zweiten Grund­ werkstoff mit einer jeweiligen Stahllegierung beinhalten 8.0% bis 12.0% Chrom (Angaben in Gewichtsprozent) auf­ weisen, deren Austenitisierungstemperatur im wesentlichen gleich sind. Der erste Grundwerkstoff eignet sich für den Einsatz bei einer hohen Temperatur, insbesondere von über 550°C; der zweite Grundwerkstoff für einen Einsatz bei einer niedrigeren Temperatur, insbesondere zwischen 350°C und 550°C.

Der erste Grundwerkstoff hat einen in Gewichtsprozent niedri­ geren Anteil an Nickel als der zweite Grundwerkstoff, insbe­ sondere einen um mehr als 0,1% niedrigeren Nickel-Anteil. Der Anteil in Gewichtsprozent an Nickel beträgt für jeden Grundwerkstoff zwischen 0,1% und 1,8%, vorzugsweise für den zweiten Grundwerkstoff 1,0% bis 1,5% Nickel, insbesondere 1,3%, und den ersten Grundwerkstoff 0,2% bis 0,6% Nickel. Der Chromgehalt des ersten Grundwerkstoffs, insbesondere für einen Hochdruck- Teil einer Dampfturbine, beträgt (Angaben in Gewichtsprozent) 10% bis 12% und der Chromanteil des zwei­ ten Grundwerkstoffs, insbesondere für einen Niederdruck- Teil einer Dampfturbine, beträgt (Angaben in Gewichtsprozent) 9,5% bis 10,5%, insbesondere 9,8%.

Bei einer Turbinenwelle mit bereichsweise unterschiedlichen Stahllegierungen gleicher Austenitisierungstemperatur, die in dem ersten Bereich mit geringeren Querschnitt einen Grund­ werkstoff mit einem gegebenenfalls höheren Anteil an Chrom und einem niedrigeren Anteil an Nickel als in dem zweiten Be­ reich mit größerem Querschnitt hat, wird in dem ersten Be­ reich eine hohe Warmfestigkeit, eine hohe Zeitstandfestigkeit und in eine ausreichende Bruchzähigkeit erreicht. In dem zweiten Bereich werden hohe Streckgrenzanforderungen und eine sehr gute Kerbschlagzähigkeit und Bruchzähigkeit gewährlei­ stet. Eine geforderte Streckgrenze R_p02 kann bei ca. 720MPa√ liegen. Die Bruchzähigkeit liegt beispielsweise bei ca. 200MPa und für die Zähigkeit gilt, daß die FATT kleiner als 25°C ist. Durch die hohe Warmfestigkeit des ersten Bereiches eignet sich dieser als Hochdruckteil einer kombinierten Hoch­ druck-Niederdruck-Dampfturbine selbst bei Dampfeintrittstem­ peraturen von über 550°C bis etwa 650°C. Der zweite Bereich eignet sich bevorzugt für den Einsatz bei Temperaturbelastun­ gen von 350°C bis etwa 550°C. Durch eine unterschiedliche Wahl des Chrom- und Nickelanteils in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ist entsprechend den Materialanforderun­ gen eine selektive Einstellung der Warmfestigkeit in dem er­ sten Bereich und der Zähigkeit in dem zweiten Bereich weitge­ hend unabhängig voneinander gegeben. Im Gegensatz zu einer Turbinenwelle, die aus einem einheitlichen Werkstoff herge­ stellt ist, bedarf es hierbei keines Kompromisses zwischen Zeitstandfestigkeit in dem thermisch höher belasteten Bereich und Zähigkeit in dem thermisch etwas weniger hoch belasteten zweiten Bereich. Auch ergibt sich durch ähnlich zusammenge­ setzte Grundwerkstoffe nicht das Problem, daß in einer Über­ gangszone zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich eine Vermischung der Grundwerkstoffe mit deutlich abweichen­ den Materialeigenschaften entsteht. Entlang der Rotations­ achse hat die Turbinenwelle in Bereichen mit unterschied­ lichem Radius unterschiedliche thermomechanische Eigenschaf­ ten. Diese Eigenschaften werden durch die gezielt gewählten unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen erzielt. Die Bereiche können hierbei durch Abschmelzen unterschiedlich le­ gierter Elektroden nach dem Elektro-Schlacke-Umschmelz-Ver­ fahren (ESU-Verfahren) hergestellt werden.

