DE2004724A1

DE2004724A1 - Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE2004724A1
Application number: DE19702004724
Authority: DE
Inventors: Charles Henry Schenectady; Musick Victor Stanley Scotia; N.Y. Kreischer jun. (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-02-07
Filing date: 1970-02-03
Publication date: 1970-09-03
Also published as: CH517893A; US3561886A; ES375462A1; FR2031243A5; SE358206B; GB1271758A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Turbinenschaufeln und insbesondere auf einen Erosionsschutz zur Steuerung oder Ver>hinderung einer Erosion durch Feuchtigkeitsaufschlag auf Dampfturbinenschaufeln*

Der Verschleiß bzw. die Erosion an den Führungskanten von Turbinenschaufeln, die durch Feuchtigkeitstropfen im Dampf verursacht wird, die auf die Führungskanten auftreffen, 1st ein bekanntes Problem. Dies ist besonders ernst bei den radial äußeren Teilen einer letzten Schaufelstufe und zwar aus zwei Gründen. Erstens ist in dein Dampf mehr Feuchtigkeit vorhanden, die bis zu diesem Punkt entspannt wurde. Zweitens rotieren die letzten Schaufelstufen wegen der

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großen Länge der Schaufeln mit hohen Geschwindigkeiten der Spitzen.

Es sind bereits viele Anregungen bekannt, um einen harten verschleißfesten Schutz zu befestigen oder μηι entfernbare Anordnungen, die einer Peuchtigkeitserosion widerstehen, an die Schaufelführungskanten anzubringen. Diese umfassen Abschirmungen oder Platten von erosionsfesten Materialien wie Steinte (eingetragenes Warenseichen der Firma Haynes Steinte Division of Union Carbide Corp.), die an die Schaufeln angeschweißt oder angelötet werden. Wie sich gewöhnlich herausstellt, ist das Schaufelmaterial eine Legierung mit unterschiedlichen Eigenschaften, die für eine hohe Belastbarkeit und Formänderungsfähigkeit ausgewählt wurde und ist mit dem Erosionsschutz nicht verträglich insoweit nämlich, wie die Erzielung einer endgültigen geschmeidigen Schweißverbindung betroffen ist.

Derartige Platten werden befestigt, indem sie in eine vorbereitete Aussparung eingesetzt werden, wie aus dem US Patent 3 304 056 ersichtlich ist oder indem sie an den Schaufelfüßen bis auf eine Nulldicke spitz zulaufend hergestellt werden, wie aus dem US Patent 3 275 295 zu entnehmen ist. Die erstere Lösung kann einen plötzlichen übergang der Schaufelbelastung an den Verbindungsstellen der Aussparung^erursachen, während die letztere wegen der Dünne des Schutzes an seinem inneren Ende Befestigungsprobleme aufwerfen kann.

Demzufolge besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen verbesserten Erosionsschutz für Turbinenschaufeln zu schaffen und ein Verfahren zur Befestigung an eine Führungskante der Turbinenschaufel anzugeben.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Befestigung eines Schutzes eines harten erosionsfesten Materials an eine hochbelastbare, geschmeidige Turbinenschaufel anzugeben, die aus einer glatt zusammengesetzten Schweißverbindung besteht.

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Eine weitere Aufgabe besteht darin, geeignete Materialien für die zuvor genannte zusammengesetzte Sehweißverbindung anzugeben,

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Erosionsschutzbefestigung für das äußere Teil der Führungskante einer Turbinenschaufel vorzusehen, die eine Beeinflussung des Belastungsüberganges von dem nicht geschützten Schaufelteil zum geschützten Schaufelteil vorsieht.

Die Erfindung sowie weitere Vorteile derselben können der Zeichnung entnommen werden, die im folgenden beschrieben wird.

Hierbei zeigen:

Figur 1 und 2 Vorder- und Seitenansichten einer entsprechenden Dampfturbinenschaufel mit der Erfindung;

Figur 3 eine vergrößerte Teilansicht des äußeren Führungs-

i "■■ kantenteils der Schaufel, die Einzelheiten der Erosionsschutzbefestigung und

Figur 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV nach Figur 3 durch die Schaufelführungskante.

Die Erfindung wird kurz gesagt ausgeführt, indem ein erosionsfester Schutz an die Schaufelführungskante geschweißt wird, wobei ein dazwischen befindliches metallenes Unterlagsband , eines Materials verwendet wird, das sich sowohl mit der Schaufel als auch dem Schutz verträglich schweißen läßt. Der Schaufelquerschnitt ist am inneren Ende des Schutzes örtlich vergrößert, um die Belastung zu beeinflussen.

Ferner werden für den Erosionsschutz LegierungskOmbinationen angegeben.

