DE2944987A1

DE2944987A1 - Dampfturbinen-laufschaufel

Info

Publication number: DE2944987A1
Application number: DE19792944987
Authority: DE
Inventors: Katsukuni Hisano; Takao Mizoi; Toshimi Tan
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-11-10
Filing date: 1979-11-07
Publication date: 1980-05-22
Also published as: CH644433A5; JPS5564104A; DE2944987C3; DE2944987B2; US4342542A; JPS5633561B2

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Dampftürbineη-Laufschaufel

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dampfturbinen-Laufschaufel, insbesondere eine Laufschaufel mit einer erosionsfesten Platte.

Der gegenwärtige Trend zu erhöhter Leistungsfähigkeit und größerer Kompaktheit von Dampfturbinen resultiert in einem Bedarf nach längeren Laufschaufeln der Endstufe im Niederdruckteil der Dampfturbine, wodurch wiederum die die Laufschaufeln während des Umlaufens des Rotors beaufschlagenden Fliehkräfte so stark ansteigen, daß die Festigkeit von 12 %igem Cr-Stahl, dem typischen herkömmlichen Werkstoff für Dampfturbinen-Laufschaufeln, nicht ausreicht.

Wie noch erläutert wird, kann die größte durch die Fliehkraft in der Laufschaufel erzeugte mechanische Spannung praktisch auf die Hälfte vermindert werden, wenn als Werkstoff für die Laufschaufel statt des normalerweise eingesetzten 12 %igen Cr-Stahl ein Ti-Legierungsstahl verwendet wird.

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Es ist daher eine derzeit übliche Maßnahme, Ti-Legierungsstahl als Werkstoff für die Laufschaufeln der Endstufe im Niederdruckteil der Dampfturbine zu verwenden. Wenn für diesen Zweck Ti-Legierungsstahl eingesetzt wird, wird eine erosionsfeste Platte an die Vorderkante jeder Laufschaufel angeschweißt, um die Laufschaufel gegen Erosion zu schützen, die durch im Dampf enthaltene Verunreinigungen hervorgerufen wird.

Normalerweise besteht diese erosionsfeste Platte aus Co-W-Legierungsstahl. Da dieser Legierungsstahl ein spezifisches Gewicht von 8-8,5 hat, das also etwa zweimal so hoch wie dasjenige von Ti-Legierungsstahl ist, werden am Fußteil der erosionsfesten Platte sehr hohe mechanische Spannungen erzeugt. Um diese zu vermindern, wurde bereits vorgeschlagen, am Fußteil der erosionsfesten Platte eine Vorwölbung vorzusehen, die von der Vorderkante der Laufschaufel zur Dampfeintrittsseite vorsteht, um so die Laufschaufelbreite zu vergrößern und die am Fußteil der erosionsfesten Platte erzeugten mechanischen Spannungen zu vermindern.

Bei dieser Maßnahme muß jedoch die genannte Auswölbung relativ groß sein, damit die Schaufelbreite ausreichend groß wird, um eine drastische Steigerung der Spannungen am Fußteil der erosionsfesten Platte gleichmäßig zu beseitigen. Dies hat nachteiligerweise eine starke Verminderung des Turbinen-Wirkungsgrads infolge von Profilverlusten zur Folge. Ferner wird die Erosion an der an der Vorderkante der Laufschaufel gebildeten Auswölbung stärker. Außerdem tritt eine stärkere Verformung der Laufschaufel beim Schweißen auf aufgrund der größeren Schweißstellenlänge zwischen der erosionsfesten Platte und der aus Ti-Legierungsstahl bestehenden Laufschaufel.

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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Dampfturbinen-Laufschaufel, bei der die in der Laufschaufel nahe dem Fußteil der erosionsfesten Platte auftretenden mechanischen Spannungen ohne Profilverlust der Laufschaufel vermindert werden.

Die Laufschaufel nach der Erfindung für Dampfturbinen mit einem Turbinenrotor, an dem eine Mehrzahl Laufschaufeln befestigt ist, die nach radial außen verlaufen, wobei jede Laufschaufel an der Vorderkante ihres radial äußeren Endes eine erosionsfeste Platte trägt, ist dadurch gekennzeichnet, daß in Dickenrichtung der Laufschaufel auf beiden Seiten eines Laufschaufelteils nahe dem Fuß der erosionsfesten Platte, wo diese an dem dem Turbinenrotor näheren Ende der Laufschaufel befestigt ist, Auswölbungen vorstehen, wobei die Laufschaufel eine solche radiale Verteilung des Querschnittsbereichs hat, daß der Querschnittsbereich an dem Laufschaufelteil, an dem die Auswölbungen in Dickenrichtung gebildet sind, größer als an anderen Laufschaufelteilen, die diesem Laufschaufelteil in radialer Richtung benachbart sind, ist. Dadurch werden die an den Laufschaufelteilen nahe dem Fuß der erosionsfesten Platte auftretenden mechanischen Spannungen vermindert.