Durch die im wesentlichen gleiche Austenitisierungstemperatur ändern sich in der Übergangszone zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich die Materialeigenschaften allenfalls geringfügig. Sie sind somit weitgehend unabhängig von der je­ weiligen chemischen Zusammensetzung. Durch eine ähnliche Zu­ sammensetzung der Hauptkarbid- und Hauptnitrid-Bildner, wie C, N, V, Nb, Mo, W in den Grundwerkstoffen ergibt sich für die gesamte Turbinenwelle die im wesentlichen einheitliche Austenitisierungstemperatur. Hierdurch wird erreicht, daß im Gegensatz zu Turbinenwellen mit deutlich unterschiedlichen Grundwerkstoffen, der erste Bereich mit der gleichen Tempe­ ratur wie der zweite Bereich austenitisiert werden kann. Eine unterschiedliche Temperaturbehandlung, insbesondere bei einem Hochdruck- und Niederdruckteil einer Dampfturbinenwelle, er­ gäbe eine negative Beeinflussung der jeweiligen Austenitisie­ rungsvorgänge.

Nunmehr kann in einem Arbeit schritt ein weitgehend ferrit­ freies Gefüge der gesamten Turbinenwelle erzeugt werden. Die nachfolgenden Stabilisierungs- und Anlaßtemperaturen unter­ scheiden sich nur geringfügig voneinander. Die Handhabung un­ terschiedlicher Anlaßtemperaturen für verschiedene Bereiche in axialer Richtung der Turbinenwelle bereiten außerdem keine technischen Probleme. Die Austenitisierungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von 950°C bis 1150°C, insbesondere bei etwa 1050°C.

Der erste Grundwerkstoff weist vorzugsweise (Angaben in Ge­ wichtsprozent), 0 bis 3% Wolfram, 0 bis 3% Kobalt und/oder 0 bis 2% Rhenium auf. Insbesondere liegt der Anteil an Wolf­ ram zwischen 2,4% und 2,7% und/oder der Anteil an Kobalt zwischen 2,4% und 2,6%. Durch Zugabe von Rhenium ist eine Erhöhung sowie der Zeitstandfestigkeit erreichbar.

Als weitere Legierungskomponenten weist der erste Grundwerk­ stoff auf (Angaben in Gewichtsprozent):

• 0% bis 0.5% Mo, insbesondere 0.15% bis 0.25%,
• 0.1% bis 0.3% V, insbesondere 0.15% bis 0.25%,
• 0.02% bis 0.18% Nb, insbesondere 0.04% bis 0.08%,
• 0.05% bis 0.25% C, insbesondere 0.08% bis 0.12%,
• 0.01% bis 0.07% N, insbesondere 0.15% bis 0.045%

und Desoxidationselemente wie < 0.15% Si, < 0.7% Mn, insbe­ sondere 0.4% bis 0.6%,
und Rest Eisen sowie gegebenenfalls herstellungsbedingte Ver­ unreinigungen, insbesondere an Phosphor, Antimon, Zinn, Alu­ minium, Arsen, Schwefel.

Der erste Grundwerkstoff kann eine hochreine Stahllegierung (superclean, ultrasuperclean) mit sehr geringem Verunreini­ gungsgehalt sein. Solche Stahllegierungen, insbesondere für 12% - Chromstähle, sind beispielsweise in dem Tagungsbericht "Clean Steel, Super Clean Steel" 06. bis 07.03.1995, Copthor­ ne Tara Hotel, London, Großbritannien in den Artikeln "The EPRI Survey on Superclean Steels" von J. Nutting, insbe­ sondere in Tabelle 1, sowie "Development of Production Tech­ nology and Manufacturing Experiences with Super Clean 3,5 NiCrMoV Steels" von W. Meyer, R. Bauer, G. Zeiler insbeson­ dere in den Tabellen zu dem 12% - Chromstahl (Böt550SO) be­ schrieben.