In den Figuren 1 und 2 ist eine Dampfturbinenschaufel einer letzten Stufe allgemein mit 1 bezeichnet, die ein Schwalben-

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schwanzteil zur Befestigung an ein Turbinenrad zusammen mit anderen ähnlichen Schaufeln und ein Schaufelteil 3 besitzt, das sich von dem Schwalbenschwanzteil radial nach außen erstreckt. Das dargestellte Schwalbenschwanzteil 2 besitzt eine größere Anzahl Pinger und wird in dem US Patent 2 790 620 (erteilt am 30. April 1957) näher beschrieben.

Die Schaufel 3, wie dargestellt, besitzt eine erhebliche Verwindung und ist insoweit hoch belastbar, als die Schaufel eine Länge von 85 cm (33 1/2 inch) bei einer Umdrehung von 3·6θΟ Umdrehungen/min, aufweisen kann, wobei die Spitze der Schaufel bei einem Durchmesser von 3,15 m (10 Fuß, 4 inch) liegen kann. Die Schaufel 3 ist in der Nähe ihres Mittelpunktes mit ^MBandagendraht" (tie wire)-Vorsprüngen 4 zur- Befestigung mit ähnlichen Vorsprüngen an benachbarten Schaufeln versehen. Die Schaufel 3 besitzt auch ein dickeres Spitzenteil 5 zur Befestigung eines diagonal verlaufenden Ummantelungsteiles zwischen den Schaufelspitzen, wie in der US Patentschrift 3 302 925, erteilt am 7- Februar 1967, beschrieben ist.

Gemäß vorliegender Erfindung ist an der Führungskante 6 der Turbinenschaufel ein Erosionsschutz 7 aus einem relativ harten Material mit ihr befestigt und erstreckt sich etwa über ein Drittel der äußeren Schaufellänge, das ausgewählt ist, um einer Feuchtitfkeitsaufschlagserosion von Wassertropfen im Dampf zu widerstehen.

In der vergrößerten Ansicht nach Figur 3 ist der Schutz 7 ersichtlich, wie er mit der Schaufel 3 mit Hilfe einer Zwischenunterlage 8 befestigt ist. An dem radial inneren Teil des Schutzes ist sowohl die Unterlage 7 als auch der Schutz 8 derartig ausgebildet daß sie von der Fiihrunfukante aus weg eine Wölbung einleiten. Die Unterlage 8 verbleibt bei annähernd gleicher Dicke, während der Schutz 7 bis auf etwa ein Drittel seiner nominellen Dicke spitz zuläuft.

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An seinem abschließenden Ende 7 a behält er eine Dicke von etwa 0,32 cm (1/8 inch), so daß eine gute Schweißung erreicht werden kann.

Um die Unterlage und den Schutz einander anzupassen, ist die Führungskante6 der Schaufel bei 6 a flach ausgebildet. Dieser flache Teil ist so ausgewölbt, daß er den Teil, der der üblichen radialen Ausdehnung der Führungskante 6 entspricht, schneidet und über ihn hinausreicht. Die Gesamtwirkung an dem radialen inneren Ende des Erosionsschutzes, die durch die Linie 9 in A Figur 3 angedeutet ist, besteht darin, daß eine örtliche Ver- ~ größerung der Schaufelquerschnittsfläche vorgesehen wird. Mit anderen Worten, der Querschnitt bei 9- ist größer als jene Querschnitte, die sich unmittelbar davon nach innen und außen erstrecken. Wie allgemein bekannt ist, nimmt die Zentrifugalbelastung in einer Turbinenschaufel etwa mit dem Quadrat des Radius zu* Die Belastung an irgendeiner Stelle ist ebenfalls eine Funktion der Querschnittsfläche der Schaufel und die zulässige Belastung wird durch die.Materialien an diesem Querschnitt festgelegt. Die zulässige Belastung der zusammengesetzten Struktur ist außerhalb von 9 unterschiedlich von dem Schaufelmaterial innerhalb von 9· Bei der vorliegenden Erfindung verringert ein vergrößerter örtlicher Querschnitt an der f Stelle des Anfangs der zusammengesetzten Schweißstruktur die Belastung an dieser kritischen Stelle, wo der Erosionsschutz beginnt. Der Vorsprung hat keine nennenswerte Wirkung·auf die Strömungsaspekte der Schaufel.

Gewisse Materialkombinationen für die Schaufel 3, die Unterlage 8 und den Erosionsschutz 7 ergeben bevorzugte Ergebnisse. Die unten angegebenen Kombinationen geben Materialbeispiele an, die aus verträglich schweißbaren .Materialien ausgewählt wurden, um eine geschmeidige zusammengehet7.tö^; struktur herzustellen.

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- 6 -Beispiel 1

Das verwendete Schaufelmaterial bestand aus "Crucible 442", eine im Handel erhältliche martensitische rostfreie Stahllegierung einer nominell 12 %igen Chrom-Zusammensetzung.

Dies gibt eine allgemeine Klasse solcher Legierungen an, die eine hohe Belastbarkeit und die Geschmeidigkeit aufweisen, die sie als Schaufelmaterial geeignet machen und umfassen einen Chrom-Bereich von üblicherweise 10 bis 14 %.