Durch die Erfindung wird also eine Laufschaufel für Dampfturbinen mit einem Turbinenrotor, der eine Vielzahl von nach radial außen verlaufenden Laufschaufeln trägt, angegeben, wobei jede Laufschaufel an der Vorderkante ihres radial äußeren Endes eine durch Schweißen befestigte erosionsfeste Platte trägt. Die Laufschaufel hat in ihrer Dickenrichtung auf beiden Oberflächen gebildete Auswölbungen an einem Teil nahe dem Fuß der erosionsfesten Platte, wo diese an der Laufschaufel befestigt ist. Infolge dieser in Dickenrichtung gebildeten Auswölbungen hat die Laufschaufel eine solche

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radiaie Querschnittsbereichs-Verteilung, daß der Querschnittsbereich an dem die Auswölbungen aufweisenden Teil größer als an anderen, diesem Laufschaufeltei.1 in radialer Richtung benachbarten Teilen ist. Dadurch werden die an dem Laufschaufelteil nahe dem Fuß der erosionsfesten Platte auftretenden mechanischen Spannungen vermindert.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Laufschaufellänge einer herkömmlichen Dampfturbinen-Laufschaufel und der in der Laufschaufel auftretenden maximalen mechanischen Spannung zeigt;

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels der Laufschaufel aus Ti-Legierungsstahl;

Fig. 3 eine Schnittansicht III-III nach Fig. 2; Fig. k eine Schnittansicht IV-IV nach Fig. 2; und

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Länge der Laufschaufel nach der Erfindung und der in ihr auftretenden mechanischen Spannung zeigt.

Fig. 1 zeigt die Höchstspannungen, die in Laufschaufeln mit einer Länge zwischen 66,04 und 101,6 cm infolge der bei einer Drehzahl von 3600 U/min erzeugten Fliehkraft auftreten. Die höchste zulässige Spannungstrajektorie für 12 %igen Cr-Stahl ist durch eine Strichpunktlinie wiedergegeben. Es ist ersichtlich, daß 12 %iger Cr-Stahl nur für Laufschaufeln mit einer Länge von höchstens 85,09 cm einsetzbar ist. Wenn die Laufschaufel jedoch langer als 101,6 cm ist, übersteigt die in ihr auftretende höchste mechanische Spannung die

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höchstzulässige mechanische Spannung. Aus diesem Grund wird als LaufSchaufelwerkstoff bei großer Schaufellänge ein Ti-Legierungsstahl mit 5-6 % Aluminium eingesetzt. Ti-Legierungsstahl hat ein spezifisches Gewicht von *,4-4,5, also etwa halb so viel wie 12 %iger Cr-Stahl, so daß die höchste mechanische Spannung in der Laufschaufel beinahe auf die Hälfte verminderbar ist (vgl. Strichlinie in Fig. 1).

Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Dampfturbinen-Laufschaufel erläutert.

Normalerweise wird die in der Laufschaufel erzeugte Fliehkraft als ein Produkt des Gewichts (der Masse), des Radius und des Quadrats der Winkelgeschwindigkeit gegeben. Somit erhöht sich die Fliehkraft proportional zum Radius. Da jedoch die Laufschaufel in Richtung auf ihr radial äußeres Ende schmaler ist, wird das Schaufelgewicht zum radial äußeren Ende hin geringer. Die in der Laufschaufel durch die Fliehkraft erzeugte mechanische Spannung ist eine Funktion des Querschnittsbereichs der Laufschaufel. Daher ist es möglich, die mechanischen Spannungen an dem Laufschaufelteil nahe dem Fuß der erosionsfesten Platte dadurch zu vermindern, daß der Querschnittsbereich der Laufschaufel in diesem Teil vergrößert wird. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß es für einen guten Wirkungsgrad der Laufschaufel erforderlich ist, daß ihre Vorderkante vom radial inneren Ende zum radial äußeren Schaufelende über die Gesamtlänge eine sanfte Wölbung hat, um die ursprüngliche Form des Schaufelprofils aufrechtzuerhalten.