Zumindest der erste Grundwerkstoff, d. h. der Grundwerkstoff für den Bereich mit kleinerem Radius und hoher Warmfestig­ keit, weist als weitere Legierungskomponente Bor bis 0.03 Gew.%, insbesondere 0.005 Gew.% bis 0.02 Gew.% auf.

Als weitere Legierungselemente weist der zweite Grundwerk­ stoff vorzugsweise

• 1.0% bis 1.6% Mo, insbesondere 1.4%,
• 0.15% bis 0.25% V, insbesondere 0.21%,
• 0.03% bis 0.07% Nb, insbesondere 0.05%,
• 0.03% bis 0.06% N, insbesondere 0.04%, bis 0.1% Si,
• 0.1 bis 0.2% C, insbesondere 0.16%, bis 0.2% Mn auf.

Vorzugsweise eignet sich die Turbinenwelle für die Verwendung in einer Dampfturbine, wobei der erste Bereich der Aufnahme der Laufschaufeln des Hochdruckteils der Dampfturbine und der zweite Bereich der Aufnahme der Laufschaufeln des Nieder­ druckteils der Dampfturbine dient. Während eines Betriebes der Dampfturbine kann dabei der Hochdruckteil einer Dampftem­ peratur von 550°C bis 650°C ausgesetzt sein, was eine gute Warmfestigkeit des ersten Bereichs, vor allem im oberflächen­ nahen Bereich, erfordert. In der Umgebung der Rotationsachse herrschen niedrigere Temperaturen als an der Oberfläche, so daß gegebenenfalls auch im Hochdruckteil ein achsnaher Kern­ bereich aus einem Grundwerkstoff mit niedrigerer Warmfestig­ keit, beispielsweise dem zweiten Grundwerkstoff, gebildet sein kann. Der zweite Bereich, welcher den Niederdruckteil der Dampfturbine bildet und einen größeren Radius als der er­ ste Bereich aufweist, ist insbesondere aufgrund der größeren Niederdruck-Laufschaufeln sowie des eignen größeren Radius es höheren mechanischen Belastungen als der Hochdruckteil ausge­ setzt. Eine hohe Zähigkeit, insbesondere Bruchzähigkeit, ist daher für den Niederdruckteil erforderlich, was durch die entsprechende Wahl der Legierungskomponenten (höherer Anteil an Nickel, gegebenenfalls geringerer Anteil an Chrom) des zweiten Grundwerkstoffes erreicht wird. Die thermische Bela­ stung des Niederdruckteils liegt dabei vorzugsweise unterhalb von 500°C, insbesondere unterhalb von 480°C. Die Streck­ grenze kann bei über 720 MPa liegen.

Im Hinblick auf die bei einer Oberflächentemperaturbelastung radial in Richtung der Rotationsachse abnehmenden Temperatur in der Turbinenwelle weist der erste Bereich vorzugsweise ei­ nen achsnahen Kernbereich auf, der von einem Mantelbereich umgeben ist. Der Mantelbereich besteht vorzugsweise aus dem ersten Grundwerkstoff und besitzt somit die geforderte Warm­ festigkeit. Der Kernbereich besteht vorzugsweise aus dem zweiten Grundwerkstoff oder einem dritten Grundwerkstoff, welcher auch über eine gute Warmfestigkeit verfügt. Der Kern­ bereich kann hierbei durch Elektro-Schlacke-Umschmelzen einer entsprechend legierten Elektrode oder Elektroden hergestellt sein.

Der maximale Radius R₁ des ersten Bereiches, des Hochdruck­ teils, liegt vorzugsweise zwischen 350 mm und etwa 750 mm. Der maximale Radius R₂ des zweiten Bereiches, d. h. des Nie­ derdruckteils, liegt vorzugsweise zwischen 700 mm und 1000 mm.