Das verwendete Unterlagsmaterial bestand aus einer Chrom-Eisen-Legierung auf Nickel-Basis, die im Handel unter dem Namen "Inconel 600" bekannt ist. Der Erosionsschutz bestand aus einer harten erosionsfesten Chrom-Wolfram-Legierung auf Kobalt-Basis, die im Handel unter dem Namen "Steinte 6 B" erhältlich ist. Die Anwendung der Elektronenstrahlschweißung auf diese Materialien ergab eine geschmeidige zusammengesetzte Schweißverbindung.

Beispiel 2

Als Schaufelmaterialien wurden wegen ihres leichten Gewichts bei einer relativ hohen Belastbarkeit Titan-Legierungen untersucht. Eine hoch belastbare Legierung von 6 % Aluminium, 4 % Vanadium und die Differenz aus Titan (beschrieben in American Military Standard Specification AMS 4928 C) wurde mit einer kommerziell reinen Titanunterlage (AMS 4900 B) elektronen-verschweißt, welche vorher durch Diffusion an einen Erosionsschutz aus "Steinte 6 B" gebunden wurde.

Beispiel 3

Die Titan-Unterlage wurde an das Tltan-Basisschaufelmaterial durch Elektronenschweißung, wie vorher ausgeführt, befestigt. Das Schutzmaterial ,jedoch bestand aus einer erosionsfesten Titanbasislegierung mit 11 % Zinn, 21,4 % Aluminium, 4 % Molyb·

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danund 0,2 % Silicium (konzipiert von Imperial Metals '_: Industries Specification IMI-680). Der Schutz wurde wiederum mit der Anordnung der Unterlage Und der Schaufel elektronenverschweißt. , · "■-■■""

Bei all den zuvor genannten Beispielen muß die Schweißung wie allgemein bekannt ist in einer Sehutzatmosphäre oder in einem Vakuum durchgeführt werden. Wolfram-Schutzgasschweißung kann auch in einigen Fällen durchgeführt werden.

Durch die Verwendung der zuvor genannten zusammengesetzten ■* Unterlage-und Schutzkonstruktion zusammen mit dem örtlich ver- ™ größerten Schaufelquerschnitt am inneren Ende der Unterlagsund Schutzkonstruktion zur Beeinflussung der •Beanspruchungshöhe an dieser Verbindung wird ein sehr zuverlässiger und wirksamer Erosionsschutz erzielt. Es ist offensichtlich, daß der Ausdruck "örtliche Vergrößerung" sich nur auf die Schaufelflächen bezieht ,. die dicht benachbart dazu sind. Das bedeutet, daß eine Deformation vorliegt, die eine sich sanft ändernde Schaufelfläclie darstellt, die berechnet ist, unx eine bestimmte Beeinflussung der Beanspruchungshöhen zu erreichen.

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Claims

PatentanSprüche

/ 1. ^Turbinenschaufel mit einem radial sich erstreckenden Schaufelteil, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterlagselement (8) von annähernd gleicher Dicke an der Schaufelführungskante (6) entlang eines radialen äußeren Teiles derselben befestigt ist, daß ein Schutz (7) aus erosionsfestem Material mit dem Unterlagselement (8) befestigt ist und daß die Schaufel die Unterlage und die Abschirmung aus verträglich schweißbaren Materialien ausgewählt und in einer geschmeidigen zusammengesetzten Schweißstruktur verbunden sind.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die radial inneren Enden der Unterlage (8) und Abschirmung (7) so geformt sind, daß sie von dem Schaufelte!! geeignet ausgewölbt sind, so daß ein Vorsprung (7a) auf der Schaufelführungskante an einer Zwischenstelle (9) des örtlich vergrößerten Querschnittes festgelegt wird.

3· Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2. g" a d u r c h gekennzeichnet, daß die Unterlage (8) und Abschirmunr (7) sich etwa über ein drittel der äußeren Länge des Schaufelteiles (3) erstrecken.

^. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Schaufelmaterial aus einer martensitischen rostfreien Stahl legierung besteht, das einen nominellen Chrom-Anteil in der Größenordnung von 12 % besitzt, wohingegen das Unterlagsmaterial aus einer Chrom-Eisen-Iegierunp· auf Nickel basis und die Erosionsabschirmung aus einer Chrom-Wolfram-Legierung auf Kobaltbasis besteht.

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5. Turbinenschaufel nach Anspruch I₃ 2 oder 3₃ d a durch

g e k e η η ζ e ic h η et, daß das Schaufelmaterial eine hoch belastbare Titanbasis-Legierung ist, während das Unterlagsmaterial aus Titan und das Abschirmmaterial aus einer Chrom-Wolfram-Legierung auf Kobaltbasis besteht.

6. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, 2 -oder 3> da d u r c h ■ g e kenn ζ e i c h η e t , daß das Schaufelmaterial aus einer hoch belastbaren Titanbasis-Legierung besteht, während das Unterlagsmaterial· aus Titan und das Abschirmmaterial aus einer erosionsfesten Titanbasis-Legierung besteht .. - ,

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