Im vorliegenden Fall werden in Dickenrichtung der Laufschaufel vorstehende Auswölbungen gebildet, um sowohl die er forderliche Spannungsverminderung an dem Laufschaufelteil nahe dem Fuß der erosionsfesten Platte als auch die Aufrechterhaltung der ursprünglichen Form des Schaufelprofils zu erzielen.

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Fig. 2 zeigt die Form der Dampfturbinen-Laufschaufel. Dabei weist die Laufschaufel 2 aus Ti-Legierungsstahl wie im Fall der herkömmlichen Laufschaufel an der Vorderkante des radial äußeren Schaufelteils eine erosionsfeste Platte 1 auf, die aus Co-W-Legierungsstahl besteht und mittels einer Schweißverbindung k an der Schaufel befestigt ist. Dabei weist jedoch die Laufschaufel 2 nahe dem Fuß la der erosionsfesten Platte 1, wo die Platte 1 an dem dem Turbinenrotor näheren Ende an der Laufschaufel 2 befestigt ist, Auswölbungen 7 auf, die von beiden Seiten der Laufschaufel in deren Dickenrichtung vorstehen. Jede Auswölbung 7 hat eine gewölbte Oberfläche und Bogenquerschnitt. Die Form der Auswölbungen 7 ist insbesondere aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich.

Nach Fig. 3 ist die Dicke der erosionsfesten Platte 1 im wesentlichen gleich derjenigen der Laufschaufel 2 aus Ti-Legierungsstahl, und zwar über die Länge der Platte 1 zwischen einem Punkt radial außerhalb des Fußteils la und dem radial äußersten Ende der Platte 1. Die Laufschaufel 2 ist mit den Auswölbungen 7 versehen, die von beiden Schaufelseiten nahe dem Fuß la der erosionsfesten Platte in Dickenrichtung der Laufschaufel 2 vorstehen. Infolgedessen ist (vgl. Fig. k) die größte Dicke t- des Teils der Laufschaufel 2, an dem die Auswölbungen 7 gebildet sind, größer als die größte Dicke t, der erosionsfesten Platte 1. Durch Ausbilden der Auswölbungen 7 mit Bogenquerschnitt hat die Laufschaufel 2 an dem Teil nahe dem Fuß la der Platte 1 eine größere Querschnittsfläche als an ihren anderen Teilen. Infolge dieses vergrößerten Querschnittsbereichs wird die unerwünschte starke Erhöhung der mechanischen Spannungen nahe dem Fußteil la der Platte 1 praktisch vermieden.

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Anschließend wird die angegebene Laufschaufel mit den in Dickenrichtung der Schaufel vorstehenden Auswölbungen mit einer herkömmlichen Laufschaufel mit vergrößerter Schaufelbreite verglichen.

Dabei wird angenommen, daß eine Turbinen-Laufschaufel ursprünglich eine wirksame Länge von 101,6-104,4 cm, eine Gesamtbreite (einschließlich der erosionsfesten Platte 1) von 100 mm, eine mittlere Dicke von 8 mm und eine Breite der Platte 1 von 13 mm hat. Die mechanischen Spannungen nahe dem Fuß la der erosionsfesten Platte 1 können auf einen Pegel vermindert werden, der im wesentlichen gleich dem Pegel der mechanischen Spannungen um den Fuß la ist, wenn die mittlere Dicke der Laufschaufel an dem Laufschaufelteil, an dem die Auswölbungen 7 gebildet sind, auf ca. 12 mm vergrößert wird, wenn Auswölbungen 7 mit Bogenquerschnitt entsprechend Fig. 4 vorgesehen werden. D. h., es genügt, die mittlere Dicke der Laufschaufel um ca. 4 mm zu vergrößern. Dagegen muß bei der herkömmlichen Laufschaufel mit größerer Schaufelbreite die Gesamtbreite der Laufschaufel auf 120 mm vergrößert werden, indem in Breitenrichtung der Laufschaufel eine Auswölbung von ca. 20 mm vorgesehen wird, um eine Querschnittsbereichs-Vergrößerung zu erzielen, die derjenigen der angegebenen Laufschaufel äquivalent ist.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß eine solche Auswölbung in Breitenrichtung bei der herkömmlichen Laufschaufel eine beträchtliche Verminderung des Wirkungsgrads infolge des Profilverlusts mit sich bringt.