Die auf ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenwelle ge­ richtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der erste Bereich durch Abschmelzen einer Elektrode oder mehrerer Elektroden aus dem ersten Grundwerkstoff, beispielsweise nach einem ESU- Verfahren hergestellt wird. Der zweite Bereich wird durch ein Abschmelzen einer Elektrode oder mehrerer Elektroden aus dem zweiten Grundwerkstoff hergestellt. Die Herstellung der ge­ samten Welle kann in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen, wo­ bei zuerst Elektroden aus dem ersten Grundwerkstoff und an­ schließend Elektroden aus dem zweiten Grundwerkstoff oder um­ gekehrt abgeschmolzen werden. Ein so hergestellter Rohling einer Turbinenwelle kann beispielsweise durch Schmieden auf die entsprechenden Radien des ersten Bereiches und des zwei­ ten Bereiches gebracht werden. Die Wärmebehandlung einer durch das ESU-Verfahren hergestellten kombinierten Turbinen­ welle kann für den ersten Bereich und den zweiten Bereich gleichartig erfolgen. Eine Vorabwärmebehandlung wird bei etwa 1100°C über eine Zeitdauer von etwa 26 Stunden durchgeführt und mit einer Ofenabkühlung auf etwa 680°C weitergeführt. Daran schließt sich, je nach Wellendurchmesser, eine Quali­ tätswärmebehandlung mit der Austenitisierungstemperatur von etwa 1070°C über eine Zeitdauer von etwa 33 Stunden an. Ein Anlassen erfolgt danach beispielsweise über eine Zeitdauer von etwa 24 Stunden bei einer Temperatur zwischen 650°C und 680°C, wobei bereichsweise unterschiedliche Anlaßtemperatu­ ren erzeugt werden können.

Eine Herstellung eines ersten Bereiches mit einem um die Ro­ tationsachse sich erstreckenden Kernbereich aus dem zweiten Grundwerkstoff wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß ein aus dem ersten Grundwerkstoff gebildeter Hohlzylinder durch ein Abschmelzen einer oder mehrerer Elektroden mit dem zwei­ ten Grundwerkstoff aufgefüllt wird. Der Hohlzylinder aus dem ersten Grundwerkstoff kann durch konventionelle Schmiedever­ fahren hergestellt sein. Beim Auffüllen des Hohlzylinders mit dem zweiten Grundwerkstoff oder einem dritten Grundwerkstoff mit hoher Warmfestigkeit, beispielsweise mittels des Elektro- Schlacke-Umschmelzverfahrens (ESU-Verfahrens), kann die so hergestellte Rohform des ersten Bereiches mit dem erstar­ renden ESU-Schmelzbad verschweißt werden. Es ist ebenfalls möglich, den ersten Bereich auf den zweiten Bereich aufwach­ sen zu lassen. Analog kann der zweite Bereich, der Nieder­ druck-Teil, durch Füllen eines aus dem zweiten Grundwerkstoff bestehenden Hohlzylinders durch den ersten Grundwerkstoff oder einen weiteren Grundwerkstoff erfolgen.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie­ le werden die Turbinenwelle und das Verfahren zur Herstellung der Turbinenwelle näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich

Fig. 1 eine entlang einer Rotationsachse gerichtete Dampfturbinenwelle und

Fig. 2 und Fig. 3 einen Rohling für eine Dampfturbinenwelle.

Fig. 1 zeigt zwei unterschiedliche Ausführungsformen einer entlang einer Rotationsachse 2 gerichteten Turbinenwelle 1. Die Turbinenwelle 1 hat eine ersten zur Rotationsachse rota­ tionssymmetrischen Bereich 4, der den Hochdruck-Teil dar­ stellt, mit einem Radius R₁. An den ersten Bereich 4 schließt sich ein zweiter Bereich 5, der Niederdruck-Teil, an welcher gegenüber dem ersten Bereich 4 einen größeren Radius R₂ auf­ weist. Die sich jeweils an den ersten Bereich 4 bzw. den zweiten Bereich 5 anschließenden Enden 3 der Turbinenwelle 1 dienen der Lagerung. In der ersten oberhalb der Rotations­ achse 2 dargestellten Ausführungsform ist der erste Bereich 4 vollständig aus einem ersten Grundwerkstoff gefertigt, wel­ cher eine hohe Warmfestigkeit besitzt, so daß die Turbinen­ welle 1 für einen Einsatz bei Dampfeintrittstemperaturen von etwa 550°C bis etwa 650°C geeignet ist. Der erste Grund­ werkstoff hat einen Gehalt an Chrom von etwa 10.5 Gewichts­ prozent und einen Gehalt an Nickel von etwa 0.75 Gewichtspro­ zent. Er kann neben weiteren Legierungsbestandteilen Wolfram bis zu 3,0 Gew.%, Rhenium bis zu 2,0 Gew.% und eine Beimischung von 0.005 Gew.% bis 0.02 Gew.% Bor aufweisen. Der zweite Bereich 5 ist aus einem zweiten Grundwerkstoff ge­ fertigt, welcher dem ersten Grundwerkstoff in seiner chemi­ schen Zusammensetzung ähnelt. Der Gehalt an Chrom beträgt et­ wa 9.8 Gewichtsprozent und der Gehalt an Nickel etwa 1.3 Ge­ wichtsprozent. Beide Grundwerkstoffe weisen im wesentlichen dieselbe Austenitisierungstemperatur auf.

Bei der zweiten unterhalb der Rotationsachse 2 dargestellten Ausführungsform der Turbinenwelle 1 weist der erste Bereich 4 einen axialen Kernbereich 6 mit einem Radius R₃, welcher kleiner als der Radius R₁ ist, auf. Dieser Kernbereich 6 ist gebildet aus dem zweiten Grundwerkstoff. Der Kernbereich 6 ist von einem Mantelbereich 7, bestehend aus dem ersten Grundwerkstoff, ummantelt. Hierdurch hat die Turbinenwelle 1 in dem oberflächennahen Bereich des ersten Bereiches 4, der den hohen Dampftemperaturen ausgesetzt ist, die gewünschte Warmfestigkeit. In dem achsnahen Bereich, d. h. dem Kernbe­ reich 6, liegen geringere Temperaturen vor, so daß die Warm­ festigkeit des zweiten Grundwerkstoffes ausreichend ist und somit der Kernbereich 6 zudem die hohe Bruchzähigkeit des zweiten Grundwerkstoffes aufweist.

In Fig. 2 ist eine entlang einer Rotationsachse 2 gerichtete Rohform einer Turbinenwelle 1 dargestellt. Die Rohform weist einen ersten Bereich 4 auf, auf den entlang der Hauptachse 2 ein zweiter Bereich 5 aufgebracht ist. Der erste Bereich 4 weist einen Hohlzylinder 8 aus dem ersten, dem warmfesten, Grundwerkstoff auf. In das Innere, den Kernbereich 6, des Hohlzylinders 8 werden nichtdargestellte Elektroden aus dem zweiten Grundwerkstoff gemäß dem ESU-Verfahren abgeschmolzen, so daß sich sukzessive der Kernbereiche 6 mit dem zweiten Grundwerkstoff füllt. Der zweite Grundwerkstoff bildet so in dem ersten Bereich 4 einen achsnahen Kernbereich 6. Der Man­ telbereich 8 ist vorzugsweise als rotationssymmetrischer Hohlzylinder auf konventionelle Art und Weise hergestellt, insbesondere geschmiedet. Der zweite Bereich 5 wird durch Aufwachsen des zweiten Grundwerkstoffes nach dem ESU-Verfah­ ren auf den ersten Bereich 4 und den Kernbereich 6 gebildet.

Aus der in Fig. 2 dargestellten Rohform kann durch Schmieden eine Turbinenwelle 1 gemäß Fig. 1 (zweite Ausführungsform) hergestellt werden. Die Enden 3 können nachträglich ange­ schweißt werden.