Bei der angegebenen Laufschaufel wird die mechanische Spannung, die in dem Teil der Laufschaufel nahe dem Fuß la der erosionsfesten Platte 1 erzeugt wird, durch Vergrößern der Dicke der Auswölbung 7 in Dickenrichtung der Laufschaufel vermindert.

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Die optimale Laufschaufeldicke ist durch die folgende Gleichung gegeben:

mit t_ = größte Dicke der Laufschaufel an dem die Auswölbungen 7 aufweisenden Teil,

t. = größte Dicke der erosionsfesten Platte 1, γ- = spezifisches Gewicht der Platte 1, und Tj = spezifisches Gewicht der Laufschaufel 2 aus Ti-Legierungsstahl.

Fig. 5 zeigt die Spannungsverteilung in der die Auswölbungen 7 aufweisenden Laufschaufel.

Daraus ist ersichtlich, daß die mechanischen Spannungen in der Laufschaufel nahe dem Fuß la der erosionsfesten Platte 1 durch die Ausbildung der in Dickenrichtung vorgesehenen Auswölbungen 7 stark vermindert werden im Gegensatz zu herkömmlichen Laufschaufeln, deren mechanische Spannungen durch die Strichlinienkurve bezeichnet sind.

Es ist also möglich, eine vorteilhafte Verteilung der mechanischen Spannungen in der Laufschaufel durch Vorsehen der in Dickenrichtung vorstehenden Auswölbungen zu erhalten. Außerdem wird durch die geringe Vergrößerung der Schaufeldicke infolge der Bildung der Auswölbungen kein schlechterer Wirkungsgrad erhalten. Durch die größere Laufschaufeldicke wird ferner die durch das Anschweißen der Platte 1 auftretende wärmebedingte Formänderung der Laufschaufel vermindert. Auch ist es möglich, eine erosionsfeste Platte mit im wesentlichen geradliniger Form zu verwenden, wodurch wiederum

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eine einfache Herstellung der erosionsfesten Platte sowie eine Verminderung der Anzahl Arbeitsschritte bei der Herstellung der Lauf schaufel möglich ist, so daß eine Turbinen-Laufschaufel mit verbesserter Betriebssicherheit und erhöhter Zuverlässigkeit geschaffen wird.

Durch die angegebene Laufschaufel-Ausbildung werden also die in dem Laufschaufelteil nahe dem Fuß der erosionsfesten Platte auftretenden mechanischen Spannungen beträchtlich vermindert, ohne daß damit ein erhöhter Profilverlust der Laufschaufel verbunden ist, und zwar infolge der Vergrößerung des Querschnittsbereichs der Laufschaufel in diesem Teil aufgrund der in Dickenrichtung vorstehenden Auswölbungen.

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Claims

Ansprüche

fIy Laufschaufel für Dampfturbinen mit einem Turbinenrotor, an dem eine Mehrzahl Laufschaufeln befestigt ist, die nach radial außen verlaufen, wobei jede Laufschaufel an der Vorderkante ihres radial äußeren Endes eine erosionsfeste Platte trägt,

dadurch gekennzeichnet, - daß in Dickenrichtung der Laufschaufel (2) auf beiden Seiten eines Laufschaufelteils nahe dem Fuß (la) der erosionsfesten Platte (1), wo diese an dem dem Turbinenrotor näheren Ende der Laufschaufel (2) befestigt ist, Auswölbungen (7) vorstehen,

- wobei die Laufschaufel (2) eine solche radiale Verteilung des Querschnittsbereichs aufweist, daß der Querschnittsbereich an dem Laufschaufelteil, an dem die Auswölbungen (7) in Dickenrichtung gebildet sind, größer als an anderen Laufschaufelteilen, die diesem Laufschaufelteil in radialer Richtung benachbart sind, ist.
2. Laufschaufel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die größte Dicke (t.) der Laufschaufel (2) an dem Teil, der die Auswölbungen (7) aufweist, der folgenden Bedingung

genügt:

1,1

(Y_s/r_T)

81-(A 4212-02)-Schö

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ORIGINAL INSPECTED

>•

mit t, = größte Dicke der erosionsfesten Platte (1), γ = spezifisches Gewicht der erosionsfesten

Platte (1), und Y_T = spezifisches Gewicht der Laufschaufel (2).
3. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß sie aus Ti-Legierungsstahl besteht.
4. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß jede in Dickenrichtung gebildete Auswölbung (7) durch eine gewölbte Oberfläche mit Bogenquerschnitt profiliert ist

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