Es ist auch möglich, daß der Bereich 4 und der Kernbereich 6 aus dem zweiten Grundwerkstoff, d. h. dem Werkstoff für den Niederdruckteil der Dampfturbine, und der Bereich 5 aus dem ersten Grundwerkstoff, d. h. dem warmfesten Werkstoff des Hochdruckteils, hergestellt wird. Hierdurch wird der Nieder­ druckteil der Dampfturbinenwelle in zwei Arbeitsschritten hergestellt, wobei beispielsweise durch konventionelle Schmiedetechnik ein ringförmiger Mantelbereich 8 hergestellt wird. In diesen Mantelbereich wird aus demselben Werkstoff, nämlich dem zweiten Grundwerkstoff, durch das ESU-Verfahren der Kernbereich 6 aufgefüllt. Hierdurch ist es möglich, selbst in ESU-Anlagen in denen der gesamte Niederdruckteil, d. h. der Bereich 5, nicht herstellbar wäre, durch Auffüllen des Kernbereiches 6 in den geschmiedeten Mantelbereich 8 hin­ ein ausreichend große zu verschmiedende Blöcke herzustellen. Eine entsprechende Rohform für eine Turbinenwelle 1 mit einem aus einem Mantelbereich 8 und einem Kernbereich 6 bestehenden zweiten Bereich 5 ist in Fig. 3 dargestellt.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine kombinierte Hochdruck- Niederdruck-Turbinenwelle für eine Dampfturbine aus, bei der der Hochdruckteil mit kleinerem Durchmesser und der Nieder­ druckteil mit größerem Durchmesser aus einer jeweils ähnli­ chen Stahllegierung hergestellt werden. Die Stahllegierungen weisen dabei 8.0 bis 12.5 Gewichtsprozent Chrom und ge­ gebenenfalls 0.1 bis 1.8 Gewichtsprozent Nickel auf. Der Nic­ kelanteil des Hochdruckteils ist niedriger als der ent­ sprechende Anteil des Niederdruckteils. Durch die Wahl ähn­ licher Stahllegierungen mit vorzugsweise im wesentlichen den­ selben Karbid- und Nibridbildnern kann für die Turbinenwelle als Ganzes eine einheitliche Austenitisierungstemperatur von etwa 1050°C angewandt werden. Die Stahllegierung des Hoch­ druckteils kann Kobald bis zu 3 Gew.% und/oder Re bis zu 2 Gew.% aufweisen. Weiterhin kann der Hochdruckteil einen achsnahen Kernbereich aus derselben Legierung, wie der Nie­ derdruckteil aufweisen, wobei dieser Kernbereich von einem Mantelbereich umgeben ist, der aus der besonders warmfesten Stahllegierung des Hochdruckteils gefertigt ist. Durch die Wahl unterschiedlicher Stahllegierungen im oberflächennahen Bereich der Turbinenwelle kann den besonderen thermischen und mechanischen Belastungen im Niederdruckteil und Hochdruckteil getrennt Rechnung getragen werden. Der Hochdruckteil ist so ausgeführt, daß er eine hohe Warmfestigkeit für Dampf­ temperaturen von 550°C bis 650°C aufweist und der Nieder­ druckteil ist besonders für hohe Anforderungen an die Streck­ grenze ausgebildet.

Ein Rohblock für die Turbinenwelle kann zu 100% im ESU-Ver­ fahren durch Abschmelzen mehrerer Elektroden unterschiedli­ cher chemischer Zusammensetzung oder durch Abschmelzen der­ artiger Elektronen in einen vorgefertigten Ringkörper aus ei­ ner der erwähnten Legierungskombinationen (erster Grundwerk­ stoff, zweiter Grundwerkstoff) hergestellt werden.

Claims (14)

1. Turbinenwelle (1), insbesondere für eine Dampfturbine, welche entlang einer Rotationsachse (2) gerichtet ist und ei­ nen ersten axialgerichteten Bereich (4) mit einem maximalen Radius R₁ und einen an diesen angrenzenden zweiten axialge­ richteten Bereich (5) mit einem maximalen Radius R₂ < R₁ auf­ weist, wobei der erste Bereich (4) einen ersten Grundwerk­ stoff für einen Einsatz bei einer ersten Temperatur und der zweite Bereich (5) einen zweiten Grundwerkstoff für einen Einsatz bei einer zweiten gegenüber der ersten Temperatur niedrigeren Temperatur mit einer jeweiligen Stahllegierung beinhaltend 8.0 Gew.% bis 12.5 Gew.% Cr aufweist, deren jeweilige Austenitisierungstemperatur im wesentlichen gleich sind.

2. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 1, wobei jede Austeni­ tisierungstemperatur im Bereich von 950°C bis 1150°C, insbesondere bei 1050°C, liegt.

3. Turbinenwelle (1), nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der der erste Grundwerkstoff und der zweite Grund­ werkstoff jeweils einen Anteil Nickel von 0.1 Gew.% bis 1.8 Gew.% aufweisen, wobei der zweite Grundwerkstoff einen größeren, insbesondere um mehr als 0,1% größeren, Anteil an Nickel hat.

4. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Grundwerkstoff (Angaben in Gewichtspro­ zent) 9.5% bis 10.5% Cr und 1.0% bis 1.5% Ni, insbeson­ dere 9.8% Cr und 1.3% Ni, und der erste Grundwerkstoff 10.0% bis 12.0% Cr und 0.2% bis 0.6% Ni aufweisen.

5. Turbinenwelle (1), nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der der erste Grundwerkstoff aufweist (Angaben in Gewichtsprozent):
0%-3,0% W, 0%-3,0% Co und/oder 0′%-2,0% Re.

6. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 5, bei der der erste Grundwerkstoff aufweist (Angaben in Gewichtsprozent):
2,4%-2,7% W und/oder 2,4%-2,6% Co.

7. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 5 oder 6, bei der der erste Grundwerkstoff aufweist (Angaben in Gewichtsprozent):
Mo 0% bis 0.5%, insbesondere 0.15%-0.25%,
V 0.1% bis 0.3%, insbesondere 0.15%-0.25%,
Nb 0.02% bis 0.18%, insbesondere 0.04%-0.08%,
N 0.01% bis 0.07%, insbesondere 0.015%-0.045%
C 0.05% bis 0.25%, insbesondere 0.08%-0.12% und Desoxidationselemente, wie bis 0.15% Si, bis 0.7% Mn, insbesondere 0.4%-0.6%, sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen, insbesondere an As, Al, P, Sb, Sn, S.

8. Turbinenwelle (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der zumindest der erste Grundwerkstoff als weitere Legierungskomponente bis 0.03 Gew.%, insbesondere 0.005 Gew.% bis 0.02 Gew.%, Bor aufweist.

9. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Grundwerkstoff (Angaben in Gewichtspro­ zent) aufweist:
1.0% bis 1.6% Mo, insbesondere 1.4%,
0.15% bis 0.25% V, insbesondere 0.21%,
0.03% bis 0.07% Nb, insbesondere 0.05%,
0.03% bis 0.06% N, insbesondere 0.04%, bis 0.1% Si,
0.1% bis 0.2% C, insbesondere 0.16%, bis 0.2% Mn.

10. Turbinenwelle (1), nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der der erste Bereich (4) einen Kernbereich (6) aus dem zweiten Grundwerkstoff aufweist, welcher Kernbereich (6) von einem Mantelbereich (7) aus dem ersten Grundwerkstoff um­ mantelt ist.

11. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Dampfturbine, bei der der erste Bereich (4) der Aufnahme der Laufschaufeln des Hochdruckteils und der zweite Bereich (5) der Aufnahme der Laufschaufeln des Niederdruck­ teils der Dampfturbine dient.

12. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch Abschmelzen einer Elektrode oder mehrerer Elektroden aus dem ersten Grundwerkstoff der erste Bereich (4) und durch Abschmelzen einer Elektrode oder mehrerer Elektroden aus dem zweiten Grundwerkstoff der zweite Bereich (4) so hergestellt werden, daß sie miteinander verbunden sind.

13. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenwelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der erste Bereich (4) derart hergestellt wird, daß aus dem ersten Grundwerkstoff ein einen Mantelbereich (7) bildender Hohlzylinder (8) gebildet wird, welcher Hohlzylin­ der (8) durch Abschmelzen einer Elektrode oder mehrerer Elektroden mit dem zweiten oder einem dritten Grundwerkstoff einen Kernbereich (6) bildend gefüllt wird.

14. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenwelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der zweite Bereich (5) derart hergestellt wird, daß aus dem zweiten Grundwerkstoff ein einen Mantelbereich (7) bildender Hohlzylinder (8) gebildet wird, welcher Hohlzylin­ der (8) durch Abschmelzen einer Elektrode oder mehrerer Elektroden mit dem ersten Grundwerkstoff einen Kernbereich (6) bildend gefüllt wird.